Abrasion Resistance of S235, S355, C45, AISI 304 and Hardox 500 Steels with Usage of Garnet, Corundum and Carborundum Abrasives

В статті містяться результати випробувань основних типів сталей при терті по нежорстко закріплених частинках абразивуВ статье содержаться результаты испытаний основных типов сталей при трении о нежостко закрепленные абразивные частицыThe article contains the results of tests of the main types of steels by friction on non-rigidly fixed abrasive particles. The steel presents a wide field of application. The abrasive wear resistance of steel relies mainly on the microstructure, hardness as well as on the abrasive material properties. Moreover, the selection of a abrasion-resistant grade of steel still seems to be a crucial and unsolved problem, especially due to the fact that the actual operating conditions can be affected by the presence of different abrasive materials. The aim of this work was to determine the effect of different abrasive grit materials i.e. garnet, corundum and carborundum on the abrasive wear result of a commonly used in industry practice steels i.e. S235, S355, C45, AISI 304 and Hardox 500. The microstructure of the steel was investigated using light optical microscopy. Moreover, hardness was measured with Vickers hardness tester. Additionally, the size and morphology of the abrasive materials were characterized. The abrasion tests were conducted with the usage of T-07 tribotester (dry sand rubber wheel). The results demonstrate that the hardness and structure of steels and hardness of abrasive grids influenced the wear results. The abrasive wear behavior of steels was dominated by microscratching and microcutting wear mechanisms. The highest mass loss was obtained for garnet, corundum, and carborundum, respectively. The usage of various abrasives results in different abrasion resistance for each tested steel grade. The AISI 304 austenitic stainless steel presents an outstanding abrasive wear resistance while usage of corundum and Hardox 500 while using a garnet as abrasive material. The C45 carbon steel was less resistant than AISI 304 for all three examined abrasives. The lowest resistance to wear in garnet and carborundum was obtained for the S235JR and S355J2 ferritic-perlitic carbon steels and in corundum for Hardox 500 which has tempered martensitic structure

Investigations into the degradation mechanism of thermal barrier applied in IC engine

In the present paper the results of investigations into the degradation mechanizm of thermal barrier coating (TBC) applied in spark ignited and naturally aspirated diesel engines are presented. The TBC comprised 0.09 mm thick NiCrAlY bond coat and 0.36 mm thick Al2O3-40%TiO2 top coat. The coating was atmospheric plasma sprayed on piston heads, inlet and outlet valves and engine head. Top coating was heavily damaged in thermal fatigue tests and in exploitation test on spark ignited engine. The mechanism of damage was spalling of the outermost layer of ceramics. Porosity of the ceramic coating increased significantly which made the coating permeable to the products of combustion and thus facilitated corrosion attack on bond layer. Spalling of coating did not increase wear of piston rings and sleeves. X-ray diffraction studies proved high phase stability ofAl2O3-40%TiO2 top coat. Al2Or40%TiO2 APS sprayed coating cannot be considered the alternative top coat to currently used ZrO2-8%Y2O3in engine applications. Thermal barrier coating based on Al2O3-40%TiO2 can not be used for adiabatization of diesel or spark ignited engines. Al2O3-40%TiO2 based TBC can be used in less demanding applications

Properties of Ni-Co based overlay coatings

Stopy na osnowie niklu i kobaltu wykazują wysoką odporność na korozję i zużycie cierne i dlatego są rozważane do zastosowania na przylgniach zaworów wylotowych silników spalinowych. W pracy przedstawiono wyniki badań powłok na osnowie Ni-Co, napawanych plazmowo przy pomocy urządzenia NP1-250. Stwierdzono przydatność urządzenia do syntezy stopów z proszku na osnowie Ni oraz proszku na osnowie Co. Przeanalizowano rozkłady pierwiastków stopowych w celu określenia jednorodności wytworzonych powłok. Zbadano związek pomiędzy wartościami odporności na zużycie ścierne powłok oraz ich składem chemicznym i jednorodnością. Wytworzone powłoki charakteryzują się właściwościami przewyższającymi właściwości stellitów El-Co12 i El-Co6. Nowe powłoki cechowały się wysoką odpornością na zużycie ścierne, zmniejszającą się wraz ze wzrostem zawartości kobaltu w powłoce.Ni-Co based alloys reveal high corrosion and sliding wear resistance and thus can be considered to perform coatings on seal faces of exhaust valves of internal combustion engines. The paper presents the results of investigations of the Ni-Co based coatings deposited by means of the NP1 250 plasma unit. The feasibility of synthesizing alloys from the mixture of Ni and Co based powders was proven. The distributions of alloying elements were analyzed in order to evaluate the homogeneity of the coatings produced. The dependence of abrasive wear resistance of coatings on their chemical composition and homogeneity was examined. The performed coatings reveal better properties than El-Co12 and El-Co6 coatings. New coatings demonstrated abrasion resistance which decreased with the increasing Co content in the coating

