Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения
Разработана технология получения изделий — соединения адгезионно активной пайкой ограниченных по размерам отдельных элементов из кубического нитрида бора. Получены цельные изделия конструкционного назначения: валы (оси) диаметром до 10 мм необходимой длины; практически не изнашиваемые без смазки под...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49360 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения / Ю.В. Найдич, А.А. Адамовский // Доп. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 99-103. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859743805614325760 |
|---|---|
| author | Найдич, Ю.В. Адамовский, А.А. |
| author_facet | Найдич, Ю.В. Адамовский, А.А. |
| citation_txt | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения / Ю.В. Найдич, А.А. Адамовский // Доп. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 99-103. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Разработана технология получения изделий — соединения адгезионно активной пайкой ограниченных по размерам отдельных элементов из кубического нитрида бора. Получены цельные изделия конструкционного назначения: валы (оси) диаметром до 10 мм необходимой длины; практически не изнашиваемые без смазки подшипники скольжения типа вал/втулка; подпятники; опорные плиты; направляющие станков и др. с поверхностью трения кубический нитрид бора по кубическому нитриду бора.
Розроблено технологію одержання виробів — з'єднання адгезійно активним паянням обмежених за розміром окремих елементів з кубічного нітриду бору. Одержано цільні вироби конструкційного призначення: вали (осі) діаметром до 10 мм необхідної довжини; підшипники ковзання типу вал/втулка, які практично не зношуються без змазки; підп'ятники; опорні плити; напрямляючі верстатів та інші з поверхнею тертя кубічний нітрид бору по кубічному нітриду бору.
The fabrication technology of articles formed by the active brazing of size-limited separate boron nitride elements is developed. Solid articles of construction appointment are obtained: shafts (axles) to 10 mm in diameter of a necessary length; practically wear-free bearings without lubricant of the shaft/bush type; saddles; baseplates; machine tools rails, etc., with the cubic boron nitride on cubic boron nitride friction surface.
|
| first_indexed | 2025-12-01T20:17:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
3 • 2012
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 621.762;621.893
© 2012
Академик НАН Украины Ю.В. Найдич, А. А. Адамовский
Конструкционный сверхтвердый материал на основе
кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого
трения
Разработана технология получения изделий — соединения адгезионно активной пайкой
ограниченных по размерам отдельных элементов из кубического нитрида бора. Получены
цельные изделия конструкционного назначения: валы (оси) диаметром до 10 мм необхо-
димой длины; практически не изнашиваемые без смазки подшипники скольжения типа
вал/втулка; подпятники; опорные плиты; направляющие станков и др. с поверхностью
трения кубический нитрид бора по кубическому нитриду бора.
Благодаря тому, что алмаз и кубический нитрид бора обладают особо высокими механиче-
скими свойствами (твердость, модуль упругости) и превосходят по этим характеристикам
все другие известные вещества, они широко используются как инструментальные мате-
риалы — абразивные порошки, лезвийные инструменты (резцы различных конструкций,
фрезы, фильеры, выглажеватели и др.)
Указанные синтетические материалы производят в сложных аппаратах сверхвысокого
давления. Сегодняшняя промышленная технология позволяет получать элементы из алмаза
и кубического нитрида бора либо в виде порошков, либо (особенно, для кубического нитрида
бора) в виде поликристаллов — цилиндров небольшого размера: ∅ ∼ 5÷ 8 мм (лишь в осо-
бых аппаратах до 10–15 мм) высотой — 5–6 мм [1]. Присоединение такого элемента к метал-
лическому держателю дает возможность после последующей заточки получить резцы для
обработки, скажем, закаленных сталей, чугунов, а также многих других твердых веществ.
Учитывая небольшие размеры таких элементов, закрепление их в держателе возможно
только с помощью пайки специальными так называемыми адгезионоактивными припоями,
отличающимися высокой смачиваемостью по отношению к алмазу или сBN. В Институ-
те проблем материаловедения НАН Украины [2] в результате многолетних исследований
разработаны принципы создания адгезионоактивных припоев различных классов и техно-
логические процессы пайки ими неметаллических материалов, в частности, кубического
нитрида бора.
