OCENA APARATU MILLERA DO OKREŚLANIA ODPORNOŚCI NA ŚCIERANIE STALIWA KONSTRUKCYJNEGO

Transkrypt

1 66/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN OCENA APARATU MILLERA DO OKREŚLANIA ODPORNOŚCI NA ŚCIERANIE STALIWA KONSTRUKCYJNEGO B. KALANDYK 1, J. GŁOWNIA 2 Wydział Odlewnictwa Akademii Górniczo Hutniczej im. St Staszica Kraków ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE W referacie przedstawiono możliwości zastosowania urządzenia testowego Millera do badań zużycia materiałów konstrukcyjnych w warunkach erozyjno korozyjnych staliwa stopowego na przykładzie staliwa L35GM i L35HM. Badania prowadzono po różnej obróbce cieplnej. Key words: wear resistance, low-alloyed cast steels, Miller apparatus 1. WPROWADZENIE Złożoność zjawisk występujących podczas ścierania mających wpływ na przebieg procesów zużycia materiałów sprzyja powstaniu i opracowaniu wielu metod i urządzeń badawczych. Dynamiczny rozwój nowych materiałów konstrukcyjnych wymusza działania w kierunku ujednolicenia i standaryzacji urządzeń badawczych, przyporządkowanych odpowiednim rodzajom zużycia, w celu porównywanie wyników badań w skali międzynarodowej. Chociaż metody testowania ujęte są w normach technicznych tj. ASTM i MIL (USA) lub BS i IP (Wielka Brytania) to jednak w przypadku nawet najbardziej rozpowszechnionych urządzeń pełna porównywalność wyników testów jest ograniczona, z powodu zróżnicowanych warunków badań np. temperatury, wzbudzania drgań przez urządzenia czy kształt i wielkość cząstek ścierniwa. 1 dr inż., bjk@uci.agh.edu.pl 2 prof. dr hab. inż., jglownia@uci.agh.edu.pl

2 Jak ważny i istotny jest rozwój metod badawczych, świadczy fakt powstania nowej metody uwzględniającej specyficzne warunki tarcia stopów z żywą tkanką (biołożyska) [1]. Maszyna Millera przeznaczona jest do badania ściernych własności metali oraz odporności na zużycie ścierne materiałów konstrukcyjnych, w tym powłok uprzednio naniesionych na powierzchnie badanych stopów. Pozwala ona również prowadzić badania porównawcze odporności na zużycie ścierne różnych grup stopów (staliwa, żeliwa, kompozytów) w warunkach ścierania metal mieszanina SiC i wody, wg. metody zalecanej przez ASTM. Schemat urządzenia wraz z próbką przedstawiono na rys.1. Rys. 1. Schemat urządzenia Millera (1- podkładka, 2-obudowa, 3-listwa dociskowa, 4-płyta ochronna, 5-podnośnik ramienia, 6-próbka, 7-obciążenie, 8- uchwyt próbki, 9-ramię, 10-masa ścierna, 11-wkład, 12-podstawa) Fig. 1. The measuring instrument of Miller apparatus Zasadniczymi częściami roboczymi urządzenia są cztery prowadnice (9) do mocowania próbek (6), z obciążnikiem (7) zapewniającym nacisk jednostkowy na próbkę rzędu 0,07MPa, a bezpośrednie obciążenie całkowite próbki wynosi 22,24N. Prowadnica z próbką porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym w rynnie o przekroju w kształcie litery U, umożliwiającym spływ mieszaniny SiC-woda na dno rynny po każdym suwie. Prędkość ruchu próbki jest stała i wynosi 0,254m/s a częstotliwość ruchu próbki wynosi 48min -1. Badanie polega na wykonaniu co najmniej trzech biegów o czasie nie krótszym niż dwie godziny, tworzących serię umożliwiającą wyznaczenie krzywej zużycia. Jednakże zalecane jest wykonanie serii 16- godzinnej, składającej się z czterech biegów czterogodzinnych. Uzyskane wyniki pomiarów wagowych (skumulowane ubytki masy) nanosi się na wykres czas masa. Punkty aproksymuje się krzywą potęgową. Szybkość masową zużycia określa się przez wyznaczenie pochodnej z równania W=At B dla t=2.

