Wpływ dodatku azotku boru na wybrane charakterystyki tribologiczne spieków Cu-W-BN α

Transkrypt

1 Adam Jackowski, Katarzyna Sarzyńska Wpływ dodatku azotku boru na wybrane charakterystyki tribologiczne spieków Cu-W- wprowadzenie Spieki miedź-wolfram (Cu-W) są kompozytami z osnową miedzianą, w której są rozmieszczone cząstki wolframu Są one stosowane w różnych dziedzinach techniki, na przykład w elektrotechnice na radiatory, wysokonapięciowe styki elektryczne, elektrody do spawania itd [] Najważniejsze zastosowania są oparte na wykorzystaniu różnych kombinacji specyficznych właściwości kompozytów, np: małej wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej, dobrej odporności wolframu na działanie łuku elektrycznego, jak i dużej przewodności elektrycznej i cieplnej miedzi [ ] Kompozyty Cu-W mają różne zastosowanie w zależności od zawartości miedzi Ze względu na dobrą przewodność cieplną oraz małą wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej (porównywalny do ceramiki) kompozyty o zawartości miedzi są odpowiednie do zastosowania na obudowy zespołów elektronicznych Natomiast spieki Cu-W o zawartości miedzi powyżej mogą być wykorzystane na styki elektryczne, ale także w technice wojskowej na wkładki kumulacyjne, pociski nie zawierające ołowiu itp [] Kompozyty zawierające proszek wolframu charakteryzują się małą prasowalnością, dlatego uzyskanie spieków o małej porowatości wymaga zastosowania technologii infiltracji miedzią porowatego szkieletu ze spiekanego wolframu Tą metodą można wytworzyć kompozyty o zawartości miedzi powyżej [] Prowadzi się badania nad innymi sposobami uzyskiwania spieków o małej porowatości, na przykład przez zastosowanie proszków wyjściowych o małych wymiarach ziaren uzyskiwanych w procesach mechanicznego stopowania (mechanical alloying) [6 ], redukcji tlenków i spiekania reaktywnego (self propagation high temperature synthesis) [6, 8, ], klasycznych dla metalurgii proszków metod rozdrabniania [7] oraz ich połączeń [ 6] W zastosowaniu spiekanych kompozytów Cu-W na bezołowiowe pociski amunicji strzeleckiej należy zwrócić uwagę na konieczność wytworzenia spiekanego kompozytu o właściwościach wytrzymałościowych spełniających wymagania balistyczne oraz na jego odpowiednie właściwości tribologiczne zapewniające wymaganą żywotność lufy W pierwszym przypadku o spełnieniu warunków wytrzymałościowych będzie decydowała gęstość spieków, a w drugim odpowiednie właściwości tribologiczne, na przykład wartość współczynnika tarcia Badania tribologiczne zrealizowano na próbkach wykonywanych z trójskładnikowych kompozytów metalo-ceramicznych z osnowę miedzianą (Cu) i fazą dyspersyjną w postaci proszku wolframowego (W) i azotku boru ( ) Wyniki badań spiekanych kompozytów przeznaczonych na pierścienie wiodące są prezentowane w pracy [] Uzasadnieniem zastosowania w kompozytach może być to, że jest on stosowany jako smar stały, obojętny chemicznie w wysokiej temperaturze [7 8] Celem pracy było zbadanie wpływu zawartości w spiekanych kompozytach Cu-W- na ich wybrane właściwości tribologiczne Dr hab inż Adam Jackowski, mgr inż Katarzyna Sarzyńska (ksarzynska@wat edupl) Zakład Wspomagania, Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa Metodyka badań W badaniach stosowano: proszek miedzi gatunku ECu/,, rozkład granulometryczny: D =,8 µm, D = µm, D 9 = 9, µm, proszek wolframu, rozkład granulometryczny: D =, µm, D =,8 µm, D 9 = 8, µm, proszek grafitopodobnego azotku boru, rozkład granulometryczny: D =,8 µm, D =, µm, D 9 =,9 µm Badaniom poddano trójskładnikowe spiekane kompozyty Cu-W- o zawartości fazy ceramicznej odpowiednio:,; ;,; i oraz różnym udziale masowym