2.1.M.07: Wpływ warunków zużycia na własności powierzchni materiałów inżynierskich

Transkrypt

1 2nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 29th-30th November Panel nt. Procesy wytwarzania zdeterminowane stanem wiedzy i możliwościami produkcyjnymi parku maszynowego 2.1.M.07: Wpływ warunków zużycia na własności powierzchni materiałów inżynierskich J. Mazurkiewicz Politechnika Śląska MECHANIZMY ZUŻYCIA W ZAKRESIE INŻYNIERII POWIERZCHNI Zużycie korozyjne Zużycie trybologiczne Zużycie narzędzi skrawających ZUŻYCIE Zużycie cieplne Inne - złożone

2 Korozja Ogólna nazwa procesów niszczących mikrostrukturę materiału, które prowadzą do jego degradacji. Korozja zachodzi pod wpływem chemicznej i/lub elektrochemicznej reakcji materiału z otaczającym środowiskiem. Rodzaje korozji Atmosferyczna Chemiczna Biologiczna Lokalna Równomierna Selektywna Elektrochemiczna Naprężeniowa Międzykrystaliczna Zmęczeniowa Jądrowa Cierna Wżerowa wpływające na procesy korozyjne MATERIAŁOWE: Skład chemiczny materiału Położenie komponentów w szeregu napięciowym Zdolność materiału do pasywacji Udział wtrąceń w materiale Naprężenia własne Środowiskowe: Temperatura Wilgotność Ciśnienie dynamiczne Skład chemiczny środowiska Dynamika zmian w/w czynników Stopień zanieczyszczenia bezpośredniego otoczenia Okres trwałości czas życia produktu Stan skupienia środowiska

3 wpływające na procesy korozyjne Technologiczne: Rodzaj i sposób zastosowania technologii inżynierii powierzchni Kształt produktu Naprężenia od sił zewnętrznych Dynamika zmian w/w czynników Chropowatość powierzchni materiału (zarówno podłoża jak i powłoki) Technologia wytwarzania materiału Technologie łączenia materiałów Technologie cięcia i kształtowania produktu Grubość i ilość komponentów w przypadku technologii warstwowych GŁÓWNE METODY OGRANICZANIA PROCESÓW KOROZYJNYCH MATERIAŁÓW Optymalny dobór składu chemicznego materiału do warunków pracy Optymalne ukształtowanie mikrostruktury materiału, a zwłaszcza jego warstwy wierzchniej Zastosowanie materiałów warstwowych Zastosowanie technologii inżynierii powierzchni Zastosowanie inhibitorów korozji Odprężanie lub wprowadzanie naprężeń znoszących Kompensacja lub łagodzenie czynników środowiskowych Zastosowanie nowoczesnych technologii łączenia materiałów Zastosowanie ochrony protektorowej

4 TRYBOLOGIA Nauka o tarciu i procesach towarzyszących tarciu występujących w technice i przyrodzie. Zużycie trybologiczne jest rodzajem zużycia spowodowanego procesami tarcia, w którym następuje zmiana masy, struktury i fizycznych własności warstw wierzchnich obszarów styku. Procesy zużycia trybologicznego Zmęczeniowe Z udziałem utleniania Adhezyjne tarcie toczne szczepianie tarcie ślizgowe zrastanie tarciowe Scuffing (adhezyjno-ścierne) Ścierne powierzchniowe bruzdowanie objętościowe mikroskrawanie spalling rysowanie pitting wpływające na zużycie trybologiczne MATERIAŁOWE: Skład chemiczny materiałów współpracujących Struktura warstw wierzchnich materiałów współpr Własności mechaniczne materiałów współpr. Udział wtrąceń i faz w materiałach współpr. Naprężenia własne w materiałach współpr. Środowiskowe: Temperatura Wilgotność Intensywność smarowania Rodzaj i własności środków smarnych Dynamika zmian w/w czynników Stopień zanieczyszczenia Okres trwałości czas życia produktu Typ i rodzaj współpracy elementów

5 wpływające na zużycie trybologiczne Technologiczne i konstrukcyjne: Rodzaj i sposób zastosowania technologii inżynierii powierzchni Geometria elementów współpracujących i typ układu kinematycznego Naciski jednostkowe i naprężenia wzajemne w układzie Dynamika zmian obciążeń Chropowatość powierzchni elementów współpracujących Technologia wytwarzania materiałów Technologie obróbki wykańczającej GŁÓWNE METODY OGRANICZANIA ZUŻYCIA TRYBOLOGICZNEGO MATERIAŁÓW Optymalny dobór składu chemicznego materiałów do warunków pracy Optymalne ukształtowanie mikrostruktury materiałów, a zwłaszcza ich warstwy wierzchniej Optymalny dobór środków smarnych Optymalny dobór grubości współpracujących warstw wierzchnich Zastosowanie optymalnej technologii inżynierii powierzchni Konstrukcyjne eliminowanie złożonych modeli zużycia trybologicznego Wprowadzanie naprężeń znoszących Projektowanie geometrii i układów kinematycznych z wykorzystaniem metod komputerowych i narzędzi do symulacji Zapewnienie wysokiej czystości środków smarnych Zmniejszenie temperatury pracy

