model zużycia tribologicznego odlewanych

6-2010
TRIBOLOGIA
177
Jakub WIECZOREK*
MODEL ZUŻYCIA TRIBOLOGICZNEGO
ODLEWANYCH KOMPOZYTÓW STOP
ALUMINIUM–CZĄSTKI CERAMICZNE
PRACUJĄCYCH W WARUNKACH TARCIA
TECHNICZNIE SUCHEGO
COMPOSITES MATERIALS REINFORCED CERAMIC
PARTICLES WEAR MODEL DURING DRY SLIDING
CONDITION
Słowa kluczowe:
kompozyty metalowe, współczynnik tarcia, zużycie
Key words:
metal matrix composite, coefficient of friction, wear
Streszczenie
Kompozyty na osnowie stopów aluminium wzmacniane cząstkami ceramicznymi SiC znajdują zastosowanie w budowie węzłów tarcia wykorzystywanych w przemyśle maszynowym, lotniczym oraz samochodowym.
*
Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii
[email protected], tel. 326034367.
178
TRIBOLOGIA
6-2010
Rozmieszczenie cząstek zbrojących w osnowie, ich udział objętościowy,
kształt oraz wielkość determinują strukturę, a zatem i właściwości materiału. W artykule przedstawiono możliwości kształtowania rozmieszczenia cząstek w odlewie poprzez zastosowanie odlewania ciśnieniowego.
Badaniami objęto kompozyty na osnowie stopu AK12 zbrojonego cząstkami SiC o wielkości 10 µm, 25 µm, 50 µm oraz ich mieszaniną. Właściwości tribologiczne, w skojarzeniu żeliwo–kompozyt, badano w warunkach tarcia technicznie suchego, wykorzystując tester T-01. Na podstawie przeprowadzonych badań mikroskopowych i profilografometrycznych powierzchni kompozytów AK12–SiC po współpracy opisano zależność pomiędzy wielkością cząstek zbrojących a geometrią warstwy
wierzchniej kompozytu. Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowanie modelu zużycia tribologicznego kompozytu w zależności od wielkości cząstek zbrojących.
WPROWADZENIE
Postęp w zakresie technologii wytwarzania i kształtowania materiałów
pozwala na projektowanie i wytwarzanie elementów części maszyn
o właściwościach ściśle skorelowanych z warunkami pracy. Wiedzę na
temat kompozytów i ich reakcji w złożonych systemach eksploatacyjnych, często skrajnie niekorzystnych, należy rozwijać, starając się możliwie w pełni określić zespół czynników wpływających na istotę i charakter pracy materiału. Wynika to ze złożoności czynników strukturalnych
kształtujących ich właściwości eksploatacyjne. W projektowaniu kompozytu przeznaczonego do współpracy tribologicznej pod uwagę brane są
zarówno czynniki zewnętrzne, tzn.: obciążenie, temperatura pracy, rodzaj
smarowania lub jego brak, prędkość ruchu, obecność drgań, jak również
cechy strukturalne, tzn.: rodzaj osnowy i fazy zbrojącej, udział, wielkość
oraz morfologia zbrojenia [L. 1÷3]. Każdy z tych czynników oddziałuje
bezpośrednio lub pośrednio na trwałość i niezawodność węzła tribologicznego [L. 4÷7].
BADANIA
Badaniami objęto materiały kompozytowe na osnowie stopu aluminium
AlSi12Cu2Ni2Mg4, zbrojonego cząstkami węglika krzemu SiC o wielkości 10 µm, 25 µm, 50 µm oraz mieszaniną tych cząstek (Tabela 1).
Kompozyty wytworzono metodą mechanicznego mieszania i ukształto-
6-2010
TRIBOLOGIA
179
wano, stosując technikę odlewania ciśnieniowego, które przeprowadzono
na maszynie ciśnieniowej pionowej, zimnokomorowej o sile zwierania
100 t w odlewni PRESS.
