Dr inŜ. Marcin LIJEWSKI, inŜ. Tomasz WIŚNIEWSKI, mgr inŜ. Mariusz JANCZAK, prof. dr hab. inŜ. Volf Leshchynsky
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: marcin.lijewski@inop.poznan.pl
Wpływ procesu azotowania i modyfikacji warstwy
wierzchniej nanokompozytem smarów stałych
na właściwości tribologiczne i trwałość
części układów pracujących w trudnych
warunkach eksploatacyjnych
An influence of nitriding and nanocomposite solid lubricant
processing on the tribological properties and lifetime of sliding
components working under severe conditions
Streszczenie
Celem prowadzonych prac naukowo-badawczych, jest otrzymanie nowych, innowacyjnych łoŜysk ślizgowych przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Prowadzone badania maja na celu optyma-lizację własności materiałów, z których wytwarzane są określone detale. Realizowane jest to przez optymaoptyma-lizację gęstości, twardości, odporności na zuŜycie, odporności na uderzenia cieplne oraz poprawę właściwości tribolo-gicznych. Przedstawione wyniki stanowią wstępne prace badawcze, które będą kontynuowane.
Abstract
The purpose of the work is to obtain new, innovative sliding bearings for operation under severe conditions. The investigation is devoted for optimisation of the technology parameters of sliding bearing manufacturing. The technology development results in substantial increase of density, hardness, tribological properties, wear and thermal shock resistance. The effectiveness of nanoparticle solid lubricant application is discussed.
Słowa kluczowe: nanocząstki, smar stały, rozrywarka nanocząstek, modyfikacja warstwy wierzchniej, tribologia Key words: nanoparticles, solid lubricant, milling, surface layer modification, tribology
1. WPROWADZENIE
Istotnym problemem eksploatacji maszyn jest poprawa właściwości przeciwzuŜyciowych i przeciwzatarciowych określonych węzłów kinematycznych. Istotne znaczenie w przeciw-działaniu zuŜywaniu się współpracujących elementów ma odpowiedni dobór materiałów konstrukcyjnych, odpowiednia obróbka po-wierzchniowa oraz sposób smarowania i dobór środka smarnego.
1. INTRODUCTION
An important problem in machine exploi-tation is the improvement of friction and wear properties of various friction units. An essen-tial thing in the prevention of components wear is proper choice of structural materials, sur-face treatment and lubrication.
W ostatnich latach rozwinęła się dziedzina wiedzy związana z nowymi materiałami i spo-sobem ich obróbki powierzchniowej. Istotnym problemem, pozostaje właściwy dobór medium smarującego, sposób jego podawania bądź gromadzenia w porowatej strukturze, współ-pracujących części. Z tymi zagadnieniami związane są określony metody badawcze i me-todyka badań [1, 2, 3].
Efektywność działania środka smarnego związana jest z porowatą strukturą powierzchni roboczych próbek wytworzonych metoda meta-lurgii proszków oraz z warstwą smarującą. Istotnymi czynnikami decydującymi o efek-tywności i trwałości wytworzonego filmu sma-rującego jest jego grubość oraz właściwości fizyczno – chemiczne zastosowanego smaru [1, 4, 5]. Efektywność działania środków smar-nych ocenia się między innymi na podstawie trwałości filmu, jaki jest wytworzony na war-stwie wierzchniej elementu roboczego. Ocena tej efektywności wymaga przeprowadzenia wielu badań i testów tribologicznych. Zmniej-sza to dokładność porównywania róŜnych środków smarujących, gdyŜ początkowe wa-runki przy ocenie właściwości przeciwzatar-ciowych są róŜne. Z tych powodów nie ustalo-no dotychczas, czy istnieje zaleŜustalo-ność pomiędzy trwałością filmu smarującego a odpornością warstwy wierzchniej na zacieranie [2, 6, 7, 8].
