BIODEGRADOWALNE CIECZE CHŁODZĄCO-SMARUJĄCE W SYSTEMACH TRIBOLOGICZNYCH Z POWŁOKAMI DIAMENTOPODOBNYMI

Transkrypt

1 DOI:.784/mechnik Prof. dr h. inż. Driusz OZIMINA, mgr inż. Jonn KOWALCZYK, dr h. inż. Monik MADEJ, dr inż. Łuksz NOWAKOWSKI, dr inż. Justyn KASIŃSKA (Politechnik Świętokrzysk): BIODEGRADOWALNE CIECZE CHŁODZĄCO-SMARUJĄCE W SYSTEMACH TRIBOLOGICZNYCH Z POWŁOKAMI DIAMENTOPODOBNYMI Streszczenie Przedstwiono wpływ iodegrdowlnej cieczy chłodząco-smrującej n zużywnie się powłok dimentopodonych typu -C:H. Wykonno dni triologiczne orz pomiry kąt zwilżni cieczy orókowej n trczy niepowleknej i z powłoką DLC. Przeprowdzono oserwcje struktury, tkże nlizę EDS powłoki DLC n skningowym mikroskopie elektronowym, strukturę geometryczną powierzchni przed testmi orz po testch triologicznych zdno z pomocą profilometru optycznego. Bdni wykzły, że użyt do dń ciecz chłodząco-smrując doskonle spełni swoje funkcje. p) Słow kluczowe: iodegrdowlne ciecze chłodząco-smrujące, powłoki DLC, trcie, zużycie BIODEGRADABLE CUTTING FLUIDS IN TRIBOLOGICAL SYSTEMS WITH DIAMOND-LIKE COATINGS Astrct The pper presents the impct of iodegrdle cutting fluid on the wer of dimond-like cron cotings of the -C:H type. The triologicl tests s well s wetting ngle mesurements of the cutting fluid on oth uncoted nd DLC-coted disc were performed. An oservtion of the coting structure ws crried out using scnning electron microscope SEM JSM - 7F. Anlysis of the geometric structure of the surfce efore nd fter triologicl tests were performed opticl profilometer Tlysurf CCI Lite. The tests hve shown tht the cutting fluid used for the tests performs its functions excellently. Keywords: iodegrdle cutting fluids, DLC cotings, friction, wer p p p p p p

2 BIODEGRADOWALNE CIECZE CHŁODZĄCO-SMARUJĄCE W SYSTEMACH TRIBOTECHNOLOGICZNYCH Z POWŁOKAMI DIAMENTOPODOBNYMI (tytuł refertu punktów, odstęp między wierszmi punktów, czconk pogruion) p Driusz OZIMINA, Jonn KOWALCZYK, Monik MADEJ, Łuksz NOWAKOWSKI, Justyn KASIŃSKA punktów). WPROWADZENIE 9p W procesie oróki skrwniem wżną rolę spełniją ciecze chłodząco-smrujące. Mją one wpływ m. in. n zmniejszenie trci, chłodzenie orinego przedmiotu orz odprowdznie wiórów. Pondto zmniejszją zużycie nrzędzi, umożliwiją otrzymnie lepszej jkości orinych powierzchni orz chronią je przed korozją, tkże minimlizują siły tnące oszczędzjąc energię [, 4, 7,, 6]. Oecnie stosowne w przemyśle ciecze orókowe są nieezpieczne dl ludzi orz środowisk. Mogą one wywoływć rekcje lergiczne, zpleni skóry, podrżnieni oczu, nwet nowotwory. Odpdy cieczy orókowych znieczyszczją wody powierzchniowe i gruntowe. Powżnym wyzwniem jest utylizcj i/lu recyrkulcj zużytego płynu orókowego. W związku, z czym nowoczesne ciecze orókowe powinny yć cłkowicie ezpieczne, tkże iodegrdowlne [, 4, ]. Podczs oróki skrwniem możn stosowć minimlną ilość cieczy orókowej MQL, któr przyczyni się do ochrony środowisk, poprwy wrunków prcy i ekonomii oróki. Jest to możliwe dzięki nnoszeniu n nrzędzi skrwjące cienkich powłok dimentopodonych DLC [4, 6, 7, 9,,, ]. Nrzędzi te mją doskonłe włściwości triologiczne - niskotrciowe, przeciwzużyciowe, dużą twrdość orz stilność termiczną, dore odprowdznie ciepł, odporność n ściernie orz korozję, co z tym idzie przedłużją czs użytkowni nrzędzi [,,, 8, 9,,, 4].. CEL BADAŃ Celem dń yło wykznie, że iodegrdowlne ciecze chłodząco-smrujące nowej genercji mogą yć zstosowne do oróki metli nrzędzimi pokrytymi powłokmi dimentopodonymi. Jko sustncję smrującą użyto ciecz chłodzącosmrującą w skłd, której wchodzi m.in.: orn lknolominy, iodegrdowlny Ktedr Technologii Mechnicznej i Metrologii, Wydził Mechtroniki i Budowy Mszyn Politechniki Świętokrzyskiej Ktedr Technologii Mechnicznej i Metrologii, Wydził Mechtroniki i Budowy Mszyn Politechniki Świętokrzyskiej Ktedr Technik Komputerowych i Uzrojeni Politechniki Świętokrzyskiej

