TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Adam LISICA 1 Andrzej POPRZECZKA 2 brąz berylwy, bróbka cieplna, zuŝycie ścierne WPŁYW UTWARDZANIA WYDZIELENIOWEGO NA ZUśYCIE ŚCIERNE BRĄZU BERYLOWEGO AMPCOLOY 83 Właściwści brązów berylwych zaleŝą głównie d zastswanej bróbki cieplnej. Najczęściej jest t utwardzanie wydzieleniwe, składające się z zabiegów przesycania i starzenia. W nielicznych dstępnych publikacjach na ten temat występują znaczne rzbieŝnści dtyczące zalecanych zakresów temperatury tych zabiegów cieplnych. W niniejszej pracy przedstawin wyniki własnych badań wpływu utwardzania wydzieleniweg na zuŝycie ścierne brązu berylweg zawierająceg 2% berylu, najczęściej stswaneg w technice. Pkazan, Ŝe zastswane parametry bróbki cieplnej wpływają na zuŝycie ścierne brązu berylweg. D badań i pracwania wyników zastswan pełnczynnikwą macierz planwania dświadczeń 2 3 i prgram kmputerwy Statistica. INFLUENCE OF PRECIPITATION HARDENING ON AMPCOLOY 83 BERYLLIUM BRONZE ABRASIVE WEAR Prperties f beryllium brnze depend primarily n the applied heat treatment. Precipitatin hardening, cnsisting f slutin heat treatment and ageing, is the mst cmmnly used methd. Few available publicatins cvering the subject prvide us with significant discrepancies related t the recmmended slutining temperature and ageing temperature ranges. This paper presents results f the authr's research n the influence f precipitatin hardening n the abrasive wear f beryllium brnze cntaining 2% beryllium, which is mst widely used in technlgy. The paper als demnstrates cnsiderable influence f the applied heat treatment methd n the abrasive wear f beryllium brnze. The analysis and result handling were perfrmed with the use f the 2 3 full-factr experiment design matrix and Statistica sftware. 1 Plitechnika Radmska, Wydział Mechaniczny, ul. Krasickieg 54, Radm, tel/: , alisica@pr.radm.pl 2 Plitechnika Radmska, Wydział Mechaniczny, ul. Krasickieg 54, Radm, tel/:

2 1944 Adam LISICA, Andrzej POPRZECZKA 1. WSTĘP Brązy berylwe są stpami jedynymi w swim rdzaju ze względu na cechy fizyczne, chemiczne i mechaniczne. Łączą zalety stpów miedzi (brabialnść, dprnść na krzję) z zaletami stali (duŝa wytrzymałść i twardść). Cechują się duŝą przewdnścią cieplną i elektryczną. Mają znaczną dprnść na działanie wyskich temperatur, pełzanie i ścieranie. Są niemagnetyczne i spręŝynujące. Cenną ich zaletą jest teŝ brak skłnnści d iskrzenia przy uderzeniu [1 3]. Liczne i ciekawe właściwści brązów berylwych decydują ich zastswaniu. Wyknuje się z nich m.in. spręŝyny, membrany, kntakty spręŝynujące, amrtyzatry, szcztki silników elektrycznych, części maszyn i urządzeń raz narzędzia w przemyśle materiałów wybuchwych, przemyśle naftwym, na tankwcach i w kpalniach. Znalazły teŝ zastswanie w elektrtechnice, elektrnice, spawalnictwie, na elementy aparatury chemicznej i precyzyjnej [1 9]. Pdstawwą przeszkdą w szerkim zastswaniu brązów berylwych jest wyska cena berylu. Brązy berylwe mgą być brabiane cieplnie. Najczęściej stswane jest utwardzanie wydzieleniwe, składające się z zabiegów przesycania i starzenia. Obróbka cieplna tych stpów ma na celu nadanie im duŝej spręŝystści, dprnści na zmęczenie i dprnści na ścieranie [1] ,5 L+ α L L+ γ 1 Temperatura, C α 866 4,3 5,0 2,7 4,1 853 γ 1 α+ γ ,55 6,0 γ 1+γ α+ γ Cu StęŜenie maswe Be, % 8 10 Rys. 1. Fragment wykresu równwagi Cu Be (D.T. Hawkins) Utwardzanie wydzieleniwe brązów berylwych jest mŝliwe w wyniku zmiennej rzpuszczalnści berylu w miedzi w miarę bniŝania temperatury (rys. 1). Beryl rzpuszcza

