UPTEC K10 008

Examensarbete 30 hpFebruari 2010

Studie av nötnings- och friktions- egenskaper vid höga temperaturer i Kanthal APMT

Juha Hyvärinen

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Studie av nötnings- och friktionsegenskaper vid högatemperaturer i Kanthal APMTStudy of wear and friction properties at hightemperatures in Kanthal APMT

Juha Hyvärinen

During this master thesis, wear and friction properties for the high-temperature alloyKanthal APMT were studied. The results were also compared to 253MA. The initialtests showed, among other things, that the surface fineness of the muffle tubesmatters in real applications like conveyor belts. A 253MA-sample wear-tested againsta 253MA-tube showed lowest wear at 900°C while a pre-oxidized APMT-samplewear-tested against a APMT-tube had the lowest mean value of the friction force at1100°C, compared to all other tests.

ISSN: 1650-8297, UPTEC K10 008Examinator: Gunnar WestinÄmnesgranskare: Staffan JacobsonHandledare: Dilip Chandrasekaran

Examensarbete

Studie av nötnings- och friktionsegenskaper vid höga

temperaturer i Kanthal APMT

Juha Hyvärinen

Februari 2010

Civilingenjörsprogrammet Kemiteknik

Uppsala Universitet

4

5

Förord

Detta examensarbete är en avslutande del av min civilingenjörsutbildning i kemiteknik vid

Uppsala Universitet. Arbetet handlade om att öka förståelsen för nötning och friktion som sker

på Kanthals högtemperaturlegering APMT samt göra en jämförelse mot materialet 253MA. Det

var även viktigt att ta fram en metodik för både kvantitativa och kvalitativa utvärderingar av

nötning.

Examensarbetet utfördes på Kanthal AB i Hallstahammar under perioden augusti 2009 till

februari 2010.

Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare Dilip Chandrasekaran och Fernando Rave för

deras stöd under hela examensarbetet. Samtidigt vill jag även tacka Erik Carlsén, Peter Byhlin

och Adnan Glibo för deras stöd och hjälp med nötningsutrustningen. Sedan vill jag tacka alla

andra personer som varit delaktiga och hjälpt mig under arbetets gång.

Till sist vill jag även tacka min handledare Staffan Jacobson från Institutionen för

teknikvetenskaper på Uppsala Universitet för givande synpunkter.

Juha Hyvärinen

Hallstahammar, februari 2010

6

Nomenklatur

Symbol Beskrivning

FT Friktionskraft (N)

FN Normalkraft (N)

μ Friktionskoefficient (friktionstal)

ρ Densitet (g/cm3)

L Längd (cm)

r Radie (cm)

Förkortningar

PM Powder Metallurgy

SEM Svepelektronmikroskopi

LOM Ljusoptisk mikroskopi

7

Innehållsförteckning

1 INTRODUKTION 9

1.1 BAKGRUND 9

1.2 SYFTE 10

1.3 METOD 10

2 TESTMETODER 11

2.1 INTRODUKTION 11

2.2 KORSADE CYLINDRAR 12

3 NÖTNING 13

3.1 ABRASIV NÖTNING 13

3.2 ADHESIV NÖTNING 15

3.3 OXIDATIV NÖTNING 15

4 FRIKTION 17

4.1 VAD ÄR FRIKTION? 17

5 EXPERIMENT 18

5.1 INLEDNING 18

5.2 BERÄKNING AV MASSFÖRÄNDRING 19

5.3 FÖRSÖK 20

5.3.1 SKARPA FÖRSÖK 21

5.3.2 KOMPLETTERANDE FÖRSÖK 21

5.4 ANALYS AV TVÄRSNITT 22

8

6 RESULTAT OCH DISKUSSION 23

6.1 SKARPA FÖRSÖK 23

6.1.1 BLANKTRÅD 253MA 1 OCH FÖROXIDERAD TRÅD 253MA 2 MOT APMT-AXEL VID 900°C 23

6.1.2 BLANKTRÅD 253MA 3 OCH FÖROXIDERAD TRÅD 253MA 4 MOT APMT-AXEL VID 1100°C 27

6.1.3 BLANKTRÅD APMT 5 OCH FÖROXIDERAD TRÅD APMT 6 MOT APMT-AXEL VID 900°C 30

6.1.4 BLANKTRÅD APMT 7 OCH FÖROXIDERAD TRÅD APMT 8 MOT APMT-AXEL VID 1100°C 33

6.2 KOMPLETTERANDE FÖRSÖK 38

6.2.1 BLANKTRÅD APM 9 MOT APMT-AXEL VID 1100°C 39

6.2.2 FÖROXIDERAD TRÅD APMT 10 MOT APMT-AXEL VID 1100°C 41

6.2.3 BLANKTRÅD 253MA 11 MOT 253MA-AXEL VID 900°C 43

6.2.4 BLANK TRÅD 253MA 12 MOT 253MA-AXEL VID 1100°C 45

6.3 ANALYS AV TVÄRSNITT 48

6.4 JÄMFÖRELSER 50

6.4.1 SKARPA FÖRSÖK 50

6.4.2 KOMPLETTERANDE FÖRSÖK 52

6.5 SLUTSATSER 53

7 FRAMTIDA ARBETE 54

REFERENSER 55

9

Kapitel 1

Introduktion

1.1 Bakgrund

Kanthal AB i Hallstahammar är ett företag som ingår i Sandvik-koncernen. Här sker forskning

och produktion av värmebeständiga material som är egenutvecklade av till exempel metallisk

och keramisk typ. Applikationer för dessa material är bland annat till elektrisk uppvärmning av

industriugnar och hushållsapparater.

I ett tidigare exjobb år 2007 utvecklade och konstruerade Aso Rawandi från Kungliga Tekniska

Högskolan (KTH) i Stockholm, en testutrustning avsedd för friktions- och nötningsstudier vid

höga temperaturer [1]. Kanthal AB i Hallstahammar är nu intresserade av att undersöka och öka

förståelsen för nötningen och friktionen som sker på deras högtemperaturlegering Kanthal

APMTTM

med hjälp av denna testutrustning, och även jämföra det mot legeringen 253MA®.

APMT är en ferritisk FeCrAl-legering medan 253MA är ett austenitiskt rostfritt

högtemperaturstål. Båda materialen kombinerar en god oxidationsbeständighet med hög

kryphållfasthet. En skillnad mellan dessa är dock att APMT får ett yttre aluminiumoxidskikt

medan 253MA får en kromoxid vid oxidation.

Kanthal APMTM

är en föregångare till APMT och skillnader mellan dessa är sammansättningen

på materialen bland annat att APMT innehåller molybden. APMT har även en högre hållfasthet

än APM.

En potentiell applikation för APMT-tråd är i vävda transportband (mesh belts). Dessa

transportband används till exempel vid sintring av PM-produkter där de utsätts för höga

temperaturer (>900˚C) i ugnar under tiden som nötning sker mot så kallade muffelrör. Figur 1

[1] visar hur ett sådant transportband kan se ut. Glidhastigheten för bandet kan variera men

brukar ligga under 0,01 m/s. Lastfördelning kan vara svår att uppskatta då denna parameter

varierar beroende på hur godsen ligger på bandet. Det är även svårt att uppskatta livslängden för

ett transportband då det beror på hur ”tufft” bandet körts (laster, glidhastigheter, temperatur etc.).

10

Figur 1. Ett exempel på transportband (mesh belt).

1.2 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att öka kunskapen om nötnings- och friktionsegenskaper vid

höga temperaturer (>900ºC) i högtemperaturlegeringen APMT. Arbetet innefattar

nötningsprovning av olika materialkombinationer i existerande provutrustning samt utvärdering

och metallografisk analys av resultaten. En jämförelse i nötningsegenskaper mellan APMT och

253MA ska utföras. Slutligen är en väsentlig del i examensarbetet att även ta fram en metodik

för kvalitativ och kvantitativ utvärdering av nötningen hos APMT.

1.3 Metod

Den redan utvecklade testutrustningen kommer att användas för friktions- och nötningsförsök.

Variationskurvor för bland annat friktionskraften och friktionskoefficienten beroende på olika

parametrar tas fram och därefter sker mikrostrukturstudier och karakterisering av proverna.

Mikrostrukturstudier av nötningsmekanismer sker med hjälp av bland annat SEM

(svepelektronmikroskop), LOM (ljusoptiskt mikroskop) och stereomikroskop.

11

Kapitel 2

Testmetoder

2.1 Introduktion

Nötning kan delas upp i många komplicerade mekanismer och för att kunna mäta detta, behövs

olika testmetoder. Något som bör finnas i åtanke vid undersökningar av nötning är att varje fall

är unikt. Det finns inga generella regler på vilken testmetod som är den bästa utan varje

nötningsfall kräver en specifik testmetod. En viktig faktor som påverkar resultaten från ett

nötningsprov är inte enbart vilken testmetod som används, utan även testgeometrin. Under

nötning kan nötningspartiklar lossna och beroende på vilken slags geometri testet har, kan dessa

partiklar ha varierande möjligheter att försvinna från kontaktytan [2].

Det finns ett antal olika testmetoder för utvärdering av nötning och den kanske mest kända är

pinne/skiva-metoden, se Figur 2 [1]. Denna metod används i allmänhet för att studera nötning

vid glidande kontakt. Genom att låta en pinne pressas mot en roterande skiva, utvecklas nötning.

Analys av massförändringar på pinne och skiva ger ett mått på hur stor nötningen varit.

Figur 2. Illustration av pinne/skiva-metoden.

12

2.2 Korsade cylindrar

Under examensarbetet användes en nötningsutrustning som en tidigare examensarbetare

konstruerat. Utrustningen som utvecklades använder sig av metoden korsade cylindrar (eng.

crossed-cylinders wear test). Metoden bygger på att en fasthållen cylinder pressas mot en

roterande cylinder så att nötning uppstår, se Figur 3 [1]. Det har visat sig att denna metod är

praktisk för att utvärdera nötning av beläggningar och att nötningen kvantitativt kan utvärderas

genom förhållandet mellan det maximala djupet och glidsträckan [3].

Figur 3. Illustration av korsade cylindrar.