Tabela 1. Skład fazowy kompozytów AK12–Al2O3 użytych w badaniach
Table 1. Phase composition of tested AK12–Al2O3 composites
Oznaczenie
Stop osnowy
S10
S25
S50
SM
AlSi12Cu2Ni2Mg4
AlSi12Cu2Ni2Mg4
AlSi12Cu2Ni2Mg4
AlSi12Cu2Ni2Mg4
Rodzaj
cząstek
zbrojących
SiC
SiC
SiC
SiC
Średnica cząstek zbrojących µm
10
30
50
25; 50; 100
Udział objętościowy cząstek
zbrojących %
15%
15%
15%
5% + 5% + 5%
Jest to technologia stosowana w produkcji seryjnej, pozwalająca na
kształtowanie wyrobów o złożonej geometrii oraz gwarantująca powtarzalność rozkładu zbrojenia [L. 9–11]. Wyniki badań struktury odlewów ciśnieniowych wskazują, że struktura dobrze wykonanego odlewu jest bardzo korzystna, niezależnie od wielkości cząstek wzmacniających. Charakterystyczne dla odlewów ciśnieniowych jest równomierne rozmieszczenie
zbrojenia. Kształt zastosowanej formy oraz strukturę uzyskanych odlewów przedstawiono na Rysunku 1.
Rys. 1. Kształt badanego odlewu ciśnieniowego i mikrostruktura kompozytów S25
po odlewaniu
Fig. 1. Shape of pressure casting used in the research and microstructure of composites
S25
180
TRIBOLOGIA
6-2010
Dla określenia właściwości tribologicznych wykorzystano krążek
z odlewu, którego powierzchnię szlifowano i polerowano. Tak przygotowaną powierzchnię poddano ścieraniu na testerze tribologicznym T-01
typu tarcza–trzpień. Przeciwpróbkę w kształcie trzpienia φ = 3 mm i długości 20 mm, wykonano z żeliwa EN-GJ200. Zastosowano: nacisk
5 MPa, prędkość obrotową 5 m/s, drogę tarcia 5000 m. W trakcie badania
rejestrowano w sposób ciągły zmianę współczynnika tarcia. Powstały na
powierzchni kompozytowego dysku ślad wytarcia poddano badaniom
mikroskopowym i profilografometrycznym. Jak wynika z przeprowadzonych badań, współczynnik tarcia w badanym układzie tribologicznym
powiększa się wraz ze zwiększeniem wymiarów cząstek zbrojących SiC
(Rys. 2).
0,5
współczynnik tarcia, m
0,45
S50
0,4
SM
0,35
S25
0,3
S10
0,25
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
droga, m
3500
4000
4500
5000
Rys. 2. Wykres współczynnika tarcia w funkcji drogi w warunkach tarcia technicznie suchego
Fig. 2. Diagram of friction coefficient dependent on track in dry sliding condition
Ślad wytarcia kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 10 µm
przedstawiony na Rysunku 3a wskazuje na łagodny przebieg procesu
zużycia. Na powierzchni nie zaobserwowano żadnych wyraźnych oznak
wyrywania cząstek zbrojących. Ślad wytarcia jest regularny, o czym
świadczy mała wartość Ra = 2,25 µm.
Analiza śladu wytarcia dla kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 25 µm (Rys. 3b) wskazuje na podobny, jak w poprzednim przypadku, łagodny charakter zużywania. Zwiększa się jednak wartość parametrów chropowatości powierzchni do Ra = 2,27 µm, co daje znikomo mały
6-2010
TRIBOLOGIA
181
przyrost w stosunku do profilu kompozytu zbrojonego cząstkami
o średnicy 10 µm. Przedstawiony na Rysunku 3c obraz 3D śladu wytarcia kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 50 µm ma odmienny
charakter od prezentowanych wcześniej, można zaobserwować głębsze,
nieregularne ślady zużycia (bruzdy). Ślad taki mógł być spowodowany
wyrwaniem cząstek zbrojących – wyrwana cząstka może stanowić element skrawający powierzchnie kompozytu i przeciwpróbki. Porównując
wyniki pomiarów geometrii powierzchni z charakterystykami trybologicznymi badanych materiałów, widoczne jest, że ze zwiększeniem wymiarów cząstek zbrojących rośnie stopień rozwinięcia powierzchni, powiększa się wartość współczynnika tarcia i rośnie zużycie.