Ze względu na nieskompensowaną część sił cząstek powierzchniowych [6], czysta ato-mowo warstwa wierzchnia ciała stałego jest bardzo aktywna, zarówno fizycznie jak i che-micznie. Prowadzi to do przyłączania substan-cji znajdujących się w jej pobliŜu. Proces ten moŜe przebiegać samorzutnie w wyniku przy-łączania substancji przypadkowych, lub sztucz-nie podczas celowej ingerencji. Zmieniona w ten sposób warstwa wierzchnia ma inne wła-ściwości niŜ warstwa wierzchnia wyjściowa. MoŜe ona stanowić nową fazę lub fazy róŜnią-ce się pod względem energetycznym od podło-Ŝa. Fazy te mogą zawierać dodatkowe składni-ki, bądź mieć zupełnie odmienny skład niŜ ma-teriał rdzenia. Dlatego teŜ podczas wytwarza-nia elementów z metalu czy stopów, na skutek róŜnorodnych oddziaływań, warstwa wierzch-nia tych elementów zmiewierzch-nia się pod względem fizycznym, chemicznym i strukturalnym.
Whilst a considerable progress in the area of materials science and processing technology has been made at recent years, the develop-ment of nanoparticle solid lubricant modifica-tion of porous sliding bearings is not com-pletely made yet. In particular, there is a lack of experimental data about determination of sliding bearing properties [1, 2, 3].
The effectiveness of a lubrication process depends on the porous structure of the powder sliding bearing and the nanoparticle solid lu-bricant properties and morphology. Important parameters determining the solid lubricant layer life are its thickness and the friction properties of the lubricant itself [1, 4, 5]. The assessment of these properties requires much examination and many tribological tests to be performed. This affect the accuracy of comparison of various lubricating materials because the initial conditions in the assess-ment of the friction properties differ considera-bly. For those reasons, a relationship between the lubricating film durability and the surface layer friction and wear properties is not de-fined [2, 6, 7, 8]
Usually, due to the certain surface particle forces[6], the atomically pure surface layer of counterparts is very active, both physically and chemically. This results in incorporation of the atoms or compounds in its vicinity. The surface layer modified in this way has different properties from those of the virgin layer. It may be a new phase or phases diffe-ring from the substrate from the free energy point view. Those phases can contain addi-tional elements or have completely different composition from that of the substrate. That is why, in the case of counterparts made of a metal or alloys, the surface layer of those parts may get the different physical, chemical and structural properties due to various influ-ences. The layer formed in this way differs from the substrate and is referred to as the sur-face layer [1, 7, 9].
Powstała w ten sposób warstwa roŜni się od rdzenia przedmiotu i nazywana jest warstwą wierzchnią [1, 7, 9].
Właściwości warstwy wierzchniej elemen-tów metalowych, nabyte w procesach techno-logicznych, ulegają dalszej zmianie podczas eksploatacji. RozwaŜając zmiany warstwy wierzchniej zachodzące w węźle tarcia, naleŜy węzeł traktować jako pewien system tribolo-giczny. System ten złoŜony jest z kilku elemen-tów: pary trącej, środka smarującego i otocze-nia. Stan początkowy systemu tribologicznego ulega zmianie pod wpływem wymuszeń pod-czas procesu tarcia [1, 6], gdyŜ zgodnie z regu-łą przekory Le Chateliera, jeŜeli układ znajdu-jący się w stanie równowagi zostanie poddany działaniu czynnika zewnętrznego, to w ukła-dzie zajdą takie zmiany, które zmniejszą wpływ tego czynnika [4, 6, 9].
2. WYTWARZANIE TULEI
Wymagania współczesnej technologii i przemysłu obejmują niezawodność, trwałość i jakość produktów. Pomimo wielu działań nie udaje się uniknąć powstania uszkodzeń wytwa-rzanych produktów. Występować one mogą podczas eksploatacji pod wpływem wielu czynników: utraty wytrzymałości spowodowa-nej nadmiernym odkształceniem trwałym, wy-stąpieniem pęknięć doraźnych bądź pęknięć zmęczeniowych, które przekroczyły wartość krytyczną. Innym czynnikiem moŜe być utrata własności materiału elementu konstrukcji na skutek działania procesów starzenia bądź utrata zakładanych parametrów na skutek zuŜycia powierzchniowego lub przedostanie się pomię-dzy współpracujące elementy ciał obcych.
Celem uniknięcia wymienionych uszko-dzeń, poszukiwane są nowe, innowacyjne ma-teriały oraz technologie. DuŜymi osiągnięciami w tego typu rozwiązaniach cieszy się metalur-gia proszków, uzupełniona o proces obróbki plastycznej i powierzchniowej. Takie połącze-nie procesów wytwarzania umoŜliwia otrzy-mywanie nie tylko wyrobów z proszków i spieków metali ale takŜe kompozytów na ich osnowie wzmacnianych włóknami lub umoc-nionych cząstkami fazy twardej niereagującej z osnową.
