Wpływ modyfikacji oleju mineralnego na charakterystykę tribologiczną kompozytu na osnowie aluminium

Transkrypt

1 WALCZAK Mariusz 1 DROZD Kazimierz 1 Wpływ modyfikacji oleju mineralnego na charakterystykę tribologiczną kompozytu na osnowie aluminium WSTĘP Jednymi z najbardziej perspektywicznych materiałów stosowanych do produkcji tłoków silników spalinowych są aluminiowe materiały kompozytowe [1,5,6]. Przyczyną tak dużego zainteresowania tą grupą materiałów jest możliwość znacznej modyfikacji charakterystyk wytrzymałościowych i fizycznych w wyniku wprowadzenia zbrojenia do aluminiowej osnowy. Wśród odlewanych kompozytów o osnowie aluminium bardzo popularne są zbrojenia dyspersyjne cząsteczkami faz ceramicznych takich jak grafit, flay ash, SiC oraz Al 2 O 3 [1,3,8]. W zależności od przeznaczenia, wyroby kompozytowe posiadają znacznie lepsze właściwości niż konwencjonalny materiał stosowany na osnowę m. in. większą wytrzymałość i odporność na zużycie, odpowiednio dobrane charakterystyki ślizgowe i znacznie lepszą odporność na działanie procesów cieplnych. Dane literaturowe [4,5,10] wskazują, że wprowadzenie zbrojenia, w postaci cząsteczek SiC, do stopów z układu Al-Si powoduje korzystne zmiany charakterystyk eksploatacyjnych wyrobów uzyskanych z takich materiałów. Zastosowanie tłoków kompozytowych ma na celu wzrost właściwości materiału tłoka, zwłaszcza stref które pracują w ekstremalnych warunkach: denko i płaszcz tłoka [9]. W ostatnich latach obserwuje się trend polegający na dodawaniu modyfikatorów i różnego rodzaju dodatków syntetycznych do oleju celem obniżenia tarcia oraz poprawy sprawności eksploatacyjnej układu tłok-pierścień-cylinder. O ile w przypadku materiałów od lat powszechnie stosowanych do produkcji silników modyfikatory mogą poprawiać właściwości eksploatacyjne, o tyle - w przypadku nowych materiałów kompozytowych - ich właściwości nie do końca są poznane i przebadane. Z reguły, modyfikatory oferowane są jako dodatek do oleju przeznaczony do starszych silników, ze znacznym przebiegiem i mocno wyeksploatowanych, w celu przywrócenia ich sprawności i poprawy charakterystyk pracy. Tłoki silników spalinowych wykonane z aluminiowych materiałów kompozytowych nie są w tak powszechnym użyciu, stąd też nie wiadomo jak dodatek modyfikatora do oleju może wpływać na warunki eksploatacyjne niestandardowych jeszcze materiałów kompozytowych stosowanych do produkcji tych tłoków. W pracy przedstawiono wyniki badań tribologicznych materiału kompozytowego o osnowie aluminium zbrojonego cząsteczkami SiC. Celem podjętych badań było określenie wpływu dodatków dwóch komercyjnych modyfikatorów do oleju na charakterystykę tribologiczną kompozytu F3S.20S w stanie surowym i po obróbce cieplnej. 1. PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ Przedmiot badań stanowił kompozyt F3S.20S o osnowie aluminium (skład chemiczny zestawiono w tabeli 1) zbrojony 20% SiC. Badania realizowano przy użyciu materiału w stanie bez obróbki cieplnej i po obróbce typu T6 (obejmującej utwardzanie wydzieleniowe). Proces przesycania realizowano w temperaturze 537±5 C przez czas 8 godzin, następnie próbki studzono w wodzie o temperaturze 20 C. Proces starzenia realizowano w temperaturze 155±5 C w czasie 5 godzin. Obróbkę cieplną przeprowadzono w piecu muflowym PP20/65 LAC. Próbki użyte do badań tribologicznych miały kształt płytek prostopadłościennych o wymiarach (wys. szer. grub.) mm. Próbki poddano szlifowaniu na wodnych papierach ściernych 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej, Lublin; ul. Nadbystrzycka 36, Tel: , m.walczak@pollub.pl, k.drozd@pollub.pl 6548

