Obraba jekla 100 Cr6 pri majhnih oscilacijah Fretting Wear of 100 Cr6 Steel at Low Amplitude Slips J. Vižintin, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Katedra za konstruiranje, Laboratorij za tribologijo, Ljubljana F. Vodopivec, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana Opis poškodb, ki so nastale v odvisnosti od velikosti amplitude pri konstantni frekvenci 50 Hz. Za primerjavo smo opisali tudi poškodbe, ki smo jih opazili pri enakih amplitudah in različnih frekvencah. Opisan je mehanizem površinskih poškodb, volumska in linearna vrednost obrabe ter koeficient obrabe. Ključne besede: torni koeficient, obraba, utrujanje površine, trenutna dotikalna temperatura This paper presents surface damage depending upon the value of the amplitude slip at the constant frequency 50 Hz. We have compared sudace damage vvhich has been obtained at the same amplitude and at a dissimilar frequency. The present paper describes the mechanism of the surface damage, value of the volume and linear vvear and wear index. Key vvords: coefficient of friction, vvear, surface fatigue, flash temperature 1 Uvod Obraba pri utrujanju (fretting) je posebna oblika površinske poškodbe dolikalnih ploskev dveh trdnih teles, ki v dotiku oscilirata pri majhnih amplitudah. Tovrstne poškodbe nastajajo na več pomembnih strojnih elementih kot so kotalni ležaji, lome zveze, različni tečaji in vrttšča ter različni drugi strojni deli. Prepoznavamo jih po enem ali več mehanizmih poškodb, ki hkrati nastajajo na dotikalnih ploskvah trdnih teles. Ti mehanizmi so lahko hrapavost dotikalnih površin, prenos materiala, nastanek in širjenje razpok ter odstranjevanje materiala oziroma obraba. Velikost in mehanizem površinske poškodbe pri majhnih oscilacijah sta odvisna od površinskega tlaka v kontaktu, frekvence, amplitude, temperature v dotiku, lastnosti materialov v dotiku, kvalitete obdelave dotikalnih površin in okolice. 2 Osnovna spoznanja Mejne vrednosti amplitud, pri katerih nastane poškodba dotikalne površine pri majhnih oscilacijah, še niso natančno opredeljene. Tomlinson1 je ugotovil, da mikro zdrs med dvema površinama v dotiku, lahko nastane že pri amplitudi 0.002 mikrona. Zgornja meja amplitude zdrsa pa je označena s prehodom iz procesa, ki je značilen za obrabo pri utrujanju (fretting), v proces obrabe, ki nastane pri neprekinjenem drsenju dveh trdnih teles. Avtorji"'3 so ugotovili, da je zgornja meja amplitude zdrsa od 250 do 300 mikronov. Več avtorjev3 4 ' h je ugotovilo, da je kritična amplituda zdrsa, pri kateri se pri utrujanju (fretting) obraba močno poveča, nekje med 30 in 70 mikroni. Ugotovljeno je bilo tudi, da pri amplitudi zdrsa, ki je manjša od kritične amplitude, se material ne obrablja ampak nastanejo površinske poškodbe in uuujanje materiala. Pri kritični amplitudi 25 mikronov so izmerili koeficient obrabe od 10~7 do 10"9, kar je veliko manj kot pri drsnem trenju brez prisotnosti maziva, pri katerem je izmerjen koeficient obrabe od 10~3 do 10~5. V naših raziskavi smo amplitudo spreminjali od 5 do 1650 mikronov pri konstantni frekvenci. Za nekatere vrednosti amplitud smo preizkuse izvedli tudi pri povečani frekvenci, od 100 do 480 Hz. Z. raziskavo smo želeli utrditi vrednosti za kritično amplitudo, določiti zgornjo mejo amplitude za nastanek obrabe pri utrujanju (fretting) in raziskati mehanizme obrabe. 