14_Umanskiy.doc Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 81 Уманский А.П.,* Довгаль А.Г.,** Костенко А.Д.* *Институт проблем материаловедения НАНУ **Национальный авиационный университет ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И МЕХАНИЗМЫ ИХ ИЗНАШИВАНИЯ ПРИ ТРЕНИИ В ПАРЕ С КЕРАМИЧЕСКИМ КОНТРТЕЛОМ Введение В газовых и гидравлических машинах, насосах для химической, нефтехимической, топливной и других отраслей промышленности применяются торцевые уп- лотнения валов. Основная функция торцевых уплотнений за- ключается в обеспечении герметичности между рабочими по- лостями с разным давлением, средами и температурами (рис. 1.) Ресурс центробежных насосов ограничивается именно работо- способностью торцевых уплотнительных элементов. Поэтому рабочие элементы торцевых уплотнений должны обладать высо- кой износо- и коррозионной стойкостью. Для производства уплотняющих колец 2, 3 (рис. 1) тор- цевых уплотнений применяются графиты, стали, твердые сплавы и керамика. Сравнительная характеристика свойств этих мате- риалов для применения их в качестве торцевых уплотнений при- ведена в табл. 1. Графиты – несмотря на эффект самосмазывания, высо- кую коррозионную стойкость и низкую стоимость, обладают низкой износостойкостью, особенно при высоких скоростях скольжения [1]. Стали и чугуны обладают такими преимущест- вами, как высокая технологичность, высокая жесткость и вяз- кость, низкая стоимость. Недостатками этого класса материалов являются низкий pv-критерий (9 - 35) (соотношение давления уплотняемой среды и скорости вращения [2]) торцевого уплот- нения, а также низкая коррозионная стойкость. Таблица 1 Классы материалов для торцевых уплотнений и их свойства Свойства Материалы стоимость износостойкость коррозионная стойкость pV-критерий Графиты низкая низкая высокая 9 - 18 Стали, чугуны средняя средняя низкая 9 - 35 Сплавы ВК (WC-Co) высокая высокая низкая 90 Керамические материалы низкая высокая высокая 150 Твердые сплавы на основе карбида вольфрама (сплавы ВК) обладают высокими значениями из- носостойкости, вязкости и жесткости, а pV-критерий 90. Однако этот класс материалов имеет низкую коррозионную стойкость, высокую стоимость, а также большой удельный вес. Керамические конструк- ционные материалы обеспечивают pv-критерий 150, они обладают высокой износо- и коррозионной стойкостью а также имеют высокие триботехнические характеристики. уступают только стальным коль- цам с покрытиями из керамических материалов (pV-критерий 200 Керамические материалы на основе карбида кремния обладают достаточно высокими износостойкостью, жесткостью, коррозионной стойко- стью и относительно низкой стоимостью. Они являются перспективными для изготовления и использо- вания в качестве торцевых уплотнений насосных агрегатов. Торцевые уплотнения из антифрикционных твердых керамических материалов обеспечивают минимально возможные утечки уплотняемой среды [3]. Сырьевая база Украины располагает большими запасами кремнезема и глинозема и поэтому це- лесообразно разрабатывать и внедрять керамику, основными ингредиентами которой являются карбид кремния и оксид алюминия. Выбор карбида кремния был обоснован тем, что он обладает высокими твердостью, прочностью, эрозионной и коррозионной стойкостью в газовых и жидких агрессивных средах, а также является недорогим и недефицитным материалом. В данной работе исследованы трибо- технические характеристики карбидокремниевых композиционных материалов в условиях трения в паре с керамическим контртелом, изучено влияние добавок Al2O3 и ZrO2 на износостойкость и механизмы из- нашивания композиционных матермалов. Рис. 1 – Принципиальная схема торцевого уплотнения: а – с неподвижным упругим элементом; б – с вращающимся упругим элементом; 1 – вал; 2 – опорное уплотнительное кольцо; 3 – упорное уплотнительное кольцо; 4 – упругий элемент; 5 – корпус а б PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 82 Материалы и методика