Oberflächenqualität und Trockengleitverschleißverhalten der AZ61Mg-Legierung unter Verwendung der Abbott-Firestone-Technik

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12437 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Derzeit werden Magnesiumlegierungen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen häufig eingesetzt. Die AZ61Mg-Legierung, eine häufig verwendete Magnesiumlegierung, weist jedoch bekanntermaßen eine schlechte Verschleißfestigkeit auf, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher verschiedene Oberflächenbehandlungstechniken untersucht, darunter die Abbott Firestone-Methode, um die Verschleißfestigkeit dieser Legierung zu verbessern. Diese Studie verwendet die Response-Surface-Methodik (RSM), um die Auswirkungen von Druck und Geschwindigkeit auf das Verschleißverhalten und die Abbott Firestone-Zonen der AZ61Mg-Legierung zu untersuchen. Drei Druck- (0,01, 0,015 und 0,02 MPa) und Geschwindigkeitsniveaus (0,57, 0,76 und 0,95 m/s) werden verwendet, um trockene Gleitverschleißtests bei Raumtemperatur unter Verwendung einer Stift-auf-Scheibe-Methode mit einer experimentellen Entwurfstechnik durchzuführen ( SOMMERZEIT). Die Varianzanalyse ANOVA wird verwendet, um die Beziehung zwischen den Eingabeparametern (Druck und Geschwindigkeit) und den Reaktionen (Verschleißrate, Oberflächenrauheitsparameter Rz und Abbott Firestone-Zonen) der AZ61Mg-Legierung zu identifizieren. Die optimierten Modelle für die Verschleißrate und Abbott Firestone-Zonen lieferten genaue Schätzungen, die die Kosteneffizienz und Effizienz verbessern können. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Druck und Geschwindigkeit das Verschleißverhalten der AZ61Mg-Legierung erheblich beeinflussen.

Leichtmetalle mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften werden derzeit als mögliche Lösung für die Energiekrise in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie untersucht. Magnesium (Mg) erfreut sich bei Forschern und Wissenschaftlern weltweit zunehmender Beliebtheit als eines der vielversprechendsten Leichtmetalle. Magnesium ist das leichteste Strukturmetall. Im Allgemeinen weist Mg gute Eigenschaften auf, wie z. B. eine hohe Dichte, ein Dämpfungsvermögen und eine gute Größenstabilität1,2,3. Die hexagonale Gitterstruktur von Magnesiumlegierungen hat großen Einfluss auf deren Grundeigenschaften. Metalle mit sechseckigem Gitter weisen eine komplexere plastische Verformung auf als Metalle mit kubischem Gitter. Da die Anforderungen an gefertigte Elemente ständig steigen, ist es sinnvoll, eine Verbesserung der Qualität der gefertigten Teile anzustreben. Die Oberflächentextur ist der am häufigsten verwendete Indikator für die Oberflächenqualität4.

Abbildung 1 stellt die häufigsten Verformungsmodi in der Mg-Kristallstruktur dar, einschließlich Versetzungsschlupf und Zwillingsplänen. In Mg gibt es zwei Arten von Gleitsystemen: basale und nichtbasale Gleitsysteme (einschließlich prismatischer und pyramidenförmiger Gleitsysteme)5. Spannungszwillinge (z. B. 1012 [1011]) und Druckzwillinge (z. B. 1011 [1012]) sind die häufigsten Zwillingsmodi in Mg und ermöglichen Zug- bzw. Druckzüge entlang der c-Achse.

Häufige Verformungsmodi in Mg: Versetzungsgleiten (links); Zwillingsmodi (rechts)5.

Obwohl Mg mehr Gleitsysteme aufweist als Al, ist seine Duktilität immer noch geringer, insbesondere bei Raumtemperatur.