3 Priprava vzorcev Za raziskavo smo izbrali standardni par kroglica-valj. Material za kroglico in valj smo izbrali legirano krom-oglikovo jeklo 100Cr6 za kotalile ležaje. Trdota dotikalne površine vzorcev po termični obdelavi je bila od 60 do 63 HRC (860 HV). Dotikalna površina valja in kroglice je imela srednje odstopanje profila Ra = 0.05 in največjo višino ner-avnin Rmax. = 0.44 mikrometra, kar ustreza stopnji za kvaliteto obdelave N3 do N4. Pred vsakim preizkusom smo preizkusni par razmastili v ultrazvočni kopeli. Vlage med preizkusom nismo posebej merili, v okolici preizkušanja pa je bila 30%. Temperatura okolice je bila 20°C. 4 Naprava za preizkušanje Za preizkušanje smo uporabili visoko frekvenčni stroj OP-TIMOL SRV. Zgradba mehanskega dela in princip delovanja stroja sta razvidna iz slike 1. 5 Pogoji preizkušanja in analiza obrabljene dotikalne površine Preizkuse smo opravili pri konstantni sili F = 100 N. Vrednosti za amplitudo in frekvenco, pri katerih smo preizkušali, nam prikazuje tabela 1. Pri konstantni frekvenci 50 Hz smo amplitudo spreminjali od 5 do 1625 mikronov. Za amplitude 10, 15, 35, 85 in 460 smo preizkuse opravili še pri spremenjenih frekvencah, tabela 1. Število ciklov 280000 je bilo za vsak preizkus konstantno. Postopek za pripravo Tabela 1. Vrednosti za amplitudo in frekvenco Številka vzorca Zi z2 z3 Z4 /,S Z6 z7 z8 z9 Zio Zn Zl2 Zl3 Z14 Frekvenca (Hz) 50 50 50 50 50 50 50 50 50 480 400 300 200 100 Amplituda (p,m) 5 15 50 75 100 150 250 500 1625 10 15 35 85 460 pod dotikalno površino in 130 mikronov iz koordinatnega izhodišča6. AMPLITUDA 1 Preizkuševalna komora 2 Zunanji pritisni drog 3 Membrana 4,5 6 Nihajni pogonski drog Zgornji strižni ležaj 7 8 9 Notranji pritisni drog Spodnji pritisni ležaj Vpenjalna priprava Porazdelitev normalne napetosti po dotikalni ploskvi 10 Zgornje držalo preizkušanca (izmenljivo) 11 Zgornji preizkušanec (izmenljiv) 12 Spodnji preizkušanec (izmenljiv) Porazdelitev strižne 13 Spodnje držalo preizkušanca napetosti po dotikalni 14 Gretje ploskvi 15 Odjemnik sile 16 Snemalni blok Slika 1. Zgradba mehanskega dela SRV naprave. Figure 1. SRV fretting test ring. vzorcev pred in po preizkusu je bil tako časovno kot po načinu priprave enak, za vse pare preizkušancev. Temperatura, pri kateri smo preizkušali, je bila 50° C. Pred preizkusom smo na določenem številu vzorcev izmerili trdoto, mikro trdoto in hrapavost dotikalne površine. Vse vzorce smo tudi stehtali na tehtnici z natančnostjo 0.00001 g. Po preizkusu smo izmerili mikrotr-doto na obrabljeni dotikalni površini, profile kalote v smeri pravokotno na smer gibanja kroglice, velikost kalote in težo vzorcev. Obrabljene dotikalne površine smo analizirali na OM in na SEM. 6 Izračun napetosti na in pod dotikalno površino Slika 2 nam za naš primer prikazuje porazdelitev napetosti na dotikalni površini, v obremenjenem stanju, pri mirovanju. Vrednosti za natezno in tlačno napetost, na robu in v dotikalni Hertzovi ravnini, smo izračunali za različne koeficiente trenja. Natezna napetost je največja na robu dotikalne ploskve in se z. večanjem koeficienta trenja linearno spreminja. Misesova napetost je bila največja 70 mikronov pod dotikalno površino in 90 mikronov iz koordinatnega izhodišča. Do vrednosti koeficienta trenja 0.3 je konstantna nato se linearno povečuje. Podobno se spreminja tudi ortogonalna napetost, ki je bila največja 50 mikronov Izgled dotikalne (obrabne) ploskve Področje brez mikrozdrsa, če je TS/ O,--- fs(koeficient trenja pri mirovanju) Področje z mikrozdrsom, če je Ts q,>fs Področje z mikrozdrsom Področje brez mikrozdrsa