BADANIA MODELOWE ODPORNOŒCI NA ZU YWANIE ŒCIERNE WYBRANYCH GATUNKÓW STALIW

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 261 Piotr SADOWSKI BADANIA MODELOWE ODPORNOŒCI NA ZU YWANIE ŒCIERNE WYBRANYCH GATUNKÓW STALIW MODEL RESEARCH OF THE RESISTANCE TO ABRASIVE WEAR OF THE CHOSEN KINDS OF CAST STEEL S³owa kluczowe: Odpornoœæ na zu ywanie, badania modelowe, zmodyfikowany tester, nowe staliwa Keywords: Resistance to wear, model research, modified tester, new cast steel Streszczenie W pracy zaproponowano metodykê badania odpornoœci na zu ywanie œcierne metali za pomoc¹ specjalnie przystosowanego testera T-01M. Opisano badania modelowe tarcia i zu ywania grupy trzech nowych staliw opracowanych w Politechnice Radomskiej. Ustalono ich odpornoœæ na zu ywanie, podaj¹c jej interpretacjê energetyczn¹.

2 262 T R I B O L O G I A WPROWADZENIE W Instytucie Budowy Maszyn Politechniki Radomskiej od wielu lat prowadzone s¹ prace nad struktur¹ wewnêtrzn¹ konstrukcji. Pod tym pojêciem rozumie siê najszerzej ujête cechy tworzywa konstrukcyjnego. W szczególnoœci zosta³y rozwiniête badania staliw, maj¹ce na celu optymalizacjê ich w³asnoœci mechanicznych i eksploatacyjnych ze wzglêdu na sk³ad i strukturê materia³u. Du e znaczenie techniczne ma tu odpornoœæ materia- ³u na zu ywanie œcierne, zw³aszcza przewidzianego do pracy oœrodku o cechach œcierniwa (piach, ska³y). Zagadnienie oceny odpornoœci na zu ywanie tribologiczne jest równie przedmiotem wieloletnich analiz teoretycznych i eksperymentalnych prowadzonych w Zak³adzie Podstaw konstrukcji Maszyn i Tribologii. Zosta³a tu opracowana oryginalna termodynamiczna interpretacja tarcia i towarzysz¹cych mu procesów [1]. Wnioski wyprowadzone z tej interpretacji maj¹ ogólne znaczenie i stanowi¹ podstawê energetycznej oceny odpornoœci na zu ywanie. W niniejszym opracowaniu przyjêto za cel zbadanie odpornoœci na zu ywanie œcierne grupy specjalnie skonstruowanych staliw [2] z uwzglêdnieniem energetycznych mierników tej odpornoœci. Zakres prac obejmuje: Zaprojektowanie i wykonanie zmodyfikowanej g³owicy badawczej testera T0-1M, przystosowanej do badania zu ycia œciernego metali i bie ¹cego rejestrowania oporów i pracy tarcia. Skalowanie uk³adów pomiarowo-rejestruj¹cych zmodyfikowanego testera. Badania tarcia i zu ywania odpowiednio wykonanych próbek trzech stali i wzorca elaza armco. Ocena odpornoœci na zu ywanie œcierne i interpretacja otrzymanych wyników badañ. OKREŒLENIE I MIARY ODPORNOŒCI NA ZU YWANIE Odpornoœci¹ na zu ywanie tribologiczne nazywa siê zdolnoœæ materia³u do przeciwstawiania siê zu ywaniu w okreœlonych warunkach tarcia. Za miarê odpornoœci na zu ywanie tribologiczne przyjmuje siê odwrotnoœæ wartoœci zu ycia Z lub odwrotnoœæ intensywnoœci zu ywania J [L. 3]. Wartoœæ zu ycia wyra a siê ubytkiem masy lub wymiaru liniowego próbki, natomiast stosunek tego zu ycia do drogi tarcia jest intensywnoœci¹ zu y-

