Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Concept for a Research Methodology of Surface Topography – Testing and Analysis of Tribological Wear Traces

Niemczewska-Wójcik Magdalena

Tribologia

|

2022

|

nr 4

31--38

EN

The methodology of surface topography research plays a key role in identifying and describing the wear mechanism, including the tribological wear traces. In the published literature, wear traces are most often described based on the surface morphology created in the operation process (microscopic image – optical microscope OM, scanning electron microscope SEM, atomic force microscope AFM); less frequently used are 2D profile description (contact or non-contact profilometer) or 3D topography (profilometer, confocal microscope, interference microscope, focus variation microscope). Each method of testing the worn surface has its own characteristics and purposefulness of use. The combination of different methods enables a comprehensive assessment of the surface topography created in the operation process and the characterisation of tribological wear traces.This work presents the main issues in the range of research methodology of the surface topography created in the operation process (operated/worn surface topography) – the purpose of research, research programme, research methods and tools, analysis of research results (quantitative – parametric and qualitative – non parametric). The research methodology of the surface topography and tribological wear traces is presented on selected examples. The method of conducting a comprehensive analysis, including all elements – surface morphology, 2D profile analysis and 3D topographic analysis – is discussed.

PL

Metodyka badań topografii powierzchni odgrywa kluczową rolę w identyfikowaniu i opisie mechanizmów zużycia, w tym śladów zużycia tribologicznego. W publikowanych pracach najczęściej identyfikacja śladów zużycia przeprowadzana jest na podstawie morfologii powierzchni eksploatowanej (obraz mikroskopowy – mikroskop optyczny OM, skaningowy mikroskop elektronowy SEM, mikroskop sił atomowych AFM), rzadziej stosowane są opisy profilu 2D (profilometr stykowy lub bezstykowy) czy topografii 3D (mikroskop konfokalny, mikroskop interferencyjny, mikroskop różnicowania ogniskowego). Każda z metod badań powierzchni eksploatowanej ma swoją charakterystykę oraz celowość zastosowania. Połączenie różnych metod umożliwia kompleksową ocenę powierzchni eksploatowanej oraz charakterystykę śladów zużycia tribologicznego. W niniejszym opracowaniu przedstawiono główne zagadnienia w zakresie metodyki badań powierzchni eksploatowanej – cel badań, program badań, metody i narzędzia badawcze, analiza wyników badań (ilościowa – parametryczna oraz jakościowa – nieparametryczna). Metodykę badań powierzchni eksploatowanej i śladów zużycia tribologicznego zaprezentowano na wybranych przykładach. Omówiono sposób przeprowadzenia kompleksowej analizy, obejmującej wszystkie elementy – morfologię powierzchni, analizę profilową 2D oraz analizę topograficzną 3D.

2

Cavitation Erosion Resistance of High-Alloyed Fe-Based Weld Hardfacings Deposited Via SMAW method

Szala Mirosław, Hejwowski Tadeusz

Tribologia

|

2022

|

nr 4

85--94

EN

In order to investigate the cavitation erosion (CE) resistance of high-alloyed ferrous hardfacings, the three different deposits were pad welded by the shielded metal arc welding (SMAW) method. Consumable electrodes differed in the content of carbide-forming elements, and pad welds were deposited onto the S235JR structural. The CE tests, conducted according to ASTM G32 standard, indicated that hardfacings reveal lower mass loss than the reference stainless steel AISI 304 (X5CrNi18-10). The hardfacings show increasing resistance to CE in the following order: Cr-C < Cr-C-Mo < Cr-C-Mo-V-W. The reference steel revealed more than twenty times higher material loss in the CE test than Cr-C-Mo-V-W hardfacing, which had outstanding hardness (825HV0.3). The profilometric measurements and scanning electron microscopy investigations showed large changes in valley and peak sizes of the roughness profiles for materials which displayed high erosion rates. The erosion mechanism of the coatings can be classified as brittle-ductile and relies on cracking, chunk removal of material, pits and craters formation, and deformation of fractured material tips and edges. Hardfacing materials failed primarily due to brittle fractures with different severities. Specimen surface degradation follows the changes in Ra, Rz, Rv, and Rp roughness parameters and well-corresponds to the proposed roughness rate (RR) parameter.

PL

W celu zbadania odporności na erozję kawitacyjną (EK) wysokostopowych napoin na osnowie żelaza napawano trzema materiałami metodą SMAW. Elektrody otulone różniły się zawartością pierwiastków węglikotwórczych. Napoiny wykonano na stali konstrukcyjnej S235JR. Testy EK, przeprowadzone zgodnie z normą ASTM G32, wykazały niższy ubytek masy napoin w porównaniu do referencyjnej stali odpornej na korozję AISI 304 (X5CrNi18-10). Napoiny wykazują rosnącą odporność na EK w następującej kolejności: Cr-C < Cr-C-Mo < Cr-C-Mo-V-W. Referencyjna próbka stalowa wykazała w teście EK ponad dwudziestokrotnie większy ubytek materiału niż napoina Cr-C-Mo-V-W, która miała wyjątkowo wysoką twardość (825HV0.3). Pomiary profilometryczne i badania przeprowadzone przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego wykazały duże zmiany wielkości dolin i szczytów profilu chropowatości dla materiałów wykazujących wysoką szybkość erozji. Mechanizm EK powłok można sklasyfikować jako krucho-plastyczny i opiera się na pękaniu, usuwaniu kawałków materiału, tworzeniu wgłębień i kraterów oraz deformacji pękniętych fragmentów kraterów oraz deformacji wyodrębnionych szczytów i krawędzi materiału. Napawany materiał podlega niszczeniu przez jego pękanie w różnym nasileniu. Degradacja powierzchni próbek pogłębia się wraz ze zmianą parametrów chropowatości Ra, Rz, Rv i Rp i dobrze koresponduje z proponowanym parametrem RR (zmiana chropowatości pow. degradowanej).

