1-2014 T R I B O L O G I A 41 Stanisław LABER *, Alicja LABER *, Agnieszka LABER ** WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK CERAMICZNYCH AL 2 O 3 NATRYSKIWANYCH PLAZMOWO THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF PLASMA SPRAYED AL 2 O 3 CERAMIC COATINGS Słowa kluczowe: natryskiwanie plazmowe, powłoki ceramiczne Al 2 O 3, współczynnik tarcia, zużywanie Key words: plasma spraying, Al 2 O 3 ceramic coatings, coefficient friction, temperature, wear Streszczenie W artykule przedstawiono właściwości tribologiczne powłok na bazie proszku ceramicznego Al 2 O 3 oraz proszku Al 2 O 3 z dodatkiem 4%Mo natryskiwanych plazmowo. Badania powłok prowadzono w skojarzeniu ze stalą C45 za pomocą maszyny tarciowo zużyciowej typu Amsler w warunkach tarcia suchego oraz mieszanego. Węzeł tarcia smarowano olejem przekładniowym Shell Spirax S2 A 80W-90 stosowanym w urządzeniach wiertniczych do poszukiwania ropy * Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy i Eksploatacji Maszyn i Pojazdów, ul. Licealna 9; 65-200 Zielona Góra. ** Przedsiębiorstwo Poszukiwań Nafty i Gazu EXALO Zielona Góra, ul. Naftowa 3; 65-705 Zielona Góra.
42 T R I B O L O G I A 1-2014 naftowej i gazu. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono wpływ rodzaju powłoki i rodzaju tarcia na właściwości tribologiczne badanych powłok. Korzystne właściwości tribologiczne uzyskano dla powłoki Al 2 O 3 z dodatkiem 4%Mo. WPROWADZENIE Powłoki metalowe wykonywane z różnych metali i nakładane różnymi metodami znajdują szerokie zastosowanie w procesach regeneracji zużytych elementów maszyn. Powłoki metalowe posiadają zróżnicowane własności fizyczne i użytkowe. Jedną z metod wytwarzania powłok metalowych jest między innymi metalizacja natryskowa plazmowa [9]. W chwili obecnej metalizacja natryskowa jest stosowana do różnych celów, z których najważniejszymi są [4]: regeneracja zużytych części maszyn w celu przywrócenia im pierwotnych kształtów i wymiarów, możliwość regeneracji materiałem o lepszych właściwościach niż materiał pierwotny, uzyskanie warstwy o dużej odporności na ścieranie, odpornej na wysoką temperaturę oraz korozję chemiczną, wykonywanie powłok dekoracyjnych, naprawa wad odlewniczych i braków powstałych przy obróbce mechanicznej. Powłoki ceramiczne mają zastosowanie w przemyśle chemicznym, spożywczym, petrochemicznym, w ochronie środowiska, energetyce, gospodarce wodno-ściekowej, cementowniach oraz wielu innych gałęziach przemysłu. Wykorzystanie tych materiałów pozwala zwiększyć trwałość i niezawodność urządzeń, wydłużyć cykle remontowe, zmniejszyć straty energii i zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia środowiska. MATERIAŁY UŻYTE DO BADAŃ Badania prowadzono na powłokach natryskiwanych plazmowo na bazie proszku ceramicznego Al 2 O 3 (Rys. 1a) oraz Al 2 O 3 z dodatkiem molibdenu 4% w stosunku wagowym (Rys. 1b). Granulacja proszku ceramicznego wynosiła od 20 50 µm. Badane powłoki (Rys. 2a i Rys. 2b) miały mikrotwardość: Al 2 O 3 500 µhv 100, Al 2 O 3 + 4% Mo -380 µhv 100. Proszek na powłokę Al 2 O 3 (Rys.1) był jednorodny i równomiernie rozmieszczony, natomiast proszek na powłokę Al 2 O 3 + 4% Mo (Rys. 1b) charakteryzuje się ziarnami o różnych wymiarach i nierównomiernym rozłożeniu. Efektem rodzaju proszku jest struktura powłok (Rys. 2a i 2b). Powłoka ceramiczna Al 2 O 3 posiada strukturę drobnoziarnistą i jednorodną (Rys. 2a), natomiast powłoka ceramiczna Al 2 O 3 + 4% Mo (Rys. 2b) nie jest jednorodna, widoczne są wtrącenia molibdenu.