3 T R I B O L O G I A 263 cia (wagowego, liniowego). W pierwszym przypadku okreœla siê œredni¹ odpornoœæ J œr nastêpuj¹co: 1 J œr = Z w drugim przypadku chwilow¹ wartoœæ odpornoœci na zu ywanie tribologiczne J: J = J 1 Zale nie od przyjêtej miary zu ycia lub intensywnoœci zu ywania mog¹ wyst¹piæ ró ne miana odpornoœci na zu ywanie. Badania zu ycia s¹ czêsto badaniami porównawczymi. W badaniach takich wyznacza siê, w identycznych warunkach tarcia, intensywnoœæ zu ywania lub odpornoœæ na zu ywanie badanych materia³ów i jakiegoœ materia³u przyjêtego jako wzorzec. W wyniku badañ wyznacza siê wzglêdn¹ odpornoœæ na zu ywanie J wz [L. 4]: J wz = gdzie J œrw jest œredni¹ odpornoœci¹ na zu ywanie materia³u wzorca. Problem mian nie wystêpuje w przypadku wprowadzenia wzglêdnej odpornoœci na zu ywanie. Znaczenie wzglêdnej odpornoœci na zu ywanie jest szczególnie istotne wówczas, gdy analizuje siê œcieranie metali o materia³y twarde (np. ska³y, piasek, tarcza œcierna), których zu ycia siê nie ocenia. Oprócz omówionych powy ej, stosowane s¹ równie energetyczne miary odpornoœci na zu ywanie tribologiczne. Uwzglêdniaj¹ one zarówno wartoœæ zu ycia, jak i wartoœæ pracy tarcia, która zu ycie to spowodowa³a. Wielkoœci¹ fizyczn¹, któr¹ proponuje siê w niniejszym referacie stosowaæ przy ocenie odpornoœci na zu ywanie, jest praca w³aœciwa zu ycia e. R Okreœla siê j¹ stosunkiem pracy tarcia A t1-2 i masy zu ytego materia³u m systemu tribologicznego, za który przyjmuje siê uk³ad dwóch tr¹cych siê cia³ sta³ych [L. 1]: e R = Pracê w³aœciw¹ zu ycia wyra a siê w d ulach na gram, pracê tarcia w d ulach, a ubytek masy systemu w gramach. J J A t1-2 m œr œrw (1) (2) (3) (4)

4 264 T R I B O L O G I A Praca w³aœciwa zu ycia przypomina niektóre wielkoœci fizyczne takie, jak np. ciep³o parowania [J/g], lub ciep³o sublimacji [J/g], które s¹ miarami energii (si³y) wi¹zañ molekularnych w cieczach i cia³ach sta³ych. W ka dym przypadku mamy tu do czynienia z wielkoœciami w³aœciwymi (podobne cechy maj¹ równie gêstoœci energii, gdzie zdyssypowana energia podczas tarcia jest odnoszona do objêtoœci zu ytego materia³u). Ogólna postaæ zale noœci okreœlaj¹cej pracê w³aœciw¹ zu ycia na podstawie równania pierwszej zasady termodynamiki fenomenologicznej dla systemów otwartych jest nastêpuj¹ca [1]: e R i = U Q 1- - A A t t1-2 (5) gdzie: Q 1-2 energia oddana do otoczenia na sposób ciep³a [J];?U zmiana energii wewnêtrznej systemu [J]; i œrednia entalpia w³aœciwa produktów zu ycia (miêdzy pocz¹tkiem i koñcem procesu) charakteryzuj¹ca mechanizm zu ywania tribologicznego [J/g]; indeks 1-2 symbolizuje zmianê stanu systemu miêdzy pocz¹tkiem i koñcem procesu tarcia. Analiza tego wzoru ujawnia z³o onoœæ pojêcia odpornoœæ na zu ywanie. Przede wszystkim nie mo na go przedstawiaæ jako cechy materia- ³u. Jest to funkcja mechanizmu zu ywania iloœciowo scharakteryzowanego przez entalpiê w³aœciw¹ produktów zu ycia i, pracy tarcia A t1-2, zmiany energii wewnêtrznej systemu DU i ciep³a Q 1-2. Ze wzoru (5) wynika tak e wniosek, e zachowanie identycznoœci procesów towarzysz¹cych tarciu jest mo liwe przy zachowaniu tych samych zmian DU, Q 1-2 oraz mechanizmu zu ywania i w ka dym eksperymencie, co jest praktycznie bardzo trudne. Wyra enie okreœlaj¹ce pracê w³aœciw¹ zu ycia (5) upraszcza siê, je eli w systemie tribologicznym zachodz¹ procesy stacjonarne i przyjmuje postaæ nastêpuj¹c¹ [L. 1]: i e R = = 1- Q A 1 a + b Θ gdzie: Q strumieñ cieplny p³yn¹cy od systemu do otoczenia [W]; A moc tarcia [W]; a [g/j] i b [g/j K] sta³e systemu tribologicznego;? temperatura styku ciernego [K]. (6)

