Ускоренные испытания пар трения торцевых уплотнений из композиционного материала системы TiC – SiC

Новые износостойкие материалы, применяемые в парах трения, разрабатывают в целях повышения надежности и безотказности их работы при эксплуатации, снижения экологической нагрузки и сокращения энергозатрат в технологических процессах изготовления. Одним из перспективных функциональных материалов для изготовления прочных и износостойких деталей и изделий, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации, является порошковый композит системы TiC – SiC, получаемый искровым плазменным спеканием (ИПС). ИПС — энергосберегающий способ, альтернативный горячему прессованию. Он экологически безопаснее производства серийных пар трения для тракторостроения из свинцово-графитовой композиции НАМИ ГС-ТАФ-40. По эскизам серийной пары трения торцевого уплотнения центробежного насоса 16-08-140СП системы охлаждения дизеля Д-180 трактора Т10 изготавливали опытные образцы пар трения из порошкового материала системы TiC – SiC с применением технологии ИПС. Цель работы — проведение ускоренных стендовых испытаний опытных пар трения. Испытания проводили на оборудовании модульного блока для испытаний торцевых уплотнений к УСУ «Климат». Методика ускоренных испытаний предусматривала имитацию эксплуатационных испытаний опытных пар трения торцевых уплотнений центробежных насосов системы охлаждения ДВС с ускорением в 2,0 – 2,5 раза. Критерием применимости и оценки результатов ускоренных испытаний опытных пар трения являлось сходство температурных режимов работы уплотнения водяного насоса и усилия сжатия колец в паре трения в условиях реальной эксплуатации дизеля с режимами ускоренных испытаний при увеличенной частоте вращения вала центробежного водяного насоса. За основу оценки безотказности и долговечности объектов испытаний принимали путь, пройденный точкой среднего радиуса «пояска касания» рабочих поверхностей колец с учетом коэффициента ускорения испытаний в 2,0 – 2,5 раза. При ускоренных испытаниях проводили учет всех параметров испытаний, визуальный осмотр испытательного оборудования и торцевого уплотнения. Износостойкость опытных пар трения определяли по изменению массы, проводя промежуточные замеры величин износа колец через 100 и 200 ч испытаний. Ускоренные стендовые испытания показали, что пара трения с деталями из материала на основе TiC – SiC повышает ресурс работы торцевого уплотнения центробежного насоса системы охлаждения дизеля Д180 не менее чем в 1,5 раза.

1. Boldin M. S., Sakharov N. V., Shotin S. V., Chuvildeev V. N., Nokhrin A. V., Kotkov D. N., Pisklov A. V. Composite ceramics based on alumina obtained by electric pulse plasma sintering for tribological applications / NIFTI Nizhegor. gosuniv. im. N. I. Lobachevskogo. 2012. N 6 – 1. P. 32 – 37 [in Russian].

2. Fangfang Qi, ZhiWang, Junyan Wu, Hanqing Xu, Jianjun Kou, Liu Zhang. Improved mechanical properties of Al2O3 ceramic by in-suit generated Ti3SiC2 and TiC via hot pressing sintering / Ceramics International. 2017. Vol. 43. Issue 14. October. P. 10691 – 10697. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.04.165.

3. Gutiérrez-González C. F., Suarez M., Pozhidaev S., Rivera S., Peretyagin P., Solís W., Díaz L. A., Fernández A., Torrecillas R. Effect of TiC addition on the mechanical behavior of Al2O3 – SiC whiskers composites obtained by SPS / J. Eur. Ceram. Soc. 2016. Vol. 36. P. 2149 – 2151. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.01.050.

4. Rohit Kumar, Anil K. Chaubey, Tapabrata Maity, Konda Gokuldoss Prashanth. Mechanical and Tribological Properties of Al2O3 – TiC Composite Fabricated by Spark Plasma Sintering Process with Metallic (Ni, Nb) Binders / Metals. 2018. Vol. 8(1). P. 50. DOI: 10.3390/met8010050.

5. Moli Cheng, Hanlian Liu, Bin Zhao, Chuanzhen Huang, Peng Yao, Bo Wang. Mechanical properties of two types of Al2O3/TiC ceramic cutting tool material at room and elevated temperatures / Ceramics International. 2017. Vol. 43. Issue 16. November. P. 13869 – 13874. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.07.110.

6. Fei Y. H., Huang C. Z., Liu H. L., Zou B. Mechanical properties of Al2O3 – TiC – TiN ceramic tool materials / Ceramics International. 2017. Vol. 40. Issue 7. Part B. August. P. 10205 – 10209. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.03.056.

7. Grigoriev S., Peretyagin P., Smirnov A., Solís W., Díaz L. A., Fernández A., Torrecillas R. Effect of graphene, addition on the mechanical and electrical properties of Al2O3 – SiC ceramics / J. Eur. Ceram. Soc. 2017. Vol. 37. N 6. P. 2473 – 2479. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.01.027.