Стратегической целью данной работы является разработка технологии соединения, сбор-
ки-пайки нескольких отдельных элементов из сBN с получением определенных изделий не-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №3 99
Рис. 1. Изделия конструкционного назначения, полученные методом пайки поликристаллов сBN
обходимых размеров и формы и таким образом использовать сверхтвердые вещества как
конструкционные материалы для изготовления цельных изделий из них различного назна-
чения. Ниже речь будет идти, прежде всего, о кубическом нитриде бора (сBN). Одна из
возможных областей применения таких компактных конструкционных изделий из сBN яв-
ляются узлы трения механизмов машин и приборов, особенно в экстремальных условиях
эксплуатации.
Конкретной задачей настоящей работы является изготовление подшипников скольже-
ния: цилиндрических — типа вал/втулка, а также плоских узлов трения, где пары трения
составляют сBN/сBN. Хотя коэффициенты трения и механизм самого процесса трения в со-
четаниях таких материалов остаются еще малоисследованными, можно полагать, что особо
высокая твердость материалов будет способствовать низкой силе трения (отсутствие схва-
тывания), а также малому износу материала в контактных узлах. Возможно также изго-
товить комбинированные детали, сочетающие сBN и металлические материалы, особенно
достаточно твердые (например, сплавы типа ВК — карбид вольфрама/кобальт).
Объектом исследования выбран сверхтвердый материал на основе сBN — композит мар-
ки 05-ИТ (ТУ 2-035-806-81), полученный в камере сверхвысокого давления. Композит со-
держит, % (масс): 2 — Сr; 0,5 — Zr; < 0,1 — Аl; остальное — cBN. Для проведения экспери-
ментов использовали поликристаллы заводского производства таких размеров: диаметр —
6,75; высота — 5 мм, шлифованные по цилиндру и торцам. Шероховатость торцевых и ци-
линдрических поверхностей образцов Ra = 0,32–0,50 мкм, что соответствует 8б–8в классу
шероховатости по ГОСТ 2789–73 и ГОСТ 2.309–73. Поликристаллы соединяли в изделия
вакуумной пайкой. Методика и оборудование приведены в работе [2]. В качестве припоя
использовали сплавы Cu–Sn, легированные различными добавками, в частности, Ti [2, 3].
Краевой угол смачивания припоя при температуре пайки ∼850
◦С в вакууме материалов
на основе cBN составляет около 20◦ [4].
Схемы изделий конструкционного назначения представлены на рис. 1. Опорная пласти-
на состоит из корпуса и поликристаллов: в стальной опорной пластине сделаны отверстия,
размер которых несколько больше диаметра поликристаллов. Зазор в паре сопряжения
отверстие–поликристалл составляет 0,1 мм, который заполняют припоем в процессе пайки.
100 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №3
Рис. 2. Фотографии натурных образцов изделий конструкционного назначения, полученных методом пайки,
из сверхтвердого материала на основе сBN марки композит 05-ИТ
Спаянные поликристаллы и корпус для выравнивания опорной поверхности подвергают
шлифовке на плоскошлифовальном станке алмазными кругами с подачей СОЖ в зону
резания.
