Badania zmian zachodzcych w strukturze materiału łoysk wielowarstwowych z warstw lizgow PbSn10Cu6

Transkrypt

1 AMME th Badania zmian zachodzcych w strukturze materiału łoysk wielowarstwowych z warstw lizgow PbSn10Cu6 S. Kowalczyk Instytut Pojazdów Mechanicznych WAT, Warszawa, ul. S.Kaliskiego 2, tel. (22) W pracy przedstawiono mechanizm zmian zachodzcych w strukturze materiału łoysk wielowarstwowych PbSn10Cu6. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, e podczas wygrzewania łoysk nastpuje zanik ochronnej powłoki cynowej. Cyna dyfunduje do warstwy lizgowej a nastpnie w kierunku warstwy brzu i tworzy w warstwie lizgowej i w obszarze warstwy zaporowej stref wydziele faz midzymetalicznych. Mechanizm przebiegu zmian zachodzcych w strukturze materiału warstw łoysk uzaleniony jest od temperatury procesu oraz czasu wygrzewania łoysk. 1. WPROWADZENIE Łoyska lizgowe nale do zasadniczych elementów silnika, które w decydujcej mierze wpływaj na poprawn jego prac. Rozwój silników spalinowych spowodował, e zastpiono monolityczne łoyska lizgowe łoyskami wielowarstwowymi. W łoyskach tych istotn rol odgrywa warstwa lizgowa. Dotychczas w silnikach krajowych stosowano łoyska z warstw lizgow PbIn(5-10) oraz PbSn10Cu3 i warstw poredni z brzu lanego CuPb23Sn2 lub spiekanego CuPb30. Poniewa łoyska tego typu s wraliwe na czynniki atmosferyczne ich powierzchni niekiedy pokrywa si galwanicznie ochronn powłok cynow. W warstwach lizgowych wymienionych łoysk stwierdzono w procesie eksploatacji dyfuzj indu i cyny w głb do warstwy poredniej łoyska [1-3]. Zaobserwowano, e zjawisko to powoduje obnienie właciwoci uytkowych łoysk. W zwizku z powyszym przemysł łoyskowy podjł zadania zmierzajce do przeciwdziałania tym niekorzystnym procesom, zwłaszcza w zakresie ograniczenia zmian zachodzcych w strukturze stopów łoysk wielowarstwowych podczas ich eksploatacji. Dotyczy to zwłaszcza łoysk pracujcych w temperaturach od 413 do 453 K. Nastpstwem tego było wprowadzenie do produkcji łoysk wielowarstwowych o podwyszonej zawartoci miedzi w warstwie lizgowej. Ograniczona wiedza w zakresie mechanizmu zmian zachodzcego w materiale warstwy lizgowej łoyska i powierzchniowej strefy brzu, w tym szczególnie zmian w składzie chemicznym i strukturze stopu oraz zwizanej z tymi zmianami, odpornoci na zuycie, wytrzymałoci zmczeniowej i odpornoci korozyjnej była powodem podjcia tych bada. Celem bada, których wyniki przedstawiono w pracy jest ustalenie mechanizmu zmian zachodzcych w strukturze materiału łoysk z warstw lizgow PbSn10Cu6 zalenie od temperatury i czasu wygrzewania łoysk.

