Analysis of Tribological Wear of Metallic Membranes After the Hydrogenation Process

• Autorzy: Rutkowska-Gorczyca Małgorzata , Winnicki Marcin , Kowalewski Piotr

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.8432

Warianty tytułu

PL

Analiza zużycia tribologicznego membran metalicznych po procesie nawodorowywania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the results of tribological tests of copper material subjected to the cyclic hydrogenation process. Tribological tests during friction in reciprocating motion, in contact with a ceramic ball. The measurement was performed for different numbers of hydrogenation cycles, different surface roughness and different times after the machining process. The test material consisted of metallic membranes made of dendritic copper particles using the additive method of low-pressure cold gas spraying (LPCS). The hydrogen charging process was carried out using a BioLogis SP50ze potentiostat/galvanostat. The current waveforms were carried out in an electrolyte with a concentration of 0.5 M H₂SO₄ . Voltammetry (CV measurement) was performed in a three-electrode system, where the metallic membrane was the working electrode. The hydrogen charging process included two ranges: 25 cycles (1 hour) and 50 cycles (2 hours). The system was cyclically loaded with current between a potential of -0.200 V and -1.4 V, with a scanning rate of 20 mV/s. The tests carried out allowed for obtaining the values of the friction coefficient and the wear depth. For materials with a developed surface (high roughness), a decrease in the value of the friction coefficient and the depth of the wear trace was observed with an increase in the number of hydrogenation cycles. This indicates an increase in the amount of hydrogen in the rubbing surface by expanding the surface. In the case of polished samples, the best results were obtained with 25 hydrogenation cycles.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań tribologicznych materiału miedzianego poddanego procesowi cyklicznego nawodorowywania. Badania tribologiczne podczas tarcia w ruchu posuwisto-zwrotnym w styku z kulką ceramiczną wykonano dla różnych ilości cykli nawodorowywania, różnej chropowatości powierzchni i w różnym czasie od procesu obróbkowego. Materiał do badań stanowiły membrany metaliczne wykonane z dendrytycznych cząstek miedzi metodą przyrostową niskociśnieniowego natrysku zimnym gazem (LPCS). Proces ładowania wodorem przeprowadzono z zastosowaniem potencjostatu/galwanostatu BioLogis SP50ze. Przebiegi prądowe prowadzono w elektrolicie o stężeniu 0,5 M H₂SO₄. Woltamperometrię (pomiar CV) przeprowadzono w układzie trójelektrodowym, gdzie membrana metaliczna stanowiła elektrodę roboczą. Proces ładowania wodorem obejmował dwa zakresy 25 cykle (1 h) oraz 50 cykli (2 h). Układ był cyklicznie prądowo obciążany między potencjałem o wartości -0,200 V a -1,4 V, z szybkością skanowania 20 mV/s. Przeprowadzone badania pozwoliły na uzyskanie wartości współczynnika tarcia oraz głębokości zużycia. Dla materiałów o rozwiniętej powierzchni (duża chropowatość) zauważono zmniejszanie wartości współczynnika tarcia oraz głębokości śladu zużycia wraz ze zwiększaniem ilości cykli nawodorowywania. Wskazuje to zwiększenie ilości wodoru w powierzchni trącej poprzez rozwinięcie powierzchni. W przypadku próbek wypolerowanych najlepsze wyniki uzyskano przy 25 cyklach nawodorowywania.

Słowa kluczowe

EN

hydrogen; copper; metallic membranes; hydrogenation; diffusion

PL

wodór; miedź; membrany metaliczne; nawodorowywanie; dyfuzja

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 2
• Strony: 95--104
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Rutkowska-Gorczyca Małgorzata

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Vehicle Engineering, I. Łukasiewicza 5 Street, 50-371 Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2712-5914

autor

Winnicki Marcin

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Fundamentals of Machine Design and Mechatronic Systems, I. Łukasiewicza 5 Street, 50-371 Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2766-116X

autor

Kowalewski Piotr

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Metal Forming, Welding and Metrology, I. Łukasiewicza 5 Street, 50-371 Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2216-5706

