pokyny pro přípravu textu příspěvku jako tiskové předlohy pro cd

METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
POPIS NOVÝCH STRUKTURNÍCH FÁZÍ A JEJICH VLIV NA
VLASTNOSTI CÍNOVÉ KOMPOZICE STANIT
DESCRIPTION OF NEW MICROSTRUCTURE PHASES AND THEIR
IMPACT ON PROPERTIES OF STANIT TIN-BASE BABBIT
Antonín Kříž
Department of Material Engineering and Engineering Metallurgy, ZČU-Plzeň,
Univerzitní 22, Plzeň 306 14, Czech Republic
Abstrakt
This paper is a follow-up to the “Identification of New Microstructure Phases in STANIT
Tin-Base Babbit” study, which had been published earlier. Further analysis has led to
identification of correlations between crystallization technology, formation of new
microstructure phases and mechanical properties. The new phases have been identified by
means of various etching and microstructure revelation techniques, X-ray and EDX analyses
and quantitatively assessed by means of LUCIA image analysis tool. Considering the use of
tin-base babbit for slide bearings, extensive tribological measurements as well as hardness
testing have been conducted. The paper gives a summary of these findings and presents
technological recommendations for achieving higher quality STANIT tin-base babbit.
Tento příspěvek navazuje na dříve presentovaný článek „Identifikace nových strukturních
fází u cínových kompozic „STANIT“. Na základě provedení dalších analýz jsou v tomto
příspěvku uvedeny vzájemné korelace mezi technologií krystalizace, vzniku nových
strukturních fází kvantifikovaných pomocí obrazové analýzy LUCIA a mechanickými
vlastnostmi. Nové fáze jsou jednak identifikovány pomocí různých postupů leptání
a zviditelnění struktury a dále pomocí RTG analýzy doplněné i o výsledky EDX analýzy.
S ohledem na využití cínových kompozic na valivá ložiska byla provedena rozsáhlá
tribologická měření doplněna o zkoušky tvrdosti. Uvedený příspěvek shrnuje tyto poznatky a
podává technologická doporučení, jejímž cílem je dosažení vyšší kvality cínové kompozice
STANIT.
1. ÚVOD
Cínové kompozice patří do skupiny ložiskových slitin. Používají se pro výstelky pánví
kluzných ložisek, např. parních a vodních turbogenerátorů, turbokompresorů, rotačních
čerpadel a elektromotoru.
Cínová kompozice je souhrnný název pro slitiny na bázi cínu s antimonem, mědí a dalšími
prvky. Obsah těchto prvků je různý a podle chemického složení se rozlišují různé slitiny,
které mají odlišné mechanické vlastnosti. Výhodou cínových kompozic jsou jejich dobré tzv.
„nouzové“ vlastnosti v případě přerušení, odolnost proti zadření, jímavost cizích částic
a tvarová přizpůsobivost. Mají však malou pevnost, tvrdost a únavovou pevnost.
Typickým představitelem cínové kompozice v České republice je slitina SNSb10Cu3Ni Stanit.
1. STRUKTURA A FÁZOVÉ SLOŽENÍ CÍNOVÝCH KOMPOZIC
Podstatou cínových kompozic je binární nebo ternární soustava. Příkladem jednoduché
soustavy je slitina se 13% antimonu a 87% cínu. Binární diagram této slitiny je
1
METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
komplikovaný. Měkká část slitiny je tvořena tuhým roztokem α, tvrdá část slitiny je tvořena
kubickými krystaly fáze β´ - SnSb (obr.1.).
Mnohem více se využívá ternárního systému jako základu slitin s přísadou dalších prvků.