6 ZMĘCZENIE CIEPLNE Zużyciem cieplnym zmęczeniem cieplnym określamy zespół zjawisk zachodzących w materiale, związanych z oddziaływaniem w czasie eksploatacji zmiennych pól temperatury szczególnie w warstwie wierzchniej przejawiających się degradacją mikro i makroskopową powierzchni. W układach rzeczywistych zmęczenie cieplne nigdy nie zachodzi w czystej postaci, lecz sumują się z nim: cykliczne naprężenia mechaniczne (zmęczenie cieplno-mechaniczne) procesy korozyjne (zmęczenie cieplno-korozyjne) ścieranie wpływające na zmęczenie cieplne

7 wpływające na zmęczenie cieplne MATERIAŁOWE: Skład chemiczny materiału Udział wtrąceń w materiale (czystość metalurgiczna) Naprężenia własne Własności mechaniczne materiału w podwyższonych temperaturach Mikrostruktura materiału i warstwy wierzchniej Środowiskowe: Temperatura Naciski jednostkowe Skład środków smarująco-chłodzących Dynamika zmian w/w czynników Wymagana liczba cykli cieplnych w okresie życia produktu Rozkład temperatury na przekroju Skład chemiczny i własności obrabianego materiału wpływające na zmęczenie cieplne Technologiczne i konstrukcyjne: Technologia wytwarzania materiału Technologia obróbki plastycznej materiału Technologia obróbki cieplnej materiału Rodzaj i sposób zastosowania technologii inżynierii powierzchni Geometria produktu Naciski jednostkowe Chropowatość powierzchni materiału Technologie łączenia materiałów Technologie cięcia i kształtowania produktu

8 GŁÓWNE METODY OGRANICZANIA ZMĘCZENIA CIEPLNEGO MATERIAŁÓW Optymalny dobór składu chemicznego materiałów do warunków pracy Optymalne ukształtowanie mikrostruktury materiałów, a zwłaszcza ich warstwy wierzchniej Optymalny dobór ilości i rodzaju środków smarująco-chłodzących Obniżenie temperatury pracy i gradientu temperatury na przekroju Zastosowanie optymalnej technologii inżynierii powierzchni Konstrukcyjne eliminowanie miejsc ze złożonym modelem zużycia Wprowadzanie naprężeń znoszących Projektowanie narzędzi z wykorzystaniem metod komputerowych i narzędzi do symulacji naprężeń i odkształceń Optymalizacja procesów kształtowania materiału Sandvik Coromant ZUŻYCIE NARZĘDZI SKRAWAJĄCYCH Zużyciem narzędzia skrawającego określamy zjawisko stępienia jego ostrza, będącego wynikiem procesów tarcia między wiórem, a powierzchnią natarcia narzędzia oraz między materiałem skrawanym, a powierzchnią przyłożenia narzędzia. Efektem zużycia są zmiany odwracalne i nieodwracalne ostrza narzędzia prowadzące do nasilenia zjawisk zachodzących w materiale skrawanym i narzędzia, związanych z oddziaływaniem w czasie eksploatacji zmiennych pól temperatury, szczególnie w warstwie wierzchniej przejawiających się degradacją makro i mikroskopową powierzchni.

9 Podstawowe mechanizmy zużycia narzędzi skrawających zużycie ścierne zużycie adhezyjne zużycie dyfuzyjne zużycie w wyniku powierzchniowego odkształcenia plastycznego Zużycie w wyniku odkształcenia plastycznego krawędzi skrawającej pod działaniem naprężeń normalnych zużycie przez wykruszanie w wyniku poślizgu wpływające na zużycie narzędzi skrawających MATERIAŁOWE: Składu chemicznego, struktury i własności mechanicznych materiału obrabianego oraz narzędzia Współczynnika tarcia układu narzędzie materiał obrabiany Mikrostruktury i własności warstwy wierzchniej (powłoki) Środowiskowe: Temperatura skrawania Naciski jednostkowe Rodzaju środków smarująco-chłodzących Szybkości skrawania Posuwu

