Zdolność nanokompozytowych powłok węglowych do tarcia w ekstremalnych warunkach

The paper presents an analysis of the micromechanical properties of selected thin, hard anti-wear coatings of the type nc-TiN/a-C and nc-TiC/a-C, which were deposited by magnetron sputtering on a steel substrate. The load carrying capacity of the nanocomposite coatings was analysed in point contact with the use of indentation method, a scratch test, and friction test in contact with a ceramic ball. The hardness and modulus of elasticity of the coatings were determined by an instrumented indentation method using a Vickers indenter. The coating adhesion to the substrate was examined in a scratch test. Tribological tests in sliding contact with an Al2O3 ball were made at various loads to determine the limit load in which normal friction occurs. The results of tribological tests were compared with the resistance to plastic deformation index (H3/E2). It was found that the basic micromechanical parameters of coatings provide important information concerning durability and load carrying capacity. However, while predicting wear, it is also important to investigate the nature of the wear process during friction. The wear nature of the nc-TiN/a-C and nc-TiC/a-C coatings depends on the load value and the number of forced loads.W pracy przedstawiono analizę właściwości mikromechanicznych wybranych cienkich, twardych powłok przeciwzużyciowych typu nc-TiN/a-C oraz nc-TiC/a-C, które zostały osadzone metodą magnetronowego rozpylania na podłożu stalowym. Zdolność nanokopozytowych powłok do przenoszenia obciążeń analizowano w styku skoncentrowanym metodą indentacyjną poprzez testy zarysowania oraz testy tarciowe z ceramiczną kulą. Twardość i moduł sprężystości powłok określono instrumentalną metodą wciskania wgłębnika Vickersa, a adhezję powłok do podłoża zbadano w teście zarysowania. Testy tribologiczne w ślizgowym styku z kulą Al2O3 wykonano przy różnych obciążeniach w celu określenia granicznego obciążenia, w którym zachodzi tarcie normalne. Wyniki badań tribologicznych porównano ze wskaźnikiem odporności na plastyczną deformację (H3/E2). Stwierdzono, że podstawowe parametry mikromechaniczne powłok niosą ważną informację o trwałości i zdolności do przenoszenia obciążeń, jednak w prognozowaniu zużycia istotne jest również zbadanie charakteru zużycia podczas tarcia. Przebieg procesu zużywania powłok nc-TiN/a-Ci nc-TiC/a-C uzależniony jest od wielkości nacisku oraz liczby wymuszeń obciążeniowych

Właściwości tribologiczne spieków ceramicznych Al2O3/ZrO2

The paper presents mechanical and tribological properties of Al2O3/ZrO2 composite sinters with different proportions of Al2O3 and ZrO2 phases. These materials are commonly used in dry friction contact due to relatively low manufacturing costs of even complex shapes of products and the possibility of working at elevated temperatures. The tests were carried out by the ball-on-disc method at temperatures of 20, 150, 300, and 500°C. A ball made of Al2O3 was used as a counterpart. The results were compared with the following sintered mono-phase materials: Al2O3 (alumina) and tetragonal yttria-stabilized ZrO2 polycrystallines (Y-TZP). The tests showed the significantly better properties of composite materials.W pracy przedstawiono właściwości mechaniczne i tribologiczne spieków kompozytowych Al2O3/ZrO2 o różnej proporcji faz Al2O3  i ZrO2. Są to materiały chętnie stosowane w węzłach tarcia suchego ze względu na relatywnie niskie koszty wytwarzania nawet skomplikowanych kształtów wyrobów i możliwość pracy w podwyższonych temperaturach. Testy przeprowadzono na stanowisku z węzłem tarcia ball-on-disc w temperaturach 20, 150, 300 i 500°C, jako przeciwpróbkę zastosowano kulkę wykonaną z Al2O3. Wyniki badań porównywano z wynikami badań spieków wytwarzanych z materiałów jednofazowych: α- Al2O3&nbsp (korund) i tetragonalnych polikryształów ZrO2  stabilizowanych tlenkiem itru (tzw. Y-TZP). Badania wykazały znacząco lepsze własności materiałów kompozytowych

