Tribologiczne właściwości kompozytów zbrojonych mieszaniną cząstek ceramicznych i węgla szklistego

Transkrypt

1 ":A -.:'- r:/"- : Pil v:::a...^& nzy i l PCL.S^B; TOWARZ ŁOZNAWĆZife ORGAN NACZELNEJ ORGANIZACJI TECHNICZNEJ Tribologiczne właściwości kompozytów zbrojonych mieszaniną cząstek ceramicznych i węgla szklistego WSTĘP Stopy aluminium zbrojone cząstkami SiC i A1 2 są od wielu lat intensywnie badane i coraz szerzej stosowane w przemysłowej praktyce. Znajdują one zastosowanie w budowie maszyn - na elementy narażone na intensywne zużycie w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych [1,2]. Wzrastające zapotrzebowanie, szczególnie przemysłu samochodowego i lotniczego, skłania do ciągłych poszukiwań możliwości poprawy właściwości użytkowych, w tym tribologicznych. Znanych jest wiele przykładów przemysłowego zastosowania stopów aluminium zbrojonych materiałami ceramicznymi. Firma Honda stosuje od 1991 roku na tuleje cylindrowe kompozyt A1/A1 2, w wyniku czego zmniejszono masę silnika i poprawiono ich odporność na zużycie [3]. W samochodzie Toyota od 1983 roku stosuje się zbrojenie półek pierścieniowych tłoków kompozytem A1/A1 2, dzięki czemu uzyskano zmniejszenie masy tłoka i poprawę jego odporności na zużycie w podwyższonej temperaturze [4], Poprawiły się również charakterystyki pracy silnika, głównie dzięki możliwości powiększenia dopuszczalnej prędkości obrotowej wału. W samochodzie Porsche Boxter zastosowano tuleje cylindrowe z kompozytu o nazwie Lokasil II zawierającego 25 % SiC. Firmy MAHLE i Kolben Schmidt stosują tłoki z wkładką wzmocnioną krótkimi włóknami A1 2, chroniącą półki pierścieni i denko tłoka przed nadmiernym zużyciem [6]. Firma Toyota zmieniła również żeliwną piastę amortyzatora wału korbowego na kompozytową (stop Al zbrojony tlenkiem glinu), co pozwoliło na zmniejszenie masy i drgań silnika. Redukcja masy w tym przypadku wynosiła 40 %, przy ogólnym obniżeniu masy całości amortyzatora o 20 % [7]. Interesującym rozwiązaniem są kompozyty hybrydowe, wytworzone przez dodanie do osnowy dwojakiego rodzaju fazy zbrojącej, na przykład SiC i grafitu, co opisano w pracy [8]. Dr inż. Jerzy Myalski (myalski@pols.katowice.pl), dr inż. Jakub Wieczorek, prof. dr hab. inż. Józef Śleziona, dr inż. Anna Dolata-Grosz, dr inż. Maciej Dyzia - Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Politechnika Śląska Kompozyt zbrojony 20% SiC z dodatkiem 10% grafitu we współpracy ze stalą w warunkach tarcia suchego wykazał prawie dziesięciokrotne zmniejszenie zużycia, w porównaniu do kompozytu zawierającego tylko SiC. Autorzy nie podają wartości współczynnika tarcia. Na podstawie przedstawionych informacji o zmniejszeniu o 45 C temperatury w pobliżu strefy tarcia kompozytu hybrydowego można wnioskować, że siły tarcia są mniejsze. Firma Honda stosuje tuleje cylindrowe z kompozytu 0 heterofazowym zbrojeniu (12% cięte włókna A1 2, 9% grafitu), integralnie połączone z blokiem cylindrowym. W porównaniu ze stopem aluminium, stosowanym uprzednio, przy zachowaniu tej samej masy, grubość tulei zredukowana została o 1/3. Jednakże w porównaniu z wkładkami żeliwnymi zmniejszenie masy wyniosło 50 %. W istotny sposób poprawiono także efektywność chłodzenia [5]. Do czynników odpowiedzialnych za przebieg eksploatacji w warunkach tarcia (intensywność zużycia, stabilność współczynnika tarcia w zmiennych warunkach pracy) elementów części maszyn zaliczyć należy: rodzaj, ilość, wielkość i rozmieszczenie fazy zbrojącej oraz rodzaj i właściwości osnowy, a także rodzaj 1 właściwości elementów współpracujących z materiałem kompozytowym (okładziny cierne, pierścienie tłokowe, cylindry, trzpienie łożysk) [9, 10]. Zastosowanie