The properties of the surface layer of sur-face modified counterparts acquired due to new technology may vary during exploita-tion. When considering the changes of the sur-face layer properties and structure taking place in the friction process, one should regard a tribological system which consists of several elements: the rubbing couple, the lubricating agent and the environment. The initial tri-bological system undergoes some transforma-tions during the rubbing process [1, 6] be-cause, in accordance with the contrariness rule of Le Chatelier, if a system in the state of ba-lance is influenced by an external agent, there will be such transformation of the system to reduce the influence of that agent [4, 6, 9].
2. MANUFACTURING SLEEVES
A reliability, durability and specific pro-perties of the various components are being achieved by advanced technologies. However, failures of the manufactured products cannot be avoided in many cases. They can occur during exploitation as result of many factors: loss of strength due to excessive permanent deformation, occurrence of the defects or fa-tigue cracks in excess of the critical value. Another factor can be loss of properties of a structural material due to the aging pro-cesses , counterpart surface wear, etc.
To avoid the mentioned failures, new, advanced materials and technologies are being sought. Powder metallurgy, powder metal forming associated with surface treatment is quite successful in this direction. Such a combination of manufacturing steps makes possible not only to obtain products of metal powders and sinters, but also powder metal matrix composites (MMC) reinforced with fibres or particles of the hard phase. An alter-native of such type of technology is the process of modification of porous powder materials with nano- and submicron-particles of solid lubricants [3, 4, 9].
Alternatywną metodą dla tego typu rozwiązań jest proces modyfikacji porowatych materiałów proszkowych specjalnymi submikrometrycz-nymi cząstkami smarów stałych [3, 4, 9].
Instytut Obróbki Plastycznej prowadzi prace badawcze nad technologią wytwarzania tulei metodą metalurgii proszków. Jednym z waŜnych kierunków aktualnie realizowanych jest otrzymywanie produktu o optymalnych właściwościach. Takim elementem jest tuleja stosowana w układzie wentylacyjnym samolo-tów Airbus. Tuleje o symbolu ST–500, wytwo-rzone zostały na bazie stali 316L z dodatkiem Ni i Cr. Proces technologiczny wytwarzania partii tulei ST–500 przebiegał w następujący sposób: • prasowanie, • spiekanie, • dogęszczanie, • kalibracja, • azotowanie,
• modyfikacja warstwy wierzchniej metodą ciśnieniową,
• suszenie.
Innowacyjnym i nowatorskim elementem jest proces azotowania warstwy wierzchniej i jej modyfikacji na nowoczesnym urządzeniu ciśnieniowym PC–2.
Istotnym elementem jaki naleŜy uwzględ-niać w pracy łoŜysk ślizgowych są wymagania aby materiał łoŜyskowy odznaczał się:
• małym współczynnikiem tarcia, odpornością na zuŜycie cierne, szybkie docieranie się współpracujących elementów, dobrą samo-smarowalność, moŜliwość wchłonienia pro-duktów ścierania w warstwę wierzchnią; • dobrą wytrzymałość na ścieranie,
wytrzy-małość zmęczeniową i odpowiednią odpor-nością na uderzenia;
• dobrym przewodnictwem cieplnym, odpo-wiednim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej;
• odpornością korozyjną.
3. AZOTOWANIE
Azotowanie jonowe jest jedną z nowszych metod zwiększenia trwałości narzędzi i części maszyn. Przyczynia się ono do poprawy nastę-pujących własności:
The Metal Forming Institute develops the new powder metallurgy - nanoparticle pressure impregnation technology of sliding
bearing manufacturing. At the moment
the main aim of the present study the techno-logy steps to obtain a product with targeted structure and properties. The sleeves desig-nated with the symbol, ST-500, were made of 316L steel with Ni and Cr additives.
The technological process of manufacturing the batch of the ST-500 sleeves was as follows: • compaction, • sintering, • repressing, • sizing, • nitriding,
• surface layer modification by the pressure impregnation,
• drying.
An innovative element is the process of nitriding the surface layer and modification of it on the modern pressure impregnation device, PC-2.