проведения исследования Для проведения исследований использовались композиты на основе карбида кремния, которые получались следующим образом. Порошки оксида алюминия (ТУ 6-09-2432-77) и карбида кремния (ТУ 6-09-03-350-73) в соответствующих соотношениях перемешивали в стальных барабанах со стальны- ми размольными телами в планетарной мельнице «Санд-1» в среде ацетона в течение 4 - 6 часов. Сред- ний размер зерен после размола составлял 4 - 6 мкм. Полученную шихту сушили, просеивали и засыпали в графитовую прессформу. Горячее прессование производили на установке СПД-120 с индукционным нагревом без защитной атмосферы. Температуру контролировали с помощью пирометра «Промінь». Со- ставы полученых керамических материалов СИАЛ-80, СИАЛ-50 и СИАЛ-20 приведены в табл. 2. Кроме приведенных композитов в работе использовалась карбидокремниевая керамика СИАЛ-Ц, в состав кото- рой дополнительно вводили оксид циркония (ТУ 6-09-2486-77) в количестве 16 мас. % (табл. 2). Таблица 2 Свойства керамических материалов на основе карбида кремния Обозначение керамического материала Состав керамики Оптимальная температура прессования, оС Остаточная пористось, % Фазовый состав Предел прочности на изгиб, МПа СИАЛ-80 80 мас. % SiC - 20 мас. % Al2O3 2250 5 Каркас SiC с участками Al2O3 переходная зона SiO2 122 СИАЛ-50 50 мас. % SiC - 50 мас. % Al2O3 1870 1 - 2 Равномерная матрица Al2O3 с зернами SiC окруженными SiO2 550 СИАЛ-20 20 мас. % SiC- 80 мас. % Al2O3 1600 < 1 Равномерная матрица Al2O3 дисперсно- упрочненная зернами SiC окруженными SiO2 289 СИАЛ-Ц 50 мас. % SiC - 34 мас. % Al2O3- 16 мас. % ZrO2 1710 < 1 Равномерная матрица из эвтектики Al2O3- ZrO2 с зернами SiC окруженными SiO2 1210 Соотношение оксидов алюминия и циркония в композите СИАЛ-Ц соответствует эвтектическо- му, что привело к существенному снижению температуры его горячего прессования на 160° (сравнение проводилось по отношению к материалу СИАЛ-50, т.к. оба композита содержат 50 мас. % карбидной фа- зы SiC). Это способствовало образованию мелкодисперсной структуры в материале SiC- Al2O3- ZrO2. Размер зерен карбидной фазы в керамике СИАЛ-Ц не превышает 7 - 9 мкм, в то время как в материале СИАЛ-50 размер зерен карбидной фазы варьировался в пределах 12 - 17 мкм (рис. 2). Керамический ма- териал на основе карбида кремния с добавками оксидов алюминия и циркония обладает более высокими, по сравнению с композитом СИАЛ-50, свойствами: пределом прочности на изгиб изгσ ═ 1210 МПа и твердость 91 HRA [4]. а б Рис. 2 – Микроструктура материалов: а – СИАЛ-50; б – СИАЛ-Ц PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 83 В настоящей работе изучено влияние добавок оксидов циркония и алюминия на триботехниче- ские характеристики карбидокремниевой керамики. При прове- дении испытаний разработанных композиционных материалов выбраны диапазоны скоростей (V = 3 - 7 м/с) и нагрузок (P = 3 - 7 МПа), которые соответствуют моделированию реаль- ных условий работы низко- и среднескоростных торцевых уп- лотнений центробежных насосов типа СВН и СЦЛ, широко применяющиеся для перекачки авиационного топлива в техно- логическом оборудовании аэропортов. В качестве контртела использовался керамический ма- териал СИАЛ-50. Оценка триботехнических характеристик проводилась по схеме «плоскость-плоскость» (рис. 3) [5] в воз- душной среде без смазочных материалов. Результаты исследования и их обсуждение Влияние скорости на триботехнические характеристики полученных материалов определялось при постоянной нагрузке Р = 7МПа (рис. 4), а влияние нагрузки на износостойкость и величины коэффициентов трения –при по- стоянной скорости V = 7м/с (рис. 5). а б Рис. 4 – Зависимость интенсивности изнашивания (а) и коэффициентов трения (б) материалов от скорости при Р = 7 МПа: 1 – СИАЛ-20; 2 – СИАЛ-50; 3 – СИАЛ-80; 4 – СИАЛ-Ц а б Рис. 4 – Зависимость интенсивности изнашивания (а) и коэффициентов трения (б) материалов от нагрузки при V = 7 м/с: 