zbrojenia heterofazowego złożonego z dwóch rodzajów cząstek zbrojących (ceramika typu A1 2 lub SiC z dodatkiem węgla szklistego) stanowi alternatywę dla opisywanych w literaturze rozwiązań, w których skoncentrowano się na zbrojeniach heterofazowych, na bazie mieszaniny włókien i cząstek zbrojących. W tej pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące zastosowania mieszaniny cząstek, z których A1 2 i SiC zapewniają zwiększenie odporności na zużycie, a amorficzny węgiel wpływa na obniżenie współczynnika tarcia. Zaletą tak zaprojektowanego układu cząstek zbrojących jest także osiągnięcie zmniejszenia zużycia partnera tarcia. NR INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 99

2 CEL I ZAKRES BADAŃ Celem podjętych badań było określenie właściwości tribologicznych kompozytów o heterofazowym zbrojeniu w warunkach tarcia technicznie suchego. Poznanie zjawisk i procesów zachodzących podczas tarcia przy wykorzystaniu heterofazowego układu zbrojenia determinuje aplikacje tego rodzaju kompozytów i stwarza możliwość zmiany współczynnika tarcia i zużycia na etapie projektowania właściwości użytkowych. Zakres przeprowadzonych badań obejmował: - wytworzenie kompozytów aluminiowych z heterofazowym umocnieniem cząstkami ceramicznymi i węgla szklistego metodą mechanicznego mieszania; - wykorzystanie zawiesin kompozytowych w procesie odlewania odśrodkowego i wytworzenie tulei z warstwowym rozmieszczeniem faz zbrojących; - analizę struktury kompozytów wytworzonych metodą odlewania odśrodkowego; - określenie właściwości tribologicznych skojarzenia żeliwo - kompozyt w warunkach tarcia technicznie suchego; określenie mechanizmów towarzyszących zniszczeniu warstwy wierzchniej kompozytów w wyniku procesów tribologicznych. MATERIAŁY I METODYKA BADAŃ Badaniami objęto materiały kompozytowe o osnowie odlewniczego stopu aluminium AK12, zbrojone cząstkami ceramicznych SiC, A1 2 lub mieszaniną cząstek SiC, A1 2 zawierających dodatkowo węgiel szklisty (Cs), o tym samym udziale stanowiącym 30 % wag. Kompozyty wytworzono metodą mechanicznego mieszania i ukształtowano do postaci tulei, stosując technikę odlewania odśrodkowego [12, 13, 14]. Zastosowanie techniki odlewania odśrodkowego pozwoliło na wytworzenie zewnętrznej warstwy kompozytowej o grubości około 7 mm. Skład badanych materiałów i ich oznaczenia podano w tabeli l. W badaniach wykorzystano trzy rodzaje kompozytów: - kompozyt heterofazowy zbrojony dwoma rodzajami cząstek (A1 2 + Cs oraz SiC + Cs) o tych samych rozmiarach, kompozyt zawierający mieszaninę cząstek tego samego gatunku o różnej wielkości cząstek, - kompozyt heterofazowy, w którym zastosowano różną wielkość zbrojenia cząstkami A1 2 lub SiC i dodatkowo wprowadzono węgiel szklisty. Tabela 1. Skład fazowy kompozytów użytych w badaniach Table 1. Phase composition used in test Rys. 1. Struktura kompozytów zbrojonych heterofazowo pow. 250 x Fig. 1. Structure of the heteropha.se composite layer, mag. 250 x Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 2. Przygotowanie próbek do badań tribologicznych polegało na wycięciu z odlanych tulei pierścieni, które po szlifowaniu i polerowaniu na papierze ściernym o ziarnistości 500, stanowiły materiał tarczy poddany badaniom tribologicznym. Jako materiał przeciwpróbki zastosowano trzpienie 06 x 20 mm wykonane z żeliwa szarego EN-GJL-300, które jest najczęściej stosowane na tarcze hamulcowe w samochodach osobowych. Badania współczynnika Obciążenie = 50 N Charakterystyczną cechą struktury otrzymanych kompozytów heterofazowych zawierających cząstki zbrojące o różnej wielkości jest przedstawiony na rysunku l rozkład cząstek zbrojących, taki że duże cząstki węgla szklistego (o wielkości ok. 100,um) zostają otoczone znacznie mniejszymi cząstkami węglika krzemu lub tlenku aluminium (25 /mi). Badania tribologiczne przeprowadzono w warunkach tarcia technicznie suchego na testerze T-01M typu tarcza - trzpień. Rys. 2. Schemat układu pomiarowego T-01 wykorzystanego w badaniach Fig. 2. The schema of measurements system T-01 used the investigation 100 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXVI

3 tarcia i zużycia prowadzono w warunkach tarcia technicznie suchego przy stałym nacisku 1,3 MPa, stałej prędkości poślizgu 0,8 m/s i drodze tarcia 5000 m. W trakcie badania w sposób ciągły rejestrowano wartość współczynnika tarcia, a zużycie określono jako ubytek masy po zakończonym cyklu badawczym. WYNIKI BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH Wyniki badań tribologicznych przeprowadzonych przy użyciu testera T-01 przedstawiono na rysunkach 3 i 4 w postaci wykresów zmian współczynnika tarcia w funkcji drogi tarcia. Wśród kompozytów zbrojonych cząstkami A1 2 (rys. 3) największą wartość współczynnika tarcia (średnia wartość 0,45) zanotowano dla kompozytu zbrojonego cząstkami, których wielkość wynosiła 50 /im. Zastosowanie w kompozycie AK12-A1 2 mieszaniny cząstek o różnej granulacji (25, 50 i 100 /j.m) spowodowało zmniejszenie współczynnika tarcia do wartości około 0,31. Zastąpienie części cząstek tlenku glinu (jednorodnych pod względem wielkości) w kompozycie ASOCs węglem szklistym obniżyło wartość współczynnika tarcia z około 0,45 do około 0,37. Tak więc węgiel szklisty, charakteryzujący się dobrymi właściwościami ślizgowymi, przyczynił się do 20% obniżenia współczynnika tarcia, w porównaniu z kompozytem zawierającym tylko cząstki jednorodne. W kompozycie AMCs zastąpienie części cząstek A1 2 węglem szklistym spowodowało obniżenie współczynnika tarcia [i do poziomu 0,25. Współczynnik tarcia zarejestrowany dla materiałów zbrojonych cząstkami tlenku glinu o różnej średnicy, zawierających dodatkowo węgiel szklisty, był najmniejszy w badanej grupie kompozytów. Stwarza to możliwość regulowania i sterowania wartością współczynnika tarcia poprzez wprowadzenie układu zbrojenia heterofazowego i poprzez zmianę wielkości cząstek zbrojących. Domieszkowanie cząstek zbrojących węglem szklistym eliminuje między innymi docieranie, charakterystyczne dla początkowego etapu współpracy. Etap docierania w przypadku kompozytów wynosił około 100 m dla materiału A50 (wzrost współczynnika tarcia od 0,3 do 0,4) i prawie 500 m dla materiału AM (spadek wartości współczynnika tarcia od 0,45 do 0,31). W przypadku kompozytów zbrojonych cząstkami SiC (rys. 4) zmiany właściwości tribologicznych mają zbliżony charakter jak w kompozytach zbrojonych cząstkami tlenku glinu. Największą wartość współczynnika tarcia 0,5 zarejestrowano dla materiału o zbrojeniu homofazowym, cząstkami SiC o wielkości 50 ^m. 0,6 0,5 A50 (A urn) ASOCs (A1 2 50nm, AM (A1 2 25nm, SO^m, AMCs (A1 2 25nm, 50nm, 100 im Cs AMCs droga, m Rys. 3. Wykres zmian współczynnika tarcia w funkcji drogi dla kom- Fig. 3. The diagram of friction coefficient shifts in track function for pozytów zbrojonych cząstkami A1 2 i kompozytów heterofazowych composites reinforced Al 2 particles and heterophase composites 0,6 0,55 - S50 (SiC SSOCs (SiC SO^m, CslOOnm) SM (SiC 25 urn, 50 urn, 100 urn) SMCs (SiC 25 urn, 50 (im, m Cs 100 urn) 0,5 S droga, m Rys. 4. Wykres zmian współczynnika tarcia w funkcji drogi dla Fig. 4. The diagram of friction coefficient shifts in track function for kompozytów zbrojonych cząstkami SiC i kompozytów heterofazowych composites reinforced SiC particles and heterophase composites NR INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 101