I Figur 4 kan nötningsutrustningen som användes i examensarbetet betraktas. En trådbit fästes i

en provhållare, se Figur 10 och 11, som i sin tur nötte mot en roterande axel i en ugn.

Friktionskraften mättes med trådtöjningsbaserad lastcell.

Figur 4. Konfigurationen av hela nötningsutrustningen som användes under examensarbetet. Till vänster kan

provhållaren med motvikt ses. Till höger visas baksidan av utrustningen.

13

Kapitel 3

Nötning

När nötning kommer på tal, brukar detta förknippas med materialavverkning i någon skala. Det

kan vara på atomär nivå genom kemisk upplösning och diffusion, men även i större skala genom

till exempel skjuvbrott och spånbildning. Ytskador som uppstår kan vara i form av förändrad

topografi och mikrostruktur och dessa förändringar brukar ske långsamt, steg för steg [2]. Här

nedan förklaras tre kända nötningsmekanismer.

3.1 Abrasiv nötning

Abrasiv nötning kallas den nötningsmekanism där en hård partikel eller spets repar ett mjukare

material. Denna typ av nötning kan delas in i två olika mekanismer: två-kropparsabrasion och

tre-kropparsabrasion. Den förstnämnda karakteriseras av att det mjukare materialet får en randig

ytstruktur vid nötningen och det repande elementet är en fast del av det hårdare materialets yta. I

tre-kropparsabrasion däremot är inte de abrasiva elementen någon del av ytorna, utan finns som

partiklar mellan dem, se Figur 5 [2]. Ytstrukturen hos den repade ytan får ett gropigt och rörigt

utseende [2].

Figur 5. Två-kropparsabrasion till vänster och tre-kropparsabrasion till höger.

14

Abrasiv nötning kan även delas upp i mindre grupper efter vilka deformationsmekanismer som

råder, se Figur 6. Här nedan förklaras några av dessa [2].

Mikroflagning. Vid abrasiv kontakt kan kraftig sprickbildning uppkomma. Detta kan i

sin tur leda till att hela fragment flagar loss vid sidan av spetsen som repar.

Mikroutmattning. Under repans botten vid abrasiv nötning kan skikten bli kraftigt

skjuvade. Detta medför att om plogning sker vid samma område om och om igen,

kommer denna region att utmattas vilket i sin tur leder till att materialet blir sprödare och

avverkning kan ske lättare.

Mikroplogning. Denna deformationsmekanism fungerar på så sätt att det abrasiva

elementet plöjer ett spår och det mjukare materialet tvingas ut mot sidorna där det bildar

vallar. Vid ett tvättäkta fall av mikroplogning kommer ingen materialavverkning att ske.

Denna mekanism kan även kallas för ”inkörning” och en parallell med detta går att dras

till t.ex. ett däck som rullar i lera eller snö. Det avverkas inget material då däcket rullar

över marken men det mjukare materialet, i det här fallet snön eller leran, tvingas ut på

sidorna från däcket och bildar vallar.

Mikrospånbildning. Då det abrasiva elementet plöjer genom det mjukare materialet,

bildas en spåna. Denna mekanism påminner om mikroplogning men här avverkas istället

hela repans volym.

Figur 6. Illustration av de olika deformationerna som kan ske under abrasiv nötning.

15

3.2 Adhesiv nötning

Adhesiv nötning uppkommer oftast då två ytor glider mot varandra. För att denna typ av nötning

ska inträffa, måste en vidhäftning mellan ytorna ske. Det som kännetecknar denna

nötningsmekanism är bildandet och avskjuvandet av så kallade adhesiva mikrosvetsar [2]. Då en

glidrörelse sker, börjar kontaktbryggor mellan ytorna att skjuvdeformeras som i sin tur leder till

att en plastisk zon bildas. För att kunna fortsätta glidrörelsen mellan ytorna måste

kontaktbryggor i ett av materialen brytas och en del av ytan där den plastiska zonen skapats,

lossnar och fastnar i den andra ytan. Motståndskraften mot sprickor i en av de två ytorna i

kontakt, måste alltså vara lägre än för förbindelsen mellan ytorna (eng. interfacial junction) [4].

Mekanismen för adhesiv nötning kan ses i Figur 7 [2].

Figur 7. Bildande och avskjuvande av mikrosvetsar i ett av materialen.

3.3 Oxidativ nötning

De flesta metaller reagerar med syret i luften och bildar således ett mer eller mindre skyddande

oxidskikt. Detta skikt kan minska nötningstakten genom att förhindra metall-metallkontakt [5].

Mekanismen då till exempel två metaller med oxidskikt glider mot varandra påminner om

adhesiv nötning, men här nöts ett skikt av oxid bort istället, för att därefter bilda ny. Denna

mekanism kan därför även kallas för adhesiv nötning i lågläge. Det förekommer även adhesiv

nötning i högläge, och detta innebär att oxiden nöts bort helt och metallerna blottas. Detta leder

till att metall-metallkontakt uppstår, ofta leder till mycket kraftig nötning. Illustration av dessa

mekanismer kan ses i Figur 8 [2].

Det finns omständigheter som påverkar vilken form av oxidativ nötning som sker och

glidhastigheten är en faktor som har betydelse. Vid höga glidhastigheter ökar temperaturen

mellan ytorna som är i kontakt, och mekanismomslag från lågläge till högläge kan förekomma.

Detta innebär i sin tur att nötningstakten kommer att öka [2].

16

Figur 8. Till vänster blottas metallen helt medan enbart ett tunt skikt av oxid nöts bort till höger.

17

Kapitel 4

Friktion

4.1 Vad är friktion?

Friktion är ett fenomen som uppstår mellan två ytor vid glid- eller rullkontakt. Kraften som

motverkar rörelsen kallas för friktionskraften. Ett exempel som illustrerar detta är en låda mot en

golvyta. Ju större friktionskraften är, desto jobbigare blir det att skjuta lådan över golvet. Ytorna

i kontakt kommer alltid ha ojämnheter även fast de kanske ser jämna ut. Om massan på lådan

blir större, kommer dessa ytojämnheter att fatta tag hårdare i varandra vilket leder till en ökad

friktion. Friktionskraften är således proportionell mot normalkraften. En illustration av

friktionskraften kan ses i Figur 9.

Friktion kan vara både önskad och oönskad. En applikation där friktion spelar en stor roll är

bromssystem. Där eftersträvas en hög friktion mellan två ytor för att få stopp på fordon snabbt.

För att öka friktionen kan ytor behandlas så att de blir grövre genom t.ex. blästring, men även

genom att välja rätt materialkombination. För att få en minskning av friktion i något system, kan

smörjmedel vara ett bra alternativ.

Friktionskoefficienten (eller friktionstalet) brukar också komma på tal och med det menas kvoten

mellan friktionskraften FT och normalkraften FN. Denna koefficient brukar benämnas med

grekiska bokstaven µ och är enhetslös. Den fungerar som ett mått på hur sträv kontaktytan

mellan två kroppar är. Vid välsmorda glidlager brukar µ vara kring värdet 0,03 medan metaller i

osmord glidning brukar µ hamna kring 0,5-0,7 [2].

Figur 9. Illustration av friktionskraften. V står för klossens vikt, N för normalkraften, F för en applicerad kraft och

Ff för friktionskraften. I det här fallet är den applicerade kraften större än friktionskraften vilket leder till att klossen

kommer börja accelerera mot höger.

18

Kapitel 5

Experiment

5.1 Inledning

Under examensarbetet var det viktigt att hitta en lösning till hur nötning kvantitativt och

kvalitativt skulle mätas. I ett flertal artiklar nämndes massförändring som ett bra alternativ och

det var denna metod som användes under arbetet.

Förhållandena för försöken ändrades under tidens gång. Till en början användes den existerande

provhållaren, som hade en del brister i sin konstruktion. Det största problemet med denna

provhållare var att den försvårade beräkningarna av massförändring, då tråden var fastsvetsad i

själva hållaren, se Figur 10 [6]. Efter körning klipptes tråden loss och därefter kapades ändarna

på tråden så att en jämn cylinderform erhölls. Efter kapning beräknades en teoretisk massa

utifrån trådens längd som skulle beteckna massan före nötning. Därefter vägdes den kapade och

nötta trådbiten och beräkning av massförändring kunde utföras, se formel 2 under 5.2. Det

önskvärda var istället att väga tråden innan, respektive efter, körningen för att få ett noggrannare

värde på massförändringen. För att lösa detta konstruerades en ny provhållare under

förförsöksperioden där tråden aldrig behövde svetsas fast, se Figur 11 [6]. Istället kunde tråden

föras genom hållaren och sedan bockas vid ena änden för att hållas på plats. Efter körning kunde

tråden försiktigt slås ut för att därefter vägas. De första försöken fick dock utföras med den

gamla provhållaren tills att den nya var färdigproducerad.

De materialkombinationer som undersöktes under förförsöken och de skarpa försöken, var

APMT-axel mot APMT-tråd och APMT-axel mot 253MA-tråd. Efter dessa försök, utfördes

några kompletterande försök med materialkombinationen 253MA-axel mot 253MA-tråd.

Samtliga prover i försöken var från 5,5 mm valstråd, som därefter blev labdragna till en diameter

på 3 mm så de skulle passa den nya provhållaren. APMT var från chargenummer 241307 medan

253MA var från chargenummer 1093087.

19

Figur 10. Illustration av den gamla provhållaren. Tråden fick i detta fall svetsas fast vid toppen av provhållaren

vilket komplicerade beräkningarna av massförändring. Hålet på i mitten var för vikternas placering.

Figur 11. Illustration av den nya provhållaren. Fastsvetsning av tråden behövdes inte utan fördes istället genom

hålen för att därefter bockas vid ena änden för fasthållning. Hålet på toppen var för vikternas placering.

5.2 Beräkning av massförändring

Under försöken med den första provhållaren, beräknades massförändringen enligt ekvation 2

nedan. Först beräknades en teoretisk massa för en kapad, icke-nött trådbit med längd L.

mteoretisk = (πr2*L)*ρ (1)

där r är radien på tråden. L är längden på tråden. ρ är densiteten på tråden (APMT:s densitet var

7,2 g/cm3 och 253MA:s var 7,8 g/cm

3) [7].

mförändring = mteoretisk - mvägd (2)

där mvägd var den vägda massan efter körning för den kapade trådbiten.

