OCENA WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNYCH NOWYCH MATERIAŁÓW NARZĘDZIOWYCH NA OSNOWIE NIKLU

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 11 Piotr BAŁA *, Janusz KRAWCZYK *, Marcin MADEJ * OCENA WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNYCH NOWYCH MATERIAŁÓW NARZĘDZIOWYCH NA OSNOWIE NIKLU THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF NEW Ni-BASED TOOL MATERIALS Słowa kluczowe: zużycie, tribologia, stopy Ni, węgliki, materiał narzędziowy Key words: wear, tribology, Ni-based alloy, carbides, tool material Streszczenie W niniejszej pracy przedstawiono nowe materiały na osnowie niklu umacniane związkami faz międzymetalicznych o dużej zawartości węgla. Skład chemiczny nowych materiałów zaprojektowano tak, aby umocnienie osnowy uzyskać w wyniku wydzielania związków międzymetalicz- * AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, al. A. Mickiewicza 30, Kraków, tel. (12) , fax (12) , pbala@agh.edu.pl.

2 12 T R I B O L O G I A nych bogatych Ni oraz Al i Ta, a udział węglików pierwotnych wynosił przynajmniej 20%. Węgliki powinny pozostać stabilne w mikrostrukturze niezależnie od obróbki cieplnej, wpływając korzystnie na odporność na ścieranie. Materiały te mają charakteryzować się przede wszystkim dobrymi własnościami tribologicznymi wykonanych z nich narzędzi do specjalnych zastosowań. Omówiono mikrostrukturę badanych stopów oraz określono rodzaj i udział objętościowy faz węglikowych. Badania tribologiczne wykonano przy temperaturze pokojowej celem określenia roli faz węglików w mechanizmie zużycia. Dla wszystkich badanych stopów wyznaczono wielkość zużycia, współczynnik tarcia oraz określono mechanizm zużycia. WPROWADZENIE Wiele elementów produktów używanych na co dzień wytwarzanych z metali i ich stopów, otrzymuje się poprzez odlewanie ciśnieniowe lub kucie matrycowe. Procesy te wymagają użycia narzędzi o najwyższych właściwościach. Materiałom narzędziowym stawia się szereg wymagań jak wysoka twardość, obrabialność, odporność na zużycie, szoki cieplne oraz odkształcenie plastyczne. Na rynku dostępny jest szeroki wybór stali narzędziowych, jednak w dużej mierze nie spełniają one zakładanych, wysokich oczekiwań [L. 1, 2]. W procesie kucia matrycowego na zużycie narzędzi często składa się wiele czynników jak: siła nacisku prasy, ilość wyprodukowanych odkuwek, a w procesie kucia na gorąco temperatura wsadu oraz temperatura samej matrycy, która nagrzewa się dodatkowo w wyniku tarcia między narzędziem a materiałem wsadowym. W matrycach do odlewania ciśnieniowego najbardziej narażone na zużycie są wystające elementy wkładek roboczych, które w kontakcie z ciekłym, zawierającym krystality, metalem wtryskiwanym pod ciśnieniem dochodzącym do 300 MPa, ulegają nadmiernemu ścieraniu. Dlatego poszukuje się nowych rozwiązań pozwalających na zwiększenie żywotności narzędzi [L. 1 6]. Głównym celem niniejszej pracy jest określenie własności tribologicznych nowych materiałów narzędziowych na osnowie Ni o dużej zawartości węgla. Stopy te opisano szczegółowo między innymi w pracach [L. 7 9].

3 T R I B O L O G I A 13 MATERIAŁ DO BADAŃ Skład chemiczny badanych stopów przedstawiono (w sposób ograniczony ze względów patentowych) w Tabeli 1. Mikrostrukturę badanych stopów w stanie przed i po obróbce cieplnej przedstawiono na Rysunku 1. Obróbka cieplna złożona była z zabiegów przesycania i starzenia. We wszystkich stopach w stanie po odlaniu widać strukturę dendrytyczną. W stopach nr 0 oraz nr 1 występują tylko węgliki tantalu typu MC (odpowiednio udział objętościowy 18,4% oraz 24%) oraz niewielka ilość grafitu (ok. 1%). Po obróbce cieplnej zmniejszył się udział węglików MC. Natomiast, szczególnie w stopie nr 1, zwiększył się udział grafitu. W stopach 2 i 3 występują dwa rodzaje węglików, tj. węgliki tantalu typu MC oraz węgliki chromu Cr 7 C 3. W stopie nr 2 w stanie po odlaniu udział wynosił 35%, natomiast po obróbce cieplnej 32%, a w stopie nr 3 po odlaniu 43%, po obróbce cieplnej 37%. W wyniku obróbki cieplnej w stopach nr 2 i 3 rozpuszczeniu uległa część węglików chromu. We wszystkich badanych stopach, niezależnie od stanu, stwierdzono w osnowie obecność fazy międzymetalicznej γ (Ni 3 AlTa). Tabela 1. Skład chemiczny materiałów użytych do badań tribologicznych Table 1. The chemical composition of investigated Ni-based alloys Skład chemiczny, % masowy Nr stopu C Cr Ta Al Zr Co Ni 0 0,815 - XX XX 0,2 - reszta 1 0,878 - XX XX 0,2 20 reszta 2 0,834 XX XX XX 0,2 - reszta 3 0,898 XX XX XX 0,2 20 reszta METODOLOGIA BADAŃ Badania tribologiczne wykonano na tribotesterze T-05 typu rolka klocek. Parametry procesu badania tribologicznego: temperatura pokojowa, obciążenie 100 N, czas trwania testu: 2000 s, przeciwpróbka stal łożyskowa 100Cr6 obrobiona cieplnie na maksymalną twardość, prędkość obrotowa 136 obr/min. Badania metalograficzne wykonano z użyciem mikroskopu optycznego Axiovert 200 MAT. Próbki trawiono odczynnikiem 4 g CuSO ml C 2 H 5 OH.