2 528 S. Kowalczyk 2. PRZEBIEG I WYNIKI BADA Przedmiotem bada były łoyska z odlewan warstw brzu CuPb23Sn2 i warstw lizgow PbSn10Cu6. Badaniami objto panewki, w których stenie cyny w materiale warstwy lizgowej wynosiło 8-12% i miedzi 5,5-6,5%, a grubo powłoki ochronnej była w granicach 1,5-2 µm. Przeprowadzono badania porównawcze łoysk nowych i po wygrzewaniu. Wygrzewanie realizowano w temperaturze 453 K, w czasie 300 godzin. W celu zabezpieczenia próbek przed utlenianiem wygrzewano je w oleju silikonowym. Budow oraz strefy analiz poszczególnych warstw łoyska przedstawiono na rys. 1. Dla ustalenia mechanizmu zmian zachodzcych w materiałach poszczególnych warstw łoyska wyróniono dwa kierunki bada: pierwszy dotyczył zmiany składu chemicznego; drugi obejmował obserwacj zmian zachodzcych w strukturze stopów łoyskowych - badania strukturalne mikroskopowe, analiz składu w mikroobszarach i badania dyfrakcyjne rentgenowskie. Do analizy składu chemicznego materiału warstw badanych łoysk wykorzystano metod absorpcji spektrofotometrycznej, która jest predestynowana do oznaczania pierwiastków metalicznych. Obserwacje mikroskopowe oraz analiz składu chemicznego w mikroobszarach wykonano na Rys. 1. Budowa badanego łoyska: a/ A,B, - strefy analizy składu chemicznego - grubo ok µm; b/ A1- strefa bada dyfrakcyjnych rentgenowskich - grubo uzaleniona od zdolnoci wnikania promieni rentgenowskich skaningowym mikroskopie elektronowym LEO435VPi wyposaonym w mikroanalizator rentgenowski typu LINK ISIS-300 (dokładno pomiaru 0.001%). Próbki do analizy posiadały szlify prostopadłe. Przeprowadzono analiz punktow i liniow poszczególnych pierwiastków (Sn, Pb, Cu) oraz ich zmiany stenia wzdłu wybranych linii skanowania. Badania identyfikacji faz przeprowadzono przy uyciu dyfraktometru TUR M-62 z goniometrem typu HZG-4A. Wykonano pełne zapisy dyfraktometryczne, stosujc filtrowane promieniowanie lampy CoKα. Rejestracji zmian dokonywano licznikiem proporcjonalnym przemieszczajcym si z prdkoci 2 o /min w zakresie ktowym 2Θ wynoszcym od 20 o do130 o. Do bada dla wizki wejciowej uyto szczeliny o szerokoci 1.09 mm oraz dla wyjciowej o szerokoci 0.22 mm. Na podstawie zapisów dyfraktogramów analizowano intensywnoci refleksów oraz ich ktowe połoenie. Wykorzystujc warunek Bragga okrelono odległoci midzypłaszczyznowe d hkl, a nastpnie w oparciu o tablice PDF (ASTM-1983) przeprowadzono identyfikacj podstawowych faz. Wartoci parametru sieci roztworu stałego cyny w ołowiu w badanych strefach warstw łoyska dokonano w oparciu o zapis refleksu odpowiadajcego płaszczynie krystalograficznej Pb (511).

