Перспективы применения конструкционной керамики в горном машиностроении

Одним из основных факторов, влияющих на долговечность, безопасность горных машин и оборудования, работающих в тяжелых условиях (высокие нагрузки, агрессивные среды), является работоспособность узлов пар трения, для которых, в свою очередь, определяющим фактором является правильный выбор материала и его обработки.

Материал для этих деталей должен обладать высокой прочностью, трещиностойкостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, технологичностью, экономичностью и экологичностью

В настоящее время в высокоразвитых странах мира и прежде всего в Японии и США, а также в Германии, Великобритании, России и Украине ведутся крупномасштабные исследования в области разработки керамических и композиционных материалов, значительно превосходящих по ряду свойств металлические сплавы и пластмассы.

Перспективность керамики обуславливают следующие факторы: - возможность обеспечивать различные свойства деталей в соответствии с требованиями условий эксплуатации благодаря способности работать в условиях высоких давлений, температур, агрессивных сред;

• -    низкий коэффициент трения, пониженный удельный вес и, соответственно, меньшая масса изделий;

• -    прочные пористые керамики для фильтров позволяют решать важнейшие проблемы экологии;

• -    меньшая энергоемкость и более высокая экологичность процесса получения керамики по сравнению с металлическими материалами;

• -    экономия материала за счет полной или частичной отмены механической обработки, а следовательно сокращение станочного парка, производственных площадей;

• -    широкая доступность сырья.

Темпы роста выпуска керамики ежегодно на 15 - 20% превышают показатели для других материалов. Основные производители керамики -

Япония (48%) и США (38%) [1]. Применение конструкционных керамик в России и за рубежом приведено в табл.1.

Применение конструкционных керамик

Таблица 1

Основным недостатком керамики является высокая хрупкость, которая ограничивает ее применение. Поэтому основные способы совершенствования керамики направлены на повышение ее вязкости и трещиностой-кости:

• -    Трансформационное упрочнение . Эффект упрочнения связан с полиморфным превращением метастабильной тетрагональной решетки оксида циркония в стабильную кубическую (устойчивую при всех температурах).    В матрицу из кубического ZrO₂ вводят порошки частично-

• стабилизированного ZrO2 (ЧСЦ) тетрагональной модификации t- ZrO2.

• -    Старение. Для ЧСЦ керамики проводят термическую обработку – старение: после спекания при 1800^оС быстро охлаждают и повторно нагревают до1300^оС, что приводит к изменению размеров выделений t-ZrO₂,изменяя их размер можно влиять на эффективность упрочнения. Оптимальные свойства достигаются при размере частиц не более 100 нм.

• -    Реакционное спекание . Один из реагентов вначале находится вне спекаемого тела, а затем диффундирует внутрь пористой заготовки. Позволяет сохранить размеры заготовки (отсутствие усадки). Один из вариантов – самоcвязанный карбид кремния SiC: заготовка из прессованного SiC пропитывается жидким кремнием.

• -    Горячее изостатическое прессование . Совмещение давления и спекания позволяет получить практически беспористую керамику с небольшим содержанием активных добавок. Прочность горячепрессованного нитрида кремния Si₃N₄ гораздо больше, чем реакционноспеченного за счет существенно меньшего содержания пор.

• -    Созданием композиционных структур. Такие структуры получают например введением в керамическую матрицу дисперсных частиц или введением в керамическую матрицу Si₃N₄, состоящую из равноосных зерен анизотропных элементов, например, удлиненных зерен Si 3 N 4 . Такие само-армированные керамические материалы имеют трещиностойкость в 2 раза больше, чем горячепрессованный Si 3 N 4 (более 10 МПа·м^½)

• -    Применение ультрадисперсных порошков. Наибольшие значения прочности при изгибе (до 2000 МПа) и трещиностойкости до 15 МПа.м ^½ достигнуты при спекании заготовок из ультрадисперсных по-

• рошков ( размер зерна менее 1 мкм). Из нанопорошков диоксида циркония, легированного 3% оксида иттрия, изготовили плунжеры маслостан-ции СНТ-32, эксплуатационные испытания которых показали увеличение срока службы до 20 раз [5, 7, 9].Прогнозируется дальнейшее улучшение свойств корундовой керамики при использовании особотонкодисперсных порошков с размером частиц менее 0,01мкм [1].

• -    Обработка поверхности изделий различными методами, включая нанесение керамических покрытий и синтез металлокерамического защитного слоя на поверхности трения . Керамические покрытия гораздо экологичнее, чем гальванические, применение которых требует тщательной очистки и обезвреживания кислотно-щелочных, хромосодержащих и, особенно, цианосодержащих вод.

Применение силикатно-керамической композиции форсан , вводимой между трущимися поверхностями с помощью масла или пластичной смазки, в процессе эксплуатации на поверхности трения образует слой металлокерамики, составляющий с поверхностью детали единое целое. Полученное покрытие имеет аномально низкий коэффициент трения (0,003 – 0,005) и обладает отличными защитными свойствами от фреттинг-коррозии [9].

• -    Стендовые и промышленные испытания деталей горных машин и оборудования из керамик на основе нитрида и карбида кремния, изготовленных по прогрессивным технологиям .

Основные свойства современных и перспективных конструкционных керамик приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные свойства конструкционных керамик

Керамика – перспективный материал для будущих разработок. Некоторые различия в составе и обработке керамики влияют на изменение ее прочностных характеристик. Работы по применению керамических материалов для деталей горных машин, безусловно, должны быть продолжены.

Proc. Just.. Phys. Conf. Warwick, 1987, 22 – 25, sept.