Wear with respect to load and to abrasive sand under Dry Sand/Steel Wheel abrasion condition Ing, M. Kašparová 1,2,*, Ing., F. Zahálka 1, Ing., Š. Houdková, PhD. 1 1 ŠKODA VÝZKUM s.r.o., Tylova 57, 316 00 Plzeň, ČR, e-mail: michaela.kasparova@skodavyzkum.cz, tel: +420378182229 2 Západočeská Univrzita Plzeň, ČR Annotation: This work includes the results of abrasion testing in accordance with ASTM-G65 standards. The main aim of this study was to evaluate abrasive behaviour of abrasive sands, abrasive wheel and tested materials in Dry Sand/Steel Wheel or high-stress conditions. How the name of the test prompts, this test uses steel wheel for abrasion wear creation. In other name, individual abrasive sand was inputted between rotating steel wheel and tested sample under the load. In this work abrasion resistance of steel ČSN 11523 and one kind of HVOF sprayed cermet coating were investigated and were grinded by two different abrasion mediums: Al 2 O 3 and SiO 2 sand in 200-300 µm fraction sizes. The volume loss of abraded materials and surface roughness of bulk steel and steel wheel was recorded. 1. ÚVOD Laboratorní testy pro určování opotřebení jsou klasifikovány podle typu používaného zařízení, hlavních termínů určujících stupeň opotřebení a dle geometrického uspořádání systému [2]. Jestliže používané zatížení způsobí poškození abrazivních částic, je opotřebení nazýváno high-stress abrazivní opotřebení, a naopak, jestliže poškození abrazivních částic není jednoznačně patrné, jedná se o opotřebení nazývané low-stress abrazivní opotřebení. Ovšem, zda se jedná o jaký druh abrazivního opotřebení z hlediska stress podmínek není striktně předepsáno [3]. Dalším určujícím termínem pro hodnocení opotřebení je x-tělesové opotřebení. Jestliže jsou abrazivní částice v kontaktu s jiným objektem a zároveň s dalším povrchem, jedná se o tzv. tří-tělesové abrazivní opotřebení, přičemž abrazivní materiál bývá většinou tvrdší než opotřebovávaný objekt. To však není nutnou podmínkou pro výklad abrazivního opotřebení. Námi známý Dry Sand/Rubber Wheel test, ve zkratce se uvádí (DSRW), je simulací low-stress, tří-tělesové abraze [1]. Tento druh opotřebení se vyskytuje například v zemědělském, ropném a důlním průmyslu u ložiskových čepů, ocelových lan, kde strojní součásti trpí pomalým opotřebením za působení třecích a valivých vlivů abrazivních fragmentů drcených skal a ropných částic, které ulpívají mezi povrchy jednotlivých částí [3,4]. DSRW test abrazivního opotřebení poskytuje rychle a objektivně korelaci mezi laboratoří a praxí. V následujících kapitolách jsou shrnuty výsledky možné alternativy DSRW testu, a to DSSW (Dry Sand/Steel Wheel) test abrazivního opotřebení. Vzhledem k použití ocelového namísto gumově lemovaného kola, byly očekávány podmínky highstress opotřebení, tedy zjevné poškození abrazivních částic. Pro zkoušky high-stress abrazivních vlastností byly vybrány