3

Destruction mechanisms of Cu-ETP copper guides for sectional insulators of railway traction

Konieczny Jarosław

Zeszyty Naukowe. Transport / Politechnika Śląska

|

2021

|

z. 113

101--113

EN

This article presents the results of a research on the operational damage to sectional insulator guides made of hard electrolytic copper Cu-ETP (Electrolytic Tough Pitch Copper). The guides were used on various rail routes, in real conditions, on which the trains ran at maximum speeds between 40 and 120 km/h for periods of 6 or 12 months. The microstructure of the surface, the working layer of the guide, which contacts the graphite plate of the current collector and the cross-section of the guide in the place where it was damaged was examined using the Olympus light microscope. The analysis of the chemical composition in the EDS micro-regions was performed using the Zeiss Supra 53 scanning electron microscope (SEM), while the qualitative X-ray phase analysis was performed with the use of the Panalytical X'Pert diffractometer. Scratches and deformations of the surface layer characteristic of the phenomenon of friction caused by the current collector were observed in the microstructure of the damaged parts of the guides of section insulators. The effect of a very intense oxidation process was also observed, as well as the effects of an electric arc, which according to the author, is the factor that has the most destructive effect on the condition of the guides.

4

Cavitation erosion phenomenological model of MCrAlY and NiCrMoNbTa metallic coatings deposited via the HVOF method

Szala Mirosław

Tribologia

|

2021

|

nr 4

45--55

EN

The work describes the phenomenological model of cavitation erosion (CE) elaborated for MCrAlY (where M = Co, Ni or Co/Ni) and NiCrMoNbTa. Coatings were deposited via the HVOF method from CoNiCrAlY, NiCoCrAlY and NiCrMoNbTa feedstock powders. CE tests, conducted according to ASTM G32 standard, indicate that MCrAlYs have a 50% higher maximum erosion rate and twice lower CE resistance than the NiCrMoNbTa coating. CE kinetics of coatings were comparatively studied, combining the mass loss, erosion rate, roughness changes of the eroded surface with microstructure, and mechanical properties of the coatings. Results of SEM analysis of damaged coatings allow identifying the mechanism of CE. In the case of both types of coatings, the erosive damage is initiated at the removal of loose splats, cracking at the border splats and peeling off the coating material, and surface pitting. However, NiCrMoNbTa, due to higher ductility and microstructure homogeneity, presents lesser surface pitting contrary to the MCrAlYs, which have multiphase microstructure higher hardness and consequently was prone to cracking, resulting in the formation of craters and higher surface roughening. The CE mechanism of MCrAlYs was dominated by the brittle mode, while the NiCrMoNbTa coating has mainly a ductile damage behaviour.

PL

W pracy opisano fenomenologiczny model erozji kawitacyjnej (EK) opracowany dla powłok MCrAlY (gdzie M = Co, Ni lub Co/Ni) i NiCrMoNbTa. Powłoki wytworzono metodą HVOF z komercyjnych proszków CoNiCrAlY, NiCoCrAlY i NiCrMoNbTa. Testy erozji kawitacyjnej, przeprowadzone zgodnie z normą ASTM G32, wskazują, że MCrAlY mają o 50% wyższą prędkość erozji i dwukrotnie niższą odporność EK niż powłoka NiCrMoNbTa. Kinetyka erozji kawitacyjnej powłok została poddana analizie porównawczej syntetyzującej utratę masy, szybkość erozji, zmiany chropowatości erodowanej powierzchni z mikrostrukturą oraz właściwościami mechanicznymi badanych powłok. Wyniki analizy SEM uszkodzonych powłok umożliwiły zidentyfikowanie mechanizmu EK. Uszkodzenie erozyjne powłok inicjowane jest w wyniku usuwaniu słabo umocowany cząstek materiału, pękaniu na granicach lameli następnie usuwaniu materiału i tworzeniu wżerów. Jednak NiCrMoNbTa ze względu na wyższą ciągliwość i jednorodność mikrostruktury wykazuje mniejsze wżery powierzchniowe w przeciwieństwie do MCrAlYs, które cechują się wielofazową mikrostruktura o wyższej twardości i w konsekwencji są podatne na pękanie, co powoduje powstawanie dużych wżerów i wyższe chropowacenie powierzchni. Mechanizm erozji kawitacyjnej powłok MCrAlY jest zdominowana przez kruche pękanie, natomiast w przypadku powłoki NiCrMoNbTa dominuje plastyczne odkształcenie.