5 T R I B O L O G I A 265 Wzór (6) informuje, e o wytrzyma³oœci powierzchniowej przy ustabilizowanym tarciu decyduje struktura systemu tribologicznego (sta³e a i b) oraz jego stan termodynamiczny temperatura Θ. Nie graj¹ tu roli parametry mechaniczne tarcia nacisk i prêdkoœæ œlizgania. Wynika st¹d, e temperatura jest niezale nym parametrem tarcia i powinna byæ w trakcie badañ zadawana i stabilizowana. Nale y tu zaznaczyæ, e równie entalpia w³aœciwa produktów zu ycia i ma podobne znaczenie fizyczne jak praca w³aœciwa zu ycia jest mianowicie gêstoœci¹ energii. Mo e byæ wiêc tak e przyjêta za miarê odpornoœci na zu ywanie. Aspekt praktyczny badañ tribologicznych nakazuje jednak zrezygnowanie ze stosowania tej miary. Istnieje bowiem du a trudnoœæ towarzysz¹ca wyznaczaniu wartoœci tej wielkoœci. Konieczne s¹ tutaj badania kalorymetryczne procesu tarcia, ograniczone do przypadku tarcia i zu ywania ustabilizowanego. W tej sytuacji praca w³aœciwa zu ycia jako wielkoœæ ³atwo daj¹ca siê wyznaczyæ eksperymentalnie i maj¹c¹ jasn¹ interpretacjê fizyczn¹ jest godn¹ polecenia miar¹ odpornoœci na zu ywanie. W niniejszej pracy zanalizowana bêdzie odpornoœæ na zu ywanie tribologiczne wybranych materia³ów na podstawie definicji okreœlonych wzorami: (1), (3) i (4). BADANIA ODPORNOŒCI NA ZU YWANIE TRIBOLOGICZNE W celu zbadania wp³ywu sk³adu chemicznego i twardoœci materia³u na jego odpornoœæ na zu ywanie œcierne nale y zapewniæ takie parametry i warunki tarcia, przy których zarówno pierwotna struktura i w³asnoœci mechaniczne nie bêd¹ zmieniaæ siê. Tym samym musz¹ byæ wykluczone, jako dominuj¹ce, mechanizmy zu ywania utleniaj¹cego i adhezyjnego (I i II rodzaju). Mo na to osi¹gn¹æ przyjmuj¹c skojarzenie typu tarcza trzpieñ, gdzie tarcz¹ jest œciernica trzpieniem natomiast cylindryczna próbka badanego materia³u. Tarcza œcierna umo liwia odtwarzanie siê stanu jej powierzchni w miarê wykruszania ziaren œcierniwa podczas badañ. Ponadto materia³ œcierny dobrze modeluje w³asnoœci gleby (piasek, kamienie), w k- tórej pracuj¹ narzêdzia metalowe. Tester T0-1M z g³owic¹ badawcz¹ typu trzpieñ-tarcza umo liwia ³atwe ustalenie: nacisku, prêdkoœci poœlizgu i drogi (czasu) tarcia. Jednoczeœnie mierzone s¹ i rejestrowane: zmiany si³y tarcia w czasie oraz bie ¹ca temperatura otoczenia (ok. 20oC). Wilgotnoœæ powietrza w pomieszczeniu laboratoryjnym wynosi³a 50%. Ubytki masy trzpienia (pomiar ró nicowy)

