Трение и износ керамики на основе ZrO2 У2Оз в условиях высокоскоростного скольжения по стали

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2007 Математика и механика № 1

УДК 621.891

Н.Л. Савченко, К.М. Пятова, С.Н. Кульков ТРЕНИЕ И ИЗНОС КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ZrO2 - Y2O3 В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СКОЛЬЖЕНИЯ ПО СТАЛИ1

В настоящей работе исследовались трение и износ керамики на основе диоксида циркония в условиях высокоскоростного скольжения по стали в диапазоне скоростей 0,2 - 34 м/с при давлении 5МПа. Было показано, что слой переноса, формирующийся на поверхности трения керамики, играет роль защитного покрытия в условиях высокоскоростного трения.

Перспективными материалами для использования в тяжело нагруженных узлах трения являются трансформационно-упрочнённые керамические материалы [1, 2]. Среди них особо выделяется керамика на основе частично-стабилизированного оксидом иттрия тетрагонального поликристаллического диоксида циркония (в литературе такой материал обозначается как Y - TZP [1]). Основным механизмом упрочнения керамики на основе Y - TZP является фазовое превращение из тетрагональной фазы ZrO2 в моноклинную, развивающееся под действием приложенных напряжений [1]. Существенным недостатком трансформационно-упрочнённой керамики является снижение высоких прочностных свойств с повышением температуры испытаний и приближением её к температурной области стабильности тетрагональной модификации, где вследствие отсутствия термодинамического стимула прекращается действие механизма упрочнения за счёт мар-тенситного тетрагонально-моноклинного превращения. Сильная зависимость свойств материалов на основе ZrO2 - Y2O3 от мартенситного превращения негативным образом сказывается и на процессах трения трансформационно-упрочненной керамики. Известно, что при трении в паре керамика - керамика испытания заканчиваются уже при скоростях выше 1 м/с вследствие катастрофического разрушения поверхности трения [2]. Если в качестве контртела использовать металлы и, в частности, сталь, верхний предел скоростей скольжения можно поднять до 10 - 15 м/с [3]. Причины этого обусловлены высокой теплопроводностью стали, что снижает уровень контактных температур. Кроме этого, в паре керамика

- металл имеют место процессы переноса металла и его окислов на поверхность керамики, в результате чего формируется так называемый слой переноса (transfer layer), который выполняет защитную функцию, увеличивая износостойкость керамики при высоких скоростях скольжения [3].

В ранее опубликованных наших работах [4, 5] было установлено, что независимо от размера зерна для всех изученных керамик Y - TZP зависимость интенсивности изнашивания от скорости скольжения имеет вид кривой с максимумом в области средних скоростей (2 < V < 6 м/с) [4]. Также было показано, что с увеличением скорости скольжения от 0,2 до 11 м/с происходит смена механизмов износа керамики от абразивного, контролируемого мартенситным превращением, до адгезионного, который, в свою очередь, сменяется износом в режиме трения с граничной квазижидкой смазкой.

1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 05-01-98008-р_обь_а и 06-03-96929-р_офи).

Целью настоящей работы явилось изучение трибологических характеристик и структурно-фазового состояния поверхности трения Y - Т2Р после сухого скольжения в паре трения керамика - сталь для ещё более широкого диапазона скоростей (от 0,2 до 34 м/с).

Испытания на трение проводились на машине трения УМТ-1 с использованием схемы «диск - палец» при ступенчатом повышении скорости в условиях трения без смазки. Контртелом служил вращающийся в вертикальной плоскости диск, изготовленный из литой быстрорежущей стали, твердость которого составляла HRC 60. Образцы испытываемой керамики имели прямоугольное сечение общей площадью 60 мм2. Давление испытания составляло 5 МПа, а скорость скольжения варьировалась в пределах 0,2 - 34 м/с. Время испытаний выбирали таким образом, чтобы дистанция скольжения при всех скоростях составляла 2 000 метров. Перед каждым испытанием образцы прирабатывали при скорости 0,2 м/сек и давлении 5 МПа до получения нужной геометрии поверхностей трения. В каждом эксперименте с помощью компьютера осуществлялась запись момента силы трения с временным интервалом 1 с, который впоследствии пересчитывался в коэффициент трения. В качестве меры интенсивности изнашивания было использовано отношение объёма материала, потерянного образцом в ходе испытания, к дистанции трения. Структура и фазовый состав поверхностей трения изучались с помощью рентгеноструктурного анализа, оптической и растровой электронной микроскопии.

В качестве объектов исследования выступали образцы керамики Y - Т2Р состава 97 мол. % 2Ю2 + 3 мол. % Y2Oз. Как видно из таблицы, образцы керамики имели высокие значения предела прочности на изгиб (стизг) и трещиностойкости (К1с) и содержали только тетрагональную фазу 2Ю2.

Фазовый состав и механические свойства керамики ZrO2 - ¥2Оз

Средний размер зерен, мкм Фазовый состав, об.% НУ, ГПа К1с, МПа-м1/2 атг, МПа

1,71 100 Т - 2г02 10,6 10 700

Проведенные испытания показали, что при увеличении скорости скольжения интенсивность изнашивания и коэффициент трения керамики сначала возрастают, а при дальнейшем увеличении скорости понижаются (рис. 1), при этом коэффициент трения при скорости 34 м/с уменьшается до величины порядка 0,1.