Då den nya provhållaren blev klar, beräknades massförändring istället enligt ekvation 3.

mförändring = mföre – mefter (3)

där mföre var den uppvägda massan innan körning och mefter var den uppvägda massan efter

körning. Ett positivt värde på mförändring innebär en massminskning motsvarande en avverkning.

Ett negativt värde innebär massökning motsvarande påkletning och/eller oxidtillväxt på provet.

20

5.3 Försök

I början av examensarbetet genomfördes ett antal förförsök med de två olika materialen. Syftet

var att utreda om nötningsutrustningen var stabil d.v.s. att friktionsvärdena som erhölls var

begripliga och kunde jämföras med nötningen. Efter förförsöken utfördes de så kallade

parameterförsöken. Dessa experiment gjordes för att försöka hitta förhållandena som påminde

mest om den verkliga applikationen (transportband i ugn). Utifrån förförsöken och

parameterförsöken upptäcktes flera faktorer/faktum som var viktiga inför de skarpa försöken.

Den nya provhållaren var bättre än den gamla då fastsvetsning av tråden kunde

undvikas. Ett lättare och bättre sätt att mäta nötning kunde nu åstadkommas.

Parameterförsöken påminde inte om nötningen som skett på transportbandtråden. De

skarpa försöken skulle ändå utföras med dessa parametrar då en bättre rekonstruktion av

nötningen i den verkliga applikationen inte kunde åstadkommas.

Axelns ytfinhet spelade en stor roll på nötningen vilket skulle beaktas under de skarpa

försöken. Ett högre Ra-värde på axeln (grövre ytfinhet) visade sig nöta mer på proverna

än en axel med lägre Ra-värde.

Därefter påbörjades de skarpa försöken med de bestämda parametrarna. Syftet med dessa försök

var att försöka efterlikna den verkliga applikationen men samtidigt förstå vilka parametrar som

bidrog till den uppkommande nötningen på APMT. Proverna under de skarpa försöken och de

kompletterande försöken hade två tillstånd, blanka och föroxiderade. De föroxiderade proverna

var från början blanka som fått oxidera i 1050°C under 17 timmar. Frågeställningar av intresse

inför de skarpa försöken var bland annat:

Hur mycket påverkar temperaturen på nötningen och friktionen mellan de två

materialtyperna då oxidtjockleken kommer variera?

Hur påverkas nötningen av oxidtyp (Cr2O3 och Al2O3)?

Hur skiljer sig en ferritisk- och austenitisk legering med avseende på nötning?

Efter de skarpa försöken utfördes några kompletterande försök för att få fram några referenser

till de skarpa försöken. Syftet med dessa var att:

Få till nötningsfall med APMT-axel mot en mjukare ferritisk FeCrAl-legering (APM)

för att identifiera hur bulkmaterialets hårdhet inverkade på nötningen.

Få till nötningsfall med 253MA-axel mot 253MA-tråd (kromoxid/kromoxid) för att få en

referens till de övriga försöken som utförts.

Få till nötningsfall med APMT-tråd mot APMT-axel där oxidtjocklekens inverkan

identifierades.

Dessa undersökningar kan vara som en grund för framtida arbete.

Alla försök utfördes på samma sätt. Först fick temperaturen stiga till körtemperaturen för att

därefter ha en hålltid på 60 minuter. Motorn var inte igång och provet var inte i kontakt med

axeln under denna tid. Efter hålltiden sattes motorn igång och provet med den bestämda lasten

sänktes ned på den roterande axeln. Alla försök utfördes i luft.

21

5.3.1 Skarpa försök

Efter förförsöksperioden och parameterförsöken, utfördes de skarpa försöken. Den

nykonstruerade provhållaren användes och lasten, glidhastigheten samt körtiden fixerades enligt

tabell 1. Utifrån en analys av parameterförsöken och förförsöken, bestämdes och antogs det att

dessa parametrar troligen mest påminde om förhållandena i riktiga applikationer. Tyvärr hittades

ingen likhet mellan nötta ytor från förförsöken/parameterförsöken och nötta ytor från

transportbandet. I verkligheten är glidhastigheten och lasten (nominella trycket) lägre, samt

drifttiden mycket längre.

Tabell 1. De åtta skarpa försöken utfördes med följande parametrar.

Försök Temperatur

[°C]

Last

[N]

Glidhastighet

[m/s]

Hålltid

[min]

Körtid

[h]

Föroxiderat/

Blankt prov Provhållare

Material-

kombination

Axel/tråd

1 900 1 0,01 60 6 Blank Ny APMT/253MA

2 900 1 0,01 60 6 Föroxid Ny APMT/253MA

3 1100 1 0,01 60 6 Blank Ny APMT/253MA

4 1100 1 0,01 60 6 Föroxid Ny APMT/253MA

5 900 1 0,01 60 6 Blank Ny APMT/APMT

6 900 1 0,01 60 6 Föroxid Ny APMT/APMT

7 1100 1 0,01 60 6 Blank Ny APMT/APMT

8 1100 1 0,01 60 6 Föroxid Ny APMT/APMT

5.3.2 Kompletterande försök

I PM-sintringsugnar används ofta materialet 253MA i transportband och muffelrör. Därför var

det intressant att köra några kompletterande försök med denna materialkombination

(253MA/253MA) i nötningsutrustningen för att få en jämförelse mot APMT/253MA- och

APMT/APMT-kombinationen och se hur ett eventuellt materialbyte av muffel/tråd påverkar

nötningen. 253MA-axeln som användes var svarvad med fin tolerans och hade föroxiderats 17

timmar i 1050°C, då ytfinheten innan svarvning varierade kraftigt över hela ytan. Samtidigt var

det viktigt att få en liknande ytfinhet på axeln som för APMT-axeln.

Det första kompletterande försöken som genomfördes var APMT-axel mot APM-tråd för att

identifiera hur hårdheten på tråden inverkade på nötningen. Sedan utfördes ett försök med en

föroxiderad APMT-tråd mot APMT-axel. Skillnaden mot de tidigare föroxiderade proverna

under de skarpa försöken var att detta prov hade fått oxidera 12 dagar i 1300°C. Detta bör ge en

oxidtjocklek på ca 25 µm [8].

22

Tabell 2. De kompletterande försöken som utfördes.

Försök Temperatur

[°C]

Last

[N]

Glidhastighet

[m/s]

Hålltid

[min]

Körtid

[h]

Föroxiderat/

Blankt prov Provhållare

Material-

kombination

Axel/tråd

1 1100 1 0,01 60 6 Blank Ny APMT/APM

2 1100 1 0,01 60 6 Föroxid

(1300°C/12

dagar)

Ny APMT/APMT

3 900 1 0,01 60 6 Blank Ny 253MA/253MA

4 1100 1 0,01 60 6 Blank Ny 253MA/253MA

5.4 Analys av tvärsnitt

Vid analys av tvärsnitt var det bland annat intressant att identifiera kornstorlekar under

deformerad yta och i bulken hos 253MA och APMT för att därefter eventuella kunna dra

slutsatser om deras inverkan i fråga om nötningsmotstånd. Eftersom analyser från de skarpa

försöken inte kunde påvisa någon större nötning, utfördes tvärsnittsanalyser på två prover från

förförsöken där avsevärt mer deformation skett. Kornstorleken mättes även för kompletterande

försök 2 (föroxiderad tråd APMT 10).

För att kornstrukturen i tvärsnitten hos proverna skulle synas, var etsning nödvändigt. Som

etsmedel användes V2A som bestod av en del salpetersyra, tio delar saltsyra och tio delar vatten.

Detta etsmedel har visat sig fungera bra på austenitiskt stål och testades även på den ferritiska

högtemperaturlegeringen APMT.

23

Kapitel 6

Resultat och diskussion

6.1 Skarpa försök

Under kapitel 6 redovisas resultat och diskussion av försöken med APMT- och 253MA-tråd.

Materialen jämfördes med avseende på massförändring, storleken av den nötta ytan samt

utseende och storlek på friktionen med hjälp av de upptagna friktionskurvorna.

6.1.1 Blanktråd 253MA 1 och föroxiderad tråd 253MA 2 mot APMT-axel vid

900°C

För blanktråd 253MA 1 ökade friktionen i början när tråden med last sänktes ned på den

roterande axeln, för att därefter avta och ”stabiliseras”. Under experimentets gång ökade

friktionen svagt, se Figur 12. Massförändringen bestämdes till 0,0011 gram (minskning).

För föroxiderad tråd 253MA 2 blev friktionskurvan lite annorlunda. Friktionen ökade när provet

sänktes ner, men fick aldrig toppen i början av körningen som i blanktråd 253MA 1. Istället

ökade friktionen svagt och verkade i slutet av experimentet hamna kring ett jämnare

friktionsvärde på ca 0,06 N. Massförändringen beräknades till 0,0014 gram (minskning).

Orsaken till att föroxiderad tråd 253MA 2 hade en mer ”stabil” ökning av friktionen än blanktråd

253MA 1 kan vara skillnad i nötningsmekanism. Den tunna oxiden som bildades under hålltiden

för blanktråd 253MA 1 kan ha nötts bort på en gång när provet lades ner mot axeln. Detta kan

förklara toppen i början av friktionskurvan. Därefter bildades ny oxid kontinuerligt som i sin tur

nöttes bort under resten av försöket. Den svaga stigningen kan bero på att den reella kontaktytan

långsamt blev större. Föroxiderad tråd 253MA 2 hade istället en tjockare kromoxid som nöttes

bort långsamt, samtidigt som den reella kontaktarean blev större. Därför uppkom inte toppen i

början av försöket.

24

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N

)

Series15 per. Mov. Avg. (Series1)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6

Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N)

Series15 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 12. Friktionskraftens utveckling vs körtiden för blanktråd 253MA 1 (till vänster) och föroxiderad tråd 253MA

2 (till höger) vid 900°C.

Blanktråd 253MA 1 hade antydan av abrasiv nötning som flera spår indikerade vid analys med

ljusoptiskt mikroskop. Materialet hade även deformerats i liten grad genom adhesiv nötning samt

mikroflagning och mikroplogning. Föroxiderad tråd 253MA 2 såg lite annorlunda ut i jämförelse

med blanktråd 253MA 1. Nötningen hade skett genom två-kropparsabrasion men större delen av

den nötta ytan hade ett vågigt utseende, se Figur 13. Provet hade mestadels nötts genom adhesiv

nötning.