5

Cavitation erosion of electrostatic spray polyester coatings with different surface finish

Szala Mirosław, Świetlicki Aleksander, Sofińska-Chmiel Weronika

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2021

|

Vol. 69, nr 4

art. no. e137519

EN

Polyester coatings are among the most commonly used types of powder paints and present a wide range of applications. Apart from its decorative values, polyester coating successfully prevents the substrate from environmental deterioration. This work investigates the cavitation erosion (CE) resistance of three commercial polyester coatings electrostatic spray onto AW-6060 aluminium alloy substrate. Effect of coatings repainting (single- and double-layer deposits) and effect of surface finish (matt, silk gloss and structural) on resistance to cavitation were comparatively studied. The following research methods were used: CE testing using ASTM G32 procedure, 3D profilometry evaluation, light optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), optical profilometry and FTIR spectroscopy. Electrostatic spray coatings present higher CE resistance than aluminium alloy. The matt finish double-layer (M2) and single-layer silk gloss finish (S1) are the most resistant to CE. The structural paint showed the lowest resistance to cavitation wear which derives from the rougher surface finish. The CE mechanism of polyester coatings relies on the material brittle-ductile behaviour, cracks formation, lateral net-cracking growth and removal of chunk coating material and craters’ growth. Repainting does not harm the properties of the coatings. Therefore, it can be utilised to regenerate or smother the polyester coating finish along with improvement of their CE resistance.

6

Influence of heat treatment on the mechanical and tribological properties of Incoloy 800H Superallo

Palanisamy A., Jeyaprakash N., Sivabharathi V., Sivasankaran S.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2021

|

Vol. 21, no. 1

171--185

EN

The selection and use of high strength alloys with high wear resistance (at room and high temperature) are mandatory in aerospace, nuclear, automotive, petroleum, space, furnace, and chemical industries in which Incoloy 800H superalloy is the right choice. However, this alloy is under the class of ‘difficult to cut material’ caused by their significant properties. In the present work, the heat treatment on Incoloy 800H superalloy was carried out at 1075 °C for 60 min and then the samples were cooled in the air (air cooling, AC) and furnace (furnace cooling, FC) to modify the microstructure. The mechanical and tribological behavior were examined on the heat-treated samples at room temperature to eliminate the effect of dynamic strain aging (DSA) which usually occurs at elevated temperatures in superalloys. Hardness measurement and compression tests were carried out to examine the variation of strength. Further, the dry sliding wear tests at room temperature were performed to analyze wear resistance of heat-treated specimens and compared with the as-received (AR) sample. Besides, the wear mechanism and surface roughness of worn-out specimens were analyzed. The result indicates that the air-cooled (AC) sample possessed high hardness, high compression strength, and more resistance to wear as compared to AR and FC samples. The identified wear mechanisms in AR and FC samples were abrasive, deep grooves, plastic deformation while the AC specimen exhibits mild grooves and lesser debris particles. Fractography analysis was also performed to find the nature or mode of fractures on the samples. ANOVA result indicates that the sample hardness after heat treatment has the most influencing parameter followed by the applied load on the wear rate and the coefficient of friction (CoF). The measured average roughness of the AC specimen has shown lesser value than the AR and FC specimens due to refined grain structure.

7

Adhesion of PVD and CVD hard coatings as an essential parameter that determines the durability of coated tools

Pancielejko M.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2019

|

Vol. 96, nr 1

5--21

EN

Purpose: The work is connected with the current trend related to the modification of tool surfaces with PVD and CVD methods through the deposition of coatings to increase their durability. The research results of coated tools tests that are carried out in industrial conditions are presented in details. Design/methodology/approach: Structure, chemical and phase composition investigations related to the mechanical and tribological properties of coatings produced on tool substrates and analysis of the results are included. Investigations of the properties of deposited coatings on the following tool materials were made: high speed steels, hot work tool steel, sintered carbides and SiAlON tool ceramics. Findings: Interpretation of production tests results of coated tools and an analysis of the wear mechanisms of tool blades in relation to the properties of coatings and their adhesion, in particular characterized in the scratch test, were described. Research limitations/implications: Adhesion scratch test cannot be the only and final method of such evaluation. For example a direct comparison of the results of the scratch tests of coatings is possible when adhesion is being examined of different coatings yet on the same type of the substrate. Practical implications: Based on the adhesion test results using the scratch test, the suitability of the coatings produced on the cutting tools can be quickly assessed. Originality/value: It was sought those parameters which characterize the properties of coatings, ones which would permit to effectively/practically assess the performance of tools with coatings produced, with an exclusion or limitation of long-term and expensive durability tests of tools that are carried out in industrial conditions.

8

Research on tool wear based on multi-scale simulation in high speed cutting Inconel 718

Fan Y. H., Wang T., Hao Z. P., Lan H., Cui R. R.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2018

|

Vol. 18, no. 3

928--940

EN

Nickel-based superalloy Inconel718 has excellent properties such as good fatigue resistance, creep resistance, oxidation resistance and corrosion resistance. It has been widely used in aerospace industry. However, nickel-based superalloy is a kind of typical difficult-to process-material. The alloying elements which enhanced material exist in the form of high hardness compound (TiC, NbC and other interphase hard point). These high hardness compounds led to complicate cutting deformation, high cutting temperature, large cutting force and severe tool wear. According to the characteristics in cutting Inconel718 and the microstructure of cemented carbide tool, the wear properties and mechanism of carbide tool in cutting Inconel718 process are revealed by multi-scale analysis method. The main wear forms that wear debris peeled from the tool substrate are given and the evolution mechanism of tool wear caused by the crack in the cutting process is deeply studied.

