Создание и комплексное исследование алмазосодержащих керамических трибоматериалов для узлов трения различного назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Новиков, Владислав Викторович

• Новиков, Владислав Викторович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новиков, Владислав Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТРИБОТЕХНИЧЕС-

КОГО НАЗНАЧЕНИЯ

1.1. Работоспособность трибосопряжений с композиционными керамическими материалами___________________

1.2. Влияние способов получения керамических покрытий на их свойства. ЩО-покрытия

1.3. Композиционные алмазосодержащие материалы

1.3.1. Триботехнические свойства композиционных алмазосодержащих материалов

1.3.2. Технология получения композиционных алмазосодержащих материалов

1.4. Перспективность применения технологии микродугового оксидирования и порошковой металлургии для создания композиционных алмазосодержащих материалов для узлов трения различного назначения

2. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЙ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАМов

2.1. Установки для испытания композиционного алмазного материала на трение и износ

2.1.1. Установка МТ-2 для определения характеристик абразивных материалов

2.1.2. Установка МТР для испытаний антифрикционных

материалов по схеме трения вал-втулка

2.1.3. Установка МТП для испытаний антифрикционных

материалов по торцевой схеме трения

2.2. Оборудование, используемое для изготовления экспериментальных образцов

2.3. Методика определения физико-механических свойств композиционных алмазосодержащих материалов

2.4. Методика обработки опытных данных

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА

3.1. Выбор исходных компонентов и их предварительная подготовка

3.2. Отработка технологии формовки композиционного материала, спекания и термической обработки____

3.3. Изучение процесса формирования керамического слоя методом микродугового оксидирования.________

3.4. Применение композиционных алмазных материалов

в узлах трения

4. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО

КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

4.1. Экспериментальное исследование трения и изна=

шивания композиционных алмазосодержащих материалов

4.1.1. Триботехнические характеристики инструментальных КАМов

4.1.2. Формирование шероховатости образца из инструментального КАМа и контробразца в процессе испытаний

4.1.3. Триботехнические характеристики конструкционных

КАМов

4.2. Анализ работоспособности трибосопряжений с керамическими алмазосодержащими материалами

4.2.1. Контактное взаимодействие композиционных алмазосодержащих материалов с керамической поверхностью

4.2.2. Несущая способность и коэффициент трения трибосопряжений с композиционными алмазосодержащими материалами

4.2.3. Износ поверхностей узла трения с KAM

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Обработка фасонных поверхностей деталей алмазным инструментом с различным составом связки

5.2. Разработка основ САПР для оптимизации свойств конструкционных КАМов

5.3. Применение износостойких керамических алмазосодержащих материалов для изготовления деталей узлов трения фармацевтического оборудования и текстильных машин

5.4. Использование КАМов для огранки алмазов в бриллианты

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание и комплексное исследование алмазосодержащих керамических трибоматериалов для узлов трения различного назначения»

ВВЕДЕНИЕ

Надежность и долговечность машин и механизмов во многом определяется работоспособностью узлов трения, входящих в их конструкцию. Поэтому, одной из важнейших задач машиностроения является применение в трибосопряжениях современных износостойких материалов с антифрикционными и физико - механическими характеристиками, адекватными возрастающим требованиям к узлам трения скольжения. В то же время остро необходимы трибоматериалы для обрабатывающего инструмента, которые позволят значительно . увеличить его производительность и ресурс работы.

Широкое применение композиционных алмазосодержащих материалов (КАМов) является важным фактором повышения производительности труда и обеспечения высокого качества, надёжности, долговечности узлов трения машин и приборов. С целью повышения износостойкости КАМов предлагается использовать в качестве матрицы многофазную тугоплавкую керамику на основе оксида алюминия. Получение таких материалов известными способами технологически трудно реализуемо и экономически не целесообразно.

В работе также предложен принципиально новый способ создания КАМов, с использованием технологии микродугового оксидирования (МДО). В настоящее время эта технология достаточно глубоко разработана и находит все более широкие области применения. Однако, процесс получения с помощью нее триботехнических композиционных материалов и особенно алмазосодержащих, не исследован.