8. Stolyarov V. V., Misochenko A. A., Grigoriev E. G., Zholnin A. G., Klyatskina E. A. Friction and wear of nanocomposite Al2O3 + G processed by spark plasma sintering / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2018. Vol. 84. N 6. P. 52 – 58 [in Russian].

9. Bragin V. B., Ivanov V. V., Ivanova O. F., Ivin S. Yu., Kaygorodov A. S., Kiryakov S. I., Kotov Yu. A., Medvedev A. I., Murzakaev A. M., Neshkov P. F., Postnikov V. S., Khrustov V. R., Shtolts A. K. / Wear resistance of fine-structured ceramics based on Al2O3 doped with magnesium, titanium or zirconium / Perspekt. Mater. 2004. N 6. P. 48 – 56 [in Russian].

10. Yamamoto T. A., Kondou T., Kodera Y., Ishii T., Ohyanagi M., Munir Z. A. Mechanical properties of β-SiC fabricated by spark plasma sintering / J. Mater. Eng. Perform. 2005. Vol. 14. Issue 4. August. P. 460 – 466. DOI: 10.1361/105994905X56250.

11. Ortiz A. L., Ciudad E., Baymukhametov T. N., Borrero-Lopez O., Vasiliev A. L., Nygren M. Improving the sliding wear resistance of SiC nanoceramics fabricated by spark plasma sintering via gentle post-sintering annealing / Scripta Materialia. 2014. Vol. 77. Issue 15. April. P. 9 – 12. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2014.01.002.

12. Garshin A. P., Bogdanov S. P., Ponomarenko V. A. Investigation of the process of compaction of nano- and micropowders of silicon carbide in a high-pressure apparatus / Izv. Vuzov. Poroshk. Metallurg. Funkts. Pokryt. 2015. N 2. P. 15 – 20. DOI: 10.17073/1997-308X-2015-2-15-20 [in Russian].

13. Lei Yu, Lun Feng, Sea-Hoon Lee. In situ synthesis, microstructure and mechanical properties of nano-structured SiC – ZrC composite / J. Alloys Compounds. 2018. Vol. 738. March. P. 301 – 306. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.12.156.

14. Candelario V. M., Borrero-López O., Guiberteau F., Moreno R., Ortiz A. L. Sliding-wear resistance of liquid-phase-sintered SiC containing graphite nanodispersoids / J. Eur. Ceram. Soc. 2014. Vol. 34. Issue 10. September. P. 2597 – 2602. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.02.033.

15. Llorente J., Belmonte M. Friction and wear behaviour of silicon carbide/graphene composites under isooctane lubrication / J. Eur. Ceram. Soc. 2018. Vol. 38. Issue 10. August. P. 3441 – 3446. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.03.001.

16. Sharma S. K., Kumar B. V. M., Young-Wook Kim. Tribological Behavior of Silicon Carbide Ceramics — A Review / J. Kor. Ceram. Soc. 2016. Vol. 53(6). P. 581 – 596. DOI: 10.4191/kcers.2016.53.6.581.

17. Hanqin Liang, Xiumin Yao, Hui Zhang, Xuejian Liu, Zhengren Huang. Friction and wear behavior of pressureless liquid phase sintered SiC ceramic / Mater. Design. 2015. Vol. 65. January. P. 370 – 376. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.09.031.

18. Antsiferov V. N., Kachenyuk M. N., Smetkin A. A. Features of compaction and phase formation in the Ti – Si – C system during plasma-arc sintering / Refract. Industr. Ceram. 2015. Vol. 56. N 2. July. P. 168 – 171. DOI: 10.1007/s11148-015-9806-4.

19. Kachenyuk M. N., Somov O. V., Astashina N. B., Andrakovskaya K. E., Morozova N. V. A study of the wear resistance of a TiC – SiC composite ceramicmaterial prepared by spark plasma sintering / Surface Eng. Appl. Electrochem. 2017. Vol. 53. N 5. P. 401 – 406. DOI: 10.3103/S1068375517050064.

20. Popov V. V., Gorbachev I. I., Pasynkov A. Yu., Kachenyuk M. N., Somov O. V. Experimental investigations and thermodynamic calculationsof the structural and phase compositionin the Ti – Si – C system / Russ. J. Non-Ferrous Met. 2017. Vol. 58. N 5. P. 552 – 559. DOI: 10.3103/S1067821217050145.

21. Godzhaev Z. A., Zaycev S. D., Suminov I. V., Somov O. V. Investigation of tribological properties and durability tests of wear-resistant nanostructured surface MDO-composites on aluminum alloys / Visnik SevNTU. 2013. N 137. P. 204 – 207 [in Russian].