Figur 13. Detaljer av de nötta ytorna på blanktråd 253MA 1 (till vänster) och föroxiderad tråd 253MA 2 (till höger)

efter 900˚C testet. Bilderna är tagna med LOM.

Vid undersökning i SEM visade sig det att de nötta områdena på proverna var jämna och släta i

jämförelse med onötta områden både för det blanka och det föroxiderade provet. På vissa delar

av de nötta och släta områdena fanns ”hålrum” där oxidpartiklar urskiljdes, se Figur 14 och 15.

Sammanpressningen av oxidpartiklarna och ett eventuellt bildande av en slät och glatt tätpackad

yta kan förklara den låga friktionen som försöken hade. I Figur 16 kan detta observeras.

25

Figur 14. Bilden till vänster visar överskådligt hur det nötta området såg ut medan bilden till höger visar hur

oxidpartiklar packas samman. Notera hur slätt det nötta området är runt denna region. Bilderna är från blanktråd

253MA 1 och är tagna med SEM.

Figur 15. Hela ytstrukturen hade ett mer utsmetat utseende för det föroxiderade tråden 253MA 2. Det fanns dock

regioner som påminde om blanktråd 253MA 1 där oxider packades samman. Bilderna är tagna med SEM.

Figur 16. Här kan finfördelningen av oxider ses för föroxiderad tråd 253MA 2. Närmast ytan var strukturen slät

medan oxidpartiklarna ökade i storlek längre ner i materialet. Bilden är tagen med SEM.

26

Det var besvärligt att identifiera de nötta områdena för de skarpa försöken då nötningen som

skett på proverna var väldigt liten och det dessutom bildats ny oxid under avsvalningen.

Figur 17 och 18 visar tvärsnittsbilder på onötta ytor för blanktråd 253MA 1 och föroxiderad tråd

253MA 2. Oxidtjockleken vid de onötta områdena mättes till ca 4 µm för blanktråd 253MA 1

och 8 µm för föroxiderad tråd 253MA 2 genom punktmätning i SEM.

I Figur 19 kan ytterligare ett tvärsnitt observeras för föroxiderad tråd 253MA 2. Detta utseende

är ett utmärkande kännetecken som finns hos 253MA.

Figur 17. Tvärsnitt för blanktråd 253MA 1 inbakad i bakelit. Oxidtjockleken vid ett onött område mättes till ca 4

µm. Bilden är tagen med SEM.

Figur 18. Tvärsnitt för föroxiderad tråd 253MA 2 inbakad i bakelit. Oxidtjockleken vid ett onött område mättes till

ca 8 µm. Bilden är tagen med SEM.

27

Figur 19. Tvärsnitt för föroxiderad tråd 253MA 2 inbakad i bakelit. Det svarta området sett uppifrån är bakelit (1),

det mörkare gråa området är kromoxid (2), det ljusare området under kromoxiden är bulken (3) och de mörka

”gropiga” områdena i bulken är SiO2 (4). Bilden är tagen med SEM.

6.1.2 Blanktråd 253MA 3 och föroxiderad tråd 253MA 4 mot APMT-axel vid

1100°C

För blanktråd 253 MA 3 och föroxiderad tråd 253MA 4 höjdes temperaturen till 1100°C. Båda

försöken hade liknande utseende på friktionskurvorna som blanktråd 253 MA 2, se Figur 20. Ett

temperaturberoende kunde observeras då friktionskraften var högre för blanktråd 253 MA 3 och

föroxiderad tråd 253MA 4 i jämförelse med blanktråd 253 MA 1 och föroxiderad tråd 253MA 2.

Massförändringen bestämdes till -0,00026 gram (ökning) för blanktråd 253 MA 3 och -0,00020

gram (ökning) för föroxiderad tråd 253MA 4. Här verkade oxidtillväxten haft en större inverkan

på massförändringen än nötningen.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N

)

Series15 per. Mov. Avg. (Series1)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N)

Series1

5 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 20. Friktionskraft vs tid för blanktråd 23MA 3 (till vänster) och föroxiderad tråd 253MA 4 (till höger).

Nötningen för de båda 253MA-proven vid 1100°C skiljde sig också åt. Blanktråd 253 MA 3 fick

en relativt jämn nötning med en ”fjäll-struktur”. Ute vid kanterna av det nötta området fanns ett

fåtal repor som uppkommit på grund av abrasiv nötning. Föroxiderad tråd 253MA 4 såg inte alls

ut som det blanka provet med samma betingelser. Ytstrukturen hade ett gropigt och ojämnt

utseende men även breda repor kunde urskiljas, se Figur 21.

28

Figur 21. Nötningen mellan blanktråd 253MA 3 (till vänster) och föroxiderad tråd 253MA 4 (till höger) skiljde sig

vid 1100°C. Bilderna är tagna med LOM (samma förstoring).

SEM-undersökningar visade att den nötta ytan var slät men innehöll områden där oxidpartiklar

höll på att packas samman. Det troliga är att oxidpartiklarna packas samman vid dessa höga

temperaturer för att bilda släta ytor som i sin tur reducerar friktionen. I Figur 22 kan detta

observeras.

Figur 22. Troligen packar sig oxidpartiklarna samman vid dessa höga temperaturer. Bilden är från blanktråd

253MA 3 och är tagen med SEM. Notera hur oxider slätas ut och bildar glatta ytor.

För föroxiderad tråd 253MA 4 fanns även likheter med tidigare försök. Oxidpartiklarna hade

packats ihop vid det nötta området men innehöll ”hålrum” där sammanpressning av oxidpartiklar

hade skett, se Figur 23. Skillnaden mot de tidigare experimenten var dock att det nötta området

inte var lika slätt och hade utmattats mer.

29

Figur 23. Till vänster kan nötning genom utmattning urskiljas för föroxiderad tråd 253MA 4. Bilden till höger visar

hur oxidpartiklarna smetats ut och packats samman. Bilderna är tagna med SEM.

SEM-undersökningar av tvärsnitten visade utskiljningar av SiO2 för både blanktråd 253MA 3

och föroxiderad tråd 253MA 4. Oxidtjockleken mättes till ca 4 µm för blanktråd 253MA 3 och

14 µm för föroxiderad tråd 253MA 4 vid de onötta områdena, se Figur 24 och 25. Det som bör

noteras är att oxidtjockleken vid onötta områden för blank tråd vid 900°C och 1100°C var i

samma storleksordning. Detta kan bero på sprättning av oxiden vid 1100°C, men kan även vara

orsakad av att oxid lossnat vid inbakning av provet i bakelit.

Figur 24. Tvärsnitt för blanktråd 253MA 3 inbakad i bakelit. Oxidtjockleken vid ett onött område mättes till ca 4

µm. Bilden är tagen med SEM.

30

Figur 25. Tvärsnitt för föroxiderad 253MA 4 inbakad i bakelit. Oxidtjockleken vid ett onött område mättes till ca 14

µm. Bilden är tagen med SEM.

6.1.3 Blanktråd APMT 5 och föroxiderad tråd APMT 6 mot APMT-axel vid

900°C

För blanktråd APMT 5 varierade friktionen mer än för blanktråd 253MA 1, som hade samma

betingelser, och det framkom inte heller någon maxtopp i början av körningen som för 253MA-

provet. Efter ca 2,5 timmar började friktionen få en fluktuerande trend där tiden mellan de

återkommande maxtopparna låg kring en timme, se Figur 26. Massförändringen för detta försök

bestämdes till -0,00087 gram (ökning).

Föroxiderad tråd APMT 6 fick en skarpare topp i början av försöket än blanktråd APMT 5. Detta

kan bero på att ytan hos det föroxiderade provet var mer ojämnt än för det blanka vilket höjde

friktionen, för att sedan ”köras in” snabbt och få en bättre passform mellan ytorna. Därefter

påminde större delen av kurvan utseendemässigt om blanktråd APMT 5. Kurvan avvek sedan i

slutet av försöket då friktionen började sjunka i jämförelse med blanktråd APMT 5 som istället

hade en ökning, se Figur 26. Sänkningen av friktionen kan bero på en övergång i

nötningsmekanism eller bildande av en glatt tätpackad yta.

Storleken på de nötta områdena för APMT-proverna var synbart större än för 253MA-proverna

med samma betingelser (blanktråd 253MA 1 och föroxiderad tråd 253MA 2). Massförändringen

för föroxiderad tråd APMT 6 bestämdes till -0,000070 gram (ökning).

31

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6

Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N)

Series1

5 per. Mov. Avg. (Series1)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N

)

Series1

5 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 26. Båda försöken hade en upp- och neråtgående trend under körtiden. Blanktråd APMT 5 (till vänster) och

föroxiderad tråd APMT 6 (till höger).

Vid 900°C fanns ingen direkt skillnad på nötningen mellan ett blankt APMT-prov och ett

föroxiderat. I båda fallen fanns repor närmare kanterna av det nötta området och materialen hade

deformerats genom flera olika mekanismer som mikroutmattning, mikroflagning och

mikroplogning enligt Figur 27. Adhesiv nötning förekom också.

Figur 27. Nötningen för blanktråd APMT 5 (till vänster) och föroxiderad tråd APMT 6 (till höger) skiljde inte vid

900°C. Bilderna är tagna med LOM.

Det nötta området för både blanktråd APMT 5 och föroxiderad tråd APMT 6 var inte lika slätt

men antydan till sammanpackning av oxidpartiklar fanns, se Figur 28 och 29. APMT var även

sprödare över hela nötningsytan än 253MA vilket visade sig genom fler sprickor och

avflagningar, jämför med Figur 14 och 15. I en jämförelse mellan blanktråd APMT 5 och

föroxiderad tråd APMT 6 inbördes, var ytan för den senare lite slätare och jämnare.

32

Figur 28. Den nötta ytan för blanktråd APMT 5 vid 900°C. Bilderna är tagna med SEM i olika förstoringar.

Figur 29. På bilderna kan den nötta ytan ses med olika förstoringar för föroxiderad tråd APMT 6 vid 900°C.

