MODEL ZUŻYCIA TRIBOLOGICZNEGO ODLEWANYCH KOMPOZYTÓW STOP ALUMINIUM CZĄSTKI CERAMICZNE PRACUJĄCYCH W WARUNKACH TARCIA TECHNICZNIE SUCHEGO

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 177 Jakub WIECZOREK * MODEL ZUŻYCIA TRIBOLOGICZNEGO ODLEWANYCH KOMPOZYTÓW STOP ALUMINIUM CZĄSTKI CERAMICZNE PRACUJĄCYCH W WARUNKACH TARCIA TECHNICZNIE SUCHEGO COMPOSITES MATERIALS REINFORCED CERAMIC PARTICLES WEAR MODEL DURING DRY SLIDING CONDITION Słowa kluczowe: kompozyty metalowe, współczynnik tarcia, zużycie Key words: metal matrix composite, coefficient of friction, wear Streszczenie Kompozyty na osnowie stopów aluminium wzmacniane cząstkami ceramicznymi SiC znajdują zastosowanie w budowie węzłów tarcia wykorzystywanych w przemyśle maszynowym, lotniczym oraz samochodowym. * Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii jakub.wieczorek@polsl.pl, tel

2 178 T R I B O L O G I A Rozmieszczenie cząstek zbrojących w osnowie, ich udział objętościowy, kształt oraz wielkość determinują strukturę, a zatem i właściwości materiału. W artykule przedstawiono możliwości kształtowania rozmieszczenia cząstek w odlewie poprzez zastosowanie odlewania ciśnieniowego. Badaniami objęto kompozyty na osnowie stopu AK12 zbrojonego cząstkami SiC o wielkości 10 µm, 25 µm, 50 µm oraz ich mieszaniną. Właściwości tribologiczne, w skojarzeniu żeliwo kompozyt, badano w warunkach tarcia technicznie suchego, wykorzystując tester T-01. Na podstawie przeprowadzonych badań mikroskopowych i profilografometrycznych powierzchni kompozytów AK12 SiC po współpracy opisano zależność pomiędzy wielkością cząstek zbrojących a geometrią warstwy wierzchniej kompozytu. Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowanie modelu zużycia tribologicznego kompozytu w zależności od wielkości cząstek zbrojących. WPROWADZENIE Postęp w zakresie technologii wytwarzania i kształtowania materiałów pozwala na projektowanie i wytwarzanie elementów części maszyn o właściwościach ściśle skorelowanych z warunkami pracy. Wiedzę na temat kompozytów i ich reakcji w złożonych systemach eksploatacyjnych, często skrajnie niekorzystnych, należy rozwijać, starając się możliwie w pełni określić zespół czynników wpływających na istotę i charakter pracy materiału. Wynika to ze złożoności czynników strukturalnych kształtujących ich właściwości eksploatacyjne. W projektowaniu kompozytu przeznaczonego do współpracy tribologicznej pod uwagę brane są zarówno czynniki zewnętrzne, tzn.: obciążenie, temperatura pracy, rodzaj smarowania lub jego brak, prędkość ruchu, obecność drgań, jak również cechy strukturalne, tzn.: rodzaj osnowy i fazy zbrojącej, udział, wielkość oraz morfologia zbrojenia [L. 1 3]. Każdy z tych czynników oddziałuje bezpośrednio lub pośrednio na trwałość i niezawodność węzła tribologicznego [L. 4 7]. BADANIA Badaniami objęto materiały kompozytowe na osnowie stopu aluminium AlSi12Cu2Ni2Mg4, zbrojonego cząstkami węglika krzemu SiC o wielkości 10 µm, 25 µm, 50 µm oraz mieszaniną tych cząstek (Tabela 1). Kompozyty wytworzono metodą mechanicznego mieszania i ukształto-

