stáhnout prezentaci 1

POPIS NOVÝCH STRUKTURNÍCH FÁZÍ A JEJICH
VLIV NA VLASTNOSTI CÍNOVÉ KOMPOZICE
STANIT
Antonín Kříž
Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, e-mail: [email protected]
Příspěvek vznikl ve spolupráci s firmou GTW TECHNIK a NTC ZČU Plzeň
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.
Obr. z propagačního materiálu firmy DONOV PLUS
Typickým představitelem cínové kompozice v České republice je slitina SNSb10Cu3Ni - Stanit.
2/22
Časový vývoj koncepce kluzných ložisek
3/22
STRUKTURA A FÁZOVÉ SLOŽENÍ CÍNOVÝCH KOMPOZIC
Příkladem jednoduché soustavy je slitina se 13% antimonu a 87% cínu. Měkká část slitiny je
tvořena tuhým roztokem α, tvrdá část slitiny je tvořena kubickými krystaly fáze β´ - SnSb
Binární diagram Sn-Sb
4/22
Binární diagram Cu-Sn
Sn
88,6%
Ni
0,4%
Cu
Sb
2,0% 9,0%
+ Pb, As, Fe, Zn
„Nosné“ krystaly SnSb
5/22
Měkká matrice
Proč je tento problém aktuální?
• Při výrobě velkých kluzných ložisek jsou velké rozdíly v teplotě taveniny
a ve strukturní homogenitě.
• Při přejímací kontrole se vyskytuje nežádoucí množství povrchových defektů
defektů.
• Byly zjištěny doposud nepopsané fáze, u nichž je obava, že by mohly v kritickém
stádiu poškodit čep hřídele.
• V okamžiku, kdy se uskuteční cílené ovlivňování struktury je nutno vědět,
jak se změní výsledné vlastnosti
6/22
EXPERIMENTÁLNÍ VZORKY PRO HODNOCENÍ
SLITINY STANIT
Slitina byla dodána firmou GTW TECHNIK.
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.
7/22
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 a (Sb v Sn),
jehlice Cu6Sn5 a jemně vyloučené krystaly SnSb.
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.
Stanit-voda - hustě vyloučené
kubické krystaly SnSb ve středu
vzorku.
8/22
Stanit - voda - struktura u okraje vzorku
– směr jehlic dán směrem odvodu tepla,
řídce vyloučené kubické krystaly.
Ochlazování v peci
Kubické krystaly jsou rozměrné, ale v poněkud menším množství, jehlice jsou rovněž hrubé
a řídce vyloučené. Ve struktuře je patrná fáze neobvyklé morfologie, která nebyla doposud
v literatuře zmiňována.
Sn
[váh.%]
Sb
[váh.%]
Cu
[váh.%]
Ni
[váh.%]
Matrice
85,5
14,1
0,3
0,1
Fáze
SbSn
51,8
47,8
0,2
-
Nová
fáze
50,2
7,2
29,1
13,5
Fáze
Cu6Sn5
55,4
3,1
41,4
-
Fáze
Stanit - pec - ve struktuře se
nacházejí hrubé krystaly SnSb, fáze
Cu6Sn5 a nové fáze.
9/22
Nová fáze je tvořena převážně cínem, mědí a niklem.
Obsah antimonu je malý a pravděpodobně nemá na
charakter fáze větší vliv.
IDENTIFIKACE NOVÉ FÁZE
Kvantitativní plošná mikroanalýza – plošné rozložení Ni.
Lokality se zvýšenou koncentrací niklu přesně odpovídají tvaru nové fáze.
10/22
Binární diagram Ni - Sn
11/22
Leptový obrazec
Pro určení studované fáze byla ze zdokumentovaných míst vybrána dvě místa s největšími
rozdíly ve výskytu fáze a na těchto místech byla provedena difrakční fázová analýza.
Difraktogram místa s nižším obsahem fáze
Difraktogram místa s větším obsahem fáze
Na základě difraktogramů vyplývá, že nová fáze je Ni3Sn2.
12/22
Stanovení hodnot tvrdosti a mikrotvrdosti
Stanit - voda mikrotvrdost SnSb a matrice
Stanit - pec mikrotvrdost SnSb a matrice
Fáze
13/22
HV0,005
Tuhý roztok Sb v Sn
37,1 ±0,1
Kubické krystaly
SnSb
129,0 ±0,3
jehlice Cu6Sn5
1038,4 ±7,3
Ni3Sn2
866,3 ±3,4
779,5 ±4,3
1. krystal
2. krystal
Stanit-pec
mikrotvrdost fáze Ni3Sn2 v porovnání s SnSb
U vzorku chlazeného ve vodě (rychlé ochlazení)
dosahovala tvrdost dle Brinella
HB 10/250/15=32,3±3,5.
U vzorku chlazeného v peci (pomalé ochlazení)
dosahovala tvrdost dle Brinella
HB 10/250/15=25,1±1,7.
14/22
KVANTITATIVNÍ VYHODNOCENÍ VZORKŮ
Volba leptadla
Čislo
leptadla
Název
1
-
2
Babbitt
makro
3
-
4
-
5
Babbit
mikro
6
-
15/22
Chemické složení
10 ml HCL
90 ml H2O
10g Fe Cl3
2ml HCL
100 ml H2O
2g FeCl3
10 ml HCL
60ml Ethanolu
30 ml H2O
80 ml Glycerin
30 ml kyseliny
octové
10 ml HNO3
5 ml HNO3
2 ml HCL
95 ml H2O
20g síran sodný
1 ml HCL
100 ml H2O
Doba leptání
max. 20s
Druh slitiny
Poznámky
čistý cín, SnElektrolytické leptání.
