ZUŻYCIE ŚCIERNE STOPU AK7 PO OBRÓBCE MODYFIKATOREM HOMOGENICZNYM

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 97 Tomasz LIPIŃSKI Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn ZUŻYCIE ŚCIERNE STOPU AK7 PO OBRÓBCE MODYFIKATOREM HOMOGENICZNYM Słowa kluczowe Stopy Al, modyfikacja, siluminy. Streszczenie W pracy przedstawiono wartości zużycia ściernego, uzyskane na aparacie Schoppera, stopu AK7 po obróbce modyfikatorem otrzymanym z obrabianego stopu. Wprowadzenie Podeutektyczne stopy Al-Si posiadają strukturę złożoną z eutektyki (α+β) oraz fazy α. Budowa ta nie stawia tych stopów w grupie materiałów odpornych na ścieranie. Jednakże ich zastosowanie techniczne wymusza prace nad poprawą tej cechy. W klasycznej teorii zużywania ściernego odporność na ścieranie wiąże się z twardością [1]. Twardości siluminów, przy zachowaniu w stopie odpowiedniego udziału Al w stosunku do Si, można zwiększyć, m.in. poprzez przesycanie lub przez rozdrobnienie ziarna odpowiednio dobraną obróbką, jak modyfikacja czy szybkie studzenie. Innym sposobem zwiększenia odporności na zużycie ścierne może być wprowadzenie do struktury twardych cząstek pierwiastków i związków chemicznych w procesie metalurgicznym. Należy tu zauważyć, że tak otrzyma-

2 98 PROBLEMY EKSPLOATACJI ny stop nie będzie mógł pracować w obecności sypkich i płynnych ośrodków. Równomiernie rozłożone obciążenie będzie powodowało zużycie miękkiej osnowy, prowadzące do utraty połączenia twardej cząstki z osnową. Właściwości stopów na bazie aluminium nie sprzyjają również wprowadzeniu, na drodze metalurgicznej, zbyt szerokiej gamy pierwiastków. Są to stopy charakteryzujące się stosunkowo niską zwilżalnością [2, 3]. Stopy aluminium z dodatkowo wprowadzonymi pierwiastkami i związkami chemicznymi, wymuszają na etapie ich recyklingu szczególnej uwagi, ze względu na wprowadzone wcześniej pierwiastki, które w procesie odzyskiwania stopów stanowią zanieczyszczenia. Zmniejszenie zużycia ściernego można osiągnąć również poprzez odpowiednie kształtowanie struktury eutektyki (α+β) oraz roztworu stałego α. Twarde kryształy roztworu stałego aluminium w krzemie stanowią główną podstawę odporności siluminu na zużycie ścierne. Biorąc pod uwagę powyższe właściwości, postanowiono podjąć próbę dobrania takiej ekologicznej obróbki stopu Al (na etapie jego wytwarzania), aby uzyskać dzięki niej możliwości kształtowania odporności na zużycie ścierne stopu poprzez oddziaływanie na jego strukturę. Do modyfikacji stopu AK7 użyto modyfikatorów homogenicznych przygotowanych z tych samych stopów, do obróbki których były przeznaczone. Przygotowanie ich polegało na doprowadzeniu stopu do stanu ciekłego, a następnie poddanie cieczy studzeniu z trzema prędkościami: v 1 = 100 o C/s, v 2 = 200 o C/s i v 3 = 300 o C/s. Stop topiono w tyglu ze stali stopowej 304 umieszczonym w piecu indukcyjnym typu HV (produkcji niemieckiej). Częstotliwość prądu pieca wynosiła 10 khz, zaś moc maksymalna 50 kw. W ten sposób przygotowano trzy różne składniki (odpowiednio dla przyjętych prędkości v 1, v 2 i v 3 ), które rozdrabniano bezpośrednio przed ich wprowadzeniem do stopu. Składniki dodawano do tygla z ciekłym stopem o temperaturze 850 o C i przetrzymywano w tej temperaturze przez 1 min. Udział masowy wprowadzonych składników, w odniesieniu do masy obrobionego stopu, przedstawiono w tab. 1. Punkty planu badań realizowano dwukrotnie. Biorąc pod uwagę możliwość różnego przebiegu procesu krystalizacji stopu, otrzymane wartości odnoszono do wartości analizowanego parametru odlewu wykonanego bez wprowadzenia modyfikatora homogenicznego otrzymanego w warunkach, w których prowadzono badania nad modyfikacją stopu. Wykonywano po dwa wytopy porównawcze, rozpoczynający i kończący badania. Tak obrobionym stopem zalewano formę. Formowanie przeprowadzono ręcznie w odpowiedniej masie. Schemat formy przedstawiono na rys. 1.

