Politechnika Poznańska
Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania
mgr inż. Kazimierz Czapczyk
Rozprawa doktorska
„Badania właściwości mechanicznych i tribologicznych nanokompozytowej powłoki Ni-P/Si
3N
4osadzanej metodą redukcji chemicznej na stopie
aluminium AW-7075 stosowanym na części maszyn”
Promotor: prof. dr hab. inż. Stanisław Legutko Promotor pomocniczy: dr inż. Piotr Siwak
Poznań, styczeń 2019
Strona 2 z 134 SPIS TREŚCI
WYKAZ OZNACZEŃ I AKRONIMÓW STOSOWANYCH W PRACY 4
1. WSTĘP 5
2. WPROWADZENIE W PROBLEM 8
2.1. Charakterystyka zagadnienia 8
2.2. Uzasadnienie podjęcia tematu 9
2.3. Schemat pracy 10
3. CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCYJNYCH STOPÓW ALUMINIUM DO PRZERÓBKI
PLASTYCZNEJ SERII 7XXX 12
3.1. Ogólna charakterystyka 12
3.2. Wpływ składu chemicznego na właściwości mechaniczne stopów układu Al-Zn-Mg 13 3.3. Wpływ obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne stopów układu Al-Zn-Mg 15 3.4. Zastosowanie stopów aluminium serii 7XXX w przemyśle w porównaniu z innymi
materiałami konstrukcyjnymi 18
4. ZASTOSOWANIE POWŁOK PRZECIWZUŻYCIOWYCH WYTWARZANYCH METODĄ REDUKCJI
CHEMICZNEJ 22
4.1. Wprowadzenie 22
4.2. Ogólna charakterystyka chemicznych powłok bezprądowych oraz metody nakładania 29
4.2.1. Rodzaje powłok chemicznych i ich właściwości 29
4.2.2. Adhezja powłoki do podłoża 34
4.2.3. Nakładanie powłok metodą bezprądową 37
4.2.4. Właściwości powłok kompozytowych Ni-P z dodatkiem faz dyspersyjnych 39
4.3. Charakterystyka kompozytowej powłoki Ni-P/Si3N4 41
4.3.1. Wprowadzenie 41
4.3.2. Właściwości warstw Ni-P z fazą dyspersyjną Si3N4 42 4.3.3. Możliwości zastosowania warstw Ni-P/Si3N4 bezpośrednio na stopy aluminium 43
5. ZUŻYCIE W EKSPLOATACJI MASZYN 46
5.1. Wprowadzenie 46
5.2. Procesy zużywania 47
5.3. Przeciwdziałanie zużyciu tribologicznemu 51
5.3.1. Zastosowanie powłok osadzanych metodą redukcji chemicznej 52
5.3.2. Zastosowanie środków smarnych 55
6. TEZA, CELE I ZAKRES PRACY 57
7. PRZEDMIOT I METODYKA BADAŃ 59
7.1. Przedmiot badań 59
7.2. Badania morfologii powierzchni 60
7.2.1. Mikroskopia świetlna 61
7.2.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa + EDS 61
7.2.3. Transmisyjna mikroskopia elektronowa 62
7.3. Badania topografii powierzchni 62
7.3.1. Badania profilometryczne 62
7.4. Badania właściwości mechanicznych 62
7.4.1. Próba twardości 62
7.4.2. Pomiar mikrotwardości i modułu Younga metodą instrumentalnej indentacji 63 7.4.3. Badania przyczepności powłoki do podłoża metodą testu na zarysowanie 64
7.5. Badania tribologiczne 65
7.5.1. Badania odporności powierzchni na zużycie ścierne metodą ball on disc z
zastosowaniem smaru suchego MoS2 65
7.5.2. Badania odporności powierzchni na zużycie ścierne metodą ball on disc z
zastosowaniem półsyntetycznego oleju przekładniowego 66
Strona 3 z 134
8. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA 67
8.1. Badania morfologii powierzchni 67
8.1.1. Mikroskopia świetlna 67
8.1.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa + EDS 69
8.1.3. Transmisyjna mikroskopia elektronowa 74
8.2. Badania topografii powierzchni 75
8.2.1. Badania profilometryczne 75
8.3. Badania właściwości mechanicznych 89
8.3.1. Próba twardości 89
8.3.2. Pomiar mikrotwardości i modułu Younga metodą instrumentalnej indentacji 90 8.3.3. Badania przyczepności powłoki do podłoża metodą testu na zarysowanie 95
8.4. Badania tribologiczne 112
8.4.1. Badania odporności powierzchni na zużycie ścierne metodą ball on disc z
zastosowaniem smaru suchego MoS2 112
8.4.2. Badania odporności powierzchni na zużycie ścierne metodą ball on disc z
zastosowaniem półsyntetycznego oleju przekładniowego 117
9. WNIOSKI KOŃCOWE 122
10.1. Wnioski dotyczące tezy pracy 122
10.2. Wnioski poznawcze 123
10.3. Wnioski utylitarne 124
10.4. Kierunki dalszych badań 124
LITERATURA STRESZCZENIE SUMMARY
Strona 4 z 134
WYKAZ OZNACZEŃ I AKRONIMÓW STOSOWANYCH W PRACY
AW - przeciwzużyciowe dodatki do środków smarowych
CVD - chemiczne osadzanie z fazy gazowej (chemical vapour deposition) DSI - metoda instrumentalnej indentacji (depth sensing indentation) EDS - mikroanalizator rentgenowski z dyspersją energii
FM - modyfikatory tarcia
FSW - metoda zgrzewania tarciowego (friction stir welding)
PVD - fizyczne osadzanie z fazy gazowej (physical vapour deposition) PTFE - politetrafluoroetylen (teflon)
SEM - skaningowa mikroskopia elektronowa TEM - transmisyjna mikroskopia elektronowa WW - warstwa wierzchnia
GP - strefy Guiniera – Prestona (skupiska atomów rozpuszczonych w przesyconym roztworze, całkowicie koherentne z osnową
DC - proces odlewania kokilowego (direct chill casting – DC-casting) Ra - średnie arytmetyczne odchylenie profilu od linii średniej Rz - wysokość chropowatości według dziesięciu punktów profilu Sq - wysokość średniokwadratowa powierzchni
Sz - maksymalna wysokość
Sa - średnia arytmetyczna wysokość kSH - współczynnik synergizmu kAH - współczynnik antagonizmu
Strona 5 z 134 1. WSTĘP
Niniejsza praca doktorska dotyczy możliwości zwiększenia odporności na zużycie wybranych części maszyn, wykonanych ze stopu aluminium układu Al-Zn-Mg, serii 7xxx. Praca ta poświęcona jest możliwości zastosowania stopu aluminium układu Al-Zn-Mg jako rdzenia ruchomych części maszyn, podlegających obciążeniu głównie poprzez nacisk i tarcie, z jednoczesnym zastosowaniem odpowiedniej galwanicznej powłoki przeciwzużyciowej, jako jednej z wielu możliwych obróbek powierzchniowych. Wiele uwagi poświęcono analizie materiałowej stopów aluminium, zużyciu tribologicznemu i dostępnych technologii powlekania różnymi powłokami stopów aluminium, ponieważ w porównaniu przykładowo ze stalą istnieje dla tych stopów mniejsza liczba skutecznych metod i powłok o zastosowaniach technicznych (wyłączając właściwości przeciwkorozyjne) – zwłaszcza, że nadal wyraźnie rzadziej stosuje się ten materiał na odpowiedzialne części maszyn.
Dobór najlepszej powłoki lub powłok z punktu widzenia ich twardości, adhezji do podłoża, grubości, naprężeń własnych i ewentualnej obróbki cieplnej pozwoli na utworzenie na tej podstawie właściwej kompozycji warstw lub ich składu chemicznego dla części wykonanych ze stopu aluminium AW-7075 (na przykładzie koła zębatego). Zrealizowane zostaną odpowiednie testy w postaci badań laboratoryjnych pod względem wytrzymałości samego stopu serii 7xxx w zastosowaniu na niektóre części maszyn oraz zachowania wybranych powłok przeciwzużyciowych osadzonych na tym materiale w warunkach eksploatacyjnych. Jeżeli uzyskane wyniki potwierdzą zwiększenie właściwości wytrzymałościowych i odporności na zmęczenie powierzchni materiału, zastosowanie elementów o znacznie zmniejszonej masie i porównywalnej odporności na zużycie w porównaniu do stali stanie się bardziej możliwe w miejscach, w których nie brano do tej pory tego rozwiązania pod uwagę, np. w przemyśle kolejowym w zastosowaniu w zębatych pompach olejowych sprężarek lokomotyw serii EP07, EP08 i EP09, niektórych lekkich precyzyjnych mechanizmach napędu prędkościomierzy Hasler lokomotyw lub przekładniach zębatych prądnic elektrycznych wagonów pasażerskich.
