Tribologische Leistung von weißem Gusseisen mit hohem Chromgehalt und Hitze

Mar 15, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9229 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Barytsulfat (BaSO4) gilt als sehr wichtiger Mineralstoff, der als Beschwerungsmittel für alle Arten von Bohrspülungen eingesetzt wird. Unterdessen sind Brecher, die für den Mahlschritt beim Barytzerkleinern verwendet werden, von katastrophalen Verschleißschäden an den Hammerteilen aus weißem Gusseisen mit hohem Chromgehalt (HCWCI) betroffen. In der vorliegenden Studie wurde ein Vergleich der tribologischen Leistung zwischen HCWCI und wärmebehandeltem Stahl AISI P20 durchgeführt, um die mögliche Substitution von HCWCI zu untersuchen. Der tribologische Test wurde unter Normallasten zwischen 5 und 10 N für unterschiedliche Zeiträume (60, 120, 180 und 240 min) durchgeführt. Die Verschleißreaktionsanalyse für beide Materialien ergab, dass der Reibungskoeffizient mit zunehmender Belastung zunimmt. Darüber hinaus wies AISI P20 unter allen Bedingungen den niedrigsten Wert im Vergleich zu HCWCI auf. Darüber hinaus ergab die Analyse der mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erhaltenen Verschleißspur, dass es sich bei der Beschädigung um ein abrasives Verschleißphänomen für HCWCI handelte, wobei ein Rissnetzwerk in der gesamten Karbidphase festgestellt wurde, das bei höchster Belastung stärker ausgeprägt war. Bei AISI P20 wurde ein abrasiver Verschleißmechanismus festgestellt, der durch mehrere Rillen und Pflugphänomene gekennzeichnet ist. Darüber hinaus ergab die Analyse der Verschleißspur mithilfe der 2D-Profilometrie, dass die maximale Verschleißtiefe der HCWCI-Verschleißspur bei beiden Belastungen deutlich größer war als die von AISI P20. Dadurch weist AISI P20 im Vergleich zu HCWCI die beste Verschleißfestigkeit auf. Darüber hinaus nehmen mit zunehmender Belastung auch die Verschleißtiefe und die verschlissene Fläche zu. Außerdem stützt die Analyse der Verschleißrate die vorherigen Ergebnisse, die zeigten, dass AISI P20 unter beiden Belastungen robuster war als HCWCI.

Das Mineralprodukt Baryt, auch Bariumsulfat genannt, hat die chemische Formel „BaSO4“. Der Name dieser Substanz bezieht sich auf ihre enorme Dichte. Das Wort „Baryt“ leitet sich eigentlich vom griechischen Wort „barys“ ab, was „schwer“ bedeutet, aufgrund des hohen Atomgewichts des Elements Barium, das bei einer Temperatur von 26 °C 4,48 g/cm3 beträgt. Die Tatsache, dass dieses Produkt weltweit weit verbreitet ist, sollte nicht übersehen werden. Tatsächlich sind die Öl- und Gassektoren, die aufgrund einer ungewöhnlichen Kombination seiner Eigenschaften wie seiner hohen Dichte, Weichheit und chemischen Inertheit die Hauptindustrien für die Verwendung von Baryt sind, die Hauptnutznießer dieser weltweiten Verwendung. Die anderen Anwendungen konzentrieren sich hauptsächlich auf den Strahlenschutz und die chemische Industrie. An dieser Stelle ist es wichtig, die zur Herstellung von Barytpulver erforderlichen Schritte zu erwähnen, die in Abb. 1 dargestellt sind. Aufgrund der hohen Produktionsrate und der anspruchsvollen Arbeitsbedingungen treten jedoch bei der Zerkleinerung verschiedene mechanische und tribologische Probleme auf (Abb. 2). Prozess, der letztlich zum Prozessausfall führt. Diese Probleme führen zu Zeit- und Finanzverlusten, einer Verlangsamung der Herstellung und einer schlechten Qualität des Endprodukts.