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI 99 Tabela 1. Udziały masowe modyfikatora homogenicznego Nr wytopu Parametr studzenia Modyfikatora, v Udział masowy modyfikatora Zużycie ścierne, Zs o C/s % g s a) b) Rys. 1. Schemat formy odlewniczej: a) przekrój, b) widok z góry: 1 zbiornik wlewowy, 2 wlew doprowadzający, 3 forma, 4 próbka do badań

4 100 PROBLEMY EKSPLOATACJI Badanie zużycia ściernego przeprowadzono na aparacie Schoppera, stosując przeciwpróbkę (płótno ścierne) pokrytą elektrokorundem o ziarnistości 400, przy następujących parametrach: średnica przeciwpróbki φ = 0,158 m obroty przeciwpróbki n 1 = 14,1 obr/min. obroty próbki n 2 = 0 obr/min. siła docisku próbki F = 200 N nacisk jednostkowy na powierzchnię roboczą próbki N = 3,9 MPa droga tarcia l = 400 m prędkość tarcia v t = 0,12 m/s Powierzchnie robocze próbek, przeznaczonych do badań zużycia ściernego, wyprofilowano do krzywizny przeciwpróbki poprzez szlifowanie, w celu zapewnienia jednakowej powierzchni styku podczas badania oraz uzyskania jednakowych chropowatości powierzchni roboczych. Po szlifowaniu powierzchnie robocze oczyszczono alkoholem etylowym. Pomiaru zużycia ściernego próbek dokonano wagowo, wyznaczając całkowity ubytek masy próbki w procesie tarcia, z dokładnością ±0,0005 g. Do określenia ubytku masy posłużono się wagą WA-21 (produkcji Zakładu Mechaniki Precyzyjnej. Do analizy zużycia przyjęto wartości średnie z pięciu pomiarów). Badania strukturalne przeprowadzono na mikroskopie optycznym OLYM- PUS IX70 z programem OLYMPUS DP-SOFT oraz programem MultiScan przy powiększeniach 2,5-1000x. Próbki do badań metalograficznych pobierano z dolnej części próbki przeznaczonej do badania zużycia ściernego. Zgłady trawiono 10% HF. Zużycie ścierne dla stopu AK7, odlanego bez modyfikacji składnikami stopowymi, wyniosło 0,401 g. Po obróbce z udziałem 0,2% modyfikatora AK7, studzonego z prędkością 100 C/s (rys. 2), zużycie ścierne zmalało do 0,392 g. Po zwiększeniu ilości modyfikatora homogenicznego do 0,4, Zs = 0,384 g, zaś dla 0,6% modyfikatora zużycie wyniosło 0,375 g. Zwiększając udział modyfikatora homogenicznego do 0,8% odnotowano zmniejszenie zużycia do 0,368 g, zaś po obróbce z udziałem 1,0% modyfikatora, zużycie Zs = 0,361 g. Dla tego modyfikatora różnice w zużyciu wahają się w granicach zaledwie 2 10%. Po obróbce stopu AK7 z udziałem 0,2% modyfikatora homogenicznego studzonego z prędkością 200 C/s, zs = 0,388 g. Po obróbce z udziałem 0,4 i 0,6% modyfikatora homogenicznego zużycie różni się o 0,003 g i wynosi odpowiednio 0,379 i 0,376 g. Po zwiększeniu udziału modyfikatora homogenicznego odnotowano zmniejszenie zużycia odpowiednio dla 0,8 i 1,0% do 0,363 i 0,351 g. Zakres zmian dla tego modyfikatora wyniósł 3 12% (rys. 3).

