СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СПЕЧЕННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2011 года по МПК C04B41/81 

Изобретение относится к машиностроительной промышленности и применяется при изготовлении пар трения скольжения на основе керамических материалов.

Известен способ повышения износостойкости керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (Nettleship L, Sstevens R. // Int. J. High Technology Ceramics. 1987. №3. P. 1-32), в котором для повышения износостойкости изделий из керамики на основе диоксида циркония в нее добавляют стабилизатор в виде соединения оксида иттрия.

Недостатком данного способа является невысокая износостойкость поверхности керамики.

Известно (Becker P.C., Libsch T.A., Rhee S.K. Wear Mechanisms of Tonghened Zirconias. Ceramic Engineering and science. 1985, t 6. №7-8, p.1040 - 1058), что при сухом трении циркониевой керамики по закаленной стали износ сильно зависит от скорости скольжения при испытании. В мягких условиях износа наблюдаются малые степени износа. При увеличении скорости скольжения интенсивность износа увеличивается.

Однако в данной работе рассматриваются скорости скольжения, не превышающие 3-4 м/с. Авторы не рассматривают стойкость к изнашиванию материалов при более высоких скоростях скольжения, где как раз и наблюдается область катастрофического износа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия (патент РФ, 2060300, С23С 26/00, опубл. 1996.05.20), включающий нанесение среды на поверхность обрабатываемой детали и формирование основного фрикционного покрытия натиранием поверхности сплавом меди, при этом нанесение среды и формирование основного покрытия производят путем одновременной подачи сплава меди, например бронзы БрОФ 4-0,25 и сплава галлия в твердом состоянии под давлением, обеспечивающим нанесение материала среды на обрабатываемую поверхность.

Недостатком данного способа является применение дорогостоящих материалов при формировании антифрикционного покрытия, а также применение специального оборудования для его нанесения.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия. Реализация предлагаемого способа позволяет повысить износостойкость поверхности трения вышеуказанных керамических изделий, работающих при трении по стали.

Указанный технический результат достигается тем, что способ повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия, включающий нанесение износостойкого покрытия на поверхность обрабатываемого изделия натиранием поверхности. Для этого рабочую поверхность изделия подвергают интенсивной кратковременной обработке трением по стальному контртелу при скорости скольжения 35-45 м/с и давлении трения 5-10 МПа, с выдержкой в течение 0,5 - 1 минуты, в результате которой происходит перенос материала контртела на поверхность изделия и формирования на его поверхности антифрикционного износостойкого покрытия, причем повышение скорости и давления до конечных значений осуществляют линейно, затем скорость и давление снижают и обработку заканчивают. Керамическое изделие на основе порошков диоксида циркония и окиси алюминия может иметь следующее соотношение компонентов, об.%:

диоксид циркония 20-80,

окиси алюминия 80-20.

Используют порошки диоксида циркония и оксида алюминия, полученные плазмохимическим методом.

Рабочая поверхность изделия подвергается интенсивной кратковременной обработке трением стальным контртелом, в качестве которого может выступать ответная стальная часть пары трения. При этом с контртела происходит перенос стали на поверхность керамического изделия с образованием антифрикционного износостойкого слоя.

Скорость и давление трения превышает рабочий режим на 40-50%, так как только при этом режиме трения происходит равномерный прогрев контртела и изделия и перенос материала контртела на поверхность трения керамики, что позволяет сформировать ровный антифрикционный износостойкий слой на керамическом изделии.

Обработку трением проводят не менее 0.5-1 минуты. Дальнейшее увеличение времени обработки не целесообразно, так как за этот период обработки антифрикционный износостойкий слой на спеченном керамическом изделии формируется полностью.

Авторами решалась проблема повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия. В последнем случае изготовленное керамическое изделие может иметь следующее соотношение компонентов, об.%:

порошок диоксида циркония 20 - 80,

порошок оксида алюминия 80 - 20.

При этом для изготовления спеченного керамического изделия предпочтительно использовать ультрадисперсные порошки, полученные плазмохимическим путем.

