struktura geometryczna powierzchni materiałów kompozytowych

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2)
ARCHIVES OF FOUNDRY
Year 2006, Volume 6, No 18 (1/2)
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
60/18
STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI
KOMPOZYTÓW ODLEWNICZYCH TYPU FeAl-Al2O3
PO PRÓBACH TARCIA
A. PATEJUK1, M. PONIATOWSKA2
Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45C, 15-351 Białystok
STRESZCZENIE
Artykuł dotyczy badania struktury geometrycznej powierzchni materiałów
kompozytowych na osnowie faz międzymetalicznych FeAl-Al2O3 z różnym udziałem
fazy zbrojącej, z obecnością i bez powłoki niklowej, otrzymywanych metodą
odlewania.
Key words: composite materials, surface texture
1. WSTĘP
Materiały kompozytowe należą do nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych.
Szczególnym zainteresowaniem cieszą się materiały kompozytowe z osnową
metaliczną zbrojone cząstkami. W przypadku tych kompozytów, jednym z
najtrudniejszych i nadal nierozwiązanych problemów jest kwestia zapewnienia
właściwego połączenia cząstek zbrojących z metaliczną osnową. Przy czym wiadomym
jest, że znaczący wpływ na poprawę własności mechanicznych i ciernych ma obecność
powłoki ukonstytuowanej na cząstkach zbrojących [1-3].
Jedną z przyczyn wielkiego zainteresowania i rozszerzenia badań nad
materiałami, szczególnie typu FeAl-Al2O3, są ich niezwykłe własności, a w
szczególności wysoka odporność na zużycie ścierne. W oparciu o wyniki badań, zostało
ustalone, że udział fazy zbrojącej Al2O3 i poprawienie jakości połączenia z osnową np.
poprzez zastosowanie powłoki niklowej, wydatnie wpływa na obniżenie stopnia zużycia
ściernego opisywanych materiałów [4, 5].
1
2
dr inż. [email protected]
dr inż. [email protected]
381
Proces technologiczny wytwarzania materiałów kompozytowych, które w
dalszej części został poddane badaniom tribologicznym, polegał na stopieniu w osłonie
argonu wcześniej przygotowanych składników wsadowych (występujących w postaci
proszku), a następnie odlaniu do przygotowanych form.
2. STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI
Struktura geometryczna powierzchni jest jednym z ważniejszych czynników
decydujących o jej jakości. Wpływa na własności eksploatacyjne elementów maszyn
wyrażone m.in. przez warunki tarcia na powierzchniach stykowych, naprężenia
stykowe, wytrzymałość zmęczeniową, odporność na korozję, szczelność połączeń,
powierzchniowe promieniowanie cieplne czy własności magnetyczne.
Strukturą geometryczną powierzchni (SGP) określa się zbiór wszystkich
nierówności, powstałych w wyniku procesów obróbki i zużycia materiału. Dane
eksploatacyjne dowodzą, że około 90% wszystkich braków produkcyjnych ma swoje
źródło w powierzchni, od uszkodzeń mechanicznych takich jak pęknięcia zmęczeniowe,
pęknięcia wywołane naprężeniami spowodowanymi korozją, zużycie ściernokorozyjne, nadmierne ścierne zużycie, korozja, erozja itp.
Przyjmuje się podział (SGP) na składowe: chropowatość powierzchni, falistość
powierzchni i odchyłki kształtu [6]. Podział ten oparty jest na proporcjach wysokości i
długości fali nierówności.
Dla kompleksowej charakterystyki chropowatości powierzchni stosuje się wiele
parametrów wysokościowych i wzdłużnych (Ra, Rz, Rt, Rp, Rq, RSm, Rmr(c)) oraz
funkcji (krzywą gęstości amplitudowej, krzywą udziału materiału, funkcję gęstości
widmowej mocy) [6].
