Marián Kučera, Jozef Rédl

Možnosti predikcie vlastností vybraných materiálov v podmienkach suchého trenia Possibilities of Prediction of Behaviour of Selected Materials in Dry Friction Conditions Marián Kučera, Jozef Rédl Abstrakt V príspevku boli zhodnotené vybrané materiály z hľadiska odolnosti proti opotrebeniu v podmienkach daného experimentu. Dôraz je kladený na systémový prístup k riešenému problému. Výsledky dosiahnuté u základného materiálu sú porovnané s výsledkami materiálov navarených vrstiev. Výsledky tribologických experimentov dávajú možnosť predikcie určitých vlastností trecích dvojíc v podmienkach konkrétneho trecieho uzlu. Pre tento konkrétny experiment boli vybrané tieto materiály: - oceľ 12 5( C 45 ) v stave po zušľachtení, - oceľ 12 5( C 45 ) v stave po kalení. Vybrané materiály sú porovnávané s návarmi materiálmi C 58 a C 64 v stave po navarení a po tepelnom spracovaní. Vlastné tribologické experimenty boli realizované na zariadení TE 97/A, ktorý patrí do kategórie skúšobných strojov čap - disk. Odolnosť vybraných materiálov bola hodnotená z hľadiska veľkosti úbytkov hmotnosti ako aj z hľadiska energetického. Kľúčové slová: skúška čap-disk, adhézne opotrebenie, odolnosť proti opotrebeniu Abstract The contribution brings an evaluation of selected materials regarding wear resistance in conditions of chosen experiment. Systemic approach is emphasised. The results of basic material are compared to results of material of overlays. The results of tribologic experiment enable prediction of behaviour of friction pairs in conditions of particular friction node. The following materials had been chosen for the particular experiment: - steel 12 5 (C45) in state after heat treat - steel 12 5 (C45) in state after hardening Selected materials are compared to layouts made by C 58 and C-64 after being welded on and heat treated. The tribologic experiment was carried out on device TE 97/A, which rank in category of pin - disk devices. The resistance of selected materials was evaluated according to weight loss and considering energy issues. Keywords: pin-disk test, adhesive wear, wear resistance 1 Úvod Opotrebením v tribológii rozumieme odstraňovanie materiálu z funkčných povrchov v ich priamom kontakte počas vzájomného pohybu resp. pri kontakte s prúdiacim médiom. Rôzne formy mechanického účinku môžu byť sprevádzané inými vplyvmi ako napr. chemické, elektrochemické, korózne vplyvy, vplyvy maziva, prostredia a pod. Opotrebenie je jav nežiadúci, aj keď v prítomnosti maziva boli zaznamenané niektoré priaznivé vplyvy. 48 Uhlíkové ocele sú dôležitým konštrukčným materiálom trecích uzlov. Pôsobením práce trenia a tepla vznikajúceho v procese trenia môžu prebiehať zmeny v zložení povrchových vrstiev podobné tým ktoré vznikajú pri tepelnom spracovaní. Dôsledkom je zmena vlastností povrchov. Z literatúry je zrejmé, že nie príliš vhodnou kombináciou pre treciu dvojicu je kombinácie oceľ/oceľ, zvlášť keď ide o ocele rovnakého druhu. Čím je oceľ ušľachtilejšia, tým je menej vhodná pre treciu dvojicu. Oceľ však môže mať protikus v dvojici z iného materiálu: oceľ iného kryštalického alebo chemického zloženia, liatinu, neželezné kovy a nekovy. Mnohokrát súčiastky vyrobené z menej kvalitných ocelí sa chovajú tribologicky lepšie z hľadiska veľkosti súčiniteľa trenia, pomeru statického a kinetického súčiniteľa trenia - jav drhnutia (stick-slip) a odolnosti proti opotrebeniu ako súčiastky vyrobené z legovaných ocelí. V prípade kovov ide takmer vždy o zliatiny, ktoré predstavujú pre tribologickú prax spravidla vhodnejší materiál ako čisté kovy (Štěpina, V.