16EVO1-tech1

Nové zkušební postupy pro keramická valivá tělesa

Autoři:
Oskar Schöppl, produktový specialista pro vyspělé keramické materiály, SKF Österreich, Štýrský Hradec, Rakousko
Michael Böttger, produktový specialista pro vyspělé keramické materiály, SKF Österreich, Štýrský Hradec, Rakousko

Další segment Hybridní ložiska Výzkum a teorie

Pro neobyčejně náročné aplikace jsou nejvhodnější ložiska, která kombinují ocelové kroužky s keramickými valivými tělesy. Taková ložiska se nazývají hybridní.
Keramický materiál – nitrid křemíku pro výrobu ložisek – se nepodobá běžným keramickým materiálům používaným v domácnosti. Vyznačuje se vysokou tvrdostí, tuhostí a pevností, což jsou vlastnosti materiálu, které mají zásadní význam pro výkonnost ložisek. Materiálové specifikace SKF jsou navíc velmi přísné.

Různé postupy zpracování při výrobě valivých těles z nitridu křemíku pro hybridní ložiska se projeví rozdílnou mikrostrukturou, a tedy i různými mechanickými vlastnostmi [1]. Z toho důvodu je nutné jednotlivá valivá tělesa testovat, aby bylo možné zaručit, že každé vyrobené valivé těleso – a nejen speciální zkušební tyč připravená pro zkoušky pevnosti v ohybu – splní minimální požadavky na pevnost, lomovou houževnatost a mikrostrukturu.

Tento článek představuje několik nových postupů pro zkoušení určitých vlastností keramických materiálů. Tyto postupy, které vyvíjí SKF ve spolupráci s výzkumnými partnery, jsou již částečně používány v rámci podpory výroby a jsou definovány v mezinárodních normách. Jejich účelem je získat užitečná data pro předpovídání a zajištění výkonnosti keramických dílů v hybridních ložiskách.

Hromadné scratch ­testy (zkoušky poškrábání) keramiky
Různé druhy nitridu křemíku se výrazně liší obrusností, jakož i tvorbou a šířením trhlin. K systematickému výzkumu vlivu smykového opotřebení na nitrid křemíku je možné použít zkušební přístroj pro tzv. scratch testy. Z historického hlediska bylo zjišťování tvrdosti scratch testy vyvinuto pro zkoušky přilnavosti povrchových povlaků, avšak našlo uplatnění i při hromadném testování. V tomto testu je geometricky přesně definovaný diamantový hrot vedený definovanou rychlostí od jednoho do 20 mm/s po povrchu při lineárně vzrůstajícím zatížení. Hrot zanechá stopu, kterou lze vyhodnotit pod mikroskopem. Uspořádání zkušebního zařízení ukazuje obr. 1 a příklady stop obr. 2.

V průběhu zatěžování vznikají pod vtlačovacím tělískem eliptické trhliny. Při odlehčování se vytvoří příčné trhliny vyvolané uvolněním napětí v místě styku. Při určité úrovni zatížení se objeví trhliny, které se prodlužují se vzrůstajícím zatížením. Při vyšších zatíženích se začíná materiál odlupovat. Průběh opotřebení při prokluzování ovlivňují, jak známo, různé materiálové vlastnosti: vzhled oběžné dráhy výrazně ovlivňují tvrdost, fázová přeměna, pružnost, odpor proti šíření trhlin, tření, vlhkost, mazání a opakované prokluzování [2–4]. Vtisk definovaného hrotu při specifikovaném zatížení se podobá vtisku při typickém testu tvrdosti, jak ukazuje korelace mezi šířkou rýhy a tvrdostí – viz obr. 3.

Důležitým předpokladem úspěšného a účinného využití nového materiálu je jeho obrusnost. To je všeobecný termín, který zahrnuje rychlost úběru materiálu, odlupování materiálu, brusnou sílu, kvalitu povrchu, tolerance a neporušenost podpovrchové oblasti [4]. Statistické vyhodnocení různých druhů nitridu křemíku na základě scratch testu umožňuje klasifikovat tyto materiály podle průměrné velikosti třísky v závislosti na zatížení, které působí na diamantový hrot, jak ukazuje obr. 4. To dobře koreluje s parametry broušení, jako např. přítlakem a rychlostí.