Baryt-Zerkleinerungsprozess.

Zerkleinerungsprozess: (a) Brecher, (b) Hammer vor und nach dem Schaden und (c) Verschleißschaden.

Im gleichen Zusammenhang untersuchten mehrere Forscher die Schädigung metallischer Werkstoffe1,2,3,4,5. Tatsächlich haben Arabnejad et al. untersuchten die Auswirkung der Härte erodierender Partikel auf den Edelstahl und kamen zu dem Schluss, dass das Erosionsverhältnis mit zunehmender Partikelhärte zunimmt2. Laguna-Camacho et al. analysierte die Erosionsphänomene des Edelstahls 304. Die Verschleißreaktion zeigt, dass der Erosionsverschleißmechanismus des Edelstahls 304 durch einen Sprödbruch mehrerer großer Fragmente mit einem Aufprallwinkel von 90 Grad beschrieben werden kann4.

Allerdings sind Literaturstudien, die sich mit den Verschleißschäden des Brechers in der Branche befassen, selten6,7,8,9,10. Letztere7,9 richten ihre Aufmerksamkeit auf die Verschleißschäden des Brechers, der in der Olivenölgewinnung und der Barytindustrie eingesetzt wird. Eine umfassende Untersuchung der Oberflächenschäden am HCWCI, das in den Brechern von Barytgestein eingesetzt wird, zeigt durchgehende, tiefe und breite Rillen, die durch Grate getrennt sind, die durch den beim Oberflächenkontakt erzeugten Verschleißschutt entstanden sind. Aufgrund des kontinuierlichen Aufpralls von Barytpartikeln auf den Hammer sind auch zahlreiche Krater und ein Rissnetz auf der beschädigten Oberfläche zu beobachten. Daraus lässt sich schließen, dass der Verschleiß sowohl auf Abrieb als auch auf Stoßphänomene zurückzuführen ist9.

Darüber hinaus berichteten Bahri et al.7 in ihrer Forschung zur Gewinnung von Olivenöl, dass während des Gewinnungsprozesses ein Abrieb- und Schlagverschleißphänomen auftrat, das auf den wiederholten Aufprall von Olivenkernpartikeln auf die Materialoberfläche zurückzuführen war. Tatsächlich äußert sich dieser Schaden durch das Vorhandensein von Pflugphänomenen, die zum Abtragen von Material führen, durch Lochfraß und auch durch einige Rillen, die als Folge der Ablösung großer Fragmente beobachtet werden.

Einige Forscher konzentrierten ihre Arbeit auf die tribologische Untersuchung von HCWCI. Tatsächlich analysierten Scandian et al.11 den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur und dem Verschleißverhalten von weißem Gusseisen mit hohem Chromgehalt mithilfe eines Stift-auf-Scheiben-Tribometers bei Raumtemperatur unter V = 0,31 m/s und F = 20 N. Die Analyse Die Ergebnisse zeigen, dass die Mikrostruktur einen starken Einfluss auf die Verschleißfestigkeit des Materials hat. Tatsächlich ist der Verschleißverlust bei einer vollständig ferritischen Matrix wichtiger als bei einer mehrphasigen Matrix. Darüber hinaus untersuchten Fernández et al.12 das Verschleißverhalten von weißem Gusseisen mit hohem Chromgehalt und hohem und niedrigem Kohlenstoffgehalt. Bei der Verschleißprüfung wurde festgestellt, dass die Schädigung beider Materialien zunächst mit einem plastischen Verformungsphänomen aufgrund der Kompression der Kontaktfläche begann, was zur Entstehung mehrerer Risse führte. Letzteres führt zur Fragmentierung des Materials in kleine Partikel. Außerdem analysierte Coronado13 den Verschleiß von weißem Gusseisen unter Verwendung von abrasiven Aluminiumoxidkörnern unter verschiedenen Belastungen (von 2 bis 15 N) bei einer konstanten Geschwindigkeit von V = 66 U/min. Die aktuelle Studie zeigt, dass der Massenverlust mit zunehmender Normallast zunimmt. Darüber hinaus zeigt es das Vorhandensein einer plastischen Verformung in der Matrix, die durch die REM-Analyse der abgenutzten Oberfläche der Längs- und Querproben aufgedeckt wird.