1 – СИАЛ-20; 2 – СИАЛ-50; 3 – СИАЛ-80; 4 – СИАЛ-Ц Рис. 3 – Схема испытания триботехнических характеристик керамических материалов: 1 – контртело из керамики СИАЛ-50; 2 – образец одного из составов PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 84 С увеличением скорости испытаний (при P = const) интенсивность изнашивания всех керами- ческих материалов, кроме СИАЛ-20, снижалась. Максимальная интенсивность изнашивания зафиксиро- вана у материала СИАЛ-80. При скорости 3 м/с величина износа составляет 140 мкм/км, а при 7 м/с – I = 40 мкм/км. Минимальный износ при высоких скоростях испытаний характерен для керамического материала СИАЛ-Ц и составляет 4,7 мкм/км при V = 7 м/с. Интенсивность изнашивания керамики СИАЛ-20 при малой скорости испытаний (V = 3 м/с) составила 8,4 мкм/км, а с увеличением скорости ис- пытания до 7 м/с величина износа увеличилась до 24 мкм/км, что очевидно связано с изменением меха- низма изнашивания при увеличении скорости испытаний. Значения величин коэффициентов трения с ростом скорости испытания уменьшаются для всех исследуемых материалов и варьируются в пределах от 0,29 до 0,36. С увеличением нагрузки (при V = const) значения интенсивности изнашивания всех четырех материалов монотонно возрастала. Установлено, что с увеличением нагрузки наблюдается повышение значений износа для всех исследуемых материалов. Наиболее высокой износостойкостью обладает мате- риал СИАЛ-Ц: при нагрузке 3 МПа интенсивность изнашивания составляет 2 мкм/км, а при нагрузке 7 МПа – 4,7 мкм/км. Неудовлетворительные результаты показал материал состава СИАЛ-80, будучи обедненным по оксидоалюминиевой связке, он изнашивался с интенсивностью 40 мкм/км при нагрузке 7 МПа. Значения коэффициентов трения с увеличением нагрузки изменяются в пределах 0,29 - 0,33. На рис. 6 приведена гистограмма которая показывает влияние состава композиционного материала на его триботехнические характеристики в самых экстремальных условиях при скорости 7 м/с и давлении 7МПа. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 СИАЛ-20 СИАЛ-50 СИАЛ-80 СИАЛ-Ц Интенсивность изнашивания (мкм/км) Рис. 6 – Интенсивность изнашивания (мкм/км) различных составов керамических материалов на основании карбида кремния по керамическому контртелу из СИАЛ-50 в самых экстремальных условиях трения Для объяснения полученных результатов был произведен анализ поверхностей трения исследуе- мых материалов на электронном микроскопе “CAMEBAX SX50”. Электронографический анализ позво- ляет сделать следующие выводы. Поверхности трения материалов СИАЛ-20 и СИАЛ-50 (рис. 7 а, б) по- добны, за исключением того, что у первого материала полосы скольжения шире и глубже, что подтверж- дает более высокую износостойкость керамики СИАЛ-50. а б PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 85 в г Рис. 7 – Микроструктура поверхностей трения керамических материалов различных составов ×200: а – СИАЛ-20; б – СИАЛ-50; в – СИАЛ-80; г – СИАЛ-Ц Поверхность материала СИАЛ-80 характеризуется обширными сколами и интенсивным развити- ем повреждаемости (рис. 7, в), его износостойкость минимальна среди исследуемых материалов. Мате- риал СИАЛ-Ц имеет равномерную и мелкодисперсную структуру, поверхность его трения (рис. 7, г) по- добна материалу СИАЛ-50, но имеет еще более мелкие полосы скольжения. Этим объясняется то, что керамика СИАЛ-Ц имеет лучшее значение износостойкости среди испытуемых материалов. Для изучения механизмов изнашивания был произведен более детальный микрорентгеноспек- тральный анализ поверхностей терния разработанных материалов. Внешний вид поверхностей трения полученных этим анализом приведен на рис. 8 - 11. Поверхность трения материала СИАЛ-20 имеет текстурированную структуру оксида алюминия с включениями агрегатов карбида кремния (рис. 8, а). Очевидно, происходил процесс абразивной повреж- даемости более мягкого оксида алюминия (HV = 22-24 ГПа) зернами карбида кремния (HV = 34 ГПа). Из