SUPERVISOR
Saleh Akbarzadeh,Alireza Alafchian
صالح اکبرزاده (استاد راهنما) علیرضا علافچیان (استاد مشاور)
STUDENT
Seied Mohamad Reza Abaspoor
سیدمحمدرضا عباس پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Experimental and Theoretical Study on Running-in Behavior of Nitrided Elements
Wear in the contacting elements is of economical and industrial concern and has captured the attention of various researchers for several decades. A large number of publications have been devoted to the gears and bearings to enhance their performance and wear resistance. During running-in, which is the first part of the life of a pair of fresh surfaces in sliding contact, the friction coefficient and roughness profile of contacting elements experience changes. Thus, the operating conditions of running-in period play an important role in the steady-state performance of mechanical elements such as gears, cam-followers, bearings, etc. One of the methods to enhance the performance of mechanical elements is to nitride them. In this research, friction and wear of nitrided and un-nitrided disks are experimentally and numerically studied. The selected variables are load and speed and properties such as running-in length, friction coefficient changes, and weight loss are measured as the outputs. The experiments are conducted using pin on disk test rig on samples made from 4140 steel. For all of the experiments the SAE 10W40 oil was used as lubricant and the weight loss during the test was measured using a digital scale. For the sake of accuracy, after each experiment the disks were drowned in acetonebath using an ultrasonic mixer, to remove all the oil and debris. For nitriding the disks, a higher value of hardness was required. Thus the samples were quenched and tempered to a hardness value of 370 HV. Nitriding parameters were 15% nitrogen and 85% hydrogen in a temperature of 520 C and pressure of 5 torr for six hours. After nitriding, the hardness value of disks was 580HV. A model based on the load-sharing concept has been developed to predict the friction coefficient as well as the contribution of asperities and lubricant film in carrying the load. A simple analysis has been added to predict the surfaces and the lubricant temperature. The lubricant temperature is then employed to predict the wear volume using the fractional film defect theory. The results for un-nitrided disks indicate that increasing the speed results in a higher lubricant film thickness and thus the wear volume decreases. Increasing the applied load, on the other hand, results in a decrease in the film thickness and as a result the wear volume increases. In the nitride case, the wear volume is a function of load only and does not depend on the speed. The diagrams of wear volume versus sliding distance show that the running-in period finishes approximately before 1500m after which the wear rate stabilizes. The experimental results showed that the friction coefficient in the lubricated case does not change during time for the unnitrided disks nor for the nitrided disks. This result was repeated for both short distance and long distance tests. Comparison between un-nitrided and nitrided disks indicates that in small speeds wear in un-nitrated disks is four times larger than nitrided disks while in higher speeds this ratio decreases to two and half. Friction coefficient is 11-19% lower in nitrided disks than un-nitrided disks. Keywords: Running-in, lubrication, Nitrided, Friction coefficient, Wear, pin on disk.
سایش قطعه هایی که با یکدیگر در تماس هستند یکی از نگرانی ها ی صنعتی و اقتصادی است که باعث پژوهش های مختلفی بر روی این موضوع شده است. تعداد زیادی از پژوهش ها به بررسی چرخدنده ها و یاتاقان های با ضریب اطمینان بالا و مقاوم به سایش پرداخته شده است . درطول زمان گذار سایش که دوره بسیار کوتاهی از عمر دو قطعه در حال لغزش بر روی یکدیگر است، ضریب اصطکاک و کیفیت سطح قطعه های در حال سایش پیوسته در حال تغییر هستند تا اینکه به حالت پایا برسند. بنابراین شرایط کارکرد قطعه ها در زمان گذار سایش نقش مهمی را در عملکرد قطعه های در حال سایش از جمله چرخ دندهها، برینگها، پیرو و بادامک و غیره در زمان پایا ایفا میکند. نیتراسیون یکی از روش های بهبود عمکرد قطعه های مکانیکی است. در این پژوهش به بررسی اصطکاکی و سایشی دیسک های نیتراته شده به صورت تجربی و تئوری پرداخته شده است. پارامترهای ورودی این آزمایشها عبارتند از سرعت، نیرو و کیفیت سطح اولیه که تاثیر آن ها بر روی پارامترهای گذار سایش از جمله مسافت طی شده در زمان گذار، کاهش وزن نمونه، ضریب اصطکاک و غیره بررسی شده است. آزمایش ها با استفاده از دستگاه پین بر روی دیسک بر روی دیسک های ساخته شده از جنس فولاد 4140 انجام شد. روغن SAE10W40 روان کار مورد استفاده در تمام آزمایش ها بود و مقدار میزان سایش با استفاده از ترازوی دیجیتال محاسبه گردید. برای اطمینان بیشتر از پاک شدن آلودگی ها و روان کا، بعد از هر آزمایش دیسک ها در ظرف حاوی استون و بعد از آن در هم زن آلتراسونیک گذاشته شدند. دیسک ها قبل از نیتراسیون احتیاج به سختی بالا دارند، بنابراین با کوئنچ و تمپر کردن نمونه ها سختی آن ها به HV 370 رسید. عملیات نیتراسیون با نسبت گاز 15 درصد نیتروژن و 85 درصد هیدروژن در دما ی520 درجه سانتی گراد و فشار 5 تور به مدت 6 ساعت انجام شد. سختی نهایی دیسک ها بعد از عملیات به HV 580 رسید. دربخش تئوری به کمک تماس بیضوی و با فرض تقسیم شدن بار اعمالی بر روی روان کار و زبری ها، ضخامت لایه روغن و نسبت تقسیم بار محاسبه شد و به کمک ضرایب تقسیم بار امکان محاسبه ضریب اصطکاک، دمای لحظه ای تماس پین بر روی دیسک و میزان سایش و شبیه سازی آن ها بوجودآمد در بررسی تجربی نمودار میزان سایش بر حسب مسافت برای دیسک ساده مشخص شد که با افزایش سرعت ضخامت روان کار افزایش پیدا کرده ودر نتیجه میزان سایش کاهش پیدا می کند، بر خلاف سرعت با افزایش بار در دیسک های ساده، ضخامت روان کار کاهش یافته و میزان سایش افزایش یافت. در دیسک های نیتراته شده میزان سایش تنها به تغییر بار وابسته بود و با تغییر سرعت تقریبا ثابت باقی می ماند. تمام نمودارها ی میزان سایش بر حسب مسافت تا مسافت m 1500 به دوره پایا وارد شدند. نتایج تجزبی آزمایش های همراه با روانکار حاکی از این بودند که نمودار ضریب اصطکاک بر حسب مسافت برای هر دو نوع دیسک های ساده و نیتراته شده هیچ تغییری را نشان نمی دهد و این نتایج برای آزمایش های با مسافت بالا وکوتاه تکرار شد. با مقایسه نتایج دیسک های نیتراته شده و ساده مشخص شد که در سرعت های پایین افزایش میزان سایش برای دیسک های ساده حدودا 4 برابر دیسک های نیتراته شده و برای سرعت های بالا این نسبت حدودا 2.5 برابر بود و در دیسک های نیتراته شده ضریب اصطکاک حدودا 11%-19% کمتر از دیسک های ساده بود. کلمه های کلیدی: 1- دوران گذار 2- روان کاری 3- نیتراته شده 4- ضریب اصطکاک 5- سایش