3 TRIBOLOGIA 179 wano, stosując technikę odlewania ciśnieniowego, które przeprowadzono na maszynie ciśnieniowej pionowej, zimnokomorowej o sile zwierania 100 t w odlewni PRESS. Tabela 1. Skład fazowy kompozytów AK12 Al2O3 użytych w badaniach Table 1. Phase composition of tested AK12 Al2O3 composites Oznaczenie Stop osnowy S10 S25 S50 SM AlSi12Cu2Ni2Mg4 AlSi12Cu2Ni2Mg4 AlSi12Cu2Ni2Mg4 AlSi12Cu2Ni2Mg4 Rodzaj cząstek zbrojących SiC SiC SiC SiC Średnica cząstek zbrojących µm ; 50; 100 Udział objętościowy cząstek zbrojących % 15% 15% 15% 5% + 5% + 5% Jest to technologia stosowana w produkcji seryjnej, pozwalająca na kształtowanie wyrobów o złożonej geometrii oraz gwarantująca powtarzalność rozkładu zbrojenia [L. 9 11]. Wyniki badań struktury odlewów ciśnieniowych wskazują, że struktura dobrze wykonanego odlewu jest bardzo korzystna, niezależnie od wielkości cząstek wzmacniających. Charakterystyczne dla odlewów ciśnieniowych jest równomierne rozmieszczenie zbrojenia. Kształt zastosowanej formy oraz strukturę uzyskanych odlewów przedstawiono na Rysunku 1. Rys. 1. Kształt badanego odlewu ciśnieniowego i mikrostruktura kompozytów S25 po odlewaniu Fig. 1. Shape of pressure casting used in the research and microstructure of composites S25

4 180 T R I B O L O G I A Dla określenia właściwości tribologicznych wykorzystano krążek z odlewu, którego powierzchnię szlifowano i polerowano. Tak przygotowaną powierzchnię poddano ścieraniu na testerze tribologicznym T-01 typu tarcza trzpień. Przeciwpróbkę w kształcie trzpienia φ = 3 mm i długości 20 mm, wykonano z żeliwa EN-GJ200. Zastosowano: nacisk 5 MPa, prędkość obrotową 5 m/s, drogę tarcia 5000 m. W trakcie badania rejestrowano w sposób ciągły zmianę współczynnika tarcia. Powstały na powierzchni kompozytowego dysku ślad wytarcia poddano badaniom mikroskopowym i profilografometrycznym. Jak wynika z przeprowadzonych badań, współczynnik tarcia w badanym układzie tribologicznym powiększa się wraz ze zwiększeniem wymiarów cząstek zbrojących SiC (Rys. 2). 0,5 0,45 współczynnik tarcia, m 0,4 0,35 0,3 S50 SM S25 S10 0, droga, m Rys. 2. Wykres współczynnika tarcia w funkcji drogi w warunkach tarcia technicznie suchego Fig. 2. Diagram of friction coefficient dependent on track in dry sliding condition Ślad wytarcia kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 10 µm przedstawiony na Rysunku 3a wskazuje na łagodny przebieg procesu zużycia. Na powierzchni nie zaobserwowano żadnych wyraźnych oznak wyrywania cząstek zbrojących. Ślad wytarcia jest regularny, o czym świadczy mała wartość Ra = 2,25 µm. Analiza śladu wytarcia dla kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 25 µm (Rys. 3b) wskazuje na podobny, jak w poprzednim przypadku, łagodny charakter zużywania. Zwiększa się jednak wartość parametrów chropowatości powierzchni do Ra = 2,27 µm, co daje znikomo mały

