PEŁNY TEKST/FULL TEXT

ANITA MAŃKOWSKA-SNOPCZYŃSKA, MICHAŁ MICHALAK, WITOLD PIEKOSZEWSKI,
MARIAN SZCZEREK, ADAM RZEPKOWSKI
Wpływ obróbki powierzchniowej
typu duplex na pitting
a)
b)
Rys. 1. Fotografia elementów ze śladami zniszczenia powierzchni na
skutek: a) zatarcia, b) pittingu
Fig. 1. The surface damages as a result of: a) seizure, b) pitting
10000
10
WC/C‐WC/C
9
Stal‐CrN
8
9000
CrN‐CrN
8000
7000
7
6
6000
Stal‐WC/C
5
4
5000
3
4000
Obciążenie
Stal‐stal
3000
2
2000
1
1000
0
0
0
Mgr inż. Anita Mańkowska-Snopczyńska, mgr inż. Michał Michalak, dr hab. inż.
Witold Piekoszewski, prof. nzw.([email protected]) – Zakład
Tribologii Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB, Radom, prof. dr hab. inż.
Marian Szczerek – Zakład Tribologii Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB,
Radom, Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Technologiczno-Humanistycznego,
Radom, dr inż. Adam Rzepkowski – Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka
Obciążenie [N]
Do innowacyjnych technologii konstytuowania warstw wierzchnich należą technologie laserowe [1], próżniowego nawęglania [2],
i azotowania [3] oraz nakładania powłok metodami PVD i CVD
[4, 5]. Obecnie powłoki nanoszone tymi metodami z powodzeniem stosuje się do zwiększenia trwałości narzędzi skrawających i formujących. Cienka warstwa ceramiczna chroni narzędzie przed przegrzaniem i utlenianiem oraz zmniejsza tendencję
do sczepiania materiału skrawanego z materiałem ostrza narzędzia, co pozwala na zwiększenie trwałości narzędzia skrawającego, a także na zwiększenie parametrów ich pracy, np. prędkości
skrawania [6, 7]. W ostatnich latach rozwój technologii typu
duplex spowodował rozwój nowych zastosowań powłok
przeciwzużyciowych. Zastosowanie dwustopniowej obróbki typu
duplex (warstwa azotowana/TiN) na formy odlewnicze do
ciśnieniowego odlewania aluminium spowodowało kilkakrotne
zwiększenie ich trwałości [8]. W literaturze spotyka się także
opisy nowatorskich prób zastosowania technologii duplex do
ochrony powierzchni matryc do obróbki plastycznej na zimno
miedzi, aluminium i miękkich stali oraz matryc kuźniczych.
Obecnie prawie 80% narzędzi skrawających może być pokrywane
cienkimi powłokami przeciwzużyciowymi. Odmienna jest
sytuacja w przypadku zastosowanych cienkich, twardych powłok
na trące powierzchnie elementów maszyn i urządzeń. Szacuje się,
że tylko ok. 2% wszystkich części współpracujących tarciowo
pokrywa się tymi powłokami.
Istniejący stan wiedzy jednoznacznie wskazuje, że pary kinematyczne, takie jak: koła zębate, łożyska toczne czy mechanizmy
krzywka-popychacz, wykonywane głównie ze stali, są narażone,
oprócz zużywania ściernego, na zużywanie mogące spowodować
awarię urządzenia przez zatarcie czy zmęczenie powierzchniowe
(pitting) – rysunek 1. Prowadzone modelowe badania zacierania
elementów z naniesionymi metodami PVD powłokami, które
tworzyły smarowany styk skoncentrowany, potwierdziły
możliwość zwiększenia odporności na zacieranie [9, 10]. Zadowalającym rezultatom konstytuowania warstw powierzchniowych
elementów trących przez nałożenie powłok w przypadku
zacierania nie odpowiada zwiększenie, a wręcz następuje
zmniejszenie powierzchniowej trwałości zmęczeniowej tych
elementów.
