Paagutatud Tribomaterjalid (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Materjalitehnika instituut
Jüri Pirso
PAAGUTATUD TRIBOMATERJALID
Loengukonspekt aines
,,Tribotehnilised materjalid ja pinded "
Tallinn 2003
1 PAAGUTATUD TRIBOMATERJALID
EESSÕNA
Kulumine on üks peamisi põhjusi, mis määrab masinate ja mehhanismide tööea Kulumise tekitatud kahju kogu maailma majandusele hinnatakse sadadesse miljarditesse dollaritesse aastas. Kulumisest tekitatud kahju erinevate kulumisliikide järgi hinnatakse järgmiselt: abrasiivkulumist (50% kogukahjust) hõõrdekulumist (15%), erosioonkulumist ( 8%), frettingust (8%), keemilist (5%). Kulumisliike on käsitletud loengukonspektis: I. Kleis ,, Triboloogia lühikursuses" 1996. Siinkohal on toodud ainult lühike informatsioon nende kulumisliikide kohta, mida käsitletakse käesolevas loengukonspektis. Kulumise negatiivse mõju vähendamiseks kasutatakse mitmeid viise. Üheks võimaluseks on uute kulumiskindlate materjalide kasutamine. Viimasel ajal on loodud rida komposiitmaterjale, kus püütakse arvestada kulumisega kaasnevaid protsesse. Kõige suurema kulumiskindlusega on kermised , volfram- , titaan - ja kroomkarbiidi baasil. Kermised on komposiitmaterjalid , mis valmistatakse pulbertehnoloogia teel. Kermiste koostise, tehnoloogia ja omaduste kohta vaata ,,Metalliõpetus ja metallide tehnoloogia" osa 2.. Paagutatud tribomaterjalid on pulbertehnoloogia teel saadud materjalid, mida kasutatakse kulumiskindlate detailide, antifriktsioon- ja friktsioon ning libisevate elektrikontaktide valmistamiseks. Käesolev loengukonspekt käsitleb paagutatud materjalide kulumist ja selle vastu võitlemist kolme enamat kahju põhjustava kulumisliigi - abrasiivse-erosiooni, abrasiiv - ja hõõrdekulumise tingimustes .Eestikeelne kirjandus selles valdkonnas puudub. On näidatud kuidas materjalide keemilise koostise ja tehnoloogia ning struktuuri muutmisega saab muuta materjale veelgi kulumiskindlamaks. Kermiste väljatöötamise ja uurimisega on TTÜ-s tegeldud üle 20 aasta, mille joksul on välja kujunenud oma koolkond. Siinkohal on toodud nende uuringute tulemused, mis ühtivad üldiste arusaamadega kermiste kulumisest. Samas on antud ülevaade pulbermetallurgia teel valmistatavatest antifriktsioon ja friktsioonmaterjalidest, aga samuti libisevatest elektrikontaktidest. Konspekti täiendakse perioodiliselt vastavalt uue informatsiooni laekumisele. Kursiivis on antud lisainformatsiooni, mis aitab selgitada teksti, kuid mille teadmine pole kohustuslik.