5 T R I B O L O G I A 181 przyrost w stosunku do profilu kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 10 µm. Przedstawiony na Rysunku 3c obraz 3D śladu wytarcia kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 50 µm ma odmienny charakter od prezentowanych wcześniej, można zaobserwować głębsze, nieregularne ślady zużycia (bruzdy). Ślad taki mógł być spowodowany wyrwaniem cząstek zbrojących wyrwana cząstka może stanowić element skrawający powierzchnie kompozytu i przeciwpróbki. Porównując wyniki pomiarów geometrii powierzchni z charakterystykami trybologicznymi badanych materiałów, widoczne jest, że ze zwiększeniem wymiarów cząstek zbrojących rośnie stopień rozwinięcia powierzchni, powiększa się wartość współczynnika tarcia i rośnie zużycie. a) b c) d) Rys. 3. Obraz 3D śladu wytarcia: a) kompozyt S10, b) kompozyt S25, c) kompozyt S50, d) kompozyt SM Fig. 3. Picture 3D wear trace: a) S10 composite, b) S25 composite, c) S50 composite, d) SM composite MODEL ZUŻYCIA KOMPOZYTÓW Model obejmuje kolejne etapy zużycia, począwszy od docierania aż do warunków ustalonej współpracy. Przedstawiono w nim charakterystyczne zjawiska wywołane tarciem, jak: wyrywanie cząstek zbrojących, odkształcenie plastyczne osnowy, abrazyjne zużycie żeliwnej próbki i kompozytu oraz kruszenie cząstek w trakcie współpracy. Przedstawiono również różnice w charakterze zużycia, wynikające z wielkości zastosowanych cząstek zbrojących. Model dla kompozytu z cząstkami o rozmiarach do 50 µm przedstawiony na Rysunku 4 obejmuje cztery etapy:

6 182 T R I B O L O G I A Etap I początek współpracy, w którym powierzchnia żeliwa opiera się na wystających po polerowaniu cząstkach zbrojących. Wstępnie bruzdowanie żeliwnej powierzchni (docieranie). Etap II dzięki dopasowaniu w procesie docierania zwiększa się pole kontaktu pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Na tym etapie następuje zmniejszenie i ustabilizowanie współczynnika tarcia. Powstałe nierówności na powierzchni żeliwnej przeciwpróbki oddziałują ze zbrojeniem i osnową, wywołując ich stopniowe abrazyjne zużycie. Rys. 4. Model zużycia materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami o średnicy do 50 µm podczas tarcia technicznie suchego Fig. 4. Composites materials reinforced particles to 50 µm diameter wear model during dry sliding condition Etap III etap ten należy podzielić na dwie odmiany A i B. Dla A mamy do czynienia z wyrwaniem cząstki zbrojącej i intensyfikacją procesu zużycia przez jej dodatkowe oddziaływanie z powierzchniami trącymi. Może to skutkować osadzeniem cząstki w powierzchni żeliwa i zwiększeniem efektu abrazyjnego zużycia kompozytu lub jej luźnym przetaczaniem między współpracującymi powierzchniami. Przetaczana cząstka wywoływać może zarysowanie każdej z powierzchni współpracującej lub plastyczne odkształcenie niezbrojonych fragmentów osnowy. Z czasem cząstka ulega kruszeniu i usunięciu. W odmianie B dochodzi do wgniatania cząstki zbrojącej w osnowę. W wyniku tego może dojść do adhezyjnego sczepienia fragmentu osnowy kompozytu z żeliwem, co

7 T R I B O L O G I A 183 w konsekwencji prowadzi do wyrwania lub plastycznego odkształcenia osnowy obserwowanego jako rozmazywanie na powierzchni tarcia. Etap IV można go opisać jako powrót do ustalonego charakteru współpracy po zaburzeniach z poprzedniego etapu. Charakterystyczne zjawiska na tym etapie to stopniowe wyrównywanie powierzchni kompozytu poprzez plastyczne odkształcenie obszaru po wyrwanej cząstce i odsłanianie kolejnych cząstek zbrojących poprzez abrazyjne zużycie osnowy. Zjawiska zachodzące na III i IV etapie należy uznać za typowe dla ustalonej charakterystyki tarcia, powtarzające się cyklicznie w miarę zużycia materiałów w trakcie eksploatacji. Model zużycia dla kompozytów zbrojonych cząstkami o rozmiarach większych niż 50 µm lub mieszaniną cząstek o różnych wielkościach przedstawiono na Rysunku 5. Rys. 5. Model zużycia materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami o średnicy powyżej 50 µm podczas tarcia technicznie suchego Fig. 5. Composites materials reinforced particles above 50 µm diameter wear model during dry sliding condition W modelu tym obok opisanych wcześniej zjawisk można wskazać dodatkowy mechanizm zużycia nierejestrowany w przypadku cząstek o mniejszej średnicy. Polega on na kruszeniu dużych cząstek i przebiega wg następujących etapów: Etap I dotarcie współpracujących powierzchni, abrazyjne zużycie żeliwa i kompozytu.