Przeprowadzone badania własne zespołu, mające na celu
weryfikację nielicznych jeszcze i bardzo sprzecznych doniesień
literaturowych wykazały, że elementy poddane obróbkom
powierzchniowym z wykorzystaniem typowych powłok PVD
zdecydowanie pogarszają odporność na powierzchniową trwałość
zmęczeniową [11, 12].
Jak się wydaje, jest to główna przyczyna braku ich aplikacji na
trące, w szczególności wysokoobciążone, smarowane elementy
maszyn.
Zastosowanie cienkich powłok przeciwzużyciowych dedykowanych specjalnie na części maszyn pracujące w smarowanym
styku, jest zagadnieniem stosunkowo nowym i jeszcze słabo
rozpoznanym. Dzięki zastosowaniu powłok PVD można znacząco
zwiększyć odporność na zacieranie elementów stalowych, nawet
z zastosowaniem ekologicznych środków smarowych (bez
szkodliwych na ogół dodatków smarnościowych) [13].
Efektu tego nie można było wykorzystać w technice w odniesieniu do wysokoobciążonych elementów maszyn (np. łożyska
toczne, koła zębate), ponieważ barierę stanowił wciąż nierozwiązany problem pittingu.
Potwierdziły to wyniki badań przeprowadzonych przez jednego
z autorów, z których wynika, że nowoczesne, próżniowe metody
nakładania powłok PVD na powierzchnie robocze wysoko
obciążonych elementów maszyn, w większości przebadanych
przypadków typowych powłok, do jakich należy zaliczyć powszechnie stosowane powłoki TiN, CrN, radykalnie obniżają
powierzchniową trwałość zmęczeniową, niezależnie od tego, czy
smarowane są olejami bazowymi (np. wzorcowym RL 144, czy
olejami z dodatkami przeciwzużyciowymi (AW) lub przeciwzatarciowymi (EP) (rys. 3) [15].
Moment tarcia [Nm]
WPROWADZENIE
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Czas [s]
Rys. 2. Przebieg momentu tarcia w warunkach ciągłego wzrostu
obciążenia dla skojarzeń stal-stal i stal-powłoka (aparat czterokulowy), smarowanych wzorcowym olejem mineralnym [14]
Fig. 2. The results of friction torque obtained for steel-steel and steelcoating friction joints, lubricated with reference mineral oil [14]
Nr 6/2014 ___________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ________________________ 519
Badania przeprowadzono z wykorzystaniem aparatu czterokulowego posiadającego toczny węzeł tarcia (rys. 4), składający się
z 3 kulek stalowych toczących się w specjalnej bieżni i napędzanych obracającą się próbką w postaci stożka [10].
Warunki przeprowadzenia biegów badawczych były następujące:
 obciążenie węzła tarcia 3924 N,
 naciski stykowe dla skojarzenia stożek/kule 6,41 GPa,
 prędkość obrotowa wrzeciona 1450+50 obr/min,
 obciążenie wstępne węzła tarcia 981 N,
 temperatura otoczenia 23 ± 2°C.
Wskaźnikiem trwałości badanego skojarzenia był czas pracy
smarowanego, tocznego węzła tarcia do wystąpienia pittingu. Dla
każdego skojarzenia materiałowego wykonano po 24 biegi
badawcze zakończone wystąpieniem wykruszenia zmęczeniowego
na próbce (stożku). Jako bazę odniesienia dla badanych skojarzeń
przyjęto skojarzenie z próbkami nawęglanymi. Badane skojarzenie
było smarowane czystym olejem syntetycznym bez dodatków –
PAO 8.
OBIEKTY BADAŃ
Badano próbki wykonane ze stali 17HNM, które poddano
technologii nawęglania niskociśnieniowego wspomaganego
azotowaniem PreNitLPC® [16, 17] oraz próbki nawęglone
z naniesionymi powłokami niskotarciowymi. Nawęglanie odbywało się w temperaturze 1000C a otrzymana grubość warstwy
nawęglanej próbek była zawarta w granicach 0,65÷0,70 mm.