Wpływ bariery cieplnej na rozkład temperatur i naprężeń w silniku ZS

The paper presents results of FEM investigations into the effect of thermal barrier coating (TBC) on stress and temperature distributions in the components of naturally aspirated diesel engine. Calculations were performed by means of Abaqus ver. 6.8-3 computer program. The considered coating was plasma sprayed double-layered TBC consisting 0.15 mm thick NiCrAl bond layer and 0.3 mm ZrO2-8%Y2O3 top coat. TBC reduced the maximum temperature of the cylinder head by 15K compared to uncoated metal head, increased temperature of the outlet channel by 10 K and reduced maximum temperatures in inlet and outlet valves by 2 and 1.2 K, respectively. Although maximum temperature of the pis ton head remained the same after deposition of the coating but the range of temperatures at the piston head was reduced by 23.8%. Application o f TBC considerably reduced stresses in acritical region of outlet valve- the interface of stellite hardfacing /valve. The highest thermal stresses in the TBC were in the bondcoat, which confirms the common localization of damages. Stress concentrations were also found in the metal part at the edges of TBC and at the edges of the recess machined in the piston head. The reduction of metal temperatures and thermal gradients in protected components should have some positive effect on the components' durability.W pracy przedstawiono rezultaty badań numerycznych wpływu powłoki typu bariery cieplnej (TBC) na rozkład temperatur i naprężeń w elementach wolnossącego silnika ZS. Obliczenia numeryczne zostały wykonane przy pomocy programu Abaqus wer. 6.8-3. Rozważano natryskaną plazmowo powlokę dwuwarstwową składającą się z warstwy podkładowej o gr. 0,15 mm i warstwy ceramicznej ZrO2-8%Y2O3 o grubości 0,3 mm. TBC obniżyła maksymalną temperaturę głowicy silnika o 15 K w porównaniu do głowicy nie pokrytej powłoką oraz obniżyła maksymalne temperatury zaworów wylotowego i dolotowego o 2 K i 1,2 K, odpowiednio. Wprawdzie maksymalna temperatura tłoka pozostała stała ale obniżył się o 23,8% zakres temperatur na powierzchni tłoka. Zastosowanie powłoki znacznie obniżyło wartość naprężeń w krytycznym miejscu zaworu wylotowego- granicy podłoża i warstwy napawanej stellitem Najwyższa wartość naprężeń TBC występowała w warstwie podkładowej co potwierdziło częstą lokalizację pęknięć. Znaleziono również koncentracje naprężeń na krawędzi TBC i krawędzi wybrania w denku tłoka. Obniżenie temperatur metalu i gradientów temperatur w pokrytych elementach powinno wydłużyć trwałość elementów