4 14 TRIBOLOGIA a) Twardość 161 HV10 b) Twardość 160 HV10 c) Twardość 237 HV10 d) Twardość 180 HV10 e) Twardość 366 HV10 f) Twardość 400 HV10 g) Twardość 360 HV10 h) Twardość 330 HV Rys. 1. Mikrostruktura badanych stopów na osnowie Ni: a,b) stop 0; c,d) stop 1; e,f) stop 2; g,h) stop 3; a,c,e,g) stan lany; b,d,f,h) stan po obróbce cieplnej Fig. 1. Microstructure of investigated Ni-based alloys: a,b) alloy 0; c,d) alloy 1; e,f) alloy 2; g,h) alloy 3; a,c,e,g) as-cast state; b,d,f,h) after heat treatment

5 T R I B O L O G I A 15 WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA Na Rys. 2 zaprezentowano wielkość zużycia badanych stopów. Jak widać w stanie po odlaniu ubytek masy podczas testu tribologicznego jest niewielki, choć wyraźnie widać, że najwięcej zużył się stop nr 1. Zdecydowanie większe zużycie stwierdzono dla próbek po obróbce cieplnej, szczególnie w stopach nr 0 i 1. Należy to tłumaczyć zmniejszeniem udziału węglików i większym udziałem grafitu oraz wiążącą się z tym mniejszą twardością, co przełożyło się na zmianę mechanizmu zużycia. Widać to wyraźnie na Rys. 3, gdzie zestawiono średnie wartości współczynnika tarcia dla poszczególnych prób tribologicznych. Jak widać, obróbka cieplna spowodowała, iż średnie współczynniki tarcia wzrosły, najwięcej dla stopu nr 1 oraz 2. Tłumaczy to duże zużycie stopu nr 1 po obróbce cieplnej. Natomiast stop nr 2, pomimo iż podczas testu tribologicznego stwierdzono wysoki współczynnik tarcia, ma małe zużycie po obróbce cieplnej (por. Rys. 2). Mechanizmy zużycia określono na podstawie zdjęć mikroskopowych powierzchni próbek po teście tribologicznym, które zaprezentowano na Rys. 4. W stanie po odlaniu zużyciem ściernym charakteryzuje się przede wszystkim stop 1. W przypadku pozostałych stopów zaobserwowano również intensywne zużycie adhezyjne, widoczne jako wyrywanie obszarów z powierzchni próbki. W przypadku stopów 2 i 3 stwierdzono skrawające (bruzdujące) oddziaływanie z powierzchnią wyrwanych mechanizmem adhezyjnym fragmentów materiału próbki. Rys. 2. Porównanie wielkości zużycia badanych stopów przed i po obróbce cieplnej Fig. 2. A comparison of the wear level of the investigated alloys