Na nawęglone próbki naniesiono trzy rodzaje powłok
niskotarciowych. Były to powłoki nanoszone technologią PVD:
typu a-C:H:W (WC/C), powłoka typu a-C:H (DLC Comp) oraz
powłoka Si-DLC (DLC SiliComp). Za pomocą mikroanalizatora
GD-OES zidentyfikowano profile stężenia pierwiastków
w badanych powłokach. Profile stężenia pierwiastków w głąb
materiału przedstawiono na rysunkach 5÷7.
Temperatura procesu nanoszenia powłok we wszystkich przypadkach nie przekraczała 200C. Grubość powłok na powierzchniach trących próbek wynosiła 2 m.
WYNIKI
Wyniki badań powierzchniowej trwałości zmęczeniowej badanych skojarzeń materiałowych przedstawiono na rysunkach 8 i 9,
a wyliczone wartości trwałości L10 z ich wartościami granicznymi
oraz współczynnikiem rozrzutu zestawiono w tabeli 1.
Analizując otrzymane wyniki można stwierdzić, że tylko
w przypadku skojarzeń z powłoką typu a-C:H następuje obniżenie
30
Sygnał napięciowy [V]
METODYKA BADAŃ
25
Cr
20
15
10
5
C
Ni
0
0
700
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Czas analizy [s]
600
Rys. 5. Profil stężenia pierwiastków w głąb powłoki a-C:H:W
Fig. 5. Depth profile analysis of a-C:H:W coating
500
1,0
400
0,9
Sygnał napięciowy [V]
Trwałość L10 [min]
Fe
W
300
200
100
0
Rys. 3. Zestawienie powierzchniowej trwałości zmęczeniowej L10 węzła
tarcia smarowanego olejem mineralnym RL 144 i jego kompozycjami
z dodatkiem AW (RL+AW) i EP (RL+EP)
Fig. 3. The results of L10 fatigue life of tested friction joints, lubricated
with RL 144 mineral oil and its compositions with AW (RL + AW) and
EP (RL + EP) additives
a)
Fe/4
0,8
0,7
0,6
0,5
Cr
0,4
0,3
W
C
0,2
Ti
0,1
0,0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Czas analizy [s]
Rys. 6. Profil stężenia pierwiastków w głąb powłoki a-C:H
Fig. 6. Depth profile analysis of a-C:H coating
1,0
b)
Fe/4
0,9
1 – próbka
stożkowa,
2 – kulki
dolne,
3 –bieżnia
Rys. 4. Zmodernizowany węzeł tarcia aparatu T-03 do badania
zużycia zmęczeniowego materiałów stosowanych na wysokoobciążone
elementy toczne: a) schemat, b) fotografia
Fig. 4. The cone – three balls friction joint of T-03 test rig intended for
fatigue wear investigation of heavily loaded rolling elements: a) scheme,
b) a photograph
Sygnał napięciowy [V]
0,8
0,7
0,6
0,5
Cr
0,4
0,3
W
C
0,2
0,1
Ti
Si
0,0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Czas analizy [s]
Rys. 7. Profil stężenia pierwiastków w głąb powłoki Si-DLC
Fig. 7. Depth profile analysis of Si-DLC coating
520 ________________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A __________________ ROK XXXV
Materiał
próbki
17 HNM
45,02
43,06
41,23
38,36
L10, min
W = L90/L10
17HNM+
a-C:H:W
27,44
26,36
25,29
8,60
17HMN+
a-C:H
45,36
43,34
41,38
17,67
17HNM+
Si-DLC
204,07
197,16
191,13
24,22
Prawdopodobieństwo
wystąpienia pittingu
55
50
45
40
35
30
100%
17HNM
90%
a-C:H:W
a-C:H
Si-DLC
Rys. 10. Wyniki badań twardości próbek
Fig. 10. The results of HRC hardness
80%
70%
60%
50%
40%
17HNM
30%
a-C:H:W
20%
a-C:H
10%
Si-DLC
1
10
100
1000
Czas [min]
10000
odmienne jest zachowanie próbek z powłoką Si-DLC. Pomimo że
twardość tych próbek jest mniejsza niż stali 17HNM nawęglanej
o 2 stopnie HRC, to odporność na pitting wzrosła ponad
czterokrotnie. Wymaga to głębszych badań, aby wyjaśnić powody
tak znacznej, pozytywnej zmiany trwałości.
