高クロム白鋳鉄と熱のトライボロジー性能

May 31, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9229 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

硫酸重晶石 (BaSO4) は、あらゆる種類の掘削液の増量剤として使用される非常に重要な鉱物材料と考えられています。 一方、重晶石粉砕時の研削工程に使用されるクラッシャーは、高クロム白鋳鉄 (HCWCI) で作られたハンマー部分にある壊滅的な摩耗損傷の影響を受けます。 本研究では、HCWCI の代替可能性を調査するために、HCWCI と熱処理鋼 AISI P20 の間のトライボロジー性能の比較が行われました。 トライボロジー試験は、5 ～ 10 N の通常荷重下で、さまざまな期間 (60、120、180、および 240 分) で実行されました。 両方の材料の摩耗応答分析では、適用される荷重が増加するにつれて摩擦係数が増加することが示されました。 さらに、AISI P20 は、すべての条件において HCWCI に起因する値と比較して最も低い値を示しました。 さらに、走査型電子顕微鏡 (SEM) によって得られた摩耗跡の分析により、損傷は炭化物相全体に亀裂ネットワークが検出され、最高荷重下でより顕著であった、HCWCI の摩耗現象であることが明らかになりました。 AISI P20 に関しては、いくつかの溝とプラウ現象を特徴とする摩耗メカニズムが検出されました。 さらに、2D 形状測定を使用した摩耗跡の分析により、両方の荷重において、HCWCI 摩耗跡の最大摩耗深さが AISI P20 の最大摩耗深さよりも大幅に大きいことが明らかになりました。 その結果、HCWCI と比較した場合、AISI P20 は最高の耐摩耗性を示します。 さらに、荷重が増加すると摩耗深さおよび摩耗面積も増加します。 また、摩耗率分析は、両方の負荷の下で AISI P20 が HCWCI よりも堅牢であることを示した以前の調査結果を裏付けています。

硫酸バリウムとしても知られる鉱物製品の重晶石は、化学式「BaSO4」を持っています。 この物質の名前は、その途方もない密度を表しています。 「重晶石」という言葉は、バリウムという元素の原子量が 26 °C で 4.48 g/cm3 に等しいため、実際には「重い」を意味するギリシャ語の「barys」に由来しています。 この製品が世界中で広く消費されているという事実を見逃してはなりません。 実際、高密度、柔らかさ、化学的不活性などの珍しい特徴の組み合わせにより、重晶石が使用される主要産業である石油およびガス部門は、この世界的な使用の主な受益者です。 他の用途は主に放射線防護と化学産業に焦点を当てています。 ここで、図 1 に示す重晶石粉末の製造に必要な手順について言及することが重要です。ただし、高い生産速度と困難な作業条件により、この粉砕中にさまざまな機械的および摩擦学的問題 (図 2) が発生します。最終的にはプロセス障害を引き起こします。 これらの問題は、時間的および経済的損失、製造速度の低下、最終製品の品質の低下をもたらします。

重晶石の破砕プロセス。

破砕プロセス: (a) クラッシャー、(b) 損傷前後のハンマー、(c) 摩耗損傷。

同じ文脈で、数人の研究者が金属材料の損傷を調査しました1、2、3、4、5。 実際、Arabnejad らは、 は、浸食粒子の硬度がステンレス鋼に及ぼす影響を調査し、粒子の硬度が増加するにつれて浸食率も上昇するという結論に達しました2。 ラグナ・カマチョら。 304 ステンレス鋼の浸食現象を分析しました。 摩耗応答は、ステンレス鋼 304 の浸食摩耗メカニズムが、90 度の衝撃角によるいくつかの大きな破片の脆性破壊によって説明できることを示しています4。

