Temat: Wyznaczenie odporności na zużycie metodą mikrościerania

Cel:

Zapoznanie z metodą pomiaru szybkości zużycia ściernego tworzyw konstrukcyjnych i powłok metodą mikrościerania.

1. Metoda badawcza

Metodyka badań została opracowana na podstawie normy PN-EN 1071-6 Techniczna ceramika zaawansowana. Metody badań powlok ceramicznych. Część 6: Oznaczenie odporności na ścieranie metodą mikrościerania.

1. Stanowisko do badań

Węzeł tarcia maszyny urządzenia (wg producenta typu T-20) składa się z nieruchomej tarczy testowej dociskanej z określoną siłą „P” do obracającej się przeciwpróbki- kuli. Na rysunku 1 przedstawiono węzeł tarcia maszyny badawczej T-20.

Rys 1 Węzeł tarcia maszyny badawczej T-20, a) widok, b) schemat

1. Przygotowanie próbek do badań

Powlekane próbki do badań powinny mieć dużą płaską powierzchnię, wystarczającą do wykonania wymaganej serii badań. Grubość powłoki powinna być większa niż 1μm. Dokładność pomiaru wielkości kraterów zależy od jakości wykończenia powierzchni próbki i od zastosowanego środka ściernego. Mimo, że możliwe jest ulepszenie wykończenia powierzchni powłoki przez polerowanie przed badaniem, nie jest to możliwe w przypadku podłoża, a wykończenie powierzchni podłoża wpływa na dokładność, z którą granica rozdziału między powłoką a podłożem może być lokalizowana. Dlatego, w razie potrzeby, zaleca się aby powłoki były osadzane na podłożu polerowanym dla umożliwienia dokładnej lokalizacji podłoża powłoki. W razie potrzeby powierzchnia powłoki może być polerowana dla polepszenia jej wykończenia.

Przed badaniem z próbki usunąć zanieczyszczenia i postępować zgodnie z procedurą określoną poniżej:

Wg normy PN-EN 1071-6:2008:	Wg instrukcji T-20:
Oczyszczenie w płuczce ultradźwiękowej w odpowiednim rozpuszczalniku; Płukanie; Wysuszenie w suszarce w temperaturze 110 °C przez 10 minut.	odtłuszczanie w toluenie przez 5 do 10 minut w myjce ultradźwiękowej; czyszczenie w heksanie przez 5 minut w myjce ultradźwiękowej; suszenie w suszarce przez 20 minut w temperaturze 110-120 °C.

1. Metodyka badań typu A: bez perforacji powłoki

W tym etapie badania należy ograniczyć czas badania, aby nie wystąpiła perforacja powłoki.
Przed ustaleniem odpowiednich warunków mogą być konieczne liczne wstępne badania.

Etapy przeprowadzania testów:

1. Zamocować próbkę oraz kulę w maszynie badawczej T-20.

2. Obciążyć układ zalecaną wartością 0,2 – 0,4 N.

3. Ustawić prędkość obrotową silnika poprzez sterownik na zalecaną wartość 75 [obr/min]

4. Opuścić ramię z próbką na przeciwpróbkę

5. Ustalić czas lub ilość obrotów dla przeprowadzanego testu oraz uzupełnić parametry do raportu takie jakie: obciążenie, rodzaj ścierniwa, materiał kuli i tarczy itp.

6. Włączyć pompę doprowadzające zawiesinę ścierną i ustawić na taką wartość prędkości obrotowej, aby powierzchnia kontaktu kuli i próbki stale była zwilżana zawiesiną oraz upewnić się, czy całą powierzchnia kontaktu kuli pokryta jest zawiesiną ścierną już podczas pierwszego obrotu

Tabela 1 Ustawienia pompy

3 [obr/min]	4 [obr/min]	5 [obr/min]
1 [ml/min]	1,8 [ml/min]	2 [ml/min]

