The influence of selected PVD coatings on fretting wear in a clamped joint based on the example of a rail vehicle wheel set

• Autorzy: Kowalski S.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2018.1.1

Warianty tytułu

PL

Wpływ wybranych powłok PVD na zużycie frettingowe w połączeniu wtłaczanym na przykładzie modelu zestawu kołowego pojazdu szynowego

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

In this article, laboratory test results concerning the influence of selected PVD coatings on the initiation and development of fretting wear in clamped joints are presented. TiN and CrN+a-C:H:W coatings were applied to shafts, and the results of wear tests compared with those for uncoated shafts. Wear tests were conducted at a test bed which simulated the operation conditions of the wheel sets of rail vehicles moving along a straight track. The sample elements for testing were assembled by forcing the sleeve onto the shaft with the tolerance of 0.02 mm. To assess fretting at shaft top layers being tested, macroscopic observations, microscopic observations with the use of a scanning microscope, x-ray microanalysis of the chemical composition by means of the EDS method and the measurement of the top layer topography in the place of wear were performed. Test results presented concern the shaft top layer because it is that layer which mainly determines the life of a clamped joint. The results of the macroscopic observations of the sleeve hub top layer were presented, too, for comparison of the image of wear between mating surfaces.The results of the observations of the various shaft top layers indicate the mitigation of the development of fretting wear in the case of shafts with coatings; CrN+a-C:H:W coatings influence the mitigation of fretting wear better indeed. The main damage comprised by fretting in all the samples being tested is material build-up occurring as a result of adhesion. That build-up undergoes oxidation during operation. Micropits and microabrasion of the top layer are observed in places.

PL

W artykule zaprezentowano wyniki badań laboratoryjnych dotyczące wpływu zastosowania wybranych powłok PVD na inicjację i rozwój zużycia frettingowego w połączeniach wtłaczanych. Na wały nałożono powłoki TiN a także CrN+a-C:H:W, wyniki badań zużyciowych porównano z wynikami badań wałów bez powłok. Badania zużyciowe wykonywano na stanowisku badawczym, które symulowało warunki pracy zestawów kołowych pojazdów szynowych poruszających się po torze prostym. Montaż elementów próbki przeznaczonej do badań wykonano przez wtłoczenie tulei na wał z wartością wcisku 0,02mm. W celu oceny zjawiska frettingu dla badanych warstw wierzchnich wałów wykonano obserwacje makroskopowe, mikroskopowe przy użyciu mikroskopu skaningowego, mikroanalizę rentgenowską składu chemicznego metodą EDS oraz pomiar topografii warstwy wierzchniej w miejscu zużycia. Zaprezentowane wyniki badań dotyczą warstwy wierzchniej wałów, ponieważ to ona w głównej mierze determinują trwałość połączenia wtłaczanego. Zaprezentowano również wyniki obserwacji makroskopowych warstwy wierzchniej piasty tulei, w celu porównania obrazu zużycia pomiędzy współpracującymi powierzchniami.Wyniki obserwacji poszczególnych warstw wierzchnich wałów wskazują na ograniczenie rozwoju zużycia frettingowego w przypadku wałów z zastosowanymi powłokami, przy czym powłoki CrN+a-C:H:W korzystniej wpływają na zmniejszenie zużycia frettingowego. Głównym uszkodzeniem składającym się na zjawisko frettingu we wszystkich badanych próbkach są nalepienia materiału, powstałe w wyniku zjawiska adhezji. W czasie eksploatacji nalepienia te ulegają utlenianiu. Lokalnie obserwuje się mikrowżery i mikrowytarcia warstwy wierzchniej.

Słowa kluczowe

EN

clamped joint; fretting wear; PVD coating

PL

połączenie wtłaczane; zużycie frettingowe; powłoki PVD

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 20, no. 1
• Strony: 1--8
• Opis fizyczny: Biblior. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kowalski S.