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI 101 Zs Zs [g] 0,42 0,35 0,28 0,21 0,14 0, ,0 0, ,4 0, , ,0 Udział masowy modyfikatora ]%] Udział masowy [%] Rys. 2. Histogram zużycia ściernego (Zs) stopu AK7 po obróbce modyfikatorem homogenicznym studzonym z v 1 = 100 o C/s (wg tab. 1) Zs [g] Zs [g] 0,42 0,35 0,28 0,21 0,14 0, , , ,4 0, , ,0 Udział Udział masowy modyfikatora ]%][%] Rys. 3. Histogram zużycia ściernego (Zs) stopu AK7 po obróbce modyfikatorem homogenicznym studzonym z v 2 = 200 o C/s (wg tab. 1) Po obróbce stopu AK7 z udziałem 0,2% modyfikatora homogenicznego, studzonego z prędkością 300 C/s, zużycie wynosiło Zs = 0,384 g. Zwiększając ilość modyfikatora homogenicznego do 0,4, 0,6, 0,8 i 1,0%, odnotowano zmniejszenie zużycia odpowiednio do 0,373, 0,365, 0,357 i 0,342 g. Dla analizowanego modyfikatora zakres zmian zużycia ściernego zmieniał się od 4 do 15% (rys. 4). Przykłady budowy strukturalnej stopu AK7 po obróbce z udziałem 0,6% modyfikatora homogenicznego, studzonego z prędkościami odpowiednio v 1 = 100 C/s, v 2 = 200 C/s i v 3 = 300 C/s, przedstawiono na rys. 5 7.

6 102 PROBLEMY EKSPLOATACJI Zs [g] Zs [g] 0,42 0,35 0,28 0,28 0,21 0,21 0,14 0,14 0,07 0, ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, Udział masowy modyfikatora ]%] Udział masowy [%] Rys. 4. Histogram zużycia ściernego (Zs) stopu AK7 po obróbce modyfikatorem homogenicznym studzonym z v 3 = 300 o C/s (wg tab. 1) Rys. 5. Wpływ 0,6% modyfikatora homogenicznego, wytworzonego z prędkością v 1 = 100 o C/s, na mikrostrukturę stopu AK7 Rys. 6. Wpływ 0,6% modyfikatora homogenicznego, wytworzonego z prędkością v 1 = 200 o C/s, na mikrostrukturę stopu AK7 Rys. 7. Wpływ 0,6% modyfikatora homogenicznego, wytworzonego z prędkością v 1 = 300 o C/s, na mikrostrukturę stopu AK7

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 103 Podsumowanie Dla wszystkich prędkości studzenia odnotowano zmniejszenie analizowanego parametru wraz ze wzrostem udziału modyfikatora w stopie. Większa prędkość studzenia modyfikatora homogenicznego sprzyjała zmniejszeniu zużycia ściernego obrobionego stopu. Stwierdzono spadek zużycia ściernego wraz ze wzrostem rozdrobnienia struktury, np. dla prędkości studzenia modyfikatora v 2 = 200 o C/s, największy efekt modyfikacji eutektyki (α+β) odnotowano dla 0,4% udziału masowego modyfikatora. Dalszy spadek zużycia ściernego ze wzrostem udziału modyfikatora tłumaczyć można rozdrobnieniem miękkiej fazy α. Analizując wpływ budowy strukturalnej na zużycie ścierne, najniższe jego wielkości otrzymano dla struktury o dużym stopniu rozdrobnienia fazy α oraz regularnie rozłożonych płytek eutektyki. Drobnoziarnista eutektyka (duży stopień jej modyfikacji) nie powoduje zminimalizowania zużycia ściernego. Bibliografia 1. Wojciechowicz B.: Rozwój i stan badań w tribologii. Tribologia nr 2, 1996, s Lipiński T.: Abrasive wear AK7 alloy after treatment by chemical additions in metalothermy process. Acta Metallurgica Slovaca 2002 (2/2), Ročnik 8. Slovak Academy of Science in Košice, pp Lipiński T.: Modification of AK12 alloy with a homogenous modifier. Worldwide Congress on Materials and Manufacturing Engineering and Technology COMMENT. Gliwice-Wisła 2005, pp Recenzent Jan SENATORSKI Abrasive wear AK7 alloy after treatment homogenous modifier Summary Results of studies on the modification of AK7 alloy with a homogenous modifier obtained by fast cooling of AK7 alloy at three different rates (v 1 = 100 o C/s, v 2 = 200 o C/s and v 3 = 300 o C/s) are presented in the paper. The effects of cooling rate and w/w concentration of the modifier in the melt on abrasive wear is illustrated graphically.

8 104 PROBLEMY EKSPLOATACJI