1 Badania strukturalne materiału przeciąganego

Transkrypt

1 Zbigniew Rudnicki Janina Daca Włodzimierz Figiel 1 Badania strukturalne materiału przeciąganego Streszczenie Przy badaniach mechanizmu zużycia oczek ciągadeł przyjęto założenie, że przeciągany materiał zawsze posiada te same własności i właściwości, a więc taką samą strukturę, tą samą wielkość ziarna. W celu sprawdzenia tej hipotezy przeprowadzono badania strukturalne przeciąganego materiału. Dokonano również analizy powierzchniowej i liniowej rozkładu pierwiastków w warstwie wierzchniej materiału ciągnionego, pochodzących z materiału oczka ciągadła. Sposób zużywania się oczek ciągadeł może świadczyć o możliwości istnienia procesu dyfuzji tych pierwiastków. 2 Wstęp Dokonując oceny czynników wpływających na zużycie oczek ciągadeł, nie należy pominąć rodzaju, własności oraz stanu powierzchni ciągnionego materiału. Przeprowadzone badania zużycia oczek ciągadeł w ściśle określonych warunkach eksploatacyjnych [1] prowadzone były przy przeciąganiu drutu z miedzi. Materiałem przeciąganym była walcówka z miedzi M1E o przekroju kołowym, walcowana na gorąco, przeznaczona do produkcji drutu dla przemysłu kablowego. Na pobranych próbkach materiału ciągnionego dokonano badań strukturalnych, pomiarów twardości oraz przeprowadzono analizę rozkładu pierwiastków W, Co na powierzchni drutu. Próbki pobierano z tych samych kręgów, przed i po wyjściu z ciągadeł o średnicy Φ k = 5,5 mm oraz Φ k = 1,5 mm. 3 Charakterystyka przebiegu badań strukturalnych materiału ciągnionego. W badaniach posłużono się mikroanalizatorem rentgenowskim IXA 50A firmy JEOL (Japonia) przeprowadzając: obserwację i rejestrację obrazów elektronicznych materiału ciągnionego; analizę powierzchniową i liniową rozkładów pierwiastków. Na przygotowanych zgładach metalograficznych (nietrawionych) próbek drutu (na powierzchniach poprzecznych do kierunku ciągnięcia) przeprowadzono analizę rozkładu pierwiastków: wolframu i kobaltu. W zasadzie głównie analizowano obszary przypowierzchniowe próbek drutu, a tylko dla porównania sprawdzano rozkłady tych pierwiastków w obszarach oddalonych od powierzchni. Następnie zgłady poprzeczne próbek drutu trawiono odczynnikiem CuCl 2 w 25% roztworze NH 4 OH. Po trawieniu ujawniły się granice ziaren. Ze względu na możliwość wykonania zgładów pominięto próbki o średnicy 1,5 mm a badano jedynie próbki o największej średnicy przed i po wyjściu z oczka ciągadła o Φ k = 5,5 mm. Na rys. 1 4 przedstawiono obrazy elektronów wtórnych (SEI) zgładów poprzecznych próbek drutów. Wszystkie zdjęcia wykonano przy napięciu przyspieszającym wiązkę elektronów równym 15 kv i powiększeniu zdjęć 500x i 1000x.

2 c d c d Rys.1 Zgład poprzeczny trawiony, próbki drutu z serii A przed wejściem do ciągadła o Φ k = 5,5 mm Rys.2 Zgład poprzeczny trawiony, próbki drutu z serii U przed wejściem do ciągadła o Φ k = 5,5 mm a b a b c d c d Rys.3 Zgład poprzeczny trawiony, próbki drutu z serii H przed wejściem do ciągadła o Φ k = 5,5 mm Rys.4 Zgład poprzeczny trawiony, próbki drutu z serii W przed wejściem do ciągadła o Φ k = 5,5 mm