Es wurde auch berichtet, dass einige Risse im Hartmetall M3C auftreten, die einen Winkel von etwa 45 Grad mit den Kratzern bilden, wenn die maximale Belastung von 15 N ausgeübt wird.

Andere Forscher untersuchten das Verschleißverhalten von AISI P20-Stahl14,15. Tatsächlich untersuchten Lopes et al.14 den mikroabrasiven Verschleiß von P20-Stahl. Die Analyse der Verschleißnarbe zeigt das Vorhandensein eines abrasiven Verschleißmechanismus. Darüber hinaus ist der Verschleißmodus eine Kombination aus Roll- und Kratzphänomenen. Aufgrund der Freilegung der während des Verschleißtests erzeugten Abriebpartikel trat auch Oxidationsverschleiß auf.

Im gleichen Zusammenhang haben Pereira et al.15 eine Vergleichsstudie zwischen der Verschleißfestigkeit von AISI P20-Stahl nach Stickstoffbehandlung und nach Abscheidung einer Kobaltlegierung ausgearbeitet. Abrasive Verschleißtests wurden gemäß den ASTM G65-91-Standards durchgeführt. Die Analyse des Ergebnisses zeigt, dass der Volumenverlust der Probe mit zunehmendem Schleifmittelfluss und der aufgebrachten Last zunimmt. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass der Effekt des letzteren bedeutender ist als der, der dem Strahlmittelfluss zugeschrieben wird.

In dieser Hinsicht wurde der AISI P20-Stahl in der aktuellen Studie einer besonderen Wärmebehandlung unterzogen, um seine mechanischen und tribologischen Eigenschaften zu verbessern. Der Literatur zufolge verbessert die Wärmebehandlung tatsächlich die Eigenschaften von Weichstahl wie Duktilität, Zähigkeit, Härte und Zugfestigkeit, wie von Singh16 erwähnt.

Darüber hinaus zeigten Chen et al.17, dass sich die mechanischen Eigenschaften des austenitischen Edelstahls 316 L nach der Wärmebehandlung verbesserten, was hauptsächlich auf die Anzahl der Phasen, aus denen dieses Material besteht, sowie auf deren Morphologien zurückzuführen ist.

Ziel dieser Arbeit ist die Durchführung einer Vergleichsstudie zwischen HCWCI und AISI P20, um den enormen Verschleißverlust durch den Zerkleinerungsprozess zu reduzieren. Um diese Aufgabe zu erfüllen, wurde eine tribologische Untersuchung dieser Materialien unter verschiedenen Belastungen und Testdauern durchgeführt.

In der aktuellen Studie wurden 40 × 40 × 4 mm3 HCWCI- und AISI P20-Proben mit einer Roboterdrahtmaschine zum Schneiden vorbereitet. Tatsächlich wurden HCWCI von der SOFAP Company für weitere Testanalysen bereitgestellt. AISI P20 wurde von einem Industriehersteller gekauft.

Es ist erwähnenswert, dass die chemische Zusammensetzung von HCWCI mithilfe einer spektroskopischen Metallanalyse (Jobin Yvon JY 48®) bestimmt wurde. Die chemische Zusammensetzung von AISI P20 wurde jedoch durch die vom Lieferanten bereitgestellten technischen Daten bestimmt. Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung beider Materialien.