Rozwiązanie techniczne przedstawione w pracy znalazłoby zastosowanie przede wszystkim w miejscach utrzymania i remontów maszyn, a także w zakładach produkcyjnych i modernizacyjnych, gdzie zastosowanie lżejszych materiałów o porównywalnej do stali odporności na zużycie i wytrzymałości zmęczeniowej powierzchni pozwoli na zmniejszenie obciążenia ważnych zespołów i podzespołów maszyn. Rozwiązanie problemu jest natury technicznej i technologicznej. Wdrożenie projektu pozwoliłoby na obniżenie kosztów eksploatacji niektórych maszyn, zmniejszenie ich awaryjności, a także znacznie ułatwiłoby proces montażu części poprzez zmniejszenie ich masy, ograniczenie obciążenia i zużycia łożysk, a także zmniejszenie bezwładności współpracujących części ruchomych w zespołach oraz zwiększenie sprawności maszyn.
Do tej pory większość uwagi była skupiona na wytrzymałości części maszyn wykonanych ze stali oraz próbach zwiększenia ich odporności na narażenia powodujące, m.in. pitting, spalling, fretting i/lub korozję naprężeniową. O ile istnieją gałęzie przemysłu wykorzystujące niektóre stopy aluminium w zastosowaniach technicznych, np. na konstrukcje lub poszycia kadłubów w stoczniach, to nie ma zbyt wielu przykładów dotyczących zastosowań stopów aluminium na odpowiedzialne części maszyn. W tym przypadku problem dotyczy zastosowania stopu aluminium układu Al-Zn-Mg (dokładnie AW-7075) jako elementu przenoszącego duże obciążenia, np. w postaci momentu obrotowego w przekładni zębatej. Jednocześnie pojawiają się problemy ze zużyciem tego materiału w dłuższym okresie eksploatacji z uwagi na narażenia i wytrzymałość warstwy wierzchniej.
Z tego powodu zdecydowano się zastosować odpowiednią powłokę przeciwzużyciową o dużej adhezji, która pozwoli zwiększyć przede wszystkim wytrzymałość zmęczeniową warstwy
Strona 6 z 134
wierzchniej i odporność na zużywanie ścierne, przez zwiększenie twardości powierzchni, a także jednoczesne zmniejszenie współczynnika tarcia powierzchni trących. Przy tym pojawia się kolejny problem z wyborem odpowiedniej powłoki, ze względu na możliwość jej zastosowania na wybranym stopie aluminium, ponieważ musi być ona w stanie zapewnić właściwą przyczepność do stopu AW- 7075 oraz takie właściwości tribologiczne, dzięki którym będzie mogła przenosić obciążenia związane np. z momentem obrotowym z koła czynnego na koło bierne bez złuszczeń i pęknięć w dłuższym okresie użytkowania. Ponadto każda powłoka wiąże się z technologią jej nałożenia. Przykładem są powłoki galwaniczne, które mogą być nakładane elektrochemicznie lub chemicznie bezprądowo. Jest to istotny element, ponieważ pojawiają się poważne różnice we właściwościach poszczególnych powłok. Istnieje wiele różnych metod i rodzajów powłok, np. osadzanie z fazy gazowej chemicznie (CVD) i fizycznie (PVD), napawanie, natryskiwanie cieplne, platerowanie itd. Wstępna analiza literaturowa oraz aktualnych artykułów naukowych wskazują, że najlepszą powłoką dla badanego materiału będą powłoki nakładane metodą redukcji chemicznej (bezprądowo), ponieważ w przeciwieństwie do elektrochemicznych, wykazują lepszą przyczepność i nie mają większych skłonności do pęknięć. Jednak teoretyczne analizy zostaną sprawdzone w warunkach laboratoryjnych na wielu próbkach pod względem konkretnych zastosowań na części maszyn, ponieważ przykładowo adhezja powłoki jest tylko jedną z wielu właściwości układu. Istotna jest podatność na wspomniane pęknięcia, twardość, współczynnik tarcia, skład chemiczny, a także możliwość nakładania kolejnych powłok jedno lub wielowarstwowych oraz ich zachowanie w trudnych warunkach eksploatacji, np.
przy tarciu granicznym lub suchym. Natomiast z tribologicznego punktu widzenia najlepszymi właściwościami wykazywałyby się cienkie powłoki (np. diamentowe) wytworzone metodą PVD, gdyż można uzyskać warstwy bardzo twarde i odporne na zużycie. Niestety samo powleczenie elementu o małej twardości wykonanego z badanego stopu aluminium nie przyniesie żadnych pozytywnych efektów ze względu na nagły i zbyt duży przeskok twardości, zwłaszcza, że powłoka jest wyjątkowo cienka w porównaniu do materiału podłoża i jego rdzenia, co będzie skutkowało jej zniszczeniem podczas pracy. Stąd najważniejszym celem jest opracowanie składu chemicznego lub dobór takiej kompozycji warstwy pośredniczącej, aby można było bez większych ograniczeń zastosować taki materiał jako powłokę zewnętrzną, która znacznie przedłuży czas eksploatacji danej części, gdyż sama warstwa pośrednicząca może być elementem systemu jedynie zwiększającym adhezję zewnętrznej powłoki. Z drugiej strony istnieją powłoki kompozytowe o różnych właściwościach w zależności od składu chemicznej oraz jej struktury i nie jest wykluczone, że kompozytowa powłoka chemiczna o odpowiednim składzie będzie w wystarczającym stopniu stanowiła przeciwzużyciową barierę danego elementu. W pierwszym kroku powłoka pośrednicząca musi pozwolić przede wszystkim na łagodne przejście twardości materiału stopu AW-7075 z wartości około 200 HV do twardości około 500 ÷ 700 HV (lub więcej) zewnętrznej warstwy przy zachowaniu wystarczająco dużej adhezji. Niestety najbardziej znane powłoki elektrochemiczne typu Cu – Ni – Cr wykazują znaczną kruchość (zwłaszcza podłoże w postaci miedzi) w połączeniu ze stopami aluminium i mogłyby raczej zostać wykorzystane jedynie w celach dekoracyjnych lub przeciwkorozyjnych, pomimo możliwości zastosowania zewnętrznego chromu w celach technicznych [52, 53]. Jest to dość złożone zagadnienie, dlatego po wstępnych analizach teoretycznie najlepszymi właściwościami powinny wykazywać się powłoki nakładane metodą redukcji chemicznej. Kolejnym elementem jest dobór grubości powłoki, ponieważ zbyt cienka powłoka byłaby podatna na przebicia, a zbyt gruba mogłaby wykazywać naprężenia rozciągające, co również skutkowałoby zniszczeniem powłoki, w której powinny występować małe naprężenia ściskające. W następnych krokach celem będzie wybór i zastosowanie twardej powłoki przeciwzużyciowej po przeprowadzonych laboratoryjnych badaniach tribologicznych [1, 2, 3].
Strona 7 z 134
Jeżeli uzyskane wyniki potwierdzą założenia, to niektóre elementy oraz części maszyn będą mogły być stosowane, np. w miejscach gdzie dostęp do maszyny oraz montaż i demontaż jest bardzo utrudniony. Zastosowanie to może przynieść także pozytywny wpływ na inne części danej maszyny, np. mniejsze obciążenie łożysk, większa sprawność maszyny itp. Pozwoliłoby to przede wszystkim na bardziej uniwersalne i szersze zastosowanie stopów aluminium serii 7xxx w przemyśle maszynowym.