3 4 Ocena wyników badań strukturalnych materiału ciągnionego. Na wykonanych zdjęciach scaningowych (rys. 1 4) przy powiększeniu 500x i 1000x dla próbek drutu pochodzących z przeprowadzonych 4 serii prób widoczna jest charakterystyczna struktura miedzi z licznymi bliźniakowaniami rekrystalizacji. Wielkość ziarna, która jest związana z twardością drutu jest prawie jednakowa. Uwidocznione na zdjęciach mniejsze ziarna próbek o mniejszych średnicach (po wyjściu z ciągadła) są wywołane zgniotem w czasie procesu ciągnienia. W procesie rzeczywistym istnieje zbyt małe przenikanie odkształcenia w głąb materiału. To zjawisko tłumaczy S.J.Gubkin [3] przyjmując model rozprzestrzeniania się odkształcenia w postaci stożków o kącie przy podstawach 45 o. Celem analizy powierzchniowej i liniowej rozkładów pierwiastków w ww drutu, była odpowiedź na postawioną hipotezę, że w czasie trwania procesu ciągnienia zachodzi dyfuzja Co względnie W z materiału oczka ciągadła do drutu miedzianego. Rys.5 Rozkład wzdłuż linii wolframu na zgładzie poprzecznym drutu Cu Na rys.5 przedstawiony jest przykładowo rozkład wzdłuż linii wolframu na zgładzie poprzecznym drutu miedzianego. W warstwach przypowierzchniowych próbek drutów nie stwierdzono odmiennego charakteru rozkładów pierwiastków, bądź też występowania innych pierwiastków, jak w obszarach oddalonych od badanych powierzchni. W związku z tym uznano za niecelowe rejestrowanie wyników analiz rozkładów pierwiastków na fotografiach i wykresach. Mechanizm dyfuzji, który nie został potwierdzony przeprowadzona analizą, może jednak zachodzić na obszarze mniejszym od zdolności rozdzielczej mikroanalizatora rentgenowskiego. Należy przyjąć, że istnieje możliwość uchwycenia dyfuzji pierwiastka w głąb materiału, jeżeli obszar dyfuzji jest większy od ok. 1µm. Wynika to z minimalnej średnicy wiązki elektronów jaką stosuje się do tego typu badań. Średnia ta wynosi ok. 1 µm. W związku z tym, jeżeli obszar będzie nawet niewiele mniejszy (rzędu ok. 0,1 µm) od średnicy wiązki, to w efekcie nie stwierdzimy zachodzenia zjawiska dyfuzji. Metoda, która mogłaby być w tym przypadku miarodajną to metoda izotopów (znaczonych atomów). Obrazy elektronów wtórnych, charakteryzujących się dużą głębią ostrości, umożliwiły dokładną obserwację warstw przypowierzchniowych poszczególnych obszarów powierzchni drutów. Na podstawie tych obserwacji wydaje się, że stosunkowo najlepszy stan powierzchni

4 osiągnięto w wyniku stosowania chłodziwa U i kolejno A, a gorszy w przypadku chłodziwa W i H. 5 Pomiar twardości próbek drutu Jednostkowy ubytek przekroju poprzecznego w pojedynczym ciągu, z którym wiąże się określona wartość liczbowa naprężenia roboczego jest ograniczony. Liczbowa wartość naprężenia roboczego w granicznym przypadku nie może przekroczyć granicy plastyczności przeciąganego materiału. O właściwym procesie odkształcenia, a zarazem działaniu czynnika smarnego można wnioskować z pomiarów twardości materiału ciągnionego. B. Hundy i A. Singer [2] stwierdzili na podstawie zmian twardości w przekroju poprzecznym ciągnionego drutu z miedzi, że niejednorodność odkształcenia wzrasta, tak jak wzrasta wartość siły tarcia, dla kąta stożka roboczego ciągadła od 20 o, a nie ulega zmianie przy 30 o. Pomiary twardości wykonano na polerowanych poprzecznych zgładach próbek drutów. Próbki pobierano z tego samego kręgu (przed i po wyjściu z ciągadła o Φ k = 5,5 mm) materiału ciągnionego w obecności czterech różnych badanych cieczy chłodząco smarujących. Do pomiaru twardości stosowano mikrotwardościomierz Durimet firmy Leitz. Długość przekątnych odcisków wgłębnika mierzono przy zastosowaniu obciążenia 200 G. Wyniki podano w tabeli 1. Lp Oznacz enie serii próbki drutu Tabela 1 Twardość HV (200 G) Drut przed wejściem do ciągadła Drut po wyjściu z ciągadła o Φ k = 5,5 mm o Φ k = 5,5 mm Pomiary Pomiary HV śr HV śr A 77,2 77,9 77,4 78,8 77, U 74,0 73,4 76,3 75,0 74, ,7 3 H 74,6 72,5 74,6 75, ,5 4 W 65,6 68,6 66,3 69,6 67, ,5 Uzyskane różnice w wynikach pomiarów twardości próbek drutu są niewielkie. Na ich podstawie należy przypuszczać, że warunki procesu ciągnienia (odkształcenia) przy zastosowaniu badanego chłodziw były podobne Twardość HV (200 G) A U H W Przed wejściem do ciągadła Po wyjściu z ciągadła Rys. 6. Wykresy zmian twardości materiału przeciąganego

5 6 Wnioski Na podstawie badań strukturalnych materiału przeciąganego można stwierdzić, że warunki procesu ciągnienia we wszystkich seriach były podobne. Potwierdzają to również pomiary twardości próbek drutu, które niewiele różnią się w poszczególnych seriach. Materiał ciągniony nie wykazywał również powierzchniowego wzbogacenia w Co. Dyfuzja Co następowała w skutek długotrwałego procesu. Styk materiału ciągnionego z powierzchnią oczka ciągadła mógł występować punktowo przez bardzo krótki okres czasu. W związku z tym stwierdzenie obecności Co na powierzchniach badanych próbek przy pomocy mikroanalizatora rentgenowskiego było nieosiągalne. 7 Literatura: 1. J. Daca, Z. Rudnicki: Zjawiska fizyko chemiczne zachodzące w procesie zużycia oczek ciągadeł; Insycont 02 Konf. Międzynarodowa, Kraków wrzesień 2002 r. 2. Schey I.A.: Metal deformation processes: Friction and Lubrication; Marcel Dekker Inc J. Łuksza: Elementy ciągarstwa; Wyd. AGH Kraków 2001 r.