- Veselý, V., 1985). V reálnom trecom uzle dochádza vplyvom spolupôsobenia rôznych faktorov (zaťaženie uzla, okolité prostredie, teplota, apod.) ku zmenám v materiáloch dvojice, tak na povrchu ako aj v jadre materiálu. Vplyvom energie vznikajúcej pri trení môže dochádzať k posúvaniu vrstiev, premiestňovaniu kryštálov a k rôznym poruchám v mikroštruktúre povrchu materiálov. Tieto zmeny vedú k napätiu a ku zvýšeniu potenciálnej energie v mikroštruktúre, čo sa môže prejaviť zmenou štruktúry ale aj niektorých mechanických vlastností. Napr. pri zvýšení teploty sa ferit a perlit môžu zmeniť na austenit, ten sa kalením môže zmeniť na bainit alebo martenzit. Tieto procesy významne ovplyvňujú mechanické vlastnosti a oteruvzdornosť materiálov trecieho uzla (Blaškovič P.- Čomaj, M.,26). Príspevok sa zaoberá možnosťou predikcie vlastností trecích dvojíc na základe výsledkov tribologických experimentov. Cieľom článku bolo zhodnotiť vybrané materiály z hľadiska odolnosti proti opotrebeniu v podmienkach daného experimentu a porovnať tieto výsledky navzájom. Porovnať dosiahnuté výsledky u základného materiálu s materiálom navarených vrstiev aj energetického z hľadiska. 2 Materiál a metódy Ak chceme tribologický uzol ako taký komplexne riešiť, vyžaduje to určitý systémový prístup. Jednou zo základných podmienok na objektívne posúdenie vlastností tribologického uzla je čo najviac sa priblížiť prevádzkovým podmienkam a to predovšetkým z hľadiska: - materiálového, - podmienok skúšky, - prostredia. V tomto príspevku je poukázané na význam materiálového faktora ako jedného z najdôležitejších a stavu tepelné-

ho spracovania povrchu. Pri hodnotení sme kládli dôraz na tie vlastnosti ktoré by dávali odpoveď na otázku chovania sa materiálov v medzných podmienkach, to znamená z hľadiska tzv. núdzových vlastností. Zo súboru materiálov ktoré sa používajú na výrobu súčiastok typu hriadeľ v poľnohospodárskych strojoch sme pre potreby experimentu vybrali materiál - oceľ: - 12 5 v stave po zušľachtení, - 12 5 v stave po kalení, ako najčastejšie používaný materiál na výrobu hriadeľov nielen v poľnohospodárstve. Tento materiál sme porovnávali s návarmi prídavným materiálom C 58, ktorý odporúča výrobca na naváranie opotrebených povrchov hriadeľov bez tepelného spracovania, a materiálom s označením C 64. Vzorky sme navárali na materiál 12 5 valcového tvaru technológiou navárania v ochrannej atmosfére MIG/MAG,jednodrôtovým a dvojdrôtovým procesom. Chemické zloženie ocele 125 (EN, C45) a prídavných materiálov C58 a C64 je v tab. 1. Tab. 1 Chemické zloženie použitých materiálov Table 1 Chemical composition of used materials Parametre skúšok Parametre skúšok boli volené na základe výberu z parametrov skúšok adhézneho opotrebenia bez mazania používaných v tribologickom laboratóriu tak, aby v čo najširšom meradle umožnili porovnať tribologické vlastnosti dodaných vzoriek. Parametre skúšky sú nasledovné: tlak v hydraulickom okruhu 1,47 MPa prítlačná sila na čap 74,3 N obvodová rýchlosť na skúšobnom polomere 3,2 m.s -1 doba expozície 15, 3, 45, 75s materiál protikusa oceľ 12 2 rozmer vzorky 8 x 5 mm Obr. 1 Pohľad na aktívnu časť zariadenia TE 97/A Fig. 1View of active part of device TE 97/A Na obr. 2 je principiálna schéma zariadenia TE 97/A n Prídavný materiál pod označením C 64 je firemné označenie pre pružinový (patentový) drôt 2.1 Výber metód skúšania a skúšobného zariadenia Pri výbere metódy skúšania, skúšobného