Особый интерес представляют цилиндрические подшипники. Вал собирают из таблеток
поликристаллов, на торцы которых наносят припой и в вакууме таблетки припаивают тор-
цами друг к другу. После пайки вал шлифуют с охлаждением на бесцентровошлифовальном
станке алмазным кругом до шероховатости поверхности Ra = 0,25 мкм. Втулка состоит из
стального корпуса и поликристаллов сBN. В стальном корпусе сделано центральное скво-
зное отверстие, диаметр которого больше диаметра вала на 1 мм, а в торцах корпуса —
кольцевые проточки глубиной по 5 мм каждая. Диаметр проточек рассчитан: после уклад-
ки в проточки по пять поликристаллов — зазор между каждым соседним поликристаллом
равен 0,1 мм. На поликристаллы в собранном корпусе наносят припой в виде шликера, за-
гружают собранную втулку в вакуумную печь для пайки. Поликристаллы припаиваются
друг к другу и к стальному корпусу, после пайки поверхность скольжения втулки обра-
батывают алмазными цилиндрическими головками на внутришлифовальном станке. Не-
обходимо обеспечить шероховатость рабочей поверхности втулки не ниже Ra = 0,25 мкм
и зазор 0,01 мм в сопряженной паре вал/втулка.
Износ вал–втулка и коэффициент трения исследовали при трении на воздухе без охла-
ждения. Режим испытания: скорость скольжения — 0,26 м/с; нагрузка — 50 Н; износ опре-
деляли методом взвешивания с точностью 0,01 мг на аналитических весах второго класса
модели ВЛТ-200 (ГОСТ 24104-80).
Фотографии натурных образцов цилиндрических подшипников скольжения представ-
лены на рис. 2. Валы диаметром 8 и 6,5 мм сопряжены с втулками из композита 05-ИТ,
между которыми выдержан зазор 0,01 мм. Валы (∅8 и ∅6,5 мм) поддерживают две втулки
шириной по 5 мм каждая, впаянные в торцевые выточки стального корпуса. Испытания
подшипников скольжения провели в течение 50 час с перерывами: 1 день — 8 час; после-
дующие 6 дней — по 7 час. Суммарный пробег подшипников составил 46,8 км, суммар-
ный износ втулки — 20,0 мг, вала — 10. Средний износ на 1 км пробега втулки — 0,43,
вала — 0,21 мг/км. Коэффициенты трения различных материалов — металлов, керами-
ки, сверхтвердых материалов, а также сочетания материалов для сравнения приведены
в табл. 1. Как видно, коэффициенты сухого трения чистых металлов на воздухе очень
высокие (f = 0,51–1,44). Сверхтвердые материалы выделяются среди металлов и неметал-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №3 101
лов низкими коэффициентами сухого трения, приведенными в табл. 1. Это обусловлено тем,
что они имеют повышенные модули упругости, как минимум в 2–3 раза по сравнению даже
с керамикой на основе Al2O3. В зоне контакта сверхтвердые материалы не подвергаются
пластической деформации и обладают пониженным коэффициентом трения по сравнению
с остальными материалами. Известно [8], что пластическая деформация материалов в зоне
трения приводит к значительному повышению коэффициента трения пары. Коэффициент
трения сверхтвердых материалов ниже металлов и оксидных керамик на порядок; коэф-
фициент трения пары сBN–сBN меньше всех приведенных в табл. 1 величин и составляет,
по нашим данным, f = 0,04. Отметим, что для пары алмаза по алмазу f = 0,1. Испыта-
ния [7] проводились при скольжении острия алмаза по поверхности куба [100] плоскости
алмаза. Радиус закругления алмазного острия 130 мкм. С учутом малого износа и особо
низкого коэффициента трения сверхтвердые материалы на основе сBN являются наиболее
перспективными для их использования в узлах сухого трения.
Важным вопросом при изготовлении конструкционного изделия из сверхтвердых мате-
риалов методом сборки-пайки отдельных его элементов является прочность паяных швов.
В наших исследованиях достигнутая прочность на изгиб паяного вала из таблеток компо-
зита СТМ на основе кубического нитрида бора марки 05-ИТ составила σи = 280 МПа. По-
лученная величина не является предельной. В Институте проблем материаловедения НАН
Украины, используя различные припои и методы формирования макрокомпозитов, варьи-
руя также конструкционные особенности соединения (ширина паяного зазора, форма изде-
лия, другие параметры паяного шва), для сочетания одноименных материалов (Si3N4/Si3N4)
получим прочность шва 750–800 МПа, что соответствует 95% прочности самого соединя-
емого материала. Следовательно, можно утверждать, что имеется значительный резерв
повышения прочности конструкционных изделий из сBN. В этом направлении и предпо-
лагается продолжить настоящие исследования. При этом, конечно, должна быть учтена
и прочность самого соединяемого материала.