písky o zrnitosti 200-300 µm: Al 2 O 3 a SiO 2. Těmito písky byla obrušována ocel ČSN 11 523 a HVOF žárově stříkané povlaky cermetu WC-CrC-Ni, pod dvěma různými zatíženími: 22N a 56N. 2. EXPERIMENT Pro zkoušky opotřebení byla zvolena nelegovaná jemná konstrukční uhlíková ocel vhodná ke svařování o označení ČSN 11 523 a žárově stříkané povlaky na bázi cermetu WC-CrC-Ni. Nástřik povlaků byl proveden optimalizovanými parametry ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o.. Jednotlivé povlaky se liší chemickým složením a výrobou prášku pro nástřik. Rychlý přehled těchto materiálů je uveden v tabulce 2. Chemické složení oceli ČSN 11 523 je uvedeno v tabulce 1. Její základní pevnostní charakteristiky jsou R m =450-630 MPa a R ehmin =275 MPa. Hustota oceli je 7,8 g/cm 3. Tab.1: Chemické složení oceli ČSN 11 523 Prvek C Mn Si P S N Fe wt.% 0,2 1,6 0,5 0,04 0,04 0,009 zbytek
Tab.2: Povlaky WC-CrC-Ni Označení Zrnitost Výroba prášku Prášek 1 15-45 µm aglomerated&sintered WC-20%Cr 3 C 2-7%Ni 2 16-45 µm plasma-densified WC/Cr 3 C 2 /Ni/Cr 3 15-45 µm sintered WC-22%Cr 3 C 2-6%Ni Jako abrazivní média byly použity písky bílého korundu a oxidu křemičitého o velikostní frakci 212-250 µm Al 2 O 3 a 200-300 µm SiO 2. Morfologie povrchu písků před zkouškami opotřebení byla hodnocena pomocí elektronového mikroskopu. Na obr.1 je uvedena morfologie obou písků. a) b) Obr.1: Morfologie povrchu písků: a) Al 2 O 3, b) SiO 2 Schéma kola je zakresleno v obr.2a. Během zkoušek opotřebení byla průběžně proměřována drsnost kola Ra ve dvou na sebe vzájemně kolmých směrech, Ra1 a Ra2. Konečné výsledky jsou průměrné hodnoty ze třech měření. Parametry měření jsou uvedeny v tabulce 2. Rozměr kola byl proměřován mikrometrem s přesností na 0,01 mm. Měření bylo prováděno ve čtyřech směrech a konečný výsledek je jejich aritmetickým průměrem. a) b) Obr.2: Schematický nákres a) ocelového kola, b) vzorku Tab.2: Parametry měření drsnosti povrchu ocelového kola Parametr Délka vzorkování Profil Filtr Norma Rozsah Ra1, Ra2 0,8 x 5 r Pc50 ISO Auto Po zkouškách opotřebení byla dále proměřována drsnost povrchu testovaných vzorků ve stopách po opotřebení ve směru kolmém ke směru pohybu kola, viz obr. 2b. Hodnocen byl také profil stopy po opotřebení. Drsnost byla měřena drsnoměrem SJ-201P, výsledné hodnoty jsou aritmetickým průměrem 6ti hodnot. Parametry měření jsou shodné s parametry uváděnými v tabulce 2. Zkoušky DSSW testů probíhaly při dvou odlišných zatíženích. Bylo zvoleno standardní zatížení 22N, běžně používané ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. pro testování rozsáhlé škály materiálů žárově stříkaných povlaků v podmínkách low-stress abraze, a dále zatížení 56 N. Ostatní parametry zkoušek jsou uvedeny v tabulce 3. Objemové úbytky materiálu byly počítány z hmotnostních úbytků hodnocených vážením vzorků na digitálních vahách Sartorius VA 1169 s přesností na 0,0001 g.