しかし、業界におけるクラッシャーの摩耗損傷を扱った文献研究は一般的ではありません6、7、8、9、10。 後者7,9は、オリーブオイル抽出や重晶石産業で使用される破砕機の摩耗損傷に焦点を当てています。 重晶石の破砕機に使用されるHCWCIの表面損傷を全体的に調査すると、表面接触で生成された摩耗粉によってもたらされた隆起によって分離された、連続した深くて広い溝が明らかになりました。 重晶石粒子がハンマーに継続的に衝突するため、損傷した表面には多数のクレーターや亀裂網も観察できます。 その結果、摩耗は摩耗現象と衝撃現象の両方の結果であると推測できます9。

さらに、Bahri et al.7 は、オリーブオイルの抽出に関する研究で、オリーブ種子の粒子が材料表面に繰り返し衝突した結果、抽出プロセス中に摩耗および衝撃摩耗現象が発生したことを報告しました。 実際、この損傷は、材料の除去につながる耕起現象、孔食作用、さらには大きな破片の剥離の結果として観察されるいくつかの溝の存在によって明らかになります。

研究者の中には、HCWCI のトライボロジー研究に焦点を当てた研究者もいます。 実際、Scandian ら 11 は、室温、V = 0.31 m/s、F = 20 N でピンオンディスクトライボメーターを使用して、高クロム白鋳鉄の微細構造と摩耗挙動との関係を分析しました。結果から、微細構造が材料の耐摩耗性に大きな影響を与えることがわかります。 実際、摩耗損失は、多相よりも完全にフェライト系のマトリックスの方が重要です。 さらに、Fernández ら 12 は、炭素含有量が高いおよび低い高クロム白鋳鉄の摩耗挙動を調査しました。 摩耗試験中、両方の材料の損傷は、接触領域の圧縮による塑性変形現象から始まり、いくつかの亀裂の発生につながったことがわかりました。 後者は、材料が小さな粒子に断片化することにつながります。 また、Coronado13 は、V = 66 rpm の一定速度でさまざまな荷重 (2 ～ 15 N) を加えた状態で、アルミナ砥粒を使用して白鋳鉄の摩耗を分析しました。 現在の研究は、垂直荷重が増加すると質量損失が増加することを示しています。 さらに、マトリックスに塑性変形が存在することが示されており、これは縦方向および横方向の試験片の摩耗表面の SEM 分析によって明らかになります。

また、最大荷重 15 N がかかった場合、超硬 M3C に亀裂が傷に対して約 45 度の角度で発生していることも報告されています。

他の研究者は、AISI P20 鋼の摩耗挙動を調査しました 14,15。 実際、Lopes ら 14 は P20 鋼の微小摩耗を研究しました。 摩耗痕の分析により、摩耗メカニズムの存在が明らかになります。 さらに、摩耗モードはローリング現象とスクラッチ現象の組み合わせです。 摩耗試験中に発生した摩耗粉の露出により、酸化摩耗も発生しました。

同じ文脈で、Pereira et al.15 は、窒素処理後の AISI P20 鋼の耐摩耗性とコバルト合金の堆積後の比較研究を詳しく説明しました。 摩耗試験は、ASTM G65-91 規格に従って実施されました。 結果の分析により、研磨流量と適用荷重の両方が増加すると、サンプルの体積損失が増加することがわかりました。 さらに、後者の効果は研磨剤の流れによる効果よりも重要であることに注意することが重要です。

この点において、今回の研究における AISI P20 鋼には、機械的品質と摩擦学的品質を改善するために特別な熱処理が施されました。 文献によると、Singh16 が述べているように、熱処理により延性、靱性、硬度、引張強さなどの軟鋼の品質が実際に向上します。

さらに、Chen ら 17 は、オーステナイト系ステンレス鋼 316 L の機械的特性が熱処理後に改善されることを実証しました。これは主に、この材料を構成する相の数とその形態によるものです。

この研究の目的は、粉砕プロセスによって引き起こされる膨大な摩耗損失を削減するために、HCWCI と AISI P20 の間の比較研究を実行することです。 この課題を達成するために、さまざまな荷重と試験期間の下でこれらの材料のトライボロジー研究が実施されました。