Es ist wichtig zu beachten, dass AISI P20-Stahl vor dem Verschleißtest einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, um seine mechanischen und tribologischen Eigenschaften zu verbessern. Tatsächlich wurde die angewandte Wärmebehandlung gemäß der Datenbank des Lieferanten durchgeführt. Es wird 20 Minuten lang bei einer Temperatur von 850 °C durchgeführt, gefolgt von einer Ölabschreckung. Abschließend wurde ein Temperschritt durchgeführt, um Eigenspannungen zu minimieren.

Vor dem Verschleißtest wurde die Oberfläche jedes Substrats gründlich gereinigt. Um eine glatte Oberfläche mit einer geringen Rauheit von Ra = 0,06 m zu erreichen, gemessen mit 2D-Profilometrie (Surtronic 25-Taylor Hobson), wurden sowohl HCWCI als auch wärmebehandelter Stahl AISI P20 mechanisch mit SiC-Papieren poliert. Anschließend wurden die Oberflächen mit einer Acetonlösung entfettet, um eventuelle Verunreinigungen zu entfernen.

Darüber hinaus wurde ein Mikrohärteprüfer „Fisher Hardness Tester“ eingesetzt, um die Mikrohärte beider Materialien zu messen, die HV0,05 = 742 und HV0,05 = 702 entsprechen, die HCWCI bzw. AISI P20 zugeschrieben werden.

Zur Untersuchung der Mikrostruktur des wärmebehandelten Stahls AISI P20 wurde ein optisches Mikroskop vom Typ (ZEISS-Axiotech) verwendet, das mit einer Kamera (ProgRes SpeedXTcore 5) ausgestattet war. Die HCWCI-Mikrostruktur wurde jedoch mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM, Jeol JSM-5410) identifiziert. Um diese Aufgabe zu erfüllen, wurden beide Proben vorbereitet, indem sie zunächst mit SiC-Schleifpapieren poliert wurden, gefolgt von einem Ätzschritt von 10 s in Nital-Lösung (3 %) für wärmebehandelten Stahl und 3 min in Nital-Lösung (4 %) für HCWCI .

HCWCI und der wärmebehandelte Stahl AISI P20 wurden einer tribologischen Untersuchung mit einem rotierenden Kugel-Scheiben-Tribometer unterzogen. Basierend auf der Literatur18,19 wurde eine Aluminiumoxidkugel (Al2O3) als Gegenkörper verwendet. In unserer Studie wurde eine Aluminiumoxidkugel mit einem Durchmesser von 10 mm gewählt.

Letzteres wurde aus einem bestimmten Grund als Material für die Gegenfläche ausgewählt: wegen seiner einzigartigen mechanischen Leistung. Laut veröffentlichter Forschung20,21 weist Aluminiumoxid tatsächlich eine erhebliche Härte auf, die mehr als 1400 HV erreichen kann, und eine Oberflächenrauheit von Ra = 0,02 µm22,23. Darüber hinaus weist dieses Material eine außergewöhnliche Schadensresistenz22 auf.

Die Verschleißtests wurden mit einer Kugel-auf-Scheibe-Konfiguration unter zwei Normallasten von 5 N und 10 N bei einer Geschwindigkeit von V = 0,31 m/s für verschiedene Testdauern (t = 60, 120, 180 und 240 Minuten) durchgeführt ). Daher wurden alle Verschleißversuche unter trockenen Gleitbedingungen bei Umgebungstemperatur (25 °C) durchgeführt. Nach jedem Verschleißtest wurden die Substrate mit einer Acetonlösung gereinigt, um die auf der Oberfläche entstandenen Abriebrückstände zu entfernen.

Nach dem Verschleißtest wurden verschiedene Charakterisierungen durchgeführt, um das Verschleißverhalten der Proben zu bestimmen. Tatsächlich wurden die Morphologie sowie die chemische Zusammensetzung innerhalb und außerhalb der Verschleißspur durch Rasterelektronenmikroskop-REM (FEI QUATRO) bzw. energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) bestimmt. Darüber hinaus wurde die 2D-Profilometermaschine (Surtronic 25-Taylor Hobson) zur Quantifizierung des Verschleißes verwendet.

