VÝZKUM MOŽNOSTÍ ZVÝŠENÍ ŽIVOTNOSTI LOŽISEK CESTOU POVRCHOVÝCH ÚPRAV RESEARCH INTO POSSIBILITY OF INCREASING SERVICE LIFE OF BEARINGS VIA SURFACE TREATMENT Zdeněk Spotz a Jiří Švejcar a Vratislav Hlaváček b Lenka Klakurková a Pavel Doležal a Drahomíra Janová a a VUT FSI, Technická 2896/2, 616 69 Brno, ČR, me2dd@seznam.cz b SVÚM, a.s., Praha, ČR Abstrakt Příspěvek se zabývá hodnocením vlastností povlaků aplikovaných na ložiskové oceli. Pro hodnocení tribologických vlastností materiálů s povrchovou úpravou bylo využito fluoropolymerních povlaků - PTFE + Niborit 5P, XYLAN 1010 a ISOFLON, které vykazují dobré antikorozní, elektroizolační i kluzné vlastnosti. V rámci práce byly dále hodnoceny tribologické vlastnosti uhlíkového povlaku typu DLC, který se vyznačuje vysokou tvrdostí a nízkým koeficientem tření. Vyhodnocení opotřebení jednotlivých typů povlaků po tribologických zkouškách bylo provedeno pomocí rastrovací elektronové mikroskopie. Abstract The paper is concerned with the evaluation of the properties of coatings applied to bearings steel. In the evaluation of tribological properties of surface-treated materials the fluoropolymer coatings were used (PTFE +Niborit 5P, XYLAN 1010, and ISOFLON), which exhibit very good anti-corrosion, electro-insulation and sliding properties. As part of the present work the tribological properties were also evaluated of type DLC carbon coating, which is characterized by high hardness and a low friction coefficient. The wear of individual types of coating subsequent to tribological testing was evaluated with the aid of scanning electron microscopy. 1. ÚVOD Prodloužení životnosti součástí valivých a kluzných ložisek lze dosáhnout aplikací povrchových vrstev a povlaků. Výzkum a vývoj nových koncepcí a typů povlaků je v současné době zaměřen převážně na zvýšení tvrdosti povrchu, snížení součinitele tření, zvýšení odolnosti proti abrazivnímu a adhezivnímu opotřebení a tím i na celkové prodloužení životnosti ložisek. V souladu s požadavkem těchto materiálových charakteristik a co nejjednodušší výrobní technologii byly zvoleny povlaky na bázi PTFE a DLC. 2. MATERIÁLY POVLAKŮ 2.1 DLC - povlak (Diamond-Like Carbon) Diamantu podobné uhlíkové povlaky nacházejí v poslední době široké uplatnění. Jedná se o amorfní směs grafitu a uhlíku s vazbou podobnou diamantu. Vyznačují se vysokou 1
tvrdostí a nízkým koeficientem tření. Používají se především v automobilovém průmyslu na povlakování dílů (čerpadla, zámky apod.).výrobce ložisek SKF zaměřuje část svých výzkumných prací na další vývoj těchto povlaků. V současné době se u SKF pro většinu aplikací nanáší DLC - povlak na valivá tělesa. V našem případě byl tento typ polvaku nanášen PVD technologií společností HVM Plasma spol. s.r.o. Modřice u Brna, s použitím mezivrsty W. 2.2 PTFE + Niborit 5P PTFE + Niborit 5P je povlakovací materiál namíchaný ve SVÚM a.s. Jedná se o směs Remisol 59 %, PTFE 6%, Niborit 35%. Niborit 5 P je navařovací niklový prášek o následujícím složení: C - 0,6%, Si - 3,8%, Cr -11,0%, Fe - 4,0%, B - 2,5%, Ni zbytek. Výrobcem je firma Böhler Thyssen Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf (SRN). Další složkou směsi je Remisol, což je speciální organický lak z tepelně stabilních polymerů s anorganickými přísadami. Původně je určený pro lisovací nástroje a pro elektroplechy, má vysokou odolnost povrchu a výborné elektroizolační vlastnosti. Výrobcem je firma Rembrandtin Lack GmbH Vídeň (Rakousko). Povlak byl nanášen ručně pomocí vzduchové stříkací pistole se speciální tryskovou soustavou na předem jemně otryskaný povrch. 