2 o ziarnistości odpowiednio 220, 600 i Następnie próbki polerowano mechanicznie przy użyciu zawiesiny diamentowej 3 m i zawiesiny tlenków 0,05 m. W dalszej kolejności próbki przemywano acetonem i suszono. Testy pomiarowe współczynnika tarcia realizowano na tribotesterze typu ball-on-disc firmy CSM Instruments. Jako przeciwpróbki (ball) użyto kulek o średnicy 6 mm (firmy CSM Instruments) wykonanych z Al 2 O 3 o twardości 2000HV. Badania tribologiczne realizowano pod obciążeniem 10N z prędkością liniową 5 cm/s na promieniu 5 mm. Badanie przeprowadzono w trzech różnych środowiskach. Pierwsze środowisko stanowił czysty olej mineralny o charakterystyce określonej jako 15W40. Kolejnym środowiskiem był olej mineralny 15W40 z dodatkiem modyfikatora Liqui Moly opartego na składniku MoS 2. Jako trzecie środowisko badawcze wykorzystano olej mineralny 15W40 z udziałem modyfikatora K2 Militec-1 (na bazie dodatków syntetycznych). Udział modyfikatorów w środowisku badawczym był zgodny z zaleceniami producentów tych dodatków określonymi dla silników spalinowych. Całkowita droga testu, podczas której rejestrowano zmianę współczynnika tarcia, wynosiła 500 m. Mikrostrukturę badanych materiałów analizowano na mikroskopie optycznym Nikon MA200, a powierzchnię po testach tribologicznych na mikroskopie skaningowym Phenom G2 pro. Tab. 1. Skład chemiczny osnowy kompozytu F3S.20S wg [10] Zawartość pierwiastków, % wag. Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Ni Sr Al 9,15 0,1 0,005 0,005 0,63 0,003 0,005 0,08 0,007 0,009 reszta 2. REZULTATY BADAŃ Mikrostrukturę kompozytu F3S.20S w stanie surowym, o osnowie podeutektycznego stopu Al-Si zawierający 20% obj. cząsteczek SiC o nominalnym rozmiarze 20 µm przedstawiono na fotografii 1. Widoczna jest iglasta eutektyka α(al)+β(si) oraz cząsteczki SiC na tle roztworu stałego krzemu w aluminium α(al). Kompozyt był odlewany grawitacyjnie. Cząsteczki SiC rozmieszczone są w przestrzeniach międzydendrytycznych, na granicach ziaren roztworu stałego. Stwierdzono dobry stopień jednorodności rozkładu cząstek fazy ceramicznej SiC w całej objętości badanych próbek. Średnia twardość kompozytu F3S.20S w stanie surowym wynosiła 95 HV30. Obróbka cieplna typu T6 kompozytu F3S.20S powoduje sferoidyzację obszarów eutektyki α(al)+β(si) oraz podwyższenie twardości do 128 HV30 (fotografia 2). Wartości zarejestrowanych współczynników tarcia zamieszczono w tabeli 2, a interpretację graficzną w funkcji drogi przedstawiono na rysunku 1. Tab. 2. Zestawienie wartości współczynników tarcia badanych materiałów wyznaczonych we współpracy z przeciwpróbką z Al 2 O 3 Materiał / Środowisko Średni współczynnik tarcia Odchylenie standardowe F3S.20S_Lotos 0,065 0,005 F3S.20S_Liqui_Moly 0,106 0,007 F3S.20S_K2 0,062 0,008 F3S.20S_T6_Lotos 0,067 0,005 F3S.20S_T6_Liqui_Moly 0,120 0,008 F3S.20S_T6_K2 0,063 0,

3 Fot. 1. Mikrostruktura kompozytu F3S.20S w stanie surowym Fot. 2. Mikrostruktura kompozytu F3S.20S obrobionego cieplnie T6 Testy tribologiczne wykazały nieznaczny wzrost współczynnika tarcia dla kompozytu obrobionego cieplnie. Wzrost współczynnika tarcia, w przypadku kompozytu F3S.20S, związany był 6550