Strona 8 z 134 2. WPROWADZENIE W PROBLEM
2.1. Charakterystyka zagadnienia
Stopy aluminium serii 7xxx są współcześnie szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu, zwłaszcza w okrętowym, lotniczym oraz motoryzacyjnym. Przykładowo konstrukcje nośne samochodów osobowych marki AUDI A2 produkowane były w całości ze stopu aluminium. Obecnie również marka BMW oraz TESLA kontynuują ten jeszcze rzadki trend w motoryzacji w celu znacznego zmniejszenia masy całych konstrukcji pojazdów przy jednoczesnym zachowaniu dużej wytrzymałości (porównywalnej do stali). Stop AW-7075 ze względu na mniejszą masę w porównaniu do stali, a także dużo lepsze właściwości wytrzymałościowe w porównaniu do czystego aluminium i innych stopów, znajduje również bardzo wiele innowacyjnych zastosowań, np. koła zębate łańcuchowe w napędach motocykli, poszycia kadłubów spajanych metodą zgrzewania tarciowego FSW lub jako precyzyjne prowadnice cierne w systemach automatyzacji itp. Ponadto coraz większe oczekiwania wobec wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych w połączeniu ze zmniejszaniem ich masy, postępującą miniaturyzacją (np. downsizing) oraz obróbką powierzchniową wymagają kontynuowania i przeprowadzania nowych badań mechanicznych i tribologicznych m.in. w celu analizy przydatności wybranych materiałów powłokowych i dostosowania ich do konkretnych warunków pracy.
Inżynieria powierzchni stanowi dzisiaj jeden z najważniejszych nurtów rozwoju i tworzenia nowych rozwiązań technicznych w eksploatacji części maszyn, ostrzy narzędzi skrawających itp. Stopy aluminium również mogą być powlekane różnymi powłokami o przeznaczeniu technicznym oraz dekoracyjnym. Do tej pory najczęściej stosowano powłoki na stopy aluminium w celach przeciwkorozyjnych. Jednak obecnie istnieją również powłoki, ich kompozycje oraz technologie, które w zastosowaniu na stopy aluminium mogą znacząco zwiększyć odporność powierzchni na zużycie ścierne, a także znacząco zwiększyć jej twardość. Obróbka powierzchniowa stopów aluminium poprzez osadzanie powłok niklowych, borowych lub kompozytowych metodą redukcji chemicznej jest jednym z najlepszych rozwiązań zwiększających odporność warstwy wierzchniej na zużycie ścierne. Pozwala także na znacznie szersze zastosowanie tego materiału w przemyśle maszynowym.
Przykładowo stop aluminium AW-7075 z powłoką Ni-P stanowią pewien system areologiczny, jednak żaden z elementów systemu areologicznego nie jest w stanie zapewnić kompleksu wymaganych właściwości, natomiast łącznie, tworząc kompozyt, dzięki synergicznemu oddziaływaniu elementów, system areologiczny takie właściwości może zapewnić. Ponadto wymagania synergizmu właściwości narzucają konieczność stosowania odpowiednich kompozycji elementów składowych systemu areologicznego. Konstruując system areologiczny przyjmuje się i stosuje jedne kompozycje systemu (np. podłoże stalowe zahartowane i odpuszczone, azotowane, pokrywa się twardszą od podłoża powłoką TiN), a odrzuca inne (np. na podłoże z miękkiego ołowiu nie nanosi się twardej i cienkiej powłoki TiN, gdyż pod niewielkim obciążeniem powłoka pęka). Ta sama zasada obowiązuje wobec każdego materiału powlekanego powłoką w celach przeciwzużyciowych. Konieczność stosowania systemów aerologicznych wymusza ponadto stosowanie odpowiednio wytrzymałych połączeń między elementami systemu areologicznego, zwłaszcza między warstwą wierzchnią a powłoką, gradientowość właściwości – dla warstw wierzchnich i powłok metalowych i cermetalowych i stratyfikację dla powłok, konieczność stosowania warstw przejściowych (podkładowych) lub międzywarstw (podpowłok) umożliwiających dopasowanie strukturalne i termiczne (głównie rozszerzalność cieplna) elementów systemu [2].
Strona 9 z 134 2.2. Uzasadnienie podjęcia tematu
Inżynieria powierzchni pod względem obróbki powierzchniowej z zakresu zastosowania powłok jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin naukowych. Obecnie wiele firm produkujących powłoki, a także zajmujących się technologiami galwanicznymi (np. Oerlikon Balzers Coating, Galvo S.A.) oferuje bardzo wiele możliwości zastosowania warstw o różnych kompozycjach i składach chemicznych w zależności od przeznaczenia. Najczęściej można się spotkać z powłokami przeciwzużyciowymi na narzędzia skrawające, np. osadzanymi metodą PVD, lub powłokami antykorozyjnymi w przemyśle motoryzacyjnym wytwarzanymi np. bardzo skuteczną metodą kataforezy zanurzeniowej. Istnieje również wiele innych powłok i materiałów do różnych zastosowań technicznych [59, 60, 61]. Wiele publikacji naukowych na całym świecie dotyczy badań, m.in. warstw niklowych lub kompozytowych z niklem wytwarzanych metodą redukcji chemicznej, które można stosować prawie na każdym dowolnym materiale. Najnowszymi i jeszcze nie do końca zbadanymi powłokami chemicznymi są warstwy Ni-P oraz Ni-B z wbudowanymi fazami dyspersyjnymi w postaci mikro i nanocząstek ceramicznych lub polimerowych, np. SiC, Al2O3, Si3N4, diament, PTFE itp.
Obecnie można zaobserwować duże zainteresowanie kompozytowymi powłokami bezprądowymi z niklem. Powłoki z cząstkami ceramicznymi mają dużą twardość i odporność na zużycie ścierne, a ułamek objętości cząstek w powłoce wynosi zwykle 15 ÷ 30 % [1].
Ważnym zagadnieniem jest również zastosowanie stopów aluminium jako podłoża, które są obecnie coraz szerzej stosowane w konstrukcjach maszyn jako części oraz elementy nośne. Obecnie coraz więcej można zauważyć śmiałych zastosowań stopów aluminium na ruchome części maszyn przenoszących obciążenia w miejscach, w których zdecydowanie dominowała stal lub inne materiały, np. zainteresowanie łożyskami ślizgowymi ze stopów aluminium, stosowanymi w silnikach trakcyjnych, ciągle wzrasta i nadal są prowadzone badania nad ich rozwojem [69, 83, 84]. Przykład różnych zastosowań zaprezentowano na rysunkach 2.1 oraz 2.2. Dobrym rozwiązaniem polepszającym właściwości mechaniczne i tribologiczne elementów jest osadzanie powłok.
a) b) c)
Rys. 2.1. Przykład części i konstrukcji produkowanych ze stopów aluminium:
a) tylne łańcuchowe koło zębate ze stopu 7075 T6 (po anodowaniu) do napędu motocykla [62]
b) karoseria samochodu AUDI A2 [72]
c) prowadnica ślizgowa do pneumatycznego systemu napędu liniowego ORIGA System Plus [63]
Rys. 2.2. Przykład aluminiowego łożyska korbowodu silnika spalinowego samochodu Toyota [98]
Strona 10 z 134
Ponadto właściwy dobór materiału powłokowego pod względem twardości (determinującej odporność na zużycie ścierne), trudnotopliwości, odporności na kruche pękanie, właściwej struktury czy współczynnika tarcia nie wystarcza, ponieważ musi być jeszcze spełniony warunek odpowiednio dużej przyczepności do podłoża – adhezji. Powłoka, nawet o najkorzystniejszej strukturze i zalecanym składzie chemicznym, a więc o wymaganych właściwościach mechanicznych, staje się bezużyteczna, jeżeli jej przyczepność do podłoża jest niewystarczająca [2]. Przykład niewłaściwego doboru materiału powłokowego i w efekcie oderwanie powłoki od podłoża przedstawiono na rys. 2.3.
a) b)
Rys. 2.3. Laboratoryjne koło zębate ze stopu AW-7075 z osadzoną metodą PVD powłoką diamentową po próbach eksploatacyjnych w laboratorium Politechniki Poznańskiej, WBMiZ (a – koło zębate, b – zęby koła z wytartą powłoką przeciwzużyciową) – badania własne autora
2.3. Plan pracy
Praca została podzielona na kilka części. Część teoretyczna pracy obejmuje charakterystykę konstrukcyjnych stopów aluminium układu Al-Zn-Mg, analizę oraz charakterystykę powłok możliwych do osadzenia bezpośrednio na stopach aluminium zwiększających twardość powierzchni i zmniejszających tarcie, a także przeciwdziałanie zużyciu mechanicznemu poprzez zastosowanie powłok przeciwzużyciowych i środków smarnych. Następnie przedstawiono analizę aktualnych publikacji krajowych i zagranicznych z zakresu badań powłok osadzanych na różnych stopach aluminium dla różnych zastosowań przemysłowych. W części eksperymentalnej przedstawiono metodykę badań oraz wyniki obejmujące, m.in. standardowe badania mechaniczne oraz metalograficzne materiału podłoża i osadzonego materiału powłokowego w celu określenia wpływu, m.in. składu chemicznego warstw na twardość i penetrację powierzchni. Mając na uwadze zwiększenie twardości powierzchni części, wykonanych ze stopu AW-7075 osadzano powłoki Ni-P oraz Ni-P/Si3N4 metodą redukcji chemicznej, przy czym szczególny nacisk kładziono na adhezję tej powłoki do podłoża. Z tego powodu poza badaniami mechanicznymi mającymi na celu określenie najważniejszych właściwości warstwy powierzchniowej, uwzględniono również badania adhezji warstw niklowych oraz kompozytowych do podłoża, które zostały sprawdzone za pomocą testu na zarysowanie (scratch testu). Dlatego w kolejnym etapie wiele uwagi poświęcono ważnemu elementowi, który decyduje o przydatności oraz użyteczności zastosowanej powłoki, tzn. adhezji, czyli połączeniu między elementami danego systemu areologicznego. Następnie skupiono się na badaniach tribologicznych, które stanowią odwzorowanie rzeczywistych warunków eksploatacyjnych.
Analizy procesów zużycia oraz przeciwdziałań zużyciu pozwoliły na wybór badań tribologicznych ukierunkowanych głównie na zużycie zmęczeniowe (spalling), ścierne, a także adhezyjne I rodzaju oraz scuffing. Badania wykonano w warunkach tarcia technicznie suchego oraz z zastosowaniem
Strona 11 z 134
środków smarnych bazujących na dwusiarczku molibdenu MoS2, który często stanowi dodatek w warstwach kompozytowych samosmarujących. W tej części głównym celem było określenie odporności zastosowanej powłoki na zużycie wynikające z tarcia. Dla dokładnej analizy wyników badań tribologicznych, przeprowadzono również badania topografii powierzchni w celu sprawdzenia jakości powłok oraz określenia chropowatości powierzchni, która jest ważnym czynnikiem w analizach porównawczych. Pomiary wykonano przed oraz po badaniach tribologicznych dla celów porównawczych oraz dokładnych analiz wyników wytarcia badanych warstw. Opracowane analizy były możliwe dzięki precyzyjnemu komputerowemu trójwymiarowemu odwzorowaniu powierzchni z zapisem parametrów określających obszary zagłębień, wzniesień, wybrzuszeń i wysokości wierzchołków, zwłaszcza że rodzaj powierzchni, zastosowana powłoka oraz jej grubość mają znaczenie i wpływają na chropowatość. Ponadto po przeprowadzeniu badań profilometrycznych uzyskane wyniki posłużyły również do określenia wpływu chropowatości na adhezję badanych warstw.
Uzyskane wyniki oraz ich analizy pozwoliły na wybór powłoki o takiej kompozycji, która wykazuje się najlepszymi właściwościami mechanicznymi oraz adhezją, a także jednocześnie pozwala zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową powierzchni w porównaniu do innych powłok i materiału podłoża oraz nadaje się do zastosowań w warunkach eksploatacyjnych.
Badania laboratoryjne oraz analizy wyników badań przeprowadzono przy współpracy z Instytutem Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie.
Strona 12 z 134
3. CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCYJNYCH STOPÓW ALUMINIUM DO PRZERÓBKI PLASTYCZNEJ SERII 7XXX
3.1. Ogólna charakterystyka
Aluminium oraz stopy aluminium w porównaniu ze stalą charakteryzuje znacznie mniejsza gęstość i jest to bardzo ważna własność, ponieważ spowodowała ona, że aluminium stosuje się wszędzie tam, gdzie potrzebne są lekkie materiały konstrukcyjne, tzn. przemysł lotniczy, okrętowy, budowa silników itp. Natomiast wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm = 70 ÷ 120 MPa, Re = 20 ÷ 40 MPa, wydłużenie A10 = 30 ÷ 45 %, przewężenie Z = 80 ÷ 95 %, twardość 15 ÷ 30 HB. Jednak w celu zwiększenia właściwości wytrzymałościowych stosuje się wprowadzanie pierwiastków stopowych oraz obróbkę cieplną stopów. Najogólniej stopy aluminium dzieli się na odlewnicze (przeważnie wieloskładnikowe) i do przeróbki plastycznej (posiadają znacznie mniej pierwiastków stopowych – zwykle Mg, Mn, Cu, Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li). W ostatnim czasie duże zainteresowanie budzą cieplnie obrabiane stopy układu Al-Zn-Mg (serii 7xxx). Przykładowo stop AlZn5Mg1 po specjalnej obróbce cieplnej, podlegającej na przesyceniu w temperaturze t = 430°C przez 45 minut, chłodzeniu w wodzie o temperaturze 80°C i odpowiednim sztucznym starzeniu dwustopniowym uzyskuje Rmmin = 350 MPa. Stopy te mają właściwość umacniania się złączy spawanych wskutek przesycania w procesie spawania i następnego naturalnego umocnienia wydzieleniowego. Ta cecha powoduje, że znajdują one zastosowanie, m.in. w spawanych konstrukcjach o dużej wytrzymałości [4].
Stopy serii 7xxx, zwane konstruktalami, znajdują zastosowanie, m.in. w przemyśle okrętowym, lotniczym i w astronautyce. W stanie surowym posiadają niezbyt wysokie właściwości wytrzymałościowe i dobrą odporność na korozję ogólną. Ich odporność na korozję naprężeniową, zwłaszcza w środowisku wody morskiej, jest jednak mniejsza przykładowo od stopów serii 5xxx, tzn.
układu Al-Mg. Jedną z ważnych cech charakterystycznych tych stopów jest ich zdolność do przechłodzenia przesyconego roztworu stałego, przy stosunkowo małych szybkościach chłodzenia.
Cecha ta pozwala efektywnie umacniać tego typu stopy przez utwardzanie wydzieleniowe, dzięki czemu ich właściwości wytrzymałościowe wzrastają kilkukrotnie. Z tego powodu zalicza się je do wysokowytrzymałych stopów aluminium [5].
Rozpatrywanym przykładem stopu aluminium serii 7xxx o szczególnych właściwościach jest tzw.
Fortal z oznaczeniem EN AW-7075 (in. PA9, AlZn5,5MgCu).
Stop aluminium AW-7075 ma dużą wytrzymałość mechaniczną – porównywalną do stali konstrukcyjnych oraz bardzo dużą wytrzymałość zmęczeniową. Cechuje się również najlepszą obrabialnością skrawaniem i największą twardością – do 190 HB. Jest bardzo dobrym materiałem do obróbki skrawaniem, także głębokich wybrań, posiada średnią odporność na korozję, bardzo dobrze nadaje się do szlifowania, polerowania oraz obróbki elektroerozyjnej. Stosowany na formy rozdmuchowe, formy na tworzywa piankowe, elementy tłoczników i wykrojników, części maszyn wysoce obciążonych, a także używany w przemyśle lotniczym, na mocno obciążone elementy konstrukcyjne, do produkcji sprzętu sportowego. Innym równie istotnym zastosowaniem, chociaż nieco mniej popularnym, jest zastosowanie stopu aluminium na konstrukcyjne elementy pochłaniające energię, np. w motoryzacji [67].
Najważniejsze właściwości stopu aluminium AW-7075:
• Twardość: do 190 HB
• Gęstość: 2,81 g/cm3
• Moduł sprężystości E: 72000 MPa
Strona 13 z 134
• Moduł sprężystości poprzecznej G: 27100 MPa
• Liczba Poissona: 0.33
• Temperatura krzepnięcia: 475°C
• Temperatura płynięcia: 635°C
• Minimalna wytrzymałość na rozciąganie Rm: 480-540 MPa
• Minimalna granica plastyczności Rp0,2: 390-470 MPa
• Ciepło właściwe: 862 J/kgK
• Współczynnik rozszerzalności cieplnej: 23,5 µm/mK
W tabeli 3.1. zestawiono główne rodzaje stopów aluminiowych wraz z ich najważniejszymi zastosowaniami w praktyce uwzględniając stopy serii 7XXX.
Tab. 3.1. Główne rodzaje stopów aluminiowych [12, 70]
Seria Główne
pierwiastki
Przykłady zastosowań
1000 Al folie, garnki, kable, płyty drukarskie 2000 AlCu przemysł lotniczy, motoryzacyjny, blachy 3000 AlMn blachy, (wymienniki ciepła), puszki spożywcze
4000 AlSi odlewy
5000 AlMg przemysł spożywczy i chemiczny, motoryzacyjny, zbiorniki ciśnieniowe
6000 AlMgSi kształtowniki, blachy, konstrukcje nadmorskie 7000 AlZnMg lotnictwo, przemysł zbrojeniowy (rakiety) 8000 AlLiCuMg folie spożywcze, blachy, płyty, przemysł kosmiczny
3.2. Wpływ składu chemicznego na właściwości mechaniczne stopów układu Al-Zn-Mg
Skład chemiczny stopów układu Al-Zn-Mg ma znaczny wpływ na ich właściwości mechaniczne. Dotyczy to zarówno głównych składników stopowych (Zn i Mg), jak i dodatków wprowadzonych w znacznie mniejszych ilościach. Stopy Al-Zn-Mg swoje właściwości wytrzymałościowe zmieniają w zależności od zawartości Zn i Mg. Stopy serii 7xxx to stopy aluminium z cynkiem i magnezem, a także bardzo często z dodatkiem miedzi, która zwiększa wytrzymałość oraz odporność na korozję naprężeniową. Na właściwości tych stopów ma wpływ zarówno sumaryczna zawartość Zn i Mg, jak również ich wzajemny stosunek Zn:Mg. Z powodu swoich dobrych właściwości mechanicznych stopy aluminium z serii 7xxx są szeroko stosowane w lotnictwie (skrzydła, kadłuby samolotów) oraz w innych zastosowaniach konstrukcyjnych już od lat 40-tych XX wieku. Pomimo faktu, że maksymalna wytrzymałość osiągana jest często kosztem zarówno odporności na kruche pękanie oraz odporności na pękanie korozyjno-naprężeniowe, stopy serii 7xxx charakteryzują się dużą wytrzymałością przy jednoczesnej dobrej odporności na pękanie i dobrej odporności na korozję. Wiele badań ma na celu dalsze polepszanie właściwości tych materiałów.
Przykładowo w latach 70-tych XX w. zamiast stopu 7075 zaczęto używać stopów 7050 lub 7150, a następnie wprowadzono stop 7085 o jeszcze lepszej wytrzymałości i odporności na pękanie. Obecnie do często stosowanych w lotnictwie stopów z serii 7xxx należą np. 7249, 7150, 7449, a także 7136.
Stopy 7xxx należą do stopów umacnianych wydzieleniowo. Stanowią one grupę najbardziej wytrzymałych stopów wśród dostępnych stopów aluminium. Ich wysoka wytrzymałość (umowna granica plastyczności sięgająca do 700 MPa) spowodowana jest obecnością następujących
Strona 14 z 134
pierwiastków: cynk, miedź, magnez i chrom. Pierwiastki te tworzą wydzielenia różnych trój- lub czteroskładnikowych związków w wyniku procesu przesycania, a następnie starzenia. Dzięki nim uzyskuje się efekt umocnienia, który zależy od rozmiaru i rozmieszczenia cząstek. W stopach tych do polepszenia wytrzymałości przyczyniają się również umocnienie przez rozdrobnienie ziarna, umocnienie roztworowe oraz umocnienie odkształceniowe.
W stopach aluminium stosowane są także mikrododatki. Do niektórych stopów serii 7xxx dodaje się srebro. Mikrododatek srebra ułatwia proces starzenia poprzez podniesienie zakresu temperatury, w którym strefy GP (Guiniera-Prestona) są stabilne. Mikrododatki stosuje się nie tylko do stymulowania procesów wydzielania, ale także do regulowania procesów zdrowienia i rekrystalizacji. W tym celu dodaje się przede wszystkim cyrkon, także chrom, a ostatnio również skand. Mimo wysokiej ceny dodatek skandu jest dość powszechny. Skand łączy się z aluminium tworząc dyspersyjne, koherentne cząstki Al3Sc, które zarodkują niezależnie od innych faz obecnych w stopie. Wydzielenie Al3Sc powstają w stosunkowo wysokiej temperaturze, około 350°C i są bardzo mało podatne na koagulację. Przyczyniają się do opóźniania rekrystalizacji stopów aluminium do temperatury około 600°C, która dla stopów Al jest bardzo wysoka. Dodatkowym działaniem cząstek Al3Sc jest efekt umocnienia wydzieleniowego. Faza Al3Sc jest izomorficzna z metastabilną fazą tworzoną w stopach aluminium przez cyrkon Al3Zr, dodawanego najczęściej razem ze skandem.
Powstaje wówczas faza międzymetaliczna Al3(AcxZr1-x), która zarodkuje znacznie łatwiej. Jej dyspersja w osnowie jest większa i bardziej równomierna niż Al3Zr i Al3Sc. Równomierny rozkład cząstek tej fazy sprzyja tworzeniu się struktury podziarnowej podczas odkształcenia, dzięki czemu zwiększa się efekt umocnienia stopu. Wydzielenia fazy Al3(Sc, Zr) zwiększają wytrzymałość i jednocześnie polepszają odporność na pękanie stopów aluminium [7].
Ponieważ równowagowe rozpuszczalności Zr i Sc w stopach 7xxx są bardzo małe w pobliżu linii solidus, tworzenie się roztworu stałego tych pierwiastków w aluminium, niezbędnego do uzyskania nanometrycznych rozmiarów cząstek Al3(Sc, Zr) odbywa się już w początkowym etapie wytwarzania stopów, czyli podczas krystalizacji i homogenizacji. Jest to możliwe tylko w procesie odlewania DC (kokilowego), gdzie szybkość chłodzenia odlewów jest wystarczająco duża.
Mikrostruktura wysokowytrzymałych stopów aluminium zawiera trzy rodzaje cząstek drugiej fazy: cząstki duże, dyspersoidy i wydzielenia umacniające. Cząstki duże są wynikiem obecności domieszek Fe i Si lub nadmiernej ilości głównych pierwiastków stopowych. Końcowy rozmiar cząstek elementarnych zależy od procedury wyrobu i wynosi zwykle od 5 do 30 µm. Dyspersoidy są cząstkami międzymetalicznymi utworzonymi z takich pierwiastków jak Cr czy Zr, które posiadają małą rozpuszczalność w aluminium w całym zakresie temperatury. Homogenizacja w wysokiej temperaturze (350 – 500°C) przez długi czas (6 – 24 h) pomaga w wydzieleniu się dyspersyjnych cząstek Al3Zr. Te dyspersoidy są rozmiaru 20 – 50 nm. Zapobiegają one rozrostowi ziarna podczas przesycania i procesów termomechanicznych poprzez unieruchomienie granic ziaren. Umożliwia to poprawne utrzymanie drobnego ziarna w celu osiągnięcia oczekiwanej wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości zmęczeniowej oraz właściwości korozyjnych. Wpływ zawartości Zn i Mg na właściwości mechaniczne stopów serii 7xxx jest znaczący. Zwiększenie sumarycznej zawartości cynku i magnezu powoduje wzrost właściwości wytrzymałościowych przy jednoczesnym obniżeniu plastyczności stopu.
Przy stałej sumarycznej zawartości Zn i Mg, zwiększenie zawartości Zn do 4,5 % w większym stopniu podwyższa właściwości wytrzymałościowe, niż zwiększenie zawartości Mg. Jednak najlepsze rezultaty przy optymalizacji właściwości mechanicznych stopów Al-Zn-Mg uzyskuje się przez modyfikowanie struktury magnezem, cyrkonem i chromem. Jednak dodatki te powodują jednocześnie niewielkie obniżenie właściwości plastycznych. Poza tym zwiększenie wytrzymałości stopów serii 7xxx można
Strona 15 z 134
uzyskać przez dodanie miedzi, w ilości przekraczającej 0,5 %. Niestety dodatek ten powoduje, że stopy stają się niespawalne i nieodporne na korozję ogólną. Natomiast zawartość Mn > 0.28 % powoduje wzrost właściwości wytrzymałościowych, podobnie jak cyrkon w ilości 0,1 ÷ 0,12 %. Ze względu na dobrą odporność korozyjno – naprężeniową najczęściej stosowane są stopy o zawartości Zn + Mg < 6,5 % przy ilości Mg = 1,0 ÷ 1,5 %. Reasumując, na właściwości mechaniczne stopów układu Al-Zn-Mg wpływa zawartość podstawowych składników stopowych w postaci cynku i magnezu.
Jednak przy stałej sumarycznej zawartości Zn i Mg najlepsze właściwości mechaniczne uzyskuje się przy relacji Zn:Mg, która wynosi 2,42:1 w stosunku wagowym [5, 6, 7].
3.3. Wpływ obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne stopów układu Al-Zn-Mg
Obróbka cieplna wyraźnie wpływa na właściwości mechaniczne stopów 7xxx. Poprawę właściwości wytrzymałościowych stopów aluminium zapewnia obróbka cieplna, ogólnie składająca się z przesycenia, chłodzenia w wodzie lub powietrzu, a następnie naturalnego (w temperaturze otoczenia) lub sztucznego starzenia (w zakresie temperatur 90 ÷ 150°C). Uzyskuje się wówczas stan umocnienia wydzieleniowego i sztucznego umocnienia wydzieleniowego. Przesycanie jest operacją polegającą na nagrzaniu do temperatury, przy której składnik wydzielony przechodzi do roztworu stałego i oziębieniu w celu zatrzymania tej struktury w stanie metastabilnym przy temperaturze poniżej punktu granicznej rozpuszczalności. Zaletą stopów układu Al-Zn-Mg jest łatwość ich przesycania ze względu na szeroki zakres temperatur wyżarzania przesycającego i wymagane małe szybkości chłodzenia. W stopach grupy 7xxx, ujednorodnionych przez przesycenie, cynk i magnez znajdują się w roztworze stałym. Starzenie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu wcześniej przesyconego stopu do temperatury, przy której zachodzi wydzielenie składnika znajdującego się w roztworze stałym w odpowiednim stopniu dyspersji, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym chłodzeniu. Parametrem istotnie wpływającym na właściwości mechaniczne stopów aluminium serii 7xxx jest temperatura przesycania. Dobrą wytrzymałość i plastyczność można uzyskać podczas przesycania z temperatur 380 ÷ 500°C. Także szybkość chłodzenia po przesycaniu wpływa na zmiany właściwości mechanicznych, tzn. wzrost szybkości chłodzenia zwiększa właściwości wytrzymałościowe [5]. Wpływ szybkości chłodzenia po przesyceniu na właściwości wytrzymałościowe przykładowego stopu AlZn5Mg2CrZr przedstawiono na rys. 3.1.
Rys. 3.1. Wpływ szybkości chłodzenia po przesyceniu na właściwości wytrzymałościowe sztucznie utwardzonego stopu AlZn5Mg2CrZr [5]
Strona 16 z 134
Największe zwiększenie właściwości wytrzymałościowych uzyskuje się podczas chłodzenia blach z temperatury przesycenia w zimnej wodzie. Chłodzenie w wodzie gorącej daje już gorsze efekty, natomiast w powietrzu powoduje otrzymanie niskich właściwości wytrzymałościowych.
Dokładnie taki sam przebieg zmian uzyskuje się dla stopu AlZn5Mg1. Dalsze zwiększanie szybkości chłodzenia nie ma praktycznego sensu, ponieważ nie zmienia już istotnie właściwości mechanicznych stopu [5, 6]. Jednak dla przemysłowej serii stopów 7xxx obróbka cieplna oparta jest na przesycaniu i dwuetapowym starzeniu – początkowo w niskiej temperaturze (T1), następnie w podniesionej temperaturze (T2). Zastosowanie takiej obróbki pozwala uniknąć wydzielania wtórnego, które obserwowane jest w stopach Al – Zn – Mg oraz Al – Zn – Mg – Cu. Przez długi czas uważano, że właściwości mechaniczne stopu starzonego w podwyższonej temperaturze nie zmieniają się podczas stosowania go w temperaturze dużo niższej, np. w temperaturze pokojowej. Zauważono jednak, że stopy 7xxx po starzeniu w 180°C i schłodzeniu do temperatury pokojowej, nadal podlegają starzeniu naturalnemu. Zjawisko to nazwano wydzielaniem wtórnym. Wydzielanie wtórne prowadzi do wzrostu twardości i wytrzymałości, ale jednocześnie pogarsza ciągliwość, odporność na pękanie oraz odporność na pękanie korozyjno – naprężeniowe. Pogorszenie tych właściwości zachodzi w sposób nieprzewidywalny i niekontrolowany. Z tego powodu wydzielanie wtórne uznawane jest za zjawisko niepożądane. Przyczyną tego wydzielania jest znacznie większe stężenie atomów pierwiastka rozpuszczonego w roztworze stałym, po starzeniu na pik twardości (T6), niż wynika to z układu równowagi fazowej. Na rys. 3.2 ukazano zjawisko wydzielania wtórnego na podstawie krzywych twardości względem czasu dla trzech różnych wariantów obróbki cieplnej stopu 7075 [7].
Rys. 3.2. Profile twardości stopu aluminium 7075 po starzeniu w temperaturze przez 0,5 h w temperaturze 130°C i następnie: 1) dalszym starzeniu w tej temperaturze przez 24 h; 2) starzeniu naturalnym oraz 3) starzeniu w temperaturze 65°C [7]
Po konwencjonalnym starzeniu w temperaturze 130°C przez 24 godziny (obróbka T6) stop osiągnął pik twardości 195 HV. Po starzeniu w tej samej temperaturze, ale tylko przez pół godziny, pik twardości wyniósł 150 HV, ale po dłuższym czasie wytrzymania stopu w temperaturze pokojowej, jego twardość wzrosła do podobnej wartości. Natomiast długotrwałe, ok. 10000 h przetrzymywanie stopu (po obróbce T6) w temperaturze 65°C spowodowało wzrost twardości do 225 HV. Obserwacje te spowodowały, że niektóre stopy, szczególnie serii 7xxx, poddaje się dwustopniowemu starzeniu.
Zastosowanie takiej obróbki pozwala na zoptymalizowanie wielu właściwości stopów.
Strona 17 z 134
Technologia wytwarzania i obróbka cieplna wpływa nie tylko na właściwości wytrzymałościowe, ale również na odporność na korozję walcowanych wyrobów ze stopów Al-Zn- Mg, a szczególnie wpływ mają następujące czynniki technologiczne [6]:
• Wyżarzanie wlewków;
• Szybkość chłodzenia po przesyceniu blach;
• Czas starzenia naturalnego;
• Rodzaj i temperatura starzenia po przesyceniu.
Jednocześnie w pracy [6] wykazano, że wyżarzanie wlewków podwyższa właściwości wytrzymałościowe przy niezmienionych właściwościach plastycznych i nie wpływa na zmianę wielkości ziarna. Ponadto istotne znaczenie dla właściwości mechanicznych ma temperatura i czas wyżarzania. Szybkość chłodzenia wlewków po ich wyżarzaniu nie ma wpływu na stabilność struktury i właściwości mechaniczne. Wzrost temperatury przesycenia powoduje wzrost ilości składników rozpuszczonych w roztworze oraz ilości wakansów powstających przy szybkim chłodzeniu. Zmiana temperatury przesycenia od 360 ÷ 400°C do 520 ÷ 560°C w niewielkim stopniu wpływa na właściwości stopów układu Al-Zn-Mg [6]. W tabeli 3.2 przedstawiono wpływ rodzaju obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne wybranych dwóch stopów układu Al-Zn-Mg.
Tab. 3.2. Sposoby obróbki cieplnej i właściwości mechaniczne stopów AlZn5Mg1 i AlZn5Mg3 [6]
Lp. Stop Parametry obróbki cieplnej
Czas po obróbce cieplnej
Właściwości mechaniczne Rm
[MPa]
R0,2 [MPa]
HV10
1 AlZn5Mg1 Przesycenie w temperaturze 450°C w czasie 45 min.; chłodzenie w powietrzu i naturalne starzenie – stan umocniony wydzieleniowo
30 dni 1 rok
300 373
225 250
94 115 2 Przesycenie podczas walcowania lub wyciskania na gorąco przy
temperaturze początkowej 480°C i naturalne starzenie – stan naturalnie starzony
3 lata 390 240 120
3 Przesycenie w temperaturze 430°C w czasie 45 min.; chłodzenie w powietrzu i sztuczne starzenie: 90°C – 8h i 145°C – 16h – stan sztucznie umocniony wydzieleniowo
30 dni 1 rok
354 355
289 292
122 124 4 Przesycenie w temperaturze 430°C w czasie 45 min.; chłodzenie w
wodzie o temperaturze 70°C i sztuczne starzenie: 90°C – 8h i 145°C – 16h – stan sztucznie umocniony wydzieleniowo
1 rok 375 320 126
5 Przesycenie w temperaturze 430°C w czasie 45 min.; oziębienie w zimnej wodzie o temperaturze +20°C i sztuczne starzenie: 90°C – 8h i 145°C – 16h – stan sztucznie umocniony wydzieleniowo
1 rok 382 340 128
6 Przesycenie w temperaturze 430°C w czasie 45 min.; oziębienie w zimnej wodzie i sztuczne starzenie: 120°C – 96h – stan sztucznie umocniony wydzieleniowo
6 m-cy 385 345 -
7 AlZn5Mg3 Przesycenie w temperaturze 430°C w czasie 1,5h, chłodzenie z
„przystankiem” w wodzie o temperaturze 70°C w czasie 10 min.
oraz następne oziębienie w wodzie o temperaturze 20°C i sztuczne starzenie: 95°C – 15h i 150°C – 10h
3 m-ce 485 430 150
8 Takie same warunki, jak dla tb`, z tym że chłodzenie z przystankiem w soli o temperaturze 250°C w czasie 1 min.
3 m-ce 420 350 130
Strona 18 z 134
Według danych przedstawionych w tabeli 3.2 wynika, że ze wzrostem intensywności chłodzenia po przesyceniu wzrastają parametry Rm i R0,2 stopów. Większość autorów twierdzi, że ze wzrostem szybkości chłodzenia po przesyceniu zwiększają się właściwości wytrzymałościowe. Wykazano również, że dla stopu 7075-T6 największe zmiany właściwości mechanicznych zachodzą przy szybkościach chłodzenia od 5-100°C/s. Przy dalszym wzroście szybkości chłodzenia właściwości mechaniczne zmieniają się nieznacznie. Największe zwiększenie właściwości wytrzymałościowych stopu AlZn5Mg1 uzyskano przy chłodzeniu z temperatury przesycenia w zimnej wodzie. Dodatek Cr zwiększa czułość stopu AlZn5Mg1 na szybkość chłodzenia [6].
3.4. Zastosowanie stopów aluminium serii 7XXX w przemyśle w porównaniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi
Stopy aluminium znajdują bardzo wiele różnych zastosowań. Stopy różnych serii są obecnie stosowane jako materiały w różnych konstrukcjach w zależności od wymagań wytrzymałościowych i przeciwkorozyjnych. Największe zapotrzebowanie na stopy aluminium istnieje, m.in. w okrętownictwie, kolejnictwie, lotnictwie, motoryzacji itp. Przykładowo w przemyśle stoczniowym na konstrukcje statków morskich wybierane są najczęściej stopy serii 5xxx ze względu na odporność korozyjną oraz 7xxx ze względów wytrzymałościowych. Jednak największą zaletą stopów aluminium jest możliwość zmniejszenia masy jednostki pływającej w porównaniu do stali. W motoryzacji również podejmuje się próby zastosowania tych materiałów na konstrukcje nośne samochodów osobowych, np. AUDI A2 produkowane były w całości ze stopu aluminium. Obecnie można także zauważyć zastosowania stopów aluminium na niektóre części maszyn, np. koła zębate ze stopu 7075 T6 anodowo utleniane. Oczekiwania wobec wytrzymałości elementów ze stopów aluminium oraz ich odpowiednia obróbka powierzchniowa wymagają jednak ciągłego kontynuowania badań mechanicznych i tribologicznych, m.in. w celu określenia przydatności wybranych materiałów i dostosowania ich do konkretnych warunków eksploatacji. Potrzeba przeprowadzania dalszych badań jest spowodowana również tym, że wiele stopów aluminium nie nadaje się do zastosowań na części maszyn, np. powierzchnia stopu 2024T3, poddana niewielkiej sile nacisku przeciwpróbki (5 N) w badaniach ball-on-flat, bardzo szybko ulega zużyciu [68]. Do niedawna wiele obszarów w budowie maszyn było zarezerwowanych wyłącznie dla stali, np. na koła zębate łańcuchowe do tej pory stosowano głównie stal węglową stopową lub do nawęglania, w stanie ulepszonym i utwardzonym [55]. Obecnie producenci na ruchome części maszyn podlegające różnym obciążeniom zaczęli stosować materiały, których do niedawna nie brano pod uwagę. Przykładowo stop 7075 w stanie T6 po utlenianiu anodowym stosuje się w całości lub częściowo na koła zębate o przeznaczeniu do napędów motocykli. Przykład kół firm SUNSTAR i ZF Sprockets przedstawiono na rysunku 3.3.
Okazuje się, że po zastosowaniu odpowiedniej obróbki powierzchniowej, aluminiowe koła zębate posiadają wystarczającą odporność, m.in. na zużycie ścierne w wybranych zastosowaniach.
a) b)
Rys. 3.3. Koła zębate wykonane w całości (a) i częściowo (b) ze stopu aluminium 7075 [64, 65]
Strona 19 z 134
W różnym zakresie stopy aluminium znajdują zastosowanie również w przemyśle kolejowym, ponieważ w zdecydowanej większości pojazdy szynowe produkowane są z materiałów stalowych.
Jednak znaleźć można przykłady konstrukcji pojazdów szynowych, które zostały wyprodukowane ze stopów aluminium. Pomimo dominacji konstrukcji wykonywanych ze stali wielokrotnie podejmowano i podejmuje się próby szerszego zastosowania chociażby stopów aluminium, dzięki czemu uzyskuje się szereg korzyści. Z upływem czasu stworzono konstrukcję, której nie tylko okucia, ramy okienne, listwy pokrywające i dekoracyjne, ale całe pudło, podwozie oraz nadwozie sporządzono ze stopu aluminium. Pierwsze takie pojazdy szynowe weszły do użytku już po 1920 roku.
Dzięki temu uzyskano przede wszystkim niewielką wagę przy dość dużej wytrzymałości – co z kolei daje zmniejszenie nacisku na oś, a także oszczędności energii trakcyjnej. Korzyści można rozpatrywać na kilka różnych sposobów, tzn.:
• możliwość zwiększenia ciężaru użytkowego,
• zwiększenie przyspieszenia i wzrost szybkości jazdy przy pozostawieniu bez zmian energii trakcyjnej,
• zwiększenie przepustowości na torach o słabszej nawierzchni.
Jednak przy uzyskaniu znacznie mniejszego ciężaru, najbardziej zwraca się uwagę na wpływ na inne elementy konstrukcyjne wagonów narażonych na obciążenia, jak np. obudowa łożysk, dźwignie hamulcowe, sprzęgi, zderzaki, itp. Dzięki tym zabiegom niektóre elementy zużywają się w znacznie mniejszym stopniu aniżeli przy zastosowaniu standardowych konstrukcji stalowych. Z drugiej strony do tej pory napotykano na przeszkody uniemożliwiające powszechniejsze wykorzystanie stopów aluminium w przemyśle kolejowym. Największymi trudnościami są: cena, remonty i naprawy, a także technologia. Wiele krajów na Świecie próbowało wdrożyć stopy aluminium w szerszej produkcji, np. Francja, Niemcy, Anglia, Belgia, Austria, Szwajcaria, Włochy, Węgry, USA albo Kanada. Świadczy to o dużym zainteresowaniu lekkimi metalami, których zalety podczas eksploatacji są ekonomicznie niepodważalne. Najpopularniejszymi stopami do zastosowań w konstrukcjach kolejowych są przede wszystkim stopy spawalne oraz samoulepszalne gatunku Al–Mg lub Al–Zn–Mg. Do łączenia części stosuje się dostępne metody spawalne, chociaż dawniej wykorzystywano nitowanie. Ponadto za pomocą klejenia również można łączyć niektóre elementy – głównie te mniej obciążone. Zwłaszcza na Węgrzech wprowadzono niegdyś stopy AlMg4,5, przyjmując jednocześnie wymagania wytrzymałościowe dla obciążeń dynamicznych oraz zmiennych.
Stosowano również materiał układu Al–Zn–Mg, który spełnia nie tylko warunki wytrzymałościowe, ale jest jednocześnie znacznie lepszy pod względem odporności na korozję. Warto wspomnieć, że wymienione stopy aluminium szeroko wykorzystuje się też w okrętownictwie. Dalsze zmniejszenie ciężaru umożliwia zastosowanie konstrukcji, tzw. mieszanych. Odpowiednio można uzyskać kilka ewentualnych konfiguracji konstrukcji:
• podwozie i szkielet pudła wykonuje się całkowicie ze stali, a zewnętrzne pokrycie z aluminium,
• podwozie ze stali, a nadwozie z aluminium,
• podwozie i pudło o budowie mieszanej,
• podwozie o budowie mieszanej, a pudło z aluminium [89].
Można zauważyć, że niekoniecznie trzeba się ograniczać do jednego rodzaju i typu materiału, ale istnieje możliwość dość swobodnego połączenia wielu gatunków, dzięki czemu uzyskuje się wymaganą konfigurację w zależności, np. od przeznaczenia danego pojazdu szynowego.