Sb-Pb
Použít platinové elektrody.
30s - 5 min
slitiny cínu
1 - 2 min
Cu- Sn
Povrch je patrný v
polaryzovaném světle.
až 10 min
slitiny cínu
Leptat při teplotě 38°-42°C
max. 5 min
slitiny cínu
-
pro slitiny
Sn-Sb-CU
SnSb nezasažený,
Cu6Sn5 hnědý.
Vzorek STANIT – voda - 330°C/min
Leptadlo: Babbitt makro
1min 10s
16/22
Leptadlo: „Síran sodný“
11 min
Leptadlo: Babbitt mikro
4 min
Binární diagram pro kvantitativní analýzu SnSb
17/22
Vz.
PEC
VODA
HB
10/250
/15
25,1
32,3
Fáze SnSb
fáze Cu6Sn5
koherentní
precipitát fáze
SnSb
fáze Ni3Sn2
I
II
III
I
II
III
I
II
III
I
II
III
10,
2
0,7
2850
00
2,1
5
980
-
-
-
3,50
8
80,
1
85
1431,
2
-
-
-
3,5
944
80,
1
-
-
-
5,9
I – plošný podíl fáze [%]
II – počet útvarů fáze na 1 pole (2,13e +06 µm2)
III – střední velikost fáze µm2
18/22
19/22
5,00E-01
4,00E-01
3,00E-01
2,00E-01
koeficient tření
Tribologická stopa - Stanit voda
7,00E-01
6,00E-01
1,00E-01
0,00E+00
vzdálenost [m]
0,00E+00
2,00E-03
4,00E-03
6,00E-03
8,00E-03
1,00E-02
1,20E-02
1,40E-02
1,60E-02
1,80E-02
2,00E-02
2,20E-02
2,40E-02
2,60E-02
2,80E-02
3,00E-02
3,20E-02
3,40E-02
3,60E-02
3,80E-02
4,00E-02
4,20E-02
4,40E-02
4,60E-02
4,80E-02
5,00E-02
5,20E-02
5,40E-02
5,60E-02
5,80E-02
6,00E-02
6,20E-02
6,40E-02
6,60E-02
6,80E-02
7,00E-02
7,20E-02
7,40E-02
7,60E-02
7,80E-02
8,00E-02
8,20E-02
8,41E-02
8,61E-02
8,81E-02
9,01E-02
9,21E-02
9,41E-02
9,61E-02
9,81E-02
0,00E+00
2,00E-03
4,00E-03
6,00E-03
8,01E-03
1,00E-02
1,20E-02
1,40E-02
1,60E-02
1,80E-02
2,00E-02
2,20E-02
2,40E-02
2,60E-02
2,80E-02
3,00E-02
3,20E-02
3,40E-02
3,60E-02
3,80E-02
4,00E-02
4,20E-02
4,40E-02
4,60E-02
4,80E-02
5,00E-02
5,20E-02
5,40E-02
5,60E-02
5,80E-02
6,00E-02
6,20E-02
6,40E-02
6,61E-02
6,81E-02
7,01E-02
7,21E-02
7,41E-02
7,61E-02
7,81E-02
8,01E-02
8,21E-02
8,41E-02
8,61E-02
8,81E-02
9,01E-02
9,21E-02
9,41E-02
9,61E-02
9,81E-02
koeficient tření
TRIBOLOGICKÁ ZKOUŠKA TŘECÍCH VLASTNOSTÍ
Tribologická stopa - Stanit pec
1,00E+00
9,00E-01
8,00E-01
7,00E-01
6,00E-01
5,00E-01
4,00E-01
3,00E-01
2,00E-01
1,00E-01
0,00E+00
vzdálenost [m]
Slitina
Průměrný koeficient tření
Stanit - voda
0,49
Stanit - pec
0,41
U vzorku chlazeného ve vodě je v grafickém záznamu zřejmý zvyšující se koeficient tření.
To lze vysvětlit rozdílnými koeficienty tření jednotlivých fází. Cín je prvek s velmi
příznivými kluznými vlastnostmi, a proto matrice, která je tvořena cínem s antimonem
o množství přibližně 14 váh. %, má nižší koeficient tření než krystaly SnSb, které obsahují
antimon a cín přibližně v poměru 1:1. Po odhrnutí měkké matrice je kluzná plocha tvořena
převážně krystaly SnSb a proto stoupá koeficient tření slitiny jako celku.
U vzorku chlazeného v peci je v grafu v naměřených
hodnotách značný rozptyl. To je zřejmě způsobeno nejen
vlivem rozdílných hodnot koeficientů tření jednotlivých fází,
ale hlavně opotřebeným materiálem nahrnutým ve stopě. Tento
materiál klade odpor proti pohybu kuličky – zvyšuje se
koeficient tření. V okamžiku, kdy je třecí síla větší než síla
pohybu kuličky, vyjede kulička na vrchol reliéfu vytvořeného
nahrnutým materiálem a odpor proti pohybu mizí a koeficient
tření klesá.
20/22
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.
Drsnost Ra
Materiál nože/ posuv mm
H1/ 0,2
RO/ 0,1
Stanit - voda
1,41
0,61
Stanit - pec
1,72
1,14
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.
21/22
ZÁVĚR
Bylo prokázáno, že povrchové defekty jsou výrazně ovlivněny mikrostrukturou.
Je trendem 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.
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.