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Разработаны и изготовлены изделия конструкционного назначения из сверхтвердого
материала на основе кубического нитрида бора — подшипник скольжения вал — втулка
Таблица 1. Коэффициенты сухого трения различных пар материалов [5–7, 9]
Материал пары трения Коэффициент сухого трения, f Источник
Среда — воздух
Металлы
Cu–Fe 0,51
Cu–Sn 1,44 [5]
Часовые камни
Рубин — У10А(HRC56) 0,35
Сапфир — сапфир 0,29 [7]
Керамика (Al2O3)
ЦМ-332 — ЦМ-332 0,885 [6]
Сверхтвердые материалы
Алмаз — алмаз 0,1 [7]
Износ (I∗) и коэффициент (f) трения пары
Эльбор-Р — ХВГ(HRC 61–63) I
∗
= 100–130 мкм/км; f = 1,25–1,68 [9]
Композит: 05-ИТ — 05-ИТ, вал — втулка I
∗
= 0,64 мг/км; f = 0,04 [Наши данные]
102 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №3
и некоторые другие изделия. Установлено, что в паре вал — втулка из сBN коэффициент
сухого трения f = 0,04.
2. Подшипник скольжения вал — втулка испытан на воздухе без смазки. Установле-
но, что предложенная пара трения обладает меньшим коэффициентом трения и большей
износостойкостью по сравнению с ранее известными материалами пар трения.
3. Материалы на основе кубического нитрида бора являются наиболее перспективными
из ныне известных для разработки подшипников, опор скольжения и других изделий, ра-
ботающих при высоких нагрузках без смазки в зоне контакта.
1. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т. 1. Синтез сверхтвердых материалов / Под ред.
Н.В. Новикова и др. – Киев: Наук. думка, 1986. – 280 с.
2. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел и их использование в материаловедении / Под
ред. Ю. В. Найдича. – Киев: Наук. думка, 1991. – 280 с.
3. Найдич Ю.В., Колесниченко Г.А., Костюк Б.Д. и др. Способ пайки твердосплавных материалов.
А.с. SU № 536905. – Бюл. № 44. – 1976.
4. Адамовский А.А., Зюкин Н.С., Евдокимов В.А. Пайка сверхтвердых композиционных материалов
на основе нитрида бора для изделий инструментального и конструкционного назначения // Адгезия
расплавов и пайка материалов. – 2008. – Вып. 41. – С. 91–97.
5. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения. – Москва: Машгиз, 1962. – 220 с.
6. Воронков Б.Д. Подшипники сухого трения. – Ленинград: Машиностроение, 1979. – 224 с.
7. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка. – Москва: Машгиз, 1960. – 151 с.
8. Крагельский И.В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. – Москва: Изд. АН СССР, 1956. – 235 с.
9. Карюк Г. Г., Колесниченко Л.Ф., Юга А.И. и др. Фрикционные свойства материалов на основе плот-
ных модификаций нитрида бора // Порошк. металлургия. – 1984. – № 9. – С. 82–87.
Поступило в редакцию 29.07.2011Институт проблем материаловедения
им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев
Академiк НАН України Ю.В. Найдiч, А.А. Адамовський
Конструкцiйний надтвердий матерiал на основi кубiчного нiтриду
бору в опорах i вузлах сухого тертя
Розроблено технологiю одержання виробiв — з’єднання адгезiйно активним паянням обме-
жених за розмiром окремих елементiв з кубiчного нiтриду бору. Одержано цiльнi вироби
конструкцiйного призначення: вали (осi) дiаметром до 10 мм необхiдної довжини; пiдшип-
ники ковзання типу вал/втулка, якi практично не зношуються без змазки; пiдп’ятники;
опорнi плити; напрямляючi верстатiв та iншi з поверхнею тертя кубiчний нiтрид бору
по кубiчному нiтриду бору.