Strona 20 z 134
Przykładową konstrukcję wagonu kolejowego wykonanego w całości ze stopów aluminium przedstawiono w przekroju poprzecznym na rysunku 3.4. Konstrukcja przedstawia się następująco:
ściana podłużna stanowi wysoką belkę, której górny pas jest częścią dachu, dolny pas podłużną belką podwozia i częścią blachy podłogowej, jej środnikiem jest blacha pokrywająca ściany boczne usztywnione słupkami [89, 100]. Jednak jest to konstrukcja raczej niespotykana na krajowych torach.
Rys. 3.4. Przykładowa konstrukcja aluminiowa pudła oraz podwozia wagonu kolejowego TEE, Schmucker [89]
Innym obszarem jest przemysł stoczniowy, w którym podobnie jak w kolejowym, często do budowy kadłubów statków stosuje się różne stopy aluminium – zarówno serii 7xxx ze względów wytrzymałościowych, jak i 5xxx ze względu na odporność na korozję i które posiadają dopuszczenie Polskiego Rejestru Statków w zastosowaniu na konstrukcje morskie [71]. Jednak okazuje się, że wobec konstrukcyjnych stopów aluminium, przenoszących duże obciążenia można stosować również nowoczesne i innowacyjne metody spajania, które mają kluczowe znaczenie zwłaszcza w przemyśle okrętowym, ponieważ charakteryzują się dużo lepszymi właściwościami mechanicznymi, niż typowe złącza spawane, np. metodą MIG. Przykład zastosowania metody zgrzewania tarciowego wobec stopu AW-7075 przedstawiono na rysunku 3.5.
a) b)
Rys. 3.5. Łączenie płyt ze stopów 7075 metodą FSW za pomocą urządzenia ESAB SuperStir [7]
Strona 21 z 134
Rosnące zapotrzebowanie na stopy aluminium związane jest z ich właściwościami – szczególnie mały ciężar właściwy i odporność na korozję w porównaniu ze stalą. Spośród wszystkich stopów aluminium AW 7075 (AlZn5.5MgCu) charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi. Ponadto można go również modyfikować zarówno strukturalnie, jak i powierzchniowo przez obróbkę cieplną oraz osadzanie odpowiednich powłok. Poza tym wiele badań jest prowadzonych także w zakresie jego spawalności oraz innych metod spajania, co dodatkowo poszerza możliwości jego stosowania [73, 74].
Na podstawie kilku wymienionych przykładów, można zatem podsumować, że stopy aluminium układu Al-Zn-Mg znajdują zastosowanie w bardzo wielu obszarach, tzn. zarówno na ruchome części maszyn, podlegającym obciążeniom mechanicznym (tj. koła zębate), w przemyśle kolejowym do budowy pojazdów szynowych, w przemyśle okrętowym do budowy jednostek pływających, w motoryzacji, a także w innych gałęziach przemysłu, które nie zostały wymienione w niniejszym podrozdziale. Należy przez to powiedzieć, że można się oprzeć na dalszym rozwoju konstrukcji aluminiowych oraz badaniach różnych technologii ukierunkowanych na poszerzanie zastosowań stopów aluminium w budowie maszyn w celu podejmowania prób rozwiązań współcześnie spotykanych problemów w eksploatacji.
Strona 22 z 134
4. ZASTOSOWANIE POWŁOK PRZECIWZUŻYCIOWYCH WYTWARZANYCH METODĄ REDUKCJI CHEMICZNEJ
4.1. Wprowadzenie
Obecnie szerokie zastosowanie w technice znajdują specjalistyczne pokrycia galwaniczne, poprzez które uzyskuje się wymagane właściwości powierzchni powlekanych materiałów, np.:
twardość powierzchni, zwiększoną odporność na ścieranie, przewodność elektryczną, a także zabezpieczenie powierzchni przed korozją lub dekoracyjny wygląd zewnętrzny.
Konstruowanie, wytwarzanie, badanie i stosowanie warstw powierzchniowych, a więc – zgodnie z obowiązującymi Polskimi Normami – warstw wierzchnich, powłok o innych, lepszych niż rdzeń (dla warstw wierzchnich) lub podłoże (dla powłok) właściwościach, głównie: antyściernych, antyzmęczeniowych, antykorozyjnych i dekoracyjnych zaliczają się do inżynierii powierzchni (areologii). Inżynieria powierzchni zajmuje się również badaniem warstw powierzchniowych (warstw wierzchnich i powłok) pod względem ich właściwości technologicznych (potencjalnych) i użytkowych (eksploatacyjnych), a także ich zastosowaniem w praktyce.
System areologiczny (powierzchniowy) stanowi warstwową kompozycję różnych materiałów lub tych samych chemicznie materiałów, lecz o różnych właściwościach fizycznych, uzyskiwany jest w ramach procesu technologicznego wytwarzania, służy do uzyskania żądanych właściwości powierzchniowych kompozycji materiałów, przy czym właściwości systemu zmieniają się w trakcie eksploatacji. System areologiczny tworzony jest w wyniku współdziałania kompozycji materiałów i technologii. Może być wiele różnych technologii (duplex, triplex, multiplex), choć merytorycznie będą miały różne treści. Najmniejsza liczba technologii to dwie technologie, największa nawet kilkaset, ale praktyczne znaczenie mają systemy komponowane z kilku technologii [3]. Na rysunku 4.1 podano najważniejsze wymagania wobec elementów systemów aerologicznych oraz ich połączeniom.
Natomiast na rysunku 4.2 przedstawiono rozwinięty model systemu areologicznego.
Rys. 4.1. Wymagania stawiane elementom systemu areologicznego i ich połączeniom [2]
Uwzględniając odpowiednie wymagania możliwa jest budowa różnych modeli systemów aerologicznych przedstawiających kompozycje warstw powierzchniowych powstałych w wyniku technologii wytwarzania różnych warstw wierzchnich na różnych rdzeniach i różnych powłok – na różnych podłożach. Różne kompozycje wytwarzania warstw wierzchnich na tym samym lub różnych
Strona 23 z 134
rodzajach podłoży mają sens techniczny, podobnie jak na tym samym lub różnym podłożu – wytwarzanie różnych kompozycji powłok. Natomiast nie ma sensu technicznego wytwarzanie tylko samych powłok: powłoki muszą być zawsze nanoszone na warstwę wierzchnią rdzenia [2].
Rys. 4.2. Model rozwinięty systemu areologicznego – system multiplex: a – duplex, b – triplex, c – quadruplex, d – quintuplex, e – sixtuplex, f – nanolex, (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 – kolejność technologii) [2]
Podłożem jest przedmiot powlekany (rdzeń materiału oraz jego warstwa wierzchnia), na którym osadzana jest powłoka.
Ogólnie można wyróżnić dwa rodzaje warstw powierzchniowych:
a) warstwę wierzchnią, b) powłokę.
W szczegółowym wariancie, w warstwie wierzchniej można wyróżnić następujące elementy:
1. Przypowierzchniową warstwę wierzchnią – jest częścią warstwy wierzchniej przylegającą bezpośrednio do powierzchni rzeczywistej (do warstwy atomów powierzchniowych). Jest ona zbudowana z zaadsorbowanych lub związanych chemicznie z podłożem jonów pochodzących z otaczającego część maszynową lub narzędzie środowiska).
2. Warstwę atomów powierzchniowych – powierzchnia fizyczna.
3. Strefę bezpostaciową – jest strefą materiału podłoża składającego się z ziaren pierwotnych, które uległy odkształceniom (zazwyczaj spłaszczeniu i wydłużeniu), oraz ziaren wtórnych (rozdrobnionych ziaren pierwotnych), powstałych na skutek działania sił towarzyszących, np.
szlifowaniu materiału. Ocenia się, że grubość tej warstwy wynosi od 0,1 do 1 µm.
4. Strefę efektów cieplnych – stanowi część warstwy wierzchniej, w której na skutek oddziaływań cieplnych występują istotne zmiany w materiale. Oddziaływania cieplne mogą prowadzić, np. do przemian fazowych lub zmian rozmiarów ziaren.
5. Strefę ukierunkowaną – jest częścią strefy zgniotu o wyraźnym ukierunkowaniu ziaren.
6. Strefę zgniotu – jest strefą odkształcenia plastycznego charakteryzującą się wyraźną włóknistością, a niekiedy steksturowaniem powstałym w wyniku jednokierunkowego działania sił odkształcających plastycznie materiał.