a)
c)
b
d)
Rys. 3. Obraz 3D śladu wytarcia: a) kompozyt S10, b) kompozyt S25, c) kompozyt
S50, d) kompozyt SM
Fig. 3. Picture 3D wear trace: a) S10 composite, b) S25 composite, c) S50 composite,
d) SM composite
MODEL ZUŻYCIA KOMPOZYTÓW
Model obejmuje kolejne etapy zużycia, począwszy od docierania aż do
warunków ustalonej współpracy. Przedstawiono w nim charakterystyczne
zjawiska wywołane tarciem, jak: wyrywanie cząstek zbrojących, odkształcenie plastyczne osnowy, abrazyjne zużycie żeliwnej próbki i kompozytu oraz kruszenie cząstek w trakcie współpracy. Przedstawiono również różnice w charakterze zużycia, wynikające z wielkości zastosowanych cząstek zbrojących. Model dla kompozytu z cząstkami o rozmiarach
do 50 µm przedstawiony na Rysunku 4 obejmuje cztery etapy:
182
TRIBOLOGIA
6-2010
Etap I – początek współpracy, w którym powierzchnia żeliwa opiera
się na wystających po polerowaniu cząstkach zbrojących. Wstępnie bruzdowanie żeliwnej powierzchni (docieranie).
Etap II – dzięki „dopasowaniu” w procesie docierania zwiększa się
pole kontaktu pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Na tym etapie następuje zmniejszenie i ustabilizowanie współczynnika tarcia. Powstałe nierówności na powierzchni żeliwnej przeciwpróbki oddziałują ze
zbrojeniem i osnową, wywołując ich stopniowe abrazyjne zużycie.
Rys. 4. Model zużycia materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami o średnicy do 50 µm podczas tarcia technicznie suchego
Fig. 4. Composites materials reinforced particles to 50 µm diameter wear model during dry sliding condition
Etap III – etap ten należy podzielić na dwie odmiany – A i B. Dla A
mamy do czynienia z wyrwaniem cząstki zbrojącej i intensyfikacją procesu zużycia przez jej dodatkowe oddziaływanie z powierzchniami trącymi. Może to skutkować osadzeniem cząstki w powierzchni żeliwa
i zwiększeniem efektu abrazyjnego zużycia kompozytu lub jej luźnym
przetaczaniem między współpracującymi powierzchniami. Przetaczana
cząstka wywoływać może zarysowanie każdej z powierzchni współpracującej lub plastyczne odkształcenie niezbrojonych fragmentów osnowy.
Z czasem cząstka ulega kruszeniu i usunięciu. W odmianie B dochodzi
do wgniatania cząstki zbrojącej w osnowę. W wyniku tego może dojść do
adhezyjnego sczepienia fragmentu osnowy kompozytu z żeliwem, co
6-2010
TRIBOLOGIA
183
w konsekwencji prowadzi do wyrwania lub plastycznego odkształcenia
osnowy obserwowanego jako „rozmazywanie” na powierzchni tarcia.
Etap IV – można go opisać jako powrót do ustalonego charakteru
współpracy po zaburzeniach z poprzedniego etapu. Charakterystyczne
zjawiska na tym etapie to stopniowe wyrównywanie powierzchni kompozytu poprzez plastyczne odkształcenie obszaru po wyrwanej cząstce
i odsłanianie kolejnych cząstek zbrojących poprzez abrazyjne zużycie
osnowy.
Zjawiska zachodzące na III i IV etapie należy uznać za typowe dla
ustalonej charakterystyki tarcia, powtarzające się cyklicznie w miarę zużycia materiałów w trakcie eksploatacji.
Model zużycia dla kompozytów zbrojonych cząstkami o rozmiarach
większych niż 50 µm lub mieszaniną cząstek o różnych wielkościach
przedstawiono na Rysunku 5.
