*
WPŁYW SKŁADU CHEMICZNEGO I GRANULOMETRYCZNEGO WYBRANYCH PROSZKÓW Fe NA WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWE KOMPOZYTU
THE EFFECT OF CHEMICAL COMPOSITION AND GRANULATION OF Fe-BASED FILLERS ON PROPERTIES OF METAL RESINOUS COMPOSITE
Słowa kluczowe: kompozyt metalożywiczny, napełniacze, tarcie, zużycie, rozszerzalność cieplna
Key-words: metal resinous composite, filler, friction, wear, thermal expansion
#Instytut Technologii Eksploatacji, ul. Pułaskiego 6/10, 26-200 Radom, tel. (048) 442-41.
*Janusz JANECKI, Janusz DASIEWICZ, Zbigniew PAWELEC; "WPŁYW SKŁADU CHEMICZNEGO I GRANULOMETRYCZNEGO WYBRANYCH PROSZKÓW Fe NA WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWE KOMPOZYTU", Tribologia nr 3/2000 s. 351.
Streszczenie
Zaprezentowano regeneracyjne kompozyty metalożywiczne z proszkami żelaza Fe o różnorodnym składzie pierwiastkowym i granulometrycznym. Dokonano analizy wpływu rodzaju i składu chemicznego proszku Fe na współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej i charakterystyki tribologiczne materiałów kompozytowych oraz zużycie skojarzenia kompozyt metalożywiczny brąz B 101 i kompozyt-stal.
Stwierdzono, że mniejsza granulacja podstawowego napełniacza kompozytów wpływa korzystnie na wielkość współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej jak również na charakterystyki tribologiczne i zużycie modelowego węzła tarcia. Obecność miedzi, niklu i molibdenu w składzie napełniacza proszkowego wpływa korzystnie na niektóre właściwości kompozytu.
WPROWADZENIE
Kompozyty konstrukcyjne stanowią bardzo dużą i zróżnicowaną grupę materiałów złożonych. Różnią się one rodzajem użytych składników, kształtem i wymiarami komponentu umacniającego, technologią wytwarzania itp., ale mają wspólną cechę - wysokie wskaźniki wytrzymałościowe. Najprostsza koncepcja kompozytu konstrukcyjnego sprowadza się do rozmieszczenia w osnowie drugiej fazy (zwykle sztywniejszej niż osnowa). Najczęściej stosowanymi surowcami w produkcji polimerowych wyrobów kompozytowych są proszki następujących metali: żelaza, miedzi, cyny, ołowiu, niklu oraz proszki mosiądzów i brązów.
PRZEDMIOT I WYNIKI BADAŃ
Przedmiotem badań były kompozyty metalożywiczne z podstawowym napełniaczem metalicznym proszkiem żelaza - Fe, otrzymywanym metodą redukcji o różnych składach pierwiastkowych, które podano w TABELI 1.
Tabela 1. Wyniki badań składu chemicznego proszków Fe
Symbol proszku
Skład chemiczny - zawartość pierwiastków [%]
Węgiel
Wodór
Miedź
Nikiel
Molibden
NC
<0,01
0,21
-
-
-
AE
<0,01
0,10
1,50
4,00
0,50
SA
<0,01
0,10
1,50
1,75
0,50
Fe-Cu
0,01
0,16
10
-
-
Zakres badań nad oceną wpływu napełniacza metalicznego na właściwości kompozytu obejmował:
wykonanie analizy sitowej i ocenę składu granulometrycznego,
Przedstawione na RYSUNKU 1 krzywe rozkładu granulometrycznego proszków żelaza wskazują na większy rozrzut wymiarów ziaren dla napełniaczy oznaczonych symbolami AE, SA i FeCu a maksimum zawartości w przypadku proszków FeCu i AE przypada na rozmiary ziarna od 50-100 (im. Dla proszku SA maksimum zawartości przypada na ziarna o wymiarze 100 µm podobnie jak dla proszku NC, jednak posiada on znacznie większy udział procentowy cząstek o rozmiarach poniżej 70 µm oraz minimalną, ok. 1% zawartość cząstek powyżej 125 µm. Większy rozrzut ziarnowy cząstek napełniaczy, a szczególnie duża zawartość cząstek o małych wymiarach powinien wpłynąć korzystnie na cechy użytkowe kompozytów.