miedzi i wolframu przedstawionym w tabeli Udział poszczególnych składników wyznaczono dla dwóch wartości gęstości teoretycznej równych 9 i g/cm Próbki wykonano, formując wypraski pod ciśnieniem MPa Wypraski spiekano w atmosferze zdysocjowanego amoniaku w temperaturze 9 C Skład chemiczny oraz gęstość teoretyczną spieków zestawiono w tabeli Badania tribologiczne przeprowadzono na stanowisku badawczym firmy Steyr Meβtechnik Widok stanowiska do badań tribologicznych zamieszczono na rysunku Urządzenie to umożliwia wykonywanie badań w układzie pręt-tarcza, gdzie próbka ma postać walca, a przeciwpróbką jest obracająca się tarcza Możliwa jest konfiguracja stanowiska w układzie jak na schemacie z rysunku Blok pomiarowy składa się z zespołu napędowego oraz zespołu karetki (rys ) Zespół napędowy nadaje ruch obrotowy tarczy osadzonej na wrzecionie połączonym przekładnią pasową z elektrycznym silnikiem prądu stałego Ponadto z wrzecionem urządzenia jest sprzężony układ do pomiaru bieżącej wartości momentu tarcia Zespół napędowy jest połączony z modułem sterującym, który zapewnia pomiar i stabilizację szybkości obrotowej wrzeciona i/lub momentu napędowego Podczas próby sterownik urządzenia umożliwia dwa tryby pracy: ze stabilizacją szybkości obrotowej lub stałym momentem obrotowym Tabela Gęstość teoretyczna i rzeczywista spieków Cu-W- o różnej zawartości i wolframu Table The chemical composition, theoretical and real density of tested sinters Cu-W- Gęstość teoretyczna próbek g/cm 9 Gęstość rzeczywista próbek g/cm W Średnia porowatość 7,7,,9,77 7,,,76 8,6 7,7,,, 7,7, 9,6, 7,8,,88,9 8,,,,7 7,87,,8 7, 7,, 8,,87 6 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

2 Rys Stanowisko do badań tribologicznych: blok pomiarowy, blok sterujący Fig Stand for tribological research: measuring block, control block stałej wartości siły dociskającej podczas całego cyklu pomiarowego Próbki do badań miały kształt walca o średnicy ok mm i długości mm Badania próbek o różnym udziale składników w kompozytach realizowano dla wartości nacisku próbek na tarczę,6 i,69 MPa Próby wykonywano w warunkach tarcia suchego Próby zużycia przez tarcie prowadzono przy stałej (stabilizowanej) prędkości obrotowej tarczy wynoszącej ± obr/min Odpowiada to średniej prędkości liniowej równej,6 m/s Tarcza była wykonana ze stali ulepszonej cieplnie do twardości HRC Powierzchnia robocza próbki miała chropowatość odpowiadającą wartości parametru Ra, µm Do pomiaru zużycia liniowego próbek zastosowano czujnik przemieszczenia o zakresie pomiarowym ± mm i dokładności pomiaru, mm Podczas próby dokonywano ciągłego pomiaru chwilowej wartości: liniowego zużycia próbek i momentu tarcia Wartość zużycia liniowego próbek rejestrowano co s, natomiast wartość momentu tarcia rejestrowano co 6 s Po każdej próbie z powierzchni tarczy usuwano ewentualne zanieczyszczenia i uszkodzenia powierzchniowe za pomocą szlifowania Wyniki badań Na podstawie otrzymanych danych sporządzono wykresy względnego zużycia liniowego próbek Z(t) w funkcji czasu, zdefiniowanego jako: Rys Schemat zastosowanej w badaniach konfiguracji pary tribologicznej Fig Scheme of configuration of the tribological pair used in the studies Rys Blok wykonawczy stanowiska badawczego: zespół napędowy, przeciwpróbka (tarcza), silnik napędowy, przesuwna podstawa z uchwytem próbek, mechanizm obciążania próbek Fig View of the executive block of the research stand: power unit, counterpart, driving motor, slide base with samples holder, mechanism of the samples loading Głównym elementem bloku wykonawczego jest przesuwna karetka, na której jest umieszczony uchwyt do próbek Dźwigniowy mechanizm