Rys. 5. Model zużycia materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami o średnicy powyżej 50 µm podczas tarcia technicznie suchego
Fig. 5. Composites materials reinforced particles above 50 µm diameter wear model
during dry sliding condition
W modelu tym obok opisanych wcześniej zjawisk można wskazać
dodatkowy mechanizm zużycia nierejestrowany w przypadku cząstek
o mniejszej średnicy. Polega on na kruszeniu dużych cząstek i przebiega
wg następujących etapów:
Etap I – dotarcie współpracujących powierzchni, abrazyjne zużycie
żeliwa i kompozytu.
184
TRIBOLOGIA
6-2010
Etap II – pękanie cząstek zbrojących. Popękana cząstka pozostaje
osadzona w osnowie tak długo aż nie zostanie uwolniona przez zużycie
osnowy wokół niej.
Etap III – uwolnienie fragmentów rozkruszonej cząstki, które zachowują się jak pojedyncza wyrwana cząstka. Ich oddziaływanie przedstawiono w modelu wcześniejszym na etapie III.
Etap IV – wyrównywanie obszaru po wyrwanej cząstce, plastyczne
odkształcenie i stopniowe abrazyjne zużycie osnowy prowadzące do odsłonięcia kolejnych cząstek.
Opisany w tym modelu proces zużycia kompozytu zbrojonego cząstkami dużymi można ograniczyć stosując mieszaninę cząstek o różnej
średnicy. Naciski wywołujące pękanie dużych cząstek rozkładają się
wówczas na sąsiadujące z nimi cząstki o mniejszych rozmiarach, co
zmniejsza proces zużycia.
Badania realizowane w ramach Projektu nr POIG.0101.02-015/08
w Programie operacyjnym innowacyjna gospodarka (PO IG). Projekt
współfinansowany przez UE ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Deuis R.L., Subramanianian C., Yellup J.M.: Dry sliding wear of aluminium composites – a review. Composites Science and Technology 57, Elsevier 1997, p. 415–435.
Hutchings I.M., Wang A.: Proc. Conf. Metal and ceramic Matrix Composites. Processing, Modeling and Mechanical Behavior. Anaheim 1990,
TMS 1990, p. 499.
Górny Z., Sobczak J.: Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali
nieżelaznych, Kraków 2005.
Wieczorek J., Dolata, Grosz A., Dyzia M., Śleziona J.: Właściwości tribologiczne kompozytowych materiałów o osnowie stopu aluminium AK12
zbrojonych cząstkami ceramicznymi. Kompozyty nr 2, 2002, s. 207.
Dolata-Grosz A., Śleziona J., Wieczorek J., Dyzia M.: Structure and functional quality properties of composites sleeves obtaining by centrifugal
casting, Acta Metallurgica Slovaca, 8, 2/2002, s. 283–288.
Posmyk A., Śleziona J., Grosz A., Wieczorek J.: Reibungs – und Schmierungsverthalten von Aluminium – legierungen mit einem verstärkten Oberflächenbereich, Technische Akademie Esslingen, 12th. International Colloρuium January 11–13, 2000, Tribology 2000.
6-2010
7.
TRIBOLOGIA
185
Wieczorek J., Dolata-Grosz A., Śleziona J., Dyzia M., Służałek G.: Composites Tribological Properties of AK12 Metal Matrix Composites Reinforced with Ceramic Particles, Junior Euromat 2002, Lozanna.
Recenzent:
Tomasz BUDZYNOWSKI
Summary
Aluminium based metal matrix composites are well known for their
good wear and erosion resistance, high specific strength, stiffness
and hardness. They have found applications within the aerospace,
military but especially in the automotive industries.
The distribution of particles, their size and shape, and volume
fraction together with production method determine the structure
and properties of the composite. Trials of pressure die casting of
AK12–15%SiC were carried out using a cold-chamber pressure machine of pressure force 100 t, in PRESS company, Poland. The article
presents the results of the research on composites MMC`s reinforced
SiC particles after mating in technically dry sliding conditions. Matrix alloy composites AK12 reinforced with SiC particles (10, 25, 50
µm) were tested after collaboration with cast iron. The friction coefficient value and wear resistance in investigated MMC`s depend on
particle size used as a reinforcement. The friction coefficient and
wear value decrease with the reduction of particles diameter.