Rys. l. Krzywe rozkładu ziarnowego napełniaczy proszkowych kompozytów
Fig. l. The curves of grain size powder filler distribution
Niezależnie od innych właściwości kompozytów czynnikiem, który w istotny sposób wpływa na wybór materiału przy projektowaniu określonego elementu, jest rozszerzalność cieplna tworzyw.
Pomiaru współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej dokonano za pomocą dylatometru niemieckiej firmy Coesfeld z rejestracją komputerową wyników pomiaru. Pomiaru zmian długości próbki dokonywano w przedziale temperatur 20-200°C, a wartości współczynnika a podano w TABELI 2.
Średnią wartość współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej obliczono wg wzoru:
a =
T2T1
•
Dllo•DT
gdzie:
Dl - przyrost długości próbki [mm], spowodowany zmianą jej temperatury o DT,
DT - przyrost temperatury od T1 do T2 [°C],
lo - długość próbki w temperaturze 20°C [mm].
Tabela 2. Wyniki pomiarów współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej kompozytów z proszkami żelaza o różnym składzie chemicznym oraz stali i mosiądzu
Współczynnik rozszerzalności cieplnej napełnionej żywicy epoksydowej przewyższa znacznie wartość współczynnika innych materiałów jak stal i inne metale (TAB. 2). Obniżenie jego wartości przez wprowadzenie różnorodnych napełniaczy ma duże znaczenie praktyczne, gdyż umożliwia łączenie żywic epoksydowych z innymi materiałami bez obawy występowania większych naprężeń i pękania odlewów lub spoin przy zmianie temperatury.
Rys. 2. Przebieg zmian wydłużenia próbki kompozytu metalożywicznego z proszkiem Fe-Cu I pomiar
Fig. 2. The elongation curve for sample made of metal-resinous composite with Fe-Cu powder. The first measurement
Rys. 3. Przebieg zmian wydłużenia próbki kompozytu metalożywicznego z proszkiem Fe-Cu II pomiar
Fig. 3. The elongation curve for sample made of metal-resinous composite with Fe-Cu powder. The second measurement
Spadek rozszerzalności cieplnej jest proporcjonalny do zawartości napełniacza, jednak efekt jest znacznie mniejszy niż można było oczekiwać na podstawie zasady addytywności [L. l, 3]. Przykładowe przebiegi zmian wydłużenia próbek kompozytu w funkcji temperatury przedstawiono na RYSUNKACH 2 i 3. Na podstawie pomiaru współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej możemy stwierdzić, że kompozyty, w których podstawowym napełniaczem są proszki SA i AE, mają mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej, a więc mniejsza granulacja podstawowego napełniacza metalicznego w kompozycie wpływa korzystnie na wielkość tego parametru. Dla celów porównawczych wykonano także pomiary współczynnika a dla stali i mosiądzu, w tym przypadku możemy stwierdzić, że kompozyty metalożywiczne mimo stosunkowo dużej zawartości proszkowego napełniacza metalowego (ok. 70%) mają jednak kilkakrotnie większy współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej.
Ponieważ opracowane kompozyty metalożywiczne stosowane są głównie do regeneracji ślizgowych elementów maszyn, do badania odporności na zużycie został wykorzystany tester tribologiczny T-05, w którym węzeł tarcia imituje łożysko ślizgowe. Ciągłe pomiary realizowane za pomocą tej maszyny tribologicznej umożliwiają zarejestrowanie dynamiki procesów tribologicznych [L. 5].
Celem prowadzonych badań tribologicznych dotyczących opracowanych materiałów kompozytowych było:
zbadanie intensywności zużywania się materiałów kompozytowych z różnymi napełniaczami proszkowymi w funkcji drogi tarcia,
przeprowadzenie analizy zmian współczynnika tarcia i temperatury węzła tarcia w funkcji drogi,
porównanie materiałów kompozytowych z różnymi napełniaczami metalicznymi pod względem zużycia tribologicznego i przebiegu procesu tarcia.
