J. Vizintin, Fakulteta za strojnistvo, Ljubljana
Pri fretting preizkusu je material izpostavljen obrabi pri majhni
amplitudi in veliki frekvenci. Zaradi specificnih pogojev
preizkusa nastajajo mikroskopsko majhne tocke torne
preobremenitve, v katerih mocno zraste temperatura. Toplota se
mocno siri po torni povrsini in nastajajo veliki temperaturni
gradienti. Pri primernih pogojih preizkusa nastane tako imenovana
bela faza, za katero smo na osnovi mikrostrukture ugotovili, da
je izlocilno utrjeni avstenit. Sodec po mikrostrukturi, lokalna
temperatura presega 1000 stopinj C, temperaturni gradient ob povrsini
trenja pa presega 1000 stopinj C/mm. Predlozen je geometricni model
dogajanja ob tej povrsini.
Kljucne besede: jeklo, fretting obraba, amplituda, bela faza,
temperatura
At the fretting test the material is submitted to wear by small
amplitude and high frequency. The temperature is strongly
increased in small islands which grow at greater amplitude by
coalescence. The generated heat is rapidly dissipated on the worn
surface and a great temperature gradient is formed toward the
bulk of the specimen. By appropriate test conditions a white
phase is formed, which was identified as precipitation hardened
austenite. The microstructure also indicates, that in the white
phase the temperature is above 1000 degrees C, while the temperature
gradient toward the bulk of the specimen is above 1000 degrees C/mm. A
geometrical model of the process on the worn surface as well as
the explanation of the effect of amplitude on the wear
coefficient are proposed.
Key words: steel, fretting wear, amplitude, white phase,
temperature
1 Uvod
Toplotna energija, ki jo proces trenja vnasa v kovino, lahko
bistveno spremeni mehanizem in kolicino obrabe. Vedenje kovin je
namrec razlicno, ce temperatura ne dosega, ali pa dosega mejo, ki
povzroca spremembe v zacetni mikrostrukturi in lastnostih
materiala. Ze vecje spremembe nastopijo pri obrabi in v vrednosti
koeficienta trenja, ze temperatura zraste nad mejo, ko hitro
mehcanje preprecuje deformacijsko utrditev. Fretting je proces
obrabe pri majhni amplitudi, visokih frekvencah in reciprocnem
gibanju. Srecujemo ga pri visokofrekvencnih hidravlicnih
napravah, v kroglicnih lezajih in drugih strojnih elementih in
sklopih. Pri zadostnem segrevanju zaradi trenja je tudi iznicen
koristen vpliv maziva, ker se karbonizira ali celo oksidira. Zato
je evolucija koeficienta trenja odvisna od zacetnih pogojev
(Hertzov tlak, hrapavost povrsine, mazivo), pa tudi od spremembe
mikrostrukture in lastnosti materiala med procesom obrabe. V tem
delu zelimo predstaviti spremembe, ki nastanejo med fretting
preizkusom jekla z 1% C in 1.5% Cr. Poudarek bo na geometricnem
modelu nastanka bele faze ter na temperaturi in temperaturnem
gradientu, ki sta znacilna za njen obstoj med preizkusom kaljivih
jekel. Delo je nadaljevanje predstavitve eksperimentalnih dognanj
in razprave o njih v virih 1,2,3 . V teh delih so opisane
geometrija in velikost poskodb na obrabljenem mestu, predlozna
in podprta je razlaga narave in mehanizma nastanka bele faze in
predstavljene so literaturne navedbe o segrevanju materiala med
fretting preizkusom.
2 Eksperimentalno delo
Pri fretting preizkusu se kroglica giblje izmenicno na ravni
povrsini. Oboje je bilo pri nasem delu iz jekla za kroglicne
lezaje z 1% C in 1.5% Cr, ki je bilo poboljsano na enako trdoto
62 HRc. Preizkusni pogoji so bili naslednji: sila na kroglico 100
N, frekvenca 50 HZ, zacetna preizkusna temperatura 50 stopinj C, stevilo
ciklov 280.000, zrak in amplituda od 5 do 75 mikrometrov. Sila, ki se je
preko kroglice prenasala na preizkusanec, je bila izracunana za
elasticno podajanje. Na ravnem vzorcu smo plast za plastjo
debeline nekaj mikrometrov odbrusili in mikrostrukturo pregledali v
opticnem in rastrskem elektronskem mikroskopu.
3 Evolucija mikrostrukture pri vecanju amplitude
Povrsinska gostota toplote, ki jo ustvarja trenje, je odvisna od
Hertzovega tlaka (sile na enoto povrsine) in frekvence, ki sta
bila pri preizkusih konstantna, in od amplitude nihanja, ki je
bila vecja od preizkusa do preizkusa. Rast amplitude so
spremljale spremembe mikrostrukture enake narave, rastla sta le
povrsina in prostornina prizadetega jekla.