zariadenia a hodnotenia výsledkov skúšky sme mali na zreteli definíciu opotrebenia podľa STN 1 55 a to: Opotrebenie je nežiaduca zmena povrchu alebo rozmerov tuhých telies, ktorá je spôsobená buď vzájomným pôsobením funkčných povrchov alebo funkčného povrchu a média, ktoré vyvoláva opotrebenie. Opotrebenie sa prejavuje odstraňovaním alebo premiestňovaním častíc hmoty povrchu mechanickými účinkami. Na tomto základe sme rozhodli pre: - skúšky adhézneho opotrebenia bez mazania. - skúšky adhézneho opotrebenia bez mazania Skúšky boli realizované na skúšobnom zariadení typu TE 97/A - obr. 1, ktoré patrí do kategórie skúšobných strojov čap - disk s plošným dotykom elementov trecieho uzla. Skúšobné zariadenie je vhodné na porovnávacie skúšky vybraných materiálov. Podstata skúšky spočíva v tom, že na protiľahlé čelné plochy otáčajúceho sa kotúča sú pomocou hydraulických valcov pritláčané konštantnou silou vzorky( skúšobné telieska) tvaru čapov. Čapy boli vyhotovené z materiálu 12 5 a príslušných vyššie uvedených návarov a protikus bol vyhotovený z materiálu 12 2. p r F Ft/2 p Ft/2 p Tv (2mm od kontaktu) Obr. 2 Principiálna schéma zariadenia TE 97/A Fig. 2 Principle scheme of device TE 97/A Tab. 2 Charakteristiky vzoriek pre skúšky opotrebenia bez mazania Table 2 Samples characteristics for wear test without lubrication Počas skúšky sa snímal a zaznamenával priebeh zmeny trecej sily. Treciu silu snímal a zaznamenával tenzometrický snímač. Na základe záznamu priebehu trecej sily možno vyhodnotiť: maximálnu hodnotu trecej sily, strednú hodnotu trecej sily, F 49

treciu prácu, súčiniteľ trenia. Opotrebenie vzoriek bolo zisťované priamym meraním a to pred skúškou a po skúške. Po dôkladnom odmastení a osušení boli vzorky vážené na analytických váhach MEO- PTA. Výsledkom skúšky opotrebenia na zariadení TE 97/A je diagram znázorňujúci veľkosť opotrebenia v závislosti od času skúšania. Ako kritérium pre hodnotenie výsledkov skúšok adhézneho opotrebenia bez mazania na zariadení TE 97/A sme použili koeficient tribologickej únosnosti K *, ktorý vyjadruje množstvo trecej práce potrebnej na oddelenie jednotkového množstva materiálu. Tvrdosť bola meraná na čelách vzoriek, t. j. v mieste interakcie vzorky so skúšobným kotúčom. Na meranie bol použitý tvrdomer MEOPTA VICKERS so zaťažením ihlana F = 295,3 N. Hodnotenie výsledkov U skúšok bez mazania sme zisťovali veľkosť práce trenia z priebehu trecej sily v danom čase a jej podiel k úbytku hmotnosti - koeficient K vz, (K * ). Koeficient K * je označovaný ako koeficient tribologickej únosnosti návarov (materiálov). Ak sa porovnáva hodnota opotrebenia a trecej práce k materiálu etalónu získame koeficient K N, ktorý je označovaný ako koeficient pomernej tribologickej únosnosti návaru (materiálu). Okrem týchto kritérií tento typ skúšky umožňuje určovať ešte napr.: - hodnoty koeficientu trenia k úbytku hmotnosti, - koeficient K * k úbytku hmotnosti, - koeficient K N k úbytku hmotnosti a pod. Kritérium K N zohľadňuje fyzikálnu podstatu oddeľovania častíc povrchu v procese trenia. 3 Výsledky skúšok adhézneho opotrebenia bez mazania Účelom skúšok, adhézneho opotrebenia bez mazania na zariadení TE 97/A, bolo vyhodnotiť: laboratórne zmerané úbytky hmotnosti základných materiálov a návarov, koeficient tribologickej únosnosti návarov, hodnoty koeficientu trenia k hodnotám úbytkov hmotnosti. Tab. 3 Výsledky skúšok adhézneho opotrebenia bez mazania na zariadení TE 97/A Table 3 Results of adhesive wear test without lubrication on device TE97/A Pre jednoduchšie hodnotenie výsledkov sa zostavili dve skupiny vzoriek. Do prvej skupiny patria vzorky kalené. To znamená, že základný materiál bol kalený a tiež návary, ktoré sa vyhotovili na tento materiál boli ešte tepelne spracované indukčne kalené. Do druhej skupiny patrí materiál zušľachtený. Zušľachtený bol len základný materiál. 