Basierend auf der Literatur24 wurde die Verschleißrate (\(K)\) mit der folgenden Gleichung berechnet: (1):

wobei F: Normallast, D: Gleitstrecke.

Das Materialverlustvolumen der verschlissenen Substanz wurde mit der Gleichung bestimmt. (2):

wobei R der Radius der Verschleißspur ist; S: der Durchschnitt der Querschnittsfläche der Verschleißspur. R und S wurden mit einem 2D-Profilometer gemessen. Es wurden drei Messungen der Querschnittsfläche durchgeführt und die Ergebnisse gemittelt.

Abbildung 3 zeigt die Mikrostruktur von HCWCI mithilfe der Sekundärelektronenbildgebung und des wärmebehandelten Stahls AISI P20 unter dem optischen Mikroskop. Die HCWCI zugeschriebene Analyse von Abb. 3a ergab das Vorhandensein eines eutektischen Netzwerks innerhalb einer martensitischen Matrix. Darüber hinaus zeigt die Vergrößerung in Abb. 3a und b, dass die Mikrostruktur des HWCI aus Sekundärkarbiden besteht, die in einer martensitischen Matrix ausgeschieden wurden. Eine ähnliche Mikrostruktur wurde von Karantzalis et al.25 beobachtet, die die Wirkung von Wärmebehandlungen und Legierungszusätzen auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften von Gusseisen mit hohem Chromgehalt untersuchten. Bei der Analyse der optischen Mikroaufnahme des wärmebehandelten Stahls AISI P20 wurde jedoch eine vollständige martensitische Mikrostruktur festgestellt (Abb. 3c). Unsere Ergebnisse stimmen mit denen von Priyadarshini et al.26 überein. Tatsächlich berichteten sie in ihrer Studie, dass die Mikrostruktur von AISI P20 durch eine harte martensitische Phase gekennzeichnet war, die sich nach direktem Abschrecken entwickelte.

Mikrostruktur von: (a) HCWCI mittels REM, (b) Vergrößerung von (a) und (c) optische Mikroskopie von wärmebehandeltem Stahl AISI P20.

Die Reibungsentwicklung von HCWCI und wärmebehandeltem Stahl AISI P20 verläuft gemäß der in (Abb. 4) dargestellten Analyse des Reibungskoeffizienten in zwei Phasen. Die Tests wurden mit zwei Normallasten von F = 5 N und 10 N bei einer Geschwindigkeit von V = 0,31 m/s im trockenen Zustand durchgeführt. Der Reibungskoeffizient steigt in der ersten, sogenannten „Übergangs“-Stufe deutlich auf einen Maximalwert an. Sie bleibt während der zweiten Phase, dem sogenannten stationären Zustand, für die gesamte Probe konstant, mit leichten Schwankungen, die durch in der Verschleißspur gebildete Ablagerungen verursacht werden können18. Darüber hinaus wird in Abb. 4 deutlich, dass eine Erhöhung der Belastung von 5 auf 10 N den Reibungskoeffizienten für HCWCI von 0,7 auf 0,9 und für Vergütungsstahl AISI P20 von 0,5 auf 0,7 erhöhte. Daher könnte die Verschleißfestigkeit von wärmebehandeltem AISI P20 interessanter sein als die von HCWCI. Es ist auch zu beobachten, dass der Reibungskoeffizient bei beiden Materialien mit zunehmender Belastung zunimmt. Diese Erhöhung wurde durch Studien mehrerer Forscher bestätigt27,28. Mittlerweile konnte kein signifikanter Einfluss der Zyklenzahl auf die Entwicklung des Reibungskoeffizienten festgestellt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass der Zusammenhang zwischen der Normallast bzw. dem Kontaktdruck und dem Reibungskoeffizienten in mehreren Forschungsstudien berücksichtigt wurde29,30. In der vorliegenden Studie führt die Erhöhung der Normallast aus mehreren Gründen zu einer Erhöhung des Reibungskoeffizienten von HCWCI und AISIP20: (i) Ein solches tribologisches Verhalten kann mit der Entstehung von Verschleißrückständen zusammenhängen, die durch die vergrößerte Kontaktfläche entstehen wenn die normale Belastung zunimmt. Abriebpartikel wirken als abrasive Partikel und erhöhen die Verschleißspur; (ii) eine Erhöhung der Normallast erzeugt Reibungswärme an der Kontaktfläche; und mechanische Eigenschaften, wie z. B. die Materialfestigkeit, können sich durch die Verklebung erhöhen29. Der Grund für den Anstieg der Normallast besteht darin, die Auswirkung des hohen Drucks auf die tribologischen Eigenschaften von HCWCI und AISIP20 zu ermitteln. Beim Baryt-Zerkleinerungsprozess kamen mehrere Partikel mit unterschiedlichem Anpressdruck mit den Materialien in Kontakt, was sich auf das Schädigungsverhalten der Materialien auswirken kann.