zadawania siły docisku próbki umożliwia utrzymanie Z t ()= zt ( i ) ( ) zt gdzie Z(t) zużycie względne w chwili t i, z(t i ) zużycie rzeczywiste w chwili t i, z(t max ) maksymalna wartość zużycia po czasie t max Na rysunkach 7 przedstawiono charakterystyki zużycia względnego kompozytów Cu-W- W przebiegach krzywych zużycia badanych materiałów można wyróżnić trzy charakterystyczne fazy: wstępną, w której następuje geometryczne dopasowanie do siebie powierzchni badanej próbki oraz konstytuowanie się warstwy wierzchniej na powierzchni trącej, kwaziustaloną, w której można zauważyć stałą wartość liniowej prędkości zużycia, końcową, gdy prędkość zużycia rośnie Przedstawiony przebieg zużycia oraz towarzyszące mu procesy i zjawiska są ogólnie znane i opisywane w pracach [9, ] Ponadto jest widoczny wpływ zawartości w kompozytach na prędkość liniowego zużycia próbek W przypadku próbek o największej zawartości () szybkość zużycia była największa Próbki o najmniejszej zawartości (,) zużywały się najdłużej Zjawisko to występowało odpowiednio we wszystkich badanych wariantach materiałowych Badaniom poddano próbki o różnej zawartości wolframu, biorąc pod uwagę uzyskane wyniki prób, można przyjąć, że o przebiegu zużycia kompozytów o zawartości, 9,6 W decyduje zawartość Taki wniosek można sformułować na podstawie wyników prób kompozytów o zawartości W w zakresie,9 8, mas Widoczne jest to szczególnie dla prób, w których zastosowano naciski powierzchniowe równe,69 MPa Badania zużycia prowadzono, stosując dwa warianty nacisku próbek na powierzchnię roboczą przeciwpróbki Na podstawie wykresów można stwierdzić, że szybkość zużycia we wszystkich przypadkach zależy od wartości nacisków, dla,69 MPa prędkość liniowego zużycia jest większa niż przy nacisku,6 MPa Zaprezentowane wyniki badań w postaci wykresów przedstawiających przebieg procesu zużycia w funkcji czasu umożliwiają jedynie jakościową ocenę właściwości tribologicznych badanych materiałów W pracy w celu ilościowego porównania właściwości max () NR / INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 7

3 Zużycie względne próbki,9,8,7,6,,,,, Rys Przebieg zmian zużycia liniowego próbek w funkcji czasu (nacisk jednostkowy próbek na tarczę,6 MPa, gęstość teoretyczna spieków 9 g/cm ) Fig Dependence of wear on testing time (unit pressure of the samples on disk 6 MPa, theoretical density of sinters 9 g/cm ) Zużycie względne próbki,9,8,7,6,,,,, Rys Przebieg zmian zużycia liniowego próbek w funkcji czasu (nacisk jednostkowy próbek na tarczę,69 MPa, gęstość teoretyczna spieków 9 g/cm ) Fig Dependence of wear on testing time (unit pressure of the samples on disk 69 MPa, theoretical density of sinters 9 g/cm ) kompozytów zaproponowano, aby parametrem takim był wyznaczony na podstawie badań współczynnik tarcia f Wydaje się, że znaczenie mogą mieć uboczne, zaobserwowane podczas prób, efekty cyklicznego zacierania się próbek podczas ścierania Wartość współczynnika tarcia dla zastosowanej konfiguracji próby można wyznaczyć na podstawie wzoru: M sr f = R F T () gdzie: M śr średnia wartość momentu tarcia, Ncm, R T promień tarcia równy,6 mm, f współczynnik tarcia, F siła docisku próbki do tarczy, N Podczas prób rejestrowano wartości chwilowe momentu tarcia W tabeli zestawiono ich średnie wartości Wykorzystując te wyniki, wykonano wykresy zależności wartości współczynnika tarcia f (rys 8) oraz zużycia liniowego z c (rys 9) od zawartości azotku boru w badanych materiałach Wykresy zestawiono dla przyjętych wariantów zawartości wolframu w otrzymanych spiekach i wartości nacisków próbek na tarczę przeciwpróbki Na podstawie zmian wartości współczynnika tarcia