ZAPOBIEGANIE TRIBOKOROZJI PRZEZ OBRÓBKÊ CIEPLNO-CHEMICZN

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 271 SENATORSKI J., SIEPRACKA B. ZAPOBIEGANIE TRIBOKOROZJI PRZEZ OBRÓBKÊ CIEPLNO-CHEMICZN PREVENTION AGAINTS TRIBOCORROSION THROUGHOUT THERMO-CHEMICAL TREATMENT S³owa kluczowe: warstwa dyfuzyjna, tarcie, zu ycie, korozja Key words: diffusion layers, friction, wear, corrosion Strzeszczenie: W referacie podano propozycjê podzia³u laboratoryjnych badañ korozyjno-tribologicznych. Propozycja ta przewiduje podzia³ tych badañ na dwie grupy: oddzielne badania korozyjne i tribologiczne oraz ³¹czne badania korozyjno-tribologiczne. W tych ostatnich wyodrêbniono dwie metody badañ: niejednoczesne oraz jednoczesne. Ze wzglêdu na czêstotliwoœæ wystêpowania nara eñ badania niejednoczesne mo na podzieliæ na: pojedyncze, cykliczne i ci¹gle.

2 272 T R I B O L O G I A Omówiono wyniki badañ, wg opracowanych metod, stali ulepszanych cieplnie, a tak e stali z wytworzon¹ dyfuzyjn¹ warstw¹ chromowan¹ i dyfuzyjn¹ warstw¹ azotowan¹. WPROWADZENIE Na pracuj¹ce czêœci maszyn i narzêdzia oddzia³uje otoczenie w ró ny sposób i z ró nym natê eniem. Oddzia³ywanie to odbywa siê przez stykanie siê z innym cia³em sta³ym i zwykle wtedy przekazywane s¹ obci¹ enia (si³y, naciski), z cia³em ciek³ym (np. oœrodkiem smaruj¹cym) lub gazowym (np.: otaczaj¹c¹ atmosfer¹) i wtedy oœrodki mog¹ oddzia³ywaæ chemicznie. Czêsto wystêpuje powi¹zanie oddzia³ywañ. Ka de oddzia³ywanie niesie niebezpieczeñstwo zmiany stanu fizykochemicznego czêœci maszyny lub narzêdzia, przejawiaj¹cego siê zmian¹ w³aœciwoœci, i dlatego nosi nazwê nara eñ. Pracuj¹ce czêœci maszyn i narzêdzia podlegaj¹ nara eniom w postaci obci¹ eñ statycznych i dynamicznych (w tym okresowo zmiennych, czyli zmêczeniowych), oddzia³ywania chemicznego i elektrochemicznego oœrodka ciek³ego lub gazowego (korozji), tarcia, dzia³ania wysokich lub niskich temperatur, pól elektrycznych, elektrostatycznych, magnetycznych, ultradÿwiêków, promieniowania elektromagnetycznego o ró nych czêstotliwoœciach (radiowego, podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego, X, Y), grawitacji ziemskiej i innych czynników, zwykle szkodliwie ale niekiedy korzystnie wp³ywaj¹cych na pracê i wspó³pracê z innymi elementami, i zwykle obni aj¹cych ich w³aœciwoœci u ytkowe, zw³aszcza trwa³oœæ eksploatacyjn¹ (Rys. 1). Laboratoryjne badania w³aœciwoœci u ytkowych = Przedmiot badañ: próbka + Nara enia korozyjne - K tribologiczne - T mechaniczne - M inne - J Rys. l. Fig. 1. Idea laboratoryjnych badañ w³aœciwoœci ubytkowych materia³ów Idea of the laboratory testing of operational properties of materials Spoœród ww nara eñ najsilniejszy wp³yw na zmianê w³aœciwoœci u ytkowych wywieraj¹ nara enia: korozyjne, tribologiczne i mechaniczne (przy najczêœciej wystêpuj¹cych nara eniach zmêczeniowych). Nara enia te tylko wyj¹tkowo wystêpuj¹ pojedynczo; rzadko zdarza siê, aby pracuj¹cy ele-

3 T R I B O L O G I A 273 ment podlega³ dzia³aniu tylko jednego nara enia. Zwykle podlega jednoczesnemu dzia³aniu kilku nara eñ, przy czym jedno z nich lub dwa s¹ nara- eniami dominuj¹cymi. W prawid³owo prowadzonych, konsekwentnych i kompleksowych badaniach laboratoryjnych przedmiot badañ powinien podlegaæ wszystkim lub najwa niejszym badaniom uwzglêdniaj¹cym wp³yw ww. lub dominuj¹cych nara eñ na w³aœciwoœci u ytkowe. Badania te powinny zostaæ przeprowadzone przed oddaniem przedmiotu lub jego elementów, w tym materia³ów u ytkowanych do jego budowy, do eksploatacji. Badania laboratoryjne w³aœciwoœci u ytkowych pozwalaj¹ na okreœlenie w³aœciwoœci, jakie przedmioty, elementy lub materia³y bêd¹ prawdopodobnie wykazywa³y w czasie eksploatacji przy ró nych nara eniach; badania stanowiskowe (stendowe) w³aœciwoœci u ytkowych s¹ bli sze rzeczywistoœci, zaœ najbli - sze s¹ badania eksploatacyjne. Warunki przeprowadzania badañ laboratoryjnych powinny byæ jak najbardziej zbli one do przewidywanych rzeczywistych warunków pracy badanych materia³ów czy elementów. Zatem wszystkie laboratoryjne badania w³aœciwoœci u ytkowych materia³ów i elementów powinny zmierzaæ do jak najwierniejszego odtworzenia przewidywanych warunków eksploatacyjnych. Laboratoryjne badania wp³ywu nara eñ korozyjnych i tribologicznych na zu ycie mo na podzieliæ na dwie grupy [L. 1] (Rys. 2.) I Oddzielne: II ¹czne: jednoczesne korozyjne i tribologiczne BADANIA LABORATORYJNEkorozyjno-tribologiczne C ci¹g³e niejednoczesne A pojedyñcze B cykliczne Rys. 2. Podzia³ laboratoryjnych badañ zu ycia korozyjnego i tribologicznego Fig. 2. Division of the laboratory testing of corrosive and tribological wear

4 274 T R I B O L O G I A I. Oddzielne badania korozyjne i tribologiczne realizowane wg odrêbnych procedur badawczych obowi¹zuj¹cych w badaniach korozyjnych i w tribologii, przy wykorzystaniu typowych dla tych badañ próbek i parametrów badañ, uwzglêdniaj¹cych rodzaje nara eñ (np.: rodzaj wspó- ³pracy tribologicznej, rodzaj œrodowiska korozyjnego) i intensywnoœæ ich oddzia³ywania (np.: nacisk, stê enie œrodowiska korozyjnego) oraz zmiennoœæ wystêpowania natê enia ich w czasie. II. ¹czne badania korozyjno-tribologiczne, które mo na podzieliæ na 2 grupy: niejednoczesne, w których ten sam badany materia³ podlega niejednoczesnym nara eniom korozyjnym i tribologicznym; zwykle wystêpuje kolejnoœæ nara eñ jw., tzn. badaniom tribologicznym poddawany jest materia³ skorodowany, ale badania mog¹ równie przebiegaæ w odwrotnej kolejnoœci, jednak ten przypadek wystêpuje rzadziej. jednoczesne, w których ten sam materia³ badany podlega jednoczesnemu badaniu zu ycia tribologicznego w obecnoœci medium korozyjnego; zwykle badaniu podlega materia³ uprzednio nie skorodowany lub uprzednio nie poddawany próbom tribologicznym, ale przypadków tych wykluczyæ nie mo na. Ze wzglêdu na czêstotliwoœæ wystêpowania nara eñ badania niejednoczesne mo na podzieliæ na: pojedyncze (metoda A), polegaj¹ce na jednokrotnym badaniu tribologicznym materia³u uprzednio poddanego nara eniom korozyjnym. Nara enia korozyjne i tribologiczne mog¹ trwaæ w ró nych okresach czasu. Próbki do badañ - to próbki do dowolnych badañ tribologicznych. Parametry badañ powinny byæ ró ne, zmienne w okreœlonych przedzia³ach. Badania te symuluj¹ warunki wspó³pracy tarciowej elementów skorodowanych i mog¹ dotyczyæ np. materia³ów wêz³ów tarcia skorodowanych w czasie d³ugotrwa³ego postoju w atmosferze korozyjnej przed rozpoczêciem eksploatacji. cykliczne (metoda B), bêd¹ce b¹dÿ badaniami niejednoczesnymi, b¹dÿ jednoczesnymi. W przypadku niejednoczesnych badañ cyklicznych powtarzaj¹ce siê próby tarciowe s¹ przerywane okresowym dzia³aniem œrodowiska korozyjnego, w przypadku jednoczesnych badañ cyklicznych w czasie ka - dego cyklu wystêpuje jednoczesne oddzia³ywanie korozji i tarcia, zaœ cykle s¹ rozdzielone przerwami i oddzia³ywaniem œrodowiska korozyjnego. Wielokrotnoœæ cykli mo e byæ dowolna, sugeruje siê jednak, aby nie by³o

5 T R I B O L O G I A 275 ich wiêcej ni kilkanaœcie. Ich ostateczna liczba jest uzale niona od budowy strukturalnej pracuj¹cych warstw powierzchniowych (ró nych stref i ich liczby), a œciœlej - od jednorodnoœci strukturalnej materia³u próbki. Wiêksza ró norodnoœæ strukturalna i wiêksza g³êbokoœæ zalegania odmiennych struktur wymaga wiêkszej liczby cykli badañ. Próbki do badañ mog¹ nie odbiegaæ od stosowanych w metodzie A. Parametry badañ mog¹ byæ ró - ne, ale powinny byæ takie same we wszystkich cyklach nara eñ. Czasy oddzia³ywania korozyjnego - ró ne, czasy badañ tribologicznych -równie. Badania te symuluj¹ okresow¹ wspó³pracê tarciow¹ elementów czêœciowo skorodowanych, wystêpuj¹c¹ w materia³ach wêz³ów tribologicznych okresowego dzia³ania. Przy tym okresem mo e byæ rok, miesi¹c, dzieñ, kilka godzin lub minut Niejednoczesne badania cykliczne dobrze symuluj¹ pracê maszyn rolniczych lub maszyn przemys³u rolno-spo ywczego, które na ogó³ pracuj¹ okresowo: d³ugi czas korozji - krótki czas zu ycia tribologicznego (np. kampania niwna, kampania buraczana), podobnie jak maszyny budowlane lub drogowe pracuj¹ce zwykle w dzieñ. Jednoczesne badania cykliczne symuluj¹ pracê wêz³ów tarcia w maszynach górniczych, w niektórych budowlanych, niektórych obrabiarkach, elementach ciernych uk³adów hamulcowych, sprzêgie³, zabieraków pr¹dowych itp. Ci¹g³e (metoda C), w których próbka jest jednoczeœnie poddawana nara eniom tribologicznym i korozyjnym. Powinno siê stosowaæ próbki typowe dla badañ tribologicznych. Intensywnoœæ nara eñ mo e byæ ró na, ale zwykle jednakowa w czasie jednej d³ugotrwa³ej próby. Zwykle intensywnoœæ nara eñ korozyjnych jest niezbyt wysoka i maksymalnie zbli ona do wartoœci nara eñ rzeczywistych wystêpuj¹cych podczas eksploatacji. Badania te symuluj¹ najczêœciej wystêpuj¹ce przypadki nara eñ eksploatacyjnych czêœci maszyn i narzêdzi w tarciowych wêz³ach œlizgowych i skrawaniowych. W zakresie tak zdefiniowanych badañ tribokorozji ci¹gle odczuwalny jest niedostatek danych eksperymentalnych. [L. 2, 3, 4, 5]. Tê lukê stara siê po czêœci wype³niæ prezentowana praca. MATERIA Y I METODYKA BADAÑ W laboratoryjnych próbach odpornoœci tribokorozyjnych materia³ów zastosowano zró nicowane uk³ady tr¹ce. Dla okreœlonych systemów tr¹cych wybrano nastêpuj¹ce materia³y: uk³ad tarcia czo³owego typu: p³ytka-pierœcieñ stanowi³y; p³ytka o wymiarach φ30 5 mm, wykonana ze stali 45 chromowanej dyfuzyjnie

6 276 T R I B O L O G I A lub azotowanej dyfuzyjnie i pierœcieñ z p³ask¹ powierzchni¹ robocz¹ o wymiarach φ15/13 mm, wykonany ze stali 45 obrobionej cieplnie do twardoœci ok. 57 HRC, uk³ad tr¹cy typu: kr¹ ek-p³ytka wykonany; kr¹ ek φ40 10 mm ze stali 40H ulepszonej do twardoœci 35 HRC wzglêdnie chromowanej lub azotowanej dyfuzyjnie i p³ytka 30x10x4 mm ze stali 40HM ulepszanej do twardoœci 38 HRC lub chromowanej lub azotowanej dyfuzyjnie. Przy badaniach tribokorozji zastosowano nastêpuj¹c¹ metodykê badawcz¹: Metoda A. Próby tarcia poprzedzone intensywnym dzia³aniem czynnika korozyjnego. Metodyka próby, opisana szerzej w pracy [6], obejmowa³a: poddanie próbek procesowi poprzedzaj¹cej korozji w komorze solnej (5% roztwór wodny NaCl, temperatura 35 C) w czasie 48 h; próby tarcia czo³owego z zastosowaniem maszyny typu I-47-K-54 przy nastêpuj¹cych parametrach: œrednia prêdkoœæ tarcia, v = 0,42 m/s, sta³y nacisk jednostkowy, p = 5 MPa, czas próby t = 16 h, œrodek ch³odz¹co-smaruj¹cy, woda + Emulkol EKO, obj. 10:1, œrodek œcierny - elektrokorund, frakcja ziarn 120/99 mm, sposób pomiaru zu ycia - profilografometryczny pomiar zu ycia liniowego z dok³adnoœci¹ l mm, w odstêpach czasu l h. Metoda C. Próby tarcia w warunkach sta³ego kontaktu powierzchni tr¹cej z czynnikiem korozyjnym wykonano na maszynie typu A-135 Amslera, przyjmuj¹c nastêpuj¹ce parametry: prêdkoœæ obrotowa kr¹ kowej przeciwpróbki, n = 200 obr./min, œrednia prêdkoœæ tarcia, v = 0,42 m/s, obci¹ enie uk³adu tr¹cego, P = 25 dan, czas tarcia, t = ok. 2 h, œrodek korozyjny 50% roztwór wodny soli fizjologicznej podawany kroplowo z wydatkiem 60 kropli/min, sposób pomiaru zu ycia mikroskopowy pomiar zu ycia liniowego, z dok³adnoœci¹ 5 µm, w odstêpach czasu 0,5 h. WYNIKI BADAÑ I ICH ANALIZA Wyniki badañ ³¹cznego oddzia³ywania tarcia i korozji ilustruj¹ wykresy przebiegu zu ycia liniowego w funkcji czasu zamieszczone na Rys. 3 i 4. W Tabeli l zestawiono podstawowe wskaÿniki charakteryzuj¹ce próbê, tj.

7 T R I B O L O G I A 277 ca³kowite zu ycie liniowe próbki, intensywnoœæ zu ycia liniowego, wskaÿnik odpornoœci na zu ycie oraz wspó³czynnik tarcia. Wykresy przedstawione na Rys. 3 i dotycz¹ wyników prób tarcia poprzedzonych intensywnym dzia³aniem czynnika korozyjnego (metoda A), zaœ widoczne na Rys. 4 próby tarcia w warunkach sta³ego kontaktu powierzchni tr¹cych z czynnikiem korozyjnym (metoda C). Tabela 1. Wyniki badañ tribokorozji Table l. Results of tribocorrosion investigations próbki Badany materia³ przeciwpróbki Metoda badañ Ca³kowite zu ycie liniowe próbki Zlp [mm] Intensywnoœæ zu ycia liniowego llp [mm/h] Odpornoœæ na zu ycie Rlp [h/mm] Wspó³czynnik tarcia µ P³ytka stal 45 chromowana dyfuzyjnie Pierœcieñ - ulepszona stal 45 A 0,014 0, P³ytka - stal 45 azotowana dyfuzyjnie Pierœcieñ - ulepszona stal 45 A 0,010 0, P³ytka ulepszona stal 40HM Kr¹ ek ulepszona stal 40H C 0,220 0,15 6,8 0,28 P³ytka stal 40HM chromowana dyfuzyjnie Kr¹ ek stal 40H chromowana dyfuzyjnie C 0,024 0,024 41,7 0,18 P³ytka stal 40HM azotowana dyfuzyjnie Kr¹ ek stal 40H azotowana dyfuzyjnie C 0,172 0,069 14,5 0,28 Charakterystyki tribologiczne podane na Rys. 3 dotycz¹ wspó³pracy, przy tarciu czo³owym, stali 45 chromowanej lub azotowanej dyfuzyjnie ze stal¹ 45 ulepszon¹ cieplnie. Wspó³pracê tê poprzedzi³o oddzia³ywanie czynnika korozyjnego na materia³y próbek, tzn. stal 45 chromowan¹ oraz azotowan¹ dyfuzyjnie. Obserwacja efektu oddzia³ywania czynnika korozyjnego na próbkê chromowan¹ pozwoli³a stwierdziæ, e w obszarze jej liczne, bardzo drobne, czarne punkty korozji rozmieszczone równomiernie na ca³ej powierzchni próbki, zajmuj¹ce oko³o 40% powierzchni ca³kowitej. Nato-

8 278 T R I B O L O G I A miast w przypadku próbki azotowanej korozja wyst¹pi³a na krawêdziach próbki na ca³ym jej obwodzie. Ponadto wykryto dwa ogniska korozji, zajmuj¹ce ok. 2% powierzchni próbki. Wyniki prób tarcia czo³owego zilustrowane na Rys. 3, a tak e podane w Tab. l, wskazuj¹ na wysok¹ odpornoœæ na zu ycie warstwy chromowanej. Po okresie docierania, wynosz¹cym ok. 3 h, wykazuje ona bardzo ma³¹ intensywnoœæ zu ywania zwiêkszaj¹c¹ siê dopiero wraz z przechodzeniem procesu zu ywania w materia³ pod³o a, co nast¹pi³o po ok. 13 h procesu tarcia. Natomiast nieco mniejsz¹ odpornoœæ na zu ycie w tych warunkach wykaza³a warstwa azotowana. Rys. 3. Przebieg zu ycia w funkcji czasu tarcia stali chromowanej (1) i azotowanej (2) dyfuzyjnie, poddanej procesowi korozji poprzedzaj¹cej (metoda A) Fig. 3. Run of wear vs. friction time-of diffusion chromised (1) and nitrided (2) steels, after previous corrosion process (A method) Wykresy podane na Rys. 4 ilustruj¹ przebieg zu ycia materia³ów w warunkach ci¹g³ego doprowadzania czynnika korozyjnego do zespo³u tr¹cego. Wykresy te dotycz¹ wspó³pracy stali 40HM i 40H ulepszonych cieplnie oraz wspó³pracy tych samych stali po chromowaniu lub azotowaniu dyfuzyjnym. Z porównania wykresów zamieszczonych na Rys. 4 oraz danych zamieszczonych w Tab. l, wynika wyraÿnie najwy sza odpornoœæ na zu ycie, przy tarciu w obecnoœci œrodka korozyjnego, stali z warstw¹ chromowan¹. Równie wspó³czynnik tarcia stali z warstw¹ dyfuzyjn¹ by³ najmniejszy. Trudno natomiast jest porównywaæ wyniki badañ uzyskane wed³ug zró nicowanych metod, tzn. metody A i C. Pomimo bowiem zastosowania podobnej prêdkoœci tarcia, tzn. 0,42 m/s, uk³ady tr¹ce obu stano-

9 T R I B O L O G I A 279 wisk badawczych s¹ bardzo zró nicowane m.in. z uwagi na wywierane naciski jednostkowe. Uk³ad tarcia czo³owego zainstalowany na maszynie I-47-K-54 pracowa³ bowiem w warunkach styku roz³o onego, zaœ na maszynie A-135 Amslera w warunkach styku skoncentrowanego. Rys. 4. Przebieg zu ycia stali ulepszonej cieplnie (1) chromowanej (2) oraz azotowanej (3) dyfuzyjnie nara onej na ³¹czne oddzia³ywanie tarcia i korozji (metoda C) Fig. 4. Run of wear of toughened (1), diffusion chromised (2) and nitrided (3) steels subjected to the friction and corrusion action (C method) Ró nice metodyczne zwi¹zane z przebiegiem próby tarcia s¹ na tyle istotne, i praktycznie uniemo liwiaj¹ porównanie ³¹cznego oddzia³ywania tarcia i korozji. Z przegl¹du literaturowego i w³asnych doœwiadczeñ wynika jednak, i w przysz³oœci nale y preferowaæ badania tarcia przy sta- ³ej obecnoœci czynnika korozyjnego, jako badania, które ³atwiej mo na weryfikowaæ próbami eksploatacyjnymi. PODSUMOWANIE Efektem metodycznych prac s¹ opracowane i opisane w referacie dwa sposoby badañ tribokorozji. Pierwszy z nich polega na prowadzeniu prób zu ycia w cyklu poprzedzonym jednorazowym oddzia³ywaniem czynnika

10 280 T R I B O L O G I A korozyjnego zaœ drugi - realizacji prób tarcia przy ci¹g³ej obecnoœci czynnika korozyjnego, wg opracowanych metod. Stale z wytworzon¹ dyfuzyjn¹ warstw¹ chromowan¹ wykaza³y najkorzystniejsze w³aœciwoœci tribokorozyjne. LITERATURA 1. Senatorski J.: Ocena w³asnoœci warstw dyfuzyjnych w warunkach nara eñ tribologiczno-korozyjnych Tiribologia, nr 3, 2001, s Senatorski J., Tacikowski J., Iwanów I.: Impregnowanie warstw azotowanych zwiêkszaj¹cych odpornoœæ na zu ycie przez tarcie i korozjê. In ynieria Materialowa, nr 6, 2000, s Denis R., Subramanian C., Yellup I.: Three body abrasive wear of composite coatings in dry and wet environments. Wear, 1998, t. 214, nr I. S Nadolny K., Zwierzycki W.: Ocena tribotechnicznych w³aœciwoœci wodnych roztworów sacharozy. Tribologia nr 3, 1997, s Kuksenova L., Lapteva V.: Medotika inspytanij materialov na iznosostojkost i antifrikcionnost pri smazyvanii wodoj s abrazivom i solju. Sprawozdanie z pracy IMAS - Moskva, Boldok Z., Senatorski J., Iwanow J., Szczygie³ J.: Opracowanie metodyki badañ w³asnoœci wybranych technologicznych warstw wierzchnich w warunkach nara eñ korozyjnych i tribologicznych. Sprawozdanie z pracy IMP, zlec. nr , Summary Recenzent: Janusz JANECKI Division proposal of the laboratory corrosion-tribological investigations is presented. According to this proposal investigations are divided into two groups: separate corrosion and tribological testing and joint corrosion-tribological testing. In this second group two investigation methods are to distinguish: simultaneous and non-simultaneous ones. According to the frequency of hazards occurrence the non-simultaneous investigations can be divided into single, cyclic and contentions testing. In this paper the results of investigations, after elaborated methods, of toughened steels and steels with formed chromium diffusion layers nitrided diffusion layers are presented.