TRIBOLOGICKÁ ANALÝZA ŽIAROVO POZINKOVANÝCH POVLAKOV PIN - ON DISC TESTOM RNDr. Miroslav Džupon Ústav materiálového výskumu SAV Watsonova 47 043 53 Košice SR e-mail: mdzupon@imr.saske.sk Ing. Jarmila Savková Doc. Ing. Olga Bláhová PhD. Západočeská univerzita v Plzni Katedra materiálů a strojírenské metalurgie Univerzitní 22 306 14 Plzeň ČR e-mail: savkova@kmm.zcu.cz Ing. Dagmar JakubéczyováCSc. Ústav materiálového výskumu SAV Watsonova 47 043 53 Košice SR e-mail: djakubeczyova@imr.saske.sk Abstract For the sliding properties of surfaces Pin on disc method was used. The examination principle was ball contact with evaluation surface of specimen situated on spinning disc. The Pin on disc test is based on linear measuring of friction coefficient and current deterioration of tested surface of specimen. The test results were dependent on load power relative speed of ball and specimen number of cycles state of specimen and properties of material. Key words: friction friction coefficient ÚVOD Povlaky na báze zinku sú prevážne používané ako protikorózna ochrana oceľových plechov v automobilovom priemysle. Lisovateľnosť pozinkovaných oceľových plechov je ovplyvnená mnohými faktormi ako sú lisovateľnosť oceľového substrátu prítomnosťou intermetalickej vrstvy medzi oceľovým substrátom a zinkovým povlakom textúrou zinku veľkosťou zŕn zinku tvrdosťou povlaku drsnosťou povrchu a prítomnosťou zliatinových prvkov v zinkovom povlaku [1][2]. Vlastnosti povrchu plechov môžu mať veľmi rozdielne parametre drsnosti chemické zloženie a štruktúrou povlakov [2] a povrchovú textúru [2]. V procese lisovania plechov sú podmienky trenia obvykle charakterizované koeficientom trenia μ = F P = τ p kde F resp. τ je tangenciálna sila resp. tangenciálne šmykové napätie P resp. p je normálová sila resp. normálové napätie na povrchu. Stabilita podmienok trenia je modifikovaná hlavne adhéziou plechu a lisovacieho nástroja ktorú je možné vyjadriť ako F = A r τ r kde A r je skutočná plocha kontaktu τ r je skutočné šmykové napätie medzi plechom a nástrojom. Šmykové napätie τ r je možné dekomponovať na zložky prislúchajúce adhézii a τ ad a plastickej deformácii τ pl pričom hodnota adhéznej komponenty je determinovaná stavom povrchu v zóne kontaktu [4]. Pin - on - disc je metóda obvykle používaná pri analýze oteruvzdornosti a kĺzných vlastností povrchov. Príncipom skúšky je kontakt guľôčky alebo valca so vzorkou na rotujúcom disku. Pin - on - disc experiment je založený na spojitom meraní koeficientu trenia a súčasnom opotrebování testovaného povrchu. Hlavnými parametrami ktoré modifikujú trenie a opotrebenie pri tomto tribologickom teste sú: rýchlosť otáčania a aplikovaná záťaž. Výsledky testov sú závislé hlavne na zaťažujúcej sile relatívnej rýchlosti pohybu medzi guľôčkou (valčekom) a vzorkou počte cyklov stave vzorky a na vlastnostiach skúmaného materiálu. Analytickému opisu adhezívneho a únavového opotrebenie v usporiadaní Pin-on-disc bola venovaná práca [5]. Cieľom práce bolo testovať možnosti metódy Pin-on-disc pri analýze podmienok trenia žiarovo zinkového povlaku a oceľovej guľôčky bez prítomnosti mazív. EXPERIMENT A VÝSLEDKY Na experimentálne práce bol použitý žiarovo pozinkovaný plech z mikrolegovanej ocele (HSLA) hrúbky 08 mm. Zinkový povlak bol hrúbky 7-10 μm (obr.1). Obr. 1 Obr. 2 Obr. 3 GD-OES analýza systému Zn- HSLA 42