3 polimer - sprginin cynku orz wod deminerlizown DEMI. Do dń wyselekcjonowne zostły powłoki DLC typu -C:H nniesione techniką chemicznego osdzni z fzy gzowej wspomgnego plzmą PACVD.. APARATURA I METODYKA BADAŃ 9 Pomiry kąt zwilżni wykonno z pomocą urządzeni KSV CAM wrz z urządzeniem chłodniczym JULABO (rys. ). Do dń użyto: wody destylownej i cieczy chłodząco-smrującej o różnych stężenich vol. %, % orz %. Krople nkłdno n metlowe próki ze stli HS6--C ez powłoki i z powłoką -C:H. Rys.. Kąt zwilżni: ) urządzenie KSV CAM z komorą termosttyczną, ) widok okn progrmu Bdni triologiczne zrelizowno n testerze T-M prcującym w skojrzeniu kul trcz. Trcze yły wykonne ze stli nrzędziowej HS6--C ez powłoki i z nniesioną powłoką dimentopodoną typu -C:H, kule ze stli Cr6. Testy zrelizowno przy stłej prędkości ślizgni równej, m/s, ociążeniu N orz N, n drodze trci równej m w wrunkch trci technicznie suchego i ze smrowniem iodegrdowlną cieczą chłodząco-smrującą zwierjącą dodtek % vol. wodnego roztworu sprgininu cynku. Doświdczeni wykonno w tmosferze lortoryjnej przy wilgotności względnej ±% orz temperturze ±ºC. Z pomocą skningowego mikroskopu elektronowego JSM 7F wyposżonego w mikronliztor rentgenowski EDS oserwowno przekroje poprzeczne orz przeprowdzono identyfikcję pierwistków ędących skłdnikmi powłok DLC. Przy użyciu profilometru optycznego Tlysurf CCI Lite wykonno nlizę struktury geometrycznej powierzchni próek i przeciwpróek przed orz po testch triologicznych. Bdni te wykonno w Lortorium Komputerowych Pomirów Wielkości Geometrycznych Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcch. 4. WYNIKI BADAŃ 9 N rysunku przedstwiono wyniki dń kąt zwilżni powierzchni trcz ze stli HS6--C ez powłoki orz z powłoką -C:H. Mniejszy kąt zwilżni zoserwowno dl trczy z powłoką DLC zrówno dl wody destylownej, jk i dnej cieczy chłodząco-smrującej CCS o różnych stężenich. Wyjątek stnowił % ciecz orókow, gdzie mniejszy kąt zwilżni odnotowno dl trczy ez nniesionej

