60/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI KOMPOZYTÓW ODLEWNICZYCH TYPU FeAl-Al 2 O 3 PO PRÓBACH TARCIA STRESZCZENIE A. PATEJUK 1, M. PONIATOWSKA 2 Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45C, 15-351 Białystok Artykuł dotyczy badania struktury geometrycznej powierzchni materiałów kompozytowych na osnowie faz międzymetalicznych FeAl-Al 2 O 3 z różnym udziałem fazy zbrojącej, z obecnością i bez powłoki niklowej, otrzymywanych metodą odlewania. Key words: composite materials, surface texture 1. WSTĘP Materiały kompozytowe należą do nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się materiały kompozytowe z osnową metaliczną zbrojone cząstkami. W przypadku tych kompozytów, jednym z najtrudniejszych i nadal nierozwiązanych problemów jest kwestia zapewnienia właściwego połączenia cząstek zbrojących z metaliczną osnową. Przy czym wiadomym jest, że znaczący wpływ na poprawę własności mechanicznych i ciernych ma obecność powłoki ukonstytuowanej na cząstkach zbrojących [1-3]. Jedną z przyczyn wielkiego zainteresowania i rozszerzenia badań nad materiałami, szczególnie typu FeAl-Al 2 O 3, są ich niezwykłe własności, a w szczególności wysoka odporność na zużycie ścierne. W oparciu o wyniki badań, zostało ustalone, że udział fazy zbrojącej Al 2 O 3 i poprawienie jakości połączenia z osnową np. poprzez zastosowanie powłoki niklowej, wydatnie wpływa na obniżenie stopnia zużycia ściernego opisywanych materiałów [4, 5]. 1 dr inż. apatejuk@pb.bialystok.pl 2 dr inż. mponiat@pb.bialystok.pl 381
Proces technologiczny wytwarzania materiałów kompozytowych, które w dalszej części został poddane badaniom tribologicznym, polegał na stopieniu w osłonie argonu wcześniej przygotowanych składników wsadowych (występujących w postaci proszku), a następnie odlaniu do przygotowanych form. 2. STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI Struktura geometryczna powierzchni jest jednym z ważniejszych czynników decydujących o jej jakości. Wpływa na własności eksploatacyjne elementów maszyn wyrażone m.in. przez warunki tarcia na powierzchniach stykowych, naprężenia stykowe, wytrzymałość zmęczeniową, odporność na korozję, szczelność połączeń, powierzchniowe promieniowanie cieplne czy własności magnetyczne. Strukturą geometryczną powierzchni (SGP) określa się zbiór wszystkich nierówności, powstałych w wyniku procesów obróbki i zużycia materiału. Dane eksploatacyjne dowodzą, że około 90% wszystkich braków produkcyjnych ma swoje źródło w powierzchni, od uszkodzeń mechanicznych takich jak pęknięcia zmęczeniowe, pęknięcia wywołane naprężeniami spowodowanymi korozją, zużycie ściernokorozyjne, nadmierne ścierne zużycie, korozja, erozja itp. Przyjmuje się podział (SGP) na składowe: chropowatość powierzchni, falistość powierzchni i odchyłki kształtu [6]. Podział ten oparty jest na proporcjach wysokości i długości fali nierówności. Dla kompleksowej charakterystyki chropowatości powierzchni stosuje się wiele parametrów wysokościowych i wzdłużnych (Ra, Rz, Rt, Rp, Rq, RSm, Rmr(c)) oraz funkcji (krzywą gęstości amplitudowej, krzywą udziału materiału, funkcję gęstości widmowej mocy) [6]. Dzięki cyfrowej obróbce danych pomiarowych w stosowanych obecnie