The main sleeve properties to be achieved are the followings:
• low coefficient of friction, wear resistance, and anti-seizure properties;
• good self-lubrication and possibility of absorption of wear debris into the sur-face layer;
• good abrasion resistance, fatigue resis-tance and an adequate impact resisresis-tance; • good thermal conductivity and adequate
coefficient of thermal expansion; • corrosion resistance.
3. NITRIDING
Ion nitriding is one of the wide spread methods of improving tool and machine part life. It contributes to the improvement of the following properties:
• wear resistance,
• odporność na ścieranie,
• zmniejszenie współczynnika tarcia,
• zmniejszenie skłonności do sczepiania się z obrabianym materiałem,
• zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej, • zwiększenie odporności na korozję.
NaleŜy jeszcze dodać, Ŝe zmiany wymia-rowe narzędzi i części maszyn po azotowaniu jonowym są nieznaczne i wynoszą kilka mi-krometrów.
Azotowanie jonowe polega na wykorzy-staniu zjawiska wyładowania jarzeniowego prądu stałego w rozrzedzonej (3–8 hPa) mie-szaninie gazów zawierających azot, przy na-pięciu 300–800 V.
Jonowo azotuje się narzędzia i części ma-szyn wykonane na gotowo, tzn. po obróbce cieplnej i szlifowaniu. Ze względu na małą grubość warstwy azotowanej (najczęściej 0,05÷0,30 mm), przedmioty azotowane jonowo mogą być tylko polerowane.
Do azotowania nadają się w zasadzie wszystkie stale węglowe i stopowe. JednakŜe obróbkę tę stosuje się przede wszystkim do przedmiotów ze stali, w których dodatki sto-powe tworzą trwałe azotki o duŜej twardości i dyspersji. Są to stale zawierające: Al, Mo, Cr, V.
Proces azotowania jonowego tulei ST-500 przeprowadzono w Instytucie w urządzeniu JONIMP-900/500 (rys. 1). Stosowano dwa warianty procesu: 1. temperatura: 550 ºC, czas: 10 h, 2. temperatura: 580 ºC, czas: 30 h. • anti-seizure properties, • fatigue strength, • corrosion resistance.
It should also be stated that dimension changes of the tools and machine parts after nitriding are negligible amounting several mi-crometers. Ion nitriding is based on the phe-nomenon of glow discharge of direct current in a diluted blend of gases (3–8 hPa) contai-ning nitrogen, at a voltage of 300–800 V.
Ion nitriding is appliedfor surface harde-ning of the ready made tools and machine parts (after heat treatment and grinding). Due to the small thickness of the nitrided layer (mostly 0.05÷0.30 mm), nitrided surfaces can be only polished.
In principle, maost of the carbon and al-loyed steels are suitable for nitriding. Howe-ver, this diffusion treatment is applied to the steels in which alloyed elements form permanent nitrides of high hardness and dis-persion. Those are steels containing Al, Mo, Cr, V.
The process of ion nitriding the ST-500 sleeves has been performed in the Institute in the JONIMP-900/00 device (fig. 1). Two variants of the processing parameters have been applied:
1. temperature: 550 oC, time: 10 h, 2. temperature: 580 oC, time: 30 h.
a) b)
Rys. 1. Piec do azotowania jonowego JONIMP 900/500 – widok ogólny pieca (a); widok komory pieca z przedmiotami do azotowania (b)
Fig. 1. Ion nitriding furnace JONIMP 900/500 - general view of the furnace (a); the chamber with the components to be nitrided (b)
4. MODYFIKACJA WARSTWY WIERZ-CHNIEJ
Instytut Obróbki Plastycznej kontynuuje pracę związaną z procesem modyfikacji war-stwy wierzchniej [9, 13]. W Instytucie opraco-wano konstrukcję i wykonano urządzenie do modyfikacji warstwy wierzchniej. Urządzenie ciśnieniowe (PC–2), stanowi aparaturę, po-wstałą na bazie innowacyjnego, prototypowego urządzenia (PC–1), które zostało objęte pra-wem ochrony własności intelektualnej.