Entwicklung des Reibungskoeffizienten von HCWCI und AISI P20 unter: (a) t = 60 min, (b) t = 120 min, (c) t = 180 min und (d) t = 240 min.

Abbildung 5 zeigt die SEM-Morphologie der Verschleißspur für HCWCI und AISI P20. Bei der Analyse der Verschleißspur von HCWCI können mehrere Verschleißphänomene festgestellt werden. Abbildung 5a zeigt das Vorhandensein von Verschleißrückständen in der Verschleißspur, was darauf hindeutet, dass es während des tribologischen Tests unter einer normalen Belastung von 5 N zu einer Materialablösung kommt. Infolgedessen können einige Rillen und Krater beobachtet werden. Bei zunehmender Vergrößerung wurde die Ausbreitung von Mikrorissen in der gesamten Karbidphase beobachtet; Diese Mikrorisse erhöhen den Materialabtrag bei Reibung. In früheren Forschungsstudien wurden ähnliche Ergebnisse bei der Analyse der Hammerverschleißschäden beim Barytzerkleinern erzielt9. Es wurde berichtet, dass der Schnittpunkt zwischen radialen und longitudinalen Mikrorissen im gesamten Hartmetall zum Materialabtrag führt, der zuvor einer plastischen Verformung unterliegt9,12. Diese Ergebnisse bestätigen, dass der tribologische Test den tatsächlichen Verschleißschaden von HCWCI reproduziert. Bei Anwendung einer normalen Belastung von 10 N zeigt die REM-Aufnahme (Abb. 5b) angesammelte Verschleißpartikel, die sich bereits von einem anderen Bereich gelöst und während des Verschleißtests plastisch verformt haben, was zu einer Ansammlung unter hoher Belastung führt. Darüber hinaus wurde das REM mit starker Vergrößerung durchgeführt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Erhöhung der Normallast zur Entstehung eines Rissnetzwerks mit tieferen und breiteren Mikrorissen führt. Die in Abb. 5c dargestellte Verschleißspur von AISI P20 wurde als Pflugphänomen angesehen, und das Vorhandensein von Rillen weist auf einen abrasiven Verschleißmechanismus hin, der auf die Entstehung von Verschleißrückständen zurückzuführen ist. Das gleiche Verschleißphänomen wurde von Lopes et al.14 in ihrer Studie über die Untersuchung des mikroabrasiven Verschleißverhaltens bei der Aufkohlung und Ionenplasmanitrierung von P20-Stahl festgestellt. Darüber hinaus bleiben die Abriebpartikel aufgrund der plastischen Verformung beim wiederholten Gleiten in der Verschleißspur haften. Ähnliche Aspekte wurden bei der Anwendung einer Normallast von 10 N festgestellt (Abb. 5d).