Příkladem je soustava Sn-Sb-Cu, z níž se používají slitiny o různém složení. Měď tvoří
s cínem intermediální sloučeninu Cu6Sn5, která při chladnutí slitiny krystalizuje nejdříve a
krystaly tvoří dendritickou nosnou kostru slitiny. Vedle toho se tvoří charakteristické kubické
krystaly SnSb a jako poslední krystalizuje tuhý roztok α. Bez přítomnosti mědi by nejdříve
vznikaly krystaly SnSb a silně by se odměšovaly v jedné části odlitku. Přidáním mědi, jsou
krystaly v tavenině vzniklými jehlice Cu6Sn5 zadrženy a po krystalizaci vyplňují rovnoměrně
celý odlitek. Spolu s jehlicemi Cu6Sn5 mající značnou tvrdost (až 100 HB) a tvoří tvrdou
kostru ložiska[1]. Tyto cínové kompozice se hodí pro značně namáhaná ložiska
rychloběžných motorů[1].
„Nosné“ krystaly SnSb
měkká matrice
Obr. 1 . Mikrostrukturní fáze ve slitině STANIT
Fig. 1. Microstructure phases in alloy STANIT
2. EXPERIMENTÁLNÍ VZORKY PRO HODNOCENÍ SLITINY STANIT
Slitina STANIT byla dodána firmou GTW TECHNIK. Z dodaného polotovaru byly
přetaveny dva válečky. Vzorky byly chlazeny rozdílnými režimy. Jeden váleček byl
ochlazován ve vodě a jeho rychlost ochlazování byla průměrně asi 330°C/min, druhý váleček
chladl v uzavřené peci rychlostí průměrně asi 0,4°C/min.
Ze dna odlitých válečků byly odříznuty vzorky přibližně 5 mm silné, které byly
zpracovány pro metalografický výbrus - broušeny, leštěny a leptány. Na těchto vzorcích byly
provedeny všechny dále popsané zkoušky.
2.1. Metalografický rozbor
Při porovnání struktury vzorků chlazených ve vodě a vzorků chlazených v peci je patrný
značný rozdíl ve velikosti i druhu fází.
Struktura vzorku rychle ochlazeného je jemnozrnná a tvoří ji tuhý roztok α (Sb v Sn),
jehlice Cu6Sn5 a jemně vyloučené krystaly SnSb (obr. 2). Ve středu a na okraji vzorku jsou
rozložení kubických krystalů patrné rozdíly. Ve středu jsou vyloučeny hustěji než na okrajích
vzorku. Jehlice tuhnou ve směru gradientu tepla. Ve středu jsou rovnoběžné s podélnou osou
vzorku, na krajích ztuhly kolmo na okraj vzorku (obr. 3).
Oproti tomu struktura vzorku ochlazovaného extrémně malou rychlostí je patrná již
pouhým okem. Kubické krystaly jsou rozměrné, ale v poněkud menším množství, jehlice jsou
rovněž hrubé a řídce vyloučené (obr. 4 a 5). Ve struktuře je patrná fáze neobvyklé morfologie,
která není doposud v literatuře zmiňována. Jak vyplyne z dalších analýz jedná se o fázi
Ni3Sn2. Tato fáze se vyskytuje ve spojení s kubickými krystaly nebo osamoceně a je pro ní
2
METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
charakteristická vysoká mikrotvrdost, která několikrát převyšuje mikrotvrdost kubických
krystalů SnSb (viz hodnoty mikrotvrdosti kap. 2.3).
Obr. 2 – Stanit-voda - hustě vyloučené
kubické krystaly SnSb ve středu vzorku.
50x nital 3%
Fig.2 - Stanit-water – dense precipitates
of SnSb cubic crystals in the centre of
specimen
Obr. 3 – Stanit - voda - struktura u okraje
vzorku – směr jehlic dán směrem odvodu
tepla, řídce vyloučené kubické krystaly.
50x nital 3%
Fig.3 - Stanit-water – microstructure near
the edge of specimen. The needles’
orientation follows the direction of heat
flow. Sparse cubic crystals can be seen.