Pri najmanjsi amplitudi 5 mikrometrov smo nasli na kontaktni povrsini le
majhen otocek bele faze v sredini polja obrabe
(slika 1) .
Za to
fazo je bilo dokazano, da je zaostali avstenit, disperzijsko
utrjen s karbidnimi precipitati z velikostjo pod 0.05 mikrometrov
(slika 2).
Mikrostruktura te faze se mocno razlikuje od zacetne
mikrostrukture jekla, ki je iz nizko popuscenega martenzita z
izrazitim habitusom in iz sekundarnih karbidnih izlockov z
velikostjo nad 0.1 mikrometra
(slika 3).
Razlikuje se tudi od
mikrostrukture v polju obrabe, ki je odvisna od lokalne
temperature ter je v blizini otoka bele faze iz ferita,
sekundarnih karbidnih izlockov in precipitatov, nastalih pri
visokotemperaturnem popuscanju martenzita
(slika 4) .
V nobenem
primeru nismo nasli okoli otokov bele faze mikrostrukture, ki bi
dokazovala, da je bilo jeklo v dvofaznem alfa + beta podrocju
temperature, je pa bila taka mikrostruktura najdena na istem
jeklu, ki je bilo preizkusano v mnogo bolj ostrih pogojih.
Mikrostruktura pove, da je bilo jeklo v blizini polja bele faze
segreto na temperaturo blizu tocke AC1, ki je za to jeklo 750 stopinj C 4 .
Pri vecji amplitudi, 15 mikrometrov , najdemo v polju obrabe stevilne
otocke bele faze
(slika 5) .
Ponekod je ohranjen habitus
martenzita se tik ob beli fazi
(slika 6) ,
kar kaze, da tu
temperatura jekla ni presegla 700 stopinj C. Pri najvecji amplitudi, 75
mikrometrov, je nastalo le eno veliko polje bele faze
(slika 7) , ki ima
enako mikrostrukturo kot pri majhni amplitudi
(slika 2)
in se
ostro loci od matriksa, ki podobno kot na
sliki 5
ohranja
martenzitni habitus. Trdota bele faze je 1000 do 1050 HV 05, kar
je za priblizno 200 HV 05 nad zacetno trdoto jekla.
Podobne karbidne izlocke, kot so na
sliki 2 , smo nasli v
zaostalem avstenitu v 50 mikrometrov velikem zrnu iz jekla z 1% C in 1.5%
Cr, ki je bilo izdelano z vodno atomizacijo. Teoreticno hitrost
strjevanja takega zrna je 4 x 10 4 do 1.5 x 10 5 stopinj C/s, kar kaze, da
je hitrost ohlajanja bele faze po koncanem preizkusu zelo velika.
Na vseh preizkusancih je velikost otockov bele faze v ravnini
kontakta mnogo vecja od njihove globine
(slika 8) .
To seveda
kaze, da proces trenja in obrabe omogocata predvsem rast bele
faze v kontaktni ravnini. Zelo pomembna za razlago procesa
nastanka bele faze je njena ostra meja proti mikrostrukturi jekla
pod njo. Mikrostruktura bele faze je lahko nastala le, ce se je
jeklo v njej segrelo nad temperaturo 1000 stopinj C, ki je potrebna, da
se v avstenitu raztopijo zrna sekundarnih karbidov 4 . Ker je bilo
jeklo pod poljem bele faze najvec pri AC1 temperaturi, je mogoce
sklepati, da je bil temperaturni skok na notranji meji bele faze
vsaj 200 stopinj C. Tak skok lahko nastane le, ce je na meji med belo
fazo in mikrostrukturo pod njim nek ponor toplote, ki nastaja na
kontaktni povrsini.
4 Generacija toplote med obrabo fretting in model obrabe
Dejstvo, da najdemo belo fazo, ki je znak za najbolj vroca mesta
na kontaktni povrsini, v obliki otockov z razlicno velikostjo, od
nekaj do vec 100 kvadratnih mikrometrov,
pove, da se toplota ustvarja v zacetku
preizkusa na zelo majhnih sticnih mestih. Ta mesta so lahko
vrsicki na hrapavi povrsini ali obrabni delci, ki so se med
obrabo s povrsine odtrgali in so ostali na kontaktni povrsini.