Tab.3: Parametry zkoušek Dry Sand /Steel Wheel Test Otáčky kola Počet Délka abrazivní Počet cyklů [ot/min] otáček dráhy [m] 180 1000 718 5 Střední aritmetická hodnota drsnosti Ra (dle norem) je aritmetický střed absolutních odchylek filtrovaného profilu drsnosti od středové přímky uvnitř základní délky hodnocení profilu. Maximální výška profilu, parametr Rz, (dle norem DIN, ISO, ANSI, JIS 01) je dán střední hodnotou součtu profilových vrcholů a profilových sedel z každé délky vzorkování. Schematické zakreslení a hodnocení profilů drsnosti povrchu je zaznamenáno v obr.3. a) b) 3. VÝSLEDKY EXPERIMENTU Obr.3: Parametry drsnosti povrchů a) Ra, b) Rz 3.1 DSSW TEST - OBECNÉ PŘEDPOKLADY Na obr.4 jsou zaznamenány kumulativní objemové úbytky oceli ČSN 11 523 za použití dvou abrazivních médií při dvou aplikovaných zatížení. Z grafu je zřejmé, že nepatrně vyšší abrazivní schopnost k oceli má abrazivo Al 2 O 3, které se vyznačuje vyšší tvrdostí a ostrohranností oproti SiO 2, viz obr.1. V grafu je dále zřetelně vidět prudký nárůst opotřebení oceli při zvýšeném zatížení, který je téměř pěti-násobný. Rychlost opotřebení při DSSW zkouškách ve srovnání s DSRW při zatížení 22N je zaznamenána v obr.5. Z grafu je zřejmé, že rychlost opotřebení ocelového materiálu je při DSSW podmínkách téměř dvojnásobně vyšší než při klasických DSRW zkouškách. To platí pro oba používané abrazivní písky. Obr.4: Opotřebení oceli ČSN 11 523, test DSSW Obr.5: Opotřebení oceli ČSN 11 523 v porovnání DSSW a DSRW
V tabulce 4 jsou zaznamenány hodnoty drsnosti povrchu ve stopách po opotřebení oceli ČSN 11 523. Drsnost byla snímána kolmo ke směru abraze. Hodnoty Ra a Rz mají shodný trend, což vypovídá pouze o přesnosti měření. Z hodnot Ra, Rz je vidět, že drsnost povrchu ve stopách po opotřebení je nezávislá na použitém zatížení. Profil drsnosti povrchu ve stopách ale výrazně ovlivňuje použité abrazivo. Abrazivní částice korundu Al 2 O 3 způsobily vyšší zdrsnění povrchu, což potvrzují Ra a Rz dosahující hodnot 5,3 a 32. Naproti tomu částice SiO 2 vybrousily povrch oceli na drsnosti Ra=3,9 a Rz=24. Al 2 O 3 SiO 2 Měření 22N 56N 22N 56N Ra Rz Ra Rz Ra Rz Ra Rz Průměr 5,32 31,11 5,28 32,36 3,85 23,97 3,94 23,64 Sm. odch. 0,25 1,23 0,55 4,57 0,20 1,34 0,41 2,50 Tab.4: Drsnost povrchu ve stopách po opotřebení oceli ČSN 11 523 Vzhledem ke specifikacím použitého kola a jeho mechanickým vlastnostem, je žádoucí během zkoušek opotřebení sledovat vliv abrazivních účinků na ocelové kolo způsobující opotřebení. Během DSSW zkoušek bylo předpokládáno výraznější opotřebení ocelového kola, změna drsnosti povrchu vystaveného kontaktu s abrazivem a vzorkem a především změna velikosti v jeho průměru. Úkolem bylo zjistit, zda nedochází k nadměrnému opotřebení a k vysokým úbytkům materiálu ocelového kotouče, což by přispívalo k jeho nízké životnosti a snížení ekonomické efektivnosti zkoušek. Dalším aspektem pro sledování vlastností kola bylo zabezpečit objektivnost zkoušek vzhledem k předpokládané měnící se drsnosti kola zapříčiněné používáním různých druhů abrazivních písků (velikostní frakce, tvrdost,..), rozdílným zatížením a zvolenými testovanými materiály o různých mechanických vlastnostech. V obr.6 a v tabulce 5 je zaznamenána drsnost kola Ra1 a Ra2 v závislosti na použitém zatížení a na působícím abrazivním médiu. Drsnost Ra1, povrch snímaný ve směru rovnoběžném se směrem