Opis mikrostruktury pierœcienia z pow³ok¹ z azotku tytanu W celu identyfikacji mikrostruktury pow³oki przeciwzu¿yciowej z azotku tytanu

osa-dzonej na pierœcieniu t³okowym, wykonano zdjêcia jego powierzchni roboczej za po-moc¹ mikroskopu skaningowego typu JEOL 5800LV + mikrosonda Link-Oxford ISIS 300. Na rysunku 8.18 przedstawiono fotografiê wybranego fragmentu powierzchni ro-boczej pow³oki pierœcienia t³okowego w powiêkszeniu 600×. Struktura powierzchni œwiadczy o odwzorowaniu pod³o¿a, co w zwi¹zku z gruboœci¹ pow³oki oko³o 3 µm stwarza mo¿liwoœci wp³ywania na jej stan przez celowe ukszta³towanie mikrostruk-tury pod³o¿a.

118 8. Przyk³ad pary tr¹cej pierœcieñ–tuleja zespo³u t³ok–pierœcienie–cylinder silnika spalinowego...

CMYK Rys. 8.18. Fotografia powierzchni roboczej pierœcienia t³okowego z pow³ok¹ z TiN

wykonana za pomoc¹ mikroskopu skaningowego

Fig. 8.18. SEM image of the working surface photography of piston ring with TiN-coating

Rys. 8.19. Fotografia przekroju dwóch sklejonych fragmentów pierœcienia o pow³oce z TiN Fig. 8.19. Photograph of the section of two glued fragments of a ring with TiN-coating W celu stwierdzenia jakoœci przylegania pow³oki przeciwzu¿yciowej wykonano prób-kê sk³adaj¹c¹ siê z dwóch fragmentów pierœcienia sklejonych za pomoc¹ ¿ywicy epo-ksydowej i sfotografowano pod mikroskopem skaningowym (rys. 8.19). Stwierdzono dobre przyleganie pow³oki do pod³o¿a (perlit z wydzieleniami grafitu p³atkowego). Wykonano badania spektrograficzne, aby sprawdziæ sk³ad chemiczny pow³oki z azotku tytanu (rys. 8.20). Stwierdzono wysoki pik charakterystyczny dla tytanu oraz piki cha-rakterystyczne dla ¿elaza i azotu. Widoczny pik ¿elaza potwierdza istnienie nieci¹g³o-œci pow³oki (rys. 8.18). Badania te potwierdzi³y sk³ad pow³oki, która jest mieszanin¹ azotku tytanu, tytanu i azotu.

119

CMYK CMYK

Rys. 8.20. Wykres badañ spektrograficznych pow³oki z TiN na powierzchni roboczej pierœcienia t³okowego

Fig. 8.20. A spectrogram of TiN-coating of the working surface of piston ring

Po 50-godzinnej jakoœciowej próbie silnikowej pierwszy pierœcieñ uszczelniaj¹cy z pow³ok¹ z azotku tytanu, który pracowa³ w pierwszym gnieŸdzie silnika badawczego, ponownie skierowano do badañ skaningowych w celu stwierdzenia postaci zu¿ycia po-w³oki azotku tytanu. Na rysunku 8.21 zamieszczono fotografiê dotartej czêœci powierzchni pierœcienia, która bra³a udzia³ w procesie wspó³pracy pierœcienia i tulei cylindrowej. Jest brak widocznych rys na rysunku 8.18 powsta³ych po procesie kszta³towania powierzch-ni roboczej pierœciepowierzch-nia. Uleg³y one wyg³adzepowierzch-niu i stworzona zosta³a warstwa plateau, co widaæ na rys. 8.21.

8.2. Etap II – wstêpne badania na obiekcie rzeczywistym

Rys. 8.21. Fotografia powierzchni roboczej pierœcienia t³okowego z pow³ok¹ z TiN obejmuj¹ca czêœæ dotart¹ oraz nie bior¹c¹ udzia³u w procesie docierania Fig. 8.21. Photograph of the working surface of piston ring with TiN-coating showing

120 8. Przyk³ad pary tr¹cej pierœcieñ–tuleja zespo³u t³ok–pierœcienie–cylinder silnika spalinowego...