PODSUMOWANIE
0%
100000
Rys. 8. Wyniki badań powierzchniowej trwałości zmęczeniowej
badanych elementów w skojarzeniu z kulkami stalowymi ze stali
100Cr6 smarowanymi olejem syntetycznym PAO 8
Fig. 8. The results of surface fatigue life of friction joint consisting of
investigated cones rolling on 100Cr6 steel balls, lubricated with PAO 8
synthetic oil
225
200
Trwałość L10 [min]
60
Twardość HRC
Tabela 1. Zestawienie powierzchniowej trwałości L10 i współczynnika
rozrzutu W dla badanych skojarzeń
Tabela 1. The combination of L10 fatigue life and coefficient of
dispersion for the investigated friction joints
175
150
125
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że cienkie,
powłoki PVD nanoszone na wysokoobciążone stalowe elementy
węzłów tarcia, znacząco i w zróżnicowany sposób wpływają na
pitting. Konieczne jest zatem oprócz badań trwałościowych
prowadzenie szeroko zakrojonych badań, mających na celu
wyjaśnienie tak odmiennych zachowań elementów pracujących
w smarowanym styku skoncentrowanym.
Należy zaznaczyć, że przeprowadzone badania potwierdziły
zaobserwowaną wcześniej przez autorów konieczność utrzymania
twardości warstw powierzchniowych elementów pokrytych
powłokami niskotarciowymi w bardzo wąskim zakresie wartości,
co wymaga zachowania ścisłych reżimów technologicznych
przygotowania podłoża i nakładania powłoki.
PODZIĘKOWANIE
100
Praca naukowa wykonana w ramach programu strategicznego
„Innowacyjne Systemy Wsparcia Technicznego na rzecz Zrównoważonego Rozwoju Gospodarki” w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Nr POIG.01.01.02-14-034/09-00.
75
50
25
0
17HNM
a-C:H:W
a-C:H
Si-DLC
Rys. 9. Powierzchniowa trwałość zmęczeniowa L10 badanych
elementów w skojarzeniu z kulkami stalowymi ze stali 100Cr6
smarowanymi olejem syntetycznym PAO 8
Fig. 9. The L10 surface fatigue life for investigated elements in
combination with 100Cr6 steel balls, lubricated with PAO 8 synthetic oil
powierzchniowej trwałości zmęczeniowej w odniesieniu do
skojarzenia, w którym próbka była tylko nawęglana. Odporność na
pitting wyrażona trwałością L10 skojarzenia z powłoką a-C:H
(DLC Comp) nie zmienia się w odniesieniu do stali 17 HNM
nawęglonej próżniowo. Bardzo istotny, bo ponad czterokrotny
wzrost trwałości L10 odnotowano dla skojarzenia, w którym
nawęglona próbka była pokryta powłoką typu Si-DLC.
Przy tak znaczących różnicach w powierzchniowej trwałości
zmęczeniowej badanych skojarzeń materiałowych nasuwa się przypuszczenie, że mogą być wynikiem różnic w twardości próbek, na
którą mają wpływ procesy technologiczne konstytuowania ich
warstw powierzchniowych [18]. Z tego względu przeprowadzono
pomiary twardości próbek, których wyniki zestawiono
na rysunku 10.