Bibliografia

• 1. Hamaad, A.S.A.A., Tawfik, M., Khattab, S., Newir, A.: Device for Using Hydrogen Gas as Environmental Friendly Fuel for Automotive Engine (GREEN & ECO H2). Procedia Environ Sci. 2017 Jan 1, 37, pp. 564–571.
• 2. Wu, X., Zhang, H., Yang, M., Jia, W., Qiu, Y., Lan, L.: From the perspective of new technology of blending hydrogen into natural gas pipelines transmission: Mechanism, experimental study, and suggestions for further work of hydrogen embrittlement in high-strength pipeline steels. Int J Hydrogen Energy. 2022 Feb 8, 47(12), pp. 8071–8090.
• 3. Tomaszewski, S., Grygier, D., Dziubek, M.: Assessment of engine valve materials. Combustion Engines. 2023 Jun 27.
• 4. Saborío-González, M., Rojas-Hernández, I.: Review: Hydrogen Embrittlement of Metals and Alloys in Combustion Engines. Revista Tecnología en Marcha. 2018, 31(2).
• 5. Li, X., Ma, X., Zhang, J., Akiyama, E., Wang, Y., Song, X.: Review of Hydrogen Embrittlement in Metals: Hydrogen Diffusion, Hydrogen Characterization, Hydrogen Embrittlement Mechanism and Prevention. Vol. 33, Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2020.
• 6. Kirk, M., Hashimoto, Y., Nomoto, A.: Application of a Machine Learning Approach Based on Nearest Neighbors to Extract Embrittlement Trends from RPV Surveillance Data. 2022, p. 568.
• 7. Peng, Y., Gao, P., Zhang, W., Cui, L., Liu, S., Chen, W., et al.: Severe plastic deformation induced nano dispersion and strengthening effect in oxide dispersion strengthened copper fabricated by cold spray additive manufacturing. Mater Charact. 2023 Nov 1, p. 205.
• 8. Cui, L., Fang, K., Cao, J., Hao, E., Zhu, J., Liu, G., et al.: A practical method to improve mechanical and electrical properties of ADS copper prepared by cold spray additive manufacturing through powder pretreatment. J Alloys Compd. 2023 Nov 25, p. 965.
• 9. Wang, J., Wang, Y., Wang, S., Lu, G., Zheng, C., Ji, Z.: Experimental and numerical investigation on incremental laser shock clinching for joining three sheets of copper/aluminum/stainless steel. Opt Laser Technol. 2021 Sep 1, p. 141.
• 10. Kindermann, P., Wunderer, M., Binder, M., Arnhold, J., Uensal, I., Seidel, C., et al.: Investigation of the Influence of the Powder Gas Flow Rate onto the Build Quality of Cold Spray Copper Alloy Parts. Procedia CIRP. 2023, 118, pp. 676–681.
• 11. Xi, X., Wu, T., Tian, Y., Hu ,J., Huang, S., Xie, T., et al.: The role of reverted transformation in hydrogen embrittlement of a Cu-containing low carbon high strength steel. Journal of Materials Research and Technology. 2023 Jul 1, 25, pp. 5990–5999.
• 12. Wang, J., Xu, N., Wu, T., Xi, X., Wang, G., Chen, L.: Response of hydrogen diffusion and hydrogen embrittlement to Cu addition in low carbon low alloy steel. Mater Charact. 2023 Jan 1, 195, p. 112478.
• 13. Miller, M.K., Russell, K.F., Kocik, J., Keilova ,E.: Embrittlement of low copper VVER 440 surveillance samples neutron-irradiated to high – uences q. 2008, 282(2000), pp. 0–5.
• 14. Yamabe, J., Takagoshi, D., Matsunaga, H.: ScienceDirect High-strength copper-based alloy with excellent resistance to hydrogen embrittlement. 2016,1, pp. 4–9.
• 15. Misra, R.D.K., Prasad, V.S.: Dynamic embrittlement in an age – hardenable copper-chromium alloy. 1996, 35(1), pp. 129–133.
• 16. He, J, Zheng, Z., Xiang, Z., Li, H., Sun, Q., Wang, S.: Materials Science & Engineering A On the fracture process of intermediate temperature embrittlement of pure copper in electrical-assisted tension. 2021, 826(June).
• 17. Opetubo, O., Ibitoye, A.I., Oyinbo, S.T., Jen, Chien T.: Analysis of hydrogen embrittlement in palladium – copper alloys membrane from first principal method using density functional theory. 2022, 205 (May).
• 18. Hua, Y., Liu, H., Song, K., Wang, J., Zhou, Y.: Materials Science & Engineering A Trace sulfur-induced embrittlement of ultrahigh-purity copper. 2022, 848 (May).
• 19. Fabritsiev, S.A.: Effect of irradiation temperature on microstructure, radiation hardening and embrittlement of pure copper and copper-based alloy. 2007, 370, pp. 977–83.
• 20. Winnicki, M., Małachowska, A., Dudzik, G., Rutkowska-Gorczyca, M., Marciniak, M., Abramski, K., et al.: Numerical and experimental analysis of copper particles velocity in low-pressure cold spraying process. Surf Coat Technol. 2015, p. 268.
• 21. Winnicki, M., Małachowska, A., Rutkowska-Gorczyca, M., Sokołowski, P., Ambroziak, A., Pawłowski, L.: Characterization of cermet coatings deposited by low-pressure cold spraying. Surf Coat Technol. 2015, p. 268.
• 22. Grygier, D., Rutkowska-Gorczyca, M., Jasiński, R., Dudziński, W.: The structural and strength changes resulting from modification of heat treatment of high carbon steel. Archives of Metallurgy and Materials. 2016, 61(2B).
• 23. Rutkowska-Gorczyca, M.: X-ray diffraction and microstructural analysis of Cu–TiO2 layers deposited by cold spray. Materials Science and Technology (United Kingdom). 2021;37(7).
• 24. Sandström, R.: The role of hydrogen in copper.
• 25. Horinouchi, H., Shinohara, M., Otsuka, T., Hashizume, K., Tanabe, T.: Determination of hydrogen diffusion and permeation coefficients in pure copper at near room temperature by means of tritium tracer techniques. J Alloys Compd. 2013, 580 (SUPPL1).
• 26. Korzhavyi, P.A., Sandström, R.: Monovacancy in copper: Trapping efficiency for hydrogen and oxygen impurities. Comput Mater Sci. 2014 Mar, 84, pp. 122–128.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).