4 Zastosowanie mieszaniny cząstek SiC o różnej wielkości spowodowało obniżenie współczynnika tarcia do około 0,35, a wprowadzenie cząstek węgla szklistego pozwoliło na dodatkowe zmniejszenie współczynnika tarcia o około 20 % w kompozycie S50Cs i około 12 % w kompozycie SMCs. Analiza zmiany współczynnika tarcia dla kompozytów bez dodatku węgla szklistego (S50 i SM) wykazała, że okres docierania na dystansie około 500 m spowodował znaczne obniżenie współczynnika tarcia dla kompozytu S50 z 0,6 do 0,45, a w przypadku kompozytu SM z 0,53 do 0,35. Najmniejszą wartość współczynnika tarcia w tej grupie materiałów zarejestrowano dla kompozytu zbrojonego mieszaniną cząstek SiC o różnej średnicy z dodatkiem węgla szklistego. Wartość współczynnika tarcia wyniosła w tym przypadku 0,22. Nie obserwowano przy tym okresu docierania układu, podobnie jak dla tego typu kompozytu AMCs, zbrojonego układem A1 2 + Cs. Wyniki pomiarów zużycia w badanych skojarzeniach przedstawiono w tabeli 2. Wyniki tych badań wskazują jednoznacznie, że dodatek węgla szklistego prawie o połowę ogranicza zużycie, Tabela 2. Wyniki zużycia kompozytów i żeliwnej przeciwpróbki Table 2. Composite and cast iron wear zbrojenie cząstkami jednej wielkości. Dzieje się tak w przypadku kompozytów AM i AMCs oraz SM i SMCs. Kompozyty zbrojone cząstkami o różnej granulacji powodowały takie samo zużywanie się partnera tarcia jak kompozyty zawierające dodatkowo węgiel szklisty. STRUKTURA POWIERZCHNI TARCIA Przeprowadzone badania mikroskopowe powierzchni kompozytów po tarciu pozwoliły prześledzić w sposób jakościowy mechanizmy odpowiadające za efekty tribologiczne wywołane obecnością cząstek zbrojących A1 2 SiC i węgla szklistego. Zarówno zmniejszenie współczynnika tarcia, jak i zmniejszenie zużycia kompozytów z dodatkiem węgla szklistego wiązać można z efektem osadzania się na powierzchni kompozytu produktów zużycia i ograniczeniu procesów zużywania abrazyjnego powstałego na skutek mikroskrawania i bruzdowania. W cząstkach węgla szklistego w trakcie tarcia następuje proces kruszenia i odrywania się niewielkich fragmentów zniszczonych w wyniku delaminacji (rys. 6). Produkty zniszczenia mają tendencję osadzania się na zarówno w grupie kompozytów zbrojonych cząstkami A1 2, jak i SiC (rys. 5). Dotyczy to nie tylko rodzaju zastosowanych cząstek, ale także odnosi się do ich wielkości i zastosowania zbrojenia w postaci mieszaniny cząstek o różnej średnicy. Badania zużycia wykazały, że kompozyty zawierające cząstki różnych frakcji charakteryzują się intensywnym zużyciem tribologicznym, co jest przeciwstawne do badań współczynnika tarcia. W przypadku kompozytu zbrojonego cząstkami SiC o tej samej jednej frakcji powoduje zmniejszenie zużycia o 75 %, w porównaniu z kompozytem zawierającym różnej wielkości frakcje zbrojące. Podobnie jest dla zbrojenia cząstkami A1 2, przy czym zmniejszenie zużycia osiąga wartość około 50 %. S kV 4000 X pr 17 20% fiso żeliwo 4000x, Rys. 6. Cząstka węgla szklistego po tarciu. Zniszczenie cząstki w wyniku procesów odwarstwiania i delaminacji Fig. 6. Glass carbon particle after friction test. Destruction ofparticle by exfoliation and delamination J>Jm, DI S 0,2 - AM SM D. o fl ZŁ -S j? 0,05 D n SSO ASOCs SSOCs AMCs 3,:- 3 Rys. 5. Wykres zużycia kompozytów w wyniku tarcia technicznie suchego Fig. 5. The diagram of composites wear as a result of dry sliding - Podobny, lecz mniej wyraźny skutek zastąpienia części zbroje- l s w 8M x vr 12 " nią węglem szklistym ilustrują wyniki zużycia żeliwnej przeciw- Rys. 7. Znisczenie cząstki węgla szklistego w kompozycie w wyniku próbki. W tym przypadku zaobserwowano jedynie nieznaczne pękania i defragmentacji zmniejszenie zużycia w przypadku kompozytów zawierających Fig. 7. Destruction ofglass carbon particle by cracking and delamination 702 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXVI

5 powierzchni kompozytu i żeliwa i stanowią warstwę oddzielającą współpracujące elementy. Efekt rozprowadzania rozdrobnionego węgla szklistego i jego osadzania na powierzchni tarcia następuje zarówno w kompozycie zbrojonym węglikiem krzemu, jak i tlenkiem glinu został przedstawiony na rysunkach 7 i 8. Warstwa taka nie powstaje w przypadku tarcia kompozytów bez dodatku węgla szklistego. Na rysunku 8 widoczne są ślady zużycia w postaci bruzdowania i mikroskrawania w obszarze tarcia kompozytu AK12-SiC, którym nie towarzyszy efekt nakładania produktów zużycia na powierzchni tarcia.,-,. J...,.,.. M... j 'l'""'""'-' ««.::: ': i.-.>?«; W*....., """"om l ; v,- : ,',.. BB < : - ;: mt,.. : -v,,'.., ;.. l Rys. 8. Ślad wytarcia na powierzchni kompozytu SMCs (AK12 + SiC 25, 50, 100,um Cs 100 /mi) z naniesionym na powierzchni węglem szklistym Fig. 8. Erosion rock on the SMCs (AK12 + SiC 25,50,100 urn Cs 100 \an) composite layer with alluvial carbon glass on the surface Rys. 9. Ślad wytarcia na powierzchni kompozytu AMCs (AK12 + A1 2 25, 50,100 jian Cs 100 ^m) z naniesionym na powierzchni węglem szklistym Fig. 9. Erosion rack on the AMCs (AK12+A1 2 O^, 25, 50, 100 im Cs 100 /MI) composite layer with alluvial carbon glass on the surface Ograniczenie zużycia i zmniejszenie współczynnika tarcia przez węgiel szklisty można wytłumaczyć różnicą jego właściwości fizycznych i mechanicznych w porównaniu z cząstkami SiC lub A1 2. Węgiel szklisty przy zbliżonej twardości (ok MPa) charakteryzuje się prawie dwukrotnie mniejszą wytrzymałością na ścinanie (T = 30 -=- 50 MPa) w porównaniu z tlenkiem glinu [15]. Zgodnie z hipotezą Bowdena może to być przyczyną do obniżenia współczynnika tarcia i zużycia [16, 17]. PODSUMOWANIE Zastosowanie zbrojenia heterofazowego jest rozwiązaniem pozwalającym w znacznym stopniu rozszerzyć możliwości projektowania tribologicznych skojarzeń ciernych. Możliwe staje się dobieranie takich układów zbrojenia, w których przy zachowaniu Rys. 10. Ślad zużycia na powierzchni kompozytu A50 (AK12 + A iaa) z widocznym bruzdowaniem Fig. 10. Wear track on the A50 (AK12 + A1 2 SOjjm) composite layer with marked ridging wysokiej wartości i stabilności współczynnika tarcia można ograniczyć zużycie współpracujących elementów. Ma to ma miejsce w przypadku kompozytów zbrojonych cząstkami jednakowej wielkości z dodatkiem węgla szklistego ASOCs i SSOCs. Jest też możliwe zmniejszanie wartości współczynnika tarcia w zależności od potrzeb konstrukcyjnych. Efekt ten można osiągnąć poprzez zastosowanie mieszaniny cząstek zbrojących o różnej granulacji 25, 50,100 ^m i dodatkowo węgla szklistego o granulacji loo/mi. Uzyskane wyniki badań dowodzą, że dodatek węgla szklistego, niezależnie od rodzaju ceramicznego zbrojenia, poprawia właściwości tribologiczne układu. Wpływa on na stabilizację wartości współczynnika tarcia w funkcji drogi tarcia i prawie całkowicie eliminuje etap docierania współpracujących elementów. W każdym ze zbadanych skojarzeń z udziałem węgla szklistego zanotowano spadek wartości współczynnika tarcia w porównaniu z materiałami nie zawierającymi tego dodatku. Ponadto wyniki badań pozwalają stwierdzić, że wielkość cząstek zbrojących tego samego rodzaju wpływa na charakterystyki tribologiczne kompozytów. W kompozytach tego typu (SM, AM) obserwowano znaczące zmniejszenie wartości współczynnika tarcia i jego stabilizację po okresie docierania. Cząstki ceramiczne w kompozycie przyczyniają