現在の研究では、切断用のロボット ワイヤー マシンを使用して、HCWCI と AISI P20 の両方のサンプル 40 × 40 × 4 mm3 を準備しました。 実際、HCWCI はさらなるテスト分析のために SOFAP 社から提供されました。 AISI P20については工業メーカーから購入しました。

HCWCI の化学組成が金属分光分析 (Jobin Yvon JY 48®) を使用して決定されたことは注目に値します。 ただし、AISI P20 の化学組成は、サプライヤーから提供された技術データによって決定されました。 表 1 は、両方の材料の化学組成を示しています。

摩耗試験の前に、AISI P20 鋼は機械的特性と摩擦学的特性を強化するために熱処理を受けていることに注意することが重要です。 実際、採用された熱処理はサプライヤーのデータベースに従って実行されました。 850 °Cの温度で20分間実行され、続いて油焼入れが行われます。 最後に、残留応力を最小限に抑えるために焼き戻しステップが実現されました。

摩耗試験の前に、各基板の表面を十分に洗浄しました。 2D プロフィロメトリー (Surtronic 25-Taylor Hobson) を使用して測定した Ra = 0.06 μm に等しい低粗さの滑らかな表面を実現するために、HCWCI と熱処理鋼 AISI P20 の両方を SiC ペーパーで機械研磨しました。 次いで、表面をアセトン溶液で脱脂し、不純物を除去した。

さらに、微小硬度計「フィッシャー硬度計」を使用して両方の材料の微小硬度を測定しました。これは、それぞれ HCWCI および AISI P20 に起因する HV0.05 = 742 および HV0.05 = 702 に相当します。

(ProgRes SpeedXTcore 5) カメラを備えた光学顕微鏡タイプ (ZEISS-Axiotech) を使用して、熱処理鋼 AISI P20 の微細構造を検査しました。 ただし、HCWCI の微細構造は走査型電子顕微鏡 (SEM、Jeol JSM-5410) を使用して確認されました。 この作業を達成するために、両方の試験片を最初に SiC 研磨紙を使用して研磨し、その後、熱処理鋼の場合はナイタール溶液 (3%) で 10 秒、HCWCI の場合はナイタール溶液 (4%) で 3 分間のエッチングステップを実行して準備しました。 。

HCWCI と熱処理鋼 AISI P20 は、回転ボールオンディスク トライボメーターを使用してトライボロジー調査を受けました。 文献 18,19 に基づいて、相手体としてアルミナボール (Al2O3) を使用しました。 私たちの研究では、直径 10 mm のアルミナ ボールが選択されました。

後者がカウンターフェース材料として選択されたのには、その独特の機械的性能という理由があります。 発表された研究 20,21 によると、アルミナは実際には 1400 HV 以上に達することもあるかなりの硬度と、Ra = 0.02 μm の表面粗さを持っています 22,23。 さらに、この材料は優れた耐損傷性を示します22。

摩耗試験は、ボールオンディスク構成を使用し、5 N と 10 N の 2 つの通常荷重、V = 0.31 m/s の速度で、さまざまな試験時間 (t = 60、120、180、および 240 分) で実行されました。 ）。 したがって、摩耗実験はすべて、周囲温度 (25 °C) での乾式滑り条件下で実施されました。 各摩耗試験の後、基板はアセトン溶液で洗浄され、表面に生成された摩耗片が除去されました。

摩耗試験の後、試験片の摩耗挙動を決定するためにさまざまな特性評価が実行されました。 実際、摩耗痕跡の内側と外側の形態と化学組成は、それぞれ走査型電子顕微鏡 SEM (FEI QUATRO) とエネルギー分散型 X 線分光法 (EDX) 技術によって測定されました。 さらに、2D 表面形状測定機 (Surtronic 25-Taylor Hobson) を使用して摩耗を定量化しました。

文献24に基づいて、次の式を使用して摩耗率（\(K)\）を計算しました。 (1):

ここに、F：垂直荷重、D：滑り距離。

摩耗物質の材料損失体積は、式(1)を使用して決定されました。 (2):

