Badania zużycia żeliwa steroidalnego

ZESZYTY N A UK O W E POLITECH NIK I ŚLĄSKIEJ Seria: TRA N SPO RT z. 39

1999 N r kol. 1438

Piotr AD AM IEC, K azim ierz W ITA SZEK Mirosław W ITASZEK , Zbigniew STANIK

BADANIA ZUŻYCIA ŻELIWA SFEROIDALNEGO

Streszczenie. W artykule przedstaw iono wyniki badań zużycia żeliw a sferoidalnego oraz zaproponowano ich m atem atyczny opis za pom ocą m odelu zużycia. Badania te uzupełniono badaniami m etalograficznym i, których wyniki um ożliw iły wyciągnięcie wniosków dotyczących m echanizm ów zużycia występujących przy w spółpracy żeliw a ze stalow ą pow ierzchnią ja k następuje to w przypadku pary ciernej koło kolejow e - klocek ham ulcowy.

WEAR TESTS OF SPHEROIDAL GRAPHITE IRON

Sum mary. This paper presents results o f wear tests o f spheroidal graphite iron and model providing m athem atical description o f the results. M etallographic researches o f the worn surfaces have been also carried out. Conclusions about w ear m echanism s in tribological pair steel-iron, like rail w heel - brake shoe, have been presented.

1. W PRO W AD ZEN IE

Koła kolejowe są częstokroć elem entem dw óch par ciernych jednocześnie: koło - szyna i koło - klocek ham ulcow y. W przypadku współpracy stalow ych elem entów pary ciernej koło - szyna zidentyfikow ano trzy podstaw ow e formy zużycia [1-3], w których wiodącym m echanizm em je st odpow iednio utlenianie, adhezja i zm ęczenie powierzchniowe. W niniejszej pracy podjęto badania m echanizm ów zużycia w ystępujących w przypadku współpracy elem entów żeliwnych ze stalowymi.

Żeliwne elem enty w parach ciernych są często spotykane. W ystępują one np. w przypadku kolejow ych ham ulców klockowych czy w układzie rozrządu silników spalinowych (para krzywka - popychacz).

Badaniom poddano żeliwo sferoidalne, charakteryzujące się w ysoką odpornością na zużycie.

2. BADANIA ZU ŻY CIA ŻELIW A SFEROIDALNEGO

Do badania odporności na zużycie materiału krzywek wykorzystano zm odyfikowane urządzenie Timkena. Zużycie badano w układzie rolka - klocek przy 100% poślizgu. Jako próbki w ykorzystano w ycięte klocki o wymiarach 10 x 10 x 20 mm, natom iast przeciw próbkę stanowił pierścień zew nętrzny łożyska 30204 o tw ardości 62 HRC. Badania przeprowadzono przy naciskach Hertza: 141,5; 185,2 i 220,5 M Pa w przypadku tarcia na sucho. W ielkość zużycia określano na podstaw ie pom iarów szerokości śladu zużycia, która była podstaw ą do obliczenia objętości zużytego materiału. Pom iarów dokonywano z pom ocą systemu wyposażonego w kam erę CCD oraz odpowiednio wyposażony i oprogram owany kom puter PC. Dokładność pom iarowa system u wynosi 0,01mm.

Badane próbki w ycięto z krzyw ek wałków rozrządu, wykonyw anych z żeliwa sferoidalnego o strukturze zgodnej z norm ą Fiat 52215. Oznacza to, że w strukturze krzywki występował grafit sferoidalny w osnowie m artenzytycznej. Zaw artość austenitu szczątkowego nie przekracza 20%. Skład chem iczny badanego m ateriału przedstaw iono w tabeli 1.

Tabela 1 Skład chem iczny próbek z żeliwa

Składa chem iczny w %

c

3,52 0,4 2,48 0,32 0,012

Przykład w yników badań zużycia przedstawiono na rys. 1.