Obr. 4 – Stanit - pec - ve struktuře se
nacházejí hrubé krystaly SnSb, fáze Cu6Sn5
a nové fáze. 50x nital 3%
Fig.4 - Stanit-furnace – microstructure
contains coarse crystals of SnSb, Cu6Sn5
phase
Obr. 5 – Stanit-pec 200x nital 3%
Fig.5 - Stanit-furnace
Identifikace chemického složení fází u vzorku ochlazovaného v peci byla provedena
pomocí bodové energiově dispersní mikroanalýzy na zařízení EDAX. Hodnoty uvedené
v tabulce 1 jsou průměry ze tří měření.
3
METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
Fáze
Matrice
Fáze SbSn
Fáze Ni3Sn2
Fáze Cu6Sn5
Sn [hm.%]
85,5
51,8
50,2
55,4
Sb [ hm.%]
14,1
47,8
7,2
3,1
Cu [ hm.%]
0,3
0,2
29,1
41,4
Ni [ hm.%]
0,1
13,5
-
Tabulka 1 – Výsledky bodové energiově dispersní mikroanalýzy
Table 1 – Results of spot energy-dispersive microanalysis
2.2. RTG analýza
Pro určení studované fáze Ni3Sn2 u vzorku chlazeného v peci byla ze zdokumentovaných
míst vybrána dvě místa s největšími rozdíly v jejím výskytu a na těchto místech byla
provedena difrakční fázová analýza.
Difraktogramy z obou uvedených lokalit jsou si podobné a liší se výrazněji jen ve dvou
místech. Na difraktogramu z místa s větším výskytem sledované fáze je zesílena texturovaná
difrakční linie (200) cínu, odpovídající mezirovinné vzdálenosti 2,94Å a mezi difrakcemi
(220) cínu a (220) SnSb se objevila navíc reflexe odpovídající mezirovinné vzdálenosti
2,08Å. Na základě toho se lze domnívat, že nově dokumentovaná fáze je Ni3Sn2.
Pozoruhodné je, že analyzovaná fáze není fází Ni3Sn4, která je nejbohatší na cín. Vysvětlit to
lze topotaktickým stabilizačním účinkem fáze Cu6Sn5, která je isomorfní s fází Ni3Sn2, jak
ukazují referenční difrakční a strukturní údaje těchto dvou fází.
2.3. Stanovení hodnot tvrdosti a mikrotvrdosti
Jemnozrnná struktura vzorku chlazeného ve vodě umožňuje měřit na Hanemannově
mikrotvrdoměru pouze mikrotvrdost matrice, v níž je jemně rozptýlena intermediální fáze
Cu6Sn5 a tuhý roztok α Sb v Sn, a kubické krystaly SnSb. Mikrotvrdost matrice dosahuje
podle množství fáze Cu6Sn5 HV0,02= 20 ÷ 30, mikrotvrdost kubických krystalů je
HV0,02= 70 ÷ 100. U vzorku chlazeného ve vodě (rychlé ochlazení) dosahovala tvrdost dle
Brinella HB 10/250/15=32,3±3,5.
Mikrotvrdost u vzorků ochlazených v peci nebylo možno pro velké rozdíly
v mikrotvrdosti jednotlivých fází měřit stejným zatížením a proto bylo zvoleno zatížení 20 g
pro matrici a krystaly SnSb a pro intermediální fázi Ni3Sn2 zatížení 50 g. Mikrotvrdost jehlic
Cu6Sn5 nebylo možno ani v tomto případě změřit pro jejich malou velikost. Mikrotvrdost
matrice, která je v tomto případě tvořena pouze tuhým roztokem Sb v Sn, je nižší než u
vzorku chlazeného ve vodě – HV0,02= 20 ÷30. Kubické krystaly SnSb mají v podstatě
stejnou tvrdost jako tato fáze ve vzorcích chlazených ve vodě je (HV0,02= 70 ÷ 100).
Mikrotvrdost fáze Ni3Sn2 je zřejmě závislá na obsahu jednotlivých prvků, a proto se značně
liší. Dosahuje hodnot HV0,5=380 ÷ 520. U vzorku chlazeného v peci (pomalé ochlazení)
dosahovala tvrdost dle Brinella HB 10/250/15=25,1±1,7.