Proces modyfikacji warstwy wierzchniej, polega na zastosowaniu mieszaniny płynu technologicznego FC111 z 20% dodatkiem nanokompozytu proszku smaru stałego (MoS2 lub WS2). Proces generowania opisywanej warstwy realizowany jest przy ciśnieniu rzędu 30 MPa w komorze modyfikacyjnej. Podczas modyfikacji warstwy wierzchniej, nanokompo-zytowa mieszanka infiltruje strukturę porowatą tulei tworząc cienki film smaru na jej po-wierzchni, jednocześnie część nanocząstek smaru stałego zostaje uwięziona w porowatej strukturze danego elementu.
Kolejnym etapem prac, po przeprowadze-niu procesu modyfikacji, jest proces eliminacji nośnika nanokompozytu smaru stałego. Proces ten przebiega w dwóch etapach, w których istotnymi parametrami decydującymi o wła-sności wytworzonej warstwy jest temperatura oraz czas trwania procesu.
5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
5.1. Wpływ procesu azotowania na właści-wości tulei
Badania mikrostruktury przeprowadzone zostały w Zakładzie Badania Metali Instytutu, na mikroskopie NIKON ECLIPSE 150L, w wyniku których określona została grubość warstwy naazotowanej. Warstwa ta określona jest jako szerokość strefy o określonych wła-ściwościach. Pomiar grubości warstwy naazo-towanej przeprowadzony został na trawionych zgładach metalograficznych.
4. MODIFICATION OF THE SURFACE LAYER
The process of modifying the powder sleeves surface layer developed by Metal Forming Institute [9, 13]. The Institute has designed and executed A design of the nano-particle pressure impregnation device for modification of the surface layer. The pressure device, (PC-2), is an apparatus created on the basis of the prototype device, (PC-1) which has been granted the right of intellectual property protection.
The process of the surface layer modifica-tion consists in the applicamodifica-tion of a blend of technological fluid, FC111, with an addition of 20% of solid lubricant nanocomposite pow-der (MoS2 or WS2). The process of generating
the described layer is controlled by the im-pregnation carrier liquid flow under pressure about of 30 MPa. During the surface layer modification, the solid lubricant nanoparticle mixture infiltrates into the porous structure of the sleeve forming a thin lubricant film on its surface; at the same time, a part of the solid lubricant nanoparticles are captured in the porous structure of the sleeve porous material.
The next technology step is the process of elimination of the solid lubricant carrier liquid by drying. This process is performed in two stages in which the essential parameters determining the properties of the surfaces layer to be created are the temperature and duration of the process.
5. RESULTS AND DISCUSSION
5.1. The influence of the nitriding on the struc-ture properties of the sleeve
Microstructure examination of the nitrided layer structure was performed on the OIM NIKON ECLIPSE 150L microscope. The ni-trided layer thickness measurement has been performed on etched metallographic sections (Fig. 2).
a) b)
Rys. 2. Warstwy azotowane na zgładach tulei ST–500: a) azotowanie jonowe w czasie 10 h w temperaturze 550 oC; b) azotowanie jonowe w czasie 30 h w temperaturze 580 oC
Fig. 2. Nitrided layers OIM microstructure: a) ion nitriding for 10 h at 550 oC; b) ion nitriding for 30 h at 580 oC
a) b)
Rys. 3. Struktura wytworzonych tulei ST–500: a) azotowanych w czasie 10 h w temperaturze 550oC; b) azotowanych w czasie 30 h w temperaturze 580oC
Na podstawie uzyskanych wyników (rys. 2) moŜna zauwaŜyć znaczne róŜnice w grubości warstwy naazotowanej. Zaobser-wowano, Ŝe proces azotowania w czasie 30 h powoduje powstanie dwukrotnie grubszej war-stwy w zakresie od 124,7 do 133,5 µm w po-równaniu do procesu azotowania w czasie 10 h, który powoduje wytworzenie warstwy azoto-wanej w zakresie od 66,3 do 77,9 µm.
W trakcie prowadzonych prac analizie została poddana takŜe struktura wytworzonej warstwy (rys. 3). Zaobserwowano strukturę austenitu z wyraźnymi ziarnami bliźniaczymi. Ziarna te cechują się zróŜnicowaną wielkością.
Na próbkach azotowanych zostały wyko-nane pomiary twardości metodą Vicersa za pomocą twardościomierza Buehler Micromet 2104. Wykonane zostały rozkłady twardości od powierzchni do rdzenia wyrobu (tulei). Uzy-skane wyniki przedstawiono na rysunku 4.