Liczba obrotćiw

a)

- .0 .0 6

1

^0.04

'5 N 0.02i

+ + + + + + +

b)

Rys. 1. Przykładowe wyniki badań zużycia

a) maksymalny nacisk Hertza 141,5 MPa, b) maksymalny nacisk Hertza 185,2 MPa Fig. 1. An example o f wear tests results

a) maximum Herzian pressure 141,5 MPa, b) maximum Herzian pressure 185,2 MPa

200 400 600 800

Liczba obrotów

3. M ECHA N IZM Y ZU ŻY CIA ELEM ENTÓW ŻELIW NYCH

W celu określenia m echanizm ów zużycia elementów w ykonanych z żeliw a oprócz badań zużycia przeprowadzono badania metalograficzne śladów zużycia na m ikroskopie skaningowym Hitachi. M ikroskop ten um ożliwiał przeprowadzanie analizy składu

Badania zużycia żeliw a sferoidalnego 17

chem icznego poszczególnych obszarów w ystępujących na zdjęciu, m etodą spektrom etrii rentgenow skiej.

W początkowym okresie zużycia obserwowano odkształcenie plastyczne powierzchni próbki połączone z jej utlenianiem się. Na powierzchni tw orzyły się utlenione, płatkowe produkty zużycia (rys. 2).

Rys. 2. Powierzchnia śladu zużycia w początkowym okresie współpracy - widoczne utlenione, płatkowe produkty zużycia

Fig. 2. Worn surface during running-in period - there are oxidized flake-like wear debris on it

Podczas dalszej w spółpracy oprócz oddzielania się płatkow ych produktów zużycia pojawiały się na pow ierzchni obszary pokryte w arstw ą w ęgla (rys. 3). N astępow ał również wzrost zawartości w ęgla w płatkow ych produktach zużycia, przy jednoczesnym spadku zawartości w nich tlenu i żelaza.

Rys. 3. Pojawianie się obszarów pokrytych warstewką o wysokiej zawartości węgla na powierzchni śladu zużycia

Fig. 3. Appearing o f zones with layer including high carbon content on the worn surface

Podczas dalszego zużywania warstwa o wysokiej zawartości węgla (ok. 80% wagowo) pokrywała całą pow ierzchnię śladu. Zawartość żelaza w tej warstwie wynosi ok. 13%.

W spółpraca nierówności powierzchni przeciwpróbki z tą w arstw ą pow odowała powstawanie na niej rys (rysunek 4). Analiza składu chemicznego obszarów rys prowadzi do wniosku, że je st to nieutleniona pow ierzchnia próbki.

Rys. 4. Porysowana warstewka o wysokiej zawartości węgla na powierzchni śladu zużycia, pow. 450x Fig. 4. Scratched layer including high carbon content on the w om surface

N a rys. 4 widoczne są również drobne produkty zużycia pochodzące z warstwy o wysokiej zawartości węgla. Podsumowując, wyciągnięto wniosek, że w początkowym okresie zużywania dom inującym procesem je st utlenianie w arstw y wierzchniej, które podczas dalszej współpracy zanika wskutek tworzenia się na powierzchni warstewki składającej się głównie z grafitu. Zużywanie się tej w arstw y stanowi zasadniczy mechanizm zużycia elementów wykonanych z żeliwa sferoidalnego.

4. M ODELOW Y OPIS ZUŻYCIA KRZYW EK

Do analizy w yników badań zużycia materiału model zużycia opracowany za pom ocą analizy wymiarowej [4-6]:

= f ^{P l}

HB, HBk l0 HB

A - l

gdzie:

Z v - zużycie objętościowe,

A - nom inalna pow ierzchnia współpracy elementów węzła tarcia, / - droga tarcia,

/0 - droga tarcia w czasie jednego obrotu, H - w spółczynnik tarcia,

H Bk - twardość krzywki (próbki),

( 1 )

Badania zużycia żeliw a sferoidalnego 19

HBp - tw ardość popychacza (przeciwpróbki), p - nacisk Hertza.

N acisk H ertza p obliczano w edług w zoru [4]:

p - 0 , 4 1 8 ,/ ——p- [MPa],

r - b (

)

gdzie:

P - siła nacisku [N],

E -średni m oduł Y ounga dla m ateriału krzywki i popychacza, w ynoszący 1,6-105 M Pa [4], r - prom ień krzyw izny [mm],

b- szerokość krzywki [mm].

Poniew aż badania przeprow adzono dla jednej pary m ateriałów przy stałym w spółczynniku tarcia, więc analiza w yników nie pozw ala na uw zględnienie wpływ u stosunku twardości H B /H B k i w spółczynnika tarcia p.

Postaw iono zatem hipotezę istnienia funkcji:

H ipotezę zw eryfikow ano i postać funkcji ustalono przeprowadzając regresję otrzym anych wyników i przeprow adzając test istotności współczynników regresji. D odatkow o oceniano jakość aproksym acji za pom ocą kw adratu współczynnika korelacji. N ajw yższą jego wartość otrzymano dla funkcji w postaci:

W artości w spółczynników regresji wyniosły:

c0 = 8,4 ' 10'7;

c, = 0,575;

c2 = -0,315.

K w adrat w spółczynnika korelacji wynosi 0,80. Oznacza to, że wyniki badań w ykazują 20% rozrzut w stosunku do wartości obliczeniow ych [5].

W ysoka wartość kw adratu współczynnika korelacji świadczy o dobrym opisie badanych zjaw isk przez zbudow any model.

5. W NIOSKI

Przeprowadzone badania i obliczenia pozw alają na wyciągnięcie następujących wniosków:

1. Param etram i eksploatacyjnym i, od których zależy wartość intensyw ności zużycia A ' l żeliw a sferoidalnego są nacisk i przebieg wyrażony drogą tarcia elem entów pary ciernej.

A - i ‘o '

(3)

(4)

2. W badanym zakresie nacisku i liczby obrotów nie w ystępują znaczące skoki intensywności zużycia spow odowane zm ianą mechanizm ów zużycia. Świadczy o tym m ożliwość opisania zależności intensywności zużycia od parametrów eksploatacyjnych za pom ocą jednego równania.

3. W początkowym okresie zużywania dominującym mechanizm em zużycia je st utlenianie się w arstw y wierzchniej połączone z oddzielaniem się od niej płatkow ych produktów zużycia.

4. Zasadniczym m echanizm em zużyw ania się żeliw a sferoidalnego je st ścieranie się warstewki wytworzonej podczas współpracy. W arstewka ta składa się w ok. 80% z węgla i w ok. 13% z żelaza. Zaw iera również ok. 1% tlenu.

Literatura

1. Bolton P. J., Clayton P.: Rolling-sliding wear dam age in rail and tyre steels. W ear, 93 (1984), s. 145-165.

2. Danks D., Clayton P.: Com parision o f the wear process for eutectoid rail steels: Field and laboratory tests. W ear, 120 (1987), s. 233-250.

3. Clayton P.: Predicting the w ear o f rails on curves from laboratory data. W ear 181-183 (1995) s. 11-19.

4. W itaszek M.: M odelow anie zużycia stali na obręcze kół kolejow ych zestawów kołowych na trw ałość w arstw y wierzchniej. W: M iędzynarodowa Konferencja N aukowa

„Transport ‘97” Ostrava - Katowice 29.04 - 06.05.1997, s. 631-637.

5. W itaszek M., Adam iec P.: M odelow anie zużycia w arstwy wierzchniej przy pom ocy analizy wymiarowej. W: Sympozjum N aukowo-Techniczne „Technika laserowa w inżynierii pow ierzchni m ateriałów. W AT Warszawa, 19.11.1997.

6. Adam iec P., W itaszek M., W itaszek K., Stanik Z.: M odelow anie zużycia krzyw ek wału rozrządu. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Transport, nr 30, Gliwice 1998, s. 5-12.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Edm und Tasak

Abstract

Rail wheels are often elements o f two tribological pairs: wheel-rail and wheel-brake shoe.

All elements o f these pairs except brake shoe are made o f steel. Brake shoes are made o f cast iron.

In this work wear tests o f spheroidal graphite iron specimens have been carried out. Results o f these tests have been used to built a m athem atical model o f wear. That m odel describes influence o f service conditions such as: maximum Herzian pressure, friction coefficient and sliding distance on linear wear intensity o f iron elements.

M etallographic researches o f the worn surfaces have been also carried out. Conclusions about wear m echanism s in tribological pair steel-iron, like rail wheel - brake shoe, have been presented.