1-2014 TRIBOLOGIA a) 43 b) Rys. 1. Proszek na powłokę: a) Al2O3, b) Al2O3 + 4% Mo Fig. 1. The powder used for the coatings spraying: a) Al2O3, b) Al2O3 + 4% Mo a) b) Powłoka Powłoka +4%Mo Al2O3 Rys. 2. Mikrostruktura powłoki: a)al2o3, b) Al2O3 + 4% Mo Fig. 2. The microstructure of the deposited coatings: a) Al2O3, b) Al2O3 + 4% Mo Jak wykazały badania [L. 1], podczas natryskiwania plazmowego we wszystkich rodzajach powłok na bazie Al2O3 formują się modyfikacje tlenku glinu: wysokotemperaturowa α-al2o3 oraz niskotemperaturowa γ-al2o3. Zawartość modyfikacji tlenku glinu wysokotemperaturowej α-al2o3 w powłokach z ceramiki z dodatkami molibdenu jest nieco wyższa w porównaniu z powłoką
44 T R I B O L O G I A 1-2014 na bazie czystego tlenku glinu. W strukturze powłoki ceramicznej Al 2 O 3 + 4% Mo stwierdzono obecność tlenków molibdenu. W pobliżu podłoża wszystkie powłoki zawierają także fazę α-fe, co świadczy o dyfuzji żelaza ze stali do przylegających warstw powłoki ceramicznej. Do smarowania węzła tarcia powłoka ceramiczna/stal C45 zastosowano środek smarowy olej przekładniowy stosowany w urządzeniach wiertniczych Shell-Spirax S2 A 80W-90 o następujących własnościach fizykochemicznych: lepkość w 40 C 146 mm 2 /s, lepkość w 100 C 14,7 mm 2 /s, wskaźnik lepkości 100, gęstość 904 kg/m 3. WARUNKI BADAŃ Badania właściwości tribologicznch skojarzenia trącego (Rys. 3b) klocek z powłoką ceramiczną/rolka ze stali C45 prowadzono za pomocą maszyny tarciowo-zużyciowej typu Amsler A-135 (Rys. 3a) zgodnie z PN-H-04329 w warunkach tarcia suchego oraz mieszanego. Węzeł tarcia smarowano olejem przekładniowym Shell-Spirax S2 A 80W-90 stosowanym w przekładniach zębatych urządzeń wiertniczych poszukiwań nafty i gazu. Prędkość przepływu środka smarowego 30 kropli na minutę. Prędkość obrotowa rolki wynosiła 200 obr./min (prędkość na powierzchni styku 0,46 m/s), obciążenie węzła tarcia P = 300 N, a czas pracy 1 godzina. W czasie badań rejestrowano pracę tarcia A, na podstawie której obliczono średni współczynnik tarcia. Za pomocą termopary żelazo/konstantan rejestrowano temperaturę obszaru tarcia. Średni współczynnik tarcia µ śr obliczono z zależności: A 10 µ sr = P D π n gdzie: A praca tarcia [Nm], P obciążenie próbki [N], D średnica próbki [m], n c całkowita liczba obrotów w jednym badaniu. Na podstawie szerokości śladów zużycia po procesie tarcia obliczono wielkość zużycia objętościowego Z v według wzoru: 3 c Z v = 2 Dt l 2arcsin 8 b D t sin 2arcsin b D t [ mm 3 ] gdzie: D t średnica rolki [mm], l szerokość klocka [mm], b średnia szerokość śladu tarcia [mm].