REM-Aufnahme der Verschleißspur während t = 240 min (144.000 Zyklen). (a) HCWCI_F = 5 N, (b) HCWCI _F = 10 N, (c) wärmebehandelter Stahl AISI P20_F = 5 N und (d) wärmebehandelter Stahl AISI P20_F = 10 N.

Beim Vergleich der erhaltenen Ergebnisse für HCWCI und AISI P20 ist zu beachten, dass es Unterschiede in den Verschleißaspekten in Bezug auf Mikrorisse, Krater und Pflugphänomene gibt. Im Hinblick auf das Verschleißverhalten ist der Effekt der normalen Belastung bei HCWCI stärker ausgeprägt als bei AISI P20.

Abbildung 6 zeigt 2D-Profile beider Materialien, HCWCI und AISI P20, unter normalen Belastungen von 5 N und 10 N.

Verschleißspur während t = 240 min (144.000 Zyklen). (a) HCWCI_F = 5 N, (b) HCWCI _F = 10 N, (c) Wärmebehandelter Stahl AISI P20_F = 5 N und (d) Wärmebehandelter Stahl AISI P20_F = 10 N.

Aus der Analyse der erhaltenen Kurven ging hervor, dass die Verschleißfestigkeit von AISI P20 besser ist als die von HCWCI. Die Breite und die maximale Verschleißtiefe der Verschleißspur von HCWCI sind für beide Belastungen deutlich wichtiger als AISI P20. Darüber hinaus zeigt sich für jedes Material, dass die Erhöhung der Belastung zu einer Vergrößerung der Verschleißtiefe und der verschlissenen Fläche der Verschleißspur führt. Als Konsequenz lässt sich sagen, dass der Materialabtrag umso größer ist, je größer die Belastung ist31.

Abbildung 7 zeigt die Variation der Verschleißrate von HCWCI und AISI P20 als Funktion der Testdauer. Es ist deutlich zu erkennen, dass alle Kurven ähnliche Trends aufweisen. Tatsächlich zeigen die erhaltenen Ergebnisse, dass die Verschleißrate mit zunehmender Testdauer und normaler Belastung für beide Materialien zunimmt (Abb. 7). Diese Ergebnisse stimmen gut mit mehreren Forschungsstudien überein32,33. Hani Aziz et al.32, die die Auswirkung der Belastung auf die Verschleißrate von Stahl, Aluminium und Messing untersuchten, erwähnten, dass die Erhöhung der Belastung zu einem Anstieg der Verschleißrate bei allen Materialien führte. Darüber hinaus konzentrierten Lakshminarayana et al.33 ihre Forschung auf die Untersuchung der Auswirkung der Belastung auf die Verschleißrate und den Reibungswiderstand von EN-8-Stahl beim Gleiten auf EN-31-Stahl. Sie fanden heraus, dass die Erhöhung der Belastung von 20 auf 200 N die Verschleißrate von etwa 4 × 10–4 auf 77 × 10–4 mm3/N·m erhöhte. Zur weiteren Erläuterung: Der Anstieg der Verschleißrate ist die Folge eines stärkeren Materialabtrags aufgrund der Erhöhung der Temperatur im Kontaktbereich, was zu einer Änderung des Verhaltens der Probe hin zu einem duktilen Verhalten durch die Erhöhung der Reibung mit der aufgebrachten Last führt.

Entwicklung der Verschleißrate.

Außerdem zeigt sich deutlich, dass die beste Verschleißfestigkeit für AISI P20 unter beiden Belastungen F = 5 N und F = 10 N erhalten blieb, da die Verschleißrate zwischen beiden deutlich abnahm.

Die Abbildungen 8a und b zeigen eine synthetische Darstellung der Entwicklung des Verschleißmechanismus von HCWCI und AISI P20 bei Erhöhung der Normallast von 5 auf 10 N.