Stopy do napawania plazmowego przylgni zaworów wylotowych

The paper presents results of corrosion investigations of alloys used for PTA deposition and three experimental Ni-Co based alloys for plasma deposition containing 37.7-60.5% Ni, 22.8-38% Co and 10.8-18% Cr. Results were compared with experimental data obtained in the similar experiment on currently applied valve steels and H23N18 heat resistant steel. Experimental alloys containing 15-18% of chromium revealed higher heat resistance compared to valve steels and H23N18 heat resistant steel. Experimental alloys Nos 1 and 2 demonstrated lower linear loss in corrosion test carried out in molten salts compared to satellite grade 6. The chemistry of molten salts used in crucible tests resembled that of deposits formed on exhaust system elements of engines burning heavy fuels. Experimental alloys in corrosion research tests in the air atmosphere proved the smaller increase of mass in the temperatures of tests 1073 K and 1173 K, in comparison to Stellite grade 6 alloy, currently used to weld deposition on valve sealing surface. Considering of the contents of hard phases assuring good wear resistance and the their high corrosion resistance, coatings welded on with the powder mixtures based on nickel and cobalt can be poised for the application on sealing surfaces of exhaust valves of diesel engines instead of currently applied expensive Stellite grade 6 alloy.W pracy przedstawiono wyniki badań korozyjnych stopów stosowanych do napawania metodą plazmową oraz TIG a także trzech stopów eksperymentalnych na osnowie Ni-Co, o zawartości 37,7-60,5% Ni, 22,8-38% Co oraz 10,8-18% Cr i przewidywanych do napawania metodą plazmową. Rezultaty porównano z wynikami badań dla aktualnie stosowanych stali zaworowych i stali żaroodpornej H23N18. Stopy eksperymentalne o zawartości 15-18% Cr wykazały wyższą żaroodporność od stali zaworowych i stali żaroodpornej H23N18 i aktualnie stosowanego do napawania stopu stellite grade 6. Stopy eksperymentalne w badaniach korozyjnych w atmosferze powietrza wykazały, w porównaniu do aktualnie stosowanego do napawania przylgni zaworów stopu Stellite grade 6, mniejsze przyrosty masy w temperaturach testu 1073 K i 1173 K. Stopy Ni-Co nr 1 i 2 wykazały mniejszy ubytek liniowy w porównaniu do stellitu grade 6 w badaniach korozyjnych w stopionych solach, których skład chemiczny był zbliżony do składu osadów utworzonych na elementach układów wydechowych silników napędzanych ciężkimi paliwami. Z uwagi na zawartość twardych faz zapewniających dobrą odporność na zużycie oraz wysoką odporność na korozję powłoki napawane mieszaninami proszków na osnowie niklu oraz na osnowie kobaltu mogą być rozważane do zastosowania na przylgniach zaworów wylotowych silników Diesla zamiast aktualnie stosowanego kosztownego stellitu grade6

Analiza przyczyn uszkodzeń głowic silników diesla 4C90

Warunki pracy głowic silników można określić jako ciężkie ze względu na występujące obciążenia mechaniczne i cieplne. Istotnym czynnikiem jest również nierównomierność nagrzewania się głowic silników. Głowice silników ze względu na swój skomplikowany kształt są wykonywane w technologii odlewniczej a najczęściej stosowanymi stopami są żeliwa stopowe i siluminy. Konstrukcja głowicy zależy od przyjętego systemu spalania, usytuowania zaworów i wałka rozrządu oraz liczby zaworów przypadających na cylinder. Powierzchnia głowicy pomiędzy gniazdami zaworów należy do najbardziej obciążonych cieplnie miejsc głowicy. W pracy przedstawiono przyczyny uszkodzeń głowic silnika 4C90. Podano rezultaty badań metalograficznych. Lokalizacja pęknięć była związana z rozkładami temperatur i naprężeń. Obliczenia numeryczne rozkładów temperatur i naprężeń były wykonane za pomocą programu MES Abaqus Standard. Pęknięcia pojawiały się w miejscach występowania najwyższych temperatur i naprężeń. Zwykle powstaje kilka pęknięć, z których jedno formuje złom. Obliczenia numeryczne MES określają rejon mostka międzyzaworowego jako miejsce najbardziej narażone na uszkodzenie, w którym występuje największe naprężenie, około 250 MPa. Miejscem podatnym na pękanie jest również mostek pomiędzy zaworem wylotowym i wkładką żarową. Ze względu na występujące wartości naprężeń, można scharakteryzować mechanizm uszkadzania powierzchni ogniowej głowicy jako zmęczenie niskocyklowe. Obliczone wartości temperatury i naprężeń są w dobrej zgodności z opublikowanymi pracami. Wyniki badań eksperymentalnych potwierdzają rezultaty obliczeń numerycznych.The work conditions of IC engines heads can be defined as heavy, considering the occurring mechanical and thermal loads. The essential factor is also inequality of warming of the engine heads. Considering their complicated shape, the heads of engines are manufactured in the casting process, and material most often applied is alloy iron or silicon aluminum alloy. The construction of head will depend of the assumed combustion system, valve and camshaft placement and the number of valves in the single cylinder. The head surface between the valve inserts is the most heavily thermally loaded head place. The paper reviews causes of failure to naturally aspirated 4C90 diesel engine heads. Results of metallographic examinations of scrapped engine heads are given. Locations of cracks were connected with stress and temperature distributions. Numerical analysis of temperatures and stresses developed in the engine head was performed by means of Abaqus Standard finite element program. Cracks origins appeared in regions of high temperature and stress levels. Usually a few cracks originated and one of them developed, forming fracture. Finite element method numerical calculations define inter-valve bridge region as the place most susceptible to the damage, in which the largest stresses, valued about 250 MPa are appearing. The place also susceptible on cracking is the bridge between exhaust valve and glow insert. Considering the values of stresses occurring, it is possible as to characterize the mechanism of the igneous head surface damage as a low cycle wear. The computed values of the temperature and the stresses are in the good conformability with values published in the literature. The results of experimental investigations confirm the results of numerical calculations