1-2014 TRIBOLOGIA 45 a) b) Rys. 3. Maszyna tarciowo-zużyciowa typu Amsler A 135: a) ogólny widok, b) l węzeł tarcia Fig. 3. Amsler A 135 friction and wear tester: a) a photograph, b) tribosystem WYNIKI BADAŃ Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że przy tarciu suchym dla powłoki Al2O3 i powłoki Al2O3 + 4% Mo istnieją małe różnice właściwości tribologicznych, tj. pracy tarcia, współczynnika tarcia i temperatury obszaru tarcia. W pierwszej fazie pracy węzła tarcia po przebytej drodze około 250 m dla powłoki Al2O3 + 4% Mo stwierdzono większy wzrost pracy tarcia, współczynnika tarcia i temperatury obszaru tarcia w porównaniu z powłoką
46 T R I B O L O G I A 1-2014 Al 2 O 3 Rys. 4 6. Po drodze tarcia większej niż 250 m praca tarcia i współczynnik tarcia były mniejsze dla powłoki z molibdenem, natomiasr temperatura obszaru tarcia była porównywalna dla obu powłok. Dla powłoki Al 2 O 3 i Al 2 O 3 + 4% Mo środek smarowy w całym zakresie badawczym obniżył pracę tarcia, współczynnik tarcia i temperaturę obszaru tarcia. Po drodze tarcia około 1375 m praca tarcia dla powłoki Al 2 O 3 była prawie dwukrotnie większa i większy współczynnik tarcia niż dla powłoki Al 2 O 3 + 4% Mo. W końcowym okresie pracy węzłów tarcia temperatura dla powłoki Al 2 O 3 była o 6,1 C wyższa niż dla powłoki Al 2 O 3 + 4% Mo. Po procesie tarcia na sucho i ze smarowaniem na podstawie śladów zużycia obliczono zużycie objętościowe (Rys. 10). Zużycie dla badanych obu powłok bez środka smarowego było większe niż zużycie z zastosowaniem środka smarowego. Mniejsze zużycie uzyskano dla powłoki Al 2 O 3 + 4% Mo smarowanej. Środek smarowy obniżył dwukrotnie zużycie. Po procesie tarcia na sucho zużycie powłoki Al 2 O 3 + 4% Mo było mniejsze około 9 razy niż powłoki Al 2 O 3. 20 18 16 Praca tarcia A [J] 14 12 10 8 6 4 2 0 powłoka Al 2 O 3 powłoka Al 2 O 3 +4% Mo 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 Droga tarcia [m] Rys. 4. Wpływ rodzaju powłoki na pracę tarcia w warunkach tarcia suchego Fig. 4. The influence of the type of coating on the friction work in dry friction conditions
1-2014 T R I B O L O G I A 47 0,5 0,4 0,3 µ śr 0,2 0,1 powłoka Al2O3 powłoka Al2O3 +4% Mo 0 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 Droga tarcia [m] Rys. 5. Wpływ rodzaju powłoki na średni współczynnik tarcia w warunkach tarcia suchego Fig. 5. The influence of the coating material on the average coefficient of friction in dry friction conditions 65 60 55 50 Temperatura T [ C] 45 40 35 30 25 20 15 10 powłoka Al 2 O 3 powłoka Al 2 O 3 +4% Mo 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 Droga tarcia [m] Rys. 6. Zmiany temperatury w czasie dla badanych powłok w warunkach tarcia suchego Fig. 6. Changes in temperature over time for the coatings tested under dry friction
48 T R I B O L O G I A 1-2014 0,7 powłoka Al 2 O 3 0,6 powłoka Al 2 O 3 +4% Mo 0,5 Praca tarcia A [Nm] 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 Droga tarcia [m] Rys. 7. Wpływ rodzaju powłoki na pracę tarcia w warunkach tarcia mieszanego Fig. 7. The influence of the type of coating on the friction work in the mixed friction conditions 0,08 0,07 powłoka Al 2 O 3 powłoka Al 2 O 3 +4% Mo 0,06 0,05 μśr 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 Droga tarcia [m] Rys. 8. Wpływ rodzaju powłoki na średni współczynnik tarcia w warunkach tarcia mieszanego Fig. 8. The influence of the type of coating on the average coefficient of friction in the mixed friction conditions