4 ze wzrostem twardości materiału. Dodatkowo, współczynnik tarcia kompozytów zależny był od oporu jaki stawiają przemieszczaniu się twarde cząsteczki SiC. Niemal dla wszystkich przypadków, w początkowej fazie obserwowano wzrost współczynnika tarcia. Efekt taki związany był ze ścinaniem wierzchołków nierówności. Następnie przeciwpóbka dopasowywała się kształtem do powierzchni badanego materiału. Praktycznie po dystansie 200 m, obserwowano stabilizowanie się wartości współczynnika tarcia, za wyjątkiem kompozytu pracującego w środowisku oleju z dodatkiem modyfikatora K2, dla którego stan stabilizacji zaobserwowano po ok. 380 m. Stan stabilizacji współczynnika tarcia zawiązany był z wystąpieniem tzw. efektu smarowania warstwą plastyczna osnowa aluminium rozmazywana była po torze współpracy przez przeciwpróbkę. W przypadku użycia modyfikatora K2 obserwowano niewielki spadek współczynnika tarcia - w stosunku do grupy kontrolnej, którą stanowiło medium jedynie w postaci oleju mineralnego - zarówno dla próbek w stanie surowym jak i obrobionym cieplnie. Rys. 1. Zestawienie wykresów zmian współczynnika tarcia w funkcji przebytej drogi przy obciążeniu 10 N W wyniku zastosowania modyfikatora Liqui Moly zaobserwowano znaczący wzrost współczynnika tarcia w porównaniu do pozostałych środowisk. Według producenta modyfikatora Liqui Moly, składnik MoS 2 powoduje tworzenie się filmu na powierzchni współpracujących powierzchni wywołując w ten sposób redukcję tarcia. Taka sytuacja zapewne ma miejsce w przypadku standardowych materiałów stosowanych na żeliwne pierścienie lub stalowe tuleje oraz tłoki wykonane z siluminów. W przypadku badanego kompozytu F3S.20S, luźne i twarde cząsteczki SiC, wyrwane z miękkiej osnowy podczas procesu tarcia, przetaczały się po powierzchni toru zużycia. Takie zachowanie skutkowało zwiększeniem efektu abrazyjnego zużycia kompozytu. Wówczas przetaczana cząstka mogła powodować powstawanie zarysowań, na powierzchni współpracującej próbki, lub plastyczną deformację niezbrojonych fragmentów osnowy, pozostawiając charakterystyczne ślady w postaci bruzd (fotografia 3a) oraz nie dopuszczała do powstania 6551

5 ochronnego filmu z MoS 2. Cząsteczki SiC stanowiły naturalną przeszkodę dla materiału przeciwpróbki determinując zużycie materiału (fotografia 3b). Analizowane tory zużycia charakteryzowały się podobnym stanem warstwy wierzchniej, dlatego też w artykule zamieszczono reprezentatywne obrazy mikrostruktury SEM na fotografii 3. Dane literaturowe [2,7,8,10] potwierdzają, że dominującymi czynnikami, wpływającymi na niszczenie warstwy wierzchniej aluminiowych kompozytów zbrojonych twardymi cząsteczkami ceramicznymi, jest zużycie abrazyjne i adhezyjne. Fot. 3. Reprezentatywne mikrostruktury SEM torów zużycia po testach w oleju mineralnym: a) kompozyt w stanie surowym, b) kompozyt obrobiony cieplnie. WNIOSKI Badania tribologiczne ball-on-disc wykazały nieznacznie mniejszy współczynnik tarcia, we wszystkich testowanych środowiskach dla kompozytu F3S.20S nie obrobionego cieplnie. Użycie modyfikatora K2 powoduje niewielki spadek współczynnika tarcia w stosunku do grupy kontrolnej stanowiącej olej mineralny. Największy współczynnik tarcia zaobserwowano dla środowiska z dodatkiem modyfikatora Liqui Moly. Stan taki spowodowany jest niemożliwością utworzenia się na powierzchni próbki stabilnego filmu z dwusiarczku molibdenu, z powodu przetaczających się cząsteczek SiC podczas testów tribologicznych. Zasadnym wydaje się przeprowadzenie badań wielkości zużycia celem sprawdzenia czy, w przypadku kompozytu F3S.20S, wzrost współczynnika tarcia przekłada się na większy ubytek masy. Streszczenie Pomimo wysokich kosztów wytwarzania, materiały kompozytowe na osnowie aluminium są coraz częściej stosowane na tłoki silników spalinowych. W pracy przedstawiono badania zużycia - kompozytu zbrojonego cząstkami SiC w stanie surowym i po obróbce cieplnej typu T6, powodującej sferoidyzację obszarów eutektyki oraz podwyższenie twardości - w warunkach tarcia ze smarowaniem w postaci różnych środowisk. Bazowy środek smarny stanowił olej mineralny Lotos o charakterystyce 15W40. Taki sam olej, z dodatkiem modyfikatora Liqui Moly opartego na składniku MoS 2, stanowił drugi środek smarny. Jako trzecie środowisko badawcze wykorzystano olej z udziałem modyfikatora K2 Militec-1 wytwarzany na bazie dodatków syntetycznych. Pomiary współczynnika tarcia wykonano na tribotesterze typu ball-on-disc z przeciwpróbkami (ball) w postaci kulek o średnicy 6 mm wykonanych z Al 2 O 3 o twardości 2000HV. Badania tribologiczne realizowano pod obciążeniem 10N z prędkością liniową 5 cm/s na promieniu 5 mm. Dla kompozytu nieobrobionego cieplnie wykazano nieznacznie mniejsze wartości współczynnika tarcia, 6552