ここで、R は摩耗跡の半径です。 Ｓ：摩耗痕の断面積の平均。 R と S は 2D 表面形状測定機によって測定されました。 断面積の測定は 3 回実行され、結果は平均されました。

図 3 は、二次電子イメージングと光学顕微鏡下での熱処理鋼 AISI P20 を使用した HCWCI の微細構造を示しています。 HCWCIに起因する図3aの分析により、マルテンサイトマトリックス内に共晶ネットワークが存在することが明らかになりました。 さらに、図3aおよびbの拡大図は、HWCIの微細構造がマルテンサイトマトリックス中に析出した二次炭化物で構成されていることを示しています。 同様の微細構造は、高クロム鋳鉄の微細構造と特性に対する熱処理と合金添加の影響を研究した Karantzalis ら 25 によって観察されました。 しかし、熱処理鋼AISI P20の光学顕微鏡写真を分析すると、マルテンサイト微細構造全体が検出されました（図3c）。 我々の発見は、Priyadarshini et al.26 の発見と一致しています。 実際、彼らは研究の中で、AISI P20 の微細構造は直接焼入れ後に発達した硬質マルテンサイト相によって特徴づけられることを報告しました。

微細構造: (a) SEM による HCWCI、(b) 熱処理鋼 AISI P20 の (a) および (c) 光学顕微鏡の拡大。

(図 4) に示す摩擦係数の分析によると、HCWCI と熱処理鋼 AISI P20 の摩擦の進展には 2 つの段階が含まれます。 試験は、乾燥状態で V = 0.31 m/s に等しい速度、F = 5 N および 10 N に等しい 2 つの通常荷重で実施されました。 摩擦係数は、最初の段階、つまり「移行」段階で最大値まで大幅に上昇します。 定常状態として知られる第 2 段階では、試験片全体で一定のままですが、摩耗跡に形成された破片によって引き起こされる可能性のあるわずかな振動があります 18。 さらに、図 4 では、荷重を 5 N から 10 N に増加させると、HCWCI の摩擦係数が 0.7 から 0.9 に、熱処理鋼 AISI P20 の摩擦係数が 0.5 から 0.7 に増加したことが明らかです。 結果として、熱処理された AISI P20 の耐摩耗性は、HCWCI よりも興味深い可能性があります。 また、両方の材料で適用される荷重が増加すると、摩擦係数が増加することも観察されます。 この標高は、数人の研究者の研究によって承認されました 27,28。 一方、摩擦係数の変化に対するサイクル数の有意な影響は検出されませんでした。 通常の荷重または接触圧力と摩擦係数の間の相関関係が、いくつかの研究研究で考慮されていることに注意することが重要です29、30。 本研究では、垂直荷重の増加により、いくつかの理由により HCWCI と AISIP20 の摩擦係数が増加します。 (i) このようなトライボロジー挙動は、接触面の増加によって生成される摩耗粉の生成に関連している可能性があります。通常の負荷が増加したとき。 摩耗粉は研磨粒子として作用し、摩耗跡を増加させます。 (ii) 垂直荷重が増加すると、接触面で摩擦熱が発生します。 結合の結果、材料強度などの機械的特性が向上する可能性があります29。 通常荷重の増加の背後にある理由は、HCWCI と AISIP20 の両方のトライボロジー特性に対する高圧の影響を検出するためです。 重晶石の破砕プロセス中に、いくつかの粒子がさまざまなレベルの接触圧力で材料と接触し、材料の損傷挙動に影響を与える可能性があります。

HCWCI と AISI P20 の両方の摩擦係数の推移: (a) t = 60 分、(b) t = 120 分、(c) t = 180 分、(d) t = 240 分。