Dzięki cyfrowej obróbce danych pomiarowych w stosowanych obecnie
komputerowych systemach do badań SGP, możliwe jest oddzielne badanie składowych,
obliczanie wymienionych powyżej parametrów i funkcji (po rozdzieleniu przez
filtrację) dla profili chropowatości, falistości lub dla profilu pierwotnego. Graniczna
długość fali dla której uznaje się, że chropowatość powierzchni przechodzi w falistość
powierzchni, czyli długość odcinka elementarnego, to tzw. wartość cut-off cyfrowego
filtru odcinającego. W prezentacjach uwzględnia się następujące oznaczenia [6].
R - dla chropowatości powierzchni,
W - dla falistości powierzchni,
P - dla profilu pierwotnego.
Badania przeprowadzono na stanowisku pomiarowym którego głównym
elementem był profilografometr Hommel Tester T1000 połączony z komputerem z
zainstalowanym oprogramowaniem Turbo Datawin NT 1.34 [7]. Określono wartości
parametrów wysokościowych Ra, Rz, Rt oraz wzdłużnego RSm, przedstawiono profile
P i R a także zwymiarowano typowe elementy profilu R w kierunkach pionowym i
poziomym.
Dokonano również obserwacji powierzchni próbek pod mikroskopem
skaningowym Hitachi S-3000N. Obserwacje te pozwoliły na wyodrębnienie dwóch faz
382
występujących w próbkach. Pierwszą z nich była faza intermataliczna FeAl, drugą zaś
faza zbrojąca tlenku aluminium Al2O3. Na badanych próbkach można było również
potwierdzić (oceniając jakościowo) zróżnicowane udziały zbrojenia. SGP próbki z 10%
zawartością zbrojenia Al2O3 (rys. 1a, b) charakteryzowała się wartościami parametrów
Ra=1,26µm, Rz=7,72µm, RSm=0,1838mm.
a)
b)
Rys. 1. Kompozyt FeAl - 10% Al2O3: a - profil P, b- profil R
Fig. 1. Composite material FeAl - 10% Al2O3: a) P-profile, b) R-profile
Przeprowadzone obserwacje powierzchni próbek przed badaniami
tribologicznymi wykazały, że na powierzchniach występują ubytki materiału
kompozytowego (rys. 2 i 3). Są one efektem wykruszeń słabo utwierdzonych, twardych
cząstek tlenku aluminium. Powyższe ubytki powstały na skutek szlifowania
powierzchni próbek przed eksperymentem. Odnotowano przy tym nieco mniejsze
obszary ubytków dla materiału kompozytowego w którym jako zbrojenie zastosowano
a)
b)
c)
Rys. 2. Powierzchnie próbek FeAl-Al2O3 o udziale zbrojenia: a – 10% (bez powłoki), b - 10% (z
powłoką niklową) c - 20% (z powłoką niklową)
Fig. 2. The surfaces of. FeAl-Al2O3 with volume fraction of reinforce material: a – 10% (without
nickel covering), b - 10% (with nickel covering) c - 20% (with nickel covering)
383
cząstki Al2O3 z powłoką niklową (rys. 3). SGP powierzchni materiału kompozytowego
z udziałem 10% zbrojenia charakteryzowała się parametrami Ra=0,45 µm, Rz=5,51
µm, RSm=0,1225 mm oraz profilem powierzchni przedstawionym na rys. 3a. Natomiast
w przypadku zwiększenia udziału zbrojenia do 20% odpowiednio Ra=2,27 µm,
Rz=17,08 µm, RSm=0,2315 mm.
a)
b)
Rys. 3. Profile chropowatości próbek FeAl-Al2O3 z powłoką niklową o udziale zbrojenia: a –
10%, b – 20%
Fig. 3. The roughness profiles of composite material; FeAl-Al2O3 with nickel covering with
volume fraction of reinforce material: a - 10% b - 20%
Analiza powierzchni próbek po 1 godz. tarcia wykazała, że największe
nierówności występują na powierzchniach materiałów z małym udziałem fazy zbrojącej
(rys. 4a). Profil chropowatości przedstawiony na rys. 4a charakteryzowały parametry:
Ra=6,89 µm, Rz=42,27 µm, RSm=0,2188 mm. Natomiast profil powierzchni materiału
kompozytowego o zawartości 20% zbrojenia, przedstawionej na rys. 4b,
charakteryzowały parametry: Ra=4,64 µm, Rz=21,41 µm, RSm=0,2976 mm.