5 Návary na tento materiál sa po vyhotovení už tepelne nespracovávali. Na základe výsledkov spracovaných v tab. 3 a na obr. 3 a 4, možno konštatovať, že najmenšie opotrebenie pri prvej skupine vzoriek t. j. pri oceli kalenej dosahovala vzorka č. 2 s návarom pod označením C58+C64. Veľmi podobné hodnoty dosahovala vzorka č. 3 t. j. 2xC58. Najvyššiu hodnotu opotrebenia dosiahla vzorka č. 4, čiže základný materiál. Wo, mg (3) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Závislosť opotrebenia od času: 12 5 kalená (1) C58 125 K 2xC58 C58+C64 1 2 3 4 5 6 7 Čas, s (2) Obr. 3 Závislosť veľkosti opotrebenia (Wo, mg) k dobe expozície na vybranú skupinu skúšaných materiálov 12 5 v stave kalenom Fig. 3 Size (Wo, mg) to exposure time diagram for selected group of test material 12 5 in state after hardening (1) Size of wear to exposure time diagram: 12 5 in state after hardening, (2) time,s, (3) size of wear Pri druhej skupine vzoriek, vzorky zušľachtené, opäť najmenšie úbytky dosiahol návar s označením C58+C64. Avšak na rozdiel, ako u oceli kalenej, najväčší úbytok hmotnosti tu nedosiahol základný materiál, ale návar pod označením 2xC58. Možno konštatovať, že vzorky s návarmi kombináciou prídavných materiálov C58+C64 sú najlepšie z celej skupiny vzoriek, pričom rozhodujúcu úlohu tu nehrá tvrdosť ale zrejme dobré trecie vlastnosti danej kombinácie prídavných materiálov. Tiež si je potrebné uvedomiť, že pri naváraní technológiou MAG je stupeň premiešania zvarového kovu zo základným materiálom 2 až 3%, ale stupeň premiešania sa znižuje práve pridávaním studeného drôtu, z toho vyplýva, že návar má približne rovnaké vlastnosti ako prídavný materiál, a preto vykazuje vyhovujúce výsledky v oblasti adhézneho opotrebenia. Hodnotenie tribologickej únosnosti V laboratórnych podmienkach boli zisťované úbytky hmotnosti návarov W o na zariadeniach, kde je možné zisťovať aj priebeh trecej sily F T pri zaťažovaní konštantnou silou F N v danom čase t. Pritom čas t pri ostatných konštantných parametroch skúšania je úmerný trecej dráhe L. Preto potom možno vyjadriť prácu trenia A, ako: t A = FT.t. dt [N.m] (2) Ak vzťahujeme prácu trenia na jednotkovú hmotnosť (resp. objem) opotrebeného návarového kovu, dostaneme vzťah: K = A W [N.m.kg -1 ] (3) Hodnota K * je označovaný ako koeficient tribologickej únosnosti návarov a vyjadruje množstvo trecej práce po-

trebnej na oddelenie jednotkového množstva materiálu návarov. Wo, mg (3) 8 7 6 5 4 3 2 1 Závislosť opotrebenia od času: 12 5 zušľachtená (1) 2xC58 C58 125 Z C58+C64 1 2 3 4 5 6 7 Čas, s (2) Obr. 4 Závislosť veľkosti opotrebenia (Wo, mg) k dobe expozície na vybranú skupinu skúšaných materiálov 12 5 v stave zušľachtenom Fig. 4 Size of wear (Wo, mg) to exposure time diagram for selected group of test material 12 5 in state after heat treat (1) Size of wear to exposure time diagram: 12 5 in state after heat treat,, (2) time,s, (3) size of wear Ak vzťahujeme hodnoty opotrebenia Wo a trecej práce A k porovnávaciemu materiálu, potom môžeme napísať: Avzorky * K W vzorky o A vzorky vzorky Wo etalónu K N = = = (4) * K A etalónu etalónu Aetaló nu Wo vzorky W oetalónu A vzorky trecia práca vzorky, [ J] A etalónu