Pobierz TWORZENIE EKSPLOATACYJNEJ WARSTWY ... i więcej Ćwiczenia w PDF z Metalurgia tylko na Docsity! KOMPOZYTY (COMPOSITES) 3(2003)6 Dionizy Biało1 Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Inżynierii Precyzyjnej i Biomedycznej, ul. św. A. Boboli 8, 02-525 Warszawa TWORZENIE EKSPLOATACYJNEJ WARSTWY WIERZCHNIEJ W KOMPOZYTACH ALUMINIOWYCH PODCZAS TARCIA Praca dotyczy badań nad tworzeniem tzw. eksploatacyjnej warstwy wierzchniej (EWW) w kompozytach aluminiowych pod- czas tarcia. Badaniom poddano kompozyty wytworzone metodą metalurgii proszków. Zawierały one osnowę Al + 4,5 Cu + + 0,7 Si + 0,5 Mg i fazę umacniającą w postaci cząstek Al2O3 w ilości 10%. Ziarnistość fazy umacniającej wynosiła: 3, 9, 23, 53 μm. Próby tribologiczne prowadzono na maszynie typu trzpień-tarcza w warunkach tarcia na sucho o stalową przeciwpróbkę przy następujących parametrach: nacisk jednostkowy 0,5÷5 MPa, prędkość tarcia 1 m/s, droga tarcia 6000 m. Wykazano, że przypo- wierzchniowa warstwa w kompozycie jest odkształcona plastycznie, ma strukturę steksturowaną i rozdrobnioną. Jest ponadto znacznie utwardzona w stosunku do twardości materiału położonego głębiej. Grubość EWW jest tym większa, im większe zasto- sowano naciski jednostkowe przy tarciu i im bardziej plastyczny jest materiał. Największe grubości warstwy wierzchniej wystę- pują dla materiału osnowy. Dla kompozytów grubość EWW jest tym mniejsza, im większy jest rozmiar cząstek fazy umacniają- cej. Słowa kluczowe: tarcie, warstwa wierzchnia, kompozyty aluminiowe, metalurgia proszków FORMATION OF THE OPERATION SURFACE LAYER IN ALUMINIUM MATRIX COMPOSITES DURING FRICTION In this work the results of experimental study on formation of the operation surface layer in aluminium matrix composites during friction have been presented. Composites manufactured by powder metallurgy route contain: Al + 4.5 Cu + 0.7 Si + + 0.5 Mg matrix and reinforcing phase - Al2O3 particle with 10% volume fraction. Average size of reinforcing phase was 3, 9, 23 and 53 μm. Tribological experiments were carried out on the pin-on-disk apparatus at dry friction condition with the steel counter- specimen at the following parameters: contact pressure of 0.5÷5 MPa, friction velocity of 1 m/s, friction distance of 6000 m. It was noticed that surface layer undergo to plastic deformation, and has texturing, reducing grain structure (Figs. 1, 2). Operation surface layer hardness nearby the friction surface is higher then hardness of the not deformed material (the core) (Fig. 3). Thickness of the surface layer is the higher, the higher was contact pressure during friction tests and more duc- tile the material was (Fig. 4). The greatest thickness of the operation surface layer occuring for the matrix material. For the composite materials the de- pendence between surface layer thickness and granularity of the reinforcing phase was observed. Thickness of this layer was the smaller, the larger was the size of alumina particle. Key words: surface layer, aluminium matrix, friction, powder metallurgy 1 dr inż. WPROWADZENIE Tarciu dwóch elementów towarzyszą złożone proce- sy tribologiczne występujące w obszarze styku. Ich przebieg zależy w dużym stopniu od stanu warstw wierzchnich (WW) położonych przy powierzchni tarcia każdego elementu. Samo zużycie tribologiczne elemen- tów maszyn jest w rzeczywistości niszczeniem ich war- stwy wierzchniej [1]. Warstwa wierzchnia jest definiowana jako zewnętrz- na warstwa przedmiotu powstała w wyniku działania na przedmiot procesów fizycznych i chemicznych, jako- ściowo lub ilościowo różniąca się od materiału położo- nego głębiej (tzw. rdzenia). Jako grubość warstwy wierzchniej przyjmuje się głębokość zalegania zmian jednej lub