iwardaii Wckcrsa
Rys.6.2b. Dyskusyjność wpływu twardości na odporność na ścieranie [6.2]
Ogólnie znana zasada, że im wyższa twardość tym większa odporność na zużycie jest ważna tylko w przypadku rozpatrywania szerokiego zakresu warunków pracy odlewów (np. dużej ilości metali czy stopów), (rys. 6.1). W stopach żelaza zależność taka jest mniej istotna ze względu na duże znaczenie składu chemicznego, struktury osnowy i obróbki cieplnej [6.2]. Bardzo duże obszary zmiennej odporności na zużycie dla danego stopu potwierdzają ten wniosek (rys. 6.2).
6.12. Warunki pracy
Charakteryzują one wszystkie czynniki wpływające na warunki pracy układu trybologicznego. Do podstawowych czynników zalicza się: rodzaj ruchu - ślizganie, toczenie, uderzenie i ich wzajemne powiązanie, obciążenie - działające prostopadle lub ukośnie do powierzchni styku obu materiałów, prędkość obu materiałów - całkowita bądź składowa, temperatura - początkowa oraz jej wzrost podczas ścierania oraz czas trwania zużycia.
W wielu przypadkach konieczne jest poznanie zakłóceń oddziałujących na warunki pracy; należą do nich drgania oraz promieniowanie cieplne.
150
6.1.3. Czynniki charakteryzujące mechanizm oddziaływania
Warunki pracy całego układu oddziałują w czasie na czynniki strukturalne. Zmieniają one rodzaj styku ścierających się materiałów i rodzaj środowiska, ponieważ część startych stopów bierze udział w dalszym procesie ścierania. Oddziaływanie tych materiałów oraz rozkład naprężeń ujęte zostało w skali mikroskopowej, tworząc zespół cech opisujących mechanizm zużycia. Zatem zmiany mikrostruktury i oddziaływanie naprężeń prowadzą do zmiennych szybkości zużycia przypisanych zróżnicowanym rodzajom zużycia, takim jak: zużycie adhezyjne, ścierne itp.
6.2. Rodzaje zużycia trybologicznego
W efekcie oddziaływania dwóch tworzyw następuje zużycie trybologiczne, wskutek usuwania materiału z ich powierzchni. Zużycie to wynika z występowania tarcia, tarcia z wydzieleniem ciepła bądź tarcia z oddziaływaniem chemicznym. W stopach, czyste oddziaływanie mechaniczne występuje rzadko; zazwyczaj połączone jest z temperaturą i korozją. Podstawowymi przyczynami zużycia trybologicznego są:
- plastyczne i sprężyste odkształcenia wierzchołków nierówności powierzchni,
- wciskanie części warstwy wierzchniej jednego stopu (tworzywa) w warstwę drugiego materiału,
- adhezyjne połączenie stykających się warstw powierzchniowych,
- tworzenie na powierzchni tarcia kruchych tlenków,
- wzbogacenie w wodór warstwy wierzchniej [6.17].
Ze względu na złożoność procesów zużycia trybologicznego wyróżnia się wiele rodzajów zużycia [6.12, 6.23, 6.24]. Dla celów praktycznych i dydaktycznych, przytoczono tylko podstawowe z nich. Najbardziej rozpowszechniony podział według literatury krajowej i zagranicznej [6.1, 6.21] wyróżnia:
A. Zużycie ścierne; stanowi około 80-5-90% [6.17] wszystkich rodzajów zużycia. Procesami wiodącymi są tutaj mikroskrawanie, rysowanie, bruzdowanie i ścinanie. Polega na oddzielaniu niewielkich części warstwy wierzchniej tworzywa w warunkach tarcia ślizgowego, spowodowanego występowaniem pomiędzy trącymi powierzchniami twardszych cząstek ścierniwa. Podczas względnego ruchu trących powierzchni następuje wbijanie, przemieszczanie, wyrywanie i ścinanie elementów powierzchni, powodując: mikroskrawanie, rysowanie, bruzdowanie, odrywanie lub ścinanie nierówności obu powierzchni (rys. 6.3). W zależności od warunków pracy obu elementów rolę ścierniwa spełniają: tlenki, piasek, węgiel, ruda, kurz lub wykruszenia.
151
s. 3-5-18.
[5.17] Mayer G., Balayiva K.: MetallurgManchester, vol. 65, 1962, p. 11.
[5.18] Butnicki S.: Spawainość i kruchość stali, Wyd. WNT, Warszawa 1975.
[5.19] Głownia J„ Bujas R., Młynarczyk L.: Przegl. Odl., nr 1, 1995, s. 1-7.
[5.20] Kowalówka M.: Praca doktorska, AGH Kraków 1984.
[5.21] Roe G., Bramfitt B.L.; Notch Toughness of Steel, Metals Handbook, ASM Intern., vol. 1,1990, p. 737.
[5.22] Wołczok I.P., Szulte J.A.: Lit. Proizw., nr 7,1972, s. 7+10.