trecia práca etalónu, [ J] W ovzorky Hodnota opotrebenia vzorky, [g] W oetalónu hodnota opotrebenia etalónu, [g] Hodnota K N je označovaná ako koeficient pomernej tribologickej únosnosti návaru. V tab. 4 sú uvedené výsledky meraní tvrdosti na čelách vzoriek a vypočítané hodnoty koeficientu tribologickej únosnosti návaru K * a koeficientu pomernej tribologickej únosnosti návaru K N. Uvedené kritérium K N zohľadňuje fyzikálnu podstatu oddeľovania častíc z povrchu návaru v procese trenia a umožňuje takto posudzovať návary pre tribologické použitie. Pre porovnanie sú zhotovené grafy, v ktorých porovnávam koeficienty tribologickej a pomernej tribologickej únosnosti návarov. Tab. 4 Výsledky merania tvrdosti, K * a K N Table 4 Chart of hardness as measured, K* and K N (1) sample number, (2) material, (3) head treatment, (4) hardness 4 Závery a diskusia k dosiahnutým výsledkom Na základe spracovania a vyhodnotenia výsledkov získaných z tribologických experimentov je možné si vytvoriť reálny obraz o niektorých základných tribologických vlastnostiach vybraných prídavných materiáloch nanášaných vybranými technológiami navárania. Zo skúšaných materiálov možno z hľadiska odolnosti proti opotrebeniu pre naváranie súčiastok strojov zhotovených z ocelí v stave po zušľachtení alebo s povrchom kaleným odporučiť prídavný materiál C 58 buď samotný, alebo v kombinácii s materiálom C 64. Laboratórnymi skúškami zistená odolnosť proti opotrebeniu je vo všetkých prípadoch u týchto materiálov lepšia ako u základného materiálu 12 5. Z výsledkov skúšok adhézneho opotrebenia bez mazania vyplýva, že najvyššiu odolnosť z celej skupiny skúšaných materiálov majú návary kombináciou prídavných materiálov C 58 + C 64, pričom rozhodujúcu úlohu nezohráva tvrdosť navarenej vrstvy ale jej dobré trecie vlastnosti. Dokazujú to výsledky úbytkov hmotnosti vzoriek, ako aj hodnota koeficientu tribologickej únosnosti návaru K. Kombináciu prídavných materiálov C 58 + C64 možno odporučiť do podmienok s prevahou abrazívneho opotrebenia resp. adhézneho opotrebenia bez mazania. Tepelné spracovanie povrchu s výnimkou abrazívneho opotrebenia nie je rozhodujúcim činiteľom vplývajúcim na odolnosť proti opotrebeniu u uvedených materiálov. Produkty opotrebenia nachádzajúce sa na povrchoch čapov pravdepodobne majú určitý abrazívny účinok na dvojicu materiálov. Na posúdenie vplyvu produktov opotrebenia na veľkosť opotrebenia a možnosť ich prenosu jedného povrchu na druhý bude nutné tieto podrobiť chemickej analýze. Na základe výsledkov chemickej analýzy je možné určiť z ktorého povrchu sa čiastočky uvoľňujú a do ktorého sa zatláčajú. Z hľadiska praktických aplikácií dvojdrôtového navárania a navárania s pridávaním studeného drôtu je dôležitá skutočnosť, že obidva spôsoby sú pomerne ľahko aplikovateľné. Okrem nižšej energetickej náročnosti procesu navárania je z hľadiska prevádzkovej spoľahlivosti rozhodujúca odolnosť navarenej vrstvy proti určitému druhu opotrebenia. Na základe uvedených výsledkov si možno utvoriť reálny obraz o chovaní sa vybraných materiálov v konkrétnych prevádzkových podmienkach s určitým prevládajúcim druhom opotrebenia. Malá energetická náročnosť procesu, pomerne ľahká možnosť aplikácie technológií a dobrá odolnosť vrstiev proti opotrebeniu sú tým faktorom, ktoré by mali prispieť k rozšíreniu týchto technológií v praxi. Poznámka Tento článok vznikol v súvislosti riešením výskumných úloh: - VEGA 148/3 11: Návrh metód experimentálneho overovania a simulácie parametrov a vlastností klzných uzlov poľnohospodárskych strojov. - VEGA 1/712/8: Analýza vplyvu náhodného procesu zaťažovania na tribologické vlastnosti vybraných materiálov. 51