3 W wielu próbach, zwłaszcza porównania szybkości zużycia ściernego kilku stopów, taka zależność zużycia masa-czas, pozwala na uchwycenie malejących strat wagowych wybranego stopu, albo najczęściej, brak przyrostu ubytków. Dzieje się tak zazwyczaj przy umacnianiu powierzchni ścierania, lub wbijania cząstek ścierniwa w badaną powierzchnię. Zagadnienie odporności na zużycie ścierne jest związane z tak wieloma parametrami środowiska, że w praktyce obserwuje się istotne zmiany ścieralności przy wprowadzeniu niewielkich odchyleń w procesie zużycia. Najczęściej chodzi tutaj o właściwości badanego stopu ale również charakterystykę ośrodka, w którym zachodzi zużycie. Nie bez znaczenia jest oddziaływanie kierunku ruchu badanego materiału, ciśnienia czy rodzaj występujących naprężeń. W urządzeniu Millera stwierdzono wyraźną różnicę w odporności na ścieranie, przy zastosowaniu różnej granulacji SiC, nawet przy zachowaniu tej samej proporcji SiC do wody. Ponieważ stan powierzchni próbki, obciążenie, prędkość ruchu jak i czas są parametrami stałymi w urządzeniu Millera, istotnego wpływu na wielkość ubytków mas badanych stopów należy spodziewać się ze strony badanego stopu (skład chemiczny, struktura, obróbka cieplna) oraz własności środowiska w którym następuje ścieranie. 2. METODYKA BADAŃ Celem badań było określenie powtarzalności wyników w warunkach zużycia erozyjno-korozyjnego oraz porównanie szybkości zużycia kilku gatunków staliwa niskostopowego. Właściwie obydwa te parametry są ze sobą sprzężone, przy właściwie otrzymanej charakterystyce zużycia. Zakres badań obejmował przygotowanie próbek o wymiarach 25,4x12,7x9mm ze staliwa L35GM i L35HM w stanie po normalizowaniu i ulepszaniu cieplnym z odpuszczaniem w temperaturze 550 i C. Badania zużycia zostały przeprowadzone w pełnym cyklu 16-godzinnym i obejmowały również wpływ granulacji SiC na kształtowanie warstwy wierzchniej do głębokości 150 m. Do badań wykorzystano mikroskop skaningowy wyposażony w przystawkę do mikroanalizy rentgenowskiej. Badania mikrotwardości przeprowadzono na przekrojach poprzecznych próbek co 30 m. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH OCENA Analiza otrzymanych wyników badań przeprowadzonych w urządzeniu Millera potwierdza istotny wpływ takich parametrów jak obróbka cieplna i granulacja SiC, znajdującego się w środowisku ściernym. Wskazuje to rys.2 (dla L35GM; x grubszy granulat SiC) i rys. 3 (dla staliwa L35HM). Zastosowanie różnej granulacji SiC powoduje ponad dwukrotnie większe zużycie. Przebieg zmian szybkości zużycia dla staliwa L35GM można przedstawić za pomocą równania: W=0,41t 0,86, dla staliwa L35HM: W=0,44t 0,74 ; przy drobnym granulacie SiC otrzymano odpowiednio:

4 względne sumaryczne ubytki [g] względne sumaryczne ubytki [g] 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 L35GM - N L35GM-N+H+O 550 C L35GM- N+H+O 600 C L35GN- N+H+O 600 C "x"-n "x"-n+h+o 550 C "x"=n+h+o 600 C czas badania [godz.] Rys.2. Odporność na zużycie ścierne staliwa L35GM i L35GN Fig. 2. The wear resistance of L35GM and L35GN cast steel 1,4 1,2 1 0,8 0,6 L35HM- N L35HM -N+H+O 550 C L35HM-N+H+O 600 C "x"-n+h+o 550 C 0,4 0, czas badania [godz] Rys. 3. Odporność na zużycie ścierne staliwa L35HM Fig. 3. The wear resistance of L35HM cast steel W=0,15t 0,79 i W=0,05t 1,14. Na podstawie obliczeń nie stwierdzono różnicy w wartościach masowej prędkości zużycia dla staliwa L35GM(0,74g/godz. w drugiej godzinie cyklu) i L35HM (0,73g/godz.) dla grubszego granulatu SiC. Natomiast istotne