[5.23] WittekopfD.: Giessereaechnik, nr. 9,1988, s. 267-270.
[5.24] Głownia J. i inni: Praca nauk. bad. AGH, nr 5.5.170.115 dla ABB Alstora Power, Kraków 2000.
[5.25] Goutenoirc G.: Fondeńe, 29(1974), Nr. 336, s. 285-297
[5.26] Roescfa K., Zimroermann K.: Stahlguss, Verlag Stahleisen, mbH, Duesseldorf 1966.
[5.27] Fractography and Atlas of Fractographs, Metals Handbook, vol. 9, 1974, ASM, Metals Park, Ohio.
[5.28] Mamro K.: Oddemanie stali, Wyd. Śląsk, Katowice 1976.
[5.291 Fracture an Advanced Treatise, vol. 5 a. 6, N.Y, Academic Press, 1968.
144
6. Staliwa odporne na zużycie
Dobór odpowiedniego gatunku staliwa do pracy w warunkach ścierania, bardziej odpornego na zużycie i pracującego w warunkach zużycia adhezyjnego, erozyjnego czy erozyjno - korozyjnego, ma istotne znaczenie w takich gałęziach przemysłu jak: budowa maszyn, górnictwo, transport, energetyka czy przeróbka minerałów. Wszystkie odlewy, jako elementy maszyn, pracujące w tych warunkach poddawane są silnemu zużyciu i eliminowane z pracy. Z tych względów zużywa się rocznie setki tysięcy ton stali i tworzyw metalicznych, co przynosi duże straty. Każde więc przedłużenie pracy odlewu, jako części całego urządzenia, przynosi wymierne efekty ekonomiczne.
6.1. Definicja i ogólna charakterystyka zużycia
Pojęcie zużycia materiału1 rozumiane jest w sposób różnorodny (zależnie od warunków pracy rozważanych materiałów) [6.1,6.2]. W niniejszej pracy zużycie materiałów definiowane jest jako ubytek stopu wskutek długotrwałego tarcia stykających się tworzyw. Niejednakowe podejście do zagadnienia związane jest z wpływem wielu czynników na proces zużycia, takich jak: korozja, reakcja chemiczna jednej fazy (węgliki, azotki) z osnową lub miejscowa zmiana twardości wskutek zwiększania temperatury.
Rozpatrując to zagadnienie należy rozważyć następujące warunki zużycia:
Według [6.1]jest to niepożądane oddzielenie powierzchni ciała stałego wskutek działania na nią mechanicznego obciążenia przez dłuższy okres.
Według [6.12] zużycie trybołogiczne jest to rodzaj zużycia spowodowany procesami tarcia.
Trybologia (z greckiego: trybos - tarcie, logos-nauka) jest dziedziną nauki zajmującą się zjawiskami zachodzącymi na powierzchni tarcia elementów maszyn. Zadania tiybologii obejmują dwa główne problemy: zmniejszenie oporów tarcia oraz zwiększenie odporności na zużycie tych części maszyn, które podlegają tarciu. Pierwsze zagadnienie rozważane jest głównie przez mechaników, drugie - stanowi domenę odlewników czy specjalistów z Inżynierii materiałowej. To ostatnie zagadnienie jest też przedmiotem rozważania w tym rozdziale.
145
1. Tarcie metali o metal np. zużycie przy tarciu posuwistym (ślizgowym) ze smarowaniem (np. wał w łożyskach) oraz suche (klocki hamulcowe w bębnie), zużycie podczas toczenia (również ze smarowaniem np. w łożyskach) oraz na sucho - koła suwnicowe poruszające się po szynach.
2. Tarcie metali o niemetal; podobnie jak poprzednio możemy tutaj wyróżnić zużycie podczas tarcia posuwistego (lemiesze) i toczenia (młyny kulowe) oraz dodatkowo przez narzucanie (czyszczenie odlewów śrutem, pompy przenoszące szlam, piasek itp.).
3. Tarcie metali o ciecz lub gaz (turbiny parowe i gazowe).
Ogólnie należy rozróżnić opór przeciw ruchowi (tarcie) lub opór przeciw zniszczeniu powierzchni (zużycie). Obydwa mechanizmy mogą zachodzić w układzie suchym lub z udziałem środowiska (materiał - smar (woda, olej); materiał - stop). Do charakterystyki dochodzą jeszcze takie parametr}’, jak: rodzaj ruchu: toczenie, ślizganie, ścieranie oraz obciążenie, temperatura, naprężenia lub korozja. W praktyce występuje zazwyczaj kilka tych warunków jednocześnie - mówi się o zużyciu mieszanym lub kompleksowym. Spowodowane jest to tym, że w mechanizmie zużycia należy uwzględnić czy w nim biorą udział twarde cząstki (np. węgliki, azotki) oraz czy materiał jest plastyczny i zużycie przesuwających się powierzchni nie zachodzi przez odłamanie lub odrywanie pojedynczych cząstek. W przypadku wystąpienia kilku rodzajów zużycia, należy wyróżnić proces dominujący [6.12].
