Раздел 2
связь ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ свойств монокристаллов КОРУНДА с КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИми
ПАРАМЕТрами
Сапфир - анизотропный кристалл (гл. 1), поэтому при разработке ответственных
(т.е. связанных с жизнеобеспечением) сапфировых изделий, работающих в узлах
трения и при высоких нагрузках, необходимо изучение трибологических свойств
сапфира с учетом природы атомных связей кристаллографических плоскостей,
электронной структуры и энергетики плоскостей. Также необходимо учитывать
особенности деформации кристаллов корунда, связанные с плоскостями скольжению и
двойникования. В качестве основных функциональных параметров пар трения были
выбраны износ и коэффициент трения наиболее часто встречающихся на практике
кристаллографических плоскостей сапфира при заданных механических нагрузках
[71].
2.1. Влияние кристаллографической ориентации на износостойкость монокристаллов
корунда
Скорость износа сапфира изучали на образцах диаметром 13 мм и высотой 5 мм,
изготовленных из кристаллов (стержней), выращенных методом Степанова.
Исследуемые плоскости были параллельны кристаллографическим плоскостям: (0001),
нэ, нэ, нэ. Образцы обрабатывались свободным или закрепленным абразивом (80…28
мкм) на станке 3ШП-350М при скорости вращения шпинделя 100 об/мин и нагрузках
от 2,2Ч10-2 до 1,1Ч10-1 кг/мм2 [72] . Скорость истирания контролировалась
индикатором (цена деления 1 мкм). Разброс результатов измерений - 6%. Данные
были усреднены по четырем опытам.
Таблица 2.1
Скорость износа лейкосапфира и рубина (мм/час)
Параметры образца
Тип абразива
Свободный абразив,
карбид бора N 4,
28/20
Закреплен. абразив, ACM80/63
Плоскость
d, Е
Ef,
Дж/м2
Нагрузка x10-2, кг/мм2
11
2,2
(0001) руб.
2,165
6,6
5,44
1,8
2,31
2,98
3,81
5,76
12,5
(0001) л-с.
2,165
6,6
5,44
1,97
2,52
3,48
3,84
2,12
7,12
нэ л-с.
3,479
3,5
~1,3
2,49
3,38
4,22
3,76
6,23
17,8
нэ л-с.
2,379
4,8
1,27
3,45
4,83
6,48
7,83
2,31
8,29
нэ л-с.
1,374
1,09
3,26
4,97
7,48
8,11
3,59
11,8
руб. – рубин; л-с. – лейкосапфир; d – межплоскостное расстояние; n – число
свободных связей; Ef - энергия формирования плоскости (surface formation energy
[73]).
Минимальная скорость износа наблюдается в плоскости базиса при обработке как
закрепленным, так и свободным абразивом (табл.2.1). Максимальные значения
скорости истирания для различных режимов обработки зависят от типа абразива.
При обработке свободным абразивом - это плоскость нэ, а для закрепленного
абразива - плоскость нэ. Наблюдаемые существенные различия в скорости
истирания, по-видимому, обусловлены влиянием режима шлифования на механизм
сколообразования, который в свою очередь зависит от кристаллографической
ориентации [74]. При обработке свободным абразивом скорость износа коррелирует
с величиной, обратной ретикулярной плотности атомов исследуемых плоскостей и
величиной, обратной числу свободных связей на единицу поверхности.
Механизм шлифования связанным абразивом несколько отличается [75]. Быстро
движущееся и жестко закрепленное в инструменте абразивное зерно при врезании в
сапфир образует густую сеть микротрещин. Развитие трещин в свою очередь зависит
от угла между направлением распостранения трещин и плоскостями спайности и
отдельности кристалла. В сапфире, состоящем из двух сортов ионов, спайность
возникает при соединении пары параллельных сеток, каждая из которых образована
крупными анионами. В плоскостях с одинаково заряженными сетками атомов
снижаются силы притяжения. Чем больше расстояние между сетками такой пары, тем
резче выражена спайность. Поэтому наиболее вероятное появление спайности по
плоскости нэ (расстояние между сетками 0,79 Е) [76]. Для сеток, параллельных
плоскостинэ, это расстояние еще больше (1,2 Е). Но в данном случае, вероятно,
имеет место двойникование по плоскости, близкой к ромбоэдру. Двойникование по
плоскости нэ наблюдалось преимущественно при низких температурах и высоких
скоростях деформации [21]. Также двойникование по плоскости нэ может возникать
при следующих условиях: нагрев до температуры 640 °С и быстрое охлаждение;
всестороннее сжатие при давлении от 13000 до 18000 атм [77]. Схожие процессы,
по-видимому, активируются при обработке связанным абразивом. Кроме того, для
разрушения сапфира абразивным зерном по плоскости нэ требуется меньшая
плотность энергии (6 Дж/м2), чем для разрушения по базисной плоскости (40
Дж/м2) [78].
Важным фактором, влияющим на скорость износа, является угол между направлением
распространения трещины и поверхностью образца. При шлифовке плоскости базиса
трещины образуются под большим углом к поверхности обработки, для плоскостей
призмы этот угол существенно меньше. В первом случае образуются глубокие
каверны, во втором - существенно менее глубокие и широкие, что способствует
увеличению скорости истирания [79].
2.2 Коэффициент трения пар, включающих сапфировый элемент
Объектом изучения коэффициента трения (Ктр) служили комбинации материалов и
кристаллографических ориентаций контактирующих плоскостей элементов пары. Для
исследования влияния кристаллографической ориентации на трибологические
свойства монокристаллических пар трения были изготовлены сапфировые образцы с
ориентацией контактной поверхности: (0001); нэ; нэ; нэ. Для выяснения вклада
межзеренных границ и примесей также были изготовлены пары трения, одним из
элементов которых являлась корундовая керамика. При исследовании трения в
жидкой среде, для сравнения, была испытана пара трения из Co-Cr-Mo сплава в
контакте с полиэтиленом марки CESTILENE HD 1000.
Трение скольжения изучалось на трибометре УТИ [80]