9

Determination of mechanisms of wear for rolling-sliding contact in selected operational conditions by means of surface topography and MES studies

Bąkowski H., Łazarz B.

Tribologia

|

2017

|

nr 3

5--11

EN

The paper presents the influence of selected operating factors, i.e. load, slip, and wear rate, and surface conditions. The wear mechanism between the cooperating rolling surfaces in the rolling/sliding combination varies due to the interaction of the complex stresses / deformations caused by the variable operating conditions. Surface roughness studies have allowed determining the stereological parameters that are specific to the set type of wear. In addition, simulation studies using the Finite Element Method in a roll-to-roll system have been used to determine the value and depth of maximum stresses and deformations occurring in the surface layer due to the interaction of two co-operating bodies. Geometric models have the same properties and disadvantages as the surface layer in a real object. Reflecting the operating conditions and defining the wear mechanisms in the proposed research allowed us to determine the state of the surface layer and predict its durability.

PL

W pracy przedstawiono wpływ wybranych czynników eksploatacyjnych, tj. obciążenia, poślizgu i prędkości na zużycie i stan warstwy wierzchniej. Mechanizm zużywania pomiędzy współpracującymi powierzchniami tocznymi w skojarzeniu toczno-ślizgowym zmienia się na skutek oddziaływania złożonego stanu naprężeń/ odkształceń wywołanego przez zmienne warunki eksploatacji. Przeprowadzone badania chropowatości powierzchni pozwoliły na określenie parametrów stereologicznych, które są charakterystyczne dla danego rodzaju zużycia. Dodatkowo przeprowadzone badania symulacyjne za pomocą metody elementów skończonych w układzie rolka-rolka pozwoliły na określenie wartości i głębokości zalegania maksymalnych naprężeń i odkształceń powstających w warstwie wierzchniej w wyniku oddziaływania wzajemnego dwóch ciał ze sobą współpracujących. Wykonane modele geometryczne miały takie same właściwości i wady, jakie ma warstwa wierzchnia w obiekcie rzeczywistym. Odzwierciedlenie warunków eksploatacji i określenie mechanizmów zużywania w zaproponowanych badaniach umożliwiło wyznaczenie stanu warstwy wierzchniej i prognozowanie jej trwałości.

10

Obecność fazy ciekłej w obszarze kontaktu narzędzia z odkuwką ze stopu tytanu jako źródło katastrofalnego mechanizmu zużycia

Frocisz Ł., Krawczyk J., Tokarski T., Cios G., Paćko M.

Tribologia

|

2015

|

nr 4

57--65

PL

Celem niniejszej pracy było określenie mechanizmu zużywania się materiału matrycy, jak i odkuwki tytanowej podczas procesu kucia matrycowego. Materiałem do badań była stal narzędziowa 55NiCrMoV7 z warstwą napawaną o pod-wyższonej zawartości Cr i Mo oraz odkuwka ze stopu Ti6Al4V. W wyniku kucia w temperaturze 940ºC na powierzchni obu materiałów pojawiły się wyraźne wy-żłobienia. Analiza metalograficzna pozwoliła stwierdzić, iż na powierzchni materiałów występują porowate struktury tlenkowe. Analiza chemiczna z tych obsza-rów wykazała obecność w produktach zużycia występujących na materiale matrycy – zwiększonej zawartości tytanu i aluminium. Wzajemne mieszanie materiału odkuwki i matrycy skutkowało powstaniem na powierzchni materiału niskotopliwej eutektyki. Zwiększenie temperatury na powierzchni styku najprawdopodob-niej związane było z efektem egzotermicznym od odkształcenia, jak i tarciem występującym podczas procesu kucia. Zwiększony udział fazy α na powierzchni odkuwki skutkował powstawaniem w obszarach przypowierzchniowych siatki pęknięć. Pęknięcia te powodowały dodatkową intensyfikację procesu zużycia.

EN

The wear mechanisms of titanium alloy forging and tool steel used for die forging are presented. Materials for the investigations were 55NiCrMoV7 tool steel and Ti6Al4V titanium alloy. The die forging process was performed at 940ºC on backward hammer BECHE. On the surface of the die and forging, a groove net was observed after the process. Metallographic analysis indicated the presence of oxidation products on the surfaces of the tested materials. A net of micro-cracks and an increase in the α phase volume fraction was observed in the subsurface area of the titanium alloy. Chemical microanalysis from the die surface area and on the cross section revealed the presence of titanium and aluminium in the wear products. Mutual mixing of materials resulted in the formation of low-temperature eutectics on the surfaces. The exothermic effect of titanium alloy plastic deformation and the friction resulted in a temperature increase. The liquid phase cased gridding of materials surfaces. The higher volume fraction of the α phase and presence of cracks in the subsurface area of titanium alloy also probably intensify wear.