3 Badania zmian zachodzcych w strukturze materiału łoysk WYNIKI BADA I ICH ANALIZA Wyniki z przeprowadzonych bada przedstawiono w tabeli 1 i 2 oraz graficznie na rys Z bada składu chemicznego wynika, e stenie cyny w strefie warstwy lizgowej po uwzgldnieniu powłoki ochronnej wynosi ok %atm, a miedzi ok. 6-6,5%atm. W łoyskach w stanie dostawy (rys. 2) widoczna jest cienka, wyodrbniona warstewka cyny, warstwa lizgowa PbSn10Cu6 oraz wystpujca pod t warstw, warstwa zaporowa Ni i warstwa brzu CuPb23Sn2. Stwierdzono metod dyfrakcyjn i spektraln, e materiał warstwy lizgowej PbSn10Cu6 posiada struktur wielofazow - roztwór stały cyny w ołowiu oraz wydzielenia cyny i miedzi. Przeprowadzona identyfikacja wykazała trójfazow struktur warstwy nonej, obok fazy na osnowie ołowiu, stwierdzono krystality miedzi oraz zwizki z układu Cu-Sn [4]. Z przeprowadzonej analizy (rys. 2) wynika, e liniowy rozkład stenia cyny w warstwie lizgowej nie jest równomierny. Tabela 1. Wyniki analizy składu chemicznego łoysk z warstw lizgow PbSn10Cu6 Lp. Panewki w stanie dostawy Panewki po wygrzaniu % zawarto cyny i miedzi w warstwie PbSn10Cu6 (strefa A) Obróbka materiału panewki % zawarto cyny i miedzi w warstwach panewek Sn Cu Temperatur a wygrzewani a Czas wygrzewani a W PbSn10Cu6 (strefa A) w CuPb23Sn2 (strefa B) Sn Cu Sn W łoyskach poddanych wygrzewaniu w czasie 300h, w temperaturze 453 K stwierdzono obnienie stenia cyny w warstwie lizgowej. Zaobserwowano zanik ochronnej powłoki cynowej, naley sdzi, e pocztkowo nastpuje transport cyny do warstwy lizgowej PbSn10Cu6, a nastpnie do strefy warstwy zaporowej. Dyfundujca cyna rozpuszcza si do stanu równowagowego (przy danej temperaturze) w materiale warstwy lizgowej i tworzy roztwór stały cyny w ołowiu oraz wydzielenia faz midzymetalicznych z układu Cu-Sn. Niewykluczona jest take moliwo tworzenia faz midzymetalicznych z układu Ni-Sn. W oparciu o wyniki bada, uzyskane w pracach prowadzonych wczeniej [4-5] mona stwierdzi, e w wymienionej wyej temperaturze wygrzewania, w łoyskach z warstw PbSn10Cu3, obserwowano istotne zmiany w strukturze i własnociach łoysk. Zmiany struktury o podobnym charakterze obserwowano w temperaturze poczwszy od 408 K po czasie wygrzewania 200 h. W temperaturze powyej 423K obserwowano zmiany struktury w obszarze warstwy zaporowej i powierzchniowej strefy brzu. Wraz z podwyszaniem temperatury wygrzewania, intensywno procesu zmian nasilała si, obserwowano proces obniania stenia cyny w warstwie lizgowej oraz wzrost stenia wymienionego pierwiastka w warstwie brzu. Dowodzi to, e niklowa warstwa zaporowa nie spełnia swojej funkcji w wysokiej temperaturze pracy łoyska. Nie zaobserwowano tego zjawiska w łoyskach z warstw lizgow PbSn10Cu6. wiadczy to o znacznie wyszej stabilnoci strukturalnej tych łoysk.

4 530 S. Kowalczyk Naley stwierdzi, e wartoci stenia badanych pierwiastków dla obu badanych stanów układu warstwowego łoysk s zrónicowane. Identyfikuje si rónice w steniu badanych pierwiastków w mikroobszarach stopu warstwy lizgowej (rys. 4 i 5). S to jednak rónice wynikajce z natury tego stopu, wynikajcego z powinowactwa chemicznego cyny i miedzi, majcego tendencj do tworzenia faz midzymetalicznych. W mikroobszarach warstwy lizgowej zarejestrowano stenie badanych pierwiastków odpowiadajce cile fazie midzymetalicznej Cu 3 Sn (rys. 5) Tabela 3. Wyniki rentgenowskiej analizy fazowej materiału warstwy lizgowej PbSn10Cu6 Lp Wzgldna intensywno refleksów próbek w [%] Dane tabelaryczne dla czystych pierwiastków 2Θr [deg] w stanie dostawy Strefa D1 po wygrzewaniu w temp. 180 C, czasie 300 h d hkl oblicz. [Å] Pb Sn d [A] hkl d [A] hkl Rys. 2. Mikrostruktura, przebieg linii skanowania oraz liniowego stenia pierwiastków w warstwie lizgowej i strefie połczenia warstw łoyska PbSn10Cu6 stan dostawy