można zauważyć charakterystyczny przebieg krzywych zmniejszenie wartości współczynnika tarcia wraz ze wzrostem zawartości oraz nacisków próbek W przypadku spieków o różnej zawartości wolframu wartości współczynnika tarcia wynoszą,7 i,6 dla kompozytów o maksymalnej zawartości W odpowiednio 9,6 i 8, oraz Może to świadczyć o tym, że zawartość wolframu w przyjętych wariantach materiałowych nie ma istotnego wpływu na wartość współczynnika tarcia decyduje o tym zawartość Z otrzymanych rezultatów wynika zależność współczynników tarcia od siły docisku próbek: dla nacisków,6 MPa i,69 MPa i tych samych zawartości w kompozytach wartości współczynnika tarcia wynoszą odpowiednio,7 i, dla i 9,6 W oraz dla,6 i, dla i 8, W Podczas badań rejestrowano chwilowe wartości liniowego zużycia w funkcji czasu trwania próby Na ich podstawie wyzna- 8 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

4 Zużycie względne próbki,9,8,7,6,,,,, Rys 6 Przebieg zmian zużycia liniowego próbek w funkcji czasu (nacisk jednostkowy próbek na tarczę,6 MPa, gęstość teoretyczna spieków g/cm ) Fig 6 Dependence of wear on testing time (unit pressure of the samples on disk 6 MPa, theoretical density of sinters g/cm ),9 Zużycie względne próbki,8,7,6,,,,, Rys 7 Przebieg zmian zużycia liniowego próbek w funkcji czasu (nacisk jednostkowy próbek na tarczę,69 MPa, gęstość teoretyczna spieków g/cm ) Fig 7 Dependence of wear on testing time (unit pressure of the samples on disk 69 MPa, theoretical density of sinters g/cm ) czono wartości zużycia dla każdego z wariantów prób Do wyznaczenia tego parametru wykorzystano zależność prezentowaną w pracy []: z c z z = dnt max c mm m gdzie z c zużycie liniowe odniesione do przebytej drogi, mm/m, z max maksymalna zmierzona wartość zużycia, mm, z początkowa wartość zużycia, mm, d średnica tarcia, mm, n szybkość obrotowa przeciwpróbki, obr/min, t c całkowity czas próby, s Wartość zużycia liniowego z c (rys 9) w przypadku zastosowanego nacisku próbki na przeciwpróbkę równego,69 MPa zależy od zawartości w kompozytach oraz W i wynosi, dla zawartości równej oraz W 8, i,869 dla tej samej zawartości oraz 9,6 W () Tabela Średnia wartość momentu tarcia dla spieków Cu-W-BN o różnej zawartości Table The average value of friction torque for sintered Cu-W-BN with various content Gęstość teoretyczna g/cm p =,6 MPa M śr, Nm p =,69 MPa,79,,,69,99, 9,6,9,,6,9,,6,86,6,89,,6,88,,7,86,,,8,,79, NR / INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 9

5 Współczynnik tarcia,,,,, 9 g/cm³,6 MPa g/cm³,6 MPa 9 g/cm³,69 MPa g/cm³,69 MPa Zawartośd azotku boru [],,,, g/cm³,69mpa 9 g/cm³,69mpa g/cm³,6mpa 9 g/cm³,6mpa,,,,,,, Zawartośd azotku boru [] 6 8 Zużycie liniowe z c [mm/m] Rys 8 Porównanie wartości współczynnika tarcia dla spieków Cu-W-BN o różnej zawartości przy różnej zawartości wolframu (zawartość wolframu odpowiednio do gęstości teoretycznej 9 g/cm i g/cm ) Fig 8 Comparison of the friction coefficient of the sintered Cu-W-BN with various and tungsten content Rys 9 Zależność zużycia liniowego z c od zawartości w spiekach Cu-W- Fig 9 Dependence of linear wear z c on for used values of samples pressure on disk and theoretical density of sinters Wnioski Na podstawie wykonanych badań można sformułować następujące wnioski: wartość współczynnika tarcia zależy od zawartości azotku boru w kompozytach, wzrost jego zawartości w próbkach powoduje zmniejszenie współczynnika tarcia, wartość współczynnika tarcia zależy od siły docisku próbek do powierzchni przeciwpróbki, większa jej wartość powoduje zwiększenie oporów tarcia, dodatek wolframu wpływa na wartość współczynnika tarcia, zwiększenie jego udziału masowego