3 WPŁYW UTWARDZANIA WYDZIELENIOWEGO NA ZUśYCIE ŚCIERNE 1945 się w miedzi d 2,7% w temperaturze perytektycznej 866 C, p czym jeg rzpuszczalnść spada d 1,55% w temperaturze eutektidalnej 605 C i w temperaturze pkjwej jest bardz mała (< 0,2%). Stswane w technice gatunki brązów berylwych zawierają najczęściej k. 2% Be raz niekiedy ddatkw niewielkie ilści pierwiastków, takich jak: Ni, C, Fe i Ti (PN EN 1652:1999, PN EN 1654:2001, PN EN 12163:2002, PN EN 12164:2002, PN EN 12166:2002, PN EN 12167:2002 raz PN 92/H 87060). Dla takich stpów mŝna znaleźć w dstępnej literaturze [1 11] znaczne rzbieŝnści dtyczące zalecanych parametrów utwardzania wydzieleniweg. Pdawana jest temperatura przesycania w granicach C z chłdzeniem w wdzie, a temperatura starzenia w granicach C. MŜna więc przypuszczać, Ŝe zalecane parametry bróbki cieplnej brązów berylwych typu CuBe2 nie zawsze leŝą w zakresie ptymalnym. PniŜej przedstawin własne badania wpływu parametrów utwardzania wydzieleniweg na zuŝycie ścierne brązu berylweg. Badania zstały przeprwadzne w ramach pracy [12]. Część wyników badań, jak np. próba ptymalizacji parametrów przesycania i starzenia brązu berylweg typu CuBe2 pd kątem jeg twardści i udarnści, zstała publikwana w pracach [13, 14]. 2. METODYKA BADAŃ D badań wytypwan brąz berylwy Ampcly 83 w pstaci prętów średnicy 12,7 mm i długści 1000 mmm, zakupiny w firmie OBERON [15]. Skład chemiczny teg brązu pkazan w tabeli 1. Tab. 1. Skład chemiczny brązu berylweg Ampcly 83 Zawartść pierwiastków, % wag. Be C + Ni Inne Cu 2,0 0,5 0,5 max reszta Z prętów wyknan 40 sztuk próbek wymiarach 10 7,5 55 mm, które pdan bróbce cieplnej w piecu elektrycznym firmy Linn Elektr Therm. ZałŜn, Ŝe zuŝycie ścierne brązu berylweg będzie zaleŝał d trzech parametrów utwardzania wydzieleniweg: temperatury przesycania T p, temperatury starzenia T s raz czasu starzenia τ s (tab. 2). Czas przesycania ustaln na stałym pzimie 3h. Parametr Zakres zmian parametru Tab. 2. Wartści parametrów bróbki cieplnej ( α ) x i = ±1,682 α α T p, C T s, C τ s, h 0, ,

4 1946 Adam LISICA, Andrzej POPRZECZKA Dświadczenie czynnikwe punktów gwiezdnych 6 punktów centralnych Tab. 3. Macierz planwania rtatabilneg drugieg rzędu 2 3 Nr Nr x 1 x 2 x 3 Y ZW dświadczenia próbki 1 1/ , / , / , / , / , / , / , / , /18 1, , /20 +1, , /22 0 1, , / , , / ,682 0, / ,682 0, / , / , / , / , / , / ,157 D kreślenia współzaleŝnści wymieninych parametrów utwardzania wydzieleniweg zastswan plan rtatabilny drugieg rzędu 2 3 (tab. 3), zakładając krzywliniwy charakter zaleŝnści [16]. Trzy zmienne niezaleŝne (wejściwe) w równaniach regresji, będące zmiennymi kdwymi, zapisan w pstaci x i : T 750 x, 60 p Ts = x 2 =, x3 45 τs 5 = (1) 3 Wartści wielkści wejściwych przedstawin w tabeli 2. Zmienne kdwe x 1, x 2 i x 3 pisują dpwiedni wpływ temperatury przesycania, temperatury starzenia i czasu starzenia na zuŝycie ścierne brązu berylweg brbineg cieplnie. Punkty gwiezdne dla wybranej macierzy planu rtatabilneg wynszą α = ± 1, 682. Zmienną zaleŝną (wyjściwą) ścierneg badanych próbek. YZ W dla wybraneg zakresu badań jest wartść zuŝycia