Wpływ wielowarstwowej budowy twardych powłok na ich odporność na mikroudarowe zużycie zmęczeniowe

Fatigue cracking of thin hard anti-wear coatings occurs, among others, in the tribological contact of sliding friction pairs, in the top layers of cutting tools coatings, as well as in the surface of elements subjected to erosion processes. Coating fatigue wear is initiated as a result of cyclic interactions with micro-roughness of counterpart or other elements or particles that repeatedly impact the surface. The selection of appropriate coatings can increase the durability of machine components that are subjected to fatigue impact loads. The paper presents the results of tests on micro-impact fatigue wear of elements covered with single TiN and DLC coatings, as well as multi-layer (Ti/TiN)×8 type. Fatigue tests were carried out using the micro-impact method by cyclic impact of the surface of the coating with a diamond ball. The experiments were performed using a special laboratory stand. The correlation between fatigue life of coatings and their micromechanical properties such as Young's modulus and hardness were also examined. The hardness and Young's modulus were determined by an instrumented indentation method. The test results proved that the (Ti/TiN)×8 multilayer coating demonstrates wear 1.4 times smaller than the sample with the TiN coating and 1.2 than the sample with the DLC coating.Pękanie zmęczeniowe cienkich twardych powłok przeciwzużyciowych występuje m.in. w styku tribologicznym ślizgowych węzłów tarcia, w warstwach wierzchnich pokryć narzędzi skrawających, a także w powierzchni elementów poddanych procesom erozyjnym. Zużycie zmęczeniowe powłok inicjowane jest na skutek cyklicznych interakcji z mikronierównościami przeciwelementu lub innymi elementami bądź cząstkami, które wielokrotnie uderzają w powierzchnie. Dobór odpowiednich powłok może zwiększyć trwałość elementów maszyn, które poddane są obciążeniu udarowemu o charakterze zmęczeniowym. W pracy przedstawiono wyniki badań odporności na mikroudarowe zużycie zmęczeniowe elementów pokrytych powłokami pojedynczymi TiN oraz DLC, a także wielowarstwowymi typu (Ti/TiN)×8. Testy zmęczeniowe przeprowadzono metodą mikroudarową poprzez cykliczne uderzanie w powierzchnię powłoki kulą ceramiczną. Eksperymenty wykonano przy zastosowaniu specjalnego stanowiska pomiarowego. Zbadano również występowanie korelacji pomiędzy trwałością zmęczeniową powłok i ich właściwościami mikromechnicznymi takimi jak moduł Younga oraz twardość, które wyznaczono statyczną metodą wciskania wgłębnika. Wyniki badań dowiodły, że wielowarstwowa powłoka (Ti/TiN)×8 wykazuje zużycie 1,4 razy mniejsze od próbki z powłoką TiN oraz blisko 1,2 od tej z powłoką DLC

A Simulation Model for Regenerated Objects with Multiparameter Evaluation of Technical Condition Reliability Estimation

The paper presents the developed simulation model allowing one to estimate the reliability of objects whose technical condition is described by a set of geometrical features. Their values change during operation because of the wearing processes of the part under consideration. The operational availability (or unavailability) of a technical object is determined by the evaluation conducted using a set of criteria referring to its analysed features. In addition, the proposed model enables one to take into account the regeneration of such objects