4 powłoki DLC. Niskie wrtości kąt zwilżni (< 9 ) wskzują, że płyn dorze nwilż i smruje powierzchnie poddwne oróce []. Rys.. Kąt zwilżni powierzchni trcz ze stli HS6--C ez i z nniesioną powłoką -C:H Rysunek prezentuje współczynniki trci zrejestrowne podczs dń triologicznych z użyciem dnego chłodziw o stężeniu % dl skojrzeni stl HS6--C stl Cr6 orz powłok -C:H stl Cr6 przy ociążeniu L = N. Anlizując wykres możn zoserwowć, że współczynnik trci dl węzł trci stl HS6--C stl Cr6 wzrstł n początku testu, nstępnie mlł do końc testu osiągjąc wrtość.9. Ntomist dl skojrzeni powłok -C:H stl Cr6 współczynnik trci n początku testu wzrstł, po czym mlł, później stopniowo przyrstł i w końcowej fzie testu wyniósł.. Stosując dną ciecz dl skojrzeni z powłoką DLC zoserwowno mniejszy orz rdziej ustilizowny chrkter krzywej orzującej współczynnik trci niż dl skojrzeni ez powłoki. Anlizując współczynnik trci z użyciem cieczy orókowej przy ociążeniu N dl skojrzeni stl HS6--C stl Cr6 (rys. ) odnotowno wzrost, nstępnie spdek, n końcu testu współczynnik trci osiągnął wrtość.. Z kolei dl skojrzeni powłok -C:H stl Cr6 współczynnik trci n początku testu wzrósł, po czym mlł, znów stopniowo wzrstł, w końcowej fzie testu wyniósł.. Z przeprowdzonych testów możn zoserwowć, że rdziej ustilizowny przeieg współczynnik trci odnotowno dl skojrzeni z powłoką DLC, choć n końcu trwni testu osiągnął tą smą wrtość, jk w węźle trci ez powłoki DLC typu -C:H. Rys.. Współczynniki trci ze smrowniem cieczą chłodząco-smrującą. Tester T-M. Ociążenie: ) L = N, ) L = N N rysunku 4 przedstwiono orzy SEM powłoki dimentopodonej. Zdjęcie 4

5 orzuje przekrój poprzeczny powłoki -C:H osdzonej n stli HS6--C, której gruość wynosi,68. Anliz EDS (rys. 4) wykzł, że wrstwę między podłożem powłoką dimentopodoną stnowił chrom, który zpewnił dorą dhezję do podłoż [9] () um Rys. 4. SEM: ) przekrój poprzeczny powłoki -C:H, ) nliz EDS -. x=8.84 y =4.8 z=-.6 N rysunku i 6 przedstwiono topogrfię orz profil chropowtości powierzchni trcz ez powłoki i z nniesioną powłoką -C:H przed testmi triologicznymi Rys.. Topogrfi powierzchni trczy ze stli HS6--C: ) ez powłoki, ) z powłoką -C:H Dlug osc =.66 m m Pt =.8 64 µ m 4.7 Sk l =. µ m () Dlugosc =.66 Pt =.6746 Skl = m m 8 Dlugosc = Pt =.747 Skl = % % % Rys. 6. Profil powierzchni trczy ze stli HS6--C: ) ez powłoki, ) z powłoką -C:H % zirn/ Histogrm zliczeń pików

