#

Janusz JANECKI,

Janusz DASIEWICZ,

Jolanta DRABIK,

Zbigniew PAWELEC

Zespół Badań Materiałów,
do Regeneracji Elementów Maszyn
Instytut Technologii Eksploatacji, Radom

*)BADANIE WPŁYWU NIETOKSYCZNYCH DODATKÓW NA CHARAKTERYSTYKI TRIBOLOGICZNE SMARÓW PLASTYCZNYCH

Słowa kluczowe : Eksploatacja, regeneracyjne kompozyty metalożywiczne, naprawa uszkodzonych elementów, zużycie tribologiczne.

*Janusz JANECKI, Janusz DASIEWICZ, Jolanta DRABIK, Zbigniew PAWELEC, „BADANIE WPŁYWU NAPEŁNIACZY NA ODPORNOŚĆ NA ZUŻYCIE REGENERACYJNYCH KOMPOZYTÓW METALOŻYWICZNYCH”, PROBLEMY EKSPLOATACJI, 4/1998 s.173 -184

Słowa kluczowe : Kompozyt metalożywiczny, tarcie, zużycie, mikroskopia skaningowa, odporność cieplna, napełniacze.

Streszczenie

W pracy przedstawiono niektóre wyniki badań tribologicznych kompozytów metalożywicznych przeznaczonych do stosowania w wysoko obciążonych węzłach tarcia. Dokonano oceny wpływu granulacji napełniacza metalowego na zużycie tribologiczne doświadczalnego węzła tarcia. Zaprezentowano charakterystyki tarciowo-zużyciowe kompozytów metalożywicznych modyfikowanych dodatkami niskotarciowymi o budowie warstwowej: grafit, dwusiarczek molibdenu, zespół dodatków. Posługując się mikroskopią skaningową zbadano stan powierzchni kompozytu metalożywicznego po badaniach tribologicznych i określono zmiany w składzie eksploatacyjnej warstwy wierzchniej.

Wprowadzenie

Szereg trących elementów maszyn (np. łożyska ślizgowe, prowadnice płaskie) podlega podczas eksploatacji intensywnemu zużywaniu. Konstrukcja węzłów tarcia nie zawsze umożliwia zastosowanie metody obniżenia wymiaru naprawczego czopa poprzecznego łożyska ślizgowego, natomiast wymiana na nowy jest kosztowna. Ta sytuacja wymaga dość szerokiego stosowania procesu regeneracji metodą nakładania warstwy wierzchniej i obróbki (skrawaniem) na pierwotny wymiar [L. 1].
Stosowane klasyczne metody regeneracji (nakładanie warstwy napawaniem, metalizowaniem natryskowym, procesem galwanizacji itp.) są nieekologiczne i dość drogie. Ponadto wymagają stosowania odpowiedniej, nieraz kosztownej aparatury i pracy wysoko kwalifikowanych fachowców. Te wszystkie wady i usterki klasycznych metod można wyeliminować metodą regeneracji, polegającą na nakładaniu warstwy kompozytu metalożywicznego, szczególnie chemoutwardzalnego [L. 2].

Chemoutwardzalne kompozyty metalożywiczne

Dostępne na rynku odpowiednie kompozyty metalożywiczne przeznaczone są w zasadzie do wypełniania ubytków (pęknięcia karterów i obudów, regeneracja gniazd pod łożyska toczne czy panwie itp.); zalecenia producentów wspominają wprawdzie o możliwości stosowania ich także do odtwarzania warstw wierzchnich części maszyn - jednak ich właściwości tribologiczne są dalece niezadowalające.
W Instytucie Technologii Eksploatacji, zgodnie z zapotrzebowaniem między innymi przemysłu obrabiarek i maszyn włókienniczych, w wyniku wielu prób opracowano kompozyt wyraźnie nadający się do regeneracji warstw wierzchnich trących części maszyn. Ze względu na konieczność uzyskania prostego i taniego procesu technologicznego odtwarzania tych warstw zastosowano jako lepiszcze żywicę epoksydową, chemoutwardzalną. W wyniku szeregu prób ustalono, że optymalną będzie żywica Epidian 5 oraz utwardzacz aminowy [L. 8]. Badania rozmaitych żywic i utwardzaczy dowiodły, że odporność termiczna takiej kompozycji po utwardzeniu oceniona metodą derywatograficzną (RYS. 1) jest najwyższa [L. 8,11].
Rys. 1. Krzywa termograwimetryczna oraz krzywa termicznej analizy różnicowej chemoutwardzalnej żywicy utwardzonej aminą alifatyczną