Zaobserwowano, Ŝe rozkład twardości warstwy azotowanej zaleŜy od czasu trwania procesu. Proces azotowania w ciągu 30 h daje lepsze wyniki w porównaniu do procesu 10 godzinnego. Dla azotowania w czasie 30 h otrzymano grubość warstwy naazotowanej równą 0,1 mm, natomiast dla azotowania w czasie 10 h grubość ta wynosi 0,06 mm.
Na rysunku 5 zostały przedstawione struk-tury warstwy azotowanej nietrawionego frag-mentu tulei z uwzględnieniem porowatości określonej podczas analizy komputerowej NIS Elements AR. Dla badanych przypadków po-rowatość mieściła się w przedziale 18–22%, nie zaleŜnie od długości trwania procesu azo-towania.
The results reveal the thickness of the nitrided layer varies considerably. It has been observed that the process of nitriding for 30 h results in formation of the layer of 124.7 to 133.5 µm thickness, i.e twice as thick as those formed by nitriding during 10 h ( 66.3 to 77.9 µm).
Austenite structure with clear twin grains of various sizes are observed after etching (fig. 3).
The Vickers hardness measurements
of the nitrided samples was performed by means of a Buehler Micromet 2104 hard-ness tester. The microhardhard-ness distribution is shown on fig. 4.
It has been found that the hardness distri-bution of the nitrided layer depends on the processing time. Nitriding for 30 hours renders better results as compared to the 10 hour process. In the 30 hour process, the thick nitrided layer (about 0.1 mm) was obtained whilst the 10 hour process resulted in a ni-trided layer with thickness of 0.06 mm.
Figure 5 shows the porous structures of the nitrided layer (not etched). The porosity was determined by image analysis. It is found the porosity was within the range of 18–22%, regardless of the duration of the nitriding process.
Rys. 4. Rozkład twardości warstwy azotowanej tulei w funkcji odległości od powierzchni
Fig. 4. Hardness distribution in the nitrided layer as a function of the distance from the surface
tuleja azotowana w10 h
tuleja azotowana w 30 h
a) b)
c) d)
Rys. 5. Porowatość tulei ST–500 dla: a, b) procesu azotowania w czasie 10 h w temperaturze 550 oC; c, d) procesu azotowania w czasie 30 h w temperaturze 580 oC
Fig. 5. Porosity of ST-500 sleeve for: a, b) process of nitriding for 10 h at 550 oC; c, d) process of nitriding for 30 h at 580 oC
5.2. Badania tribologiczne (tarciowo-zuŜy-ciowe)
Badania tribologiczne typu „tuleja – wa-łek" zostały przeprowadzone w Laboratorium InŜynierii Powierzchni i Tribologii Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu – na testerze TWT–500N (rys. 6). Tester zaprojektowany i wykonany został w Instytucie Obróbki Pla-stycznej. Za pomocą testera mogą być prowa-dzone badania tarciowo-zuŜyciowe w zakresie temperatury do 600 oC, przy obciąŜeniu do 500 N, z regulacją prędkości obrotowej wałka do 120 obr/min.
5.2. Tribology properties examination
Tribology examinations of the friction unit prototype “sleeve–shaft” was performed with home made TWT-500N tester (fig. 6). The tester has been designed and made by the Metal Forming Institute. The tester is aimed to perform friction-and-wear exami-nations within the temperature range of up to 600 oC with the load of up to 500 N, with the shaft rotational speed adjustment of up to 120 rpm.
Rys. 6. Tester tribologiczny TWT-500N
Fig. 6. The tester tribology TWT-500N
Na rysunkach 7, 9, 10 przedstawiono wy-niki testów tribologicznych. Badania prowa-dzono w temperaturze 500 oC. Testy realizo-wane były na dwóch rodzajach tulei. Pierwszą grupę stanowiły tuleje grafitowe, drugą stano-wiły – tuleje wykonane na bazie stali 316L z dodatkiem chromu i niklu, które podzielono ze względu na grubość warstwy azotowanej, dla czasu azotowania 10 h i 30 h. Pierwszą grupę stanowiły tuleje azotowane w czasie 10 h i temperaturze 550 oC, o grubości warstwy na-azotowanej 0,06 mm. Drugie tuleje azotowano w czasie 30 h w temperaturze 580 oC, dla któ-rych grubość warstwy azotowanej wynosiła 0,1 mm.