2.3 Xylan 1010 Organický, tepelně vytvrditelný povlak na bázi PTFE. Tento materiál využívá jako pojivo pryskyřice. Poskytuje optimální kombinaci nízkého koeficientu tření a otěruvzdornosti, je možno jej použít i v podmínkách suchého tření pro jeho samomazný efekt, může být použit v rozsahu teplot 250 C až 280 C. Tento povlak byl nanášen ručně pomocí vzduchové stříkací pistole se speciální tryskovou soustavou na předem jemně otryskaný povrch. 2.4 Isoflon Isoflon je speciální kluzný povlak na bázi PTFE s přísadami, podobný Xylanu 1010. Vzorek povlaku byl připraven u stejnojmenné francouzské firmy, bez uvedení bližších informací, týkajících se výrobního postupu. 3. TRIBOLOGICKÉ ZKOUŠKY KLUZNÝCH POVLAKŮ Tribologické zkoušky byly prováděny na zadíracím tribometru SVÚM. Při zkoušce jsou do přístroje upnuty dva vzorky. Horní vzorek se otáčí kolem své osy konstantní rychlostí 0,028 m.s-1 a je přitlačován na nehybný dolní vzorek. Třecí tlak je při zkoušce postupně zvyšován od 0,362 MPa do 9,834 MPa, jedná se celkem o 13 nastavitelných hodnot třecího tlaku. Materiálem vzorků byla ložisková ocel ČSN 14 109 a ČSN 14 209. Na povrchu dolního vzorku byl nanesen zkoušený povlak, horní vzorek byl bez povlaku. Tribometr zaznamenává průměrný třecí moment a koeficient tření pro jednotlivé hodnoty třecího tlaku. Zkoušky povlaků byly prováděny jednak za sucha, jednak v olejové lázni (třecí dvojice je ponořena v oleji). Výsledky zkoušek Z výsledků provedených zkoušek vyplývá, že nejnižší koeficient tření 0,041 byl dosažen u povlaku označeného jako PTFE + Niborit 5P za sucha. Velmi nízkého koeficientu tření bylo dosaženo za sucha i u materiálu Xylan 1010. Zajímavé je, že tyto dva povlaky, jejichž základem jsou polymery, mají v olejové lázni o něco horší hodnoty koeficientu tření než za sucha. Výsledky tribologických zkoušek všech typů povlaků jsou uvedeny v Tabulce 1. 2
Tabulka 1. Třecí momenty a koeficienty tření při nejvyšším třecím tlaku (9,834 Mpa) Za sucha V oleji Průměrný třecí Koeficient tření Průměrný třecí Koeficient tření moment (Nm) (-) moment (Nm) (-) Xylan 1010 1,832 0,054 4,201 0,124 ISOFLON 2,712 0,080 3,859 0,114 PTFE + Niborit 1,387 0,041 3,859 0,114 DLC 11,539 0,340 2,746 0,081 4. ANALÝZA POVLAKŮ Pro komplexní posouzení vzorků byly hodnoceny jednak povrchy povlaků (výchozí stav a po tribologické zkoušce), jednak povlaky v příčném řezu, t.j. výbrusy zhotovené kolmo k povlaku. V obou případech byla prováděna i bodová a plošná chemická analýza povlaků s využitím energiově dispersního spektrometru rtg. záření. Hodnocení povrchů a příčných řezů, včetně EDS analýzy bylo prováděno na analytickém rastrovacím elektronovém mikroskopu PHILIPS XL-30/EDAX/VDS. Podle potřeby bylo použito buď zobrazení pomocí sekundárních elektronů (viz ozn. SE v popisce snímků), nebo pomocí zpětně rozptýlených elektronů (BSE), které mnohem více zdůrazňuje