W przypadku zużycia bez udziału smaru obecność węglików lub innych cząstek niemetalicznych powoduje występowanie nie tylko zużycia tworzywa, ale także miejscowych naprężeń w warunkach szczególnie wysokich nacisków, np. w młynach przy rozdrabnianiu kamieni i rud, w cementowni - produkcja klinkieru itp. Podobne zjawiska występują podczas uderzania kropel cieczy lub gazu w turbinach (kawitacja). Zmniejszenie zużycia w tym przypadku może nastąpić przy osiągnięciu dużej plastyczności materiału (bez udziału pęknięć i nieciągłości osnowy).
Ze względu na swoją naturę odporność na zużycie trudno jest poddać jakościowej charakterystyce. W praktyce istnieje wiele rodzajów zużycia i w związku z tym wiele stopów zalecanych do zastosowania w warunkach przemysłowych. W każdym układzie trybologicznym istnieje zespół czynników najlepiej określający charakter i szybkość zużycia. Czynniki te można ująć w następujące grupy.
- strukturalne: skład chemiczny, twardość, obróbka cieplna, inne właściwości fizyczne, chemiczne, technologiczne,
- warunki pracy: obciążenie, temperatura, czas trwania, środowisko,
- charakteryzujące mechanizm oddziaływania: rodzaj ruchu obydwu elementów, rodzaj kontaktu i smaru (otoczenia).
146
6.1.1. Czynniki strukturalne
Analizę tych czynników powinno rozpoczynać rozpoznanie układu tiybologicznego i z nim współpracujących elementów. Tego typu rozważania obejmują układ wyjściowy, możliwe próby laboratoryjne i końcową współpracę oddziałujących elementów. Są nimi zazwyczaj dwa ścierające się stopy, smar (ewentualnie pył lub inne cząsteczki stałe) oraz otaczające środowisko (powietrze, roztwór korozyjny), [6.9].
Wyniki pomiarów zużycia oraz jego szybkość zależą od wielu parametrów oddziałujących materiałów. Można tu wymienić: składy chemiczne powierzchni ścierających się materiałów, twardość, ich przewodność cieplną, moduł plastyczności, geometrię i topografię ścierających się powierzchni, wielkość ziam oraz skład chemiczny, lepkość, temperaturę i zasadowość roztworu korodującego (środowiska).
mikrotwordość
Rys. 6.1. Ogólna zależność zużycia ściernego od twardości
Istnieje powszechne przekonanie, że spośród czynników strukturalnych na zużycie największy wpływ ma twardość. Ilustruje to dobrze rysunek 6.1, w którym porównano sześć różnych gatunków staliwa. Tego typu zależność jest prawdziwa przy rozważaniu dużej ilości metali i stopów, porównywalnych w podobnych warunkach (czyste metale, stale, staliwa.
147
węgliki spiekane itp. - jys. 6.1), [6.10]. Dla stopów żelaza zależność taka jest ograniczona ze względu na istotny wpływ innych czynników: składu chemicznego (wpływ węgla), obróbki cieplnej (martenzyt, perlit) i rodzaj osnowy stopu (obecność węglików). Dobrym przykładem jest tutaj rysunek
6.2, któiy wskazuje na porównywalne zużycie stopów o odmiennej strukturze (osnowie) jak i zróżnicowanej twardości. Ścisła zależność odporności na zużycie (określonego typu) od twardości istnieje jedynie wówczas, gdy rozpatrujemy jeden wybrany stop (np. L35GSM, X200Crl2)
1 zmiennej twardości, otrzymanej przez zróżnicowaną obróbkę cieplną (np. temperatury odpuszczania po ulepszaniu). Jak z tego rysunku wynika twardość jest tylko ogólnym wskaźnikiem w ocenie odporności stopu na zużycie. Charakteiystyka odporności stopu na zużycie polega zatem na tym jak mierzyć, albo ściślej, w jakich warunkach przebiega pomiar szybkości zużycia. Wiadomo, że z tego właśnie względu wynikają w poszczególnych laboratoriach różnice w ocenach pomiarów dwóch różnych typów zużycia, albo w praktyce przemysłowej- z odmiennego odwzorowania warunków pracy stopu.
Niektóre laboratoria uwzględniają: szybkość przyłożonych nacisków
2 temperaturę, inne - warunki toczenia metalu o metal (koła suwnic), a jeszcze inne - ścierania metalu o skały w warunkach zarówno ujemnych, jak i dodatnich temperatur. Wyliczenie to nie obejmuje jeszcze zużycia stopów przez ścieranie występujące równolegle obok działania ośrodków korozji (pompy). Można tutaj jeszcze przytoczyć działania innych ośrodków, czy warunków pracy, takich jak: zużycie + pełzanie, zużycie + utlenianie, zużycie + zmęczenie.
Wyboru któr...
robertwierbi