5 różnice wystąpiły przy drobnym granulacie. Dla staliwa L35GM (N+H+O C) otrzymano wyższą masową prędkość zużycia (0,26g/godz.) niż dla staliwa L35HM (0,10g/godz.). We wszystkich przebadanych próbkach ze staliwa stopowego L35GM i L35HM, jak również we wcześniejszych badaniach (staliwo niskowęglowe, staliwo z mikrododatkami) [3] stwierdzono efekt bruzdowania powierzchni stykającej się z mieszaniną SiC + woda, jak również efekt wciskania się twardych cząsteczek SiC w osnowę próbek. Analiza wykonana za pomocą mikroskopu skaningowego i mikroanalizatora EDS oraz pomiary mikrotwardości wskazują na wzajemne powiązanie oddziaływania SiC (twardość a odporność na zużycie), której miarą jest rejestrowany ubytek masy. Zarówno po normalizowaniu jak i po ulepszaniu cieplnym z odpuszczaniem w temperaturze C staliwa L35HM stwierdzono przy mikrotwardości wynoszącej HV większą ilość równomiernie wbudowanych cząsteczek SiC w osnowie, niż ma to miejsce gdy temperatura odpuszczania wynosiła C (mikrotwardość HV). Takie rozłożenie wtrąceń świadczy o podatności na wciskanie się SiC w osnowę materiału posiadającego małą twardość powierzchni. Przeprowadzone badania wykazały, że największą odporność na zużycie ma staliwo L35HM po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze C. Całkowite zużycie próbek z tego staliwa wyniosło 0,237g po pełnym cyklu badań, nie wykazując rozbieżności w ubytkach masy w trakcie trwania testu (rys.3). Z porównania szybkości zużycia staliwa odpuszczonego w temperaturze 550 i C widać, że pomimo większego całkowitego zużycia (0,42g) dla temperatury C, szybkość zużycia maleje w czasie testu. Powodem takiego zachowania jest umacnianie osnowy przez dużą ilość cząstek SiC zakotwiczonych w osnowie w pierwszych godzinach. Z analizy danych wynika, że zarówno normalizowanie jak i odpuszczanie w zbyt wysokich temperaturach przyczyniają się do zmniejszania odporności na zużycie staliwa L35HM. W przypadku staliwa L35GM nie stwierdzono tak wyraźnej zależności. Zarówno po odpuszczaniu w C jak i w C otrzymano porównywalne wartości zużycia całkowitego. Analiza i porównanie twardości i mikrostruktury obydwu gatunków staliwa wskazują na znaczenie składu chemicznego i obecność pierwiastków stopowych w osnowie. Ze względu na stosunkowo małą mikrotwardość obu gatunków staliwa, należałoby dla zwiększenia odporności na ścieranie, zastosować odpuszczanie w niższych temperaturach, gdyż zarówno po normalizowaniu jak i ulepszaniu widoczne są wżery w osnowie ścieranego staliwa. Zatem zwiększenie twardości poprzez zmianę temperatury odpuszczania powinno zmniejszyć ilość wciśniętych cząstek SiC a tym samym i wżerów korozyjnych. 4. WNIOSKI 1. Maszyna Millera należy do urządzeń testowych o szerokich możliwościach, które mogą być wykorzystywane zarówno do oceny porównawczej jak i doboru materiałów konstrukcyjnych oraz powłok spełniających rolę warstwy ochronnej,

6 zabezpieczającej przed zużyciem ściernym w środowisku mieszaniny wodnej z cząsteczkami ścierniwa. 2. Urządzenie pozwala z dobrą powtarzalnością ocenić wpływ parametrów obróbki cieplnej badanego stopu na przebieg zużycia. 3. Zastosowanie środowiska ścierającego w postaci mieszaniny SiC i wody przyśpiesza zużycie poprzez wciskanie się twardych cząsteczek SiC w osnowę badanego stopu. Dodatkowo stwarza ono warunki dla przebiegu korozji wokół wciśniętych cząsteczek SiC jak również na całej powierzchni badanej. Oznacza to, że zastosowany test charakteryzuje erozyjno korozyjne warunki zużycia. 4. Na podstawie analizy wyników można stwierdzić, że czynnikiem wpływającym na odporność na zużycie badanego staliwa jest twardość regulowana rodzajem wykonanej obróbki cieplnej. 5. Dla staliwa L35HM i L35GM stwierdzono występowanie maksymalnego umocnienia warstw leżących w odległości m w głąb materiału od powierzchni styku z mieszaniną SiC + woda. LITERATURA [1] Szczerek M.: Badania trybologicznych własności materiałów; Tribologia 1996, s [2] Jadi A.S: Literature review of factors affecting the intensity of abrasive wear; Tribologia 28, [3] Głownia j., Kalandyk B., Młynarczyk L.: Badanie odporności na zużycie ścierne staliwa Mn-Ni; Konf. z okazji Dnia Odlewnika 97; , p ESTIMATE OF MILLER APPARATUS IN WEAR RESISTANCE OF CONSTRUCTIONAL CAST STEELS SUMMARY The possibility and results of wear processes in Miller unit are discussed. Since several years these tests are provided with low-alloyed cast steels. In this paper investigated L35GM and L35HM cast steels, espatially with different hardness after their heat treatment. Recenzował Prof. Stanisław Jura