lokální rozdíly v chemickém složení, t.j. průměrné atomové číslo Z. 4.1 Výsledky analýz povlaku Xylan 1010 (tribolog. zkouška za sucha) Na Obr.1. je dokumentován vzhled analyzované plochy vzorku s dobře patrnou drahou opotřebení po tribologickém testu. Ze snímku neopotřebované části povlaku (Obr.2., Obr. 3.) je patrná poměrně výrazná strukturní heterogenita. Světlejší částice obsahují prakticky výhradně C a F v poměru váhových procent cca 1:2, zatímco tmavá matrice má fluor plně nahrazen kyslíkem. V ojediněle se vyskytujících drobných bílých částicích byly kromě majoritních obsahů C, O a F zjištěny i významné obsahy Mg, Al, Si. Plošné analýzy, Obr. 1. Xylan 1010 charakterizující průměrné složení v místě opotřebení a mimo něj (Tabulka 2) se významně liší pouze nárůstem obsahu Fe (signál ze substrátu) v opotřebované části povlaku. Tento efekt je výraznější z bodových analýz, provedených v místech, označených na Obr. 4. (oblasti po tribologickém testu). Analýza světlých míst na Obr. 4. (body č. 1-3 v Tabulce 4) ukazuje, že jde o oblasti, ve kterých byl povlak v průběhu zkoušky prakticky odstraněn. Tabulka 2. Plošná EDS analýza vzorku z oblasti středu (bez opotřebení) a z oblasti stopy po tribologické zkoušce (po opotřebení) - při zvětšení 100x wt % C O F Al Si Fe střed vzorku 42,95 10,67 44,00 0,43 0,48 1,46 oblast stopy 37,98 11,54 40,85 1,04 0,53 8,07 3
Obr. 2 Xylan 1010 - střed vzorku (plocha bez opotřebení) Obr. 3 Xylan 1010 - střed vzorku (plocha bez opotřebení) Tabulka 3. EDS analýzy míst označených na Obr. 3. wt % C O F Mg Al Si P Mn Fe Zn místo 1 34,33 22,99 31,85 1,78 1,94 1,80-0,14 5,17 - místo 2 57,79 15,00 12,40-1,21 0,50 2,02-2,66 8,43 místo 3 33,67-65,38 - - - - - 0,96 - místo 4 67,56 26,28-0,54 0,52 0,62 - - 4,48 - Obr. 4. Xylan 1010 - oblast stopy po tribologické zkoušce Obr. 5. Xylan 1010 - oblast stopy po tribologické zkoušce Tabulka 4. EDS analýzy míst označených na Obr. 4. wt % C O F Al Si Cr Mn Fe místo 1-6,48 21,87-0,61 1,19 0,89 68,96 místo 2-9,04 49,11-0,44 1,05 0,73 39,63 místo 3-7,72 48,01-0,59 0,87 0,74 42,08 místo 4 62,97 15,94 11,82 1,42 0,44 - - 7,41 místo 5 31,43-66,14 - - - - 2,43 4
4.2 Výsledky analýz povlaku PTFE + Niborit 5P (zkouška za sucha) Celkový pohled na vzorek Obr. 6., s viditelnou stopou po tribologické zkoušce. Struktura kompozitního povlaku v místě opotřebení i mimo něj je identická (viz Obr. 7. a Obr. 8.). Je tvořená kulovými částicemi Niboritu 5P o průměru max. cca 25 µm rovnoměrně rozmístěnými v PTFE matrici (složení viz Tabulka 5.). Obr. 6. PTFE + Niborit Tabulka 5. EDS analýza vzorku PTFE + Niborit, místa 1-3 označena na Obr. 7. wt % C O F Si Cr Fe Ni střed vzorku 50,99 22,19 16,49 0,39 1,59 0,84 7,51 oblast stopy 47,82 22,92 14,95 0,54 2,13 1,42 10,23 místo 1 - - - 4,28 9,57 4,23 81,91 místo 2 32,80 7,15 60,05 - - - - místo 3 52,48 27,56 19,96 - - - - Obr. 7. PTFE + Niborit - střed vzorku (plocha bez opotřebení) Obr. 8. PTFE + Niborit - oblast stopy po tribologické zkoušce 4.3 Výsledky analýz povlaku DLC (zkouška za sucha) Již ze snímků povrchu povlaku je patrná jeho malá tloušťka (povlak nepřekrývá nerovnosti po obrábění substrátu Obr. 9.). Povlak již před testem obsahuje drobné vady (viz světlá místa na Obr. 10.). Vysoký obsah Fe v uvedených místech naznačuje, že tyto vady jsou již v mezivrstvě W. Detailní pozorování tribologické dráhy a příslušné analytické hodnocení ukázaly lokální odstranění povlaku až na substrát (místa s nulovým obsahem W). 5
