ZESZY TY N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: T R A N SPO R T z. 44
2002 N r kol. 1562
Piotr AD AM IEC, Jerzy D ZIU B IŃ SK I, H enryk BĄ K O W SK I
ODPORNOŚĆ ŻELIW CHROMOWYCH NA ZUŻYCIE W UKŁADZIE METAL - METAL
S treszczenie. W ram ach pracy przeprow adzono badania zużycia napoin o strukturze żeliw chrom ow ych w układzie m etal-m etal na stanow isku Tim kena. Stw ierdzono korzystny efekt obecności w ęglików pierw otnych typu M7C3, która zw iększała odporność na zużycie.
RESISTAN CE OF C H RO M IU M CAST IRON ON W EA R IN M ETA L - M ETAL SYSTEM
S u m m a ry . Investigations o f the w ear resistance o f padding w elds o f chrom ium cast iron structure in the m etal-m etal system on the Tim ken stand have been carried out. The advantageous effect o f the presence o f prim ary carbidies M7C3 type on the w ear resistance has been found.
1. W PRO W A D ZEN IE
Żeliw a chrom ow e są często w ykorzystyw ane do budow y elem entów pracujących w warunkach zużycia typu m etal-m inerał-m etal, np. do budow y elem entów m aszyn pracujących w ziem i, płyt kruszarek lub m łynów . Struktura i w łasności tych żeliw zależą głów nie od zaw artości w ęgla i chrom u oraz od struktury charakteryzującej osnow ę w ydzielenia węglików.
W przem yśle bardzo często do w ytw arzania elem entów pracujących w w arunkach dużego zużycia ściernego stosuje się napaw anie w arstw w ierzchnich, w tym rów nież w arstw o składzie żeliw chrom ow ych [1], N apoiny także, oprócz dużej odporności na ścieranie, cechują się du żą odpornością na oddziaływ anie w ysokich tem peratur oraz w ykazują odporność na korozję chem iczną w obecności w ielu m ediów chem icznych. W ym ienione w łaściw ości napoin m o g ą m ieć rów nież istotne znaczenie w eksploatacji elem entów pracujących w układzie m etal-m etal.
W pracy badano odporność żeliw chrom ow ych n a zużycie w takim układzie w obecności środka sm arnego na stanow isku Tim kena um ożliw iającym badania typu rolka- klocek.
6 P. A dam iec, J. D ziubiński, H. Bąkowski
2. M A TERIAŁY STO SO W A N E DO BA DA N
Do badań w ykorzystano płyty próbne napaw ane drutam i proszkow ym i w Instytucie Spaw alnictw a (tablica 1).
T ablica 1 Z estaw ienie napoin w ykorzystyw anych do badań O znaczenie
próbki
Skład chem iczny (%) Tw ardość [HV]
C Cr M n Si
W 18 5,05 28,65 0,72 0,34 620
W 19 5,14 23,52 0 , 8 6 0,38 640
W 20 5,20 16,26 0,98 0,56 700
W21 3,67 31,25 0,70 1,42 580
W 22 3,73 23,72 0,80 1,50 640
W 23 3,66 16,67 1 , 0 0 1,38 540
W 28 2,05 29,04 0 , 8 8 0,43 400
W 29 1,99 21,63 0 , 8 8 0,31 500
W 30 1,98 14,99 0,87 0,27 560
W31 3,50 22,50 0,50 1,25 670
Z napaw anych płyt próbnych w ykonano próbki do badań zużycia. W ym iary próbek przedstaw iono na rys. 1.
N apoina żeliw a chrom owego
Rys. 1. Próbka do badania zużycia kontaktow ego Fig. 1. Specim en to contact w ear testing
3. U R ZĄ D ZEN IA D O B A D A Ń
B adania zużycia kontaktow ego przeprow adzono na stanow isku T im kena (rys. 2) w układzie rolka-klocek przy obciążeniu P = l,5 kg w obecności środka sm arnego.
Do sm arow ania w ykorzystano olej H ipol 15. Jako przeciw próbkę zastosowano pierścień ze stali ŁH 15 o tw ardości 62 H RC i chropow atości R a = 0,63 oraz R z = 3,2.
O dporność żeliw chrom ow ych . 7
p rzeciw p ró b k a
Rys. 2. Stanow isko T im kena do badań zużycia w układzie rolka - klocek Fig. 2. T im ken stand to w ear testing in roll - block system
Przeprow adzono rów nież badania zużycia w układzie rolka-klocek z dodatkow ym w ym uszonym ruchem posuw isto-zw rotnym o am plitudzie 6 m m , którego schem at przedstaw iono na rys. 3.
przeciw p ró b k a
Rys. 3. Stanow isko do badań zużycia w układzie rolka - klocek z w ym uszonym ruchem posuw isto-zw rotnym
Fig. 3. T im ken stand w ear testing in roll - block system w ith forced reciprocating m ovem ent
W badaniach stosow ano nacisk N = 153 MPa.
8 P. A dam iec, J. D ziubiński, H. Bąkowski 4. M ETO D Y K A I W Y N IK I BA DAŃ
Przeprow adzono badania m etalograficzne napoin w ykorzystując obserw acje na m ikroskopie św ietlnym N oephot 32, przy pow iększeniu 200x oraz n a m ikroskopie skaningow ym H itachi S-4200 przy pow iększeniu 200 7000x, charakterystyczne struktury przedstaw iono na rys. 4-^7.
Odporność żeliw c h ro m o w y c h . 9
5. W Y N IK I B A D A Ń
W yniki badań zużycia n a stanow isku Tim kena zestaw iono w tablicy 2.
T ablica 2 W yniki badań zużycia napoin na stanow isku Tim kena
Lp. Symbol próbki
Liczba cykli
Pole pow ierzchni
śladu zużycia Ps rm2i • io-6
Zużycie w agow e Zg 2
[g] • 1 0 - 2
W skaźnik odporności na zużycie
Rv n /R i • i o2
1. W18
2 0 0 0 0 0 8,33 0,0057 175,43
150 000 7,37 0,0043 232,55
1 0 0 0 0 0 6 , 1 1 0,0029 344,82
50 000 4,49 0,0016 625,00
2. W19
2 0 0 0 0 0 7,34 0,0065 153,84
150 000 5,31 0,0054 185,18
1 0 0 0 0 0 3,86 0,0046 217,39
50 000 2,57 0,0038 263,15
3. W20
2 0 00 0 0 8,51 0,0075 133,33
150 000 7,72 0,0062 161,29
1 0 0 0 0 0 5,94 0,0051 196,07
50 000 5,12 0,0039 256,41
4. W21
2 0 0 0 0 0 7,01 0,0063 158,73
150 000 5,61 0,0043 232,55
1 0 0 0 0 0 4,84 0 , 0 0 2 2 454,54
50 000 3,98 0,0017 588,23
5. W22
2 0 0 0 0 0 5,81 0,0041 243,90
150 000 4,77 0,0025 400,00
1 0 00 0 0 3,45 0 , 0 0 1 1 909,09
50 000 2,53 0,0005 2 0 0 0 , 0 0
6. W23
2 0 0 0 0 0 7,26 0,0056 178,57
150 000 6,63 0,0037 270,27
1 0 00 0 0 5,62 0 , 0 0 2 0 500,00
50 000 4,52 0,0016 625,00
7. W28
2 0 0 0 0 0 11,50 0,0104 96,15
150 000 10,48 0,0057 175,43
1 0 00 0 0 8,80 0,0041 243,90
50 000 4,51 0,0019 526,31
8. W29
2 0 0 0 0 0 10,16 0,0071 140,84
150 000 8,52 0,0047 212,76
1 0 0 0 0 0 6,36 0 , 0 0 2 1 476,19
50 000 3,89 0,0005 2 0 0 0 , 0 0
9. W30
2 0 0 0 0 0 1 1 , 1 2 0,0086 116,27
150 000 9,73 0,0063 158,73
1 0 0 0 0 0 7,69 0,0028 357,14
50 000 4,00 0,0014 714,28
1 0. W31
2 0 0 0 0 0 4,72 0,0014 714,28
150 000 4,32 0 , 0 0 1 1 909,09
1 0 0 0 0 0 3,13 0 , 0 0 1 0 1 0 0 0 , 0 0
50 000 2,05 0,0003 3333,33
10 P. A dam iec, J. D ziubiński, H. Bąkowski W tablicy 2 zestaw iono w yniki zużycia w agow ego Zg w yrażonego w gram ach oraz w skaźnik odporności na zużycie Rv, stanow iący odw rotność zużycia w agow ego.