6 16 T R I B O L O G I A Rys. 3. Porównanie wartości średnich współczynników tarcia dla badanych stopów w czasie 1000 s Fig. 3. A comparison of the medium coefficient of friction of the investigated alloy trough 1000s Zastosowanie obróbki cieplnej w przypadku stopu nr 0 powoduje zwiększenie udziału adhezyjnego oddziaływania tribologicznego, w stosunku do zużycia ściernego, przy czym wyraźnie utrudniona jest dekohezja dużych fragmentów materiału próbki. Zużycie materiału obrobionego cieplnie zachodzi głównie poprzez złuszczanie. W stopie nr 1 obróbka cieplna spowodowała intensyfikację abrazyjnego mechanizmu zużycia, dużymi cząstkami, najprawdopodobniej węglików z obszarów międzydendrytycznych, w pobliżu których w wyniku obróbki cieplnej powstał grafit osłabiający ich umocowanie w osnowie. W stopie nr 2 zastosowanie obróbki cieplnej powoduje zwiększenie złuszczeniowego mechanizmu zużycia (umacnianie odkształceniowe i wykruszanie tego materiału). Zmniejszył się natomiast czysto adhezyjny mechanizm zużycia. W stopie nr 3 zastosowanie obróbki cieplnej nie zmienia mechanizmu zużycia, nadal głównym mechanizmem jest zużycie adhezyjne, jednakże wyrywaniu ulegają znacząco mniejsze obszary materiału. Jest to najprawdopodobniej związane z tym, że w przypadku materiału w stanie po odlaniu wyrywaniu ulegają obszary pomiędzy dużymi ziarnami (pomiędzy nimi nie występowała drobna faza węglikowa, co ułatwiało sczepianie adhezyjne), a po obróbce cieplnej wyrywaniu ulegają obszary ograniczone siatką wtórnie wydzielonych węglików. Mimo iż są one mniejsze niż w przypadku stopu nieobrobionego cieplnie, ubytek materiału jest większy.

7 TRIBOLOGIA a) b) c) d) e) f) g) h) 17 Rys. 4. Powierzchnia badanych stopów po teście tribologicznym. a, b) stop 0; c, d) stop 1; e, f) stop 2; g,h) stop 3; a, c, e, g) stan lany; b, d, f, h) stan po obróbce cieplnej Fig. 4. The samples surfaces after tribological test. a, b) alloy 0; c, d) alloy 1; e, f) alloy 2; g, h) alloy 3; a, c, e, g) as-cast state; b, d, f, h) after heat treatment

8 18 T R I B O L O G I A WNIOSKI Wykonane w niniejszej pracy badania pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: 1) W stanie po odlaniu wszystkie badane stopy cechują się niskim zużyciem. Stopy zużywają się przez ścieranie oraz przez adhezję. 2) Obróbka cieplna powoduje zwiększenie zużycia, w tym szczególnie stopów nr 0 i 1, oraz zmianę mechanizmów zużycia. Zużycie zachodzi głównie przez adhezję oraz w przypadku stopu nr 2 również przez złuszczenie. 3) Aby osiągnąć dobre własności tribologiczne, w składzie chemicznym badanych stopów muszą (oprócz węgla) występować zarówno tantal, jak i chrom, dzięki którym możliwe jest uzyskanie dużego udziału objętościowego węglików oraz umocnienie osnowy. Podziękowania Autorzy pracy dziękują mgr. inż. Łukaszowi Piątkowi za pomoc w przygotowaniu niniejszej pracy. Badania realizowane w ramach Projektu Opracowanie nowych zaawansowanych technologii kucia materiałów wysokotopliwych Nr WND-POIG /09 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA 1. Shivpuri R.: Friction and Wear of Dies and Die Materials, Friction, Lubrication and Wear Technology, Vol. 18, Metals Handbook, ASM International, 1995, Altan T.: Dies and Die Materials for Hot Forging, Forming and Forging, Vol. 14, Metals Handbook, ASM International, 1996, Sully L. J. D.: Die Casting, Casting, Vol. 15, Metals Handbook, ASM International, 1998, Bonderek Z., Chromik S.: Odlewnictwo ciśnieniowe metali i formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych, Wydawnictwo naukowe AKAPIT, Kraków Blicharski M.: Inżynieria materiałowa: stal, Wydawnictwa Naukowo- -Techniczne, Warszawa Sińczak J.: Kucie dokładne, Wydawnictwa AGH, Kraków 2007.

9 T R I B O L O G I A Bała P., Microstructural characterization of the new tool ni-based alloy with high carbon and chromium content, Archives of Metallurgy and Materials. vol. 55 (2010) Bała P.: Charakterystyka mikrostruktury stopu modelowego na osnowie Ni od dużej zawartości węgla, Materiały konferencyjne XXXVIII Szkoła inżynierii materiałowej, Kraków Krynica, (2010) Bała P.: New tool materials based on Ni alloys strengthened by intermetallic compounds with a high carbon content, Archives of Materials Science and Engineering vol. 42/1 (2010) Recenzent: Tomasz BUDZYNOWSKI Summary In the paper, the new Ni-based materials with a high carbon content, strengthened by intermetallic compounds, were presented. The chemical compositions of the new materials were designed in such a way as to obtain the matrix strengthening by means of the precipitation of intermetallic compounds rich in Ni as well as Al and Ta and to have the carbide fraction above 20%. Carbides should remain stable in microstructure, regardless of the heat treatment, since they favourably influence an abrasion resistance. Tools use for special application made of these materials should have good tribological properties at elevated temperature. The microstructures and carbides volume fraction of investigated alloys, were described. The reason the tribological test was performed at ambient temperature was to determine the role of the carbides in wear mechanism. The wear level, coefficient of wear, and wear mechanism for all investigated alloys, were described.

10 20 T R I B O L O G I A