Bibliografia

• 1. Astrid Gies, Thomas Chudoba, Norbert Schwarzer, Jürgen Becker. Influence of the coating structure of a-C:H:W coatings on their wearperformance:
• 2. Bahri A, Kaçar E, Akkaya S S, Elleuch K, Ürgen M. Wear protection potential of TiN coatings for 304 stainless steels used in rotating parts during olive oil extraction. Surface and Coatings Technology 2016; 304: 560-566, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.07.067.
• 3. Bose Sivakumar, Lokesh Chandra Pathak, Raghuvir Singh. Role of surface roughness on corrosion and fretting corrosion behaviour of commercially pure titanium in Ringer's solution for bio-implant application. Applied Surface Science 2017; 401: 385-398, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.033.
• 4. Dong-Wook Kim, Kyung-Woong Kim. Tribological characteristics of Cr/CrN/a-C:H:W/a-C:H coating under boundary lubrication conditions with glycerol mono-oleate (GMO) and molybdenum dithiocarbamate (MoDTC). Wear 2015; 342-343: 107-116.
• 5. Guzowski S. Analiza zużycia frettingowego w połączeniach wciskowych na przykładzie osi zestawów kołowych pojazdów szynowych. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, 2003.
• 6. Guzowski S. Warunki rozwoju zużycia frettingowego w połączeniu koło-oś zestawu kołowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Transport 1995; 27: 111-118.
• 7. Karwala K, Kulikowski H, Tułecki A. Technologiczne problemy trwałości zestawów kołowych pod kątem przystosowania pojazdów szynowych do zwiększonych prędkości. Rozprawa doktorska, Kraków, 1991.
• 8. Kesavan D, Vamshidhar Done, Sridhar M R, Ronald Billig, Daniel Nelias. High temperature fretting wear prediction of exhaust valve material. Tribology International 2016; 100: 280-286, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.02.011.
• 9. Kowalski S, Guzowski S. Wpływ procesów technologicznych na zużycie frettingowe w połączeniu wciskowym. Tribologia 2010; 3: 85-94.
• 10. Lenart A, Pawlus P, Dzierwa A, Sęp J, Dudek K. The effect of surface topography on dry fretting in the gross slip regime. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2017; 17 (4): 894-904, https://doi.org/10.1016/j.acme.2017.03.008.
• 11. Madej M. The effect of TiN and CrN interlayers on the tribological behavior of DLC coatings. Wear; 2014; Volume 317, Issues 1-2: 179-187 https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.05.008
• 12. Matteo Benedetti, Vigilio Fontanari, Elisa Torresani, Christian Girardi, Lorenzo Giordanino. Investigation of lubricated rolling sliding behaviour of WC/C, WC/C-CrN, DLC based coatings and plasma nitriding of steel for possible use in worm gearing. Wear 2017; 378-379: 106-113, https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.02.029.
• 13. Mi X, Cai Z B, Xiong X M, Qian H, Tang L C, Xie Y C, Peng J F, Min-Hao Zhu. Investigation on fretting wear behavior of 690 alloy in water under various temperatures. Tribology International 2016; 100: 400-409, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.05.012.
• 14. Michnej M. Proces zużycia w połączeniu obrotowym na przykładzie modelu zestawu kołowego z samoczynną zmianą rozstawu kół. Praca doktorska 2012; Kraków.
• 15. Pereira K, Yue T, Abdel Wahab M. Multiscale analysis of the effect of roughness on fretting wear. Tribology International 2017; 110: 222-231, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.02.024.
• 16. Richert M, Zawadzka P, Mazurkiewicz A, Smolik J, Leszczyńska-Madej B, Nejman I, Pałka P, Pietrzyk S. Deposition of W/a-C:H:Zr and W/a-C:H:W multilayer coatings on substrate made of porous graphite by arc - Electron beam hybrid method. Surface and Coatings Technology 2016; 300: 19-24, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.05.035.
• 17. Song C, Shen M X, Lin X F, Liu D W, Zhu M H. An investigation on rotatory bending fretting fatigue damage of railway axles. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 2014; 37: 72-84, https://doi.org/10.1111/ffe.12085.
• 18. Stefan Nißen, Jan Heeg, Mareike Warkentin, Detlef Behrend, Marion Wienecke. The effect of deposition parameters on structure, mechanical and adhesion properties of a-C:H on Ti6Al4V with gradient Ti-a-C:H:Ti interlayer. Surface and Coatings Technology 2017; 316: 180-189, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.03.020.
• 19. Zheng J F, Luo J, Mo J L, Peng J F, Jin X S, Zhu M H. Fretting wear behaviors of a railway axle steel. Tribology International 2010; 43 (5-6): 906-911, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2009.12.031.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).