Таким образом в настоящее время отсутствуют научно обоснованные рекомендации для получения КАМов с заданными

фрикционными свойствами, обеспечивающими их нормальную работу и требуемую долговечность. Не изучены физико-механические и триботехнические свойства КАМов с тугоплавкой керамической матрицей. Кроме этого, до конца не отработаны методики экспериментального исследования фрикционных свойств узлов трения из материалов данного класса.

Все эти причины сдерживают практическое применение КАМов, поэтому исследование их физико-механических и триботехнических характеристик, а также разработка технологии создания износостойких алмазосодержащих материалов является актуальной задачей.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка использованных источников и приложения.

В первой главе представлен аналитический обзор работ, посвященных исследованию работоспособности трибосопряжений с ; композиционными керамическими и алмазосодержащими материалами. Рассмотрено влияние способов получения материалов на их физико-механические и триботехнические характеристики.

Во второй главе приведено описание разработанного экспериментального и технологического оборудования и методик исследования физико - механических и триботехнических свойств КАМов.

В третьей главе приведено описание разработанной технологии создания композиционных алмазосодержащих материалов с заданными фрикционными свойствами.

В четвёртой главе приведены результаты и анализ экспериментальных исследований триботехнических характеристик инструментальных и конструкционных композиционных

алмазосодержащих материалов в зависимости от режимов эксплуатации узла трения, состава и свойств КАМа.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Новиков, Владислав Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны основы оригинальной технологии, позволяющей получать новые композиционные трибоматериалы с керамической матрицей, состоящей из различных оксидов алюминия, и дисперсных включений алмаза, сохраняющих при этом свои уникальные физико-механические и триботехнические свойства (Патент Российской Федерации Ш 2055696). На этой основе созданы алмазосодержащие материалы двух типов: антифрикционные материалы для узлов трения скольжения, хорошо зарекомендовавшие себя для различных условий трения и инструментальные материалы для абразивной обработки, обладающие стабильной режущей способностью и высокой износостойкостью.

2. Исследованы триботехнические свойства конструкционных композиционных алмазосодержащих материалов. Показано, что включение дисперсных частиц алмаза, а также их частичное полиморфное превращение в графит, существенно улучшает антифрикционные свойства керамических материалов на основе оксида алюминия и позволяет обеспечить стабильность работы узла трения в условиях дефицита смазочного материала, эффективность для использования в различных узлах трения.

3. Изучение триботехнических характеристик инструментальных композиционных алмазосодержащих материалов, показало, что при их работе реализуется режим самозатачивания и они обладают более высокой износостойкостью по сравнению с традиционными абразивными материалами.

4. Для оценки несущей способности антифрикционного КАМа предложен критерий - критическое давление, при котором происходит переход от преимущественно упругого деформирования микронеровностей к их хрупкому разрушению. Критерий позволяет оценить область применимости разработанных материалов.

5. Разработана модель фрикционного контакта шероховатой композиционной поверхности КАМа в случаях упругого деформирования и хрупкого разрушения, в которой учтено распределение дисперсных частиц алмаза в материале. Модель позволяет достаточно точно для инженерных целей рассчитать коэффициент трения и объемный износ.

6. Разработан комплекс экспериментального оборудования для исследования триботехнических характеристик КАМов в широком диапазоне условий трения.

7. На основе изучения механизма формирования композиционного слоя предложен способ, позволяющий интенсифицировать процесс микродугового оксидирования за счет изменения характера образования слоя из неорганического полимера (Патент Российской Федерации Ш 2039133). Получено значительное увеличение объема модифицированного материала после МДО-обработки по сравнению с традиционным оксидированием алюминиевых сплавов.

8. Предложены основы САПР для оптимизации свойств инструментальных КАМов от условий работы трибосопряжения. Инструментальные КАМы использованы для создания шлифовальных кругов фасонного профиля. Конструкционные алмазосодержащие материалы использованы для изготовления высокоэффективных диспергаторов (Патент Российской Федерации Ш 2005546), деталей текстильного оборудования и т.п.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новиков, Владислав Викторович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Алмазная обработка технической керамики / Д. В. Ваксер, В. А. Иванов, Н.В.Никитков, В.Б. Рабинович. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отделение), 1976. - 160 с.

2. Аппен A.A. Температуроустойчивые неорганические покрытия. -Л.: Химия, 1976. - 295 с.

3. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения.- М.: Физ-матгиз, 1963. - с. 472.

4. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / пер. с англ.- М.: Машиностроение, 1986, - 359 с.

5. Баку ль В.Н., Федосеев Л. А. Алмазный инструмент для обработки деталей низа обуви из резины, кожи и ее заменителей // Синтетические алмазы. - 1970. - Вып. 5. - с. 46 - 50.

6. Балкевич В. Л. Техническая керамика. - М.: Стройиздат, 1968. -230 с.

7. Банкевич А.П., Чертович А.Д. Оптимизация состава кобальтовых связок для алмазного камнеобрабатывающего инструмента прессования // Труды ВНИИАлмаз. - 1986. - С. 83 - 91.

8. Баранов Н.Г., Федорченко И.М. Некоторые особенности фрикционного взаимодействия в паре трения металл - керамика.// Трение и износ. - 1989. - Том 10, 2. - С. 283 - 288.

9. Безухов Н.И.Основы теории упругости, пластичности и ползучести. - М.: Высшая школа, 1968. - с. 512.

10. Блюм Дж. М. Разрушение (Руководство): В 5 т. - М.: Машиностроение, 1977. - Т. 5. - С. 11 - 68.

11. Богородицкий Н.П., Пасников В. В. Радиокерамика. - М.: Госэ-нергиздат, 1963. - 554 с.

12. Большев А.Е., Смирнов В.И. Таблицы математической статистики.

- М.: Наука, 1965. - 30 с.

13. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел.: Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1968. - с. 543.

14. Вайнштейн В.Э., Трояновская Г.И. Сухие смазки и самосмазывающиеся материалы. - М.: Машиностроение, 1968. - 178 с.

15. Васильев Ю.Н., Колесников С. А. Зависимость износостойкости и трения антифрикционных материалов от их физико-механических характеристик // Конструкционные материалы на основе графита.

- М.5 Металлургия, 1967. - T.III - с.72-75.

16. Великосельская Н.Д. Повышение долговечности деталей узлов трения подводного нефтепромыслового оборудования посредством поверхностного упрочнения методом микродугового оксидирования: Дис. . . . канд. техн. наук. - М., 1989. - 190 с.

17. Верещагин В.А., Журавлев В.В. Композиционные алмазосодержащие материалы и покрытия. - Мн.: Навука i тэхн1ка, 1991. - 208 с.

18. Верещака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993, - 337 с.

19. Веселовский P.A., Павлов В.И., Муравская Т.П. / Механика композиционных материалов. 1987. N2. с. 225-230.

20. Взаимодействие керамики со сталью при трении / Гогоци Ю.Г., Ковальченко A.M., Косско И.А. и др. // Трение и износ. -1989. - Том 10, 2. - С. 295 - 301.

21. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

22. Власов В.И. Оптимальная твердость связок алмазных шлифовальных кругов // Алмазы и сверхтвердые материалы. - 1976. - 2.

- С. 15 - 20.

23. Выдрик Г.А., Костюков Н.С. Физико-химические основы производства и эксплуатации электрокерамики. - М.: Энергия, 1971.

- 328 с.

24. Гаркунов Д.Н. Триботехника.- М.: Машиностроение, 1985.-424 с.

25. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. -М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

26. Горячкин Ю.Б. Исследование взаимодействия зерна и связки шлифовальных инструментов при статических нагрузках: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1972. - 28 с.

27. Григорович В.К. Твердость и микротвердость материалов. - М.: Наука, 1976. - 230 с.

28. Гринвуд. Формулы для площадки контакта Герца средней эллиптичности.// Проблемы трения и смазки.-1985.- N4.-0. 68-72.

29. Гусейн-Заде М.А., Калинина Э.В., Добкина М.Б., Методы математической статистики в нефтяной и газовой промышленности. -М.: Недра, 1979.

30. Демкин Н.Б. Свойства фрикционного контакта.//Трение и износ.

- 1982. - т.З, N4.-0. 586- 595.

31. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. - М.: Машиностроение, 1981. - с. 244.

32. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия.: пер. с англ.

- М.: Мир, 1989. - с. 510.

33. Добычин М.Н. Упругий контакт шероховатых цилиндрических тел// Трение и износ, - 1988. -Т.9, N1. - с.5-11.

34. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник. - М.: Машиноведение, 1986. -224 с.

35. Дроздов Ю.Н., Хуршудов А.Г., Панин В.И. Метод выбора керами-

ческих материалов для пары трения кулачок // Трение и износ.

- 1993. - Т. 14. 3. - С. 479 - 486.

36. Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Тетерин А. И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. - М.: Наука, 1980. - 228 с.

37. Засорин С.А., Свердлов Г.М. Исследование процессов изготовления алмазного инструмента методом гидростатического прессования // Труды ВНИИАлмаз. - 1976. - С. 89 - 94.

38. Защитные высокотемпературные покрытия: Труды 5-го Всесоюзн. совещания по жаростойким покрытиям.- Л.: Наука, 1972.- 368 с.

39. Измайлов В.В. О теориях трения. // Физикомеханические процессы в зоне контакта деталей машин. - Калинин, 1983. - с. 3-19.

40. Кабалдин Ю.Г. Разрушение и изнашивание инструмента, оснащенного режущей керамикой // Трение и износ. - 1991. - Том 12, N 2. - С. 287 - 296.

41. Кайнарский И.С., Дегтярева Э.А. Основные огнеупоры. - М.: Металлургия, 1974. - 360 с.

42. Ковальченко A.M., Орловская H.A. Дифференцированный подход в оценке износостойкости инструментальной керамики и в системе AI2O3 - Zr02 (Y2O3) // Трение и износ. - 1992. - Том 13, N 2.

- С. 328 - 332.

43. Коновалов В. А. Исследование влияния прочности алмазоудержания и износостойкости металлических связей на работоспособность алмазо-абразивного инструмента: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Харьков, 1974. - 27 с.

44. Коновалов В.А., Прудников Е.Л. О прочности закрепления алмазных зерен в связке // Синтетические алмазы и твердые сплавы и их применение в промышленности. - Киев: Институт сверхтвердых

материалов, 1969. - С. 47 - 49.

45. Королев A.B., Новоселов Ю.К. Теоретиковероятностные основы абразивной обработки. - Саратов: Изд. университета, 1987. -160 с.

46. Крагельский И.В. О критериях износа материалов. // ДАН, СССР. - 1989. - Т.129, N5. - с.1016-1019.

47. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - с. 526.

48. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин.: Справочник -М.: Машиностроение, 1984. - с. 280.

49. Малышев В.Н., Голуб М.В. Структура и триботехнические характеристики износостойких композиционных материалов и покрытий // Долговечность трущихся деталей машин / Сборник научных статей под ред. Д.Н. Гаркунова. - М.: Машиностроение, 1990, -Вып. 4. - С 119 - 130.

50. Мишнаевский Л.Л. Износ шлифовальных кругов. - Киев: Наук, думка, 1982. - 192 с.

51. Мур Д. Основы и применение триболики. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - с. 487.

52. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / Ю.М. Ковальчук, В. А. Буклин, Б. А. Глаговский и др. - М.: Машиностроение, 1984. - 288 с.

53. Павлушкин Н.М. Основы технологии ситаллов. - М.: Издательство литературы по строительству, 1970. - 352 с.

54. Пачевский В.М., Примак Л.П., Скрипко Г.Ф. Исследование процесса шлифования керамики инструментом из синтетических алмазов и перспективы его применения в промышленности // Синтетические алмазы в промышленности. - Киев: Наукова думка, С. 291

55. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / А.В.Чичинадзе, А.Л.Левин, М.М.Бородулин, Е.В.Зиновьев; под общ. ред. А.В.Чичинадзе - М.: Машиностроение, 1988. - с 328.

56. Пономарев С.Д. и др. Расчет на прочность в машиностроении. -М.: Машгиз, 1958. - 974 с.

57. Попов С.А., Малевский Н.П., Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. - М.: Машиностроение, 1977. - 263 С.

58. Преснов В. А. Керамика и ее спай с металлом в технике. - М.: Атомиздат, 1969. - 231 с.

59. Прудников Е.Л. Инструмент с алмазногальваническим покрытием.

- М., 1985. - 96 с.