Obr. 9. DLC Obr. 10 DLC - střed vzorku Tabulka 6. EDS analýza vzorku DLC, místa 1 a 2 označena na Obr. 10. wt % C Cr Mn Fe Co W střed vzorku 59,93 2,85 0,37 2,92 2,10 31,84 místo 1 18,06 13,06 0,86 44,82 1,32 21,88 místo 2 63,62 2,79-2,69 1,81 29,09 4.4 Výsledky analýz povlaku DLC (zkouška v oleji) Kvalita povrchu substrátu byla v tomto případě výrazně vyšší, než u předchozího vzorku (Obr. 11.). Výsledky analýzy jsou jinak prakticky identické, včetně lokálního odstranění obou vrstev v některých místech dráhy Obr 11. DLC - olej 4.5 Výsledky analýz povlaku Isoflon V případě vzorků s povlakem ISOFLONu není významný rozdíl v ovlivnění struktury rozdílně realizovaným tribologickým testem (za sucha a v oleji). Jedná se o kompozitní nástřik, který má více armujících složek. Matrice na bázi C a F je zpevněna jednak částicemi nepravidelného tvaru (viz Obr. 14.), což jsou aglomeráty jemných částic. Po chemické stránce obsahují tyto shluky kromě C, O a F významná množství Ba, Al, Cu, S a Cr. (shluky jsou tvořeny částicemi na různé bázi, např. Ba či Cr). Příčné výbrusy odhalily přítomnost uhlíkových vláken a také přítomnost četných světlých ostrohranných částic na bázi Ba (patrně stejných, jaké jsou přítomny v aglomerátech). Dále jsou ojediněle přítomny částice na bázi Al. 6
Obr. 12. Isoflon za sucha Obr. 13. Isoflon v oleji Obr. 14. Isoflon - střed vzorku (plocha bez opotřebení) Obr. 15. Isoflon - oblast stopy po tribologické zkoušce Tabulka 7. EDS analýza vzorku Isoflon, místa 1-6 označena na Obr. 16. wt % C O F Al Si S Cr Mn Fe Cu Ba střed vzorku 18,22 5,53 61,98 4,36 0,36 2,58 1,53-1,32 1,03 3,09 oblast stopy 14,70 10,28 46,03 6,52 0,38 3,21 2,46 0,17 11,52 1,24 3,50 místo 1 - - 4,64 90,66-0,77 - - 3,93 - - místo 2-29,30 17,84 4,58-7,30 9,10-16,37 5,56 9,96 místo 3-5,13 58,82 1,78 0,85 3,36 2,41-22,97-4,68 místo 4-7,93 13,63 1,15 0,68 0,36 1,85 1,05 73,35 - - místo 5 28,61-68,17 - - 1,41 - - 1,81 - - místo 6 - - - - 98,58 - - 1,42 - - 7
5. ZÁVĚR Získané výsledky ukázaly dobré tribologické vlastnosti povlaků na bázi PTFE i DLC. V důsledku velké drsnosti povrchu substrátů nebylo možné stanovit dostatečně přesně míru opotřebení jednotlivých povlaků. U DLC povlaků jsou navíc očekávané ještě lepší výsledky při vhodnější výrobní technologii. V současné době probíhá testování tribologických vlastností dalších typů povlaků, budou prováděny také další testy povlaků na bázi DLC, zhotovenými různými způsoby. Tento příspěvek vznikl v rámci řešení projektu TANDEM FT TA3 / 15 LITERATURA [1].. NICHOLAS, T.: High Cycle Fatigue A Mechanics of Materials Perspective, Elsevier /2006/, ISBN 13: 978-0-08-044691-2 [2].. RUSŇÁK, Z., PETRENEC, M.: Styková únava ve valivém ložisku, CD-ROM, /2001/ [3].. ERDEMIR, E., aj.: Friction and wear performance of diamond-like carbon films grown in various source gas plasmas, Surface and Coatings Technology [online]. 1999, Vol. 120 121, [cit. 2008-02-11].Dostupné na WWW: http://sciencedirect.com/. Databáze odborných studií a časopisů. 8