Bilderna är tagna med SEM.

Tvärsnittsundersökningar av blanktråd APMT 5 och föroxiderad tråd APMT 6 visade att ytan,

vid de nötta områdena, hade oxiderats ojämnt och långt ner i bulken. Detta kan ha skett genom

en kombination av inre oxidation och sammanpressning av oxidpartiklar från ytan. EDS-analys,

Figur 30, visade att det fanns spår av aluminiumnitrider i bulken. Dessa kan ha bildats under

nötningen för att därefter oxiderats till aluminiumoxid. Analysen visade även ”zoner” av

aluminiumoxid med varierande sammansättning och en blandning av andra oxider som järnoxid

och kromoxid på sina ställen.

Oxidtjockleken vid de onötta områdena mättes till ca 2 µm både för blanktråd APMT 5 och

föroxiderad tråd APMT 6. Detta är orimligt då aluminiumoxiden för det föroxiderade provet bör

ha haft en tjockare oxid än det blanka. Oxid kan ha lossnat vid inbakning i bakelit eller sprätt.

33

Figur 30. EDS-analys för blanktråd APMT 5 vid 900°C. Varierande sammansättning av aluminiumoxid kunde

observeras i bulken. Notera att Spectrum 7är felaktig med avseende på kromhalten.

6.1.4 Blanktråd APMT 7 och föroxiderad tråd APMT 8 mot APMT-axel vid

1100°C

Utseendet på kurvorna för blanktråd APMT 7 och föroxiderad tråd APMT 8 påminde om

varandra och friktionen nådde ett värde på ca 0,08 N efter 6 timmars körning för båda proverna,

se Figur 31. Friktionen för dessa försök var högre än för APMT-försöken vid 900°C (blanktråd

APMT 5 och föroxiderad tråd APMT 6). De nötta områdena var större än för 253MA-proverna

med samma betingelser.

Processing option : All elements analysed (Normalised)

Spectrum In stats. C N O Al Si Cr Fe Total

Spectrum 1 Yes 3.95 35.15 49.47 11.43 100.00

Spectrum 2 Yes 36.45 3.06 52.96 7.53 100.00

Spectrum 3 Yes 32.07 3.53 48.18 16.22 100.00

Spectrum 4 Yes 3.38 43.74 31.06 2.26 4.39 15.17 100.00

Spectrum 5 Yes 4.72 45.75 31.19 2.35 4.47 11.52 100.00

Spectrum 6 Yes 3.01 39.30 32.30 1.00 1.21 23.18 100.00

Spectrum 7 Yes 1.97 50.98 41.39 -5.90 11.56 100.00

Spectrum 8 Yes 1.39 26.86 2.11 0.55 18.29 50.80 100.00

Spectrum 9 Yes 1.71 30.40 1.67 7.12 59.10 100.00

Spectrum 10 Yes 1.55 33.23 10.03 0.52 22.97 31.69 100.00

Spectrum 11 Yes 2.52 44.85 19.17 0.92 9.25 23.29 100.00

Max. 4.72 36.45 50.98 52.96 2.35 22.97 59.10

Min. 1.39 32.07 3.06 1.67 0.52 -5.90 7.53

All results in weight%

34

Massförändringen bestämdes till -0,0019 gram (ökning) för blanktråd APMT 7 och -0,00056

gram (ökning) för föroxiderad tråd APMT 8.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (H)

Frik

tions

kraf

t (N)

Series1

5 per. Mov. Avg. (Series1)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N

)

Series1

5 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 31. Friktionskraft vs tid för blanktråd APMT 7 (till vänster) och föroxiderad tråd APMT 8 (till höger).

De ljusoptiska analyserna visade att båda proverna hade utmattats (Figur 32) men det blanka

provet hade mer inslag av två-kropparsabrasion (repor) än det föroxiderade. I båda fallen hade

metallen blottats men eventuellt kan föroxideringen (föroxiderad tråd APMT 8) ha skyddat mot

två-kropparsabrasion bättre på så sätt att yttopparna mellan trådens och axelns oxider körts in

och fått en bättre passform.

Figur 32. Både blanktråd APMT 7 (till vänster) och föroxiderad tråd APMT 8 (till höger) hade deformerats genom

utmattning, men blanktråd APMT 7 hade fler inslag av två-kropparsabrasion. Bilderna är tagna med LOM.

SEM-undersökningar visade att blanktråd APMT 7 hade generellt liknande utseende på det nötta

området som blanktråd 253MA 3 men var betydligt sprödare, se Figur 33. I jämförelsen mellan

föroxiderad tråd APMT 8 och föroxiderad tråd 253MA 4 fanns det både likheter och skillnader.

Både APMT- och 253MA-provet var spröda och hade nötts genom mikroflagning och

utmattning, jämför Figur 34 och Figur 23. 253MA-provet hade dock större område med slätare

yta än APMT-provet. Vid en jämförelse mellan blanktråd APMT 7 och föroxiderad tråd APMT 8

inbördes, fanns inga större skillnader.

35

Figur 33. På bilderna kan den nötta ytan ses för blanktråd APMT 7 vid 1100°C. Materialet var sprödare än

blanktråd 253MA 3 men hade inslag av släta abrasivt nötta områden (se till höger). En viss uppladdning av ytan

uppkom (till vänster). Bilderna är tagna med SEM.

Figur 34. Bilderna är tagna från föroxiderad tråd APMT 8. APMT var inte lika slätt i jämförelse med 253MA med

samma betingelser. Bilderna är tagna med SEM.

Oxidtjockleken vid de onötta områdena mättes till ca 3 µm både för blanktråd APMT 7 och

föroxiderad tråd APMT 8, se Figur 35 och 36. Dessa oxidtjocklekar mättes på ett område där

oxiden var relativt jämn. Överlag hade oxiden tillväxt ojämnt runt proverna.

36

Figur 35. Tvärsnitt för blanktråd APMT 7 inbakad i bakelit. Oxidtjockleken vid ett onött område mättes till ca 3 µm.

Bilden är tagen med SEM.

Figur 36. Tvärsnitt för föroxiderad tråd APMT 8 inbakad i bakelit. Oxidtjockleken vid ett onött område mättes till

ca 3 µm. Bilden är tagen med SEM.

Under ytan vid de nötta områdena varierade sammansättningen hos aluminiumoxiden och den

hade inte heller sammanpackats jämnt. Närmast ytan var oxiderna finfördelade medan de var

större i vissa delar längre ner i bulken, se Figur 37. EDS-analys visade att den mörkare ”ramen”

runt de inre oxidationerna var aluminiumoxid, se Figur 38.

37

Figur 37. Tvärsnitt för blanktråd APMT 7 vid 1100°C. Oxidpartiklarna hade packats olika jämnt sett från ytan.

Bilden är tagen med SEM.

38

Figur 38. EDS-analys av området under den nötta ytan för blanktråd APMT 7 vid 1100°C. Bilden är tagen med

SEM.

Tabell 3. Sammanfattning av resultaten från de skarpa försöken. Ett positivt värde på massförändringen innebär

avverkning medan ett negativt värde innebär påkletning och/eller oxidtillväxt.

Försök Blanktråd

253MA 1

Föroxiderad tråd

253MA 2

Blanktråd

253MA 3

Föroxiderad tråd

253MA 4

Massförändring (mg) 1,1 1,4 -0,26 -0,20

Ff, medel (N) ~0,045 ~0,060 ~0,055 ~0,070

Nötningsmekanism i

huvudsak

Abrasiv och

adhesiv Adhesiv Adhesiv Abrasiv

Försök Blanktråd

APMT 5

Föroxiderad tråd

APMT 6

Blanktråd

APMT 7

Föroxiderad tråd

APMT 8

Massförändring (mg) -0,87 -0,070 -1,9 -0,56

Ff, medel (N) ~0,050 ~0,050 ~0,070 ~0,070

Nötningsmekanism i

huvudsak Abrasiv och

adhesiv Abrasiv och

adhesiv Abrasiv och

adhesiv

Abrasiv och

adhesiv

6.2 Kompletterande försök

De kompletterande försöken är tänkt att fungera som stöd för framtida arbete. Under dessa

försök visade det sig att bulkmaterialets hårdhet och oxidtjocklek påverkar nötningen och

friktionen. Det framkom även att materialkombinationen 253MA-prov mot 253MA-axel hade

minst nötning i jämförelse mot de andra kombinationerna (APMT/APMT och APMT/253MA)

vid 900°C. Den kombination som gav lägst friktion av alla utförda försök var ett föroxiderat

APMT-prov mot en APMT-axel vid 1100°C.

Processing option : All elements analysed (Normalised)

Spectrum In stats. C O Al Si Cr Fe Mo Total

Spectrum 1 Yes 2.52 38.99 31.37 0.60 8.34 18.19 100.00

Spectrum 2 Yes 2.92 45.34 32.81 0.91 6.03 12.00 100.00

Spectrum 3 Yes 2.58 46.62 27.88 0.59 3.37 18.96 100.00

Spectrum 4 Yes 1.80 39.32 5.05 0.41 7.20 46.23 100.00

Spectrum 5 Yes 2.78 40.80 4.26 1.07 17.75 33.34 100.00

Spectrum 6 Yes 5.82 40.96 26.89 0.95 8.37 17.01 100.00

Spectrum 7 Yes 3.96 46.27 32.17 0.34 4.74 11.44 1.07 100.00

Spectrum 8 Yes 2.31 38.04 3.00 4.28 52.38 100.00

Spectrum 9 Yes 2.31 44.60 9.55 3.62 7.38 32.54 100.00

Max. 5.82 46.62 32.81 3.62 17.75 52.38 1.07

Min. 1.80 38.04 3.00 0.34 3.37 11.44 1.07

All results in weight%

39

6.2.1 Blanktråd APM 9 mot APMT-axel vid 1100°C

Friktionskurvan för blanktråd APM 9 påminde om kurvorna som uppkommit tidigare för både

253MA- och APMT-försöken. Försöket med APM-provet fick dock lite lägre friktion än tidigare

försök vid 1100°C och blankt tillstånd, vilket kan bero på bulkens hårdhet, se Figur 39 och

jämför till exempel mot Figur 31. Eftersom APM är mjukare än APMT kan den eventuellt ha

skjuvats lättare som i sin tur reducerat friktionen lite mer.