kilku cech WW: mikrotwardości, naprężeń własnych, rodzaju struktury, rozkładu wdyfundowanych lub zaimplantowanych atomów danego pierwiastka [2]. Wyróżnia się dwa pojęcia WW. Pierwsze to „tech- no-logiczna warstwa wierzchnia” (TWW), będąca skut- kiem zastosowanych procesów technologicznych wyko- nania przedmiotu: skrawania, odlewania, obróbek po- wierzchniowych itp. Pod wpływem wymuszeń tribolo- gicznych (podczas eksploatacji): nacisku, prędkości, temperatury, oddziaływań otaczającej atmosfery i środ- ków smarowych TWW ulega przekształceniu [3] w „eksploatacyjną warstwę wierzchnią” (EWW). Prezentowana praca dotyczy badań nad tworzeniem EWW podczas tarcia kompozytów o osnowie aluminio- wo-miedziowej umocnionych cząstkami Al2O3. Przed- Tworzenie eksploatacyjnej warstwy wierzchniej w kompozytach aluminiowych podczas tarcia 85 stawiono wybrane wyniki badań obejmujące wpływ na- cisków jednostkowych i rozmiaru cząstek umacniają- cych. Grubość EWW określano według kryterium zmian twardości. MATERIAŁY ZASTOSOWANE W BADANIACH Do badań tribologicznych wytworzono materiały kompozytowe o osnowie stopu aluminium umocnione cząstkami tlenku glinu. Na osnowę zastosowano proszek o składzie Al + 4,5 Cu + 0,7 Si + 0,5 Mg. Jako fazę umacniającą zastosowano proszek Al2O3 o nieregu- larnym kształcie ziarn i średniej wielkości ziarn: 3, 9, 23, 53 μm. Udział objętościowy fazy umacniającej we wszystkich kompozytach był jednakowy i wynosił 10%. Proces wytwarzania kompozytów obejmował następują- ce operacje: mieszanie proszku osnowy z cząstkami fazy umacniającej, prasowanie wstępne do gęstości względnej ok. 82%, spiekanie wyprasek w atmosferze ochronnej, wyciskanie na gorąco i obróbkę cieplną obejmującą przesycanie i starzenie. Skład i wybrane właściwości kompozytowych materia- łów oraz materiału osnowy przedstawiono w tabeli 1. TABELA 1. Materiały zastosowane w badaniach TABLE 1. Composition and properties of the tested materials Skład Faza umacniająca Ozna- czenie materia- łów Osnowa % obj. Rozmiar μm Twardość osnowy HV001 Rm MPa Wydłu- żenie a % M 0 - 123 377 8,32 A3 10 3 128 389 6,11 A9 9 130 422 5,33 A23 23 138 416 4,50 A53 Al + 4,5% Cu + 0,7% Si + 0,5% Mg 53 154 428 3,67 BADANIA TRIBOLOGICZNE Próby tarcia i zużycia przeprowadzono na urządze- niu własnej konstrukcji pracującym w układzie trzpień-tarcza w następujących warunkach: – nacisk jednostkowy 0,5; 1,5; 3 i 5 MPa – prędkość tarcia 1 m/s – droga tarcia 6000 m – środowisko powietrze, ok. 20ºC – rodzaj tarcia technicznie suche – przeciwpróbka tarcza stalowa, 58 HRC – wymiary próbki kompozytowej Φ5x15 WYNIKI BADAŃ Badania struktury materiałów kompozytowych i ma- teriału niezawierającego cząstek umacniających (osno- wy M) przeprowadzono na zgładach metalograficznych wykonanych w płaszczyźnie prostopadłej do powierzch- ni tarcia, wzdłuż śladów tarcia. Wykazano, że podczas tarcia warstwa materiału bezpośrednio przylegająca do powierzchni tarcia ulega znacznym zmianom w stosunku do stanu przed tarciem. Tworzy się tzw. eksploatacyjna warstwa wierzchnia EWW w miejsce tzw. technolo- gicznej warstwy wierzchniej TWW uformowanej w procesie obróbki próbek. Na rysunku 1 przedstawiono zgłady metalograficzne materiału osnowy M po próbach tarcia przy dwóch war- tościach nacisku jednostkowego 0,5 i 3 MPa. Próbki ma- teriału mają typową pasmową strukturę wynikającą z zastosowanego procesu wytwarzania przez wyciska- nie. Struktura ta w warstwie wierzchniej uległa zaburze- niu w wyniku oddziaływania nacisku przeciwpróbki i si- ły tarcia stycznej do powierzchni. Wystąpiły znaczne odkształcenia plastyczne. Głębokość ich zalegania zale- ży przede wszystkim od wartości zastosowanego nacisku jednostkowego pomiędzy próbką i przeciwpróbką. 50μm 50μm a) b)