Metoda szybkiej oceny niezawodności układów typu k z n

IEC 61508 standard could be used in the evaluation of safety of the k-out-of-n technical systems, including elements which may remain in one out of four different reliability states. Such a model leads to the huge complexity of analytical calculations and the limitations of its practical application possibilities. Therefore, a computerised method using Markov processes for estimating the reliability of k-out-of-n systems was developed. The algorithmization of the applied computational procedure was performed. It allowed one to analyse systems including a huge number of elements. An algorithm that may be applied for complex k-out-of-n systems was developed and used for exemplary calculations. The developed method was verified by comparing the obtained results with the ones obtained from analytical method as well as simulation method. The compatibility of results obtained in the two methods confirms the correctness of the developed procedure and proposed computer program which now offers the possibility of doing calculations for k-outof-n structures with more than three elements required for the system’s proper functioning and significantly accelerates calculations. Reliability and safety are priorities in the operation of technical systems. This decides of the applicability of the calculation methods described. The operational safety aspects are of particular significance in cases when the occurrence of a failure is a hazard to people’s health and life, ecological risk or considerable financial loss.Norma IEC 61508 może być stosowana do oceny poziomu bezpieczeństwa układów technicznych typu k z n, w których elementy mogą pozostawać w jednym z czterech różnych stanów. Przyjęcie takiego modelu prowadzi do ogromnej złożoności obliczeń analitycznych i ograniczeń w praktycznych możliwościach ich zastosowania. W związku z tym, do oceny niezawodności tego typu układów opracowano komputerową metodę wykorzystującą procesy Markowa. Następnie przeprowadzono algorytmizację opracowanej procedury obliczeniowej, co pozwoliło na analizę systemów obejmujących dużą liczbę elementów. Na podstawie opracowanego algorytmu przeprowadzono przykładowe obliczenia. Opracowaną metodę zweryfikowano porównując otrzymane wyniki z wynikami uzyskanymi metodą analityczną oraz metodą symulacyjną. Zgodność wyników uzyskanych w tych dwóch metodach potwierdza prawidłowość opracowanej procedury i proponowanego programu komputerowego, który oferuje obecnie możliwość wykonywania obliczeń dla struktur typu k z n z więcej niż trzema elementami wymaganymi do prawidłowego funkcjonowania całego systemu i znacząco przyspiesza obliczenia. Niezawodność i bezpieczeństwo są priorytetami w eksploatacji systemów technicznych i mają szczególne znaczenie w przypadkach, gdy wystąpienie awarii stanowi zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi, powoduje ryzyko ekologiczne lub znaczne straty finansowe

Model adaptacyjnej strategii prewencyjnej odnowy złożonych obiektów technicznych

The paper presents results of the analysis of the developed models for complex technical objects preventive maintenance scheduling. Models based on two different sets of assumptions were developed. The general problem solved was to determine the joint time of preventive renewal for a group of parts or subassemblies. The purpose of the first model (the model of scheduled preventive maintenance strategy) is to determine the profitability of constant application of a previously developed preventive maintenance schedule for a part undergoing post-failure renewal. The second model (the model of adaptive strategy of a system’s preventive maintenance) allows one to determine a new joint time of preventive renewal for a group of parts each time when one of them is undergoing a post-failure renewal. The initial preventive maintenance strategy for each part or subassembly was obtained using typical tools for maintenance planning (decision-random models based on dynamic programming and Bellman’s principle of optimality). Exemplary simulation calculations with the use of both models were made and their results presented as the total maintenance costs estimated for the renewal strategies developed. The object of the analysis were the chosen geometrical features of a rail vehicle wheel changing due to its wear during operation. Based on this kind of analysis, one can choose a better preventive maintenance model for a specific application area.W artykule przedstawiono wyniki analizy opracowanych modeli do planowania odnowy profilaktycznej złożonych obiektów technicznych, które oparto o dwa różniące się od siebie zestawy założeń. Rozwiązywany problem dotyczy określenia wspólnego czasu odnowy profilaktycznej grupy części lub podzespołów złożonego obiektu. Pierwszy z opracowanych modeli (model planowej strategii odnowy prewencyjnej) pozwala określić zasadność przeprowadzenia ustalonego wcześniej, planowego odnowienia prewencyjnego części obiektu, która została już odnowiona poawaryjnie. Drugi model (model adaptacyjnej strategii odnowy prewencyjnej) umożliwia wyznaczenie najbliższego wspólnego czasu odnowy profilaktycznej grupy części, z których jedna aktualnie podlega odnowie poawaryjnej. Początkowe (wyjściowe) strategie odnowy profilaktycznej każdej części bądź podzespołu wyznaczone zostały za pomocą standardowych narzędzi do planowania odnawiania profilaktycznego (modeli decyzyjno-losowych wykorzystujących programowanie dynamiczne Bellmana). Posługując się opracowanymi modelami odnowy, przeprowadzono przykładowe obliczenia symulacyjne, których wyniki przedstawiono w postaci całkowitych kosztów obsługiwania dla każdej z uzyskanych strategii. Przedmiotem analizy były wybrane cechy geometryczne koła pojazdu szynowego, których wartości zmieniają się na skutek zużycia w procesie eksploatacji. Na podstawie tego rodzaju analiz można wybrać lepszy (tj. efektywniejszy ekonomicznie) z modeli dla konkretnego zastosowania w praktyce