60. Резников А.Н., Мовла-Заде В.З. Исследование устойчивости алмазных зерен в связке алмазноабразивного инструмента // Синтетические алмазы. - 1972. - Вып. 5. - С. 5 - 10.

61. Рудзит Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. - Рига, 1975.

62. Сайфуллин P.C. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с.

63. Свириденок А.И., Чижик С.А., Петроковец М.И. Механика дискретного фрикционного контакта. - Мн.: Наука и техника, 1990.-с. 272.

64. Свириденок И.А., Петроковец М.И., Белый В.А. Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. - М.: Наука, 1971. - с. 239.

65. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3 т. - Киев: наукова думка, 1986. - Т. 3. - 280 с.

66. Снежко Л.А. Получение анодных покрытий в условиях искрового разряда и механизм их образования: Дис. . . . канд. техн. наук. - Днепропетровск, 1982. - 152 с.

67. Спеченные материалы из алюминиевых порошков / В.Г.Горпиенко, М.Е.Смагоринский, A.A. Григорьев, А.Д. Белавин; Под ред. М.Е.Смагоринского. - М.: Металлургия, 1993. - 320 с.

68. Способ анодирования алюминия и его сплавов: патент Российской Федерации RU 2039133 C1 6С 25 D 11/02/ А.Н.Болотов, В.В.Новиков, К.К Сазонтов (Россия). - 6с.

69. Способ изготовления композиционного материала: патент Российской Федерации RU 2055696 С1 6 В 22 F 3/14,3/24 /А.Н.Болотов, В.В.Новиков и др. (Россия). - 6 с.

70. Сутягин О.В. Прогнозирование работоспособности фрикционного контакта с твердосмазочным покрытием: Автор, дис...канд. техн. наук. - Калинин, 1988. - 21 с.

71. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / Зозуля В.Д. и др.-Киев: Наук, думка, 1990. - 264 с.

72. Сторчак Г.П., Попов С.А. Исследование некоторых свойств наполненных фенолформальдегидных смол прессования // Труды ВНИ-ИАлмаз. - 1979. - С. 68 - 76.

73. Тихомиров В. П. Контактное взаимодействие в паре металлокера-мическая композиция - сталь // Трение и износ. - 1991. - Том 12, 5. - С. 866 - 869.

74. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. / Под ред. И.В.Кра-гельского, В.В.Алисина. В 2-х кн. Кн1. - М.: Машиностроение, 1978. - 400 с.

75. Усов Л.Н., Борисенко А.И. Применение плазмы при получении высокотемпературных покрытий. - М.: Наука, 1965, - 198 с.

76. Устройство для обработки дисперсного материала: патент Российской Федерации RU 2005546 С1 5 В 02 С19/16 / А.Н.Болотов, В.В.Новиков, К.К Сазонтов (Россия). -6с.: ил.

77. Федоров В. А. Разработка основ применения легких сплавов в качестве материалов триботехнического назначения за счет формирования поверхностного керамического слоя: Автореф. дис. . . доктора техн. наук. - М., 1993. - 49 с.

78. Фрикционное взаимодействие керамики на основе неметаллических тугоплавких соединений со сталью / Гогоци Ю.Г., Ковальченко A.M., Косско И.А. и др. // Трение и износ. - 1990. - Том 11,

4. - С. 660 - 667.

79. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Исследования изнашивания металлов. - М.: Изд. ак. наук СССР, 1960. - 352 с.

80. Ципин Н.В. Износостойкость композиционных алмазосодержащих материалов для бурового инструмента. - Киев: Наук. Думка, 1983. - 192 с.

81. Чеповецкий И.Х. Механика контактного взаимодействия при алмазной обработке. - К.: Наук, думка, 1978. - 228 с.

82. Черненко В.И., Снежко Л.А., Папанова И.И. Получение покрытий анодно-искровым электролизом. - Л.: Химия, 1991. - 128 с.

83. Чичинадзе А. В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. - М.: Наука, 1967. - 230 с.

84. Effect of Tribofilm Formation and Humidity on the Friction and Wear Properties of Ceramic Materials. Komvopoulos K., Li H. // Trans. ASME. J. Tribol. - 1992. - C. 131 - 140. - Англ.

85. Pisch I. // St rod i renska varoba. - 1977. - Bd. 25., N 7. -S. 509 - 513.