図 5 は、HCWCI と AISI P20 の両方の摩耗痕跡の SEM 形態を示しています。 HCWCI の摩耗軌跡を分析すると、いくつかの摩耗現象が検出できます。 図 5a は、摩耗痕跡に摩耗粉が存在することを示しており、5 N に等しい通常荷重下でのトライボロジー試験中に材料の剥離が発生することを示しています。その結果、いくつかの溝やクレーターが観察されることがあります。 倍率を上げると、炭化物相全体に微小亀裂の伝播が観察されました。 これらの微小亀裂により、摩擦中の材料の除去が増加します。 以前の研究では、重晶石破砕時のハンマー摩耗損傷を分析したときに同様の結果が得られました9。 炭化物全体にわたる放射状および縦方向の微小亀裂の交差により、事前に塑性変形を起こしていた材料の除去が引き起こされることが報告されています9,12。 これらの結果は、トライボロジー試験が HCWCI の実際の摩耗損傷を再現していることを裏付けています。 10 Nの通常荷重を適用した場合のSEM顕微鏡写真（図5b）は、蓄積された摩耗粉がすでに別の領域から剥離し、摩耗試験中に塑性変形し、高荷重下で蓄積することを示しています。 さらに、高倍率の SEM を実行したところ、垂直荷重の増加により、より深く幅広い微小亀裂を含む亀裂ネットワークが生成されることに注意することが重要です。 図5cに示されているAISI P20の摩耗軌跡に関しては、耕起現象として見られ、溝の存在は摩耗粉の生成による摩耗メカニズムを示しています。 同じ摩耗現象は、P20 鋼の浸炭とイオンプラズマ窒化の微小摩耗挙動研究に関する Lopes らの研究で発見されました 14。 また、摩耗粉は繰り返し摺動する際の塑性変形により摩耗痕内に付着します。 10 N に等しい垂直荷重を加えた場合にも同様の側面が見られました (図 5d)。

t = 240 分 (144,000 サイクル) の間の摩耗痕跡の SEM 顕微鏡写真。 (a) HCWCI_F = 5 N、(b) HCWCI _F = 10 N、(c) 熱処理鋼 AISI P20_F = 5 N、および (d) 熱処理鋼 AISI P20_F = 10 N。

HCWCI と AISI P20 の両方で得られた結果を比較すると、微小亀裂、クレーター、プラウ現象などの摩耗の側面に違いがあることに注目する価値があります。 摩耗応答に関しては、通常荷重の影響は AISI P20 よりも HCWCI の方が顕著です。

図 6 は、5 N および 10 N に等しい通常荷重下での両方の材料、HCWCI と AISI P20 の 2D プロファイルを示しています。

t = 240 分間 (144,000 サイクル) トラックを摩耗させます。 (a) HCWCI_F = 5 N、(b) HCWCI _F = 10 N、(c) 熱処理鋼 AISI P20_F = 5 N、および (d) 熱処理鋼 AISI P20_F = 10 N。

得られた曲線の分析から、AISI P20 による耐摩耗性が HCWCI による耐摩耗性よりも優れていることがわかります。 HCWCI の摩耗トラックの幅と最大摩耗深さは、両方の荷重において AISI P20 よりも大幅に重要です。 さらに、各材料について、荷重の増加により摩耗深さと摩耗跡の摩耗面積が増加することがわかります。 結果として、負荷が大きくなるほど、材料の除去も大きくなることが言えます31。

図 7 は、試験期間の関数としての HCWCI および AISI P20 の摩耗率の変化を示しています。 すべての曲線が同様の​​傾向を示していることが明確に示されています。 実際、得られた結果は、両方の材料の試験期間と通常の負荷が増加するにつれて摩耗率が増加することを示しています（図7）。 これらの発見は、いくつかの研究結果とよく一致しています 32,33。 鋼、アルミニウム、真鍮の摩耗率に対する荷重の影響を研究した Hani Aziz ら 32 は、荷重の増加がすべての材料の摩耗率の増加につながると述べました。 さらに、Lakshminarayana ら 33 は、EN-31 鋼に対する EN-8 鋼の摩耗率と摩擦抵抗に対する荷重の影響の研究に研究を集中させました。 彼らは、荷重を 20 N から 200 N に増加させると、摩耗率が約 4 × 10–4 から 77 × 10–4 mm3/N·m に増加することを発見しました。 さらに詳しく説明すると、摩耗率の増加は、接触領域の温度上昇による材料除去の増加の結果であり、加えられた荷重による摩擦の増加によってサンプルの挙動が延性のものに変化します。