komputerowych systemach do badań SGP, możliwe jest oddzielne badanie składowych, obliczanie wymienionych powyżej parametrów i funkcji (po rozdzieleniu przez filtrację) dla profili chropowatości, falistości lub dla profilu pierwotnego. Graniczna długość fali dla której uznaje się, że chropowatość powierzchni przechodzi w falistość powierzchni, czyli długość odcinka elementarnego, to tzw. wartość cut-off cyfrowego filtru odcinającego. W prezentacjach uwzględnia się następujące oznaczenia [6]. R - dla chropowatości powierzchni, W - dla falistości powierzchni, P - dla profilu pierwotnego. Badania przeprowadzono na stanowisku pomiarowym którego głównym elementem był profilografometr Hommel Tester T1000 połączony z komputerem z zainstalowanym oprogramowaniem Turbo Datawin NT 1.34 [7]. Określono wartości parametrów wysokościowych Ra, Rz, Rt oraz wzdłużnego RSm, przedstawiono profile P i R a także zwymiarowano typowe elementy profilu R w kierunkach pionowym i poziomym. Dokonano również obserwacji powierzchni próbek pod mikroskopem skaningowym Hitachi S-3000N. Obserwacje te pozwoliły na wyodrębnienie dwóch faz 382
występujących w próbkach. Pierwszą z nich była faza intermataliczna FeAl, drugą zaś faza zbrojąca tlenku aluminium Al 2 O 3. Na badanych próbkach można było również potwierdzić (oceniając jakościowo) zróżnicowane udziały zbrojenia. SGP próbki z 10% zawartością zbrojenia Al 2 O 3 (rys. 1a, b) charakteryzowała się wartościami parametrów Ra=1,26µm, Rz=7,72µm, RSm=0,1838mm. a) b) Rys. 1. Kompozyt FeAl - 10% Al 2 O 3 : a - profil P, b- profil R Fig. 1. Composite material FeAl - 10% Al 2 O 3 : a) P-profile, b) R-profile Przeprowadzone obserwacje powierzchni próbek przed badaniami tribologicznymi wykazały, że na powierzchniach występują ubytki materiału kompozytowego (rys. 2 i 3). Są one efektem wykruszeń słabo utwierdzonych, twardych cząstek tlenku aluminium. Powyższe ubytki powstały na skutek szlifowania powierzchni próbek przed eksperymentem. Odnotowano przy tym nieco mniejsze obszary ubytków dla materiału kompozytowego w którym jako zbrojenie zastosowano a) b) c) Rys. 2. Powierzchnie próbek FeAl-Al 2 O 3 o udziale zbrojenia: a 10% (bez powłoki), b - 10% (z powłoką niklową) c - 20% (z powłoką niklową) Fig. 2. The surfaces of. FeAl-Al 2 O 3 with volume fraction of reinforce material: a 10% (without nickel covering), b - 10% (with nickel covering) c - 20% (with nickel covering) 383
cząstki Al 2 O 3 z powłoką niklową (rys. 3). SGP powierzchni materiału kompozytowego z udziałem 10% zbrojenia charakteryzowała się parametrami Ra=0,45 µm, Rz=5,51 µm, RSm=0,1225 mm oraz profilem powierzchni przedstawionym na rys. 3a. Natomiast w przypadku zwiększenia udziału zbrojenia do 20% odpowiednio Ra=2,27 µm, Rz=17,08 µm, RSm=0,2315 mm. a) b) Rys. 3. Profile chropowatości próbek FeAl-Al 2 O 3 z powłoką niklową o udziale zbrojenia: a 10%, b 20% Fig. 3. The roughness profiles of composite material; FeAl-Al 2 O 3 with nickel covering with volume fraction of reinforce material: a - 10% b - 20% Analiza powierzchni próbek po 1 godz. tarcia wykazała, że największe nierówności występują na powierzchniach materiałów z małym udziałem fazy zbrojącej (rys. 4a). Profil chropowatości