5 WPŁYW UTWARDZANIA WYDZIELENIOWEGO NA ZUśYCIE ŚCIERNE 1947 Badanie zuŝycia ścierneg przeprwadzn na testerze d badania ścieralnści typu T 07 [17], zgdnie z wymaganiami nrmy GOST Szczegóły badania zuŝycia ścierneg były następujące: średnica przeciwpróbki 48,93 mm, szerkść przeciwpróbki 15,04 mm, siła dcisku próbki d przeciwpróbki 44 N, ścierniw elektrkrund nr 90 (PN 76/M 59115), czas testu 10 min (600 brtów). ZuŜycie ścierne (wagwe) kreśln na pdstawie ubytku masy próbek z brązu berylweg pdczas ścierania. Próbki waŝn na wadze analitycznej z dkładnścią d 0,001 g. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na rysunku 2 przedstawin wyniki badań zuŝycia ścierneg brązu berylweg Ampcly 83, pddaneg róŝnym parametrm utwardzania wydzieleniweg. 0,307 0,30 ZuŜycie ścierne Z, g W 0,20 0,204 0,209 0,202 0,215 0,195 0,205 0,173 0,186 0,184 0,211 0,210 0,151 0,196 0,177 0,181 0,169 0,186 0,200 0,157 0, Nr dświadczenia Rys. 2. ZuŜycie ścierne brązu berylweg Ampcly 83 p przeprwadznej bróbce cieplnej

6 1948 Adam LISICA, Andrzej POPRZECZKA Krzystając ze wspmagania kmputerweg, wyznaczn współczynniki regresji raz cenin ich isttnść. W rezultacie uzyskan równanie regresji (2), pisujące wpływ parametrów bróbki cieplnej brązu berylweg na jeg zuŝycie ścierne. Wartści pszczególnych współczynników teg równania regresji kreślają kierunek i siłę ddziaływania zastswanych parametrów utwardzania wydzieleniweg na zuŝycie ścierne badaneg brązu. Isttnść równania regresji testwan według kryteriów t Studenta dla 1 P = 0, 05 i adekwatnści F Fishera przy 1 P = 0, 01. Równanie t przyjęł pstać: ( x ) Y = 178, , 9x 5, 6x x + 23,1x 10 (2) 2 3 ZW Na rysunkach 3 5 pkazan elementy graficzne zaleŝnści (2). 0,26 Z, g W 0,22 0, T S, C T P, C Rys. 3. Wpływ temperatury przesycania TP i temperatury starzenia TS na zuŝycie ścierne brązu berylweg Ampcly 83 ( τ = 5h) S 0,30 Rys. 4. Wpływ temperatury starzenia T S i czasu starzenia τ S na zuŝcie ścierne brązu berylweg Ampcly 83 ( T = 750 C) P Z, g W 0,26 0,22 0,18 0, τ S, h T S, C 450

7 WPŁYW UTWARDZANIA WYDZIELENIOWEGO NA ZUśYCIE ŚCIERNE ,30 Z, g W 0,26 0,22 0,18 τ S Rys. 5. Wpływ czasu starzenia i temperatury przesycania TP na zu- Ŝycie ścierne brązu berylweg Ampcly 83 ( T = 325 C) S 850 T, C P τ S, h 10 Z rysunku 2 wynika, Ŝe p przeprwadznych zabiegach cieplnych zuŝycie ścierne brązu berylweg Ampcly 83 waha się w granicach 0,151 0,307 g. Wartść zuŝycia ścierneg pszczególnych próbek róŝni się między sbą w granicach %. Między skrajnymi próbkami występuje więc 2-krtna róŝnica zuŝycia ścierneg. Z analizy równania (2) i rysunków 3 5 wynika, Ŝe liniw najsilniejszy wpływ na zuŝycie ścierne brązu berylweg Ampcly 83 wywiera czas jeg starzenia p przesycaniu. WydłuŜenie teg czasu prwadzi d zmniejszenia zuŝycia ścierneg brązu w badanych warunkach. W tym samym kierunku działa temperatura starzenia lecz jej wpływ jej blisk 2-krtnie mniejszy (prównując współczynniki regresji przy zmiennych x 2 i x 3 ). Statystycznie nieisttny kazał się wpływ temperatury przesycania brązu berylweg raz współdziałanie wszystkich parametrów bróbki cieplnej. Jedynie współczynnik regresji przy zmiennych x2x 3 jest na pgraniczu isttnści statystycznej. Wynik ten jest zaskakujący, gdyŝ zarówn temperatura starzenia jak i czas starzenia mają silny wpływ na zuŝycie brązu. NaleŜał się więc spdziewać silneg wpływu współdziałania tych dwóch parametrów bróbki cieplnej. Najsilniej krzywliniw ddziałuje czas starzenia brązu berylweg. Oznacza t, Ŝe istnieje taki przedział czaswy starzenia, kiedy zuŝycie ścierne będzie najmniejsze. Pzstałe wyraŝenia kwadratwe są statystycznie nieisttne. Z analizy struktury brązu berylweg Ampcly 83 p róŝnych zabiegach bróbki cieplnej wynika, Ŝe składa się na z ziarn rztwru stałeg α z licznymi bliźniakami rekrystalizacji raz drbnych punktwych wydzieleń fazy γ 2 (CuBe). Pmiędzy róŝnymi próbkami występuje duŝa róŝnica w rzdrbnieniu ziarn rztwru stałeg α raz w ilści i dyspersji fazy γ 2 (CuBe). Próbki z grubziarnistą strukturą jednfazwą z niewielką ilścią fazy umacniającej γ 2 (rys. 6) charakteryzwały się największym zuŝyciem ściernym, zaś próbki mające drbną strukturę dwufazwą z duŝą ilścią dyspersyjnych wydzieleń fazy umacniającej γ 2 (rys. 7) najmniejszym zuŝyciem ściernym.