5 Badania zmian zachodzcych w strukturze materiału łoysk 531 Rys. 3. Mikrostruktura, przebieg linii skanowania oraz liniowego stenia pierwiastków w warstwie lizgowej i strefie połczenia warstw łoyska PbSn10Cu6 po wygrzewaniu Rys. 4. Przebieg linii skanowania oraz liniowy przebieg stenia pierwiastków w wybranym mikroobszarze warstwy lizgowej PbSn10Cu6 po wygrzewaniu Rys. 5. Skład chemiczny wybranych mikroobszarów materiału warstwy lizgowej PbSn10Cu6 po wygrzewaniu (wyekstraktowano cyn i mied)

6 532 S. Kowalczyk Reasumujc naley stwierdzi, e zasadne jest stosowanie warstw lizgowych o podwyszonej zawartoci miedzi w łoyskach wielowarstwowych zwłaszcza w silnikach spalinowych o podwyszonych temperaturach pracy. wiadczy o tym ich wysoka stabilno strukturalna, ograniczony zakres zmian struktury zachodzcych w materiałach układu warstwowego łoyska pod wpływem działania podwyszonej temperatury pracy. Na szczególne podkrelenie zasługuje fakt braku tworzenia si kruchych zwizków chemicznych w strefie warstwy zaporowej łoyska, co było charakterystyczn cech łoysk z warstwami lizgowymi nałoonymi galwanicznie (Pb-Sn; PbIn; PbSnCu-o mniejszej zawartoci miedzi) [4-7]. 4. WNIOSKI Uzyskane wyniki bada pozwoliły na sformułowanie nastpujcych wniosków: 1. Pod wpływem wymuszenia temperaturowego nastpuje: zanik ochronnej powłoki cynowej oraz, migracja cyny w kierunku warstwy brzu. 2. W wyniku dyfuzji cyna z powłoki ochronnej przemieszczajc si w kierunku brzu, tworz na granicy ziaren miedzi i ziaren roztworu stałego cyny w ołowiu, mieszanin faz midzymetalicznych z układu Cu-Sn. 3. Przebieg procesu zmian zachodzcych w strukturze materiału łoysk z warstw lizgow PbSn10Cu6 jest znacznie mniej intensywny w porównaniu z przebiegiem zjawisk zachodzcych w materiale łoysk produkowanych z warstw lizgow PbSn10Cu3. 4. Dalsze badania powinny koncentrowa si na okreleniu mechanizmu i moliwoci spowolnienia procesu dyfuzji wzajemnej w metalicznych układach wielowarstwowych łoysk lizgowych oraz wykorzystania uogólnionego modelu Darkena do opisu tych zjawisk w aspekcie kształtowania właciwoci wielowarstwowych łoysk lizgowych. LITERATURA 1. PERRIN H.: Bearing Problems in Internal Combustion Fourstroke Rail Traction Engines. Sulzer Brothers Ltd Winterthur, BOJAR Z., KOSTRZEWA S.: Badanie termicznej stabilnoci składu chemicznego i struktury warstw lizgowych łoysk wielowarstwowych PbSn10Cu3 i PbIn(5-10). Biuletyn WAT Nr 7/ SASAKI S. i in.: Damage to Cu-Pb Bearing for Diesel Engines and Causes Thereof. SAE Techn. Pap. Series, No , KOWALCZYK S.: Wpływ temperatury pracy łoysk wielowarstwowych silnika typu AA i pochodnych na ich właciwoci uytkowe. Materiały konferencyjne XX Jesienna Szkoła Tribologiczna. Spała KOWALCZYK S.: Stabilno struktury stopów łoyskowych i jej wpływ na wybrane własnoci łoysk wielowarstwowych. Rozprawa doktorska. WAT, Warszawa KOWALCZYK S., Wpływ wymuszenia zewntrznego na zmiany struktury materiału łoysk wielowarstwowych z warstw lizgow PbIn 7 i ochronn powłok cynow. VI Midzynarodowe Sympozjum IPM. Warszawa-Rynia GOLA W., KOWALCZYK S.: Wpływ ochronnej powłoki cyny na własnoci wielowarstwowego łoyska z warstw lizgow ołów - ind. Materiały konferencyjne Inynieria Łoyskowania 96, Gdask-Sopot 1996.