11

The Wear Mechanisms Description Of Multilayer Coatings, Performed By Transmission Electron Microscopy – An Overview Of The Own Research Work

Major Ł.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 3

2319--2326

EN

The aim of the presented paper was to describe the wear mechanisms operating at the small length scale in multilayer coatings subjected to a mechanical testing. A hybrid PLD system (Pulsed Laser Deposition connected with magnetron sputtering) was used for the multi-layer coating deposition. Coatings were subjected to indentation, ball-on disc wear and scratch adhesion tests. Microstructure of the as-deposited coating and after mechanical tests was studied using the Scanning (SEM) and the Transmission (TEM) Electron Microscopes. The research work revealed that application of innovative multilayer coatings may allow to predict their life time and to steer their properties.

PL

Celem pracy było określenie mechanizmów zużycia wielowarstwowych powłok tribologicznych, poddanych testom mechanicznym na zużycie. Powłoki wytwarzane przy zastosowaniu hybrydowego układu PLD (technika laserowej ablacji połączona z rozpylaniem magnetronowym) poddane zostały mechanicznym testom na zużycie (indentacja oraz test kula-tarcza), a także testowi przylegania powłoki do podłoża (test zarysowania). Charakterystykę mikrostruktury powłok przed i po testach mechanicznych przeprowadzono za pomocą skaningowej (SEM) oraz transmisyjnej (TEM) mikroskopii elektronowej. Badania wykazały, że poprzez stosowanie innowacyjnych powłok wielowarstwowych można przewidzieć czas ich eksploatacji oraz dają możliwość sterowania właściwościami.

12

Wieloskalowa analiza mechanizmu zużycia wielowarstwowych powłok na bazie tytanu i węgla

Major Ł., Lackner J. M., Major B.

Obróbka Plastyczna Metali

|

2014

|

T. 25, nr 1

27--38

PL

Przedmiotem badań wieloskalowej analizy mechanizmu zużycia były efekty niszczenia mikrostruktury wielowarstwowych powłok typu: Ti/TiN oraz TiN/Ti/a-C:H. Powłoki uzyskano na austenitycznej stali nierdzewnej przy użyciu hybrydowej metody osadzania laserem impulsowym (PLD+magnetron). Mikrostrukturę powłoki składającej się z bi-warstw o grubości rzędu 10 nm charakteryzowano z zastosowaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego Tecnai F20 (200kV) FEG. Fazowa i chemiczna analiza składu przeprowadzona została metodą EDS z dyspersją energii (rentgenowska spektroskopia) i w oparciu o obrazy dyfrakcji elektronów. Odporność na uszkodzenia powłoki badano diamentową kulkę siłą 1N przyłożonego obciążenia. Cienkie folie zostały przygotowane bezpośrednio ze ścieżki zużycie z zastosowaniem skupionej wiązki jonów metodą FIB z wykorzystaniem aparatury QUANTA 200 3D DualBeam. Wielowarstwowe powłoki charakteryzowały się mikrostrukturą z dużą ilością dyslokacji w warstwie TiN, podobnie jak w powłoce monowarstwowej TiN. W przypadku powłoki węglowej a-C:H warstwa była amorficzna. Po teście mechanicznym zużycia metodą kula-dysk, stosując kulkę Al2O3, wielowarstwowa powłoka TiN/Ti/a-C:H była silnie zdeformowana. Ceramiczne powłoki TiN oraz a-C:H wykazywały kruche pęknięcia, zaś bardzo cienkie warstwy metaliczne Ti, wytworzone na każdej granicy fazowej, zostały odkształcone plastycznie. Linie deformacji propagowały się pod kątem 45o do kierunek wzrostu krystalitów. Zużycie tribologiczne krystalicznych warstw TiN spowodowało pęknięcia wzdłuż płaszczyzn {111}. Obecność fazy metalicznej prowadziła do wzrostu oporności na pęknięcia i zwiększała koszt energetyczny propagacji pęknięć.

EN

The wear mechanisms of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were investigated. Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were deposited on austenitic stainless steel (316L) using the hybrid PLD (Pulsed Laser Deposition + magnetron sputtering) equipped with high purity titanium target (99.9% at. Ti) and carbon target. Microstructure was analyzed on thin foils prepared using the FEI Dual BeamTM FIB system equipped with an Omniprobe lift-out technique. Foils were cut perpendicularly both to coating surface and wear path. The microstructure observations were performed using TECNAI F20 SuperTWIN (200kV) transmission electron microscope. The wear mechanism of the multilayer coating was realized through brittle cracking of ceramic layers and plastic deformation of metallic ones. Optimization of layer thickness and modulation was performed by application of advanced deposition and diagnostic methods. Switching from mono- to multi-layered coatings allows changing the mechanism of wear from through-coating cracking leading to catastrophic delamination to more gradual layer-by-layer coating removal. The farther wear decrease should be sought at lower multilayer period. Design and fabrication of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings revealing an improved behavior in service systems subjected to wearing.

