Badania wielowarstwowych łożysk ślizgowych z warstwami napylanymi

Transkrypt

1 Bi u l e t y n WAT Vo l. LXII, Nr 1, 2013 Badania wielowarstwowych łożysk ślizgowych z warstwami napylanymi Edward Cypko, Stanisław Kowalczyk Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu, Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, ecypko@wat.edu.pl, skowalczyk@wat.edu.pl Streszczenie. Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić, że zasadne jest stosowanie powłok (warstw) napylanych na łożyska wielowarstwowe, zwłaszcza w silnikach spalinowych o podwyższonych temperaturach pracy. Świadczy o tym ich wysoka stabilność strukturalna. Na szczególne podkreślenie zasługuje brak tworzenia się kruchych związków chemicznych w strefie warstwy zaporowej łożyska, co było charakterystyczną cechą łożysk z warstwami ślizgowymi nałożonymi galwanicznie. Słowa kluczowe: wielowarstwowe łożysko ślizgowe, powłoki (warstwy) napylane, badanie właściwości 1. Wstęp Trwałość stosowanych już od wielu lat tych samych typów wielowarstwowych łożysk ślizgowych limitowana jest określonym obciążeniem. Stale rosnąca moc jednostkowa silników prowadzi do wzrostu obciążenia łożysk, w tym wzrostu ich temperatury pracy, skracając czas pracy łożysk. Trwałość łożysk zależy także od stopnia zmian charakterystyk materiałowych, o których decyduje struktura materiału użytego do wyrobu łożyska. Stabilność tej struktury na podwyższone temperatury jest jednym z czynników decydujących o właściwościach łożyska. Należy również nadmienić, że podstawowe rodzaje stosowanych łożysk wielowarstwowych wykazują zróżnicowaną wrażliwość na podwyższoną temperaturę pracy, a za tym na różną stabilność ich cech użytkowych [1-12]. Ponadto materiały warstw ślizgowych łożysk wielowarstwowych są głównie nakładane za pomocą procesów galwanicznych, szkodliwych dla środowiska naturalnego.

2 206 E. Cypko, S. Kowalczyk Z tych powodów w ostatnim dziesięcioleciu szukano alternatywnych rozwiązań materiałów pod kątem zastosowania na warstwy ślizgowe stopów, które byłyby zdolne do przenoszenia wysokich obciążeń, a ich proces technologiczny nie będzie zagrażał środowisku naturalnemu. Doprowadziło to do opracowania powłok (warstw) ślizgowych łożysk wielowarstwowych ze stopów nakładanych metodą napylania katodowego, przy zachowaniu dotychczasowej konstrukcji łożysk [13 16]. 2. Cel, obiekt i metodyka badań Celem badań była ocena stabilności struktury materiałów stosowanych na napylane powłoki (warstwy) ślizgowe w podwyższonych temperaturach pracy. Obiektami badań były łożyska wielowarstwowe z napylaną warstwą ślizgową ze stopu na osnowie aluminium. Warstwa ślizgowa ze stopu AlSn20Cu1 była nałożona na podłoże zaporowej warstwy niklowo-chromowej (80% Ni i 20% Cr). Wymienione wyżej warstwy naniesione były na warstwę brązu odlewanego ze stopu CuPb23Sn2. Schematycznie budowę badanego łożyska przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Budowa łożyska wielowarstwowego z napylaną warstwą ślizgową AlSn20Cu1 Wygrzewanie, które symulowało warunki termiczne towarzyszące eksploatacji łożysk ślizgowych, przeprowadzono w temperaturze 180 C (453K) w czasie 100 godzin. Wyboru temperatury i czasu wygrzewania dokonano w oparciu o dane literaturowe, uwzględniając rzeczywiste, aktualnie spotykane maksymalne temperatury pracy łożysk, jak również na podstawie wyników własnych badań wstępnych i doświadczeń innych autorów [1-3, 10-12]. Badania strukturalne materiałów łożyska obejmowały obserwacje mikroskopowe na mikroskopie skaningowym. Badania procesów dyfuzyjnych przeprowadzono przy użyciu dyfraktometru pod kątem identyfikacji zmian zachodzących w strukturze materiału łożysk, natomiast badania składu chemicznego w mikroobszarach wykonano na analizatorze rentgenowskim.

