Mineral Ceramic Composite Material: Synthesis and Friction Behavior

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The composition and structure of mineral ceramic composite materials affect its physicomechanical and tribotechnical properties. Despite its wide variety, some part does not have high tribotechnical characteristics. Therefore, the development of a technology for producing new mineral ceramic composite material is a relevant objective. The paper proposes to develop the fundamentals of the technology for producing a new mineral ceramic material by microarc oxidation of sintered diamond-aluminum blank. The material consists of an aluminum oxide matrix and dispersed inclusions of copper metallized diamond. The technological characteristics of its production and tribotechnical characteristics are still understudied. Work objective: to work through the stages of synthesis of a new mineral ceramic composite material, to study its frictional properties and to determine the application area. The paper studies the modes of blank pressing, sintering and further microplasma synthesis of mineral ceramic material with different relative density of samples, diamond concentration and dispersion, its degree of copper metallization. Tribotechnical properties of the obtained materials are also investigated. The research methods are compression tests, material surface studies, and comparative friction tests. Results and discussion. It is revealed that the main factors that determine the product performance are: the relative density of samples, the degree of copper metallization of diamonds and alkali concentration in an electrolyte. The grain size of diamonds determines tribotechnical characteristics and the practical application of cermet. Materials with diamond grain size more than 28/20 showed high cutting characteristics and good diamond holding ability. The volumetric cutting ability is higher than traditional counterparts have, and it does not decrease over time. Tribotechnical tests of ceramic materials with diamond grain size less than 20/14 showed that it has good antifriction properties even without lubricating media. The wear rate of antifriction cermet is comparable to D16 oxidized alloy; its friction coefficient is significantly lower. The authors propose a criterion called a critical nominal pressure that determines the transition from a predominantly elastic contact to brittle fracture of a mineral ceramic material. The created mineral ceramic materials with high diamond grain size are promising as instrumental materials for precision abrasive microprocessing of hard materials. Ceramic materials with a small grain size of diamonds are good for producing parts of friction units operating under lubricant shortage.

About the authors

A. N. Bolotov

Email: alnikbltov@rambler.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Tver State Technical University, 22 Af. Nikitin Emb., Tver, 170026, Russian Federation, alnikbltov@rambler.ru

V. V. Novikov

Email: vnvkv@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Tver State Technical University, 22 Af. Nikitin Emb., Tver, 170026, Russian Federation, vnvkv@yandex.ru

O. O. Novikova

Email: onvk@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Tver State Technical University, 22 Af. Nikitin Emb., Tver, 170026, Russian Federation, onvk@mail.ru