Povrchová textúra žiarovo pozinkovaného plechu bola stochastická (obr.2). Metódou GD-OES bol v povlaku identifikovaný zinok a na hranici oceľový podklad zinková vrstva bola kontinuálna zmena koncentrácie zinku a železa (obr.3). Parametre drsnosti povrchu boli stanovené dotykovým profilomerom typu Surftest SJ - 301 fy Mitutoyo (tab.1). Vyhodnotenie parametrov bolo v zmysle STN EN ISO 4287: Ra stredná aritmetická odchýlka; Rz najväčšia výška profilu; Rq stredná kvadratická odchýlka profilu; Rt celková výška profilu; Rp výška najväčšieho výstupku profilu; Rv hĺbka najväčšej priehlbiny profilu; RSm stredná šírka prvkov profilu; RPc priemerný počet vrcholkov na jednotku dĺžky; Rmr relatívny nosný podiel profil [6]. Tab. 1 Parametere drsnosti [6] Parametre drsnosti Ra [μm] 104 Rz [μm] 482 Rq [μm] 123 Rt [μm] 577 Rp [μm] 192 Rv [μm] 289 RSm [μm] 112 RPc [-/cm] 8976 Rmr [%] 6 Meranie parametrov trenia a opotrebenia bolo vykonané na tribometri CSM HT (obr.4). Všetky experimenty boli vykonané pri teplote 20±2 C. Každá vzorka bola meraná štyrikrát. Guľôčka bola z ocele akosti 17 024. Relatívne rýchlosti boli:1 cm/s 2 cm/s a 3 cm/s normálové zaťaženie bolo: 2 3 5 N. Polomery dráhy guľôčiek boli 2 mm 4 mm 6 mm a 8 mm. Podmienky merania koeficientu trenia sú v tab.2. Výsledky testov stanovenia koeficientu trenia metódou Pin-on-disc medzi zinkovým povlakom a oceľovou guľôčkou pre rôzne hodnoty normálového zaťaženia a rôzne relatívne rýchlosti pohybu guľôčky a zinkového povlaku sú v tab.3. Tab.3. Výsledky testov Pin-on-disc r [mm] 2 4 6 8 μ-start [-] 0164 0157 0173 0169 μ-min [-] 0164 0157 0066 0144 μ-max [-] 0693 0709 0864 0849 μ-mean [-] 0466 0543 0589 0587 μ-std.dev. 0046 0112 0192 0187 F [N] 10 5 2 2 v [cm/s] 10 20 30 20 5000 3000 4000 3000 H [mm] 12 09 12 12 Prvé meranie bolo uskutočnené pri vysokom zaťažení F = 10N a pri vyšších relatívnych rýchlostiach medzi guľôčkou a zinkovým povlakom - v = 10cm / s. Zinkový povlak bol odstránený po cca 1000 cykloch (obr.5). Šírka drážky (H) po ukončení skúšky bola H = 12mm a prevládajúce opotrebenia zinkového povlaku bolo adhezívne (obr.6). Opotrebenie guľovej plochy bolo koncentrované na relatívne malom povrchu (obr.7). Kvalitatívnou EDX analýzou opotrebenej časti guľovej plochy boli na povrchu guľôčky detekované čiary zinku. Jedná sa pravdepodobne o fragmenty nalepenia zinku na povrch guľôčky. Zinkový povlak v drážke bol intenzívne plastický deformovaný. V drážke bol naviac pozorovaný výskyt izolovaných častíc zinkového povlaku (obr.8). Analogický záznam koeficientu trenia medzi oceľovou guľôčkou a zinkovým povlakom so stochastickou povrchovou textúrou bez prítomnosti mazív bol pozorovaný aj pri skúšobných podmienkach: r = 4mm v = 20cm / s F = 5N (obr.9-12). Znížením hodnoty normálového zaťaženia na a zvýšením relatívnej rýchlosti na v = 3cm / s bol registrovaný modifikovaný signál zodpovedajúci koeficientu trenia v systéme oceľová guľôčka zinkový povlak. Modifikácia signálu je funkciou mikrogeometrie povrchov kinematických a dynamických parametrov experimentálneho usporiadania v metóde Pin-on-disc (obr.13-20). Obr.4 Tribometer CSM HT Tab. 2. Podmienky merania vzoriek Pin - Ø 6 mm Oceľová guľôčka 17 042 v - rýchlosť [cm/s] 1; 2; 3 N - počet cyklov 500-5 000 L - zaťaženie [N] 2; 5; 10 r - polomer dráhy [mm] 2; 4; 6; 8 T - teplota [ C] 20 Atmosféra vzduch Rel. vlhkosť 33% 43