3 Badania wielowarstwowych łożysk ślizgowych z warstwami napylanymi Wyniki badań i ich analiza Na rysunku 2a, b przedstawiono widok struktury warstw badanego łożyska przy powiększeniu 1000 (odpowiednio nowego i po wygrzewaniu). Rys. 2. Widok struktury materiałów warstw badanego łożyska (pow ): a) łożysko nowe; b) po wygrzewaniu Widoczna jest cienka jednorodna warstwa zaporowa Ni-Cr o grubości ok. 2 µm, rozdzielająca stop AlSn20Cu1 napylony na podłoże z brązu CuPb23Sn2. Napylona powłoka (warstwa) ślizgowa charakteryzuje się jednorodną budową. Widoczne są jasne, jednorodnie ukierunkowane, równolegle bądź pod niewielkim kątem w stosunku do podłoża, wydzielenia w postaci cienkich płytek (prawdopodobnie cyny) o nieregularnych kształtach, rozmieszczone równomiernie na tle

4 208 E. Cypko, S. Kowalczyk ciemnej osnowy, będącej prawdopodobnie roztworem stałym miedzi w aluminium. Porównując strukturę materiału łożyska w obu stanach, nie stwierdza się pomiędzy nimi żadnych istotnych różnic. Strefy połączenia poszczególnych warstw (w obu stanach) AlSn20Cu1 Ni- -Cr CuPb23Sn2 mają wyraźnie charakter adhezyjny bądź adhezyjno-dyfuzyjny i nie wykazują widocznych nieciągłości i rozwarstwień. Reasumując, należy stwierdzić, iż badane łożysko, nowe i po wygrzewaniu, charakteryzuje się jednorodną budową oraz jednorodną strukturą materiału poszczególnych warstw. Po wygrzewaniu nie stwierdzono występowania nowo utworzonych bądź zmienionych (o innej barwie) obszarów, jakie obserwowano we wcześniej prowadzonych badaniach łożysk z warstwami ślizgowymi, nakładanymi galwanicznie [xx]. Do mikroanalizy składu chemicznego w wybranych mikroobszarach wytypowano podstawowe pierwiastki poszczególnych warstw materiału łożyska, tj. Al, Sn, Cu, Ni, Cr. Wartości średnie stężeń badanych pierwiastków, które w zasadzie można uznać za typowe dla warstw: ślizgowej i zaporowej, przedstawiono w tabeli 1. Przykładowe liniowe przebiegi stężenia pierwiastków zamieszczono na rysunku 3a, b. Tabela 1 Wyniki analizy składu chemicznego warstwy ślizgowej AlSn20Cu1 oraz warstwy zaporowej Ni-Cr łożysko nowe i po wygrzewaniu Pierwiastek nowe Stężenie badanych pierwiastków Stan badanego łożyska po wygrzewaniu %Wt %At %Wt %At Al 78,10 93,84 78,83 94,06 Sn 20,83 5,70 20,03 5,47 Cu 1,07 0,46 1,14 0,47 Ni 75,63 72,96 73,87 72,51 Cr 19,25 21,32 19,10 21,36 Analizując otrzymane wyniki badań składu chemicznego, można stwierdzić, że wartości stężenia badanych pierwiastków dla obu badanych stanów łożysk są zbliżone. Identyfikuje się różnice w stężeniu badanych pierwiastków w mikroobszarach stopu warstwy ślizgowej. Są to jednak różnice wynikające z natury tego stopu. W warstwie zaporowej różnice stężeń badanych pierwiastków także mieszczą się w obszarze niepewności pomiarowych.

5 Badania wielowarstwowych łożysk ślizgowych z warstwami napylanymi 209 Rys. 3. Przykładowe liniowe przebiegi stężenia pierwiastków w badanym łożysku: a) łożysko nowe; b) po wygrzewaniu Rentgenowskie badania dyfrakcyjne łożyska nowego oraz po wygrzewaniu przeprowadzono dla stref: stop AlSn20Cu1 warstwa zaporowa Ni Cr brąz CuPb23Sn2. Przykładowy zapis dyfraktogramów pokazano na rysunku 4a, b. Wszystkie otrzymane dyfraktogramy ściśle odpowiadały sobie charakterem oraz kątowym położeniem refleksów. W łożyskach po wygrzewaniu zarejestrowano nieznaczny wzrost intensywności refleksów, co może świadczyć o zdrowieniu i odprężeniu materiału warstwy ślizgowej po wygrzewaniu łożysk. Niezidentyfikowane