Kvazistatický test odolnosti proti lomu
První zkušební postup, který se uplatnil v ložiskovém průmyslu pro testování hotových kuliček, je jednoduchá zkouška stlačením dvou nebo tří kuliček umístěných na sobě. Tato zkouška poskytuje velmi přibližnou představu o „statické únosnosti“. Odolnost materiálu proti vzniku trhlin a poškození v místě Hertzova styku byla testována vtisky vytlačenými kuličkami z karbidu wolframu nebo rázovou zkouškou.

SKF v současnosti vyvíjí postup, který umožní, pomocí moderních nástrojů a analýz dat, vyhodnotit křehký lom u keramických kuliček. Tři keramické kuličky jsou vloženy do mechanické zatěžovací buňky, kterou ukazuje obr. 5. Tlakové zatížení je pomalu lineárně zvyšováno a současně se měří deformace a akustické emise. Podobné testy, které byly provedeny již dříve, se zaměřovaly na analýzu tvorby trhlin [5].

Podle zjištění je závislost trvalé plastické deformace na maximálním zatížení v podstatě lineární a je charakteristická pro různé třídy keramických materiálů (obr. 6). Minimální zatížení, při němž vznikne trvalá plastická deformace, a kritické zatížení, které vyvolá vznik trhlin (na základě analýzy signálu akustických emisí), umožňují dále hodnotit kvalitu různých druhů materiálu stejného chemického složení a dobře korelují s pevností a rázovou odolností.

Zkouška kuliček a válečků s vrubem
Pevnost, která představuje nejdůležitější vlastnost materiálu, je tradičně měřena na speciálně vyrobených zkušebních tyčích. To však může být problematické, protože takové tyče musí být nařezány a dokončeny jiným způsobem než valivá tělesa. Z toho důvodu vyvinula společnost SKF, ve spolupráci s vysokou školou Montanuniversität v rakouském Leobenu, nový zkušební postup, nazvaný „zkouška kuličky s vrubem“. Pro účely tohoto testu je vyroben vrub ve vztažné rovině hotové kuličky. Zjednodušuje to celý proces a dále umožňuje získat hodnoty, které lépe odpovídají skutečnému keramickému dílu.

V následující zkoušce pevnosti působí na póly kuličky s vrubem zatížení ve směru kolmém k vrubu. Přenos zatížení zajišťují dvě paralelní kovadla (obr. 7). Plochy vrubu jsou stlačovány k sobě, přičemž na povrchu proti kořenu vrubu vznikají tahová napětí. Zatížení je rovnoměrně zvyšováno, dokud nedojde k lomu. Na základě lomové síly lze vypočítat pevnost materiálu [6–9]. Výsledky, zjištěné na zpravidla 30 vzorcích, jsou vyneseny v křivce závislosti pevnosti a pravděpodobnosti selhání, do tzv.

Weibullova digramu, jak ukazuje obr. 8. Podle Weibullovy teorie závisí pevnost na účinném objemu nebo účinném povrchu. Z toho důvodu musí být tyto hodnoty vypočteny, aby bylo možné provést srovnání s ostatními postupy měření pevnosti. Tato zkouška pevnosti ­vychází z tzv. C – sphere testu, který vyvinula národní laboratoř Oak Ridge National Laboratory v USA [10]. Na rozdíl od šířky vrubu u C – sphere testu, který odpovídá 50 procentům průměru kuličky, je pro zkoušku kuličky s vrubem zvolena geometrie s tenkým vrubem (5 až 15 % průměru kuličky). Zkušební vzorek lze připravit snadněji, protože musí být odříznuto menší množství vysokopevnost­ního keramického materiálu, používaného k výrobě keramických kuliček.