литературных источников известно [6], что оксид алюминия широко используется как антифрикци- онный материал. Но при больших нагрузках и скоростях трения он подвергается разрушению вследствие зарождения и беспрепятственного распространения трещин. Роль карбида кремния в керамике СИАЛ-20 сводится к формированию дисперсно-упрочненной структуры, в которой зерна SiC препятствуют разви- тию трещин и распространению зон повреждаемости. Но очевидно, что введение добавок SiC в количе- стве 20 мас. % не является оптимальным для повышения износостойкости материала в условиях работы при повышенных скоростях (7 м/с) и нагрузках (7 МПа). Этим и объясняется более высокие значения из- носостойкости материала СИАЛ-50 (12,8 мкм/км) по сравнению с материалом СИАЛ-20 (24 мкм/км, рис. 6). В области низких скоростей СИАЛ-20 обладает более высокими триботехническими характери- стиками (рис. 4, а), чем другие исследуемые материалы, однако при высоких скоростях и нагрузках в нем активно развивается повреждаемость, и существенно снижается его износостойкость (рис. 6). Среди исследованных керамических материалов системы SiC-Al2O3 максимальные значения ин- тенсивности изнашивания (40 мкм/км) зафиксированы у материала СИАЛ-80. Структура поверхности трения СИАЛ-80 имеет два характерных участка (рис. 7, в): зона разрушения и островковые полосы скольжения. Причем зона разрушения превалирует по площади над полосами скольжения. Микрорентге- носпектральный анализ двух типов участков (рис. 10) обнаружил, что в зоне повреждаемости в основном содержится карбид кремния, а в полосах скольжения преобладает оксид алюминия. Таким образом, при трении композита СИАЛ-80 в условиях высоких скоростей и нагрузок из-за недостаточного количества оксида алюминия происходит хрупкое разрушение карбидокремниевой фазы и вынос ее из зоны трения, что в конечном итоге приводит к значительному росту интенсивности изнашивания материала. Оптимальным с точки зрения антифрикционных характеристик в исследуемой системе SiC-Al2O3 является керамический материал СИАЛ-50, интенсивность его изнашивания не превышает 13 мкм/км. Поверхность трения СИАЛ-50 (рис. 9) характеризуется меньшей повреждаемостью по сравнению с мате- риалом СИАЛ-80, а полосы скольжения более тонкие и менее глубокие, чем у поверхности трения мате- риала СИАЛ-20. Таким образом, в результате триботехнических испытаний композиционных материалов систе- мы SiC-Al2O3 устанолено, что введение 20 мас.% Al2O3 в карбид кремния является недостаточным, СИАЛ-80 имеет неудовлетворительную износостойкость (I = 40 мкм/км). Износостойкость материала СИАЛ-20 выше, чем у материала СИАЛ-80 и интенсивность его изнашивания составляет 24 мкм/км. Са- мыми высокими триботехническими характеристиками в системе SiC-Al2O3 обладает композиционный материал СИАЛ-50, в котором содержится оптимальное соотношение карбидной и оксидной фаз и ин- тенсивность его изнашивания составляет 12,8 мкм/км. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 86 а Рис. 8 – Микроструктура поверхности трения керамики состава СИАЛ-20 (при V = 7м/с и P = 7 МПа) ×1000 (а) и распределение в ней: б – алюминия; в – кислорода; г – кремния а Рис. 9 – Микроструктура поверхности трения керамики состава СИАЛ-50 (при V=7м/с и P=7 МПа) ×1000 (а) и распределение в ней: б – алюминия; в – кислорода; г – кремния PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 87 Поверхность трения керамики состава СИАЛ-Ц (рис. 11, а) характеризуется еще более мелкими полосами скольжения по сравнению с материалом СИАЛ-50. Керамика с мелкодисперсной структурой обладает повышенными трботехническими свойствами. Это связано с тем, что размер карбидных зерен в материале СИАЛ-Ц составляет 7 - 9 мкм, поэтому существенно снижается количество дефектов структу- ры с одной стороны и увеличивается фактическая площадь (а следовательно уменьшается величины удельных нагрузок) контакта с контртелом с другой. Интенсивность