CMYK

8.2.3. Analiza wyników wstêpnych badañ na obiekcie rzeczywistym

W trakcie wstêpnych badañ jakoœciowych na obiekcie rzeczywistym badaniom pod-dano pary tr¹ce, w których element o wiêkszej powierzchni oznaczany w rozdziale 6. jako „pierwszy”, wykonano z ¿eliwa EN GJL 200. Odznacza³ siê on tak¹ sam¹ warto-œci¹ swobodnej energii powierzchniowej i jej sk³adowych w poszczególnych zestawie-niach par tr¹cych. Wartoœci swobodnej energii powierzchniowej i jej sk³adowych ele-mentu pierwszego (tulei cylindrowej) s¹ zgodne z danymi zawartymi w tabelach 6.1, 6.2 oraz 6.3. Element „drugi”, czyli tutaj pierœcieñ t³okowy wykonano w dwóch podsta-wowych wariantach z pow³ok¹ z TiN i Ti(C,N). Suma sk³adowych dyspersyjnej i polar-nej swobodpolar-nej energii powierzchniowej dla TiN i Ti(C,N), wyznaczona za pomoc¹

po-miarów goniometrycznych, jest podobna (tabela 6.4) i równa odpowiednio: γ_Sd + γ_Sp =

29,4 dla TiN i γ_Sd + γ_Sp = 34,2 dla Ti(C,N); mniejsza dla TiN. Ró¿nica miêdzy

warto-œciami sk³adowych swobodnej energii powierzchniowej tych pow³ok polega na odmiennej wartoœci sk³adowej polarnej i dyspersyjnej tej energii. W przypadku pow³oki z TiN

sk³a-dowa polarna (tabela 6.4 – γ_Sp = 5,1 mN/m) jest trzykrotnie mniejsza, ni¿ dla pow³oki

z Ti(C,N) (tabela 6.4 – γ_Sp = 16,6 mN/m). Wraz ze zmniejszeniem wartoœci sk³adowej

polarnej ograniczeniu ulega wp³yw wi¹zañ wodorowych oraz czynnika elektrostatycz-nego na oddzia³ywania miêdzyfazowe, a w tym adhezyjne. Wed³ug badañ prowadzo-nych przez Przepiórkê [130] zmniejszenie wartoœci sk³adowych polarprowadzo-nych wspó³pracu-j¹cych powierzchni powoduje zmniejszenie zu¿ycia oraz si³y tarcia. Stwierdzono, ¿e suma sk³adowych polarnych wspó³pracuj¹cych elementów pary tr¹cej ma istotne znaczenie ze wzglêdu na póŸniejsze zu¿ycie. Twierdzi on, ¿e wraz ze zmniejszeniem wartoœci sumy sk³adowych podanych, zmniejszeniu ulega zu¿ycie pary tr¹cej. Podobne zjawisko za-obserwowano w przypadku przedmiotowych badañ wstêpnych. Podczas wspó³pracy ¿eliwnej powierzchni tulei z TiN oraz z Ti(C,N), przy sta³ej wartoœci sk³adowej polar-nej dla ¿eliwpolar-nej tulei cylindrowej, wystêpuje wyraŸnie jej zmniejszenie dla azotku tyta-nu w porównaniu do jej wartoœci dla wêgloazotku tytatyta-nu. Wartoœæ sumy sk³adowych

polarnych ¿eliwa EN GJL 200 (tabela 6.3 – γp

¿el = 10,1 mN/m) i TiN (tabela 6.4 – γp

TiN

= 5,1 mN/m) jest równa: γp

¿el + γp

TiN = 15,3 mN/m. Podczas gdy wartoϾ sumy

sk³ado-wych polarnych ¿eliwa i Ti(C,N) (tabela 6.4 – γp

Ti(C,N) = 16,6) jest równa: γp ¿el + γp

Ti(C,N) = 26,7 mN/m. Przy czym zmianie ulegaj¹ równie¿ wartoœci sumy sk³adowych dyspersyj-nych swobodnej energii powierzchniowej, przyjmuj¹c mniejsze wartoœci dla zestawie-nia z Ti(C,N).

Podane obserwacje potwierdzaj¹ rozwa¿ania prowadzone w rozdziale 6 i sformu³o-wany cel pracy, w którym postuluje siê ograniczenie oddzia³ywañ miêdzyfazowych

po-chodz¹cych od sk³adowych polarnych γ_Sp lub kwasowo-zasadowych γ_SAB. Ma to

bez-poœredni zwi¹zek z apolarnoœci¹ oleju smaruj¹cego. Zjawisko zu¿ycia adhezyjnego szcze-gólnego znaczenia nabiera w przypadku ruchu posuwisto-zwrotnego; zw³aszcza przy du¿ych obci¹¿eniach oraz niskich prêdkoœciach obrotowych wa³u korbowego. W takim przypadku mo¿e dochodziæ do nieci¹g³oœci filmu olejowego, którego wynikiem jest

zu-121

CMYK CMYK

¿ycie adhezyjne. Pow³oka Ti(C,N), która sprawdza siê w innych zastosowaniach prze-mys³owych, w przypadku silnika spalinowego nie spe³nia wymagañ. Dodatkowym czyn-nikiem maj¹cym znacz¹cy wp³yw jest temperatura pracy pary tr¹cej pierœcieñ t³okowy– tuleja cylindrowa siêgaj¹ca niejednokrotnie 470 K. Wed³ug badañ prowadzonych przez Lugscheidera i in. [99] zwiêkszenie temperatury wspó³pracy uk³adu, w którym jednym z elementów jest twarda pow³oka przeciwzu¿yciowa (np. TiN) powoduje zmniejszenie wartoœci sk³adnika polarnego tego zwi¹zku. Jest to zgodne ze zjawiskami opisanymi w rozdziale 6, gdy¿ zwiêkszenie temperatury powoduje zwiêkszenie ruchliwoœci ato-mów i cz¹steczek, co prowadzi do os³abienia trwa³ych oddzia³ywañ indukcyjnych zwa-nych si³ami Keesoma [86, 51], które s¹ czêœci¹ oddzia³ywañ polarzwa-nych.