Slika 2. Model preizkušanja in porazdelitev napetosti za koeficient trenja pri mirovanju (/j), rr y = 2176 N/mm2. rs = 1275 N/mm-. Figure 2. Model of testing. and the stress distribution in static coefficient of friction (//), o v = 2176 N/mm", r, = 1275 N/mm2. Iz podatkov za mikrotrdoto materiala, iz katerega smo izdelali vzorce, smo izračunali mejno plastično napetost za enoosni nateg in strig. Izračunali smo tudi mejno strižno napetost pri kateri ne nastopi obraba, pri čemer smo predpostavili, da je izbran material odporen na ad-hezijsko obrabo. Vrednosti za mejne plastične napetosti in mejno strižno napetost smo izračunali za različno temperaturo popuščanja (masna temperatura vzorcev). Za izračun napetosti smo uporabili računalniški program CONTAKT7, ki smo ga izdelali na FS in program ACTIS, ki smo ga dobili v USA. Maksimalni Herzov tlak je bil 2176 MPa, Hertzov radij 0.1481 mm, maksimalna defomiacija na mestu maksimalnega Herzovega tlaka pa je bila 0.0044 mm. 7 Opis rezultatov 7.1 Rezultati pri frekvenci 50 Hz Slika 3 nam prikazuje velikosti kalot v odvisnosti od am-plitude zdrsa. Pri amplitudi 5 mikronov se je kalota, v primerjavi s Hertzovo kotaktno površino (slika 2), malo povečala. Površinske poškodbe so nastale samo na tistem delu dotikalne površine, ker se je pri statični obramenitvi pojavil mikro zdrs. Utrujanje površine pa se je pojavilo tudi na srednjem delu dotikalne površine, to prikazuje slika 4. Pri amplitudi 15 mikronov se je kalota močno povečala, vendar je razmerje med osjo a in b ostalo nespremenjeno, slika 5. Topografija profila kalote, ki je prikazana na sliki 5, je zelo groba, kar dokazuje, da je bil proces nastajanja in širjenja razpok med obrabnim procesom zelo intenziven. Material se je med procesom odstranjeval, obrabljal, na dotikalni površini kalote pa smo opazili tudi oksidno plast. E 17........! a. in 250 /xm j Velikost obrabne kotanje loo—: OH--r—r—.—r -T- -r —T- T—' r i o 100 200 300 400 500 1625 Amplituda n(jim) Slika 3. Širina in dolžina obrabne kotanje v odvisnosti od amplitude. Figure 3. Diameters of the wear sear plotled as a funetion of amplitude. Podoben mehanizem poškodb smo ugotovili tudi na drugih kalotah do amplitude zdrsa 250 mikronov. Profile kalot prikazuje slika 6. Os kalot a se je od amplitude 50 mikronov naprej povečevala z vrednostjo amlitude, os b pa se je zmanjševala do velikosti Hertzove dotikalne površine, ki jo je dosegla pri amplitudi 1625 mikronov. Globina kalote je bila največja pri aplitudi 15 mikronov in se je potem zmanjševala do vrednosti nič pri največji amplitudi, slika 7. Volumska in linearna količina obrabljenega materiala je bila največja pri amplitudi 15 mikronov in se je potem zmanjševala z večanjem amplitude. Slika 8 nam prikazuje vrednosti za koeficient obrabe, katerega potek je podoben volumski obrabi. Povečava: 100x Povečava: 750x Slika 4. Izgled dotikalne površine po preizkusu; / = 50 Hz, a = 5 /tm. F"igure 4. Microphotographs of the wear scar after the test; / = 50 Hz, a=5 /tm. 7.2 Rezultati pri različni frekvenci Za amplitudo zdrsa 10, 35, 85 in 460 mikronov smo izbrali različne frekvence, da bi ugotovili, kako frekvenca vpliva na poškodbo dotikalne površine. Vsak dobljeni rezultat je treba opazovati ločeno in v primerjavi z rezultatom, ki smo ga dobili pri frekvenci 50 Hz. Slika 9 prikazuje velikosti kalot v odvisnosti od frekvence in amplitude zdrsa. Pri aplitudi zdrsa 10 mikronov je bila topografija dotikalne površine profila kalote