10. nov. 2003
2 SISUKORD
Sissejuhatus 3 1. Kermiste abrasiivkulumine 8 1.1 Abrasiivkulumise katsetamise metoodika 9 1.2. WC-Co kermiste abrasiivkulumine 9 1.3. Cr3C2 - Ni kermiste abrasiivkulumine 11 1.4. TiC- NiMo kermiste abrasiivkulumine 12 1.5. Abrasiivkulumise mehhanism 14 1.6. Erinevate kermiste abrasiivkulumise vaheline seos 16
2. Kermiste erosioonkulumine 18 2.1.WC-Co kõvasulamite erosioon 20 2.2. TiC-NiMo kermiste erosioon 21 2.3.Kroomkarbiidsete kermiste erosioonkulumine 24 2.4. Erinevate kermiste erosioonikindluse vaheline seos 26 2.5. Keraamiliste materjalide erosioon 27 2.6. Kermiste erosiooni mehhanism 28
3. Kermiste hõõrdekulumine 32 3.1. Hõõrdekulumise katseseadmed ja katsemetoodika 36 3.2. WC-Co kermiste hõõrdekulumine 38 3.3. Cr3C2-Ni kermiste hõõrdekulumine 44 3.4 TiC-NiMo kermiste hõõrdekulumine 48 3.5.Kermiste hõõrdekulumise võrdlus 50 3.6 Kermiste hõõrdekulumise mehhanism 52
4. Antifriktsioonmaterjalid 57 4.1. Paagutatud antifriktsioonmaterjalid (PAFM) 58 4.1.2. Raua baasil antifriktsioonmaterjalid 62 4. 1.3. Vase baasil antifriktsioonmaterjalid 63 4.1.4. Alumiiniumi baasil antifriktsioonmaterjalid 65 4.1.5. Nikli baasil antifriktsioonmaterjalid 65 4.1.6. Rasksulavate elementide baasil PAFM 65 4.1.7. Kermiste baasil antifriktsioonmaterjalid 66 4.2. Kokkuvõte PAFM kohta 67
5. Paagutatud friktsioonmaterjalid (PFM) 68 5.1. Vase baasil friktsioonmaterjalid 69 5.2. Raua baasil friktsioonmaterjalid 70 5.3. PFM tehnoloogia 71
6: Liugelektrikontaktmaterjalid 73
3 SISSEJUHATUS
Tribomaterjalid on materjalid, mis töötavad mitmesugustes kulumise (abrasiiv- erosioon, hõõrd- ehk liugekulumise) tingimustes. Keemilise koostise järgi klassifitseeritakse tribomaterjale: metallid ja sulamid , plastid , komposiitmaterjalid, määrdeained jt. Tribomaterjalide valmistamise tehnoloogia järgi jaotatakse tribomaterjale: valatud, pulbertehnoloogia teel valmistatud jt. Käesolevas loengukonspektis käsitletakse pulbertehnoloogia teel valmistatud ehk paagutatud tribomaterjale. Kasutusala järgi jaotatakse tribomaterjalid: kulumiskindlad materjalid, antifriktsioon- ja friktsioonmaterjalid, libisevad elektrikontaktid, jt. Kulumine on tahke pinna kahjustus, mis on põhiliselt tingitud selle pinna liikumisest kontaktis mingi substandiga (ASTM definitsioon). Substanti all mõistetakse mitte ainult teist tahket hõõrduvat pinda , vaid ka tahkete osakeste, vedeliku või gaasi juga, elektrikaart jne. Materjalide kulumine on tuntud inimestele juba tuhandeid aastaid. Kulumise teaduslik uurimine on saanud alguse 20 sajandil, mil hakati uurima ja modelleerima metallide kulumist, katsetingimuste mõju kulumisele. Kulumise uurimine on tingitud järgmistest põhjustest: - mõista materjalide käitumist mitmesugustes kulutamistingimustes, - optimiseerida ja valida materjalide valikut erinevates kulumistingimustes, - mõista erinevate muutujate mõju erinevatele kulumisliikidele ja protsessidele, - kirjeldada erinevaid kulumise mudeleid mitmesugustes tribosüsteemides.
Nende uuringute eesmärgiks on: - arendada välja palju täpsemad kulumismudelid, - saada fundamentaalsed seosed materjalide struktuuri ja omaduste mõjust kulumisele, - parandada materjalide (või selle pinna) kulumiskindlust erinevates kulumistingimustes.
On erinevaid kulumise klassifitseerimise skeeme, kuid peamiselt on jagatakse järgmisteks liikideks : - abrasiivkulumine (abrasive wear), - erosioonkulumine (erosive wear), - hõõrde- e. liugekulumine (sliding wear), - frettingkulumine ( fretting wear), - korrosioon -erosioon kulumine.