6 266 T R I B O L O G I A ustalano na wadze elektronicznej o dok³adnoœci ± 0,01mg. W celu zrealizowania œciernego mechanizmu zu ywania badanego materia³u przyjêto nastêpuj¹ce wartoœci parametrów tarcia: obci¹ enie normalne 9,81 N, prêdkoœæ poœlizgu 0,2 m/s, droga tarcia 180m. Wartoœci te zapewnia³y mierzalne zu ycie próbki w stosunkowo krótkim czasie. W celu przystosowania g³owicy testera T0-1M do prowadzenia badañ zu ycia œciernego zamontowano na jego stoliku obrotowym tarczê œciern¹ o wymiarach φ79/φ20 10 oznaczon¹ symbolem: 95A54N6B (elektrokorund zwyk³y 95A, ziarno 54 od 355 do 300 µm, twardoœæ - N, struktura 6, spoiwo ywiczne sztuczne B). Próbka œcieranego materia³u mia³a postaæ cylindra o œrednicy 5 mm i wysokoœci 40 mm. Badano trzy staliwa stopowe, których sk³ad i twardoœæ podano w tabeli 1 oraz rafinowane elazo armco o twardoœci 115 HB jako wzorzec. Rafinacja polega³a na przetopieniu elaza armco w piecu pró niowym. Tab. 1. Sk³ad chemiczny i twardoœæ materia³u próbek [2] Tab. 1. Chemical composition and hardness of samples material [2] Nr C Mn Cr Mo Cu Ni Si V HRC próbki % % % % % % % % 1 0,49 0,43 12,15 0,57 0,5 0,96 0,49 0, ,45 0,44 9,14 0,6 0,58 7,0 0, ,5-3,07 0,39 1,49 0,54-0,3 53 Na Rysunku 1 pokazano widok ogólny zmodyfikowanego testera T-01M. W stosunku do orygina³u oprócz przebudowanej g³owicy badawczej zmieniono po³o enie czujnika si³y tarcia. Czujnik zosta³ przesuniêty w kierunku osi obrotu dÿwigni s³u ¹cej do pomiaru si³y tarcia. W ten sposób zwiêkszono trzykrotnie prze³o enie w uk³adzie pomiaru si³y tarcia i ustalono punkt pracy czujnika w zakresie, gdzie jego charakterystyka jest liniowa. Nastêpnie dokonano skalowania zmodyfikowanego uk³adu pomiarowego si³y tarcia [L. 5]. Badania tarcia, zu ywania oraz odpornoœci na zu ywanie œcierne przeprowadzono na zmodyfikowanym testerze T-01M, przyjmuj¹c dla ka dego materia³u próbki te same parametry doœwiadczenia. Liczba doœwiadczeñ z poszczególnymi próbkami zawiera³a siê od 8 do 10. Wyniki badañ zamieszczono w Tabeli 2, gdzie uwzglêdniono tylko 6 ostatnich wyników uzyskanych w poszczególnych seriach (chodzi³o o wyeliminowanie z analiz procesu docierania próbki i œciernicy). Podczas badañ rejestrowano prze-

7 T R I B O L O G I A 267 Rys. 1. Widok zmodyfikowanego testera T-01M, przystosowanego do badania zu- ycia œciernego metali [5] Fig. 1. The modified tester T-01 M, adopted to abrasive wear of metal research [5] Tab. 2. Wyniki badañ odpornoœci na zu ywanie tribologiczne Tab. 2. Research of the resistance to tribological wear results L.p. Odpornoœæ J œr1 [1/mg] Praca w³aœciwa e R1 [kj/g] Odpornoœæ J œr2 [1/mg] Praca w³aœciwa e R2 [kj/g] Odpornoœæ J œr3 [1/mg] Praca w³aœciwa e R3 [kj/g] Odpornoœæ J œrw [1/mg] Praca w³aœciwa e Rw [kj/g] Próbka 1 Próbka 2 Próbka 3 Próbka elazo-armco 1 0, ,5380, ,1390 0, ,478 0, , , ,193 0, ,307 0, ,494 0, , , ,877 0, ,450 0, ,060 0, , , ,875 0, ,425 0, ,927 0, , , ,480 0, ,526 0, ,414 0, , , ,9010 0, ,576 0, ,790 0, ,417 Miary statystyczne Œrednia 0, ,3107 0, ,9038 0, ,6938 0, ,4845 Odchylenie standardowe Poziom ufnoœci (95,0%) 0, , , , , , , , , , , , , , , , bieg si³y tarcia w czasie. By³ on podstaw¹ oceny pracy tarcia. Wyznaczona praca tarcia i wartoœci zu ycia tribologicznego próbek pos³u y³y do opracowania wielkoœci statystycznych, charakteryzuj¹cych odpornoœæ na zu- ywanie za pomoc¹ programu Ecel.