groba. Material se je med procesom obrabe gnetel na sredini dotikalne površine, ki je bila po velikosti približno enaka kot pri 50 Hz. Plastične defomiacije so nastale na robovih dotikalne površine, kjer je bila natezna napetost največja. V sredini dotikalne površine pa se je material gnetel, zato predvidevamo, daje bila kontaktna temperatura tako visoka, da je prišlo do tečenja materiala, slika 10. Podobne rezultate smo dobili tudi pri amplitudi 15 in frekvenci 400 Hz ter amplitudi 35 mikronov in frekvenci 300 Hz. Pri amplitudi 85 in 460 mikronov ter frekvenci 200 in 100 Hz pa smo dobili profile kalot, ki so podobni profilom pri frekvenci 50 Hz, slika 6. Globino kalot prikazuje slika 11, koeficient obrabe pa slika 12. : .f iMLUnAMV" Povečava: 100x Povečava: 750x Slika 5. Izgled dotikalne površine po preizkusu; / = 50 Hz, a = 15 jim. Figure 5. Microphotographs of the uear scar after the test; / = 50 Hz. a = 15 ,im. 8 Analiza rezultatov Pri statični obremenitvi je bila tlačna napetost na dotikalni površini taka, da je bila deformacija površine v mejah elastičnosti. Mikro zdrs je bil samo na robovih dotikalne površine, kjer se je tlačna napetost spremenila v natezno. Pri statični obremenitvi je bil koeficient trenja okrog 0.1. Pri oscilacijskem gibanju se je koeficient trenja povečal od 0.1 do 0.5, pri nekaterih primerih tudi nad to vrednostjo. Z večanjem koeficienta trenja se je natezna napetost spreminjala izmenično na rbovih Hertzove površine, v smeri gibanja. Vrednost se ji je spreminjala od 0.1 x po do velikosti Hertzovega tlaka in več, odvisno od trenutne vrednosti koeficienta trenja. Vrednost ortogonalne napetosti je bila pri koeficientu trenja od O do 0.4 konstantna, 914 N/ntnr. Ko je bil koeficient trenj večji od 0.4 pa se je linearno povečevala. S koeficientom trenja se je povečevala tudi strižna napetost na dotikalni površini. S trenjem se je spreminjala tudi količina toplote, ki se je med procesom obrabe prevajala skozi dotikalni ploskvi v obe trdni telesi in v okolico. S številom ciklov — nihajev se je kontaktna temperatura, ki je enaka temperaturi mase in trenutne (flash) temperature, v mikro in makro dotiku stalno povečevala. S povečano temperaturo mase se je zniževala meja plastičnosti materiala v dotiku. Glede na računske r ' Z, f = 50 Hz a = 5 pm "TI ' Z2 f = 50 Hz a = 15 p m \ jJ »■'i V v if z. V ' L t = 50 Hz a = 50 p. ru \ f = 50 Hz a = 75 p m 4 N-f k.v.. - f = 50 Hz = 50 Hz a = 100 pm ™t\ .Jj/ V* ■ z, f = 50 Hz a = 150/ii m z7 t = 50 Hz a = 250 p. m f = 50 Hz a = 500 pm f = 50 Hz a = 1625 prt. Z10 f = 480 Hz a = 10 pm , jfi ;v Z« f = 400 Hz a = 15 pm J , V la I = 300 Hz a - 35 pm V— Zn itji f = 200 H: a - 85 um '.1 Z,4 f - 100 Hz 250 /im a = 460 p m Slika 6. Profili kalol. Figure 6. Profiles of uear scar rezultate smo ugotovili, da je v našem obremenitvenem primeru Hertzov tlak presegel dopustno mejo plastičnosti pri temperaturi mase 120°C, mejo strižne trižne napetosti pa pri temperaturi mase 400° C, kjub temu, da se je material med procesom obrabe stalno utrjeval. Primerjava računskih in eksperimentalnih rezultatov pa nam je pokazala, da se je pri večji frekvenci in enaki amplitudi zelo močno povečala kontaktna temperatura in s tem tudi temperatura mase. Natezna. tlačna in strižna napetost so presegle dopustno plastično napetost in mate- 10 H 4 9-i J B-- H 6-i sH 4 31 2 -i i> Frekvenca 50Hz 0- , ■ --------T -p 1 | - " T "J T ^ _ ^ " o 100 200 300 400 500 1625 Amplituda a(^m) Slika 7. Največja globina kalot v odvisnosti od amplitude. Figure 7. The greatest depth of the wear scar as a function of amplitude. 