Analiza właściwości mechanicznych i tribologicznych powłok wielowarstwowych Zr/Zr2N

The paper presents the analysis of effect of the Zr to Zr2N layer thickness ratios of 1:1, 1:2, and 1:4 on the mechanical properties of Zr /Zr2N multilayer coatings. With the increase in the amount of the ceramic phase in the multilayer coating, an increase in hardness from 11 to 14.5 GPa and Young's modulus from 158 to 211 GPa was observed. This was accompanied by improved scratch resistance as critical load LC2 raises from 17 to over 30 N. A ratio increase from 1:1 to 1:2 caused a 3-fold improvement in the coating wear resistance, which was also accompanied by a change in the wear mechanism. However, there was no further improvement of this parameter with a ratio increase to 1:4. Microscopic analysis of wear tracks, using the TEM technique revealed that the Zr metal layers change the direction of crack propagation. This phenomenon results in the improved fracture resistance of multilayer coatings compared to single coatings. Such a mechanism was even observed for the 1:4 coating with the thinnest 58 nm Zr layers.W pracy przedstawiono analizę wpływu stosunku grubości warstw Zr i Zr2N 1:1, 1:2 i 1:4 na właściwości mechaniczne powłok wielowarstwowych Zr/Zr2N. Wraz ze wzrostem udziału fazy ceramicznej w powłoce wielowarstwowej obserwowano wzrost jej twardości z 11 do 14,5 GPa i modułu Younga ze 158 do 211 GPa. Towarzyszyła temu także poprawa odporności na zarysowanie, o czym świadczy wzrost wartości obciążenia krytycznego LC2 z 17 do ponad 30 N. Wzrost stosunku z 1:1 do 1:2 powodował 3-krotną poprawę odporności na zużycie powłoki, czemu towarzyszyła także zmiana mechanizmu zużywania. Natomiast nie następowała dalsza poprawa tej cechy przy wzroście stosunku do 1:4. Analizy mikroskopowe torów tarcia przy użyciu techniki TEM wykazały, że warstwy metali Zr powodują zmianę kierunku propagacji pęknięć, co przekłada się na poprawę odporności na pękanie powłok wielowarstwowych w stosunku do powłok pojedynczych. Mechanizm taki obserwowano nawet dla powłoki 1:4, dla której grubość warstwy Zr była najmniejsza i wynosiła 58 nm

An evaluation method of preventive renewal strategies of railway vehicles selected parts

The aim of the work was to develop a method of verification of the preventive renewal strategies, which enables a simulation evaluation of the effects of the application of a specific schedule of inspections of parts that are important in the operation of complex renewable technical objects. Using it requires having an already established schedule of inspections, and the result of applying the method is determined by indicators that assess the usefulness of the strategy, even before implementation. The developed computational tool was used to evaluate the renewal strategy of the current collector contact plates. Based on the real operational data, several renewal intervals were considered, determining the frequency of events involving the plate covering a specific mileage, from exceeding the wear control limit value to the next inspection (replacement). The proposed verification method is an important tool for testing and planning technical inspections for systems and elements with planned wear, and parts are periodically replaced