Literatúra Ing. Marián Kučera, CSc., Ing. Jozef Rédl, PhD. Katedra konštruovania strojov TF SPU, Tr. A. Hlinku 2, 949 76 Nitra, tel. 37 641 416 marian.kucera@uniag.sk, jozef.redl@uniag.sk [1] BLAŠKOVIČ, a kol.: Hodnotenie tribologickej únosnosti návarov. Sympózium Intertribo 199, Vysoké Tatry 199. [2] BLAŠKOVIČ, P.- ČOMAJ, M.: Renovácia naváraním a žiarovým striekaním. STU v Bratislave, 26, ISBN 8-227-2482-3. [3] TOMÁŠ, J. - KROČKO, V. - RUŽBARSKÝ, J.: Suché sústruženie ako alternatívna technológia obrábania tvrdých materiálov. In: Výrobné inžinierstvo, roč. 1, 22, č. 2/3, s. 43-45. [4] KUČERA, M. RÉDL, J.: Vlastnosti dvojíc materiálov v podmienkach suchého trenia. Characteristics of pairs of materials in dry friction condition. In: Zborník z medzinárodnej vedeckej konferencie Nové trendy v konštruovaní a v tvorbe technickej dokumentácie 24, 27. máj 24, Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 24, s. 81-86. ISBN 8-869-362-5. [5] KUČERA, M.: Tribologický experiment a analýza produktov opotrebenia. Tribological experiment and analysis of products of wearout. In: Zborník vedeckých prác Nové trendy v konštruovaní a v tvorbe technickej dokumentácie 26, 25. máj 26, Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 26, s. 132-135. ISBN 8-869-71-9. [6] KUČERA, M.: Vlastnosti vrstiev navarených v ochrane CO2 určených pre renováciu v poľnohospodárstve, KDP, SPU Nitra, 1991. [7] RUŽBARSKÝ, J. - TOMÁŠ J.: Some results of the turning of hardened steel without cooling. In: Acta Avionica, roč. VIII., 26, č. 12, s. 87-9. [8] STN 1 5 5 [9] STN 42 3 74 [1] ŠTĚPINA, V - VESELÝ, V.: Maziva v tribologii, VE- DA, Bratislava,1985. Pokračovanie príspevku zo str. 36/ Continuance Papers from Page 36 Conclusions The paper presents the methods currently applied in shaping toothing. It describes the geometry of the face worm gear. It also presents geometric models and algorithms for calculating the coordinates of the points lying on the tooth surface. A computer program for computing the points was developed and also presented. The results were saved in STP format file. It was then used for creating the tooth surface in 3D system (Pro/Engineer). The CAM module of Pro/ Engineer generated the G-codes for milling the tooth space on the basis of the surface. Finally, the face worm gear toothing was machined by end milling on a machining centre DMU6 (DMG). The kinematic accuracy of that gear was researched. The result is much better than for a gear generated using a single point cutting tool. The reason is probably the fact that in toothing generated in this way, the pitch accuracy is independent of the kinematic error of the rotary table on which the face worm wheel is fixed when using the single point cutting tool. References Andrzej Gessner, Ph.D, +48 61 665 239, andrzej.gessner@interia.pl Roman Staniek, Prof., +48 61 665 2758, roman.staniek@put.poznan.pl Poznan University of Technology, Institute of Mechanical Technology, Poznan University of Technology, Institute of Mechanical Technology, [1] Gessner A., Theoretical Basis of Generation of Face Worm Gear Drive with Duplex Worm, 8th Biennial ASME Conference on Engineering Systems Design and Analysis, Proc. 26 by ASME No. 1746 CD, ISBN: - 7918-3779-3, Torino (Italy) 26. [2] PN-ISO 23/2, 1999, Determination the accuracy and repeability of numerical controlled positioning axes. 52