Modelowe badania tribologiczne prowadzono w tych samych warunkach, przy ustalonej geometrii i wymiarach doświadczalnego węzła tarcia oraz określonych parametrach obciążenia, prędkości poślizgu i ustalonych warunkach smarowania (smarowanie jednokrotne).
Dla przeprowadzenia badań tribologicznych przyjęto następujące założenia:
Parametry testu:
prędkość stała v = 0,3 m/s,
obciążenie stałe p = 9 MPa,
droga tarcia 5500 m.
Wykonywano pomiary:
siły tarcia w czasie trwania testu,
temperatury węzła tarcia w trakcie trwania testu,
zużycia liniowego węzła tarcia.
Na RYSUNKACH 4-7 przedstawiono przykładowe przebiegi zmian temperatury węzła tarcia i współczynnika tarcia dla kompozytów z różnymi napełniaczami proszkowymi.
We wszystkich niemal testach tribologicznych zaobserwować można wprost proporcjonalną zależność współczynnika tarcia od temperatury dla określonego kompozytu. Zastosowane jako podstawowy napełniacz proszkowe napełniacze metaliczne wpływają w sposób zróżnicowany na charakterystyki tribologiczne i zużycie modelowego węzła tarcia.
Rys. 4. Przebieg zmian temperatury węzła tarcia i współczynnika tarcia dla kompozytu z proszkiem AE
Fig. 4. The friction pair bulk temperature and friction coefficient versus time for the composite with AE powder
Rys. 5. Przebieg zmian temperatury węzła tarcia i współczynnika tarcia dla kompozytu z proszkiem SA
Fig. 5. The friction pair bulk temperature and friction coefficient versus time for the composite with SA powder
Rys. 6. Przebieg zmian temperatury i współczynnika tarcia dla kompozytu z proszkiem NC
Fig. 6. The friction pair bulk temperature and friction coefficient versus time for the composite with NC powder
Rys. 7. Przebieg zmian temperatury węzła tarcia i współczynnika tarcia dla kompozytu z proszkiem Fe-Cu klocek stalowy
Fig. 7. The friction pair bulk temperature and friction coefficient versus time for the composite with Fe-Cu powder steel-block
Wyniki badań wskazują na pewną przewagę właściwości tribologicznych kompozytów metalożywicznych z proszkami oznaczonymi symbolami AE i S.A., zawierającymi ponad 50% proszku o granulacji do 100 µm i posiadającymi w swoim składzie domieszki innych pierwiastków, takich jak miedź, nikiel, molibden nad właściwościami kompozytów zawierającego proszek o symbolu NC. Proszek żelaza o symbolu NC w swoim składzie chemicznym nie zawiera innych niż żelazo pierwiastków, a zawartość cząstek, których średni wymiar przekracza 100 µm, jest na poziomie ponad 70%. Z przebiegu zapisu zmian współczynnika tarcia i temperatury węzła tarcia wynika, że wysoka stabilizacja procesów tribologicznych przebiegała jedynie dla kompozytów z proszkami oznaczonymi symbolami AE, SA. Już po przebiegu ok. 500 m następowała stabilizacja temperatury dla kompozytu z proszkiem SA na poziomie ok. 150°C, a wartość współczynnika tarcia wynosiła 0,12. W przypadku kompozytu z podstawowym napełniaczem, proszkiem żelaza oznaczonym symbolem AE, zaobserwować można również wysoką stabilność rejestrowanych parametrów, średnia wartość temperatury węzła tarcia i współczynnika tarcia mierzone na całej drodze tarcia są na poziomie zbliżonym jak dla kompozytu z proszkiem o symbolu SA. Nieco odmienne charakterystyki rejestrujemy dla kompozytu z napełniaczem proszkowym oznaczonym symbolem NC. Dla tego rodzaju kompozytu zanotowano nieco niższe wartości zarówno współczynnika tarcia, jak i temperatury doświadczalnego węzła tarcia. Większe rozmiary ziaren napełniacza mogą sprzyjać lepszemu odprowadzaniu ciepła ze strefy tarcia.