Academician of the NAS of Ukraine Yu.V. Naidich, А.А. Аdamovskiy
Constructional superhard material based on cubic boron nitride in
supports and dry friction units
The fabrication technology of articles formed by the active brazing of size-limited separate boron
nitride elements is developed. Solid articles of construction appointment are obtained: shafts (axles)
to 10 mm in diameter of a necessary length; practically wear-free bearings without lubricant of the
shaft/bush type; saddles; baseplates; machine tools rails, etc., with the cubic boron nitride on cubic
boron nitride friction surface.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №3 103
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-49360 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T20:17:36Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Найдич, Ю.В. Адамовский, А.А. 2013-09-16T20:04:03Z 2013-09-16T20:04:03Z 2012 Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения / Ю.В. Найдич, А.А. Адамовский // Доп. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 99-103. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49360 621.762;621.893 Разработана технология получения изделий — соединения адгезионно активной пайкой ограниченных по размерам отдельных элементов из кубического нитрида бора. Получены цельные изделия конструкционного назначения: валы (оси) диаметром до 10 мм необходимой длины; практически не изнашиваемые без смазки подшипники скольжения типа вал/втулка; подпятники; опорные плиты; направляющие станков и др. с поверхностью трения кубический нитрид бора по кубическому нитриду бора. Розроблено технологію одержання виробів — з'єднання адгезійно активним паянням обмежених за розміром окремих елементів з кубічного нітриду бору. Одержано цільні вироби конструкційного призначення: вали (осі) діаметром до 10 мм необхідної довжини; підшипники ковзання типу вал/втулка, які практично не зношуються без змазки; підп'ятники; опорні плити; напрямляючі верстатів та інші з поверхнею тертя кубічний нітрид бору по кубічному нітриду бору. The fabrication technology of articles formed by the active brazing of size-limited separate boron nitride elements is developed. Solid articles of construction appointment are obtained: shafts (axles) to 10 mm in diameter of a necessary length; practically wear-free bearings without lubricant of the shaft/bush type; saddles; baseplates; machine tools rails, etc., with the cubic boron nitride on cubic boron nitride friction surface. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Матеріалознавство Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения Конструкційний надтвердий матеріал на основі кубічного нітриду бору в опорах і вузлах сухого тертя Constructional superhard material based on cubic boron nitride in supports and dry friction units Article published earlier |
| spellingShingle | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения Найдич, Ю.В. Адамовский, А.А. Матеріалознавство |
| title | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения |
| title_alt | Конструкційний надтвердий матеріал на основі кубічного нітриду бору в опорах і вузлах сухого тертя Constructional superhard material based on cubic boron nitride in supports and dry friction units |
| title_full | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения |
| title_fullStr | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения |
| title_full_unstemmed | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения |
| title_short | Конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения |
| title_sort | конструкционный сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора в опорах и узлах сухого трения |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49360 |
| work_keys_str_mv | AT naidičûv konstrukcionnyisverhtverdyimaterialnaosnovekubičeskogonitridaboravoporahiuzlahsuhogotreniâ AT adamovskiiaa konstrukcionnyisverhtverdyimaterialnaosnovekubičeskogonitridaboravoporahiuzlahsuhogotreniâ AT naidičûv konstrukcíiniinadtverdiimateríalnaosnovíkubíčnogonítriduboruvoporahívuzlahsuhogotertâ AT adamovskiiaa konstrukcíiniinadtverdiimateríalnaosnovíkubíčnogonítriduboruvoporahívuzlahsuhogotertâ AT naidičûv constructionalsuperhardmaterialbasedoncubicboronnitrideinsupportsanddryfrictionunits AT adamovskiiaa constructionalsuperhardmaterialbasedoncubicboronnitrideinsupportsanddryfrictionunits |