Analiza przyczyn uszkodzeń zaworów dolotowych i wylotowych silników diesla

The paper presents results of MES calculations of temperature, stress and displacement distributions. The considered engine was the actual naturally aspirated one of 4C90. Calculations were performed by means of Abaqus Standard computer program. The engine elements considered were exhaust and inlet valves. This numerical tool used in the calculations enabled the execution of the finite element method calculations in non-linear range on the basis of iterative calculations of the geometrically non-linear issues using Newton - Raphson methods. The elements utilized in model were of C3D8T type, 8th. nodal, hexagonal to paired temperature-distortional analysis with the shape function of the first type. The elements of this type were used to model geometrically straight elements, such as: the valve seats, weld overlay, the valve guides, the valve disks, the valve stems. The remaining parts of engine were modelled with the utilization of C3D4T elements 4th nodal, tetragonal to paired temperature-distortional analysis with the shape function of the first type. The paired temperature-distortional analysis was carried out. The total number of elements was 371095, in this 20698 elements in inlet valve, 15117 elements in exhaust valve, 3264 elements in weld overlay, 2108 of elements in inlet valve seat, 1664 elements in exhaust valve seat, 126233 elements in the head. Obtained results are in fair agreement with similar studies for the other CI engines. Results of experimental studies into wear mechanisms at the valve seat surfaces are presented. Corrosion, adhesion and indentation wear were documented by means of SEM and EDX measurements. Results of numerical calculation proved that significant sliding takes place on the mating surfaces, which was caused by the mutual displacement of valve seat insert and valve stem.W pracy przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych wykonanych metodą elementów skończonych rozkładów naprężeń, temperatur i odkształceń. Rozpatrywanym silnikiem był wolnossący silnik ZS typu 4C90. Obliczenia wykonano przy pomocy programu Abaqus Standard. Rozpatrywanymi elementami silnika były zawory dolotowe i wylotowe. Zastosowane do obliczeń narzędzie numeryczne umożliwiało wykonywanie obliczeń MES w zakresie nieliniowym w oparciu o iteracyjne techniki obliczeń zagadnień geometrycznie nieliniowych z wykorzystaniem metody Newtona - Raphsona. W modelu wykorzystano elementy typu C3D8T 8-węzłowe, heksagonalne do analizy sprzężonej temperaturowo-odkształceniowej z funkcją kształtu 1-rzędu. Elementy tego typu były wykorzystane do zamodelowania elementów prostych geometrycznie, takich jak: gniazda zaworów, napoina, prowadnice zaworów, talerzyki zaworów, trzonki zaworów. Pozostałe części silnika zamodelowano z wykorzystaniem elementów C3D4T 4-węzłowych, tetragonalnych do analizy sprzężonej temperaturowo-odkształceniowej z funkcją kształtu 1-rzędu. Wykonano analizę sprzężoną temperaturowo-odkształceniową. Liczba elementów wynosiła 371095, w tym 20698 elementów w zaworze ssącym, 15117 elementów w zaworze wydechowym, 3264 elementy w napoinie, 2108 elementów w gnieździe ssącym, 1664 elementy w gnieździe wydechowym, 126233 w głowicy. Rezultaty analiz numerycznych są w dobrej zgodności z publikowanymi wynikami dla innych silników ZS. Zostały przedstawione wyniki badań eksperymentalnych mechanizmu zużywania powierzchni przylgni zaworów. Udokumentowano metodami SEM i EDX występowanie korozji, odkształcenia plastycznego oraz zużycia adhezyjnego. Rezultaty obliczeń numerycznych udowodniły, że występuje znaczny poślizg na powierzchni tarcia co jest spowodowane wzajemnym przemieszczeniem gniazd i zaworów