изнашивания этого материала со- ставляет 4,7 мкм/км. Рис. 11 – Микроструктура поверхности трения керамики состава СИАЛ-Ц (при V = 7м/с и P = 7 МПа) ×1000 (а) и распределение в ней: б – алюминия; в – циркония; г – кислорода; д – кремния а Рис. 10. Микроструктура поверхности трения керамики состава СИАЛ-80 (при V = 7м/с и P = 7 МПа) ×1000 (а) и распределение в ней: б – алюминия; в – кислорода; г – кремния; д – железа а PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Влияние состава и структуры карбидокремниевых композитов на износостойкость и механизмы их изнашивания при трении … Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 3 88 Выводы 1. При трении без смазки композиционных материалов системы SiC-Al2O3 в паре с керамическим контртелом реализуется абразивный механизм изнашивания. Введение в карбид кремния различных до- бавок оксида алюминия существенно влияет на структуру материалов и особенности механизмов их из- нашивания, а следовательно, на триботехнические характеристики карбидокремниевой керамики. Для керамики, содержащей 20 мас.% Al2O3 (СИАЛ-80) характерной является структура с боль- шими конгломератами зерен карбида кремния. Более пластичной оксидной фазы недостаточно для удовлетворительной работы в паре трения с керамическим контртелом. В этом случае на поверхности трения в результате скалывания образуются большие по площади эоны разрушения материала, интен- сивность изнашивания при этом составляет 40 мкм/км. Керамический материал СИАЛ-20 имеет матричную структуру на основе оксида алюминия, уп- рочненную зернами карбида кремния. При небольших скоростях и малых нагрузках этот материал пока- зал высокие результаты, однако при увеличении скорости испытаний до 7 м/с, а нагрузки до 7МПа его триботехнические характеристики ухудшились. Это объясняется недостатком упрочняющей карбидок- ремниевой фазы. Оптимальное соотношение пластифицирующей (Al2O3) и упрочняющей (SiC) фаз в керамике СИАЛ-50 привело к формированию в процессе трения поверхности с незначительной повреждаемостью и минимальными по ширине и глубине полосами скольжения. В результате, керамический материал СИАЛ-50 обладает самым высоким уровнем триботехнических характеристик среди материалов системы SiC-Al2O3, интенсивность его изнашивания не превышает 13 мкм/км. 2. В композиционном керамическом материале СИАЛ-Ц в качестве оксидной составляющей ис- пользована эвтектика Al2O3-ZrO2. Это позволило существенно снизить температуру горячего прессова- ния керамики и предотвратить рост ее зерен. Введение эвтектической оксидной связки в материал позво- ляет существенно повысить его износостойкость за счет получения более равномерной и мелкодисперс- ной структуры. Керамика СИАЛ-Ц имеет максимальную износостойкость из всей группы исследованных материалов, интенсивность ее изнашивания не превышает 4,7 мкм/км. Разработанные материалы просты в получении и относительно дешевы и рекомендуются для из- готовления торцевых уплотнений центробежных насосов. Литература 1. Антипин Г.В., Банников М.Т., Домашнев А.Д. и др. Торцовые уплотнения аппаратов химиче- ских производств. – М.: Машиностроение, 1984. – 112 с. 2. Комиссар А.Г. Уплотнительные устройства опор качения: Справочник. – М.: Машинострое- ние, 1980. – 192 с. 3. Мельник В.А. Торцевые уплотнения валов: справочник. – М.: Машиностроение, 2008. – 320 с. 4. Патент № 53010 Композиційний зносостійкий матеріал на основі карбіду кремнію. Довгаль А.Г., Уманський А.П., Тамаргазін О.А., Панасюк А.Д., Костенко О.Д., Коновал В.П., 27.09.2010, - Бюл. № 18. 5. Мамикін Є.Т., Ковпак М.К., Юга А.І. та ін. Комплекс машин і методики визначення антифри- кційних властивостей матеріалів при терті-ковзанні // Порошкова металургія. – 1973. – № 1. – С.67-72. 6. Голубев В.И. Уплотнение и уплотнительная техника: Справочник / Под общ. ред. В.И. Голу- бева – М: Машиностроение, 1994 г. – 356 с. Надійшла 21.06.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com