Керамика, способная заменить металл
В ходе Международной научной конференции «Новые тенденции в керамике и стекле» (памяти академика В.Я. Шевченко), прошедшей в Новочеркасске, прозвучал доклад ведущего инженера НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей» кандидата технических наук Александра Николаева.
Тема выступления – «Определение трибологических характеристик алмазной керамики в паре трения с конструкционными материалами». Хорошо известно, что керамические материалы обладают малой плотностью по сравнению с металлами и сплавами, высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью и твердостью, а также наличием длительной прочности при низком показателе пластичности. Эти свойства позволяют использовать керамические элементы в контактных механизмах, где применяются высокие скорости вращения. Кроме того, применение керамик уменьшает массогабаритные характеристики изделий в целом, что немаловажно, например, в авиастроении.
В настоящее время существуют технологии изготовления керамических пар трения из оксида циркония, однако возможность получения объектов сложной геометрической формы из данного материала крайне затруднительна. Также широкое применение нашли пары трения на основе графитовых структур. Но углеродные материалы не выдерживают нагрузок более 120 МПа (на изгиб-растяжение) при температурах свыше 500 °С, из-за чего область их применения ограничена.
Композиционный материал «алмаз – карбид кремния», синтезированный методом реакционного спекания, обладает комплексом высоких структурных и физико-механических свойств, что открывает широкие возможности его применения в изделиях конструкционного назначения авиационной и морской техники. В последние годы различными научными группами под руководством академика РАН В.Я. Шевченко опубликованы обширные исследования, посвященные новым аспектам синтеза алмазных силицированных керамик, а также теории их разрушения при ударном воздействии, где описываются и оптимизируются уникальные броневые свойства композитов такого рода.
Как следствие, возникла необходимость в определении трибологических характеристик композита «алмаз – карбид кремния» для оценки перспектив его использования в нагруженных узлах трения.
Для проведения необходимых экспериментов, в НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей» был изготовлен экспериментальный конструкционный материал – реакционно-спеченный карбид кремния.
Были определены плотность, открытая пористость, коррозионная стойкость керамики в среде «соляного тумана», микроструктура и коэффициент трения в паре трения типа «неподвижное кольцо (алмаз – карбид кремния) – контртело (вращающееся кольцо из конструкционного материала)». Массовый износ определен на аналитических весах.
Экспериментально, в процессе трения на образцах по схеме «кольцо-кольцо» определены трибологические характеристики сверхтвердой композиционной керамики «алмаз – карбид кремния» в парах сухого трения с разнородными сплавами (сталь «Ст 20», алюминиевый сплав «А5», титановый сплав «ВТ6»), а также с экспериментальной технической керамикой двух типов.
Показано, что сплавные металлические материалы в парах трения с алмазной керамикой обладают выраженными фрикционными свойствами (µ = 0,43 – 0,65) при существенном массовом износе. В сравнении с ними выявлена высокая износостойкость реакционно-спеченного карбида кремния в паре трения с алмазной керамикой, в результате чего фактически наблюдается шлифовка карбидных частиц.
Наивысшие антифрикционные свойства (µ = 0,05) наблюдаются в паре трения алмазных керамик аналогичного фазового состава. Реализация межплоскостного контактного взаимодействия по границам зерен крупных алмазных частиц, в совокупности с образованием твердой углеродной смазки, позволяет обеспечивать эффективную работоспособность сопрягаемых материалов при отсутствии взаимного массового износа. А это – то, что нужно для промышленных изделий.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-73-30019-П.