się również do zwiększenia zużycia materiału współpracującego w węźle tarcia. Zastosowanie zbrojenia o różnej średnicy mogłoby być alternatywnym w stosunku do stosowania węgla szklistego rozwiązaniem pogarszającym odporność na zużycie i przyczyniającym się do intensywnego zużywania materiału współpracującego z kompozytem. LITERATURA [1] Sobczak J.: Perspektywy rozwoju metalowych kompozytów w przemyśle samochodowym, Przegląd Odlewnictwa nr 4, 1999 [2] Allison J. E., Cole G. S.: Metal Matrix Composites in the Automotive Industry. Opportunities and Challenges, Journal of Metals, Jan [3] Noguchi M.: Present and future of composite materials for automotive application in Japan. Proceedings of the IX International Conference on Composite Materials, Woodhead Publishing Ltd, Madrid 1993, [4] Altemate Materials Reduce Weight in Automobiles, Advanced Materiał & Processes, June 1993 [5] Ted Guo M. L., Tsao C.-Y. A.: Tribological behayior of self-lubricating aluminium (SiC) graphite hybrid composites synthesized by the semi-solid powder-desiccations method. Composites Science and Technology 60, 2000 [6] Beffort O.: Metal Matrix Composites (MMCs) from Space to Erth. [7] Jolly M. R.: Opportunities for Aluminium Based Fibrę Reinfoced MMC (FRMMc) in Automotiye Castings. The Fundryman, Noyember, 1990 [8] Ames W., Alpas A. T.: Wear mechanism in hybrid composites of graphite-20 pet SiC in A356 aluminium alloy (Al-7pct Si 0,3 pet Mg. Metallurgical and Materials Transactions A, 26A, No l, 1995, [9] Deuis R. L., Subramanianian C., Yellup J. M.: Abrasiye wear of aluminium composites - a review, Wear 201, Elsevier 1996, p NR INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 103

6 [10] Deuis R. L., Subramanianian C.. Yellup J. M.: Dry sliding wear of aluminium composites - a review. Composites Science and Technology 57, Elsevier 1997, p [11] Posmyk A., Śleziona J., Dolata-Grosz A., Wieczorek J.: Reibungs - und Schmierungsverthalten von Aluminium - legierungen mit einem yerstarkten Oberflachenbereich, Technische Akademie Esslingen, 12th. International Colloguium, January , Tribology Plus [12] Wieczorek J., Dolata-Grosz A., Dyzia M., Śleziona J., Służałek G.: Tribological properties of AK12-metal matrix composites reinforced with ceramic particles, Junior Euromat 02, Lozanna. Szwajcaria, do wglądu na stronie internetowej: [13] Dolata-Grosz A., Śleziona J., Wieczorek J., Dyzia M.: Structure and functional quality properties of composites sleeyes obtaining by centrifugal casting, Acta Metallurgica Slovaca, 8, 2/2002, str [14] Wieczorek J.: Właściwości trybologiczne warstw kompozytowych w odlewach z kompozytu AK12 - cząstki ceramiczne. Rozprawa doktorska, Katowice 2003 [15] Myalski J.: Kształtowanie właściwości skojarzeń ciernych wykorzystaniem materiałów ciernych zawierających węgiel szklisty, Kompozyty 2001, nr l, s [16] Ernst H., Merchant M. E.: Surfach friction between metals. A basie factor in metal cutting process, Proceeding Conf. Friction and Surface Finish, Cambridge, MIT Press, 1940, s [17] Posmyk A., Myalski J., Śleziona J., Grabowski A.: Influence of komponent materiale properties on tribological behavior of composite materiale, Proceeding of Euromat, Monachium, 2002 Zmiany struktury w trakcie odkształcania na gorąco stopu fe-38ai na osnowie uporządkowanego roztworu stałego WPROWADZENIE MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Rozwój przemysłu jest uwarunkowany rozwojem nowych materiałów będących w stanie sprostać coraz to wyższym wymaganiom jakościowym stawianym przez użytkowników. Należy również zwrócić uwagę na koszty wytworzenia nowej generacji materiału, gdyż nierzadko w przypadku bardzo