1. Spiekane stale
11.9. Badanie odporności na zużycie w wyniku tarcia
Badania odporności na zużycie w wyniku tarcia prowadzono zgodnie z normami D2981, G77 i D 2714, na próbkach prostopadłościennych o wymiarach 5x5x20 mm, w warunkach tarcia suchego. Badanie było prowadzone przy zastosowaniu testera T-05. Przeciwpróbka była wykonana ze stali 100Cr6 obrobionej cieplnie, o twardości 50 HRC (~510 HV). Prędkość obrotowa wrzeciona wynosiła 136 obr./min., a siła docisku 150 N. Zasadę działania testera T- 05 przedstawiono na rysunku 56, a w Tabeli 15 zamieszczono wyniki testów tribologicznych stali wytworzonych na potrzeby badań zasadniczych.
a) b)
Rysunek 56 Zasada działania testera T-05: a) w ruchu obrotowym, b) w ruchu oscylacyjnym
Samonastawne zamocowanie klocka (1), które stanowi uchwyt próbki (4) oraz wkładka półkulista (3), zapewnia dobre przyleganie klocka do rolki (2) i równomierne rozłożenie nacisków w styku. Rolka może poruszać się ze stałą
108
Tabela 15 Ubytek masy spiekanych stali po badaniu odporności na zużycie w wyniku tarcia – wartości
średnie wraz z odchyleniami standardowymi
Lp. Seria m1 m2 Δm Δm Δm g g g % % 1 AQ 2,26404 2,24062 0,02342 1,03 0,91 ±0,17 2 2,23564 2,21791 0,01773 0,79 3 AQoc 2,24838 2,22516 0,02322 1,03 0,89 ±0,20 4 2,24876 2,23183 0,01693 0,75 5 1AQ 2,24374 2,23382 0,00992 0,44 0,40 ±0,05 6 2,24465 2,23645 0,00820 0,37 7 1AQoc 2,21972 2,21165 0,00807 0,36 0,42 ±0,08 8 2,22725 2,21662 0,01063 0,48 9 15AQ 2,25382 2,25114 0,00268 0,12 0,19 ±0,10 10 2,26042 2,25465 0,00577 0,26 11 15AQoc 2,23652 2,23485 0,00167 0,07 0,13 ±0,08 12 2,18663 2,18241 0,00422 0,19 13 2AQ 2,15883 2,15804 0,00079 0,04 0,03 ±0,00 14 2,26941 2,26870 0,00071 0,03 15 2AQoc 2,15045 2,14460 0,00585 0,27 0,25 ±0,03 16 2,22793 2,22269 0,00524 0,24
m1 – masa próbki przed wykonaniem testu, m2 – masa próbki po badaniu, Δm – różnica m2 i m1
Przedstawione w Tabeli 15 ubytki masy zarejestrowane podczas testu tribologicznego, przeprowadzonego w warunkach tarcia technicznie suchego, pozwalają sklasyfikować badane materiały pod względem odporności na zużycie tribologiczne. Przedstawione wyniki ściśle powiązane są z wynikami gęstości (Tabela 10) oraz mikrostrukturą poszczególnych kształtek
109
(Rysunki 32-39). Ubytek masy maleje wraz ze wzrostem zawartości martenzytu w badanych próbkach, osiągając, dla próbek 2AQ bez odpuszczania, wartość równą 0,03%, czyli bardzo niski dla stosowanych warunków tarcia i w odniesieniu do materiału wyjściowego – stali AQ (ubytek masy przekraczający 0,9%). Różnica ta wynika z występujących w czasie kontaktu tribologicznego mechanizmów zużycia. W celu ich identyfikacji przeprowadzono analizę powierzchni po tarciu przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego Phenom World XL z zamontowanym detektorem elektronów wtórnych. Na Rysunkach 57-64 przedstawiono powierzchnie stali obserwowane po teście tribologicznym.