Massförändringen bestämdes till -0,0037 gram (ökning) vilket var mer ökning i massa än för

APMT med samma förhållanden, men den nötta arean för APM-provet var dock större än för

alla tidigare försök.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N)

Series15 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 39. Friktionskurvan för APM påminde om de tidigare APMT-kurvorna. Diagrammet visar friktionskraften vs

körtiden.

Vid analys i ljusoptiskt mikroskop kunde deformation i form av utmattning urskiljas över hela

den nötta ytan. Det fanns även klara spår efter två-kropparsabrasion och adhesiv nötning, se

Figur 40. Nötningen påminde i stort sett med de tidigare APMT-försöken.

Figur 40. Blanktråd APM 9 som nötts genom olika mekanismer som utmattning och plogning. Bilderna är tagna

med LOM.

40

SEM-undersökningarna för APM visade generellt liknande nötning som för APMT-provet

(blanktråd APMT 7) med samma betingelser. Det fanns dock en skillnad, APM-provet hade ett

mer ”utsmetat” utseende vid de abrasiva spåren, se Figur 41, till skillnad från försöket med

APMT som istället hade ett mer slätt utseende i dess spår, se Figur 32. Detta kan bero på

hårdheten hos materialen. Det troliga är att nötningen fortskrider kontinuerligt längre ner i

materialet för det mjukare APM-provet och hinner inte bilda ett jämnt och slätt område vid

spåren, medan det hårdare APMT-provet står emot bättre och bildar istället ett läge där

nötningen ”avstannar” och formar således en jämnare yta.

Figur 41. På bilderna kan den nötta ytan ses för blanktråd APM vid 1100°C. Det abrasiva spåret hade var inte lika

slätt som för APMT-provet med samma betingelser. En viss uppladdning av ytan uppkom. Bilderna är tagna med

SEM.

Tvärsnittsbilder från SEM-undersökningar visade liknande utseende under den nötta ytan som

för tidigare skarpa försök med APMT. Inre oxidationer där oxidpartiklar packats olika mycket

kunde urskiljas. EDS-analys visade de inre oxidationsområdena var ”inramade” av en

aluminiumoxid (Figur 42). Skillnaden mellan de ljusa och mörkare områdena i dessa inre

oxidationer var sammansättningen av aluminiumoxid.

41

Figur 42. Området under den nötta ytan för blanktråd APM påminde om tidigare försök med APMT. EDS-analysen

visade varierad sammansättning av aluminiumoxid. Bilden är tagen med SEM.

6.2.2 Föroxiderad tråd APMT 10 mot APMT-axel vid 1100°C

Ett intressant kompletterande försök var föroxiderad APMT-tråd mot en APMT-axel. Skillnaden

mot de tidigare försöken med föroxiderade APMT-prov var att denna tråd hade fått oxidera 12

dagar i 1300°C för att erhålla en mycket tjockare oxid. Denna föroxidering bör ge en

oxidtjocklek på ca 25 µm. Friktionskurvan fick liknande utseende som tidigare försök med

APMT-tråd mot APMT-axel. Skillnaden var dock att friktionskraften var ca en faktor fyra lägre

än tidigare försök med samma betingelser, se Figur 43. Detta indikerar på att oxidtjockleken hos

APMT har en positiv inverkan på friktionen i denna typ av omgivning.

Massförändringen bestämdes till 0,0049 gram (minskning). Det positiva värdet på

massförändringen beror på att den tjocka aluminiumoxiden, som bildades under den långa

föroxideringen, sprätte mycket och gav en ”förvrängning” av den verkliga massminskningen.

Processing option : All elements analysed (Normalised)

Spectrum In stats. C O Al Si Cr Mn Fe Co Total

Spectrum 1 Yes 2.55 42.53 5.18 0.52 15.64 0.58 32.32 0.67 100.00

Spectrum 2 Yes 0.90 41.62 5.66 0.47 27.16 0.69 22.98 0.51 100.00

Spectrum 3 Yes 49.48 42.83 1.90 5.46 0.33 100.00

Spectrum 4 Yes 27.16 46.52 16.75 0.95 1.40 7.22 100.00

Spectrum 5 Yes 5.25 52.28 38.60 1.58 2.30 100.00

Spectrum 6 Yes 1.14 19.05 21.06 0.26 14.00 44.22 0.28 100.00

Spectrum 7 Yes 17.07 43.29 5.86 0.42 4.42 0.43 27.95 0.55 100.00

Spectrum 8 Yes 52.41 42.68 2.70 1.18 1.03 100.00

Spectrum 9 Yes 52.81 44.12 1.28 1.79 100.00

Spectrum 10 Yes 8.61 55.14 26.81 6.34 0.92 2.17 100.00

Spectrum 11 Yes 44.24 9.00 0.32 7.40 0.74 37.64 0.66 100.00

Spectrum 12 Yes 41.54 6.06 0.62 8.39 42.77 0.62 100.00

Spectrum 13 Yes 51.81 46.46 0.86 0.88 100.00

Spectrum 14 Yes 63.88 25.85 1.13 0.91 1.98 6.24 100.00

Max. 63.88 55.14 46.46 6.34 27.16 0.74 44.22 0.67

Min. 0.90 19.05 1.13 0.26 0.86 0.43 0.88 0.28

All results in weight%

42

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N

)

Series15 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 43. Friktionskraft vs tid för föroxiderad tråd APMT 10 mot en APMT-axel vid 1100°C.

De ljusoptiska analyserna visade att ytan var spröd och hade bland annat deformerats genom

plogning och avflagning, se Figur 44. Storleken på den nötta ytan var dock mindre än för tidigare

skarpa försök, vilket troligen beror på den stabila och tjocka aluminiumoxiden.

Figur 44. Föroxiderad tråd APMT 10 som nötts mot en APMT-axel i 1100°C. Bilderna är tagna med LOM i olika

förstoringar.

SEM-undersökningar visade ingen större skillnad på nötningen i jämförelse med de tidigare

APMT-försöken. Ytan hade avflagningar och ojämnare områden där oxidpartiklar packades, se

Figur 45. Den låga friktionen som provet ändå hade gentemot de tidigare skarpa försöken, kan

bero på bildandet av en tätpackad lättskjuvad yta. Då oxidtjockleken var ca 25 µm på onött

område, fanns det gott om lösa partiklar som kunde nötas bort och bilda denna skyddande och

lättskjuvade hinna.

43

Figur 45. På bilderna kan den nötta ytan ses för föroxiderad tråd APMT 10. En viss uppladdning av ytan uppkom

(till vänster). Bilderna är tagna med SEM.

Tvärsnittsundersökningarna i SEM visade en fin struktur hos aluminiumoxiden. Denna oxid är

den så kallade -aluminiumoxiden och är den stabilaste formen, se Figur 46. Den låga

nötningen, troligen oxidativ nötning, och den låga friktionen som skett på provet kan troligen

förklaras av denna stabila oxid.

Figur 46. Tvärsnittet för föroxiderad APMT 10 visade en ”kolumnär-struktur” hos aluminiumoxiden. Bilden är

tagen med SEM.

6.2.3 Blanktråd 253MA 11 mot 253MA-axel vid 900°C

Friktionen för blanktråd 253MA 11 mot en 253MA-axel vid 900°C steg snabbt till ca 0,08 N då

tråden kom i kontakt med axeln. Därefter förblev den stabil under hela försöket. Efter ca 5,5

timmar sjönk dock friktionen en aning vilket kan tyda på en mekanismövergång, se Figur 47.

Massförändringen bestämdes till 0,00125 gram (minskning).

44

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N

)

Series15 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 47. Friktionskraft vs tid för blanktråd 253MA 11 mot en 253MA-axel vid 900°C.

De ljusoptiska analyserna visade att den dominerande nötningsmekanismen var abrasiv nötning

(två-kropparsabrasion). Hela ytan hade ett flertal spår och ränder där även bitar flagnat av, se

Figur 48. Storleken på den nötta arean var mindre än för alla tidigare skarpa försök.

Figur 48. Blanktråd 253MA 11 som nötts mot en 253MA-axel i 900°C. Bilderna är tagna med LOM i olika

förstoringar.

Studier i SEM visade mer detaljerat hur den nötta ytan såg ut. Det fanns områden som var släta

och jämna men dominerades av de abrasiva spåren och avflagningarna. Vid några av de abrasiva

spåren syntes sammanpackningen av oxider, se Figur 49.

45

Figur 49. Här kan spåren och avflagningarna på blanktråd 253MA 11-ytan betraktas. Bilderna är tagna med SEM.

Tvärsnittsbild från blanktråd 253MA 11 visade liknande utseende som tidigare skarpa försök

med samma material. Utskiljningar av SiO2 och en relativt ojämn tillväxt av oxiden kunde

observeras, se Figur 50. Tjockleken på oxiden vid ett onött område bestämdes till ca 2 µm.

Figur 50. Tvärsnittet för blanktråd 253MA 11 vid 900°C. Bilden är tagen med SEM.

6.2.4 Blanktråd 253MA 12 mot 253MA-axel vid 1100°C

Friktionen för blanktråd 253MA 12 steg till ca 0,34 N då tråden kom i kontakt med axeln och

förblev stabil på ca 0,33-0,34 N under hela försöket, se Figur 51. Friktionen vid denna

temperatur var en faktor fyra större än vid 900°C vilket indikerar på att tillväxthastigheten av

kromoxiden (oxidtjockleken) inverkar.

Massförändringen bestämdes till -0,00172 gram (ökning).

46

00,020,040,060,08

0,10,120,140,160,18

0,20,220,240,260,28

0,30,320,340,360,38

0 1 2 3 4 5 6Tid (h)

Frik

tions

kraf

t (N

)

Series15 per. Mov. Avg. (Series1)

Figur 51. Friktionskraft vs tid för blanktråd 253MA 12 mot en 253MA-axel vid 1100°C.

Analys med ljusoptiskt mikroskop visade att ytan var ojämnt nött och hade ett gropigt utseende,

se Figur 52. Spåren som fanns på delar av ytan indikerade två-kropparsabrasion. Den nötta ytan

var lite större än för blanktråd 253MA 11.