drogich tworzyw konstrukcyjnych ich produkcja na skalę przemysłową jest nieopłacalna. Dlatego też w przypadku takich dziedzin, jak: energetyka, motoryzacja, przemysł spożywczy i inne, obiecujące rezultaty dają badania nad rozwojem stopów na osnowie uporządkowanego roztworu stałego ze szczególnym uwzględnieniem stopów z układu Fe-Al. Stanowią one grupę materiałów pośrednich pomiędzy nadstopami a materiałami ceramicznymi ze względu na występujący w nich mieszany charakter wiązań. Charakteryzuje je wysoka odporność korozyjna w podwyższonej temperaturze (szczególnie w atmosferze utleniającej), niska gęstość, wysoka wartość umownej granicy plastyczności oraz niskie koszty materiałowe związane z niewielkim stężeniem pierwiastków strategicznych. Cechy te predysponują te materiały do wielu zastosowań, m.in. jako alternatywę dla drogich stali o szczególnych właściwościach [1-^5]. Barierą szybkiego rozwoju stopów na osnowie fazy FeAl jest ich niedostateczna plastyczność oraz podatność na kruche pękanie, co w znacznym stopniu ogranicza stosowanie typowych technologii kształtowania, takich jak przeróbka plastyczna. Dotychczas prowadzone badania [6, 7] potwierdzają, iż w przypadku stopów z układu Fe-Al o zawartości 38 % at. Al zastosowanie odkształcenia plastycznego na gorąco oraz odpowiedni dobór parametrów odkształcania pozwala uzyskać wysokie wartości odkształcenia granicznego, co rozszerza zakres możliwości kształtowania ww. stopów. Dlatego też podjęto temat oceny zmian struktury i technologicznej plastyczności stopu na bazie uporządkowanego roztworu stałego Fe-38Al na podstawie przeprowadzonych prób ściskania na gorąco. Dr inż. Magdalena Jabłońska(magdalena.jabłonska@polsl.pl), dr hab. inż. Grzegorz Niewielski, prof. nzw. w Poi. Śl., dr inż. Kinga Rodak - Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Politechnika Śląska Materiał badawczy stanowiły pręty odlewane ze stopu o strukturze uporządkowanego roztworu stałego FeAl o typie uporządkowania B 2 i składzie chemicznym podanym w tabeli l. Tabela 1. Skład chemiczny stopu Fe-38Al Tobie 1. Chemical composition of Fe-38Al alloy (at. %) b _ "'C 3 Dodatki molibdenu i cyrkonu wprowadzono w celu poprawy wytrzymałości oraz odporności na pełzanie w wysokiej temperaturze. Dodatek węgla miał na celu zwiększenie wytrzymałości, a boru poprawę wytrzymałości granic ziarn [8]. Stop przygotowano techniką odlewania do form grafitowych, a następnie poddano ujednorodnianiu w temperaturze 1000 C przez 24 godz. Wstępna ocena mikrostruktury materiału po wyżarzaniu ujawniła zanik niejednorodności struktury pierwotnej. W efekcie uzyskano jednofazową jednorodną strukturę stopu (rys. 1). Średnie pole powierzchni płaskiego przekroju ziarna stopu po procesie wyżarzania ujednoradniającego wynosiło ~3400^m 2. Badania odkształcalności stopu Fe-38Al metodą ściskania na gorąco przeprowadzono na symulatorze odkształceniowym Gleeble 3800 z jednoczesnym zamrażaniem struktury po odkształcaniu. Próbki miały kształt walców o średnicy 010 mm i wysokości h = 12 mm. Próby prowadzono w temperaturze 700 "C, 800 C, 900 C, 1000 C i 1250 C z prędkościami odkształcania = 0,01 s" 1 i e = ls Ściskanie prowadzono do wartości odkształcenia e = 1,1 co odpowiadało wartości gniotu 65%. Wyniki z prób ściskania w postaci danych wartości: siły, temperatury próbki T', naprężenia a, odkształcenia (po obróbce w arkuszu kalkulacyjnym pozwoliły na wyznaczenie krzywych płynięcia w układzie naprężenie a-odkształcenie g. Dla materiału po próbach ściskania dokonano analizy mikrostruktury na przekroju równoległym do osi próbki w odległości około 0,8 promienia próbki. 104 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXVI