6-2010 T R I B O L O G I A 177

Jakub WIECZOREK*

MODEL ZUŻYCIA TRIBOLOGICZNEGO ODLEWANYCH KOMPOZYTÓW STOP ALUMINIUM–CZĄSTKI CERAMICZNE PRACUJĄCYCH W WARUNKACH TARCIA TECHNICZNIE SUCHEGO

COMPOSITES MATERIALS REINFORCED CERAMIC PARTICLES WEAR MODEL DURING DRY SLIDING CONDITION

Słowa kluczowe:

kompozyty metalowe, współczynnik tarcia, zużycie

Key words:

metal matrix composite, coefficient of friction, wear

Streszczenie

Kompozyty na osnowie stopów aluminium wzmacniane cząstkami cera-micznymi SiC znajdują zastosowanie w budowie węzłów tarcia wykorzy-stywanych w przemyśle maszynowym, lotniczym oraz samochodowym.

* Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii

jakub.wieczorek@polsl.pl, tel. 326034367.

T R I B O L O G I A 6-2010 178

Rozmieszczenie cząstek zbrojących w osnowie, ich udział objętościowy, kształt oraz wielkość determinują strukturę, a zatem i właściwości mate-riału. W artykule przedstawiono możliwości kształtowania rozmieszcze-nia cząstek w odlewie poprzez zastosowanie odlewania ciśnieniowego. Badaniami objęto kompozyty na osnowie stopu AK12 zbrojonego cząst-kami SiC o wielkości 10 µm, 25 µm, 50 µm oraz ich mieszaniną. Wła-ściwości tribologiczne, w skojarzeniu żeliwo–kompozyt, badano w wa-runkach tarcia technicznie suchego, wykorzystując tester T-01. Na pod-stawie przeprowadzonych badań mikroskopowych i profilografometrycz-nych powierzchni kompozytów AK12–SiC po współpracy opisano zależ-ność pomiędzy wielkością cząstek zbrojących a geometrią warstwy wierzchniej kompozytu. Przeprowadzone badania pozwoliły na opraco-wanie modelu zużycia tribologicznego kompozytu w zależności od wiel-kości cząstek zbrojących.

WPROWADZENIE

Postęp w zakresie technologii wytwarzania i kształtowania materiałów pozwala na projektowanie i wytwarzanie elementów części maszyn o właściwościach ściśle skorelowanych z warunkami pracy. Wiedzę na temat kompozytów i ich reakcji w złożonych systemach eksploatacyj-nych, często skrajnie niekorzystnych, należy rozwijać, starając się moż-liwie w pełni określić zespół czynników wpływających na istotę i charak-ter pracy materiału. Wynika to ze złożoności czynników strukturalnych kształtujących ich właściwości eksploatacyjne. W projektowaniu kompo-zytu przeznaczonego do współpracy tribologicznej pod uwagę brane są zarówno czynniki zewnętrzne, tzn.: obciążenie, temperatura pracy, rodzaj smarowania lub jego brak, prędkość ruchu, obecność drgań, jak również cechy strukturalne, tzn.: rodzaj osnowy i fazy zbrojącej, udział, wielkość oraz morfologia zbrojenia [L. 1÷3]. Każdy z tych czynników oddziałuje bezpośrednio lub pośrednio na trwałość i niezawodność węzła tribolo-gicznego [L. 4÷7].

BADANIA

Badaniami objęto materiały kompozytowe na osnowie stopu aluminium AlSi12Cu2Ni2Mg4, zbrojonego cząstkami węglika krzemu SiC o wiel-kości 10 µm, 25 µm, 50 µm oraz mieszaniną tych cząstek (Tabela 1). Kompozyty wytworzono metodą mechanicznego mieszania i ukształto-

6-2010 T R I B O L O G I A 179

wano, stosując technikę odlewania ciśnieniowego, które przeprowadzono na maszynie ciśnieniowej pionowej, zimnokomorowej o sile zwierania 100 t w odlewni PRESS. Tabela 1. Skład fazowy kompozytów AK12–Al2O3 użytych w badaniach Table 1. Phase composition of tested AK12–Al2O3 composites

Oznaczenie Stop osnowy Rodzaj cząstek

zbrojących

Średnica czą-stek zbroją-

cych µm

Udział objęto-ściowy cząstek zbrojących %

S10 AlSi12Cu2Ni2Mg4 SiC 10 15% S25 AlSi12Cu2Ni2Mg4 SiC 30 15% S50 AlSi12Cu2Ni2Mg4 SiC 50 15% SM AlSi12Cu2Ni2Mg4 SiC 25; 50; 100 5% + 5% + 5%

Jest to technologia stosowana w produkcji seryjnej, pozwalająca na

kształtowanie wyrobów o złożonej geometrii oraz gwarantująca powtarzal-ność rozkładu zbrojenia [L. 9–11]. Wyniki badań struktury odlewów ci-śnieniowych wskazują, że struktura dobrze wykonanego odlewu jest bar-dzo korzystna, niezależnie od wielkości cząstek wzmacniających. Charak-terystyczne dla odlewów ciśnieniowych jest równomierne rozmieszczenie zbrojenia. Kształt zastosowanej formy oraz strukturę uzyskanych odle-wów przedstawiono na Rysunku 1.

Rys. 1. Kształt badanego odlewu ciśnieniowego i mikrostruktura kompozytów S25

po odlewaniu Fig. 1. Shape of pressure casting used in the research and microstructure of composites

S25

T R I B O L O G I A 6-2010 180

Dla określenia właściwości tribologicznych wykorzystano krążek z odlewu, którego powierzchnię szlifowano i polerowano. Tak przygoto-waną powierzchnię poddano ścieraniu na testerze tribologicznym T-01 typu tarcza–trzpień. Przeciwpróbkę w kształcie trzpienia φ = 3 mm i dłu-gości 20 mm, wykonano z żeliwa EN-GJ200. Zastosowano: nacisk 5 MPa, prędkość obrotową 5 m/s, drogę tarcia 5000 m. W trakcie badania rejestrowano w sposób ciągły zmianę współczynnika tarcia. Powstały na powierzchni kompozytowego dysku ślad wytarcia poddano badaniom mikroskopowym i profilografometrycznym. Jak wynika z przeprowadzo-nych badań, współczynnik tarcia w badanym układzie tribologicznym powiększa się wraz ze zwiększeniem wymiarów cząstek zbrojących SiC (Rys. 2).

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

wsp

ółcz

ynni

k ta

rcia

, m

droga, m

S10

S25

S50

SM

Rys. 2. Wykres współczynnika tarcia w funkcji drogi w warunkach tarcia tech-

nicznie suchego Fig. 2. Diagram of friction coefficient dependent on track in dry sliding condition

Ślad wytarcia kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 10 µm

przedstawiony na Rysunku 3a wskazuje na łagodny przebieg procesu zużycia. Na powierzchni nie zaobserwowano żadnych wyraźnych oznak wyrywania cząstek zbrojących. Ślad wytarcia jest regularny, o czym świadczy mała wartość Ra = 2,25 µm.

Analiza śladu wytarcia dla kompozytu zbrojonego cząstkami o śred-nicy 25 µm (Rys. 3b) wskazuje na podobny, jak w poprzednim przypad-ku, łagodny charakter zużywania. Zwiększa się jednak wartość parame-trów chropowatości powierzchni do Ra = 2,27 µm, co daje znikomo mały

6-2010 T R I B O L O G I A 181

przyrost w stosunku do profilu kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 10 µm. Przedstawiony na Rysunku 3c obraz 3D śladu wytar-cia kompozytu zbrojonego cząstkami o średnicy 50 µm ma odmienny charakter od prezentowanych wcześniej, można zaobserwować głębsze, nieregularne ślady zużycia (bruzdy). Ślad taki mógł być spowodowany wyrwaniem cząstek zbrojących – wyrwana cząstka może stanowić ele-ment skrawający powierzchnie kompozytu i przeciwpróbki. Porównując wyniki pomiarów geometrii powierzchni z charakterystykami trybolo-gicznymi badanych materiałów, widoczne jest, że ze zwiększeniem wy-miarów cząstek zbrojących rośnie stopień rozwinięcia powierzchni, po-większa się wartość współczynnika tarcia i rośnie zużycie.

Rys. 3. Obraz 3D śladu wytarcia: a) kompozyt S10, b) kompozyt S25, c) kompozyt

S50, d) kompozyt SM Fig. 3. Picture 3D wear trace: a) S10 composite, b) S25 composite, c) S50 composite,

d) SM composite

MODEL ZUŻYCIA KOMPOZYTÓW

Model obejmuje kolejne etapy zużycia, począwszy od docierania aż do warunków ustalonej współpracy. Przedstawiono w nim charakterystyczne zjawiska wywołane tarciem, jak: wyrywanie cząstek zbrojących, od-kształcenie plastyczne osnowy, abrazyjne zużycie żeliwnej próbki i kom-pozytu oraz kruszenie cząstek w trakcie współpracy. Przedstawiono rów-nież różnice w charakterze zużycia, wynikające z wielkości zastosowa-nych cząstek zbrojących. Model dla kompozytu z cząstkami o rozmiarach do 50 µm przedstawiony na Rysunku 4 obejmuje cztery etapy:

b

c) d)

a)

T R I B O L O G I A 6-2010 182

Etap I – początek współpracy, w którym powierzchnia żeliwa opiera się na wystających po polerowaniu cząstkach zbrojących. Wstępnie bruz-dowanie żeliwnej powierzchni (docieranie).

Etap II – dzięki „dopasowaniu” w procesie docierania zwiększa się pole kontaktu pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Na tym eta-pie następuje zmniejszenie i ustabilizowanie współczynnika tarcia. Po-wstałe nierówności na powierzchni żeliwnej przeciwpróbki oddziałują ze zbrojeniem i osnową, wywołując ich stopniowe abrazyjne zużycie.

Rys. 4. Model zużycia materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami o śred-

nicy do 50 µm podczas tarcia technicznie suchego Fig. 4. Composites materials reinforced particles to 50 µm diameter wear model du-

ring dry sliding condition Etap III – etap ten należy podzielić na dwie odmiany – A i B. Dla A

mamy do czynienia z wyrwaniem cząstki zbrojącej i intensyfikacją pro-cesu zużycia przez jej dodatkowe oddziaływanie z powierzchniami trą-cymi. Może to skutkować osadzeniem cząstki w powierzchni żeliwa i zwiększeniem efektu abrazyjnego zużycia kompozytu lub jej luźnym przetaczaniem między współpracującymi powierzchniami. Przetaczana cząstka wywoływać może zarysowanie każdej z powierzchni współpracu-jącej lub plastyczne odkształcenie niezbrojonych fragmentów osnowy. Z czasem cząstka ulega kruszeniu i usunięciu. W odmianie B dochodzi do wgniatania cząstki zbrojącej w osnowę. W wyniku tego może dojść do adhezyjnego sczepienia fragmentu osnowy kompozytu z żeliwem, co

6-2010 T R I B O L O G I A 183

w konsekwencji prowadzi do wyrwania lub plastycznego odkształcenia osnowy obserwowanego jako „rozmazywanie” na powierzchni tarcia.

Etap IV – można go opisać jako powrót do ustalonego charakteru współpracy po zaburzeniach z poprzedniego etapu. Charakterystyczne zjawiska na tym etapie to stopniowe wyrównywanie powierzchni kompo-zytu poprzez plastyczne odkształcenie obszaru po wyrwanej cząstce i odsłanianie kolejnych cząstek zbrojących poprzez abrazyjne zużycie osnowy.

Zjawiska zachodzące na III i IV etapie należy uznać za typowe dla ustalonej charakterystyki tarcia, powtarzające się cyklicznie w miarę zu-życia materiałów w trakcie eksploatacji.

Model zużycia dla kompozytów zbrojonych cząstkami o rozmiarach większych niż 50 µm lub mieszaniną cząstek o różnych wielkościach przedstawiono na Rysunku 5.

Rys. 5. Model zużycia materiałów kompozytowych zbrojonych cząstkami o śred-

nicy powyżej 50 µm podczas tarcia technicznie suchego Fig. 5. Composites materials reinforced particles above 50 µm diameter wear model

during dry sliding condition W modelu tym obok opisanych wcześniej zjawisk można wskazać

dodatkowy mechanizm zużycia nierejestrowany w przypadku cząstek o mniejszej średnicy. Polega on na kruszeniu dużych cząstek i przebiega wg następujących etapów:

Etap I – dotarcie współpracujących powierzchni, abrazyjne zużycie żeliwa i kompozytu.

T R I B O L O G I A 6-2010 184

Etap II – pękanie cząstek zbrojących. Popękana cząstka pozostaje osadzona w osnowie tak długo aż nie zostanie uwolniona przez zużycie osnowy wokół niej.

Etap III – uwolnienie fragmentów rozkruszonej cząstki, które za-chowują się jak pojedyncza wyrwana cząstka. Ich oddziaływanie przed-stawiono w modelu wcześniejszym na etapie III.

Etap IV – wyrównywanie obszaru po wyrwanej cząstce, plastyczne odkształcenie i stopniowe abrazyjne zużycie osnowy prowadzące do od-słonięcia kolejnych cząstek.

Opisany w tym modelu proces zużycia kompozytu zbrojonego cząst-kami dużymi można ograniczyć stosując mieszaninę cząstek o różnej średnicy. Naciski wywołujące pękanie dużych cząstek rozkładają się wówczas na sąsiadujące z nimi cząstki o mniejszych rozmiarach, co zmniejsza proces zużycia.

Badania realizowane w ramach Projektu nr POIG.0101.02-015/08

w Programie operacyjnym innowacyjna gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez UE ze środków Europejskiego Funduszu Rozwo-ju Regionalnego.

LITERATURA

1. Deuis R.L., Subramanianian C., Yellup J.M.: Dry sliding wear of alumin-ium composites – a review. Composites Science and Technology 57, El-sevier 1997, p. 415–435.

2. Hutchings I.M., Wang A.: Proc. Conf. Metal and ceramic Matrix Compo-sites. Processing, Modeling and Mechanical Behavior. Anaheim 1990, TMS 1990, p. 499.

3. Górny Z., Sobczak J.: Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych, Kraków 2005.

4. Wieczorek J., Dolata, Grosz A., Dyzia M., Śleziona J.: Właściwości tribo-logiczne kompozytowych materiałów o osnowie stopu aluminium AK12 zbrojonych cząstkami ceramicznymi. Kompozyty nr 2, 2002, s. 207.

5. Dolata-Grosz A., Śleziona J., Wieczorek J., Dyzia M.: Structure and func-tional quality properties of composites sleeves obtaining by centrifugal casting, Acta Metallurgica Slovaca, 8, 2/2002, s. 283–288.

6. Posmyk A., Śleziona J., Grosz A., Wieczorek J.: Reibungs – und Schmie-rungsverthalten von Aluminium – legierungen mit einem verstärkten Ober-flächenbereich, Technische Akademie Esslingen, 12th. International Col-loρuium January 11–13, 2000, Tribology 2000.

6-2010 T R I B O L O G I A 185

7. Wieczorek J., Dolata-Grosz A., Śleziona J., Dyzia M., Służałek G.: Com-posites Tribological Properties of AK12 Metal Matrix Composites Rein-forced with Ceramic Particles, Junior Euromat 2002, Lozanna.

Recenzent:

Tomasz BUDZYNOWSKI

Summary

Aluminium based metal matrix composites are well known for their good wear and erosion resistance, high specific strength, stiffness and hardness. They have found applications within the aerospace, military but especially in the automotive industries.

The distribution of particles, their size and shape, and volume fraction together with production method determine the structure and properties of the composite. Trials of pressure die casting of AK12–15%SiC were carried out using a cold-chamber pressure ma-chine of pressure force 100 t, in PRESS company, Poland. The article presents the results of the research on composites MMC`s reinforced SiC particles after mating in technically dry sliding conditions. Ma-trix alloy composites AK12 reinforced with SiC particles (10, 25, 50 µm) were tested after collaboration with cast iron. The friction coef-ficient value and wear resistance in investigated MMC`s depend on particle size used as a reinforcement. The friction coefficient and wear value decrease with the reduction of particles diameter.