Entwicklung des Verschleißmechanismus bei Erhöhung der Normallast von 5 auf 10 N von: (a) HCWCI und (b) AISI P20.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Vergleichsstudie zwischen den tribologischen Eigenschaften von HCWCI und wärmebehandeltem Stahl AISI P20 unter trockenen Bedingungen bei Umgebungstemperatur (25 °C) durchgeführt. Die Auswirkungen der aufgebrachten Last und der Testdauer wurden experimentell untersucht. Aus der durchgeführten Arbeit lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Die Ergebnisse des Stift-auf-Scheiben-Tests unter zwei Belastungen F = 5 N und F = 10 N zeigen, dass die Reibungsentwicklung von HCWCI und wärmebehandeltem Stahl AISI P20 aus zwei Stufen besteht. In der ersten oder „Übergangsphase“ steigt der COF schnell an, um einen Maximalwert zu erreichen. Während der zweiten Phase, dem stationären Zustand, behält die Reibung für die gesamte Probe den gleichen Wert bei, wobei es zu gewissen Schwankungen kommt, die auf das Vorhandensein einiger Ablagerungen in der Verschleißspur zurückzuführen sein könnten. Die Analyse der Reibungskurven zeigt, dass HCWCI im Vergleich zu AISI P20 unter allen Bedingungen den höchsten Reibungskoeffizienten aufweist.

Eine Erhöhung der Belastung von F = 5 N auf F = 10 N führte zu einem Anstieg der COF-Werte von 0,7 auf 0,9 für HCWCI und von 0,5 auf 0,7 für Vergütungsstahl AISI P20.

Die SEM-Morphologie der Verschleißspur von HCWCI zeigt verschiedene Merkmale von Verschleiß, die zu Materialverlust führen. Tatsächlich führen Mikrorisse, abrasiver Verschleiß und Materialablösungen zu schweren Schäden.

In Bezug auf die Verschleißspur des wärmebehandelten Stahls AISI P20 wurde festgestellt, dass der Schaden sowohl Pflugphänomene als auch das Vorhandensein von Rillen kombiniert, was auf einen abrasiven Verschleißmechanismus hinweist, der auf die Entstehung von Verschleißrückständen zurückzuführen ist.

Die Analyse der Verschleißreaktion ergab, dass der Effekt der normalen Belastung bei HCWCI ausgeprägter ist als bei AISI P20.

Die Profilometrieanalyse zeigt, dass die Verschleißtiefe, die HCWCI zugeschrieben wird, wichtiger ist als die von wärmebehandeltem Stahl AISI P20, was darauf hindeutet, dass letzterer die beste Verschleißfestigkeit aufweist.

Eine Erhöhung der Belastung von F = 5 N auf F = 10 N erhöht die Verschleißtiefe und die verschlissene Fläche, was zu mehr Schäden führt.

Die Verschleißrate steigt mit der Zunahme der aufgebrachten Normallasten.

HCWCI stellt die wichtigste Verschleißrate dar, was darauf hinweist, dass der wärmebehandelte Stahl AISI P20 die beste Verschleißfestigkeit aufweist.

Schließlich könnte HCWCI durch AISI P20 ersetzt werden, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern und Schäden zu reduzieren.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Hochschulbildung und wissenschaftliche Forschung Tunesien unterstützt.

Abteilung für Werkstofftechnik, Labor für Werkstofftechnik und Umwelt (LGME), National Engineering School of Sfax, University of Sfax, BPW1173, 3038, Sfax, Tunesien

F. Zouch, A. Bahri, Z. Antar und K. Elleuch

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Alle Autoren haben das Manuskript gemeinsam erstellt und überprüft.

Korrespondenz mit A. Bahri.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zouch, F., Bahri, A., Antar, Z. et al. Tribologische Leistung von weißem Gusseisen und wärmebehandeltem Stahl mit hohem Chromgehalt, die in der Baryt-Zerkleinerungsindustrie verwendet werden. Sci Rep 13, 9229 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29627-4

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Eingegangen: 18. August 2022

Angenommen: 08. Februar 2023

Veröffentlicht: 07. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29627-4

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