110
Rysunek 58 Powierzchnia stali AQoc poddana badaniu odporności na zużycie w wyniku tarcia
111
Rysunek 60 Powierzchnia stali 1AQoc poddana badaniu odporności na zużycie w wyniku tarcia
112
Rysunek 62 Powierzchnia stali 15AQoc poddana badaniu odporności na zużycie w wyniku tarcia
113
Rysunek 64 Powierzchnia stali 2AQoc poddana badaniu odporności na zużycie w wyniku tarcia
Przedstawione na Rysunkach 57-64 morfologie powierzchni stali po badaniu odporności na zużycie w wyniku tarcia pozwalają na identyfikację mechanizmów zużycia badanych materiałów. Ze względu na rodzaj mikrostruktury i obecną w próbkach porowatość stwierdzono następujące mechanizmy: zużycie adhezyjne, śladowe zużycie ścierne, odkształcenie plastyczne i przemieszczanie materiału w kierunku tarcia, zużycie z udziałem utleniania oraz łuszczenie powierzchni, które może mieć związek ze zmęczeniem materiału wynikającym z zastosowanego obciążenia węzła tarcia. Mechanizmy te występują w zależności od rodzaju materiału.
Na Rysunkach 57 i 58 przedstawiono powierzchnie po tarciu stali AQ i AQoc. Na ich podstawie można stwierdzić, że stale te zużywają się mechanizmem adhezyjnym oraz ściernym. Zużycie zmęczeniowe reprezentowane jest przez rozmazywanie cząstek żelaza po powierzchni próbki zgodnie z kierunkiem tarcia; przemieszczane żelazo wypełnia pory. Lokalnie można zauważyć także drobne rysy świadczące o obecności zużycia ściernego w obszarach miękkich
114
składników mikrostruktury. Rysy powstają w wyniku kontaktu węglików M23C6 z przeciwpróbki z powierzchnią badanego materiału.
Na powierzchni próbek ze stali 1AQ (Rysunek 59) po tarciu stwierdzono obecność tlenków, które po rozkruszeniu przemieszczały się zgodnie z kierunkiem tarcia na krawędź śladu wytarcia. Obecne było również odkształcenie plastyczne oraz ślady wykruszania się materiału w pasmach równoległych do kierunku tarcia. Na powierzchni próbki 1AQoc również można zauważyć wykruszanie się materiału oraz łuszczenie się powierzchni (Rysunek 60).
Na powierzchni stali 15AQ (Rysunek 61), po badaniu odporności na zużycie w wyniku tarcia, można również zauważyć rozmazywanie i przemieszczanie materiału zgodnie z kierunkiem tarcia – natomiast maleje jego udział, przemieszczający się materiał wypełnia pory, na powierzchni widać także łuszczenie powierzchni próbki. Odpuszczona stal 15AQoc charakteryzuje się mniejszym zużyciem ściernym, mechanizmy tarcia nie ulegają zmianie (Rysunek 62). Rysunek 63 przedstawia powierzchnie stali 2AQ, gdzie można stwierdzić obecność zużycia. Brak jest śladów zużycia ściernego na powierzchniach po tarciu stali 2AQ i 2AQoc, co może wynikać z ich mikrostruktury.
Podsumowując można stwierdzić, że dla badanych materiałów i mechanizmów ich zużycia w określonych warunkach tarcia, udział odkształcenia plastycznego maleje wraz ze wzrostem twardości badanych stali, rośnie natomiast udział łuszczenia się powierzchni. Zużycie ścierne występuje w niewielkim stopniu, a jego udział maleje wraz ze wzrostem udziału martenzytu w badanych materiałach. Próbki ze stali 2AQ i 2AQoc ulegały głównie zużyciu adhezyjnemu, można także zaobserwować naklejenie się materiału przeciwpróbki na ich powierzchnie. Na krawędzi stanowiącej powierzchnię utraty kontaktu przeciwpróbki z badaną powierzchnią stali zaobserwowano gromadzenie się tlenków, które powstają w czasie tarcia
115
i ulegają rozkruszeniu oraz przemieszczaniu się zgodnie z kierunkiem tarcia. Jak wynika z Tabeli 15, ubytek masy malał wraz ze wzrostem twardości badanych stali (Tabela 10).
11.10. Analiza wyników badań wytrzymałościowych w oparciu o 2 i 3