abraze, byla před testy totožná s drsností povrchu ve směru kolmém (Ra2). Během zkoušek opotřebení abrazivním médiem Al 2 O 3 a působením obou zatížení 22/56 N drsnost Ra2 zůstala beze změn, ovšem jak poukazuje Ra1, povrch kola se nepatrně změnil ve směru abraze, kdy drsnost povrchu nepatrně klesla z Ra 5,2 na Ra 4,2. Při dalším průběhu zkoušek za použití abraziva SiO 2 a zatížení 56 N drsnost v obou směrech opět klesla na Ra1 3,6 a Ra2 4,3. Při zatížení 22 N a abrazivního média SiO 2 se drsnosti Ra1 a Ra2 vyrovnaly na hodnotě 3,9. Z celého průběhu obou křivek je vidět vliv abrazivních částic na měnící se kvalitu povrchu kola. Drsnost povrchu se mění pouze s měnícím se abrazivním médiem a vliv zatížení není průkazný. Horší kvalitu povrchu kola avšak způsobily tvrdší a ostrohrannější částice abrazivního písku Al 2 O 3. Nižší hodnota drsnosti povrchu Ra2 oproti Ra1 je zapříčiněna kolmým pojížděním hrotu snímače drsnoměru přes jednotlivé abrazivní dráhy vzniklé rotováním ocelového kola po povrchu vzorku při spádu abraziva ve směru totožném se směrem otáčení kola. Naproti tomu měření Ra1 spočívalo v pojíždění hrotu snímače v utvořené abrazivní dráze (na úrovni vrcholu nebo sedla). Tab.5: Hodnoty povrchové drsnosti ocelového kola po DSSW testech Vzorek Abrazivo/Zatížení č. [N] Ra 1 Ra 2 Sm.odch.Ra 1 Sm.odch.Ra 2 před před 5,31 5,05 0,86 0,20 1,2 Al 2 O 3 /22 4,50 5,37 0,24 0,33 3,4 Al 2 O 3 /56 4,03 5,20 0,43 0,30 5,6 SiO 2 /56 3,64 4,32 0,18 0,04 7,8 SiO 2 /22 3,86 3,90 0,17 0,32 Obr.6: Povrchová drsnost ocelového kola po DSSW testech
S měnící se kvalitou povrchu ocelového kola docházelo během zkoušek opotřebení i ke změnám v jeho průměrné velkosti. Změna rozměrů je typická pro oba typy abrazivních zkoušek, DSRW a DSSW, neboť u obou typů dochází k opotřebení kola. Velikost opotřebení kola by mohla být vyjádřena pomocí vztahu (1), koeficient opotřebení pak podle vztahu (2): ø v kola = l [mm/m] (1) kde: v kola.. rychlost opotřebení [mm/m] ø... změna velikost (průměru kola) [mm] l délka abrazivní dráhy [m] k= ø F *l kde: k. F. [mm/nm] (2) koeficient opotřebení [mm/nm] zatížení [N] Během zkoušek opotřebení byla při obrušování oceli prokázána změna velikosti kola. Projevila se zde závislost změny rozměrů ocelového kola na použitém zatížení a abrazivním médiu. Z naměřené závislosti bylo patrné, že rozměry kola se v průběhu testů snižují téměř lineárně. S bližší pozorností na uvedená zatížení bylo však zřejmé, že při vyšších zatížení je rychlost opotřebení ocelového kola vyšší, a to bez ohledu na použité abrazivo. Pro detailnější rozbor opotřebení byla hodnocena rychlost opotřebení a koeficient opotřebení ocelového kola. Výsledky prokázaly, že rychlost opotřebení kola je dvojnásobná při zvýšeném zatížení 56 N. Koeficient tření je nezávislý na zatížení, s druhem abraziva se však liší. 3.2 OPOTŘEBENÍ CERMETŮ NA BÁZI WC-CRC-NI HVOF technologie je moderní metodou pro vytváření povlaků na strojních součástech za účelem vytvoření ochrany a prodloužení životnosti strojních částí. Povlaky vytvářené touto technologií jsou hojně využívány ve všech odvětvích průmyslu. Vhodnou ochranou součástí pracujících především v podmínkách abrazivního opotřebení jsou cermetové povlaky. Mezi ně lze zařadit např. povlaky na bázi WC-CrC-Ni, které kombinují vysokou abrazivní odolnost karbidu wolframu s abrazivně-korozní odolností karbidu chromu