6 210 E. Cypko, S. Kowalczyk Rys. 4. Przykładowy zapis dyfraktogramu: a) łożysko nowe; b) po wygrzewaniu: Sn cyna, Al aluminium, nz niezidentyfikowane refleksy nie odpowiadały swym charakterem i kątowym położeniem żadnej z faz z układu Al Sn Ni Cr. Przeprowadzona analiza wykazała dwufazową strukturę warstwy ślizgowej. Na podstawie obliczonych odległości międzypłaszczyznowych d hkl stwierdzono występowanie fazy bazującej na aluminium i cynie. Położenia kątowe refleksów, otrzymanych na dyfraktogramach, są bliskie danym ASTM dla czystych pierwiastków cyny i aluminium. Uzyskane wyniki badań rentgenowskich w zakresie analizy fazowej badanych stopów łożyska, pomimo wysokiej precyzji, dają ogólną informację w odniesieniu do obszaru objętego analizą i nie wykazują istnienia spodziewanych refleksów od faz lub mieszaniny faz międzymetalicznych. Jest to spowodowane najprawdopodobniej zbyt małą czułością metody rentgenowskiej, która nie jest zdolna do zarejestrowania możliwych do tworzenia się faz międzymetalicznych z wymienionego wyżej

7 Badania wielowarstwowych łożysk ślizgowych z warstwami napylanymi 211 układu, ze względu na obszar ich występowania bądź też brak tego typu związków w analizowanym łożysku. Rentgenowskie badania dyfrakcyjne nie potwierdziły istnienia faz międzymetalicznych z układu Ni Cr Sn bądź Ni Cr Al, a także z układów poczwórnych możliwych do tworzenia się w strefie warstwy zaporowej badanego łożyska po wygrzewaniu [17]. Analizując otrzymane wyniki badań składu chemicznego w mikroobszarach, można stwierdzić, że zmiany wartości intensywności stężenia i charakter tych zmian jest podobny. Rozpatrując możliwość tworzenia się w strefie połączenia (warstwa brązu CuPb23Sn2 warstwa zaporowa Ni Cr warstwa ślizgowa AlSn20Cu1) faz międzymetalicznych z układu Ni Cr Sn, Ni Cr Al bądź też z innymi pierwiastkami, należy stwierdzić, że nie ma dowodów na to, by takie fazy się tworzyły (rys. 5). Rys. 5. Liniowy przebieg stężenia pierwiastków w warstwie zaporowej Ni-Cr łożyska po wygrzewaniu Na obecnym etapie badań trudno wyciągać daleko idące wnioski dotyczące zmian ilościowych wartości stężenia pierwiastków w badanym obszarze. Dalsze badania, a szczególnie badania prowadzone w jeszcze wyższej temperaturze pracy łożysk oraz wydłużonym czasie wygrzewania, mogą pozwolić na wyjaśnienia zjawisk zachodzących w strefie warstwy zaporowej badanego łożyska. Reasumując, należy stwierdzić, że zasadne jest stosowanie powłok (warstw) napylanych na łożyska wielowarstwowe zwłaszcza w silnikach spalinowych o podwyższonych temperaturach pracy. Świadczy o tym ich wysoka stabilność strukturalna, brak zmian struktury zachodzących w materiałach łożyska wielowarstwowego pod wpływem działania podwyższonej temperatury pracy.

8 212 E. Cypko, S. Kowalczyk Na szczególne podkreślenie zasługuje brak tworzenia się kruchych związków chemicznych w strefie warstwy zaporowej łożyska, co było charakterystyczną cechą łożysk z warstwami ślizgowymi nałożonymi galwanicznie. 4. Wnioski Przeprowadzone badania warstwowych łożysk z napylaną powłoką (warstwą) ślizgową na osnowie aluminium (AlSn20Cu1) pozwalają na wyciągnięcie następujących wniosków: 1. Badane łożyska posiadają strukturę, która składa się z ciemnej osnowy i jasnych wydzieleń. Ciemna osnowa to roztwór stały miedzi w aluminium o zawartości ok. 1% Cu, a jasne wydzielenia to cyna w postaci cienkich płytek o nieregularnych kształtach, jednorodnie ukierunkowanych równolegle bądź pod niewielkim kątem w stosunku do podłoża, rozmieszczonych równomiernie na tle ciemnej osnowy. 2. Strefa połączenia warstw łożyska (AlSn20Cu1 Ni Cr CuPb23Sn2) ma charakter adhezyjno-dyfuzyjny. Obserwuje się dobrą zwilżalność łączonych powierzchni. 3. W badanym łożysku nie zarejestrowano spodziewanych wydzieleń kruchych faz międzymetalicznych w obszarze warstwy zaporowej oraz powierzchniowej warstwie brązu. 4. Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić, że zasadne jest stosowanie powłok (warstw) napylanych na łożyska wielowarstwowe, zwłaszcza w silnikach spalinowych o podwyższonych temperaturach pracy. Świadczy o tym ich wysoka stabilność strukturalna, brak zmian struktury zachodzących w materiałach warstw łożyska pod wpływem działania podwyższonej temperatury pracy. 5. Przeprowadzone badania należy traktować jako badania pilotażowe. Ścisłe określenie właściwości łożysk oraz wyznaczenie obszaru ich stosowania wymaga prowadzenia dalszych badań struktury, właściwości mechanicznych, tribologicznych, tak w warunkach modelowych, jak i eksploatacyjnych. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w listopadzie 2012 r. Literatura [1] M. Sakamoto i in., Diffusion Behaviorvof Overlay for Three Layers Engine Bearings, Techn. Pap. Series, No , [2] S. Sasaki i in., Damage to Cu-Pb Bearing for Diesel Engines and Causes Thereof, Techn. Pap. Series, No , 1987.