Testy tribologiczne na tulejach grafitowych wykazują niską i stabilną wartość współczynni-ka tarcia co w znaczny sposób pokrywa się z da-nymi literaturowymi. Tuleje grafitowe cechują się dobrymi właściwościami tribologicznymi w wysokich temperaturach.
Jednak nie wszystkie tuleje grafitowe speł-niają warunki wytrzymałościowe zaobserwowa-no uszkodzenia mechaniczne tulejek grafito-wych (rys. 8).
Figures 7, 9, 10 show the results of tribo-logy tests performed at the temperature of 500 oC. Two types of the sleeves have been tested. The first group included those made of Graphite, the second included those made of 316L stainless steel with an additives of chromium and nickel. The latter have been grouped by the thickness of the nitrided layer for the nitriding time of 10 h and 30 h. The first comprised sleeves nitrided for 10 h at 550 oC, with the nitrided layer thickness of 0.06 mm. The other ones were nitrided for 30 h at 580 oC (0.1 mm thickness).
Results of the graphite sleeves tribology tests show stable value of the coefficient of fric-tion, that is in accordance with the literature data. Graphite sleeves have good tribological properties at high temperatures.
However, the sleeves seems to be very brittle, and damages of the sleeves were observed (fig. 8).
a) b)
Rys. 7. ZaleŜność współczynnika tarcia w funkcji drogi tarcia (a) i cykli (b) dla temperatury 500 oC.
Tuleje grafitowe po teście próby tribologicznej
Fig. 7. The coefficient of friction of the graphite sleeves as a function of the friction path (a) and test time (b) for the temperature of 500 oC
Rys. 8. Tuleja grafitowa po teście tribologicznym uszkodzona mechanicznie
Rys. 9. ZaleŜność współczynnika tarcia w funkcji drogi tarcia dla próby w temperaturze 500 oC, tuleja ST-500 azotowana w czasie 10 h, z modyfikowaną warstwą wierzchnią nanocząstkami WS2 Fig. 9. The coefficient of friction of the ST-500 sleeve nitrided for 10 h (the surface layer was modified with WS2
nanoparticles) as a function of the friction path and test time for the temperature of 500 oC
Rys. 10. ZaleŜność współczynnika tarcia w funkcji drogi tarcia dla próby w temperaturze 500 oC, tuleja ST-500 azotowana w czasie 30 h, z modyfikowaną warstwą wierzchnią nanocząstkami WS2 Fig. 10. The coefficient of friction of the ST-500 sleeve nitrided for 30 h (the surface layer was modified with WS2
nanoparticles) as a function of the friction path and test time for the temperature of 500 oC
6. WNIOSKI KOŃCOWE
Badania wykazały, Ŝe proces azotowania powoduje wzrost twardości tulei ST-500. Wy-dłuŜenie czasu azotowania powoduje wzrost grubości warstwy azotowanej, lecz nie wpływa na jej strukturę wewnętrzną oraz na porowa-tość. Proces modyfikacji warstwy wierzchniej tulei jest istotnym zabiegiem wpływającym na wartość współczynnika tarcia i trwałość bada-nych węzłów kinematyczbada-nych.
6. CONCLUSION
The study shows Stainless Steel sliding bearing nitriding results in creation of nitrided layer of thickness about 0.05…0.2 mm. An crease of the nitriding time results in the in-crease of the nitrided layer thickness, but does not influence its internal structure and poro-sity.
Przeprowadzone badania tribologiczne, pozwoliły zaobserwować, Ŝe tuleje grafitowe w podwyŜszonej temperaturze (500 oC) ulegały uszkodzeniom (pękały) natomiast tuleje wy-tworzone na bazie proszku 316L z warstwą modyfikowaną nanocząstkami smarów stałych WS2 cechują się stabilnym i niskim współ-czynnikiem tarcia oraz nie wykazują pęknięć.