Rys. 8. Łączne zużycie liniowe węzła tarcia (kompozyt z różnymi napelniaczami proszkowymi przeciwpróbka stalowa lub z brązu)
Fig. 8. The total linear wear of the friction pair (composite-steel and composite-bronze pairs; composite containing various fillers)
Korzystne charakterystyki tarciowe zanotowano podczas współpracy kompozytu z proszkiem Fe-Cu z przeciwpróbka wykonaną ze stali. Na podstawie tych wyników wnioskować można, że obecność miękkiego metalu (miedzi) w podstawowym napełniaczu proszkowym kompozytu znacznie łagodzi proces tarcia w skojarzeniu kompozyt metalożywiczny-stal.
Lepsze charakterystyki tribologiczne (wysoka stabilność temperatury i współczynnika tarcia) kompozytów z proszkami oznaczonymi symbolami SA, AE wpłynęły korzystnie na zużycie liniowe modelowego węzła tarcia (RYS. 8). Powyższe obserwacje sugerują, że mniejsze rozmiary cząstek podstawowego napełniacza metalicznego (p. RYS. l) wpłynęły pozytywnie na uzyskanie kompozytu o znacznej odporności na proces zużywania. Otrzymane wyniki pomiarów zużycia wskazywać mogą również na pozytywny wpływ molibdenu, niklu i miedzi obecnych w składzie proszku żelaza oznaczonych symbolami SA i AE na wielkość zużycia tribologicznego. Stosunkowo duża (10%) zawartość miedzi w proszku Fe-Cu łagodzi proces zużycia kompozytu metalożywicznego podczas współpracy z przeciwpróbką wykonaną ze stali.
Podsumowanie
Zakres badań i analiza wyników potwierdziły wysoką przydatność niektórych proszków żelaza do stosowania ich jako podstawowego napełniacza regeneracyjnych kompozytów metalożywicznych. Obecność w składzie pierwiastkowym proszków oprócz żelaza również innych metali, takich jak: miedź, nikiel, molibden wpływa pozytywnie na cechy tribologiczne kompozytów.
Zawartość około 70% cząstek o wielkości ziaren poniżej 100 µm w napełniaczach proszkowych oznaczonych symbolami AE i SA wpływa korzystnie na wielkość współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej.
Obecność metalu miękkiego - miedzi (Cu) - w składzie podstawowego napełniacza metalowego kompozytów metalożywicznych poprawia charakterystyki tribologiczne i zmniejsza wielkość zużycia węzła tarcia kompozyt-stal. Wskazuje to jednocześnie na możliwość regeneracji materiałem kompozytowym czopów łożysk ślizgowych współpracujących z panewkami wykonanymi ze stali.
Ponieważ objętościowy stopień napełnienia oraz rodzaj polimerowej osnowy był jednakowy dla wszystkich materiałów kompozytowych, możliwe było określenie wpływu na właściwości użytkowe kompozytu takich cech napełniacza, jak: skład granulometryczny i pierwiastkowy.
LITERATURA
Kapuściński J., Pucibowski K., Wojciechowski S.: Projektowanie i technologia materiałów kompozytowych. Wydawnictwo Politechnika Warszawska 1983.
Jurkowski B., Jurkowska B.: Sporządzanie kompozycji polimerowych elementy teorii i praktyki. WNT, Warszawa 1985.
Ostrowski T.: Metalurgia proszków. Wydawnictwo uczelniane, Politechnika Lubelska 1986.
Szczerek M.: Metodologiczne problemy systematyzacji eksperymentalnych badań tribologicznych. Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 1997.
Recenzent: Ryszard MARCZAK
Summary
In this paper the authors present metal-resinous composites with Fe-based fillers of various element constitution and granulation. The anałysis of influence of filler type on coefficient of linear thermal expansion of composite materials was performed. Friction and wear tests (composite-bronze and composite-steel pairs) were carried out.
It was stated that the tinier granulation of main filler has a positive effect on coefficient of linear thermal expansion and friction/wear characteristics. The presence of copper, nickel and mołybdenum in the filler is beneficial for some properties of the composite.