6 niezależnie od środowiska smarnego. Największy współczynnik tarcia zaobserwowano dla środowiska z dodatkiem modyfikatora Liqui Moly. Powodem takiego stanu mógł być brak możliwości utworzenia się na powierzchni próbki stabilnego filmu z dwusiarczku molibdenu. Film ten był uszkadzany przez cząsteczki zbrojenia kompozytu wyrywane z osnowy i toczące się po próbce podczas testów tribologicznych. Effect of modification of mineral oil to tribological characteristics of the aluminium matrix composite Abstract Despite the high cost of manufacturing, aluminum matrix composite materials are being increasingly used for the pistons of combustion engines. The paper presents the study of wear - composite reinforced SiC particles in the raw state and after heat treatment of T6, which cause spheroidization of eutectic areas and increases hardness - in conditions of friction with different medium as lubricant. The base lubricant was Lotos mineral oil of the characteristics 15W40. The same oil with the addition of modifier Liqui Moly which is based on MoS 2 was the second lubricant. As a third lubricant oil with modifier K2 Militec-1 produced on the basis of synthetic additives was used. Friction coefficient measurements were performed on "ball- on- disc" tribotester with ball of 6 mm in diameter made of Al 2 O 3 with a hardness of 2000 HV. The testing was carried out under a load of 10 N at a linear velocity of 5 cm/s at 5 mm radius. For the composite heat rough slightly lower coefficient of friction, irrespective of the lubricating environment, was noticed. The highest coefficient of friction was observed for the environment with the addition of Liqui Moly modifier. The reason for this could be the impossibility of formation of a stable sample surface film with molybdenum disulfide. The film was damaged by the reinforcement of composite which particles torn from the matrix and roll on the sample during tribological tests. BIBLIOGRAFIA 1. Bieniaś J., Walczak M., Surowska B., Sobczak J., Microstructure and corrosion behavior of aluminium fly ash composites. Journal of Optoelektronics and advanced Materials, 2003, Vol. 5, Cree D., Pugh M., Dry wear and friction properties of an A356/SiC foam interpenetrating phase composite. Wear, 2011, Vol. 272, Ejiofor J.U., Reddy R.G., Developments in the Processing and Properties of Particulate Al-Si Composites. Journal of Metals, 1997, Vol. 47, Mahdavi S., Akhlaghi F., Effect of the Graphite Content on the Tribological Behavior of Al/Gr and Al/30SiC/Gr Composites Processed by In Situ Powder Metallurgy (IPM) Method. Tribology Letters, 2011, Vol. 44, Rajeev V.R., Dwivedi D.K., Jain S.C., Effect of load and reciprocating velocity on the transition from mild to severe wear behavior of Al Si SiCp composites in reciprocating conditions. Materials and Design, 2010, Vol. 31, Sobczak J., Perspektywy rozwoju metalowych kompozytów w przemyśle samochodowym. Przegląd Odlewnictwa, 1999, Nr 4, Veeresh Kumar G.B., Rao C.S.P., Selvaraj N., Studies on mechanical and dry sliding wear of Al6061-SiC composites. Composites: Part B, 2012, Vol. 43, Vencla A., Bobicb I., Arosteguic S., Bobicd B., Marinkovi ca A., Babi ce M., Structural, mechanical and tribological properties of A356 aluminium alloy reinforced with Al 2 O 3, SiC and SiC + graphite particles. Journal of Alloys and Compounds, 2010, No 506, Walczak M., Pieniak D., Bieniaś J., Zużycie i struktura powierzchni aluminiowych kompozytów zbrojonych cząsteczkami SiC w warunkach tarcia technicznie suchego. Autobusy. Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe. 2012, Nr 7-8, Wojciechowski A., Wpływ obecności fazy zbrojącej kompozytu na bazie stopu aluminium na wybrane właściwości użytkowe tarczy hamulcowej. Rozprawa doktorska, ITS PL, Lublin 11 lipca