9 Badania wielowarstwowych łożysk ślizgowych z warstwami napylanymi 213 [3] G.C. Pratt, W.J. Whitney, Engine Bearing Overlays: The Effect of Overlay Composition on Diffusion and Post-Diffusion Bearing Performance, SAE Techn. Pap. Series, No , [4] G.C. Pratt, M.D. Lytwynec, The influence of the metallurgical structure of copper lead engine bearing alloys on overplate performance, Int. Congr. and Exposition, Detroit, Michigan, Febr , [5] U. Engel, Development and testing of new multi-layer materials for modern engine bearing, Part 2. Copper-Lead-three-layer bearings with sputtered overlay, Int. Congr.and Exposition, Detroit, Michigan, Febr , [6] L. Jia-Jun i in., A study of the wear resistance and microstructure of Pb-Sn and Pb-Sn-Ni brushplating layers, Wear, 155, [7] Y. Oda, M. Kimura, K. Nakajima, Changes in the structure and composition of automobile big-end bearing materials and their relation to bearing failure, Wear, 20, [8] J.C. Bierlein, A.D. De Hart, Score resistance, hardness and performance of diffused copper-nickeltin bearings, Techn. Pap. Series, No , [9] S. Kostrzewa, Analiza zmian zachodzących w strukturze stopów łożysk eksploatowanych, rozprawa habilitacyjna, Dodatek do Biul. WAT, 1, [10] Z. Bojar, S. Kostrzewa, Badanie termicznej stabilności składu chemicznego i struktury warstw ślizgowych łożysk wielowarstwowych PbSn10Cu3 i PbIn(5-10), Biul. WAT, 7, [11] S. Kowalczyk, Stabilność struktury stopów łożyskowych i jej wpływ na wybrane własności łożysk wielowarstwowych, rozprawa doktorska, WAT, Warszawa, [12] S. Kowalczyk, Badanie wpływu zmian strukturalnych na zużycie łożysk wielowarstwowych z warstwą ślizgową PbIn(5-10), Biul. WAT, 1-2, [13] M. Drewnowska, E. Tasak, H. Jankowski, Morfologia powłok otrzymanych metodą rozpylania magnetronowego, Inżynieria Materiałowa, 5, [14] C. Eisenmenger-Sittner, H. Bangert, A. Bergauer, Kinetic phase separation in sputte-deposited aluminium-tin films, Journal of Cristal Growth, 186, [15] T. Stuczyński, Metallurgical problems associated with the production of aluminium-tin alloys, Materials Design, 18, [16] O. Ehrentrant, Hochbelastetes Gleitlager, Osterreichisches Patent [17] N.I. Ganina i in., Diagrammy sostojanij metalliczeskich sistiem, Akadiemija Nauk SSSR/Rossijskaja Akadiemija Nauk, Moskwa, 1972, 1984, 1986, 1987, 1988, 1989, E. Cypko, S. Kowalczyk Investigations of Chosen Properties of Multilayer Slide Bearings with Deposited Films Abstract. The work presents estimation of application of sputterdeposited films for multilayer bearings. The investigations showed that sputterdeposited films are advantageous to multilayer bearings, especially these used in internal-combustion engines with increased working temperature. Such bearing materials have highly stable structure and no structure changes in materials activated by increased temperatures. It is also important that fragile chemical compounds are not produced in bearing barrier zone what was characteristic for bearings with galvanic slide layers. Keywords: multilayer slide bearing, sputterdeposited films, investigations of properties

10