Abrasiivkulumine all môeldakse tööpindade kulumist, mis on põhjustatud kõvema pinna mikrokonaruste või kontaktpindade vahele sattunud liikuvate (libisevate, rulluvate) abrasiivosakeste poolt. Selle tulemusena eraldub osakeste lõikava, kraapiva või paljukordse deformeeriva toime tulemusena kontaktpinnalt materjali. Plastse
4 materjali kriimustamisel ei pruugi esimene läbim materjali veel eraldada, vaid see toimub peale mitmeid kriimustusi mikroväsimuse toimel, mille käigus metall kalestub ja muutub hapramaks. Algselt habraste materjalide, näiteks keraamika abrasiivkulumisel toimub pinnakihi killunemisena ehk mikromurretena. Abrasiiviks võib olla mistahes looduslik või kunstlik mineraal , mille osakestel on piisavalt kõvadust, et kahjustada materjali pinda. Enamlevinud on kvartsiosakesed, kuna liivatolmu leidub looduses kõikjal. Liivatolmus on osakeste suurus 1...30 µm, mis võib küllaltki kaua hõljuda õhus. Abrasiivkulumisel on põhimehhanismiks abrasioon , kuid selle võib lisanduda tribokeemiline reaktsioon või pindväsimusmehhanism (eriti kui kulutav abrasiivmass sisaldab erineva kõvadusega osakesi). Eristatakse kulumist kinnistatud abrasiiviga, kus abrasiivosakesed on kinnistatud (abrasiivkäiad, lõikekettad, viilid, lihvpaber või -riie jt) ja lahtise abrasiiviga, kus abrasiiviosakesed võivad vabalt libiseda või rulluda pindade vahel (joon.1.). Esimest kulumiskeemi nimetatakse ,,kahe keha" kulumiseks ja teist ­ ,,kolme keha" kulumiseks. Tavaliselt on materjali kulumine ,, kolme keha" kulumise skeemi järgi üks või mitu suurusjärku väiksem kui samades tingimustes (surve, kiirus jt) " kahe keha kulumise skeemi järgi.
a b Joon.1. Abrasiivkulumise skeem. Kahe keha kulumine (a) ja kolme keha kulumine (b).
Abrasiivkulumise mehhanism sõltub rakendatavast survest. Eristatakse surve järgi kahte liiki kulumist: - suure surve abrasiivkulumine - väikese survega abrasiivkulumine Suure survega abrasiivkulumise korral toimub kontaktpindade vahele jäänud abrasiivosakeste purunemine . Väikese surve korral abrasiivosakesed rullumisel või libisemisel ei purune . Abrasiivkulumist toimub kõikjal kus teineteise suhtes liikuvate pindade vahele satub abrasiivosakesi (pinnase töötlemisel, puuraukude puurimisel , maavarade kaevandamisel, materjalide lihvimisel jne). Abrasiivkulumisele alluvad eelkõige põllutöömasinate, ehitusmehhanismide, kaevandus - ja transpordiseadmete, metallilõikepinkide, hüdroturbiinide, mudapumpade jne detailid. Materjalide abrasiivkulumise kohta on tehtud palju uurimusi. Kõige enam on tunnustamist leidnud Archardi kulumisseadus, mis väljendub valemiga: V = k x Fn x S / H, (1) kus V - materjali kulumine ( kaalu vahe), S - läbitud tee pikkus, Fn - rakendatud normaaljôud, k - kordaja, mis iseloomustab materjali kulumist, H ­ materjali kõvadus. Selle järgi materjali kulumine abrasiivkulumisel on võrdeline läbitud tee pikkusega ja rakendavast normaaljôust ning pöördvõrdeline materjali kõvadusest. Seega, saab hõõrdepaari tööiga tõsta, kui kasutada suurema kõvadusega materjale.
5 Abrasiivne erosioon (abrasive-erosion) tekib detaili ja abrasiivosakese kokkupõrkel (joon.2). Abrasiivne erosioon on kompleksne protsess, mis sõltub kulutavast materjalist, abrasiivist ja katsetingimustest.