1-2014 T R I B O L O G I A 49 40 35 Temperatura T [ C] 0 30 25 20 15 powłoka Al 2 O 3 powłoka Al 2 O 3 +4% Mo 10 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 Droga tarcia [m] Rys. 9. Zmiany temperatury w czasie dla badanych powłok w warunkach tarcia mieszanego Fig. 9. Changes in temperature over time for the coatings tested in the mixed friction conditions a) b) Rys. 10. Powierzchnia strefy tarcia powłok po procesie tarcia na sucho przy obciążeniu stałym węzła tarcia 300 N: a) Al 2 O 3 b) Al 2 O 3 + 4% Mo. Pow. 100x Fig. 10. The wear tracks after tests in dry friction conditions under constant load of 300 N for tested coatings: a) Al 2 O 3, b) Al 2 O 3 + 4% Mo; magnification 100x
50 T R I B O L O G I A 1-2014 a) b) Rys. 11. Powierzchnia strefy tarcia powłok w warunkach tarcia mieszanego przy obciążeniu stałym węzła tarcia 300 N: a) Al 2 O 3, b) Al 2 O 3 + 4% Mo. Pow. 100x Fig. 11. The wear tracks after tests in mixed friction conditions under constant load of 300 N for tested coatings: a) Al 2 O 3, b) Al 2 O 3 + 4% Mo.; magnification 100x Rys. 12. Zużycie powłok po procesie tarcia na sucho i ze smarowaniem Fig. 12. Wear layers in the process of friction in dry and lubricated WNIOSKI 1. Praca tarcia, współczynnik tarcia, temperatura obszaru tarcia dla powłoki Al 2 O 3 i Al 2 O 3 + 4% Mo są porównywalne w warunkach tarcia suchego. 2. Środek smarowy trzykrotnie obniżył współczynnik tarcia dla powłoki Al 2 O 3, a trzynastokrotnie dla powłoki Al 2 O 3 + 4% Mo.
1-2014 T R I B O L O G I A 51 3. Środek smarowy polepsza właściwości tribologiczne dla obu badanych powłok. Przy czym zdecydowanie korzystniejsze właściwości tribologiczne uzyskano dla powłoki Al 2 O 3 + 4% Mo. 4. Zużycie powłoki Al 2 O 3 po procesie tarcia na sucho było dziewięciokrotnie większe niż powłoki Al 2 O 3 + 4% Mo. 5. Biorąc pod uwagę uzyskane wyniki badań, najlepszą powłoką okazała się powłoka Al 2 O 3 + 4% Mo. LITERATURA 1. Felsthein E., Laber A., Devojno O., Yatskirvicz O.: Badania tribologiczne powłok ceramicznych natryskiwanych plazmowo. Tribologia: Teoria i Praktyka nr 2/2010. 2. Laber S.: Ocena właściwości tribologicznych powłok uzyskanych drogą metalizacji natryskowej Tribologia 4/2012. 3. Heimann R.B.: Plasma Spray Coating, Principles and Applications. Ed.2. Wiley- VCH, Weinheim, 2008. 4. D Agostino R., Favia P., Kawai Y., Ikegarni H., Sato N., Arefi-Khonsari F.: Advanced Plasma Technology. Wiley- VCH, Berlin 2007. 5. Nadasi E.: Nowoczesne metody metalizacji natryskowej (tłum. z języka węgierskiego Liszewski E.), Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1975. 6. Topulos A. (red.): Mały leksykon techniczny Technologia mechaniczna, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1977. 7. Naczelna Organizacja Techniczna w Częstochowie Regeneracja odpowiedzialnych części maszyn i urządzeń metodą metalizacji natryskowej. Częstochowa, wrzesień 1983. 8. Żurawski W., Antoszewski B.: Właściwości tribologiczne powłok natryskanych cieplnie. Tribologia 3/2007. 9. Piekoszewski W.: Wpływ powłok na zmęczenie powierzchniowe smarowanych stalowych węzłów tarcia. Wydawnictwo Naukowe ITeE PIB, Radom 2011. Summary The article presents the tribological properties of plasma sprayed coatings based on ceramic powder Al 2 O 3 and Al 2 O 3 powder with the addition of 4% Mo. Coating tests were carried out in combination with a C45 steel using Amsler A 135 friction and wear tester in dry and mixed friction conditions. Tribosystems were lubricated with gear oil Shell Spirax S2 A 80W-90 used in drilling devices for oil and gas. The effect of the coating type and the type of friction on the tribological properties of the coatings tested was demonstrated. The best tribological properties were obtained for the Al 2 O 3 coating with the addition of 4% Mo.
52 T R I B O L O G I A 1-2014