Friction and wear of ZrO₂ - Y₂O₃ceramics sliding against steel at high speed .pdf Перспективными материалами для использования в тяжело нагруженных узлах трения являются трансформационно-упрочнённые керамические материалы [1, 2]. Среди них особо выделяется керамика на основе частично-стабилизиро-ванного 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-упроч-ненной 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].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).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.Целью настоящей работы явилось изучение трибологических характеристик и структурно-фазового состояния поверхности трения Y - TZP 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 - TZP состава 97 мол. % ZrO2 + 3 мол. % Y2O3. Как видно из таблицы, образцы керамики имели высокие значения предела прочности на изгиб (стизг) и трещиностойкости (K1c) и содержали только тетрагональную фазу ZrO2.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 - TZP 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 (Л-ф) 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)."я« я яя) со Яя0со Я0,05« я я о ftя о яЯ"я ■& ■&m0,130,64040Рис. 1. Зависимости интенсивности изнашивания (а) и коэффициента трения (б) Y - TZPот скорости скольженияя'ЯяВ о ft>1чо Я' яоо0%Рис.3. Зависимость между средним расстоянием между трещинами вдоль направления скольжения и скоростью скольженияМетодом 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).0,225130Появление 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.

Скачать электронную версию публикации