1. Uruchomić test (silnik włączy się automatycznie)

2. Po skończonym teście wygenerować raport.

3. Dokręcić śrubę od ramienia z próbką aby nie stykała się z przeciwpróbką

4. Wyjąć próbkę, oczyścić w taki sam sposób jak przed badaniem

5. Zmierzyć wymiar b krateru równolegle i prostopadle do kierunku ruchu obrotowego kuli. Jeżeli b_par i b_perp różnią się mniej niż 10%, należy przyjąć wartość średnią z tych pomiarów i podać jako wielkość krateru. Kratery, które nie spełniają tego warunku, nie powinny być wykorzystywane do obliczenia szybkości zużycia

Rys 2 Pomiar krateru bez perforacji (1-kierunek obrotu kuli)

1. Obliczyć szybkość zużycia ściernego powłoki

2. Wykonać badanie dla każdej próbki przynajmniej trzykrotnie

1. Opracowanie wyników pomiarów

Objętość zużytego materiału oblicza się z następującego równania:

$$V = \pi\frac{b^{4}}{64R}$$

Dla h<<R, gdzie R jest promieniem kuli, b średnicą krateru, a h głębokością krateru. Równanie zużycia Archarda wiąże objętość zużycia z obciążeniem normalnym N i drogą poślizgu S w sposób następujący:

V = K_cSN

Gdzie: K_c - szybkość zużycia ściernego powłoki.

Stąd: $K_{c} = \pi\frac{b^{4}}{64RSN}$

Obliczyć K_c, podstawiając zmierzone wartości b (średnia wartość b_par i b_perp), R, S i N do powyższego równania.

Uzupełnienie:

Metodyka badań typu B: z perforacją powłoki

Dla układu badawczego, który umożliwia, żeby kula po każdym pomiarze wymiaru krateru na nowo ustawiana była w kraterze, można zastosować jeden krater i po każdym badaniu mierzyć go. Z drugiej strony można wykonać serię kraterów przy wzrastającym czasie badania.

Etapy przeprowadzania testów:

1. Zamocować próbkę oraz kulę w maszynie badawczej T-20.

2. Obciążyć układ zalecaną wartością 0,2 N.

3. Ustawić prędkość obrotową silnika poprzez sterownik na zalecaną wartość 75 [obr/min]

*Wymagana ilość obrotów zależy od badanego materiału i zastosowanych warunków badania. Zaleca się, aby uzyskane kolejne kratery wykazywały wyraźne zróżnicowane wymiary, czyli według potrzeb zastosować kolejno do każdej próby prędkość obrotową 400, 600, 900, 1200 i 2000 [obr/min]

1. Opuścić ramię z próbką na przeciwpróbkę

2. Przy użyciu oprogramowania na komputerze ustalić czas lub ilość obrotów dla przeprowadzanego testu oraz uzupełnić parametry do raportu takie jakie: obciążenie, rodzaj ścierniwa, materiał kuli i tarczy itp.

3. Włączyć pompę doprowadzające zawiesinę ścierną i ustawić na taką wartość prędkości obrotowej, aby powierzchnia kontaktu kuli i próbki stale była zwilżana zawiesiną oraz upewnić się, czy całą powierzchnia kontaktu kuli pokryta jest zawiesiną ścierną już podczas pierwszego obrotu

3 [obr/min]	4 [obr/min]	5 [obr/min]
1 [ml/min]	1,8 [ml/min]	2 [ml/min]

Tabela 2 Ustawienia pompy

1. Uruchomić test (silnik włączy się automatycznie)

2. Po przewidzianym interwale czasu lub ilości obrotów określonym w badaniu wstępnym przerwać badanie, a w przypadku pomiaru kraterów in situ i ponownego ułożenia kuli w otrzymanym kraterze, kulę wyjąć, krater oczyścić w odpowiedni sposób i zmierzyć jego średnicę. Alternatywnie, przesunąć próbkę i w nowym miejscu rozpocząć kolejne badanie.