 

Na podstawie prowadzonych badań stwierdzono, że najlepsze właściwości wykazują kompozyty metalożywiczne, oparte między innymi na wyżej wymienionej kompozycji bazowej i proszku Fe (kompozyt DIP-1). Dodatki napełniaczy stałych w postaci grafitu i dwusiarczku molibdenu polepszają znacznie warunki tarcia pary, zaś nieduży dodatek pulpy aramidowej pozwala uzyskać należytą tiksotropię nie utwardzonego kompozytu, gwarantując utrzymywanie się kompozytu na czopie aż do chwili jego pełnego utwardzenia. Taki skład zapewnia też dobrą sczepność kompozytu ze stalowym podłożem oraz wysokie właściwości wytrzymałościowe, a przede wszystkim odporność na zużywanie ocenioną w testach tribologicznych. (RYS. 3) [L. 3, 6]. W TABELI 1 przedstawiono właściwości wytrzymałościowe utwardzonego kompozytu DIP-1 w porównaniu z kompozytem produkcji zachodniej Unirep.
Właściwości tribologiczne zbadano w eksperymencie laboratoryjnym dokonując badań na oprogramowanym komputerowo testerze T-05 produkcji ITeE. Badania prowadzono przy tarciu krążka-czopa stalowego z nałożoną warstwą badanego kompozytu o stop łożyskowy (RYS. 2), smarowanego jedynie montażowe przy nacisku 9 MPa i prędkości liniowej 0,27 m/s na drodze 5000 m [L. 7].

Tabela 1. Wybrane właściwości wytrzymałościowe utwardzonych materiałów regeneracyjnych
Rodzaj kompozytu
Gęstość
kg/m3		Wytrzymałość na ściskanie
[MPa|		Udarność
[kJ/m2		Twardość wg Brinella
[MPa]		Wytrzymałość na odrywanie
[MPa]
Unirep2285113.02.50324.018.0
DIP-13200100.02.30259.727.0

Rys. 2. Modelowy węzeł tarcia - rolka (czop z nałożoną warstwą kompozytu DIP-1)
Rys. 3. Zużycie liniowe par ślizgowych: l - stal-brąz; 2 - kompozyt DIP-brąz; 3 Unirep-brąz

 

Opisaną metodę regeneracji z użyciem kompozytów metalożywicznych wdrożono w przemyśle włókienniczym (zregenerowano elementy maszyn farbiarskich) oraz remontowym obrabiarek (czopy oraz prowadnice płaskie). Regenerowane czopy oraz prowadnice pracują już ponad 3 lata przy znikomym zużyciu liniowym bez przypadku awarii (czopy stalowe regenerowano uprzednio metodami klasycznymi nie rzadziej niż co dwa lata). Kompozyty i metodę regeneracji opatentowano.
Opisana metoda regeneracji opracowanymi kompozytami została nagrodzona na międzynarodowych wystawach wynalazczości i innowacji medalami: złotym w Brukseli (1996, 1997), srebrnym w Genewie (1997) oraz brązowym w Norymberdze (1996).
W testach tribologicznych oceniono także wpływ obciążenia i prędkości na temperaturę węzła tarcia oraz zużycie kompozytu metalożywicznego z proszkiem CrFe EPAN I [L. 4]. Poniżej przedstawiono zależność iloczynu nacisku jednostkowego i prędkości ślizgania (p x v) od prędkości ślizgania wyznaczonej na podstawie testów wykonanych na stanowisku badawczym T-05 dla kompozytu metalożywicznego EPAN I (RYS. 4).
Kompozyt ten charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na ściskanie, jak również odpornością na korozję i działanie cyklicznie ziemnej temperatury oraz wykazuje wysoką stabilność termiczną. Ponadto regeneracyjna warstwa wierzchnia we współpracy ze stopem łożyskowym wykazuje niski współczynnik tarcia oraz wysoką odporność na zużycie [L. 5]. Powyższe zalety umożliwiły aplikację kompozytu EPAN 1 między innymi do regeneracji elementów wtryskarki. Niewątpliwym potwierdzeniem wysokiej jakości kompozytu EPAN było uzyskanie złotego medalu na światowej wystawie wynalazków naukowych i przemysłowych innowacji w Brukseli 1997.