3. KVANTITATIVNÍ VYHODNOCENÍ VZORKŮ
Před vlastním vyhodnocením bylo zapotřebí stanovit nutný počet hodnocených polí pro
zajištění alespoň 10% relativní přesnosti měření. Pole byla získána systematickým výběrem
po celé ploše vzorku. Nutný počet polí byl vztažen ke kubickým krystalům fáze SnSb.
Na vzorku ochlazeného ve vodě bylo provedeno texturální a objektové měření
kubických krystalů SnSb a jehlic Cu6Sn5. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 2.
4
METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
Použitý objektiv
Počet vyhodnocovaných polí
Plocha vyhodnocovaného pole
Celková vyhodnocená plocha
Celkový počet krystalů fáze SnSb
Počet krystalů fáze SnSb na 1 pole
Fáze SnSb
Plošný podíl fáze SnSb ve struktuře
Střední velikost krystalu fáze SnSb
Celkový počet jehlicovité fáze
obj. 5x (přibližné zv. 60x)
4
2,13E+06 [µm*µm]
8,52E+06 [µm*µm]
343
85
5,90%
1431,2 [µm*µm]
3776
944
Jehlicovitá Počet fáze vyloučené na 1 pole
struktura Plošný podíl fáze ve struktuře
3,50%
Střední velikost jehlicovité fáze
80,1 [µm*µm]
Tabulka 2 – Kvantitativní analýza vzorku ochlazeného ve vodě
Table 2 – Quantitative analysis of the water-cooled specimen
Struktura vzorku ochlazeného v peci má nerovnoměrné rozložení fází, díky kterému
nelze zajistit 10% relativní přesnost měření. Pro možnost vyhodnocení struktury bylo
provedeno tzv. vybrané umístění polí, které zachycuje největší výskyt krystalů fáze SnSb.
Z důvodu velkých rozměrů kubických krystalů nebylo možné tato pole získat pomocí
mikroskopu, ale byly zhotoveny makrosnímky pomocí digitálního fotoaparátu Pro stanovení
střední velikosti jednotlivých fází je tento postup zcela postačují.Výsledky texturálního
a objektového měření je uvedeno v tabulce 3.
Použitý objektiv
Počet vyhodnocovaných polí
Plocha vyhodnocovaného pole
Celková vyhodnocená plocha
Celkový počet krystalů fáze SnSb
Počet krystalů fáze SnSb na 1 pole
Fáze SnSb
Plošný podíl fáze SnSb ve struktuře
Střední velikost krystalu fáze SnSb
Celkový počet jehlic fáze Cu6Sn5
Počet jehlic fáze Cu6Sn5 na 1 pole
Fáze Cu6Sn5
Plošný podíl fáze Cu6Sn5
Střední velikost fáze Cu6Sn5
Celkový počet fáze Ni3Sn2
Počet fáze Ni3Sn2 na 1 pole
Fáze Ni3Sn2
Plošný podíl fáze Ni3Sn2
Střední velikost fáze Ni3Sn2
digitalní fotoaparát (zvětšeno
14x)
2
1,11E+08 [µm*µm]
2,22E+08 [µm*µm]
73
36
Tabulka 3 – Kvantitativní analýza vzorku ochlazeného v peci
Table 3 – Quantitative analysis of the furnace -cooled specimen
5
10,20%
285000 [µm*µm]
562
281
2,10%
980 [µm*µm]
212
106
1,90%
16297 [µm*µm]
METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
4. TRIBOLOGICKÁ ZKOUŠKA TŘECÍCH VLASTNOSTÍ
Zkouška metodou „PIN-on-DISC“ byla provedena na stejných vzorcích použitých
v předcházejících zkouškách. Jako „PIN“ tělísko byla použita kalená kulička z oceli
ČSN14109. Podmínky zkoušky: zatížení 10 N, rychlost kuličky 10 m/s a poloměr stopy
8mm, počet cyklů 500. Opotřebení bylo hodnoceno z vytvořených kontaktních stop
vytvořených během tribologického testu.