3. Wygenerować raport.

4. Na koniec dokręcić śrubę od ramienia z próbką aby nie stykała się z przeciwpróbką

5. Wyjąć próbkę, oczyścić w taki sam sposób jak przed badaniem

6. Zmierzyć średnicę a krateru (kraterów) w podłożu równolegle i prostopadle do kierunku ruchu obrotowego kuli. Jeżeli wartości zmierzone w kierunku równoległym i prostopadłym różnią się mniej niż 10%, należy przyjąć wartość średnią z tych pomiarów i podać jako wielkość krateru. Tylko kratery, które spełniają ten warunek, powinny być wykorzystane do obliczenia szybkości zużycia.

Rys 3 Pomiar krateru w powłoce z perforacją (1-kierunek obrotu kuli)

1. Obliczyć grubość powłoki

2. Obliczyć szybkość zużycia ściernego powłoki

3. Przynajmniej dwukrotnie wykonać serię badań dla każdej próbki

Analiza wyników

Równania podstawowe (V = K_cSN)

Równanie, które przyjmuje się za podstawę do wyznaczenia zużycia, jeżeli zachodzi perforacja powłoki, jest następujące:

$$SN = \left( \frac{V_{c}}{K_{c}} + \frac{V_{s}}{K_{s}} \right)$$

Gdzie: S - droga poślizgu kuli, N - obciążenie normalne, V_c - objętość usuniętej powłoki, V_s - objętość usuniętego podłoża, K_s - szybkość zużycia ściernego podłoża, K_c - szybkość zużycia ściernego powłoki.

Równanie można przedstawić w postaci:

$$\frac{\text{SN}}{V_{c}} = \frac{1}{K_{s}}\frac{V_{s}}{V_{c}} + \frac{1}{K_{c}}$$

Następnie wykreślić zależność $\frac{\text{SN}}{V_{c}}$ w funkcji $\frac{V_{s}}{V_{c}}$ o nachyleniu $\frac{1}{K_{s}}$ i przesunięciu $\frac{1}{K_{c}}$

V_{c i} V_s można wyliczyć z następujących przybliżonych wzorów

$V_{c} \approx \frac{\pi}{64R}(b^{4} - a^{4})$ ; $V_{s} \approx \frac{\pi a^{4}}{64R}$

Gdzie: a i b są, odpowiednio, średnicami kraterów podłoża i powłoki.

Wyrażając wartość b przez grubość powłoki t i podstawiając do równania $V_{c} \approx \frac{\pi}{64R}(b^{4} - a^{4})$, otrzymuję się

$$V_{c} \approx \frac{\text{πt}}{4}(a^{4} - 4RT)$$

UWAGA: w praktyce w badaniach wytwarzania kraterów za pomocą kuli błędy wprowadzane przez przybliżone określenie V_c i V_s są istotnie mniejsze niż niepewność wywołana błędami pomiaru.

• Obliczanie K_c i K_s

Obliczyć wartości V_c i V_s dla kraterów z serii badań przez użycie zmierzonych niezależnie wartości a (= wartości średniej z a_par i a_perp) oraz t

Obliczyć wartości $\frac{\text{SN}}{V_{c}}$ oraz $\frac{V_{s}}{V_{c}}\ $dla wszystkich kraterów i wykreślić zależność $\frac{\text{SN}}{V_{c}}$ w funkcji $\frac{V_{s}}{V_{c}}$ dla wszystkich kraterów. Zaleca się uzyskać na wykresie przybliżone nachylenie.

Zastosować regresję liniową ( metoda najmniejszych kwadratów) dla najlepszego dopasowania danych punktów

Określić K_c z przesunięcia liniowego oraz obliczyć K_s z nachylenia prostej według równania $\frac{\text{SN}}{V_{c}} = \frac{1}{K_{s}}\frac{V_{s}}{V_{c}} + \frac{1}{K_{c}}$

Podać wyniki pomiarów co najmniej dwóch serii kraterów.