2,16 - j Frekvenca 50Hz -i I i M 1 1 ! 1 T 100 200 300 400 500 1625 Amplituda a(/xm) Slika 8. Koeficient obrabe v odvisnosti od amplitude. Figure 8. Wear rate as a function of amplitude. rial se je plastično deformiral. Plastično deformiran material je ostal v kontaktu in se je gnetel na sredini dotikalne površine. Izgled plastično deformirane dotikalne površine prikazuje slika 10. Po našem mnenju se pri večji frekvenci, v enakem času. akumulira večja količina toplote na enako Velikost obrabne kotanje i 900 600 3 700 O- 600 J 600- O £ 400- io -g 300 | 200 O -o .S 100 ca ■c o L VV T" 100 460 200 65 300 35 400 «0 Frekvenca f(Hz) 15 10 Amplituda a(>im) Slika 9. Širina in dolžina kalot v odvisnosti od frekvence. Figure 9. Diameters of the wear scar plotted as a function of frequency. F^v-tfffllj lHVjfi :: I f .........W-:.....i....................................... 4 M n 250 pim Povečava: 100i Povečava: 750x Slika 10. Izgled dotikalne površine po preizkusu; / = 480 Hz, a = 10 ;im. Figure 10. Microphotographs of the wear scar after the test; / = 480 Hz, a = 10 /trn. Slika 11. Največja globina kalol v odvisnosti od frekvence. Figure 11. 'ITie greatest depth of the wear scar as a function of frequency. veliki ali manjši realni dotikalni površini. Ker je odvod toplote enako intenziven, enake mase in okolica, ostane v dotikalni površini večja količina toplote, ki poveča temperaturo mase. Našo domnevo potrjujeta sliki 4 in 5 in dejstvo, da takih poškod na dotikalni površini nismo dobili na vzorcih, ki smo jih preizkušali pri povečani amplitudi in večji frekvenci, slika 6. 9 Zaključki Na nastanek in širjenje površinskih poškodb pri majhnih oscilacijah zelo močno vplivata tako frekvenca kot tudi am-plituda. Meja obrabe pri utrujanju je odvisna od več parametrov, največje poškodbe pa smo dobili pri amplitudah od 15 do 35 mikronov in to neodvisno od velikosti frekvence. Pri amplitudi nad 250 mikronov nismo opazili poškod dotikalne površine, ki so karakteristične za fretting. Za nastanek in širjenje površinskih poškodb so po naši oceni zelo pomembne lastnosti materialov, ki sta v dotiku pri majhnih oscilacijskih nihanjih. Zato bi bilo potrebno nadalnje raziskave usmeriti v študij obrabe utrujanja, pri kombinacijah različnih materialov. 1,0 — 0,9- 0,8- 0,7- B 0,6- "b 0,5-J3. ^ 0,4" 0> 1 0,3" O 0,2 — .Si "o - H 0,1- 0 I i M M M 1 M "" , , 0 100 200 300 400 500 Frekvenca f(Hz) 460 85 35 15 10 Amplituda a(/xm) Slika 12. Koeficient obrabe v odvisnosti od frekvence. Figure 12. Wear rate as a function of frequency. 10 Literatura 1 Tomlinson G.A.: "The Rusting of Steel Surfaces in Contact", Proc. Royal Societty (London). 115A, pp 472-483 (1927). 2 Halliday J.S. and Hirst W.: "The Fretting Corrosion of Mild Steel", Proc. Royal Society (London). 236A, pp 411-425 (1956). 1 Ohmae N. and Tsukizoe T.: "The Effect of Slip Amplitude on Fretting". Wear, 27, pp 281-294 (1974). 4 Waterhouse R.B.: "Fretting Corrosion", Pergamon Press. New York. (1972). 5 Waterhouse R.B.: "Fretting Wear". Proc. 1981 Intl. Conf.. San Francisco, California, American Society of Mechanical Engineers, pp 17-22 (1981). 6 Vižintin J.: "Fretting Wear of Ceramics", Annual Report. Usa-Slo Projekt Contract No NIST JF 984, (1991). 7 Vižintin J., Kosmač S.: Analiza obremenitvenega stanja po Hertzu pri enodimenzionalni zakrivljeni ploskvi. Diplomska naloga. (1988).