Analiza powierzchni próbek w dalszym procesie zużycia potwierdziła, że
podobnie jak poprzednio, największe nierówności występują na powierzchniach
kompozytów z małym udziałem fazy zbrojącej (rys. 5). Profil chropowatości
przedstawiony na rys. 5a, charakteryzowały parametry: Ra=6,52 µm, Rz=32,48 µm,
RSm=0,2356 mm. Na powierzchniach widoczne są głębokie bruzdy i efekty zjawiska
zacierania. Profil powierzchni przedstawionej na rys. 5d charakteryzowały parametry:
Ra=3,28 µm, Rz=15,06 µm, RSm=0,3472 mm.
384
a)
b)
Rys. 4. Profile chropowatości FeAl-Al2O3 z powłoką niklową po 1 godz. tarcia, o udziale
zbrojenia: a –10%, b – 20%
Fig. 4. The roughness profiles of composite material FeAl-Al2O3 with nickel covering after 1 hour
of wear with volume fraction of reinforce material: a - 10% b - 20%
a)
b)
c)
d)
Rys. 5. Powierzchnie oraz profile chropowatości próbek po 2 godz. tarcia o udziale zbrojenia (z
powłoką niklową): a - 10%, b – 20% c – 10%, d 20
Fig. 5. The surface and roughness profiles of composite material FeAl-Al2O3 with nickel covering
after 2 hour of wear with volume fraction of reinforce material: a - 10% b - 20%, c - 10%
d - 20%
385
3. WNIOSKI
Przeprowadzone badania potwierdziły, ze wraz ze wzrostem udziału zbrojenia w
materiale kompozytowym maleją wartości parametrów wysokościowych profilu
nierówności. Przy czym próbki badanych materiałów kompozytowych po testach
ścieralności, charakteryzowały się mniejszą od wejściowych liczbą wykruszeń.
LITERATURA
[1] Łosik I., Zarański Z., Bojar Z.: Badania granicy rozdziału w kompozytach
metalicznych zbrojonych włóknami węglowymi. Kompozyty. Nr 5. Częstochowa
(2002) 333-337.
[2] Olszówka-Myalska A.: Wpływ preparacji cząstek Al2O3 niklem na właściwości
kompozytu Al.-(A Al2O3). Kompozyty. Nr 4. Częstochowa (2002) 199-203.
[3] Patejuk A., Krupicz B.: Wpływ warunków badania na zużycie materiałów
kompozytowych typu FeAl-Al2O3. Kompozyty. Nr 4. Częstochowa (2005) 88-92.
[4] Kaliński D., Chmielewski M., Kozłowski M.: Kompozyty na osnowie
międzymetalicznej NiAl o właściwościach zmodyfikowanych cząstkami
ceramicznymi. Kompozyty. Nr 3. Częstochowa (2005) 96-101.
[5] Patejuk A. “The influence of nickel covering of Al2O3 on properties of composite
material with aluminium matrix” Międzynarodowa Konferencja “Progres
transportnych sredstw 2002”. Wołgograd 8-11.10 (2002) 56-63.
[6] PN-ISO 4287:1999 Struktura geometryczna powierzchni: Metoda profilowa.
[7] Poniatowska M., Patejuk A.: Metodyka badań mikrogeometrii powierzchni z
wykorzystaniem przyrządu HOMMEL TESTER T-1000 w aspekcie opisu
właściwości tribologicznych. Aparatura Badawcza i Dydaktyczna. T.X. Nr 4 (2005)
273-289.
SURFACE TEXTURE OF COMPOSITE MATERIALS TYPE FeAl-Al2O3
AFTER WEAR TEST
ABSTRACT
The paper deals with investigations of surface texture of composite materials type FeAlAl2O3 with various volume fraction of reinforce material and nickel covering.
Recenzował: Prof. Jan Piwnik
386