Согласно данным электронной растровой и оптической микроскопии, после трения в интервале скоростей 0,2 - 0,9 м/с на поверхности всех керамических материалов формировался бороздчатый рельеф, характерный для абразивного типа изнашивания. После скоростей скольжения ~3 м/с, на изношенных поверхностях можно было наблюдать обширные области со следами отслаивания и выкрашивания. После скоростей выше 6 м/с изношенные поверхности выглядели более гладкими. После испытаний при скоростях выше 3 м/с на поверхностях трения керамики Y - Т2Р относительно гладкие, даже после максимальных скоростей скольжения, при этом присутствующие на них сетки трещин разбивают поверхность на отдельные фрагменты (рис. 2).

Измерение расстояний между трещинами вдоль направления скольжения (Лтр) в изученных системах позволило получить распределения этих расстояний по размерам, анализ которых показал, что они имеют форму, близкую к нормальной

(Гауссово распределение), с чётким максимумом, при этом средний размер расстояний между трещинами изменялся при изменении режимов трения. С увеличением скорости скольжения от ~2 до ~6 м/с среднее расстояние между трещинами сначала увеличивалось, а затем при скоростях выше ~6 м/с понижалось, достигая постоянного значения при скоростях выше ~18 м/с (рис. 3).

Скорость скольжения, м/с Скорость скольжения, м/с

Рис. 1. Зависимости интенсивности изнашивания (а) и коэффициента трения (б) У - Т2Р

от скорости скольжения

Рис. 2. Оптическая фотография поверхности керамики 97 мол. % 2г02 + 3 мол. % У203 после испытания при скорости 34 м/с

Скорость скольжения, м/с

Рис.3. Зависимость между средним расстоянием между трещинами вдоль направления скольжения и скоростью скольжения

Методом оптической и растровой электронной микроскопии было зафиксировано, что после высоких скоростей (выше 6 м/с) поверхности трения были относительно равномерно покрыты слоем переноса. После малых и средних скоростей скольжения слой переноса был распределён по ним крайне неравномерно, что выражалось в наличии обширных областей поверхности трения, полностью свободных от слоя переноса.

После испытания при малых скоростях (0,2 - 0,9 м/с) на рентгенограммах поверхностей трения керамики присутствовали следы моноклинной фазы. После испытаний при скоростях до 11 м/с изменения фазового состава поверхности относительно исходных образцов не происходило (рис. 4, а), а при скоростях 18 и 34 м/с на поверхности трения, кроме тетрагональной, была зафиксировано 6 и 20% кубической фазы соответственно (рис. 4, б).

¡3

о

я

Ш

Я

о

я

(О

н

я

55

Рис. 4. Рентгенограммы поверхности керамики 97 мол. % 2Ю2 + 3 мол. % У20з после испытания при скорости: а - 6 м/с; б - 34 м/с

Появление кубической фазы на поверхности образцов после максимальных скоростей скольжение очевидно связано с переходом части тетрагональной фазы в кубическую по диффузионному механизму. Этому способствуют высокие температуры в зоне трибоконта (оценки температуры вспышки в зоне трибоконтакта, в соответствии с [6], при скоростях ~11 м/с дали величину около 2000 °С).

Процессы износа, происходящие при скоростях выше 2 - 6 м/с, можно объяснить в терминах высокотемпературного адгезионного взаимодействия между керамикой и сталью. Для такого режима изнашивания характерны высокие значения интенсивности изнашивания и коэффициента трения, что и наблюдается на рис. 1. Как уже обсуждалось в [4, 5], уменьшение интенсивности изнашивания при скоростях скольжения выше 6 м/с обусловлено уменьшением уровня контактных напряжений, вследствие формирования слоя переноса и его последующего перехода из вязкого в квазижидкое состояние. Этому способствует высокая температура в трибоконтакте. Формирующаяся квазижидкая пленка, равномерно покрывающая поверхность трения керамики, выступает в роли «мягкого» покрытия, которое, увеличивая фактическую площадь контакта образца с контртелом, способствует понижению уровня контактных напряжений на поверхности трения. В условиях, когда квазижидкая «мягкая» плёнка покрывает поверхность керамики, коэффициент трения минимальный и приближается к значениям, характерным для трения с граничной смазкой.

Таким образом, в результате проведённых экспериментов было установлено, что при высоких скоростях скольжения, вплоть до 34 м/с, образцы керамики ZrO2

- Y2O3 демонстрируют высокую износостойкость, несмотря на высокие температуры в зоне трибоконтакта и происходящие вследствие этого высокотемпературные фазовые переходы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Nettleship L. and Stevens R. Tetragonal zirconia polycrystal (TZP) - a review // Int. J. High Technology Ceramics. 1987. No. 3. Р. 1 - 32.

2. Lee S. W., Hsu S.H., Shen M.C. Ceramic Wear Maps: Zirconia // J. Amer. Ceram. Soc. 1993. V. 76. No. 8. P. 1937 - 1947.

3. Becker P.C., Libsch T.A., Rhee S.K. Wear mechanisms of toughening zirconias // Ceram. Eng. and Sci. Proceed. 1985. No. 7 - 8. P. 1040 - 1058.

4. Савченко Н.Л., Королёв П. В., Мельников А.Г. и др. Трение и износ трансформационно-упрочнённых композитов с металлической и керамической матрицей // Трение и износ. 2001. Т. 22. № 3. С. 322 - 381.

5. Savchenko N.L., Korolev P.V., Melnikov A.G., et al. Wear and friction of transformation-toughened CMC and MMC // Wear. 2002. V. 249. Р. 892 - 900.

6. Lim S.C., Ashby M.F. Wear mechanism maps // Acta Metallurgica. 1987. V. 35. P. 1 - 24.

Принята в печать 06.12.07.