Figur 52. Blanktråd 253MA 12 som nötts mot en 253MA-axel i 1100°C. Bilderna är tagna med LOM i olika

förstoringar.

SEM-undersökningar visade också det ojämna utseendet på ytan hos 253MA-provet vid 1100°C.

Utseendet beror troligen på den hastiga kromoxidtillväxten som även skedde under

avsvalningen. På bilderna kan släta områden åskådliggöras, men på dessa områden urskiljs även

kromoxidpartiklar, se Figur 53.

Den höga friktionen som försöket hade kan bero på den snabba tillväxten av Cr2O3. Vid denna

höga temperatur oxiderades ytan snabbare i jämförelse med blanktråd 253MA 11 och fick en

tjockare oxid. Denna tjocka oxid kan ha sprätt och oxidpartiklar kan ha bakats in i bulken som

sedan bidragit till en högre friktion. Kromoxiden kan även ha varit mer ojämn än oxiden som

tillväxte vid 900°C.

47

Figur 53. Den nötta ytan för blanktråd 253MA 12 vid 1100°C. Bilderna är tagna med SEM.

Vid undersökning av tvärsnittet för blanktråd 253MA 12 visade det sig att utseendet inte avvek

från tidigare försök med samma material. Utskiljningar av SiO2 kunde även observeras här, se

Figur 54. Tjockleken på oxiden vid ett onött område bestämdes till ca 6 µm.

Figur 54. Tvärsnittet för det blanktråd 253MA 12 efter test vid 1100°C. (1) är uppladdad bakelit, (2) är bakelit, (3)

är kromoxid, (4) är bulken och (5) är SiO2. Bilden är tagen med SEM.

I tabell 4 kan en rangordning av proverna med avseende på nött area och medelvärde på

friktionskraften observeras. Rangordningen sker från ett och uppåt, där ett motsvarar högst

friktion eller störst nött area. Därefter stiger rangordningen med sjunkande storlek på nött area

och medelvärdet på friktionen. I vissa fall fick prover lika stora värden.

En slutsats från dessa resultat är att friktion inte korrelerar med nött area.

48

Tabell 4. Rangordning av nötning och friktion för alla försök.

Försök Rangordning, nött area

(störst area = 1)

Rangordning,

medelvärde

friktionskraft (högst

friktion = 1)

Blanktråd 253MA 1 - APMT-axel,

900°C 8 11

Föroxiderad tråd 253MA 2 - APMT-

axel, 900°C 9 6

Blanktråd 253MA 3 - APMT-axel,

1100°C 6 7

Föroxiderad tråd 253MA 4 - APMT-

axel, 1100°C 7 3

Blanktråd APMT 5 - APMT-axel,

900°C 2 9

Föroxiderad tråd APMT 6 - APMT-

axel, 900°C 3 9

Blanktråd APMT 7 - APMT-axel,

1100°C 4 3

Föroxiderad tråd APMT 8 - APMT-

axel, 1100°C 5 3

Blanktråd APM 9 - APMT-axel,

1100°C 1 7

Föroxiderad tråd APMT 10 - APMT-

axel, 1100°C 11 12

Blanktråd 253MA 11 - 253MA-axel,

900°C 12 2

Blanktråd 253MA 12 - 253MA-axel,

1100°C 10 1

6.3 Analys av tvärsnitt

Skillnaden i kornstorlek mellan 253MA- och APMT-provet var märkbar. 253MA hade större

korn under den nötta ytan och i bulken än APMT-provet. Etsmedlet V2A, som användes, har

visat sig fungera bäst på austenitiskt stål men fungerade även bra för ferritiskt stål då den

värmdes upp till ca 60°C. I Figur 55 kan skillnaden på kornstorlekarna observeras.

49

Figur 55. Kornstorlek för 253MA under nött yta (till vänster) och för APMT (till höger). Bilderna är tagna med

LOM.

Kornstorleken för föroxiderad tråd APMT 10 kan utskiljas i Figur 56. Den långa föroxideringen

(12 dagar) under den höga temperaturen (1300°C) gav en storleksökning av kornen

(förgrovning) i jämförelse med APMT i Figur 55. Kornstorleken påverkar hårdheten som i sin

tur förklarar nötningsmotståndet hos materialet.

Figur 56. Kornstorlek i bulken för föroxiderad tråd APMT 10 (1300°C i 12 dagar). Bilden är tagen med LOM.

50

6.4 Jämförelser

6.4.1 Skarpa försök

Under de skarpa försöken upptäcktes det att skillnaden mellan APMT och 253MA med avseende

på nötning och friktion är relativt liten. Dock går det att identifiera likheter och skillnader mellan

materialen.

Eftersom sättet att mäta nötning (massförändring) inte fungerade tillfredsställande, då proverna

fick en massökning istället för massminskning, fick nötningen kvantitativt jämföras med

avseende på storleken av de nötta områdena. Vid låga glidhastigheter (<0,01 m/s) och laster (<1

N) bör alltså inte metoden med massförändring användas.

Vid en jämförelse mellan de skarpa försöken för 253MA-proverna, visade det sig att de

föroxiderade proverna hade en högre friktion än de blanka. De nötta områdena var dock mindre

vilket antyder att oxidens tjocklek inverkar på både nötningen och friktionen i

materialkombinationen APMT/253MA. De föroxiderade proverna hade en initialt tjockare oxid

och när nötningen påbörjades ”knäcktes” troligen oxiden på grund av den mjuka bulken för att

sedan bakas in. Detta kan i sin tur ha lett till att friktionen blev högre då den ojämnare tråden

högg tag i axeln. Efter en viss tid planades friktionskurvorna ut vilket kan tyda på att ytorna fått

en bättre passform mot varandra. Den mindre nötningen för de föroxiderade proverna tyder på att

oxiden fungerat som ett skydd.

Vid en inbördes jämförelse mellan alla 253MA-försök kunde ett temperaturberoende utskiljas.

Vid 1100°C var friktionen högre för både det blanka- och det föroxiderade provet än proverna

vid 900°C. Det troliga är att oxiden hinner bli tjockare vid en högre temperatur för att därefter

flaga mycket lättare under nötning. Sedan kan de partiklar som lossnat bakas in i bulken och göra

ytan ojämn vilket i sin tur bidrar till den högre friktionen då ytorna kom i kontakt.

För APMT/APMT-kombinationen uppkom inte samma trend med en högre friktion för de

föroxiderade proverna. Friktionskurvan för blanktråd APMT 5 och föroxiderad tråd APMT 6 såg

nästan identiska ut bortsett från att den senare hade en nedgång av friktionen i slutet av försöket.

Den lilla nedgången i friktionskurvan för föroxiderad tråd APMT 6 kan bero på att ytan hos

provet blivit slätare i jämförelse med blanktråd APMT 5, som i sin tur reducerat friktionen.

Nötningen som uppkom för båda proverna var annars relativt sammanfallande det vill säga de

hade liknande nötningspåverkan. Detta beror troligtvis på oxidens långsamma tillväxthastighet.

Aluminiumoxid bildas relativt snabbt men tillväxten sker långsamt i jämförelse med till exempel

kromoxid [9]. Eftersom SEM-undersökningar visade att skillnaden i oxidtjocklek mellan

blanktråd APMT 5 och föroxiderad tråd APMT 6 var försumbar kunde inte heller någon större

skillnad på nötningen urskiljas.

Blanktråd APMT 7 och föroxiderad tråd APMT 8 skiljde sig inte heller märkbart inbördes. Båda

försöken gav liknande utseende på friktionskurvorna och de nötta ytorna. Här hade inte en

föroxidering heller någon större betydelse då SEM-undersökningar visade att oxiden var ca 3 µm

tjock för det blanka provet och 3 µm tjock för det föroxiderade provet. En högre temperatur

(>1050°C) och/eller en längre oxidationstid (>16 h) krävs för att få en tjockare aluminiumoxid.

Först därefter kan slutsatser dras om oxidtjocklekens inverkan hos materialkombinationen

APMT/APMT.

Vid en inbördes jämförelse mellan alla APMT-försök kunde ett temperaturberoende observeras,

liknande det för 253MA. Vid 1100°C var friktionen högre för både det blanka- och det

51

föroxiderade provet än vid 900°C. Det troliga är att oxid kan sprätta eller lossna lättare under

nötning vid 1100°C för att sedan bakas in i bulken och göra ytan ojämn. Detta kan i sin tur bidra

till den högre friktionen.

I en jämförelse mellan de föroxiderade skarpa försöken (APMT-proverna mot 253MA-proverna)

kunde oxidtypens inverkan urskiljas. 253MA gav mindre nött area än APMT-proverna.

Friktionen var även oftast lägre och mer stabil (fluktuerade inte lika kraftigt). Det troliga är att

kromoxiden skjuvades mycket lättare än den hårdare och spröda aluminiumoxiden och således

reducerade friktionen. Samtidigt kan kromoxidpartiklar ha packats samman och bildat väldigt

jämna och glatta tätpackade ytor som reducerat friktionen. En liknelse kan vara då en traktor

plogar snö. Plogningen kan ge hårt packad snö med väldigt släta och glatta ytor, vilket kan

reducera friktion.

Hårdheten hos materialen kan förklara skillnaden på de nötta areorna. 253MA är hårdare än

APMT och hade genomgående mindre nött area. En koppling kan göras baserat på

nötningsekvationen, ekvation 4 [2]. V står för volym bortnött material, S totala glidsträckan, FN

den pålagda normalkraften (lasten) och H hårdheten hos det nötta materialet.

H

FK

S

V N (4)

Eftersom H är högre för 253MA kommer högerledet i ekvationen bli mindre än för APMT då FN

och K är konstanta. Detta medför i sin tur att vänsterledet också måste bli mindre. Eftersom S är

konstant medför detta att den bortnötta volymen måste minska. Om nötta volymen minskar bör

även de nötta areorna minska, vilket observerades under försöken.

Även SEM-undersökningar av tvärsnitten visade skillnader mellan materialen. I alla skarpa

försök med APMT kunde en slags inre oxidation observeras under de nötta områdena. Storleken

på dessa områden varierade inte märkbart inbördes mellan de två olika temperaturerna, se Figur

30 och 38. Det som kunde observeras var att oxiderna hade packats olika mycket, från finfördelat

vid ytan till större partiklar längre ner i bulken, se Figur 37. Detta visar bildandet av tätpackade

och glatta ytor som reducerar friktionen. 253MA saknade dessa inre oxidationer och hade istället

inslag av SiO2 under den relativt jämna skyddande kromoxiden.