Joon.2 Abrasiiv-erosioonkulumise skeem
Abrasiiverosiooni kiirus sôltub eelkôige töötingimustest ja materjali omadustest. Ero- siooni kiirus väljendub järgmise funktsioonina : K = f ( v, ,dk, Hm:Ha, R, M, T, L) (2) kus K - erosiooni kiirus, v - abrasiivosakeste kiirus, - kohtamisnurk, dk - abrasiivosakeste keskmine suurus, Hm:Ha - materjali ja abrasiivi kôvaduste suhe, Ra - abrasiivosakeste dünaamiline tugevus, M - abrasiivosakeste kujutegur, T - temperatuur, L - aktiivsete lisandite olemasolu. Abrasiivosakeste kiirus ( v ) avaldab suurimat môju materjalide s.h. ka kermiste erosioonikiirusele. Seepärast piirdutakse erosioonikiiruse arvutamisel sageli ainult lihtsustatud valemiga: K = avn (3) 3 kus K - kulumise intensiivsus, mg/kg vôi mm /kg, a - koeffitsent, mis määratakse katseliselt ja sôltub materjali ning abrasiivi omadustest, kohtamisnurgast jne . v - abrasiivosakeste kiirus, m/s, n - astmenäitaja (n=1,5..3). Nagu valemist nähtub, abrasiivosakeste kiiruse kasvades kulumise intensiivsus kasvab ligikaudu ruudus . Kermiste puhul ei ole astmenäitaja n püsiv suurus. Abrasiivosakeste kiiruse suurenedes astmenäitaja n väheneb. Sama tendentsi täheldatakse ka TiC-NiMo ja Cr3 C2 ­ Ni kermiste juures. Näiteks, kermiste BK3M puhul kiiruse suurenedes 75 330 m/s väheneb astmenäitaja n 1,4 0,3. Seepärast on kermised eriti suure suhtelise kulumiskindlusega abrasiivosakeste suurema ( >200 m/s) kiiruse puhul. Kohtumisnurk () avaldab samuti olulist osa materjalide erosioonikiirusele. Suurim kulumine on habrastel materjalidel, kuhu kuuluvad ka kermised, 60-90o juures. Plastsete metallide puhul on maksimaalne kulumise kiirus 30 o juuress. Abrasiivosakeste suurus ( dk) môjutab môningal määral materjalide erosiooni kiirust. Näiteks, kermiste kulumine sôltuvalt kvartsliiva osakeste suurusest vahemikus 0,05 - 1,3 mm omab maksimumi 0,1 mm juures sôltumata kohtamisnurgast. Erosioonikiiruse
6 vähenemine abrasiivosakeste keskmise läbimôôdu suurenedes on tingitud, vaatamata nende kineetilise energia kasvule, suuremate liivaosakeste väiksemast tugevusest ja kujuteguri muutusest (suuremad liivaterad on suurema ümarusraadiusega). Abrasiivosakeste ja materjali kôvaduse suhe (Ha:Hm) môjutab kulumise mehhanismi ja erosiooni kiirust. Sellest tuleb pôhjalikumalt juttu edaspidi erosiooni mehhanismi kir- jeldamisel. Abrasiivosakeste dünaamiline tugevus ( Ra) môjutab môningal määral materjalide erosiooni kiirust. Abrasiivosakese purunemisel osa tema kineetilisest energiast kulutatakse purunemisele. Seepärast erosiooni kiirus väheneb pommitamisel nôrgema abrasiiviga. Abrasiivosakeste kuju (M) môjutab oluliselt materjalide kulumist juhul, kui abrasiivi kôvadus on suurem materjali kôvadusest. Sel juhul teravate nurkadega abrasiivosakesed kulutavad rohkem kui ümarad abrasiiviterad. Temperatuuri ( T ) osa kermistete kulumiskiirusele on praktiliselt uurimata. On leitud, et maksimaalset kulumiskindlust hôôrdumisel omavad kroomkarbiidsed kermised 600-800 