Tribologická stopa je u vzorku chlazeného vodou rovnoměrně široká a v porovnání se
vzorkem ochlazeným v peci dochází pouze k místnímu plastickému přesunu materiálu obr. 6.
U vzorku chlazeného v peci je možné pozorovat malé opotřebení krystalů SnSb na rozdíl
od matrice, která je velmi výrazně plasticky přemístěna na kraj tribologické stopy obr. 7.
V místech přechodu mezi matricí a kubickými krystaly SnSb se vytvořily tzv. „valy“, které
byly následně porušovány další pohybem kuličky. To mělo za následek odtrhávání matrice
a úbytek materiálu ze vzorku obr. 8.
Obr. 7 – Tribologická stopa - Stanit pec,
25x
Fig. 7 - Tribological test track – Stanit
furnace
Obr. 6 – Tribologická stopa - Stanit voda,
25x
Fig. 6 - Tribological test track – Stanit
water
Obr. 8 – Plastická deformace měkké fáze α, která v místě s tvrdší fází SnSb zůstává
uchycena a při následném pohybu ocelové kuličky je odtržena a přemístěna do dalších
lokalit.
Zv. 200x
zv. 400x
Fig. 8 - Plastic deformation of the soft phase. In locations of the harder SnSb phase,
the soft phase sticks to surface, becomes detached and replaced
6
METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
5. TECHNOLOGICKÁ ZKOUŠKA OBRÁBĚNÍ
S ohledem na technologický výrobní postup kluzných ložisek, byla do experimentálního
programu zařazena zkouška obrobitelnosti. Cílem této zkoušky mělo být posouzení, která
struktura je pro zpracování obráběním výhodnější. Na obrábění pánví se používají nože
s plátky ze slinutého karbidu H1, G1, případně S1. Výsledná drsnost Ra pánví se pohybuje od
0,4 do 0,8 µm.
Na zkoušku obrobitelnosti byly použity odlité válečky obou slitin o průměru 25 mm
a délky 50 mm. Pro tyto rozměry jsou podle Škoda ETD, hlavního odběratele kluzných
ložisek vhodné otáčky v intervalu 300 až 400 ot/min s posuvem 0,2 mm [Veselá, J. ústní
sdělení].Na obrobených výstelkách z cínové kompozice obsahující rozměrné kubické krystaly
se po kapilární zkoušce objevují indikace trhlin, které vznikají převážně praskáním
rozměrných kubických krystalů[2] (obr. 9).
Obr. 9– Porušení kubického krystalu SnSb na obrobených výstelkách z cínové
kompozice.
ŘEM 640x
Fig. 9 - Failure of SnSb cubic crystal in machined Babbit-metal bearing linings
Vzorky byly obrobeny nožem označeným „přímý uběrák pravý“ s pájenou destičkou ze
slinutého karbidu H1. Pro vzorky byly zvoleny tyto podmínky obrábění: posuv 0,2 mm,
otáčky 355 ot/min. Drsnost byla měřena na profiloměru DIAVITE DH - 89. Dosažené
drsnosti jsou v tabulce 4, z které je patrné, že při opracování doporučeným postupem se
nedosáhlo odběrateli požadované drsnosti. Té by se mohlo dosáhnout zvýšením rychlosti
obrábění na 100 ot/min, případně jiným nástrojem - např. broušeným diamantem. V druhém
sloupci tabulky jsou hodnoty drsnosti slitin po obrobení rychlořeznou ocelí s posuvem
0,1 mm/ot. Ani v tomto případě se nedosáhlo požadovaných povrchových stavů.
Drsnost Ra
H1; 0,2
RO; 0,1
1,41
0,61
1,72
1,14
Materiál nože; posuv [mm]
Stanit - voda
Stanit - pec
Tabulka 4 – Hodnoty drsnosti Ra dosažené na obráběné ploše
Table 4 – Ra roughness of the machined surface
7
METAL 2006
23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
U cínové kompozice se pouze s vhodným režimem ochlazování dosáhne po opracování
výborné drsnosti. Vzorek pomalu ochlazovaný vykazoval po opracování výrazně vyšší
drsnosti. Tento výsledek je důležitý hlavně pro rozměrné pánve, kde nelze zaručit stejné
podmínky ochlazování po celé tloušťce výstelky. Tato rozdílnost se následně projevuje ve
strukturní heterogenitě a nerovnoměrnosti kvality povrchu i mechanických vlastností.