6 Dlugosc =.66 m m Pt = Skl = Pt = Dlug osc = S kl = c d Rys. 7. Topogrfi powierzchni trczy ze stli HS6--C: ) ez powłoki, L = N, ) z powłoką -C:H,.9 L = N, c) ez powłoki, L = N, d) z powłoką -C:H, L = N współprcującą z kulą ze stli Cr Dl ug osc =.66 m m Pt = Skl =..7 Dl ugosc =.66. Pt =.9. Skl = m m Dlugosc =.669 Pt =.7 Skl = m m Dlugosc =.66 Pt =.9676 Skl = Dlugosc =.66 Pt =.9 Skl = c.6 Dlugosc =.66 Pt =.79 Skl = d Rys. 8. Profil powierzchni trczy ze stli HS6--C: ) ez powłoki, L = N, ) z powłoką -C:H, L = N, c) ez powłoki, L = N, d) z powłoką -C:H, L = N współprcującą z kulą ze stli Cr N rysunkch 7 przedstwiono strukturę geometryczną powierzchni trcz orz kul po testch triologicznych dl dnych skojrzeń trących. Z nlizy porównwczej profilów chropowtości sporządzonych dl trcz po testch triologicznych przy ociążeniu N i N wynik, że dl trczy ze stli HS6--C (SW7M) w skojrzeniu ze stlową kulą zoserwowno zużycie w postci wgłęieni o wysokości nlogicznie ok., i,. Ntomist n trczch z powłoką -C:H po testch triologicznych zoserwowno niewielkie żłoieni. Ozncz to, że powłok -C:H jest rdziej odporn n zużywnie. Porównując profile ksztłtu kul (rys. ) mniejszy promień wytrci koł ogrniczjącego odcinek kuli o ok. % orz głdszą powierzchnię odnotowno w skojrzeniu z powłoką -C:H niż w skojrzeniu z trczą ez powłoki % %

7 Dlu g osc = m m Pt = S k l = m m c d Rys. 9. Topogrfi powierzchni kuli ze stli Cr6 współprcującej z trczą ze stli HS6--C: ) ez powłoki, L = N, ) z powłoką -C:H, L = N, c) ez powłoki, L = N, d) z powłoką -C:H, L = N m m Dlugosc =.66. Pt =.669 Skl = Dlugosc =.999 Pt = 9.96 Skl = Dlugosc =. Pt =. Skl = m m Dlugosc =.66 Pt =.6 Skl = c d Rys.. Profil ksztłtu kuli ze stli Cr6 współprcującej z trczą ze stli HS6--C: ) ez powłoki, L = N, ) z powłoką -C:H, L = N, c) ez powłoki, L = N, d) z powłoką -C:H, L = N Digrmy n rysunkch i przedstwiją prmetry chropowtości trcz ze stli HS6--C ez powłoki orz z nniesioną powłoką -C:H po testch triologicznych. Njwiększe rozrzuty wysokości zoserwowno dl prmetrów Sq orz Sv przy ociążeniu N, ntomist przy ociążeniu N yły to prmetry mplitudowe: Ssk i Sku. Prmetry te są wrżliwe n chrkterystyczne wzniesieni, wgłęieni, tkże defekty. Wrtości prmetrów Ssk, w przypdku trcz po testch triologicznych mją wrtości ujemne, świdczy to o płskowyżowym uksztłtowniu ich powierzchni. Ntomist prmetr Sku jest mirą smukłości krzywej rozkłdu rzędnych. Dl normlnego rozkłdu rzędnych Sku =. Uzyskne wrtości kurtozy świdczą, że rozkłdy rzędnych dl ou trcz nie są zliżone do rozkłdu normlnego. N wykresie Sku/* ozncz wrtość prmetru podzieloną przez.

