Използването на техническа керамика и стъклокерамика във фрикционни възли
В.В. Гусев, Л.П. Калофатова, А.Д. Молчанов, Дон НТУ
В момента в света се наблюдава тенденция за производство на продукти от неметални и композитни материали, които все повече заместват металите в много индустрии. До края на миналото хилядолетие производството на неметали надвишава производството на черни метали по обем. Тази тенденция е свързана с намаляване на цената на продуктите, като същевременно се увеличава техният експлоатационен живот, надеждност и екологичност. Особено място сред неметалните материали заема керамиката. Работите върху керамичните материали в целия свят рязко се засилват, разширяват се областите на приложение на тези материали и нарастването на капиталовите инвестиции в разработването на материали, технологията на тяхното производство и производство. Повечето от развитите страни (Япония, САЩ, Германия, Швеция, България и др.) изпълняват национални програми за керамика. Япония и САЩ заемат водеща позиция на световния пазар на керамика. Действителното производство на керамика непрекъснато нараства, удвоявайки се на всеки пет години.
Физическите и механични свойства на структурната керамика (CC), в сравнение с всички видове метали, които в момента се използват като основни материали за производството на машинни части, имат такива отличителни характеристики като висока точка на топене, твърдост, лекота и др. Използва се за производство на части, които са обект на повишени изисквания за устойчивост на топлина, устойчивост на износване, устойчивост на корозия, устойчивост на химикали и др. Днес много институти в Украйна и региона на Донецк работят върху проблемите на производството и използването на продукти от CC в промишлеността. Човек може да отбележи такиваводещи организации като Института по проблеми на материалознанието и Института по свръхтвърди материали в Киев, Физико-техническия институт и ООО „Керамика“ в Донецк. Те разполагат с технологията за производство на материали и са готови да я доставят на много индустрии.
Специално място сред областите на приложение на CC заемат фрикционните възли. В чужбина KK се използва за производството на устойчиви на износване части за помпи за петролни кладенци, фитинги в нефтохимическата и газовата промишленост, както и фитинги, дюзи за пясъкоструене, газови горелки и др. Интересът, възникнал към трибологичната керамика през 60-те години на миналия век, не е отслабнал и до днес. Ако през 80-те години обемът на производството на керамични лагери се оценява на 2,5 милиарда щатски долара, то до края на предишното хилядолетие се очаква тяхната продукция да нарасне в стойностно изражение до 6 милиарда долара. Високите работни температури и устойчивостта на износване на керамичните материали позволяват да се увеличи скоростта на въртене на роторите, да се намалят изискванията за смазване и охлаждане. Важни фактори при тяхното използване са немагнитността и електроизолационните свойства на керамичните материали. Високата цена на такива лагери се компенсира от по-висока издръжливост (3,10 пъти) и по-висока устойчивост на износване (
10 пъти при високи температури).
Основният материал за създаването на керамични търкалящи лагери е горещо пресован силициев нитрид (Si 3 N4 ), въпреки че все още има интерес към такива материали като алуминиев оксид и силициев карбид (Al 2 O3 , SiC ). При нормални работни температури синтерованата керамика е по-ниска от лагерната стомана по отношение на издръжливостта, но от друга страна стоманите губят своите характеристики при 870.10700K и керамичните материали работят нормално при тези условия. Днес силициев нитридправят сачмени и ролкови лагери, а понякога и твърди лагери. Ако по-рано основните потребители на тези лагери бяха авиацията, космическата техника и приборостроенето, днес, с началото на масовото им производство на пазара, обхватът на тяхното използване се разширява.
Особено привлекателен е фактът, че още на етапа на получаване на материала в него е възможно да се въведат твърди смазочни материали, които значително подобряват работата на фрикционните възли. Като плъзгащи лагери се използват синтерован SiC, Si 3N 4. На базата на Al 2O 3 се създават композити, съдържащи MoO 3 или WO 3 и имащи повърхностен сулфиден филм, от който могат да бъдат направени прецизни лагери с нисък (0,13) коефициент на триене. В материали на базата на Si 3N 4 графитът и BN се използват като твърди смазочни материали. Редица фирми в Германия, Япония и САЩ вече произвеждат керамични търкалящи лагери днес. Съществуват обаче характеристики на тяхната инсталация, което е свързано с различни стойности на коефициента на линейно разширение на CC и метала.