při vyšších teplotách. Tři nepatrně odlišné typy z řad těchto povlaků byly testovány při high-stress podmínkách jako zástupci cermetů určených pro ty nejnáročnější aplikace. Povlaky byly prozatím zkušebně testovány pouze abrazivem Al 2 O 3 při zatížení 22 N. Výsledky zkoušek jsou uvedeny v grafu na obr.7. V grafu jsou uvedeny hmotnostní úbytky materiálů povlaků. Z naměřených výsledků je patrné, že podmínky DSSW testů jsou vysoce agresivní nejen pro ocelové materiály, ale i pro tvrdé HVOF stříkané cermetické povlaky. Během zkoušek byl u všech materiálů odhalen substrát ještě před zakončením testů. U povlaku 2 a 3 dokonce již ve 2. cyklu zkoušek. Z tohoto důvodu je nutné podmínky zkoušek individuálně přizpůsobit pro jednotlivé materiály, které mají být testovány. Především se zaměřením na tloušťku povlaku, velikost zatížení, délku abrazivní dráhy a druh abrazivního média. Obr.7: DSSW test na povlacích WC-CrC-Ni
ZÁVĚR V této studii byla věnována pozornost na hodnocení abrazivního opotřebení metodou DSSW v souladu s normou ASTM-G65. Tato tribologická zkouška byla zařazena mezi zkoušky operující v high-stress abrazive podmínkách. Byl sledován vliv abrazivních částic a velikosti zatížení na míru opotřebení testovaného materiálu a použitého zařízení. Tím je myšleno především rotující ocelové kolo způsobující tří-tělesovou abrazi během DSSW zkoušek. Jako abrazivní média byly zvoleny písky Al 2 O 3 a SiO 2 o zrnitostní frakci 200-300 µm, použité zatížení bylo 22N a 56N. Test byl proveden na konstrukční oceli ČSN 11 523 a cermetovém HVOF stříkaném povlaku WC- CrC-Ni. Ze zjištěných výsledků vyplývá následující: - písky Al 2 O 3 a SiO 2 o zrnitostní frakci 200-300 µm mají téměř stejnou abrazivní schopnost vůči oceli ČSN 11523 bez ohledu na jejich rozdílné vlastnosti - se zvyšujícím se zatížením se zvyšuje opotřebení oceli bez závislosti na použitém abrazivním médiu - při DSSW je opotřebení oceli dvojnásobně vyšší než při DSRW testu, to platí pro obě použitá abrazivní média - drsnost povrchu ve stopách po opotřebení je nezávislá na použitém zatížení - drsnost povrchu ve stopách po opotřebení je závislá na použitém abrazivu, abrazivo Al 2 O 3 způsobuje větší zdrsnění povrchu - drsnost povrchu ocelového kola se mění pouze s měnícím se abrazivním médiem, vliv zatížení nebyl průkazný - horší kvalitu povrchu ocelového kola způsobily tvrdší a ostrohrannější částice abrazivního písku Al 2 O 3 - byla zjištěna závislost mezi velikostí zatížení a rychlostí opotřebení ocelového kola - nebyla přímo zaznamenána závislost rychlostí opotřebení ocelového kola na typu abrazivních částic - pro hodnocení žárově stříkaných povlaků dle DSSW je nutné zohlednit typ testovaného materiálu povlaku a zabezpečit vhodné podmínky zkoušek a reprodukovatelnost procesu PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla za podpory Akademie věd České Republiky v rámci projektu CV 1QS200430560. LITERATURA [1] ASTM G65-00 ε1, Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus, Copyright ASTM, PA 19428-2959, United States [2] M.S. Bhat, V.F. Zackay, E.R. Parker, I. Finne, wear resistant alloys for coal handling equipment, Prg. Rep. for the Period Oct. 1, 1977-Sept.30, 1979, Rep.ZP8006, Univ. CA, Berkeley, CA, 1979, 63pp. [3] J.A. Hawk, R.D. Whilson, J.H. Tylczak, O.N. Dogan, Wear 225-239 (1999) 1031-1042 [4] X. Ma, R. Liu, D.Y. Li, Wear 241 (2000) 79-85