w kompozycie zmniejsza wartość tego współczynnika (dla tych samych warunków próby) średnio o 8, dla nacisków,6 MPa i,6 dla nacisków,69 MPa, dla zastosowanego nacisku równego,69 MPa, wartość zużycia liniowego zależy od udziałów masowych oraz W w badanych kompozytach; większej zawartości towarzyszy wzrost zużycia z c (zmniejszenie odporności na zużycie ), natomiast zwiększenie zawartości wolframu znacząco zmniejsza jego wartość średnio o w porównaniu z czystą miedzią Przedstawione wyniki badań, ze względu ich zakres, należy traktować jako wstępne Autorzy przewidują prowadzenie dalszych badań z zastosowaniem kompozytów Cu-W- o rozszerzonym zakresie zawartości składników oraz zakresie parametrów badań tribologicznych Podziękowanie Praca była realizowana w ramach projektu badawczego rozwojowego nr PBR -/9 finansowanego przez NCBiR Literatura [] Lassner E, Schubert W D: Tungsten properties, chemistry, technology of the element Alloys and Chemical Compounds Kluwer Academic, New York (999) [] German R M, Hens K F, Johnson J L: Powder metallurgy processing of materials for microelectronic thermal management (99) [] Davis J R: Copper and copper alloys ASM Specialty Handbook () [] Cheng J, Song P, Gong Y, Cai Y, Xia Y: Fabrication and characterization of W-Cu composite powders by a novel mechano-chemical process Materials Science and Engineering A 88 (8) 7 [] Fan J, Liu T, Zhu S, Han Y: Synthesis of ultrafine/nanocrystalline W-()Cu composite powders and microstructure characteristics of the sintered alloys Int Journal of Refractory Metalsand Hard Materials () 7 [6] Kim J C, Moon I H: Sintering of nanostructured W-Cu alloys prepared by mechanical alloying Nanostructured Materials () (998) 8 9 [7] Suryanarayana C: Mechanical alloying and milling Progress in Materials Science 6 () () 8 [8] Li Y, Qu X, Zheng Z, Lei C, Zou Z, Yu S: Properties of W-Cu composite powder produced by a thermomechanical method Int J of Refractory Metals & Hard Materials () 9 6 [9] Ryu S S, Kim G S, Kim J C, Oh S T, Kim Y D: The influence of annealing temperature on the microstructural development of W-Cu composite powder prepared by high-energy ball milling J of Alloys & Compounds (6) 9 [] Kim J C, Ryu S S, Kim Y D, Moon I H: Densification behaviour of mechanically alloyed W-Cu composite powders by the double rearrangement process Scripta Materialia 9 (6) (998) [] Ryu S S, Lim J T, Kim J C, Kim Y D, Moon I H: Effect of heattreatment on the nanostructural change of W-Cu powder prepared by mechanical alloying Metals and Materials () (999) 7 78 [] Lee J S, Kim T H: Densification and microstructure of the nanocomposite W-Cu powders NanoStructured Materials 6 (99) [] Kim D G, Kim G S, Oh S T, Kim Y D: The initial stage of sintering for the W-Cu nanocompositte powder prepared from W-CuO mixture Materials Letters 8 () 78 8 [] Kim D G, Kim G S, Suk M J, Oh S T, Kim Y D: Effect of heating rate on microstructural homogeneity of sintered W- wt Cu nanocomposite fabricated from W-CuO powder mixture Scripta Materialia () [] Kim D G, Lee K W, Oh S T, Kim Y D: Preparation of W-Cu nanocomposite powder by hydrogen-reduction of ball-milled W and CuO powder mixture Materials Letters 8 () 99 [6] Cheng J, Song P, Gong Y, Cai Y, Xia Y: Preparation and characterization of W-Cu nanopowders by a homogeneous precipitation process Journal of Alloys and Compounds (6) 6 [7] Olszyna A R: E-BN Otrzymywanie i właściwości Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa (996) [8] Rowe W B, Dimitrov B, Inasaki I: Tribology of abrasive machining processes First Edition, Elsevier, USA () INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV