WPŁYW RODZAJU CZĄSTEK W KOMPOZYTACH METALOWYCH NA ZUŻYCIE ŚCIERNE PRZECIWPOWIERZCHNI W PROCESACH TARCIA SUCHEGO

Transkrypt

1 19/42 Solidification of Metal s and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 FAN-Katowice, PL ISSN WPŁYW RODZAJU CZĄSTEK W KOMPOZYTACH METALOWYCH NA ZUŻYCIE ŚCIERNE PRZECIWPOWIERZCHNI W PROCESACH TARCIA SUCHEGO Janusz BRASZCZYŃSKI, Małgorzata CISOWSKA, Katedra Odlewnictwa, Politechnika Częstochowska Katarzyna BRASZCZYŃSKA Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Częstochowska STRESZCZENIE Praca dotyczy wpływu rodzaju cząstek umacniających kompozyty aluminiowe (AG l O) na zużycie przeciwpowierzchni współpracujących w procesach tarcia suchego. Na podstawie przedstawionych wyników badaó chropowatości oraz analiz mikroskopowych (SEM) wykazano, że równoczesne wprowadzenie do osnowy metalowej twardych cząstek SiC i miękkich cząstek Cgr powodowało zarówno wzrost odporności na zużycie ścierne samego kompozytu, jak i ochronne działanie grafitu podczas zużywania przeciwpowierzchni. ABSTRACT The work is concerned with the influence of the type of particles reinforcing aluminium composites (AG lo) on the abrasive wear of mating counter-surfaces in the dry friction processes. It has been shown, on the base of the presented results of surface roughness measurements and SEM analyses, that simultaneous introducing of hard SiC and soft Cgr particles into the metal matrix has resulted in both increasing the abrasive wear resistance of the composite itself and taking advantages of the protective action of graphite during the counter-surfaces abrasion.

2 172 WSTĘP Kompozyty metalowe z cząstkami ceramicznymi znane są powszechnie jako materiały odporne na ścieranie, materiały ślizgowe i materiały do pracy w podwyższonych temperaturach [1-4]. Odporność na ścieranie tych tworzyw nie jest jednak na ścieranie tych tworzyw nie jest jednak jednoznaczna korzyściami ich zastosowania w maszynach i urządzeniach. Problemem jest tu zużycie przeciwpowierzchni trących. Rezultatem współpracy trących o siebie elementów jest zużycie trybologiczne, czyli proces niszczenia i usuwania materiału z powierzchni ciał stałych w wyniku tarcia, przejawiający się ciągłą zmianą wymiarów i kształtu trących się elementów. Duża odporność na ścieranie kompozytu [5-7] może równoczesllle powodować nadmierne zużycie przeciwpowierzchni elementu współpracującego z kompozytern w procesie tarcia. Należy więc nie tylko analizować wpływ rodzaju cząstek na odporność na zużycie samego kompozytu (rys.l ), ale także wpływ tych cząstek na zużycie przeciwpowierzchni. Artykuł ten uzupełnia wyniki badat1 przedstawione w poprzednim artykule [8] i konfrontuje odporność na śc ieranie kompozytu z różnymi cząstkami (rys. l) ze zużyciem przeciwpowierzchni stalowej osnowa A G IO : "' E c::; "' <l) c::; "' ;>.. N ::: N AGIO- 5%SiC- 5% Cgr o 500 l Droga tarcia [m) Rys. l Zużycie ście rne badanych kompozytów i stopu osnowy na drodze tarcia (3000m) [8].

3 173 ZAKRES I METODYKABADAŃ Przedmiotem badai1 było zużycie rolek stalowych o średnicy 35mm i twardości HRC, stanowiących standardowe przeciwpróbki w testerze trybologicznym T-05. Klasa gładkości powierzchni materiału wyjściowego, dostarczanego przez producenta, zaliczana jest do typu A. Na badanych przeciwpróbkach prowadzono proces tarcia suchego, przy obciążeniu 50N na styku skoncentrowanym, stopu AGlO, kompozytu AGlO 10%SiCP oraz kompozytu hybrydowego AG lo - 5%SiCP-5%Cgr, których zużycie ścierne opisano w pracy [8] (rys.!). W celu ilościowego określenia zużycia przeciwpowierzchni w tych procesach rolki stalowe poddano badaniom chropowatości przy użyciu profilometru stykowego firmy Rank Taylor Hobson z przetwornikiem optoelektronicznym i promieniem zaokrąglenia igły wynoszącym 2,5j.lm. Profilometr ten po zwo lił na bezpośrednie uzyskanie liczbowych wartości parametrów chropowatości, jak i na odwzorowanie profili badanych powierzchni w postaci profilogramów. Badania prowadzono prostopadle do ścieżek tarcia, przy ustawieniu czułości igły pomiarowej na poziomie 0,25j.lm. Do opisu badanych materiałów wykonano podstawowe parametry (wysokościowe - Ra, Rv, RzDIN oraz wzdłużne Sm) chropowatości powierzchni [9], określające zgodnie ze schematem na rysunku 2: Ra- średnie arytmetyczne odchylenie profilu: l " Ra=-LIY;I n ;= l Rv - maksymalna głębokość profilu poniżej linii średniej, Rz (DIN)- średnia arytmetyczna z n= 15 pomiarów wartości Rti: l " Rt(DIN) =-L Rt; n ;= l Sm-średni odstęp chropowatości: \ linia ś r -e dnia pro filu L- cał k o vvit a długość linii po1niarowej f nn1] Rys.2. Schemat wyznaczania poszczególnych składowych parametrów chropowatości.

4 174 W celu rozpoznania możliwych zjawisk kształtujących procesy zużycia rolek stalowych pracujących w kontakcie z opisanymi materiałami kompozytowymi oraz stopem osnowy AG lo, przeciwpróbki poddano równ1ez obserwacjom mikroskopowym. Analiz dokonano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego SEM typu JSM-5400 firmy Joel, z żarzoną katodą wolframową o napięciu przyspieszającym 25kV. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Na rysunkach 3-5 przedstawiono przeciwpróbek po tarciu suchym kompozytern AG10-10%SiCp AG 10-5%SiCp-5 %Cgr przykładowe profilogramy uzyskane dla odpowiednio ze stopem osnowy AG l O, oraz hybrydowym kompozytern i-3, 888 Ufl\ :' '' ' ".. ~. '....!.... -r 2. fł0" UM ~-- ; 4-1.!;t'lll!l UIOI :.... :... : ;..., ;..... : ! : i ~. t l;... t.... : :- - ; ; ::~~-E~a~i!fl -1,!;98 UM ;...; ;....!. -2, thht um ~ t- 8 :i2i;".;. ~... ;.. """"... '... :..... :. Rys.3. Profilogram przeciwpowierzchni tarcia osnowy stopu AG 10.

5 175 +l "_ B llfft ' ~ --~- +8.SQQ łlipi i - 8. ~08 UM! -l.łlłj B "'""! '... ; u ~ -z. eee... - Z.598 u. i ; i o o oo: '""'"M: "'' -:ł. tufy u"' ~--...!..... i - J. S_ łi& ~o~rn i.;. i;,"iig\.;,;; "'.:... Rys.4. Profilogram przeciwpowierzchni tarcia kompozytu AG lo- 10%SiCp. +J '""' r ~ ; Stltl u."' ' i , Z. ff98 U111 ~ ~... ~: +t. eee u11 [ i ; " ~.... ' " j...:..... : ~..,._ i,.. "''~" ,...! lr...,... X... J; r -l.aee u~n ;...)... : ~ !... "... i".!'! -L S lfill "_ ~" ~... ~... :... ' " ;,.. '... i ł\lł urn i.... t L "''" r :... : : : ~.... :... ~.... i.....,...., t.3 : ~ <h Rys.S. Profilogram przeciwpowierzchni tarcia kompozytu hybrydowego AG lo - 5%SiCp-5%Cgr Porównanie kształtu i przebiegu powyższych linii c hropowatośc i poszczególnych rolek stalowych świadczyło o naj mmejszej chropowatości przeciwpróbki współpracującej ze stopem AG l O (rys.3). Najsilniejszą rozbudow ę profilu chropowatości wraz ze wzrostem maksymalnych głębokości i zarysowaniem szerokich o dl egłośc i na linii profilowej uzyskano rolki badanej po procesie tarcia w układzie z kompozytem Ag l O-l O%SiCP (rys.4). Profilogram uzyskany natomiast dla przeciwpróbki pracującej podczas ścierania kompozytu hybrydowego

6 176 AG 10-5%SiCp-5%Cgr wykazał (w porównaniu z poprzednim) wygładzenie linii chropowatości jak i wyraźne zmniejszenie odstępów pomiędzy poszczególnymi pikami. Przebiegi opisanych profilogramów znalazły odzwierciedlenie w wielkościach poszczególnych parametrów ilościowo opisujących chropowatość badanych powierzchni. Parametry te zestawiono w zbiorczej tabeli l. Tabela l. Parametry chropowatości uzyskane dla poszczególnych przeciwpróbek. Materiał Parametr Badany Ra [!lm] Rv [!lm] Rz(DIN) [gm] Sm [Jlm] Przeciwpróbka pracująca ze stopem AGIO 0,1160 1,2925 1, ,1674 Przeciwpróbka pracująca z kompozytern AG10-10%SiC, 0,2879 2,6899 1, ,5423 Przeciwpróbka pracująca z kompozytern hybrydowym 0,1862 1,5475 1, ,5978 AG10-5%SiC 0-5%C, Przedstawione w tabeli 1 liczbowe wartości chropowatości badanych materiałów wykazały, zgodnie z oczekiwaniami, największą destrukcję przeciwpowierzchni współpracującej z kompozytern umacnianym twardymi cząstkami węglika krzemu. Podstawowy parametr chropowatości, Ra, dla tej przeciwpróbki wynosił bowiem 0,2879!-lm. Przeciwpróbka współpracująca w procesie tarcia z kompozytern hybrydowym wykazała natomiast wyraźne zmniejszenie tego parametru do wartości O, 1862J..tm. Przyjmując wartość Ra=O, 1160!-lm., uzyskaną dla przeciwpróbki ścierającej sam stop osnowy AG l O, za wartość zerową, powyższe dane wykazały blisko 60% zmniejszenie chropowatości powierzchni przeciwpróbki współpracującej z hybrydowym kompozytem umacnianym zarówno twardymi (SiC) jak i miękkimi (Cg,) cząstkami ceramicznymi. Podobne zależności zarysowały się dla dwóch następnych parametrów wysokościowych: Rv i Rz(DIN). Największą wartość parametru wzdłużnego Sm, opisującego średni odstęp chropowatości, wykazała również przeciwpróbka pracująca z kompozytem umacnianym samymi twardymi cząstkami SiC. Przy przyjęciu wartości Sm rolki stalowej ścierającej osnowę metalową AG l O (16, 1674!-lm) za poziom zerowy, obecność różnych cząstek ceramicznych w kompozytach hybrydowych spowodowała 75% zmniejszenie parametru Sm dla przeciwpróbki współpracującej z tym kompozytem. Obserwacje mikroskopowe przeciwpowierzchni pracujących w opisanych procesach tarcia pozwoliły na dokładniejszą interpretację wyników badai'l chropowatości. Przedstawione na rysunkach 6 i 7 mikrografie skaningowe obrazują powierzchnie tarcia rolki współpracującej z kompozytem AG l O-l O%SiCP.

7 177 Rys.6 Mikrografia skaningowa przeciwpowierzchni tarcia kompozytu AG10-10%SiCp; pow.200x. Widoczne typowe zużycie liniowe, w postaci ostrych rys równoległych do osi tarcia, powstało w wyniku działających jako ścierniwo twardych cząstek SiC, wyrywanych z kompozytów i dostających się pomiędzy pracujące powierzchnie. Obserwowano również proces wgniatania tych cząstek w powierzchnię przeciwpróbki. Rys.7. Mikrografia skaningowa przeciwpowierzchni tarcia kompozytu AG10-10%SiCp; pow.500x. Kompozyty hybrydowe nie powodowały natomiast tak dużego niszczenia powierzchni przeciwpróbki. Analizy mikroskopowe ujawniły natomiast zjawisko rozcierania cząstek Cgr na powierzchni przeciwpróbki (rys.8), oraz występowanie w mikroobszarach zużycia przez szczepianiei-go rodzaju.

8 178 Rys.8. Mikrografia skaningowa przeciwpowierzchni tarcia kompozytu AG10-5%SiCp-5%Cgr; pow.looox. Przedstawione, charakterystyczne dla badanych przeciwpróbek, obrazy powierzchni tarcia pozwoliły przypisać uzyskaną największą chropowatość powierzchni rolki współpracującej z kompozytern AG l 0-1 O%SiCp, obecności pomiędzy tymi elementami cząstek węglika krzemu. Zmniejszenie parametrów chropowatości przeciwpróbki badanej po procesie tarcia z kompozytern hybrydowym (tab.l) powodowane było głównie smarującym działaniem grafitu, pochodzącego z tego materiału kompozytowego. PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki badań oraz ich porównanie ze zużyciem scternym stopu wyjściowego i kompozytów (rys.l) dają ważne wytyczne dla przyszłych zastosowań kompozytów odpornych na scteranie. [stnieje konieczność kompromisu między maksymalną odpornością na ścieranie jednego elementu urządzenia (kompozyt) i minimalizowaniem destrukcji powierzchni elementu urządzenia, ścieranej kompozytem. Wydaje się, że takie rozwiązanie daje zastosowanie kompozytów hybrydowych, zawierających równocześnie twarde i miękkie cząstki. W badanych kompozytach wprowadzenie do osnowy metalowej równocześnie cząstek SiC i Cgr pozwoliło na otrzymanie materiału o stosunkowo wysokiej odporności na zużycie ścierne, przy równoczesnym smarującym oddziaływaniu grafitu.

9 179 LITERA TURA: [l] Ślez iana J.: Kształtowanie właściwości kompozytów stop Al-czastki ceramiczne wytwarzanych metodami odlewniczymi, Politechnika Śląska, Z47, Gliwice [2] Hyla 1., Śleziana J., Myalski J.: Technologia wytwarzania i własności wybranych stopów aluminium zbrojonych cząstkami ceramicznymi, Inż. Mat., Nr 6, 1993, s [3] Hyla 1., Śleziana J.: Ścieralność kompozytu AISill - Alz0 3 (SiC), Inż. Mat., Nrl, 1991, s [4] Hutchings LM.: Trybological Properties ofmetal Matrix Composities, Mat. Sc. and Tech., Vol. 10, June [5] Śleziana J.: Kompozyty Al-cząstki ceramiczne-wytwarzanie i własno ś ci, Symp. PAN, Kraków październik 1992, ref.6. [6] Hyla 1., Śleziana J.: Kształtowanie własności kompozytów Al-cząstki ceramiczne, Commission 1.8 Cast Composites, CIATF, 1995, s.6. [7] Ames W., Alpas A.T.: Wear Mechanisms in Hybrid Composites of Graphite- 20 Ptc SiC in A356 Aluminium Alloy (Al - 7 Pct Si 0.3 Pct Mg), Met. and Mat. Trans, Vol. 26A, Nol, January 1995, p [8] Braszczyński J., Cisowska M., Braszczyńska K.: Otrzymywanie i odporność na zużycie śc iern e kompozytów hybrydowych Al-cząstki ceramiczne (SiC+Cg,), Acta Metallurgica Slovaca, 5, 1999, s [9] Nowicki B., Struktura geometryczna-chropowatość i falistość powierzchni, WNT, Warszawa 1991.