8 268 T R I B O L O G I A PODSUMOWANIE I WNIOSKI W Tabeli 2 zestawiono wyniki uzyskane w poszczególnych seriach badañ odpornoœci na zu ywanie œcierne oraz miary statystyczne. Ustalono odpornoœci na zu ywanie J œr poszczególnych materia³ów oraz ich prace w³aœciwe zu ycia e Na tej podstawie mo na oceniæ wzglêdn¹ odpornoœæ na R zu ywanie poszczególnych materia³ów u ytych na próbki. Przyjmuj¹c jako materia³ bazowy ten, który wykaza³ najmniejsz¹ odpornoœæ, czyli elazo armco, mo na wyznaczyæ nastêpuj¹ce odpornoœci wzglêdne na zu ywanie: Przez analogiê do odpornoœci wzglêdnej J wz mo na wprowadziæ odpowiednie stosunki prac w³aœciwych zu ycia i ustaliæ wartoœci wzglêdnej odpornoœci na zu ywanie e wz. Dla przypadku przeprowadzonych badañ s¹ to nastêpuj¹ce wartoœci: Odniesienie otrzymanych rezultatów do wybranych, podstawowych w³asnoœci fizycznych materia³u bazowego u ytych próbek elaza jest mo liwe dziêki energetycznej interpretacji odpornoœci na zu ywanie za pomoc¹ pracy w³aœciwej e. Zauwa amy mianowicie, e ciep³o parowania elaza r Fe R = 6,364 kj/g. Jest to wartoœæ zbli ona do pracy w³aœciwej zu ycia elaza armco e Rw, która wynios³a 6,4845 kj/g. Mo na zatem rozwa yæ przyjêcie tej wartoœci jako wzorcowej w badaniach wzglêdnej odpornoœci stali na zu ywanie tribologiczne zinterpretowanej energetycznie. Mo na równie wyra aæ pracê w³aœciw¹ zu ycia œciernego stali jako funkcjê ciep³a parowania elaza. W przypadku uzyskanych wyników badañ w niniejszej pracy s¹ to nastêpuj¹ce zale noœci: 17,269 r Fe ; e R3 = 33,107 r Fe ; e Rw =1,019 r Fe. e = 17,334 r Fe ; e = Uzyskane rezultaty badañ przedstawione w niniejszym opracowaniu pozwalaj¹ stwierdziæ, co nastêpuje: R1 R2

9 T R I B O L O G I A 269 Tester T-01M mo na, po odpowiedniej modyfikacji, przystosowaæ do badañ zu ywania œciernego materia³ów, tym samym poszerzyæ zakres jego wykorzystania. Wzglêdna odpornoœæ na zu ywanie tribologiczne wyra ona jako stosunek odwrotnoœci wartoœci zu ycia ró ni siê istotnie od wzglêdnej odpornoœci na zu ywanie wyra onej stosunkiem prac w³aœciwych zu- ycia. Sk³ad chemiczny staliwa jest czynnikiem warunkuj¹cym odpornoœæ na zu ywanie tribologiczne, przy czym jego twardoœæ nie œwiadczy jednoznacznie o tej odpornoœci. Wyra enie odpornoœci na zu ywanie stali i elaza armco za pomoc¹ pracy w³aœciwej zu ycia daje podstawy do powi¹zania jej z ciep³em parowania elaza. Praca w³aœciwa zu ycia, jako energetyczna miara odpornoœci na zu- ywanie, uwzglêdniaj¹ca obok zu ycia równie nak³ad energii powoduj¹cy je, powinna byæ przedmiotem dalszych analiz i interpretacji. Ocena tej odpornoœci powinna byæ odnoszona wzglêdem podstawowych struktur uk³adu elazo wêgiel: ferrytu, perlitu i cementytu. LITERATURA 1. Sadowski, J.: Osobliwoœci procesów termodynamicznych towarzysz¹cych tarciu metali. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej 2001, Radom. 2. Wojtkun F.: Staliwo odporne na œcieranie, zw³aszcza w podwy szonych temperaturach. Œwiadectwo Autorskie Nr UP RP z dn. 25 listopada Lawrowski Z.: Tribologia. Warszawa, PWN Solski P., Ziemba S.: Zagadnienia zu ycia elementów maszyn spowodowanego tarciem. Warszawa, PWN Sadowski P.: Badania odpornoœci na zu ywanie œcierne wybranych gatunków staliw. Sprawozdanie z badañ w³asnych; IBM, Politechnika Radomska 2002 r. Recenzent: Marian SZCZEREK

10 270 T R I B O L O G I A Summary The paper presents the method of a resistance to wear investigation with the use of specially adopted tester T-01 M. The model research of friction and wear of three new cast steel, which were elaborated in Radom Technical University, are described. Theirs resistances to wear were evaluated. The energetic interpretation of resistance is presented.