13

Types of wear and tear of biomaterials used in orthopaedic surgery

Klimek L., Wołowiec E., Majkowska B.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2013

|

Vol. 56, nr 2

83--89

EN

Purpose: Purpose of this paper is presentation of observations on different kinds of wear and tear of biomaterials used in contemporary orthopaedic surgery. Design/methodology/approach: Types of prosthesis damage, encountered in medical practice, and their causes have been described. Results of many clinical studies were analysed to review prosthesis damage from the stage of implanting (such as intrusion of a foreign object between its components) to their natural wear and tear after many years of use (abrasive wear, biological corrosion). Findings: It has been shown that prostheses heads may also succumb to quick wear and tear despite being made of harder and more durable materials than sockets. Research limitations/implications: Clinical and laboratory of defective implants discover the reasons of damage, but they are time consuming. There are also difficulties in obtaining objects for research. Originality/value: The research has helped to systematise the knowledge on the mechanisms of wear and damage of endoprostheses, which is vital for improvement of their life cycle.

14

Tailoring of multilayer structure to tribological conditions

Major Ł., Lackner J. M., Major B.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

741--744

EN

The wear mechanisms of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings was investigated. Coatings were deposited on austenitic stainless steel (316L) using the hybrid PLD (Pulsed Laser Deposition + magnetron sputtering) equipped with high purity titanium target (99.9% at. Ti) and carbon target. Microstructure was analyzed on thin foils prepared using the FEI Dual BeamTM FIB system equipped with an Omniprobe lift-out technique. Foils were cut perpendicularly both to coating surface and wear path. The microstructure observations were performed using TECNAI F20 SuperTWIN (200kV) transmission electron microscope. The wear mechanism of the multilayer coating was realized through brittle cracking of ceramic layers and plastic deformation of metallic ones. Tailoring of layer thickness and modulation was performed to tribological conditions. Switching from mono- to multilayered coatings allows changing the mechanism of wear from throughcoating cracking to more gradual layer-by-layer coating removal. Design and fabrication of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings revealing an improved behaviour in service systems subjected to wearing.

PL

Analizowano mechanizm tribologicznego zużycia wielowarstwowych powłok na bazie tytanu i węgla typu Ti/TiN oraz (TiN/Ti/a-C:H). Powłoki osadzono na stali austenitycznej 316L z wykorzystaniem metody hybrydowej PLD (osadzanie laserem impulsowym + osadzanie magnetronowe). Do osadzania wykorzystano tarcze z tytanu wysokiej czystości (99,9%) oraz tarcze węglowe (grafit). Mikrostrukturę analizowano na cienkich foliach uzyskanych za pomocą systemu FEI Dual BeamTM FIB z techniką Omniprobe lift-out, Obserwacje mikrostruktury przeprowadzono, wykorzystując transmisyjny mikroskop elektronowy TECNAI F20 SuperTWIN (200kV). Mechanizm zużycia powłok wielowarstwowych był realizowany przez kruche pękanie warstw ceramicznych i plastyczne odkształcenie metalicznych. Dostosowanie grubości warstw i ich modulacji prowadzono w aspekcie zużycia tribologicznego. Przejście z powłok mono- do wielowarstwowych prowadziło do zmiany mechanizmu zużycia z realizowanego na drodze pękania przez powłokę do stopniowego usuwania warstw jedna po drugiej. Zaprojektowanie i wykonanie wielowarstwowych powłok typu Ti/TiN oraz (TiN/Ti/a-C:H) doprowadziło do poprawy właściwości sytemu poddanego zużyciu tribologicznemu.

15

Multiscaled analysis of wear mechanism of titanium and carbon basis multilayer coatings

Major L., Lackner J.M., Major B.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2013

|

Vol. 63, nr 2

53--57

EN

Purpose: The wear mechanisms of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were investigated. Coatings were deposited using the hybrid Pulsed Laser Deposition technique (PLD) on austenitic stainless steel. The microstructure investigations were performed with the TECNAI G2 SuperTWIN FEG (200kV) transmission electron microscope. Ceramic TiN and a-C:H layers showed brittle cracking, while very thin metallic Ti layers were deformed plastically. The presence of metallic phase led to the cracking resistance and increased an energetic cost of propagating cracks. Design/methodology/approach: Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were deposited on austenitic stainless steel (316L) using the hybrid PLD (Pulsed Laser Deposition + magnetron sputtering) equipped with high purity titanium target (99.9% at. Ti) and carbon target. Microstructure was analyzed on thin foils prepared using the FEI Dual BeamTM FIB system equipped with an Omniprobe lift-out technique. Foils were cut perpendicularly both to coating surface and wear path. The microstructure observations were performed using TECNAI F20 SuperTWIN (200kV) transmission electron microscope. Findings: The wear mechanism of the multilayer coating was realized through brittle cracking of ceramic layers and plastic deformation of metallic ones. Research limitations/implications: Optimization of layer thickness and modulation; application of advanced deposition and diagnostic methods. Practical implications: Switching from mono- to multi-layered coatings allows changing the mechanism of wear from through-coating cracking leading to catastrophic delamination to more gradual layer-by-layer coating removal. The farther wear decrease should be sought at lower multilayer period. Originality/value: Design and fabrication of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings revealing an improved behavior in service systems subjected to wearing. Multiscale microstructure diagnostics of multilayer coatings.

16

Właściwości tribologiczne materiałów kompozytowych zawierających węgiel szklisty

Myalski J.