Na podstawie prowadzonych rozwa¿añ nale¿y d¹¿yæ do zastosowania pow³ok na ele-ment drugi (pierœcieñ t³okowy), w którym suma sk³adowych dyspersyjnej i polarnej swo-bodnej energii powierzchniowej jest mo¿liwie ma³a, z jednoczesnym ograniczeniem war-toœci sk³adnika polarnego. Wartoœæ ca³kowita swobodnej energii powierzchniowej po-winna byæ mo¿liwie du¿a. Wymagania te spe³nia azotek tytanu TiN. W przypadku ele-mentu pierwszego w badaniach wstêpnych zastosowano ¿eliwo EN GJL 200 o mniej-szej wartoœci ca³kowitej swobodnej energii powierzchniowej i mniejmniej-szej wartoœci sk³a-dowej dyspersyjnej tej energii w porównaniu do tego samego ¿eliwa po procesie azoto-wania (tabela 6.3). ¯eliwo EN GJL 200 poddane procesowi azotoazoto-wania pró¿niowego odznacza siê równie¿ mniejsz¹ wartoœci¹ sk³adowej polarnej ni¿ ¿eliwo nie poddane temu procesowi (tabela 6.3).

Wobec tego do zasadniczych badañ na obiekcie rzeczywistym zosta³y skierowane pierœcienie t³okowe pokryte pow³ok¹ z azotku tytanu, które wspó³pracowa³y z tulejami cylindrowymi azotowanymi.

Na podstawie przeprowadzonych wstêpnych badañ silnikowych par tr¹cych o za³o-¿onej wartoœci sk³adowych swobodnej energii powierzchniowej, mo¿na wysnuæ nastê-puj¹ce wnioski:

1. Prowadzone jakoœciowe badania wstêpne silnika typu SW400, w którym zosta³y zamontowane pierœcienie t³okowe z pow³okami TiN i Ti(C,N), wykaza³y zdatnoœæ sto-sowania twardych pow³ok ceramicznych na pierœcieniach t³okowych.

2. Stwierdzono, ¿e pow³oka Ti(C,N) ze wzglêdu na du¿¹ wartoœæ sk³adnika polarne-go swobodnej energii powierzchniowej, mimo podobnej wartoœci sumy sk³adowych dys-persyjnej i polarnej do wartoœci tej sumy dla TiN, nie spe³nia wymagañ prawid³owej wspó³pracy z tulej¹ cylindrow¹. W przypadku pomiarów sk³adowych swobodnej ener-gii powierzchniowej metod¹ van Ossa–Gooda wartoœæ sk³adnika

kwasowo-zasadowe-go γ_SAB równie¿ jest wiêksza dla Ti(C,N) ni¿ dla TiN,

3. Potwierdzono istotne znaczenie minimalizowania wartoœci sk³adowej polarnej γ_Sp

lub sk³adowej kwasowo-zasadowej γ_SAB elementów pary tr¹cej. Nale¿y d¹¿yæ do tego,

aby suma sk³adowych polarnej γ_Sp i dyspersyjnej γ_Sd (lub Lifshitza–van der Waalsa γ_SLW

i kwasowo-zasadowej γ_SAB) dla elementu drugiego (pierœcienia t³okowego) by³a jak

naj-mniejsza, a dla elementu pierwszego (tulei cylindrowej) jak najwiêksza,

122 8. Przyk³ad pary tr¹cej pierœcieñ–tuleja zespo³u t³ok–pierœcienie–cylinder silnika spalinowego...

CMYK

4. Jednoczeœnie wartoœæ ca³kowita swobodnej energii powierzchniowej elementu pierwszego (tulei cylindrowej) i elementu drugiego (pierœcienia t³okowego) powinna byæ jak najwiêksza. Poniewa¿ jest koniecznoœæ zachowania ró¿nicy twardoœci, równie¿ musi byæ zachowana ró¿nica wartoœci ca³kowitych swobodnej energii powierzchniowej tulei cylindrowej i pierœcienia t³okowego.

W dokumencie Tarcie i zużycie zespołu tłok-pierścienie-cylinder (Stron 117-122)