Pro testování válečků je vyroben podobný dlouhý a úzký vrub s hloubkou odpovídající 80 procentům průměru válečku, přičemž vrub je symetrický podle střední roviny procházející osou válečku kolmo k jeho čelům. Při testování pevnosti takových válečků s vrubem působí zatížení v místech čárového styku na povrchu válečku (obr. 9). Vzhledem ke složitější geometrii je základní model mnohem rozsáhlejší, ale praktické provedení je dost podobné testu kuličky s vrubem [11,12].

Závěr
Použití vysoce kvalitního keramického materiálu v ložiskách vyžaduje hlubokou znalost chování materiálu v průběhu zpracování a v dokončeném výrobku. Popisované zkoušky se vzájemně doplňují a umožňují vytvořit komplexní charakteristiku skutečných valivých těles. Rovněž usnadňují identifikaci drobných rozdílů v obrusnosti, odolnosti proti lomu a pevnosti v závislosti na mikrostruktuře materiálu, velikosti dílu a kvalitě povrchu valivého tělesa.

 

Obr. 1: Uspořádání zkušebního zařízení s diamantovým hrotem (A), uloženým keramickým vzorkem (B) a akustickým snímačem. Obr. 2 nahoře: Několik stop opotřebení bylo natřeno fluorescenčním penetračním prostředkem, který lépe zviditelní trhliny a částice materiálu; dole: 3D topografie stopy ukazuje deformaci a pokles napětí způsobený bočními trhlinami. Obr. 3: Vzájemný vztah šířky stopy opotřebení a tvrdosti různých druhů nitridů křemíku.Obr. 4: Statistická analýza střední velikosti částice v závislosti na působícím zatížení umožňuje klasi­fikovat různé nitridy křemíku ve spojení s parametry obrusnosti a parametry broušení.Obr. 5: Uspořádání zkušebního zařízení pro zkoušku odolnosti proti lomu se třemi keramickými kuličkami v zatěžovací buňce spolu se snímačem akustických emisí (zvýrazněný červeným kroužkem). Obr. 6: Křivka typické deformace v závislosti na zatížení pro keramické kuličky Obr. 7: Rozložení napětí (vlevo) a uspořádání zkušebního zařízení pro test s kuličkami s vrubem (uprostřed); kulička po lomu (vpravo). Uvnitř vrubu se nachází tenký pryžový plátek, který tlumí ráz při prasknutí. Obr. 8: Weibullův diagram zkoušky kuličky s vrubem, při níž byla použita kulička z nitridu křemíku o průměru 31,75 mm. Statistické vyhodnocení umožňuje stanovit rozložení průměrných hodnot pevnosti (σ0) a intenzity zatížení (m).Obr. 9: Rozdělení napětí (vlevo) a uspořádání zkušebního zařízení pro zkoušku kuličky s vrubem (uprostřed); váleček po lomu (vpravo).

Literatura
[1] G. Ziegler et al., Journal of Materials Science 22 (1987) 3041—3086
[2] D. M. Kennedy et al., Journal of Materials Processing Technology 77 (1998) 246—253
[3] M. G. Gee, Wear 250 (2001) 264—281
[4] O. Desa & S. Bahadur, Wear 225 (1999) 1264—1275
[5] S. K. Lee, Journal of the American Ceramic Society 80 (1997) 2367—2381
[6] P. Supancic et al., Ceramic Transactions  210 (2010) 327—36
[7] P. Supancic et al., Journal of the European Ceramic Society 29 (2009) 2447—2459
[8] P. Supancic et al., Key Engineering Materials 409 (2009) 193—200
[9] ÖNORM M 6341:2013, Notched ball test
[10] A.A. Wereszczak et al., Journal of the American Ceramic Society 90 (2007) 1843—1849
[11] S. Strobl et al., Journal of the European Ceramic Society 34 (2014) 2575—2584
[12] S. Strobl et al., Journal of the European Ceramic Society 34 (2014) 4167—4176

Související obsah