Tribologia

|

2011

|

nr 4

203-210

PL

Przedmiotem badań był wpływ węgla szklistego jako dodatku pozwalającego kształtować właściwości tribologiczne w różnych grupach materiałów kompozytowych z osnową polimerową i metaliczną. Przeprowadzone badania wykazały, że dodatek węgla szklistego w kompozycie przyczynia się do zmiany współczynnika tarcia i zużycia. Decydują o tym udział masowy i rozmiary cząstek węgla szklistego. Dobre właściwości fizyczne i chemiczne węgla szklistego powodują również ograniczenie procesów związanych z termiczną degradacją struktury kompozytu. Dodatek około 6–10% węgla przyczynił się do ograniczenia obszarów warstwy wierzchniej materiałów ciernych, w których dochodziło do procesów degradacji termicznej, oraz podwyższył o około 50oC temperaturę, w której następował gwałtowny spadek współczynnika tarcia. Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziły możliwość wpływania na zmianę właściwości tribologicznych w kompozytach zawierających węgiel szklisty.

EN

The study focuses on an influence of glassy carbon as an additive allowing the development of tribological properties of different polymer-matrix and metal-matrix composite materials. Conducted research has shown that addition of glassy carbon to the composite contributes to a change in the friction coefficient and in wear. Mass fraction and average particle diameter determine the change. Good physical and chemical properties of glassy carbon also cause a limitation of processes connected with thermal degradation of the composite structure. It especially concerns in the polymer-matrix composites. It could be observed in these materials that 6–10% addition of glassy carbon contributed to the reduction of surface areas in which thermal degradation processes occurred. Moreover, the temperature at which a violent decrease in the friction coefficient was increased by about 50°C. The results of conducted research confirmed the possibility of control over the change of tribological properties in the composites containing glassy carbon.

17

Ocena wpływu parametrów procesu kucia stalowej piasty na zużycie trzpienia formującego

Skubisz P., Krawczyk J., Sińczak J.

Problemy Eksploatacji

|

2011

|

nr 4

45-52

PL

Praca dotyczy analizy procesu kucia dokładnego odkuwki piasty pod kątem możliwości zwiększenia żywotności narzędzi. Badania obejmują proces stosowany w praktyce przemysłowej oraz wpływ zaobserwowanych warunków na stan narzędzi kuźniczych, z uwzględnieniem badań metalograficznych. Ocenie poddano powierzchnię stempla ze stali X38CrMoV5-3, z operacji kształtowania na wymiar. Określono lokalizację intensywnego zużycia oraz pęknięć, jak i ich morfologię. Podjęto próbę skorelowania warunków powstawania poszczególnych rodzajów pęknięć z określonymi numerycznie parametrami oddziaływań na powierzchnię stempla podczas kucia. Opis wpływu warunków termomechanicznych pracy narzędzia oparto o analizę rozkładu i wartości lokalnych wybranych wskaźników stanu naprężeń oraz pól temperatury, uzyskanych z modelowania numerycznego procesu kucia. Wskaźniki te posłużyły do określenia wytycznych zmiany technologii kucia w aspekcie minimalizacji zużycia.

EN

The paper presents some aspects of warm forging process concerning possibility of tool life enhancement. The analysis involves the effect of applied process variables on the forming tool surface condition in the industrial process, including metallographic examination of surface layers of the punch made of X38CrMoV5-3 tool steel. Areas of the most intense wear as well as location and morphology of ruptures were indicated. Attempt was made at correlation of the observed tribological phenomena occurring in the surface with numerically calculated thermal and mechanical parameters of the warm forging operation. Calculated fields of mean stress, effective stress and contact pressure, as well as, changes in metal displacement velocity and temperature were used to form guidelines for technology modification to reduce the stresses level and tool wear indicators.

18

Wear behaviour of nitride ceramic cutting tools in the machining of nodular cast iron

Grzesik W., Małecka J., Kowalczyk D., Kiszka P.

Advances in Manufacturing Science and Technology

|

2011

|

Vol. 35, nr 2

5-16

EN

The objective of this study is to reveal the wear behaviour of uncoated and coated nitride ceramic tools in the machining of pearlitic-ferritic nodular cast iron in terms of wear rate and destruction of tool faces under the given working conditions. Investigations include the tool wear curves and appropriate tool lives, as well as detailed identification of tool wear mechanisms occurring on both the rake and flank faces of the tools. Tool wear effects occurring for both nitride ceramic grades were compared at the flank wear VB sub B of about 0,3 mm. The occurrence of various wear mechanisms, such as abrasive, diffusive and chemical wear was revealed. Higher wear resistance of coated nitride tools with additional oxide ceramic layer was confirmed. In particular, such techniques as SEM, BSE and EDX analysis were employed to analyze tool wear.

PL

W pracy określono kinetykę procesu zużycia narzędzi z ceramiki azotkowej Si3N4 z naniesioną powłoką tlenków ferrytyczno-perlitycznego Al2O3 oraz bez powłoki z uwzględnieniem zużycia i destrukcji powierzchni ostrza w obróbce odlewów z żeliwa sferoidalnego ferrytyczno-perlitycznego. Wyznaczono krzywe zużycia i określono trwałość ostrza. Wykonano szczegółową identyfikację mechanizmów zużycia występujących na powierzchni natarcia i przyłożenia ostrza. Skutki zużycia występujące na ostrzach ceramicznych porównano dla szerokości starcia powierzchni przyłożenia ok. 0,3 mm. Stwierdzono obecność różnych mechanizmów zużycia - ścierne, adhezyjne i chemiczne. Udowodniono większą odporność na zużycie ścierne narzędzi z ceramiki Si3N4 z nałożoną powłoką z ceramiki tlenkowej - Al2O3. W ocenie zużycia stosowano metody elektronowej mikroskopii skaningowej, BSE i EDX.