Analizując wyniki trwałości L10 w odniesieniu do twardości
próbek, można stwierdzić, że są zgodne z wynikami badań
zaobserwowanymi dla próbek stalowych o różnej twardości, jak
jest to opisane w monografii [15]. Dotyczy to jednak próbek
nawęglonych z powłokami a-C:H:W oraz a-C:H. Zdecydowanie
LITERATURA
[1] Napadłek W., Przetakiewicz W., Bogdanowicz Z.: Rozwój pęknięć
zmęczeniowych w stali 40H hartowanej laserowo. Inżynieria Materiałowa
5 (2002) 557÷562.
[2] Wołowiec E., Kula P.: Practical application of artificial neural networks
in designing parameters of steel heat treatment processes. LNCS 7267
(2012) 196÷203. Springer.
[3] Kula P., Wołowiec E., Pietrasik R., Dybowski K., Januszewicz B.: Non-steady state approach to the vacuum nitriding for tools. Vacuum 88 (2013) 1÷7.
[4] Holmberg K., Matthews A.: Coating tribology. Elsevier. Amsterdam
(1994).
[5] Podgornik B.: Coated machine elements-fiction or reality? Surface and
Coatings Technology 146-147 (2001) 318÷322.
[6] Michalczewski R., Szczerek M., Tuszyński W.: Badanie powłok PVD
w warunkach zacierania. Materiały VI Ogólnopolskiej Konferencji
Naukowo-Technicznej POLTRIB’2001. Tribologia dla eksploatacji.
Kazimierz Dolny (2001) 75÷84.
[7] Navinsek B., Panjan P., Milosev I.: Industrial applications of CrN (PVD)
coatings, deposited at high and low temperatures. Surface and Coating
Technology 97 (1997) 182÷191.
[8] Walkowicz J., Smolik J., Miernik K., Bujak J.: Duplex surface treatments
of moulds for pressure casting of aluminium. Surface and Coating
Technology 97 (1997) 453÷464.
[9] Hedenqvist P., Hansson G.: PVD-coating of machine components. Proc.
8th International Conference in Tribology NORDTRIB ’98, Ebeltoft
(Dania) 7-10 czerwiec (1998) 943÷948.
[10] Kalin M., Vižintin J.: The tribological performance of DLC-coated gears
lubricated with biodegradable oil in various pinion/gear material
combinations. Wear 259 (2005) 1270÷1280.
Nr 1/2014 ___________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ________________________ 521
[11]
Michalczewski R., Piekoszewski W.: The method for assessment of
rolling contact fatigue of pvd/cvd coated elements in lubricated contacts.
Tribologia, Finnish Journal of Tribology 25 (2006) 34÷42.
[12] Piekoszewski W.: Wpływ na powierzchniową trwałość zmęczeniową
wybranych materiałów i technologii konstytuowania warstw powierzchniowych elementów węzła tocznego. Tribologia 225 (3) (2009) 185÷196.
[13] Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszynski W.: The
lubricant-coating interaction in rolling and sliding contacts. Tribology
International 42 (2009) 554÷560.
[14] Piekoszewski W. red.: Badania tribologiczne niekonwencjonalnych
skojarzeń materiałowych. Sprawozdanie z prac n-b ITeE, Radom (2005).
[15]
Piekoszewski W.: Wpływ powłok na zmęczenie powierzchniowe smarowanych stalowych węzłów tarcia. WN ITeE-PIB, Radom (2011).
[16]
Kula P., Pietrasik R., Dybowski K., Paweta S., Wołowiec E.: Properties of
surface layers processed by a new, high-temperature vacuum carburizing
technology with prenitriding – PreNitLPC. Advanced Materials Research
452-453 (2012) 401÷406
[17] Korecki M., Olejnik J., Kula P., Pietrasik R., Wołowiec E.: Hornos de
vacio LPC+LPN+HPGQ 25 BAR N2/HE. Tratamientos Termicos, Abril
(2011) 17÷21.
[18] Michalak M., Piekoszewski W., Wulczyński J., Szczerek M.: Wpływ
twardości podłoża na pitting elementów z powłokami PVD. Inżynieria
Materiałowa 6 (196) (2013) 756÷759.
522 ________________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A __________________ ROK XXXV