Widoczna jest róŜnica w przypadku tulei poddanych procesowi azotowania w czasie 10 i 30 h. Tuleje azotowane w czasie 10 h cechują się krótszym czasem pracy, szybciej ulegają zuŜyciu. Tuleje azotowane w czasie 30 h dla których grubość warstwy azotowanej wyniosła 0,1 mm charakteryzują się stabilnym współ-czynnikiem tarcia w trakcie próby i mniejszym zuŜyciem Czas trwania procesu azotowania wpływa więc istotnie na długość czasu pracy układów współpracujących.
W przypadku par trących z tulejami azo-towanymi w czasie 10 h test tribologiczny nie został przeprowadzony do końca, został prze-rwany przy 4000 m z uwagi na wzrost współ-czynnika tarcia.
Pracę zrealizowano w ramach działalności statutowej BS 901 68 - Badanie i opracowanie technologii wytwarzania grafenopodobnych nanocząstek. Zastosowanie nanotechnologii i grafenopodobnych nanocząsteczek do wytwa-rzania spieków o niskim współczynniku tarcia.
The process of the surface layer modifica-tion is an important operamodifica-tion influencing the value of the coefficient of friction and the durability of the examined sliding bearings. The tribology examination performed show the brittle behavior of the graphite sleeves which were damaged at the temperature of 500 oC while the ones made of the 316L powder with a layer modified by WS2 solid
lubricant nanoparticles are characterized by a stable and low coefficient of friction and high strength.
It is found the difference between the sleeves nitrided for 10 h and those nitrided for 30 h. The sleeves nitrided for 10 h show shorter operation time, they get worn quicker. The sleeves nitrided for 30 h whose nitrided layer thickness was 0.1 mm are characterized by a stable coefficient of friction during the test and less wear. The time of the nitriding process significantly influences the lifetime of the coun-terparts.
The study was performed within the statute activity, BS 901 68 – The research and develo-pment of manufacturing technology graphene particles of nanoparticles. The use of nano-technology and nanoparticles to produce gra-phene particles sintered low friction.
LITERATURA/REFERENCES
[1] Burakowski T., Wierzchoń T.: InŜynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa 1995. [2] Lawrowski Z.: Bezobsługowe łoŜyska ślizgowe. Politechnika Wrocławska, Wrocław 2006.
[3] Kotnarowski A.: Modyfikacja środków smarowych za pomocą nanocząstek metali. Tribologia 2008 nr 2.
[4] Kędzia Ł., Ozwoniarek J., Wiśniewska-Weinert H., Leszczyński V., Gierzyńska-Dolna M.: Zastosowanie techno-logii metalurgii proszków z impregnacją mikro- i nanocząstkami w przemyśle lotniczym. Problemy eksploatacji 2005 nr 4.
[5] Samorjai G.A.: Introduction to Surface Chemistry and Catalysis. Wiley Interscience. [6] Zangwill A.: Physics at surfaces. Cambridge University Press 1988.
[7] Stobrawa J., Rdzawski Z.: Nanomateriały i nanotechnologia. Początek przełomu w inŜynierii materiałowej. Rudy i Metale NieŜelazne 2005 nr 6.
[8] Praca zbiorowa (red. Szczerek M., Wiśniewski M.): Tribologia i tribotechnika.
[9] Leshchynsky V., Wiśniewska-Weinert H., Wiśniewski T., Rybak T.: Badanie właściwości tribologicznych warstw wierzchnich modyfikowanych nanofazowymi materiałami proszkowymi. Tribologia 2009 nr 2.
[10] Polskie Towarzystwo Tribologiczne, Instytut Technologii Eksploatacji, Stowarzyszenie InŜynierów i Techników Mechaników Polskich, Radom, 2000.
[11] Woodruf D.P., Delchar T.A.: Modern Techniques of Surface Science. Cambridge University Press.
[12] Praca zbiorowa (red. Chichinadze A.V.): Osnowy tribologii (trenie, iznos, smazka). Nauka i Tekhnika, Moskwa 1995.
[13] Leshchynsky V., Ignatiev M., Wiśniewska-Weinert H., Borowski J., Rybak T., Dobrovnik I.: Forming tools modi-fication with graphene-like solid lubricant nanoparticles. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering vol. 43 November 2010 p. 341-348.
[14] Leshchynsky V., Wiśniewska-Weinert H.: Nanostructuring in powder metallurgy and forging technologies. Ob-róbka Plastyczna Metali 2008 t. XIX nr 4 s. 19-28.