ZÁVĚR
Tento příspěvek svými experimenty reaguje na potřeby praxe, kdy přijímací podmínky pro
výstelky ložiskových pánví jsou přísné z hlediska hodnocení případných povrchových
defektů. Bylo prokázáno, že tyto defekty jsou výrazně ovlivněny mikrostrukturou. Přítomnost
tvrdých fází ve struktuře přináší řadu problémů: dosažení drsnosti, vznik necelistvostí a po
delším používání vznik reliéfu, na kterém následně dochází k odlamování částic a ty se stávají
v průběhu tření abrazivem. Naproti tomu je vznik členitějšího reliéfu vhodný pro udržení
olejového filmu mezi pohybujícím se čepem a kluzným ložiskem - výstelkou.
V dnešní době je trend vyrábět slitiny s jemnozrnnou strukturou, tvořenou drobnými
částicemi kubických krystalů SnSb a jehlicemi Cu6Sn5, či s úplně odstraněnými kubickými
krystaly.
U slitiny chlazené vodou, jejíž struktura je tvořena tuhým roztokem Sn v Sb, kubickými
krystaly SnSb a jehlicemi Cu6Sn5, byly naměřeny nejvyšší hodnoty tvrdosti, což je způsobeno
právě vyšším obsahem drobných kubických krystalů SnSb. Nižší hodnoty tvrdosti má slitina
chlazená v peci, jejíž struktura je tvořena tuhým roztokem Sn v Sb, intermediální fází Cu6Sn5
v podobě jehlic a další, nově analyzovanou intermediální sloučeninu Ni3Sn2. Tato fáze je
velmi tvrdá pro svůj jehlicovitý charakter je nežádoucí, neboť může způsobovat hluboké
kritické trhliny v matriční fázi tuhého roztoku α.
Z tribologických zkoušek podal reálnou představu o vlivu stavu mikrostruktury stav
povrchu v kontaktním místě. Významně se projevil vliv tvrdosti materiálu, neboť limitujícím
kritickým stavem bylo považováno dosažení povrchové plastické deformace. Pohybující se
element materiálu pevně adhezně ulpíval na tvrdých kubických fázích SnSb. Při jejich velké
četnosti a odpovídající velikosti (vzorek ochlazen ve vodě) nedocházelo k výrazné plastické
deformaci v místě kontaktu.
Z technologických zkoušek vyplynulo, že v případě hrubozrnné struktury (vzorek ochlazen
v peci) se dosáhne vetší povrchové drsnosti a nelze vyloučit i nebezpečí vzniku povrchových
trhlin v místě tvrdých fází SnSb a v nově analyzované intermediální sloučenině Ni3Sn2.
Z dosažených výsledků vyplývá upozornění, že v případě výroby velkých pánví kluzných
ložisek je třeba věnovat zvýšenou pozornost rychlosti ochlazování a strukturnímu stavu,
neboť v případě hrubozrnných fází mohou nastat problémy nejen s požadovanou tvrdostí,
ale i s výslednou kvalitou obrobené plochy.
Tento příspěvek je možné stáhnout na internetové stránce www.ateam.zcu.cz
Tento příspěvek vznikl na základě řešení grantu 106/03/P092 a spolupráce s firmou
GTW TECHNIK s.r.o.
LITERATURA
[1] ČÁP,A.: Vybrané kapitoly z neželezných kovů a jejich slitin Ediční středisko, Plzeň 1976
[2] KOUTSKÝ, E., KŘÍŽ, A.: Cínové kompozice kluzných ložisek - výzkumná zpráva pro
firmu DONOV PLUS Příšov. ZČU Plzeň, 1999.
8