8 Rys.. Prmetry chropowtości trcz ze stli HS6--C ez orz z powłoką -C:H po testch triologicznych. Ociążenie: ) L = N, ) L = N. PODSUMOWANIE 9p Biodegrdowlne ciecze orókowe stnowiące funkcje płynów eksplotcyjnego orz powłoki dimentopodone stnowią stle rozwijjący się, ktulny oszr nukowo-dwczy. Reprezentują one mteriły nowej genercji stosowne w systemch triotechnologicznych. N podstwie przeprowdzonych dń sformułowno nstępujące wnioski:. Bdnie kąt zwilżni pozwoliło ustlić, że dl wody deminerlizownej jest on większy niż dl modelowej cieczy chłodząco-smrującej.. Zoserwowno, że dl elementu z powłoką -C:H kąt zwilżni jest mniejszy niż dl stli HS6--C.. Wyniki z nlizy skłdu chemicznego EDS wykzły zgodność udowy powłok z zkłdną podczs procesów ich wytwrzni. 4. Powłok typu -C:H chrkteryzuje się lepszymi prmetrmi struktury geometrycznej powierzchni i wykzuje lepsze włściwości przeciwzużyciowe niż stl HS6--C.. Zstosownie iodegrdowlnej cieczy orókowej z sprgininem cynku zpewniło stilną prcę systemu triotechnologicznego orz ze względu n swoje włściwości użytkowe gwrntują ezpieczną prcę opertorów tokrek. 6. Bdn iodegrdowln ciecz chłodząco-smrując tworzy wrstwy grniczne, które zmniejszją opory trci, tym smym zużywnie energii podczs prcy systemu triotechnologicznego. 7. N podstwie przeprowdzonych dń triologicznych możn wnioskowć, że zstosownie cieczy iodegrdowlnej nowej genercji do oróki metli orz nrzędzi pokrytych powłokmi dimentopodonymi -C:H znjduje pełne uzsdnienie. LITERATURA 9 [] [] [] Admczk S., Rdziszewski L., Selected Prolems of Modeling nd Control in Mechnic, Kielce, Wydwnictwo Politechniki Świętokrzyskiej,. Astkhov V. P., Joksch S., Metlworking fluids (MWFs) for cutting nd grinding. Fundmentls nd recent dvntges, United Kingdom, Woodhed Pulishing,. Cloutier M., Hrnge C., Hle P., Seddiki O., Rosei F., Mntovni D., Long-termstility of hydrogented DLC cotings: Effects of ging on the structurl, chemicl nd mechnicl

9 [4] [] [6] [7] [8] [9] [] [] [] [] [4] [] [6] properties, Dimond nd Relted Mterils, 48, 4, 6 7. Dixit, U.S., Srm, D.K., Dvim, J. P. Environmentlly Friendly Mchining, London, Springer,. Hssn M., Qyyum A., Ahmd S., Mhmood S., Shfiq M., Zkullh M., Lee P., Rwt R.S., DLC coting on stinless steel y pulsed methne dischrge in repetitive plsm focus, Applied Surfce Science,, 4, Hu Z., Wielge H., Vollertsen F., Economic micro forming using dlc- nd tincoted tools, Journl for Technology of Plsticity, 6/,, 9. Klocke F., Mnufcturing Processes, Berlin, Springer,. Mdej M., Włściwości systemów triologicznych z powłokmi dimentopodonymi, M46, Kielce, Wydwnictwo Politechniki Świętokrzyskiej,. Mdej M., Mrczewsk-Boczkowsk K., Ozimin D., Wpływ wolfrmu n odporność powłok dimentopodonych stosownych w przemyśle chemicznym, W: Przemysł Chemiczny, M. Mdej (red.), 9/4, 4,. Miko E., Nowkowski Ł., Pomir minimlnej gruości wrstwy skrwnej dl procesu frezowni czołowego. W: Mechnik, M. Miko (red.), 7,,. Njih M.S., Rhmn M.M., A computtionl fluid dynmics nlysis of single nd three nozzles minimum quntity luricnt flow for milling. W: Interntionl Journl of Automotive nd Mechnicl Engineering, M.S. Njih (red.),, 4, Ozimin D., Prezciwzużyciowe wrstwy wierzchnie w ukłdch triologicznych, M48, Kielce, Wydwnictwo Politechniki Świętokrzyskiej,. Ozimin D., Eksplotcj systemów triologicznych. Tom I. Znczenie triologii w eksplotcji oiektów technicznych, M48, Kielce, Wydwnictwo Politechniki Świętokrzyskiej,. Ozimin D., Mdej M., Kowlczyk J., Suchnek J., Tticek F., Kolriikov M., Zużycie powłok dimentopodonych w zleżności od kompozycji powłokowej i mteriłów pry trącej. W: Triologi, D. Ozimin (red.),,, Smith G. T., Cutting Tool Technology. Industril Hndook, London, Springer, 8. Trent E., Wright P., Metl Cutting, United Sttes of Americ, Butterworth-Heinemnn,.