References

  1. Studies on Al6061-SiC and Al7075-Al2O3 metal matrix composites / G.B.V. Kumar, C.S.P. Rao, N. Selvaraj, M.S. Bhagyashekar // Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering. – 2010. – Vol. 9, iss. 1. – P. 43–55. – doi: 10.4236/jmmce.2010.91004.
  2. Composites based on aluminum-silicate glass ceramic with discrete fillers / L.A. Orlova, A.S. Chainikova, N.V. Popovich, Y.E. Lebedeva // Glass and Ceramics. – 2013. – Vol. 70, iss. 3–4. – P. 149–154. – doi: 10.1007/s10717-013-9529-2.
  3. Consolidation of aluminum-based metal matrix composites via spark plasma sintering / Sweet G.A., Brochu M., Hexemer R.L., Donaldson I.W., Bishop D.P. // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 648. – P. 123–133. – doi: 10.1016/j.msea.2015.09.027.
  4. Jessen, T., Ustundag, E., & ebrary Inc. 24th annual Conference on Composites, Advanced Ceramics, Materials, and Structures A / January 23-28, 2000, Cocoa Beach, FL. Ceramic Engineering & Science Proceedings 21/3. Westerville, OH: American Ceramic Society. Retrieved from http://sk8es4mc2l.search.serialssolutions.com/?sid=sersol&SS_jc=TC0000715049&title=24th annual Conference on Composites, Advanced Ceramics, Materials, and Structures January 23-28, 2000, Cocoa Beach, FL. A
  5. Synthesis and properties of electroless Ni-P-Nanometer Diamond composite coatings / Xu H., Yang Z., Li M. K., Shi Y. L., Huang Y., Li H.L. // Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 191, iss. 2–3. – P. 161–165. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2004.03.045.
  6. Blum R., Molian P. Liquid-phase sintering of nanodiamond composite coatings on aluminum A319 using a focused laser beam // Surface and Coatings Technology. – 2009. – Vol. 204, iss. 1–2. – P. 1–14. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2009.06.025.
  7. Diamond powders less than 100 nm in diameter as effective solid lubricants in vacuum / A.V. Gubarevich, S. Usuba, Y. Kakudate, A. Tanaka, O. Odawara // Japanese Journal of Applied Physics, Pt. 2: Letters. – 2004. – Vol. 43, iss. 7A. – doi: 10.1143/JJAP.43.L920.
  8. Болотов А.Н., Новиков В.В., Новикова О.О. Применение микродугового оксидирования для получения керамического алмазосодержащего материала // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2006. – № 3. – С. 13–16.
  9. Болотов А.Н., Новиков В.В., Новикова О.О. Синтез и абразивные свойства алмазосодержащих материалов с керамической матрицей // Трибология – машиностроению: XII Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию ИМАШ РАН. – М., 2018. – С. 74–76.
  10. Судник Л.В. Витязь П.А., Ильющенко А.Ф. Алмазосодержащие абразивные нанокомпозиты. – Минск: Беларуская навука, 2012. – 319 с.
  11. Болотов А.Н., Новиков В.В., Новикова О.О. Зависимость износа пары трения композиционный алмазосодержащий материал – керамика // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования. – Тверь, 2017. – № 10. – С. 153–157.
  12. Витязь П.А. Наноалмазы детонационного синтеза: получение и применение: монография. – Минск: Беларусская навука, 2013. – 381 с.
  13. Formation of wear- and corrosion-resistant coatings by the microarc oxidation of aluminum / M.A. Markov, A.D. Bykova, A.V. Krasikov, B.V. Farmakovskii, D.A. Gerashchenkov // Refractories and Industrial Ceramics. – 2018. – Vol. 59, iss. 2. – P. 207–214. – doi: 10.1007/s11148-018-0207-3.
  14. Zlotnikov I.I., Shapovalov V.M. Improving the antifriction properties of ceramic coatings obtained by the method of MAO on aluminum alloys // Journal of Friction and Wear. – 2019. – Vol. 40, iss. 5. – P. 360–363. – doi: 10.3103/S1068366619050222.
  15. ГОСТ 14706–78. Алмазы и инструменты алмазные. Термины и определения (с Изменением N 1): дата введения 1979–07–01. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – 11 с. – URL: http://docs.cntd.ru/document/1200009427 (дата обращения: 14.07.2020).
  16. Инструмент из металлизированных сверхтвердых материалов / Е.М. Чистяков, А.А. Шепелев, Т.М. Дуда, В.П. Черных. – Киев: Наукова думка, 1982. – 204 с.
  17. Спеченные материалы из алюминиевых порошков / В.Г. Горпиенко, М.Е. Смагоринский, А.А. Григорьев, А.Д. Беллавин; под. ред. М.Е. Смагоринского. – М.: Металлургия, 1993. – 320 с.
  18. Крагельский И.В. О критериях износа материалов // Доклады АН СССР. – 1959. – Т. 129, № 5. – С. 1016–1019.
  19. Крагельский И.В., Добычин М.Н. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.
  20. Демкин Н.Б. Свойства фрикционного контакта // Трение и износ. – 1982. – Т. 3, № 4. – С. 586–595.
  21. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. – М.: Машиностроение, 1981. – 244 с.
  22. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 510 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».