Vecji otok bele faze nastane z lateralno rastjo in koalescenco
manjsih. Lateralno rast bele faze na kontaktni povrini
sestavljata dva procesa, nadaljevanje obrabe, ki veca kontaktno
povrsino, ter gnetenje in sploscanje jekla, ki je v beli fazi
zelo plasticno na trsi in bolj hladni podlagi. Lateralna rast
bele faze je zato mnogo hitrejsa od globinske.
Poizkusimo sedaj na osnovi empiricnih ugotovitev in sprejemljivih
predpostavk oblikovati model dogajanja na kontaktni povrsini, ki
bi nam razlozil nastanek in rast polj bele faze. Sticna ploskev
obeh kontaktnih teles je hrapava in jo karakterizirajo vrsicki z
razlicno visino
(slika 9).
Realna sticna povrsina je torej manjsa
od idealne. Hertzov tlak je bil izracunan za elasticno podajanje,
vendar je logicno sklepati, da se na sticnih vrsickih jeklo tudi
plasticno deformira in stlaci. V zacetku procesa srecamo
nizkotemperaturne mehanizme obrabe. Plasticna deformacija sticne
povrsine pa ustvarja toploto, zaradi katere raste temperatura na
sticnih mestih najprej preko meje deformacijske utrditve in nato
do meje, potrebne za nastanek bele faze. Pri drugih konstantnih
pogojih je kolicina toplote, ki nastaja na sticni povrsini
sorazmerna z dolzino poti trenja, torej pri enaki frekvenci, z
velikostjo amplitude.
Hertzov tlak, amplituda in frekvenca so pri preizkusu konstantni,
in ce ne bi rastla temperatura, bi bila prostornina plasticne
deformacije konstantna. Kolicina bele faze raste sorazmerno s
kvadratom linearne velikosti polj bele faze (P = f/r) , rast v
globino pa je obratno sorazmerna s kvadratom linearne velikosti
bele faze. Tudi visja temperatura bele faze tega razmerja med
hitrostjo ploscinske in globinske rasti otokov bele faze ne
spremeni, kar si razlagamo kot veliko razmerje med velikostjo na
torni povrsini in globino otockov bele faze. Hitrost lateralne
rasti otockov bele faze se med preizkusom zmanjsuje zato, ker jo
spremlja pojav novih sticnih tock, kot je shematicno prikazano na
sliki 9 .
Bela faza je zaradi visoke temperature zelo gnetljiva,
zadnji rezultati nakazujejo celo na moznost, da je v testastem
stanju. Na preizkusancu iz iste vrste jekla, ki je bil
izpostavljen preizkusu fretting v pogojih mocnejsega trenja in je
temu ustrezno nastalo dovolj bele faze s podobno mikrostrukturo
kot na
sliki 2,
smo belo fazo nasli tudi v obliki kapljic, ki so
bile narinjene na rob cevastega valjastega preizkusanca
(slika 10) .
Trenje na otockih bele faze je majhno zaradi njene velike
gnetljivosti. Med preizkusom se zato veliko trenje ohranja
predvsem zaradi nastanka novih kontaktnih mest. Za razumevanje
procesa nastanka in obstoja bele faze je potrebna sprejemljiva
razlaga, kako in zakaj se ta faza ohranja v tanki plasti in kaj
je vzrok za skokovito zmanjsanje temperature na njeni meji z
jeklom, ki je ostalo pod AC1 temperaturo. Pri razlagi
temperaturnega skoka izhajamo iz predpostavke, da je jeklo v beli
fazi v testastem stanju, ali je vsaj zelo lahko gnetljivo, in se
zato zaradi delujocega Herzovega tlaka plosci na trsi podlagi v
tanko plast.
Za pretvorbo iz mikrostrukture iz disperzije razlicno velikih
karbidnih precipitatov v alfa fazi v homogen avstenit in alfa - gama
premeno je potrebna energija. Termodinamicni izracun, ki uposteva
tvorbeno in topilno toploto karbida, povecanje entropije in
entalpijo alfa - gama premene pokaze namrec, da je skupni proces
endotermen, za nastanek bele faze se torej porablja toplota. Vir
te toplote je seveda trenje na kontaktni ploskvi. Mozna
povrsinska rast izkljucuje pomemben vpliv lateralnega ogrevanja.
Upostevajoc vse zapisano, je utemeljena predpostavka, da je vzrok
temperaturnega skoka na notranji meji bele faze trojen: ponor
toplote, mehanicno ploscenje in majhen odvod toplote z mejne
povrsine. Dejstvo, da je velikost plasti bele faze v ravnini
kontakta mnogo vecja kot globina, kaze na to, da je ustvarjanje
toplote v polju trenja relativno majhno, neprimerljivo manjse od
energije, ki se jeklu dovaja, npr. pri kaljenju povrsine. Na
osnovi sprememb mikrostrukture predpostavljamo, da je
porazdelitev temperature v podrocju toplotnega vpliva trenja
taka, kot jo shematicno prikazuje
slika 11 .