przedstawiony na rys. 4a charakteryzowały parametry: Ra=6,89 µm, Rz=42,27 µm, RSm=0,2188 mm. Natomiast profil powierzchni materiału kompozytowego o zawartości 20% zbrojenia, przedstawionej na rys. 4b, charakteryzowały parametry: Ra=4,64 µm, Rz=21,41 µm, RSm=0,2976 mm. Analiza powierzchni próbek w dalszym procesie zużycia potwierdziła, że podobnie jak poprzednio, największe nierówności występują na powierzchniach kompozytów z małym udziałem fazy zbrojącej (rys. 5). Profil chropowatości przedstawiony na rys. 5a, charakteryzowały parametry: Ra=6,52 µm, Rz=32,48 µm, RSm=0,2356 mm. Na powierzchniach widoczne są głębokie bruzdy i efekty zjawiska zacierania. Profil powierzchni przedstawionej na rys. 5d charakteryzowały parametry: Ra=3,28 µm, Rz=15,06 µm, RSm=0,3472 mm. 384
a) b) Rys. 4. Profile chropowatości FeAl-Al 2 O 3 z powłoką niklową po 1 godz. tarcia, o udziale zbrojenia: a 10%, b 20% Fig. 4. The roughness profiles of composite material FeAl-Al 2 O 3 with nickel covering after 1 hour of wear with volume fraction of reinforce material: a - 10% b - 20% a) b) c) d) Rys. 5. Powierzchnie oraz profile chropowatości próbek po 2 godz. tarcia o udziale zbrojenia (z powłoką niklową): a - 10%, b 20% c 10%, d 20 Fig. 5. The surface and roughness profiles of composite material FeAl-Al 2 O 3 with nickel covering after 2 hour of wear with volume fraction of reinforce material: a - 10% b - 20%, c - 10% d - 20% 385
3. WNIOSKI Przeprowadzone badania potwierdziły, ze wraz ze wzrostem udziału zbrojenia w materiale kompozytowym maleją wartości parametrów wysokościowych profilu nierówności. Przy czym próbki badanych materiałów kompozytowych po testach ścieralności, charakteryzowały się mniejszą od wejściowych liczbą wykruszeń. LITERATURA [1] Łosik I., Zarański Z., Bojar Z.: Badania granicy rozdziału w kompozytach metalicznych zbrojonych włóknami węglowymi. Kompozyty. Nr 5. Częstochowa (2002) 333-337. [2] Olszówka-Myalska A.: Wpływ preparacji cząstek Al 2 O 3 niklem na właściwości kompozytu Al.-(A Al 2 O 3 ). Kompozyty. Nr 4. Częstochowa (2002) 199-203. [3] Patejuk A., Krupicz B.: Wpływ warunków badania na zużycie materiałów kompozytowych typu FeAl-Al 2 O 3. Kompozyty. Nr 4. Częstochowa (2005) 88-92. [4] Kaliński D., Chmielewski M., Kozłowski M.: Kompozyty na osnowie międzymetalicznej NiAl o właściwościach zmodyfikowanych cząstkami ceramicznymi. Kompozyty. Nr 3. Częstochowa (2005) 96-101. [5] Patejuk A. The influence of nickel covering of Al 2 O 3 on properties of composite material with aluminium matrix Międzynarodowa Konferencja Progres transportnych sredstw 2002. Wołgograd 8-11.10 (2002) 56-63. [6] PN-ISO 4287:1999 Struktura geometryczna powierzchni: Metoda profilowa. [7] Poniatowska M., Patejuk A.: Metodyka badań mikrogeometrii powierzchni z wykorzystaniem przyrządu HOMMEL TESTER T-1000 w aspekcie opisu właściwości tribologicznych. Aparatura Badawcza i Dydaktyczna. T.X. Nr 4 (2005) 273-289. SURFACE TEXTURE OF COMPOSITE MATERIALS TYPE FeAl-Al 2 O 3 AFTER WEAR TEST ABSTRACT The paper deals with investigations of surface texture of composite materials type FeAl- Al 2 O 3 with various volume fraction of reinforce material and nickel covering. Recenzował: Prof. Jan Piwnik 386