De ljusoptiska bilderna på tvärsnitten från förförsöken visade att 253MA hade större kornstorlek

under den deformerade ytan, samt i bulken, än APMT, se Figur 55. Det är visat att ett finkornigt

material är hårdare och starkare än ett material med större korn då den förstnämnda har fler

korngränser som hindrar dislokationsrörelser [10]. För varje korngräns som en dislokation

påträffar, behövs aktiveringsenergi för att den ska kunna ”passera”, och därmed fortsätta

dislokationsrörelsen. Ju fler korngränser, desto svårare är det för dislokationen att röra sig, vilket

medför att materialet blir hårdare. Detta gäller dock vid rumstemperatur. Vid temperaturer över

900°C, finns inte denna ”aktiveringsenergispärr” utan andra mekanismer tar över. En viktig

mekanism vid höga temperaturer är korngränsglidning. Det har visat sig att ju färre korngränser

desto svårare blir det för deformationer att röra sig vidare. Tvärsnittsundersökningar visar ett

samband mellan nötningsmotstånd och kornstorlek.

Det bör noteras att i båda fallen med de olika materialen, är friktionskrafterna väldigt låga.

Felkalibreringar och felberäkningar av den verkliga kraften som lastcellen känner av, kan

förklara den låga friktionen. Dock är alla resultat inbördes jämförbara.

52

Oxidtjockleken vid onötta områden varierade mycket och verkade vara orimlig. Egentligen

borde oxiden varit till exempel runt 0,5 µm [8] för blanka APMT-prov vid 1100°C efter 7

timmars körning, men det visade sig istället vara runt 2 µm. Detta kan eventuellt bero på

felmätningar under SEM-analyser.

6.4.2 Kompletterande försök

Under kompletterande försök användes den mjukare ferritiska FeCrAl-legeringen APM.

Friktionskraften för provet var lite lägre än för APMT-försöken under samma betingelser. Detta

kan bero på hårdheten hos bulken. Eftersom APM-provet är mjukare än APMT-proverna, kan

skjuvningen i materialet ha skett lättare och således förklara den lägre friktionen. Samtidigt kan

detta tyckas vara egendomligt då APM-provet fick en större nött area än APMT-försöken. Detta

tyder på att den reella arean också var större och därmed hade påverkat friktionen genom att vara

högre än för APMT. Dessa faktorer kan ställas mot varandra och det behöver inte betyda att

bulkens hårdhet är den styrande. Här behövs det utföras fler försök för att förstå vad som

påverkar mest på friktionen och nötningen. Vid en jämförelse mellan nötningarna som skett på

APM-provet och de tidigare APMT-försöken, saknades större skillnader. Det enda som skiljde

materialen åt var att APM-provet hade ett mer utsmetat utseende i de abrasiva spåren medan

APMT-proverna hade ett mer slätt utseende, jämför Figur 33 med Figur 41. Resten av de nötta

områdena påminde varandra med deformationer som utmattning och avflagningar. Detta

indikerar på att skillnaden mellan APM och APMT är försumbar med avseende på nötningen vid

dessa förhållanden.

Vid kompletterande försök 2, framkom det att en tjock oxid på APMT påverkar både friktionen

och nötningen positivt. Friktionen var ca en faktor fyra lägre i jämförelse med tidigare skarpa

försök med samma material och kan bero på bildande av en slät tätpackad yta som reducerar

friktionen. Nötningen var också märkbart mindre och detta kan troligen förklaras tack vare

oxidens tjocklek som fungerade som ett starkt skydd. Ju tjockare och stabilare oxid ett prov har,

desto mindre materialavverkning sker. SEM-undersökningar visade att oxiden som bildats på

APMT-bulken var den mest stabila fasen av aluminiumoxid. Det troliga är att avverkningen skett

genom oxidativ nötning.

Blanktråd 253MA 11 och 12 gav intressanta resultat. Där kom det fram att

materialkombinationen 253MA/253MA fick minst nött area vid 900°C än tidigare skarpa försök.

Medelvärdet på friktionskraften blev dock ungefär lika stort. Vid 1100°C var friktionen däremot

en faktor fyra större än i tidigare skarpa försök medan det nötta området var i samma

storleksordning. Tillväxten av kromoxiden skulle kunna förklara skillnaden mellan dessa prover.

Vid 1100°C tillväxte kromoxiden snabbare och blev tjockare än provet vid 900°C. Detta ledde i

sin tur till att oxidpartiklar kunde med större sannolikhet flaga och bakas in i bulken. Den ojämna

ytan, Figur 53, hos blanktråd 253MA 12 bidrog då till att friktionen blev mycket högre. Den lilla

nötningen som skedde för blanktråd 253MA 11 kan förklaras av tätpackade och glatta ytor.

SEM-undersökningar visade att ytan hos blanktråd 253MA 11 var mycket slätare och finare än

för blanktråd 253MA 12 vilket kan ha minskat på nötningen dramatiskt.

53

6.5 Slutsatser

Försöken som utfördes under examensarbetet gav varierande resultat och några slutsatser kan

dras utifrån dessa.

APMT och 253MA uppvisade marginella skillnader i nötning och

friktionsegenskaper mot en APMT-axel. Dessa, nästan försumbara, skillnader beror

på att friktionskrafterna och de nötta areorna var så små.

Den materialkombination som visade bäst nötningsresultat, var ett blankt 253MA-

prov mot en 253MA-axel vid 900°C.

Den materialkombination som visade bäst friktionsresultat, var ett föroxiderat

APMT-prov (>25µm tjock oxid) mot en APMT-axel vid 1100°C. Nötningen var

också väldigt låg, vilket medför att ett materialbyte från 253MA-tråd till APMT-tråd

i transportband skulle kunna utföras. APMT-tråden bör dock föroxideras så att en

tjock och stabil oxid bildas (>25µm).

Nötningsutrustningen kan användas för att överskådligt visa hur nötning uppkommer

på olika materialtyper. Tyvärr påminde inte nötningen den verkliga applikationen

(transportband) så testet bör modifieras.

Den nykonstruerade provhållaren bör inte användas vid låga glidhastigheter (<0,01

m/s) och laster (<1 N) om jämförelser mellan massförändring och friktion utförs.

Dessa jämförelser kunde inte utföras då proverna fick en massökning istället för

massminskning. Utifrån förförsöken verkar provhållaren fungera bättre vid högre

glidhastigheter (>0,05 m/s) och laster (>5 N).

Muffelrörens ytfinhet spelar en stor roll på nötningen och friktionen i PM-

sintringsugnar. Finare ytor hos muffelrör ger generellt lägre friktion och nötning än

grövre.

Det saknas en korrelation mellan storlek på nött yta och friktion. Det finns dock ett

samband mellan friktion och oxidtyp/oxidtjocklek samt nötning och bulkhårdhet.

Det finns ett temperaturberoende hos materialen 253MA och APMT. En högre

temperatur ger högre friktion.

54

Kapitel 7

Framtida arbete

Det finns ett antal punkter som kan utföras för att förbättra och öka förståelsen ytterligare för

nötningen och friktionen av APMT och 253MA.

Ett långtidsförsök bör utföras för att bättre efterlikna den riktiga applikationen. Då det visat sig att transportband i riktiga applikationer cyklas från låg till hög

temperatur vid in- och utgång från ugn, vore det lämpligt att kunna ta av locket för att

sänka temperaturen i nötningsutrustningen vid bestämda tidsintervaller. Eftersom tråden i transportband inte är i konstant kontakt med muffelrören, bör

provhållaren i nötningsutrustningen ha möjligheten att höjas och sänkas vid bestämda

intervall. Detta kan ske manuellt men idéer om en hydraulisk lösning finns.

Försöken avvek från applikationskörningar genom att vikt och glidhastighet var för

höga. Vid fortsatta försök borde dessa parametrar sänkas ytterligare. Styrningen av

glidhastigheten bör då ändras (reglerskåpet) så att den lägsta tillåtna hastigheten kan

ligga klart under 0,01 m/s. Genomföra fler försök med varierande oxidtjocklek (1 µm – 25 µm) och identifiera

vilken tjocklek i detta intervall som ger ett bra nötningsmotstånd. Utföra försök med APMT-tråd mot 253MA-axel och jämföra mot tidigare försök.

55

Referenser

[1] Rawandi. A, Nötning och friktion vid hög temperatur. Utveckling och konstruktion av en

testutrustning. Stockholm: Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm,

Civilingenjörsutbildning Teknisk Fysik (2007).

[2] Jacobson. S, Hogmark. S, Tribologi. Andra upplagan (2005).

[3] Teisuke. S, Yoshihiro. T, Masanori. O, Kyin. H, Tatsuo. B, A crossed-cylinders testing

for evaluation of wear and tribological properties of coated tools. Wear 178 (1994) 95-

100.

[4] Buckley. D.H, Miyoshi. K, FRICTION AND WEAR OF CERAMICS. Wear, 100 (1984)

333-353.

[5] Stott. F. H, The role of oxidation in the wear of alloys. Tribology International Vol. 31,

Nos 1-3. pp. 61-71 (1998).

[6] Personlig kontakt (2010-01-07): Hyvärinen Mika, ABB FACTS, Västerås.

[7] http://www2.sandvik.com/sandvik/0140/Internet/se01598.nsf/indexDS?OpenFrameset.

Datablad på hemsidan (2009-09-22 klockan 11.00).

[8] Lu. Q. The oxides layer thickness formed on polished Kanthal AF, APM and APMT

surfaces in temperatures between 800°C and 1300°C in air. FMP 0249 (2009). Intern

rapport, Kanthal.

[9] Lu. Q, Hultqvist. G, Åkerman. T. In-situ SIMS analysis of the initial oxidation of a

commercial FeCrAl alloy in H2O/O2 gas at 600-850 K. 12th

Scandinavian Corrosion

Congress & Eurocorr ’92.

[10] Jr, Callister. D. William, Materials Science and Engineering. An Introduction. John

Wiley & Sons, 2007.