Интензификацията на работата в областта на триботехническата керамика е свързана преди всичко с формулирането на моделни експерименти, които имитират според схемата и геометрията на контакта условията на работа на реални триещи се единици, за да се оцени използването на определени материали и конструктивни характеристики за специфични условия на работа. В DonNTU са получени редица патенти на Украйна, натрупан е определен опит в разработването на обещаващи комбинирани триещи се единици и в провеждането на изследвания върху работата на керамични лагери на съществуващите щандове на катедрата „Металорежещи машини и инструменти“. За въгледобивната промишленост са разработени: плунжери и пръстени за водни и минни помпи, механични уплътнения за ролки на въглищни комбайни и тунелни машини. Използването на керамични бутала позволявада се увеличи продължителността на работа на минните помпи с 4,5 пъти, а конструкциите на механичните уплътнения на ролките, разработени в DonNTU - с 2,4 пъти поради уплътняването на лагерния възел и осигуряването на висока устойчивост на износване при тежки условия на околната среда (влага, въглищен прах).
Използването на QC изисква нови принципи на проектиране. Необходимо е да се отклоняват от формите на продуктите, признати за оптимални за металите. Необходимо е да се извърши проектиране, като се вземат предвид характеристиките на керамиката и методите за нейното производство. За въвеждането на керамиката в машиностроенето това е от голямо значение. Принципите на проектиране на продукти от CC на пръв поглед изглеждат прости. Необходимо е нивото на напрежение по време на работа да бъде по-ниско от якостта на материала при дадено ниво на вероятност за счупване. Необходимостта да се използва по-скоро вероятностен, отколкото детерминистичен подход, създава проблеми с екстраполацията на якостта към дадено ниско ниво на вероятност за повреда, като се вземе предвид напрегнатият обем. Това се постига чрез използване на функцията за статистическо разпределение на Weibull.
Крехкото счупване на керамиката се инициира в резултат на развитието на пукнатина от единичен дефект или сливането на групи от малки дефекти. Дефектите се подразделят на вътрешни (присъщи видове пори и включвания) и индуцирани, повърхностни пукнатини на повърхността, образувани в резултат на механична обработка, термичен или механичен удар и остатъчни напрежения. Вероятността за счупване от пора може да бъде оценена въз основа на статистически подход, който взема предвид вероятността за разпространение на микропукнатина, разположена в полето на напрежение. Граничните размери на предизвиканите пукнатини се определят от съотношението на твърдостта, устойчивостта на пукнатини и модула на еластичност на материала. Значителен ефект върху здравината на керамиката имаи ориентация на предизвиканите микропукнатини по отношение на посоката на действие на външното натоварване, с рязка промяна в ориентацията на равнината на счупване. При проектирането на керамични продукти се препоръчва да се избягват значителни концентрации на напрежение и да се използва повече от четири пъти коефициента на безопасност в сравнение с якостта на огъване. Интензивните изследвания в областта на осигуряването на висока експлоатационна надеждност и дълготрайност на CC позволяват да се надяваме на успешното му приложение в индустрията.
При получаване на продукти от KK всеки етап от производството оказва влияние върху експлоатационните характеристики. Трябва да се обърне внимание на всички етапи на производството на керамика: подготовка на прах, оформяне, предварителна обработка, изпичане и след изпичане, което, заедно с обработката, може да включва повърхностно втвърдяване, покритие или свързване на керамика с други материали.
Когато се използва QC в части с точни размери, е невъзможно да се направи без окончателна обработка. Основната пречка е високата твърдост и крехкост на CC. Дори при обработка на пластмасова маса и предварително изпечен материал, твърдостта на самите керамични зърна води до износване на абразивния инструмент. В момента, въпреки използването на голям брой такива високопрецизни методи за обработка на CC като ултразвук, лазер и др., Най-използваният и продуктивен метод при обработката е диамантеното шлайфане.
Обработката на изпечени CC се извършва с диамантени абразивни материали. Дори меките режими на обработка водят до образуване на микропукнатини върху повърхността на керамиката, което намалява нейната механична якост. На микрорелефа на повърхностния слой, заедно с порьозност и размеркристали, се влияе от характеристиките на диамантените дискове и режимите на обработка. Изборът на инструмент, неговите характеристики и режими на обработка трябва да бъдат строго зависими от необходимото качество на продукта и характеристиките на детайла.
Механизмът на образуване на повърхностния слой на керамиката се различава от процесите, протичащи при диамантено шлайфане на метали. При шлайфане на крехки неметални материали възникват: еластопластична деформация без счупване, дисперсия на резерва по време на пластична деформация и крехко счупване с раздробяване на частици. Вероятността за определени механизми на разрушаване на резерва се определя както от физичните и механичните свойства на материала, така и от натоварването на зърната (режими на обработка). Процесите, които се случват по време на унищожаването на квотата, допълнително влияят върху работата на продукта.