Для достижения высокой износостойкости рабочей поверхности керамического композиционного изделия предлагается это изделие после спекания подвергнуть кратковременной высокоскоростной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения при трении и давление на рабочую поверхность изделия превышают рабочий режим на 40-50%, причем скорость и давление при кратковременной обработке трением повышают линейно не превышающих соответственно значений 40-50 м/с и 5-10 МПа. Далее делают выдержку обработкой трением, которая составляет не менее 0.5-1 минуты, и затем скорость и давление трения снижают до рабочих значений.

В процессе такой обработки на поверхности керамического изделия формируется антифрикционный износостойкий слой переноса металла стального контртела и его окислов, который выполняет защитную функцию, увеличивая износостойкость керамики. Высокая износостойкость обработанного керамического изделия наблюдается во всем диапазоне скоростей, даже там, где наблюдается катастрофический износ.

Если предложенным способом обработать керамическое изделие и подвергнуть испытаниям во всем диапазоне скоростей - от 0 до 50 м/с, то изделие показывает высокую износостойкость, даже там, где наблюдался катастрофический износ.

Пример №1

Рабочую поверхность спеченного до высокой плотности керамического изделия (ZrO₂ - 20 вес.% Аl₂О₃) подвергают интенсивной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 40 м/с и 10 МПа, что превышает рабочий режим на 50%. После чего делается выдержка обработкой трением в течение 40 секунд. Затем скорость скольжения и давление трения снижают и обработку заканчивают.

Пример №2

Рабочую поверхность спеченного до высокой плотности керамического изделия из плазмохимического ZrO₂ подвергают его интенсивной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 35 м/с и 8 МПа, что превышает рабочий режим на 45%. После чего делают выдержку обработкой трением в течение 30 секунд. Затем скорость скольжения и давление трения снижают и обработку заканчивают.

Пример №3

Рабочую поверхность спеченного до высокой плотности керамического изделия (ZrO₂ - 80 вес.% Аl₂О₃) подвергают интенсивной обработке трением по стальному контртелу. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 45 м/с и 5 МПа, что превышает рабочий режим на 40%. После чего делают выдержку обработкой трением в течение 60 секунд. Затем скорость скольжения и давление трения снижают и обработку заканчивают.

При использовании предлагаемого способа износостойкость поверхности керамических изделий увеличивается в 2.5 - 3 раза и сохраняется при высоких скоростях скольжения - вплоть до 50 м/с и давлении до 10 МПа.

Изобретение относится к машиностроительной промышленности и применяется при изготовлении керамических изделий, работающих при трении по стали. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости изделий. Способ повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия включает интенсивную кратковременную обработку трением стальным контртелом рабочей поверхности изделия при скорости скольжения 35-45 м/с и давлении трения 5-10 МПа, с выдержкой в течение 0,5-1 минуты, в результате которой происходит перенос материала контртела на поверхность изделия и формирование на его поверхности антифрикционного износостойкого покрытия. Причем повышение скорости и давления до конечных значений осуществляют линейно. После чего скорость и давление трения снижают и обработку заканчивают. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ повышения износостойкости поверхности спеченного керамического изделия на основе порошков диоксида циркония или диоксида циркония и окиси алюминия, включающий интенсивную кратковременную обработку трением стальным контртелом рабочей поверхности изделия при скорости скольжения 35-45 м/с и давлении трения 5-10 МПа, с выдержкой в течение 0,5-1 мин, в результате которой происходит перенос материала контртела на поверхность изделия и формирования на его поверхности антифрикционного износостойкого покрытия, причем повышение скорости и давления до конечных значений осуществляют линейно, затем скорость и давление трения снижают и обработку заканчивают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спеченное керамическое изделие на основе порошков диоксида циркония и окиси алюминия может иметь следующее соотношение компонентов, об.%:
диоксид циркония 20-80 окиси алюминия 20-80

3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что используют порошки диоксида циркония и оксида алюминия, полученные плазмохимическим методом.