oC juures. Seda seostatakse karbiiditerade hapruse vähenemisega temperatuuri tôusuga. .Erosiooni kahjuliku mõju vähendamiseks kasutatakse kulumiskindlaid materjale, milledeks on ka kermised. Neist valmistatakse abrasiiverosiooni tingimustes töötavaid detaile (liivapritsi otsikud, vedelkütuse pihustid , desintegraatori sôrmed jne). Erosioonkulumisel on mitmeid alaliike : - gaaserosioon (pinna kulumist põhjustab gaasiline keskkond või gaasi juga) - piiskerosioon (pinna kulumist põhjustavad vedeliku piisad , näiteks auruturbiini rootori labad ja lennukitiivad), - kavitatsioonerosioon (pinna kahjustust põhjustavad aurumullide lõhkemine vedelikus materjali pinnal), - hüdroabrasiivne erosioon (pinna kahjustust põhjustavad vedelikus olevad tahked osakesed ja vedeliku vool). Erosioonkulumisel sõltub kulumismehhanism ühelt poolt sellest, kui suur on osakeste kõvadus ja energia ja teisalt , keskkonna keemilisest agressiivsusest.
Hõõrdekulumine ehk liugekulumine (sliding wear) on protsess, mis toimub töötavate pindade hõõrdumisel ja mille tulemusena eraldub materjal kontaktpindadelt (joon.3).. Fn
Fh
Joon.3. Hõõrdekulumise skeem (Fn ­ normaaljõud, Fh ­ hõõrdejõud)
Hõõrdekulumine on keerulisema iseloomuga võrreldes teiste kulumisliikidega, kuna ta sisaldab peale mehaanilise kulumise (materjali lõikamine ja kriimustamine),ka adhesiooni, pinnaaluste mikropragude teket ja levimist, materjali kandumist ühelt kontaktpinnalt teisele, pinnakareduste muutumist sissetöötamisperioodil, tribokeemiliste kilede teket jt protsesse.
7 Võrreldes teiste kulumisliikidega (abrasiivkulumine, erosioonkulumine) on hõõrdekulumine kõige keerulisem kulumisliik Reaalsed pinnad on keerulise reljeefiga, mida iseloomustavad nende karedus ja lainelisus. Hõõrdumisel karedate kehade vahel on kontakt diskreetne , tekivad üksikud friktsioonsidemed, mis määravad kulumise protsessi Hõõrdekulumine on sageli põhjustatud adhesioonist s.o. pinnakonaruste nn külmkeevitumine, materjaliosakeste ülekandumine ühelt pinnalt teisele, augukeste ja kalasoomuse ilmumine pinnale. Hõõrdumise alaliikideks on - märghõõrdumine (pindade vahel tekib õhuke vedelik (õli, vesi jt ) kile, - piirhõõrdumine (hõõrduvate pindade vahel on väga õhuke ( molekulaarne ) määrdekile, - kuivhõõrdumine ( hõõrduvate pindade vahel puudub määrdekiht). Kõigil juhtudel võib kulumise mehhanismina esineda adhesioon kui ka abrasiivkulumine, pindväsimus ning tribokeemiline reaktsioon. Seega hõõrdekulumise tagajärjel muutuvad pidevalt detailide mõõtmed ja kuju, suurenevad lõtkud hõõrduvate pindade vahel, detailide viskumine ja müra, tekib kloppimine ning masin või mehhanism läheb rivist välja. Veeremise on ülekaalus pindväsimusmehhanism, kuna veeremisega kaasneb enamasti mõningate libisemine (hammasülekanded, nukkmehhanismid , veerelaagrid), siis pole võimatu ka adhesioon või tribokeemiline reaktsiooni mõju.
Fretting ehk vibratsioonkulumine tekib kontaktis pindade omavahelisest väikeamplituudilisest (