W yniki zużycia M - M z dodatkow ym ruchem posuw isto-zw rotnym w form ie ilości zliczonych w yrw n a pow ierzchni próbki zestaw iono w tablicy 3.
Tablica 3 W yniki badań zużycia napoin na stanow isku Tim kena z w ym uszonym ruchem
posuw isto-zw rotnym
Symbol próbki Liczba cykli Zużycie w agow e Ilość wyrw
W31
2 0 0 0 0 0 0,0014 146
150 000 0 , 0 0 1 1 85
1 0 0 0 0 0 0 , 0 0 1 0 38
50 000 0,0003 8
6. A NALIZA W Y N IK Ó W BA D A Ń
Przeprow adzono badania napoin o strukturze żeliw chrom ow ych zaw ierających od 1,98 do 5,20% C oraz od 14,99 do 31,25% Cr. Stw ierdzono obecność w napoinach zróżnicow anych struktur ledeburytycznych, od struktur podeutektycznych i eutektycznych w obszarze pierw szej w arstw y napoiny do struktur nadeutektycznych zaw ierających duże węgliki pierw otne typu M7C3 w warstw ach ostatnich (rys. 4^7).
B adania zużycia w układzie m etal-m etal na stanow isku T im kena w skazują na w ystępow anie zużycia ściem o-adhezyjnego dla w szystkich badanych w ypadków , przy czym obserw owano n a pow ierzchniach zużycia próbek rysy oraz w yrw y adhezyjne.
W niektórych przypadkach w ystępow ały na pow ierzchni efekty odkształcenia w postaci płatkow ych produktów zużycia w skazujące obecność zjaw iska delam inacji, typowego dla zużycia żeliw sferoidalnych, o czym w spom ina się w pracy [2].
W yniki zużycia w agow ego próbek w skazują na je g o proporcjonalny w zrost w raz ze wzrostem ilości cykli (rys. 8).
Liczba cykli
m - W 2 1 ---♦ ---W22 - - -A - - W23 Ł W26 • W29 --- ■ W30 ■ — W 3 1 ---— --- W18 ■ W20 — -W 19 |
Rys. 8. Zużycie w agow e badanych napoin Fig. 8. W eight w ear o f tested padding w elds
O dporność żeliw c h ro m o w y c h . 11
O w ielkości zużycia decyduje głów nie struktura napoin, tzn. duże ich zużycie obserwuje się dla napoin o strukturze żeliw a podeutektycznego (np. W 28), natom iast napoiny o strukturze nadeutektycznej, w której obserw ow ano w ydzielenia dużych w ęglików typu M7C3 cechują się m a łą intensyw nością zużycia i w yraźnie w iększą odpornością n a zużycie w układzie m etal-m etal (np. W 31).
A naliza w yników tw ardości napoin na ich zużycie w skazuje na istotny jej w pływ dopiero p rzy w artości pow yżej 580 H V , przy czym dla tak w ysokich tw ardości obserw uje się bardzo du żą odporność napoin na zużycie, która z kolei gw ałtow nie m aleje od wartości ok.
670 HV.
Twardość HV
Rys. 9. W ykres zależności odporności na zużycie próbek z żeliw a chrom ow ego od ich tw ardości przy naciskach N=153 M P a i tarciu w oleju
Fig. 9. Chrom ium cast iron w ear resistance versus hardness. Pressure N=153 M Pa, friction in oil
Pew nym w ytłum aczeniem tego zjaw iska m oże być efekt struktury kom pozytow ej napoiny, tzn. w osnow ie ledeburytu w ystępują bardzo tw arde w ęgliki typu M7C3, które wyraźnie ograniczają zużycie napoin.
D la żeliw chrom ow ych o większej tw ardości dochodzącej do 700 HV, zaw ierających od 5,05% do 5,20% w ęgla i 16,26% do 28,65% chrom u, proces napaw ania prow adzi do pow stania pęknięć. W tej sytuacji obniżona odporność n a zużycie m oże być w ynikiem w ystępow ania nieciągłości struktury w postaci rys i pęknięć.
Podobny efekt korzystnej obecności w ęglików pierw otnych m ożna zaobserw ow ać przy analizie trw ałości próbek napoin o strukturze żeliw chrom ow ych. Zastosow ane kryterium zużycia granicznego, rów nego Z gr= 0,005 ■ 10‘2 g, um ożliw ia porów nanie trwałości dla poszczególnych próbek (rys. 1 0).
12 P. A dam iec, J. D ziubiński, H. Bąkowski
700000 ---
--- - - - ■
600000 ---
500000 ---
|
400000 ---
300000 ---
=
-1
200000 ---
100000 --- 1
0 —
11 1 ■ n 1 1 1 1 1
W18 W19 W20 W21 W22 W23 W28 W29 W30 W31
Rys. 10. W ykres trw ałości badanych napoin Fig. 10. D urability o f tested padding w elds
W przypadku analizy w yników zużycia próbek na stanow isku Tim kena przy dodatkow ym w ym uszeniu ruchu posuw isto-zw rotnego obserw uje się w zrost ilości w yrw na pow ierzchni zużycia (rys. 1 1).
R ośnie rów nież ilość płatkow ych produktów zużycia na pow ierzchni próbki (rys. 12), których obecność w skazuje na w iększy udział delam inacji w procesie zużycia, co zw iązane je st z dużym odkształceniem i zjaw iskam i zm ęczenia kontaktow ego w obszarze styku badanych próbek.
D rog a p rze b yta prze z p rz e c iw p ró b k ę [m ]
Rys. 11. W ykres zależności liczby pow stałych w yrw od długości drogi przebytej Fig. 11. N um ber o f craters versus length o f friction w ay
Odporność żeliw c h ro m o w y c h . 13
Rys. 12. P ow ierzchnia zużycia próbki W 29. W idoczne rysy oraz płatkow e produkty zużycia, przebieg 200000 cykli, pow . 200x
Fig. 12. The w ear surface o f specim en W 29
7. W N IO SK I
N a podstaw ie przeprow adzonych badań zużycia napoin o strukturze żeliw a chrom ow ego w w arunkach tarcia m etal-m etal w obecności środka sm arnego stw ierdzono, że:
1. N apaw anie stali St3S drutam i proszkow ym i pozw ala uzyskać napoiny o twardości 400 -i- 700 H V i złożonych strukturach ledeburytycznych począw szy od struktury zbliżonej do eutektycznej w obszarze w arstw y pierw szej napoiny do struktury nadeutektycznej zaw ierającej w ęgliki pierw otne typu M7C3 w w arstw ie wierzchniej.
2. Zużycie napoin o składzie żeliw chrom ow ych w układzie m etal-m etal m a form ę zużycia ściem o-adhezyjnego i rośnie w raz ze w zrostem czasu próby.
Zastosow anie w ym uszenia ruchu posuw isto-zw rotnego próbki zw iększa udział zużycia adhezyjnego w postaci delam inacji i w yrw n a badanej pow ierzchni, których liczba rośnie w raz ze w zrostem czasu próby.
3. K orzystny w pływ tw ardości napoin na ich odporność na zużycie i trw ałość obserw uje się dla w artości pow yżej 580 HV. W ynika on z obecności w ęglików pierw otnych typu M7C3 w strukturze napoin.
4. B adania w ykazały, że najw yższą odpornością na zużycie w układzie m etal-m etal cechuje się napoina oznaczona sym bolem W31 o strukturze nadeutektycznej, natom iast n ajniższą odporność na zużycie w ykazyw ała napoina W 28 o strukturze podeutektycznej oraz napoina W20.
L ite r a tu r a
1. A dam iec P., D ziubiński J.: P roblem y przy napaw aniu i eksploatacji regenerow anych elem entów m aszyn transportow ych. W ydaw nictw o PA N Szum acher, K ielce 1997.
2. Stanik Z.: A naliza przyczyn nadm iernego zużycia krzyw ek w ałków rozrządu.
Politechnika Śląska. P raca doktorska, K atow ice 2001.
Recenzent: D r hab. inż. Edm und Tasak, prof. AGH
14 P. A dam iec, J. D ziubiński, H. Bąkowski
A bstract
The w ear resistance investigations o f padding w elds o f chrom ium cast iron structure in the m etal-m etal system on the Tim ken stand have been carried out. The abrasive-adhesive w ear o f the chrom ium cast iron has been found.
The advantageous effect o f the presence o f prim ary carbidies M7C3 type on the w ear resistance has been found. This advantageous effect has been observed for padding w elds o f hardness above 580 HV.
Praca wykonana w ramach B K -2 4 0 /R M 10-1/2002.