Sirina pasu s
popusceno mikrostrukturo je tem ozja, cim vecja je amplituda
frettinga, ker se v tem primeru sorazmerno manj energije porabi
za nastanek bele faze in ker je zaradi manjsega trenja manjse
nastajanje toplote.
Model omogoca enostavno razlago, zakaj pri povecanju amplitude
raste povrsina bele faze. Ocitno je, da so pri povecanju
amplitude pogoji za pogostejsi kontakt med kontaktnimi mesti,
kjer bela faza nastaja, kot shematino prikazuje
slika 12 .
Rast
povrsine bele faze pri povecani amplitudi je torej dokaz, da
imata zelo pomembno vlogo v procesu na kontaktni povrsini tudi
koalescenca in ploscenje te faze v tanko plast.
Opisani model omogoca enostavno razlago, zakaj je pri konstantnih
pogojih preizkusanja polje poskodbe najbolj globoko (abradirana
najvecja kolicina materiala) pri amplitudi 15 mikrometrov in zakaj se
koeficient obrabe zmanjsuje pri povecanju amplitude nad to mejo
(slika 13) .
Obraba v zacetku raste z amplitudo, ko pa se zaradi
nastajanja toplote mocneje spreminjajo lastnosti jekla, se zacne
zmanjsevati koeficient trenja. Razmere pa se bistveno spremenijo,
ko nastane dovolj bele faze. Na tej, ki je lahko gnetljiva,
verjetno pa tudi testasta, je trenje najmanjse. Pri poveanju
amplitude bela faza nastane hitreje in v vecji kolicini, rezultat
pa je zmanjsanje povprecne vrednosti koeficienta trenja. Ta je
namrec relativizirana vsota dveh razlicnih koeficientov trenja,
manjsega na poljih bele faze in vecjega na kontaktni povrsini,
kjer te faze ni.
5 Sklepi
1. V delu so na kratko povzeti rezultati
mikrostrukturnih
preiskav po fretting preizkusih jekla z 1% C in 1.5% Cr. Ti
preizkusi kazejo, da na kontaktnih mestih nastajajo otocki bele
faze, ki je na temperaturo okoli 1000 stopinj C segret homogen avstenit,
in da je na njeni meji do popuscene mikrostrukture jekla
temperaturni skok 200 stopinj C ali celo vecji.
2. Na osnovi narave bele faze, morfologije njenega nastanka in
kolicine te faze, ki raste, ce se pri konstantnem Hertzovem tlaku
in frekvenci povecuje amplituda, je bil predlozen geometricni
model dogajanj na kontaktni povrsini ob prisotnosti bele faze.
3. Bela faza je zelo gnetljiva in je na njej trenje manjse kot na
hladnejsih delih kontaktne povrsine. Zato se povprecni koeficient
trenja zmanjsuje, ko raste na kontaktni povrsini delez bele faze
z vecanjem amplitude pri konstantni frekvenci in Herzovem tlaku.
Pred nastankom bele faze ima povecanje amplitude frettinga
nasproten ucinek, koeficient trenja in velikost poskodbe na
kontaktnem mestu rasteta z rastjo amplitude.
4. Lateralna rast bele faze, ki pri zadostnih amplitudah privede
do koalescence posamicnih otockov, je deloma posledica rasti
kontaktne povrsine zaradi nadaljevanja procesa obrabe, deloma pa
sploscenja zaradi njene velike gnetljivosti.
5. Rast polj bele faze v globino je omejena zaradi hitrejse
lateralne rasti, manjsega nastajanja toplote zaradi trenja in
porabe toplote za pretvorbo mikrostrukture iz alfa faze in karbidnih
precipitatov v homogeni avstenit. Oba pojava, predvsem pa ponor
toplote na notranji meji, sta vzrok za temperaturni skok na tej
meji.
6 Viri
1. J. Vizintin, F. Vodopivec: Kovine, zlitine, tehnologije, 27,
1993, 185-190
2. F. Vodopivec, J. Vizintin, B. Sustarsic: Effect of fretting
amplitude on the microstructure of a 1% C and 1.5% Cr steel;
sprejeto v objavo v Materials Science and Technology
3. J. Vizintin, M. Kalin, B. Podgornik, F. Vodopivec: Sprejeto v
objavo v 'Tribotest'
4. G. Berger: La dilatometrie difiren tielle appliquie a l'itude
des aciers ; Zal. Dunod, Paris, 1965