10 wpływające na zużycie narzędzi skrawających Technologiczne i konstrukcyjne: Technologia wytwarzania materiałów narzędziowych Technologia wytwarzania narzędzi skrawających Rodzaj i sposób zastosowania technologii inżynierii powierzchni Cechy geometryczne narzędzi Sztywność układu obrabiarka-narzędzie Schemat typowego zużycia noża tokarskiego GŁÓWNE METODY OGRANICZANIA ZUŻYCIA NARZĘDZI SKRAWAJĄCYCH Optymalny dobór materiału narzędzia do obrabiarki, materiału obrabianego oraz parametrów skrawania Optymalne ukształtowanie mikrostruktury narzędzi, a zwłaszcza ich warstwy wierzchniej Optymalny dobór ilości i rodzaju środków smarująco-chłodzących Zastosowanie optymalnej technologii inżynierii powierzchni Konstrukcyjna optymalizacja geometrii ostrza skrawającego oraz obrabiarki Projektowanie narzędzi z wykorzystaniem narzędzi CAD, CAM oraz metod komputerowych do symulacji naprężeń i odkształceń

11 Poza przedstawionymi powyżej mechanizmami zużycia w zakresie inżynierii powierzchni można wskazać inne, łączące wybrane mechanizmy zużycia oraz takie, które trudno sklasyfikować ze względu na swój unikatowy charakter. Jednym z przykładów tego typu unikatowych mechanizmów jest mechanizm degradacji powierzchni implantów biomedycznych zaimplantowanych w organizmach żywych polegający na narastaniu komórek np. krwi czy osocza przy powierzchni, co jest w tym przypadku niepożądane. Rozwój badań w zakresie nano pozwoli zapewne odkryć nie znane do tej pory nowe aspekty zużycia powierzchni oraz pomoże wyjaśnić problemy, których do tej pory nie udało się jednoznacznie zinterpretować. Realizowane prace naukowo-badawcze w zakresie mechanizmów zużycia powierzchni w latach Na podstawie analizy tematyki blisko 3800 artykułów i prac naukowych publikowanych w krajowych czasopismach i w materiałach konferencyjnych tematycznie związanych z prezentowanymi zagadnieniami mechanizmów zużycia (lata ) stwierdzono, że ponad 38% dotyczy zagadnień związanych z trybologią. Kolejne 23% to prezentacja wyników prac badawczych dotyczących zagadnień korozyjnych. 18% artykułów i prac naukowych związana jest z analizą mechanizmów zużycia narzędzi skrawających a tylko 6% z procesami zmęczenia cieplnego. 17 artykułów dotyczyło badań zużycia nie pozwalających się zakwalifikować do żadnej z wymienionej wyżej grupy (<0,45%). Natomiast 15% prac i artykułów związanych jest z tematyką modelowania komputerowego mechanizmów zużycia i m.in. z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, analizy fraktalnej, metod MES, MEB itp. Realizowana obecnie analiza tematyki finansowanych prac badawczych w Polsce i z funduszy Unii Europejskiej oraz analiza literatury światowej pozwoli na odniesienie sytuacji w Polsce w tej tematyce do trendów ogólnoświatowych.

12 Nowoczesna aparatura badawcza i jej wpływ na badania mechanizmów zużycia powierzchni materiałów inżynierskich Obserwując rozwój laboratoriów badawczych służących ujętym opracowaniem zagadnieniom badawczych, można stwierdzić, że ostatnie 10 lat to intensywny rozwój i upowszechnienie nowych technik badawczych (takich jak AFM, HRTEM & HRSEM+EDS+EBSD,SAM, trybometry, profilometry laserowe itd.) oraz udoskonalanie już istniejących. Także od roku 2007, dzięki wsparciu finansowemu z Funduszy UE, tego typu aparatura staje się coraz powszechniejszym narzędziem w rękach polskich badaczy. Daje to szansę na zrobienie dużego kroku w wyjaśnieniu lub ustaleniu prawidłowej interpretacji wielu zjawisk i teorii z zakresu zużycia w najbliższych latach. PODSUMOWANIE Prezentowane wybrane aspekty związane z wpływem warunków zużycia na własności powierzchni materiałów inżynierskich stanowią fragment szerszego opracowania w tym zakresie, a ze względu na to że nie wszystkie zostały zakończone nie było możliwe zamieszczenie szerszej charakterystyki. Wnioski, pozytywne i negatywne strony, szanse i zagrożenia zagadnień związanych z wpływem warunków zużycia na własności powierzchni zostaną przedstawione w kolejnym opracowaniu w tym zakresie tematycznym.