Rys. 4. Wpływ warunków prowadzenia testów tribologicznych na odporność kompozytu EPAN I

Modyfikacja składu kompozytu

Dążąc do uzyskania maksymalnej odporności na zużycie zrealizowano eksperyment polegający na doborze optymalnej granulacji proszku żelaza Fe. Dostępny na rynku proszek zawiera ziarna o wymiarach 10 µm do 120 µm.
Przeprowadzono badania stosując zarówno proszek otrzymywany w produkcji, jak i proszki frakcjonowane o granulacji do 20 µm - 20-40 µm, 40-63 µm, 63-80 µm, 80-125 µm. Wyniki badań tribologicznych dowiodły, że wysoką odporność na zużywanie wykazuje kompozyt zawierający proszek żelaza o granulacji 63-80 µm (RYS. 5). Taki optymalny kompozyt wykazuje odporność na zużywanie, ocenianą zużyciem liniowym w eksperymencie tribologicznym, niewiele ustępując odpornością na zużywanie parze klasycznej [L. 3].
Rys. 5. Łączne zużycie liniowe (Zl skojarzenia w układzie kompozyt DIP - brąz B101` po badaniach tribologicznych w zależności od granulacji proszku metalowego

W procesie dalszej optymalizacji dobrano rodzaj i ilość stałych smarów. W wyniku szeregu badań okazało się, że łączny dodatek grafitu oraz dwusiarczku molibdenu obniża dość wyraźnie temperaturę ciągłej pracy (RYS. 6) oraz wydatnie wpływa na obniżenie intensywności zużywania (RYS. 7) - znacznie skuteczniej niż dodatek wyłącznie azotku boru, grafitu lub dwusiarczku molibdenu.
Zastosowanie mikroanalizy rentgenowskiej umożliwiło stwierdzenie, że synergiczne działanie grafitu i dwusiarczku molibdenu powoduje selektywne przenoszenie ze stopu łożyskowego miedzi wkomponowującej się w warstwę wierzchnią kompozytu (RYS. 8 i 9). Obecność równomiernie rozłożonej miedzi podwyższa wyraźnie ślizgowość pary trącej [L.8,9,10].
Rys. 6. Przebieg zmian temperatury i współczynnika tarcia dla metalożywicznego kompozytu z zespołem dodatków

Rys. 7. Zużycie liniowe badanych kompozytów metalożywicznych

Rys. 8. Obraz powierzchni rolki z kompozytem zawierającym grafit (pow. 50 x) oraz wyniki liniowej mikroanalizy rentgenowskiej na obecność Cu, C, S, Mo oraz Fe wykonanej wzdłuż widocznej na zdjęciu linii

Rys. 9. Obraz powierzchni rolki z zespołem dodatków (pow. 50 x) oraz wyniki liniowej mikroanalizy rentgenowskiej na obecność Cu, C, S, Mo oraz Fe wykonanej wzdłuż widocznej na zdjęciu linii

Proces technologiczny regeneracji kompozytów

W toku prac badawczych ustalono także zalecane parametry procesu regeneracyjnego nakładania warstwy kompozytu na powierzchnię stalowego zużytego elementu (np. czopa łożyska ślizgowego). Ustalono przede wszystkim, że skuteczne sczepienie kompozytu z podłożem zachodzi wówczas, gdy grubość jego warstwy nie jest mniejsza niż l mm, nie występuje wówczas także uszkodzenie warstwy (pękanie czy odpryskiwanie). Ustalono także, że dostateczną sczepność gwarantuje obróbka mechaniczna powierzchni i jej odtłuszczenie przed nakładaniem kompozytu trichloroetylenem.
Proces regeneracji sprowadza się do obróbki skrawaniem czopa na wymiar mniejszy od wymiaru nominalnego, nałożenia kompozytu oraz po jego utwardzeniu obróbki zregenerowanego czopa na określony nominalny wymiar (RYS. 10) - przez dokładne toczenie lub szlifowanie.
Właściwości przeciwzużyciowe zregenerowanego czopa skutecznie podnosi kilkugodzinne wygrzewanie w podwyższonej temperaturze [L. 3]. Ten zabieg wykonywać należy po utwardzeniu przed obróbką skrawaniem.
Rys. 10. Obróbka wykończająca czopa po nałożeniu warstwy kompozytu

Podsumowanie

Przedstawione wyniki badań wskazują na potrzebę kontynuowania badań związanych z opracowaniem nowych materiałów regeneracyjnych o podwyższonej odporności cieplnej i mechanicznej między innymi przez zastosowanie innych niż dotychczas napełniaczy organicznych i nieorganicznych. Przeprowadzenia badań wymaga także określenie wpływu technologii otrzymywania kompozytu na jego właściwości i cechy tribologiczne skojarzenia kompozyt - stop łożyskowy. Istotnym elementem dalszych prac będzie również przeprowadzenie badań w rzeczywistych warunkach eksploatacji regenerowanych elementów maszyn oraz badanie efektu stick slip.

Bibliografia

  1. Nowak B.: Regeneracja typowych elementów pojazdów samochodowych. WKK, Warszawa 1985.
  2. Janecki J.: Zużycie części samochodowych wykonanych z tworzyw sztucznych. WKK, Warszawa 1982.
  3. Dasiewicz J.: Badania możliwości modyfikacji własności tribologicznych kompozytu metalożywicznego napełniaczami nieaktywnymi. Sprawozdanie z grantu KBN 3 P402 047 06, 1996.
  4. Drabik J., Janecki J: „Application of thermal anałysis and tribotesting to estimating the range of working conditions of Epan I composite". V Międzynarodowe Sympozjum INSYCONT'98, Kraków 1998. Problemy Eksploatacji nr 3'98, s. 81-89.
  5. Drabik J.: Wpływ napełniaczy aktywnych oraz procesu starzenia na właściwości kompozytu metalożywicznego. Sprawozdanie z graniu KBN 7 T08E02408, 1997.
  6. Janecki J., Drabik J., Dasiewicz J.: Metal-resinous composites for regeneration of sliding elements. VI Międzynarodowe Sympozium INTERTRIBO'96. Slovak Republika, Stara Leśna-Tatrzańska Łomnica, 1996, s.341-344.
  7. Janecki J. i in.: Opracowanie kompozycji żywiczno-metalowej i technologii regenerowania nią modelowej pary czop-panew. Sprawozdanie z pracy wykonanej na zlecenie Funduszu Na Rzecz Nauki Polskiej - program PONT; WITPiS Sulejówek 1992.
  8. Dasiewicz J., Drabik J.: Kompozyty metalożywiczne jako tribologiczne, regeneracyjne warstwy wierzchnie łożysk ślizgowych. Rozprawa doktorska. ITWL, Warszawa 1995.
  9. Pawelec Z.: Regeneracyjny chemoutwardzalny kompozyt metalożywiczny dla skojarzeń ślizgowych. Rozprawa doktorska Sulejówek 1997 r.
  10. Burakowski T., Marczak R.: Eksploatacyjna warstwa wierzchnia i jej badanie. ZEM zeszyt 3 (103), 1995.
  11. Janecki J. i zespół: Nowe materiały epoksydowo-metaliczne do regeneracji i napraw elementów maszyn i urządzeń. Sprawozdanie z Projektu Celowe go nr 7 13 77 91 C, Radom 1994.

Recenzent: Ryszard MARCZAK

An efect of fillers on wear resistance of the metallic - resinous composite

Summary
The work is presenting some results of tribological research of the metallicresinous composite which is recommended for regeneration of sliding parts working under high pressure. The effect of Fe filler granulation on the surface structure of the metal-resinous composite after tribological experiments has been analysed. It has also investigated the changes in the external layer composition of composites after tribological tests by scaning microscopy.