19

The application of the computer image analysis in wear particle research

Wrona M.

Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance

|

2010

|

Vol. 45, nr 2

61-74

EN

In this research, the possibilities of characterising the texture, colour and contour of wear particles were investigated. The assessment of the texture and colour of wear particles on the basis of the analysis of changes in the grey-scale and individual components of the colour model CIE L*a*b* was performed. For a statistical description of distributions, the following parameters were used: the averages grey-level and the values of maximal and minimal grey-level. The assessment of the surface texture and contour of wear particles by the Fourier and fractal analyses was also carried out. The amplitude spectrum numerical parameters for chosen lines marked on the particle image were determined with the help of one dimension Fast Fourier Transformation (FFT). Based on the suitably prepared data obtained from images, the fractal dimension of the contour of the investigated particles, using the compass method, was determined. The usefulness of the determined parameters was evaluated by determining the wear particles' affiliation to the suitable type. The correlation between morphological features of wear particles and mechanisms taking place during friction couple wear was determined on the basis of an analysis of the obtained research results of individual groups of wear particles.

PL

W pracy zbadano możliwości zastosowania komputerowej analizy obrazu do charakteryzowania tekstury, barwy i konturu cząstek zużycia. Oceny tekstury i barwy i cząstek zużycia dokonano na podstawie analizy zmian jasności i poszczególnych składowych wybranych modeli barw: RGB, HSB i CIE L*a*b*. W opisie statystycznym rozkładów zastosowano wiele parametrów, takich jak wartość średnia, odchylenie standardowe, mediana, skośność, kurtoza. Przeprowadzono również ocenę tekstury powierzchni i konturu cząstek zużycia metodą analizy Fouriera i fraktalną. Za pomocą jednowymiarowej, szybkiej transformaty Fouriera (FFT) określono parametry liczbowe widma amplitudowego dla punktów wybranego odcinka naniesionego na obraz cząstki. W oparciu o odpowiednio przygotowane dane uzyskane z obrazów wyznaczono wymiar fraktalny konturu badanych cząstek z wykorzystaniem metody cięciw. Oceniono przydatność wyznaczonych parametrów przy ustalaniu przynależności cząstek zużycia do odpowiedniego typu. Na podstawie analizy uzyskanych wyników badań poszczególnych grup cząstek zużycia wyznaczono zależności pomiędzy cechami morfologicznymi cząstek zużycia a mechanizmami występującego zużywania węzłów tarcia.

20

Polimerowe materiały ślizgowe do pracy w podwyższonej temperaturze

Myalski J.

Problemy Eksploatacji

|

2010

|

nr 2

113-122

PL

W pracy przedstawione zostały wyniki badań właściwości tribologicznych kompozytów z osnową polimerową przeznaczonych do pracy w podwyższonej temperaturze. Jako materiał modyfikujący właściwości został wykorzystany węgiel szklisty oraz dodatki tradycyjnie stosowane w materiałach ślizgowych takie jak grafit i mosiądz. Wyniki badań termograwimetrycznych wykazały, że po modyfikacji żywicy węglem szklistym uzyskano znaczne zmniejszenie ubytku masy kompozytów. Badania właściwości tribologicznych prowadzone w temperaturze 20, 100, 180 i 260°C wykazały, że wartość współczynnika tarcia i zużycia jest stosunkowo mała - około 0,12-0,18. Zastosowanie jako podstawowego składnika modyfikującego węgla szklistego zapewniło uzyskanie kompozytu ślizgowego charakteryzującego się korzystnymi właściwościami tribologicznymi. Cząstki węgla szklistego ograniczają zużywanie jak i procesy destrukcji temperaturowej. Modyfikacja z zastosowaniem węgła szklistego pozwala na uzyskanie kompozytów ślizgowych do pracy w podwyższonej temperaturze i przy dużych prędkościach poślizgu i obciążeniach, przekraczających znacznie warunki pracy niemodyfikowanych materiałów polimerowych.

EN

The results of tribological research on polymer matrix composites working at elevated temperatures are presented in this work. The properties of composites were modified using carbon particles (glassy carbon), graphite, and brass particles. Thermogravimetrical (DTA and DTG) analysis indicates that the modification of resin by glassy carbon produces a lower mass decrement of resin at temperatures up to 800°C. Research on tribological properties at 20, 100, 180, and 260°C indicates that coefficient of friction is amount 0.12-0.18. Application of basic components of the modified properties of phenolic resin glassy carbon produce profitable tribological properties to sliding composites. Analysis of the composite surface after friction provides an estimation of the wear mechanism and forming of the surface layer during friction. The results of the investigation confirm that glassy carbon is a main component in determining the tribological properties of composites. Glassy carbon particles limited wear and the thermal destruction of the matrix. Modification using glassy carbon produces sliding composites working at an elevated temperature in extreme working conditions is superior to non-modified polymer materials.