摩耗率の進化。

さらに、AISI P20 では、F = 5 N と F = 10 N の両方の荷重下で摩耗率が大幅に減少したため、最高の耐摩耗性が維持されたことが明確に示されています。

図 8a と b は、通常荷重を 5 N から 10 N に増加させた場合の、HCWCI と AISI P20 の摩耗メカニズムの進化を総合的に示しています。

(a) HCWCI および (b) AISI P20 の通常荷重を 5 N から 10 N に増加させた場合の摩耗メカニズムの進化。

現在の研究では、HCWCI と熱処理鋼 AISI P20 の両方のトライボロジー特性間の比較研究が、周囲温度 (25 °C) の乾燥条件下で行われました。 加えられた荷重と試験時間の影響を実験的に研究しました。 実施された作業に従って、次の結論が導き出されます。

F = 5 N と F = 10 N の 2 つの荷重下でのピンオンディスク テストの結果は、HCWCI と熱処理鋼 AISI P20 の摩擦の進展が 2 段階で構成されていることを示しています。 最初の段階、つまり「移行」段階では、COF が急速に増加して最大値に達します。 第 2 段階、つまり定常状態では、摩擦は試験片全体で同じ値を保ちますが、多少の変動はあります。これは、摩耗跡で生成された破片の存在が原因である可能性があります。 摩擦曲線の分析により、HCWCI はすべての条件において AISI P20 と比較した場合に最も高い摩擦係数を特徴とすることが報告されています。

荷重を F = 5 N から F = 10 N に増加すると、COF 値は HCWCI では 0.7 から 0.9 に、熱処理鋼 AISI P20 では 0.5 から 0.7 に増加しました。

HCWCI の摩耗痕跡の SEM 形態は、材料損失を引き起こす摩耗のさまざまな特徴を示しています。 実際、微小な亀裂、摩耗、材料の剥離は深刻な損傷を引き起こします。

熱処理鋼 AISI P20 の摩耗痕跡に関しては、損傷がプラウ現象と溝の存在の両方を組み合わせていることが判明し、摩耗粉の生成による摩耗メカニズムを示しています。

摩耗応答の分析では、垂直荷重の影響が AISI P20 に起因するものよりも HCWCI の方が顕著であると述べられています。

形状測定分析は、HCWCI による摩耗深さが熱処理鋼 AISI P20 よりも重要であることを示し、後者が最高の耐摩耗性を示すことを示しています。

荷重を F = 5 N から F = 10 N に増加すると、摩耗深さと摩耗領域が増加し、損傷が大きくなります。

適用される垂直荷重が増加すると、摩耗率も増加します。

HCWCI は、熱処理鋼 AISI P20 が最高の耐摩耗性を備えていることを示す最も重要な摩耗率を示しています。

最後に、耐摩耗性を向上させ、損傷を軽減するために、HCWCI を AISI P20 に置き換えることもできます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究はチュニジア高等教育科学研究省の支援を受けました。

材料工学科、材料工学および環境研究所 (LGME)、スファックス国立工学部、スファックス大学、BPW1173、3038、スファックス、チュニジア

F. ゾウチ、A. バーリ、Z. アンタール、K. エルリュー

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転載と許可

Zouch、F.、Bahri、A.、Antar、Z. 他。 重晶石破砕産業で使用される高クロム白鋳鉄および熱処理鋼のトライボロジー性能。 Sci Rep 13、9229 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29627-4

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受信日: 2022 年 8 月 18 日

受理日: 2023 年 2 月 8 日

公開日: 2023 年 6 月 7 日

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

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