8 1950 Adam LISICA, Andrzej POPRZECZKA Rys. 6. Struktura brązu berylweg Ampcly 83. Dświadczenie nr 13 (największa wartść zuŝycia ścierneg). Trawin Mi25Cu; a) pw. 100, b) pw. 500 Rys. 7. Struktura brązu berylweg Ampcly 83. Dświadczenie nr 12 (najmniejsza wartść zuŝycia ścierneg). Trawin Mi25Cu; a) pw. 100, b) pw PODSUMOWANIE Sterwanie parametrami utwardzania wydzieleniweg, zwłaszcza temperaturą i czasem starzenia, umŝliwia isttną zmianę struktury raz zuŝycia ścierneg brązu berylweg Ampcly 83. Największą dprnść na zuŝycie ścierne brązu berylweg Ampcly 83 uzyskan x = 0, średnią lub wyską temperaturę stsując średnią temperaturę przesycania 750 C ( 1 ) starzenia 325 C lub 400 C ( x2 0 lub x2 α ) 5 h ( x 0 ). 3 = = + raz średni czas starzenia = Struktura takieg brązu berylweg jest dwufazwa i bardz rzdrbnina z duŝą ilścią fazy umacniającej γ 2 (CuBe).

9 WPŁYW UTWARDZANIA WYDZIELENIOWEGO NA ZUśYCIE ŚCIERNE BIBLIOGRAFIA [1] Bnderek Z., Kulig Z.: Stpy specjalnych właściwściach, Kraków, Skrypt uczelniany AGH, [2] Wjtkun F., Słncew J.P.: Materiały specjalneg przeznaczenia, Radm, Wyd. Plitechniki Radmskiej [3] Tkarski M.: Metalznawstw metali i stpów nieŝelaznych w zarysie, Katwice, Wyd. Śląsk [4] Dbrzański L.,A.: Pdstawy nauki materiałach i metalznawstw, Gliwice Warszawa, WNT [5] Górny Z., Sbczak J.: Nwczesne twrzywa dlewnicze na bazie metali nieŝelaznych, Kraków, Instytut Odlewnictwa [6] Przybyłwicz K.: Metalznawstw, Warszawa, WNT [7] Filip R., Kzik A., Kubiak W., Marszałek J.: Metalznawstw, Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Plitechniki Rzeszwskiej [8] Wendrf Z.: Metalznawstw, Warszawa, WNT [9] Ciszewski A., Radmski T., Szummer A.: Materiałznawstw, Warszawa, Oficyna Wydawnicza Plitechniki Warszawskiej [10] Prwans S.: Materiałznawstw, Warszawa Pznań, PWN [11] Zisel man V.L., Shatalv R.L., Aldunin A.V.: Develping efficient regimes f thermmechanical treatment fr btaining quality strip made f beryllium brnze, Metallurgist, vl. 50, N. 1 2, pp , [12] Lisica A., Pprzeczka A., Rpelewski Z.: Wpływ bróbki cieplnej na wybrane właściciwści mechaniczne i uŝytkwe brązu berylweg, Praca naukw-badawcza Nr 2634/22/P. Radm, Plitechnika Radmska, [13] Lisica A., Pprzeczka A.: The influence f heat treatment parameters n CuBe2 beryllium brnze hardness, Mngraph Cmputer Systems Aided Science and Engineering Wrk in Transprt, Mechanics and Electrical Engineering, Technical University f Radm, Faculty f Transprt, pp , Radm [14] Pprzeczka A., Lisica A.: Wpływ utwardzania wydzieleniweg na udarnść brązu berylweg Ampcly 83, Lgistyka, Nr 6, CD-R, [15] [16] Plański Z.: Planwanie dświadczeń w technice, Warszawa, PWN [17]