8 184 T R I B O L O G I A Etap II pękanie cząstek zbrojących. Popękana cząstka pozostaje osadzona w osnowie tak długo aż nie zostanie uwolniona przez zużycie osnowy wokół niej. Etap III uwolnienie fragmentów rozkruszonej cząstki, które zachowują się jak pojedyncza wyrwana cząstka. Ich oddziaływanie przedstawiono w modelu wcześniejszym na etapie III. Etap IV wyrównywanie obszaru po wyrwanej cząstce, plastyczne odkształcenie i stopniowe abrazyjne zużycie osnowy prowadzące do odsłonięcia kolejnych cząstek. Opisany w tym modelu proces zużycia kompozytu zbrojonego cząstkami dużymi można ograniczyć stosując mieszaninę cząstek o różnej średnicy. Naciski wywołujące pękanie dużych cząstek rozkładają się wówczas na sąsiadujące z nimi cząstki o mniejszych rozmiarach, co zmniejsza proces zużycia. Badania realizowane w ramach Projektu nr POIG /08 w Programie operacyjnym innowacyjna gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez UE ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA 1. Deuis R.L., Subramanianian C., Yellup J.M.: Dry sliding wear of aluminium composites a review. Composites Science and Technology 57, Elsevier 1997, p Hutchings I.M., Wang A.: Proc. Conf. Metal and ceramic Matrix Composites. Processing, Modeling and Mechanical Behavior. Anaheim 1990, TMS 1990, p Górny Z., Sobczak J.: Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych, Kraków Wieczorek J., Dolata, Grosz A., Dyzia M., Śleziona J.: Właściwości tribologiczne kompozytowych materiałów o osnowie stopu aluminium AK12 zbrojonych cząstkami ceramicznymi. Kompozyty nr 2, 2002, s Dolata-Grosz A., Śleziona J., Wieczorek J., Dyzia M.: Structure and functional quality properties of composites sleeves obtaining by centrifugal casting, Acta Metallurgica Slovaca, 8, 2/2002, s Posmyk A., Śleziona J., Grosz A., Wieczorek J.: Reibungs und Schmierungsverthalten von Aluminium legierungen mit einem verstärkten Oberflächenbereich, Technische Akademie Esslingen, 12th. International Colloρuium January 11 13, 2000, Tribology 2000.

9 T R I B O L O G I A Wieczorek J., Dolata-Grosz A., Śleziona J., Dyzia M., Służałek G.: Composites Tribological Properties of AK12 Metal Matrix Composites Reinforced with Ceramic Particles, Junior Euromat 2002, Lozanna. Summary Recenzent: Tomasz BUDZYNOWSKI Aluminium based metal matrix composites are well known for their good wear and erosion resistance, high specific strength, stiffness and hardness. They have found applications within the aerospace, military but especially in the automotive industries. The distribution of particles, their size and shape, and volume fraction together with production method determine the structure and properties of the composite. Trials of pressure die casting of AK12 15%SiC were carried out using a cold-chamber pressure machine of pressure force 100 t, in PRESS company, Poland. The article presents the results of the research on composites MMC`s reinforced SiC particles after mating in technically dry sliding conditions. Matrix alloy composites AK12 reinforced with SiC particles (10, 25, 50 µm) were tested after collaboration with cast iron. The friction coefficient value and wear resistance in investigated MMC`s depend on particle size used as a reinforcement. The friction coefficient and wear value decrease with the reduction of particles diameter.