08 08 07 06 05 04 03 r=2 mm coefficiet friction [-] 07 06 05 04 03 r=4 mm 02 0 1000 2000 3000 4000 5000 Obr. 5 Pin-on-disc r = 2mm v = 10cm / s F = 10N 02 0 1000 2000 3000 4000 5000 Obr. 9 Pin-on-disc r = 4mm F = 5N Obr. 6 Zn povlak. r = 2mm v = 10cm / s F = 10N H = 12mm Obr. 10 Zn povlak. r = 4mm F = 5N H = 11 mm Obr. 7 Guľôčka. r = 2mm v = 10cm / s F = 10N Obr. 11 Guľôčka. r = 4mm F = 5N Obr. 8 Zn povrch drážka. r = 2mm v = 10cm / s F = 10N Obr. 12 Zn povrch drážka. r = 4mm v = 20cm / s F = 5N 44
10 08 06 04 02 r = 6 mm 00 0 500 1000 1500 2000 Obr. 13 Pin-on-disc r = 6mm v = 30cm / s 08 07 06 05 04 03 02 01 00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 r = 8mm Obr. 17 Pin-on-disc r = 8mm Obr. 14 Zn povlak. r = 6mm v = 30cm / s H = 09mm Obr. 18 Zn povlak. r = 8mm H = 11 mm Obr. 15 Guľôčka. r = 6mm v = 30cm / s Obr. 19. Guľôčka. r = 8mm Obr. 16 Zn povrch drážka. r = 6mm v = 30cm / s Obr. 20. Zn povrch drážka. r = 8mm v = 20cm / s 45
ZÁVER Prvé meranie bolo uskutočnené pri vysokom zaťažení F = 10N a pri vyšších relatívnych rýchlostiach medzi guľôčkou a zinkovým povlakom. Prevládajúce opotrebenia zinkového povlaku bolo adhezívne. Kvalitatívnou EDX analýzou opotrebenej časti guľovej plochy boli na povrchu guľôčky detekované čiary zinku nálepy. Zinkový povlak v drážke bol intenzívne plastický deformovaný. Znížením hodnoty normálového zaťaženia na a zvýšením relatívnej rýchlosti na v = 3cm / s bol signál koeficientu trenia v systéme oceľová guľôčka zinkový povlak modifikovaný mikrogeometriou povrchov a kinematickými a dynamickými parametrami experimentálneho usporiadania v metóde Pinon-disc. U vzorky bol zinkový povlak odstranený po 800-1500 cykloch. Literatúra [1] Lazik S. Esling C. Wergia J.: Cracking in Zinc Layers on Continuous Galvanized Sheets A review Textures and Microstructures 1995 Vol. 23 pp. 131-147 [2] Marder A.R.: The metallurgy of zinc-coated steel Progress in Materials Science Vol. 45 Issue 3 June 2000 pp. 191-271 [3] Snaith B. Probert S.D. PearceR.: Characterization of laser-textured cold-rolled steel sheets Wear Vol. 109 Issues 1-4 May June 1986 pp. 87-97 [4] Klimczak T. Jonasson M.: Analysis of real contact area and change of surface texture on deep drawn steel sheets Wear Volume 179 Issues 1-2 December 1994 pp. 129-135 [5] Stolarski T.A.: A model for lubricated wear in a pin-on-disc configuration Wear Volume 68 Issue 2 1 May 1981pp. 141-150 [6] Džupon M. Jakubéczyová D. Draganovská D. Čajková L. Sinaiová I.: Stanovenie geometrických parametrov topografie povrchu pozinkovaných plechov. In Acta Mechanica Slovaca. ISSN 1335-2393 2008 roč. 12 no. 4- B s. 90-95 Autori práce ďakujú Agentúre na podporu výskumu a vývoja za finančnú podporu projektu APVV 0629-06 46