Obwohl Magnesiumlegierungen (Mg) die leichtesten Strukturmetalle sind, ist es aufgrund ihrer hexagonal dicht gepackten Kristallstruktur schwierig, sie bei niedrigen Temperaturen zu verformen. Um die Warmumformbarkeit zu verbessern, können nicht-basale Schlicker bei hohen Temperaturen während der Metallbearbeitung von Mg-Legierungen aktiviert werden3,6.

Die Oberflächenbeschaffenheit ist der am häufigsten verwendete Indikator für die Oberflächenqualität. Wissenschaftliche Untersuchungen haben jedoch nur die 2D-Oberflächenrauheitsmetriken der Oberfläche untersucht, um ihren Zustand nach der Bearbeitung zu beurteilen. Darüber hinaus sind Ra (arithmetische mittlere Profilabweichung) und Rz die beiden am häufigsten verwendeten Rauheitsparameter (eine Spitzenhöhe des Profils). Für mehr Sicherheit sollte in der Beschreibung eine größere Auswahl an 2D-Oberflächen- und 3D-Flächenrauheitsparametern angegeben werden2.

Die Abbott-Firestone-Kurve ist ein Werkzeug, mit dem sich die anfänglichen und abgenutzten Oberflächen von Materialien charakterisieren lassen. Sie erfasst die Veränderungen, die während des Verschleißes auftreten, genauer als die Oberflächenrauheit (Ra). Die Kurve kann verwendet werden, um die Auswirkungen synergistischer Prozesse, beispielsweise tribologischer Prozesse, zu bewerten und die Wahrscheinlichkeit zukünftiger Veränderungen der Oberfläche vorherzusagen7,8.

Sosa et al.9,10 verwendeten die Abbott-Firestone-Kurve, um die Texturqualität von Zahnradzähnen zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Hohlräume in der Oberfläche während des Tragens scheinbar unverändert bleiben, während die Unebenheiten abgetragen werden. Affatato et al.11 verwendeten die Kurve, um die abgenutzte Oberfläche eines Femurkopfes aus Hochleistungskeramik zu identifizieren.

Mathia und Pawlus12 betonten die Bedeutung der Oberflächencharakterisierung und -prüfung bei der Untersuchung, wie sich unterschiedliche Oberflächentopographien auf die tribologischen Eigenschaften auswirken. Bruzzone et al.13 stellten fest, dass die Beziehung zwischen Oberflächentopographie, Funktion und Anwendung ein besonders anspruchsvolles Unterfangen ist, bei dem ein besonderer Schwerpunkt auf der Tribologie liegt.

Kara et al.14 untersuchten die Auswirkungen einer flachen und tiefen kryogenen Behandlung auf Sleipner-Kaltarbeitsstahl im Hinblick auf Mikrohärte, Mikrostruktur, Reibungskoeffizient und Verschleißrate.

Techniken der Versuchsplanung (DOE) und der Varianzanalyse (ANOVA) werden häufig anstelle der zeitaufwändigen und teuren experimentellen Technik mit jeweils einem Faktor verwendet. Die Response Surface Methodology (RSM) ist eine DOE-Technik, die Modellierungstechniken verwendet, um die Beziehung zwischen experimentellen Eingabe- und Ausgabevariablen herzustellen. RSM wurde verwendet, um Prozesseigenschaften zu verbessern und mechanische und tribologische Eigenschaften vorherzusagen15,16,17,18.

Chauhan und Dass19 untersuchten mithilfe von RSM, wie sich Last, Geschwindigkeit und Gleitstrecke auf die Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen (Grad 5) auswirken. Sie fanden heraus, dass die Verschleißrate mit zunehmender typischer Belastung und Geschwindigkeit zunimmt und mit zunehmender Gleitstrecke und abnehmender Geschwindigkeit abnimmt. Meddah et al.20 untersuchten den Einfluss der Last (P) und der linearen Gleitgeschwindigkeit (V) auf das Verschleißverhalten und den Reibungskoeffizienten von 13Cr5Ni2Mo-Stahl.

Bei der Entwicklung beanspruchter Teile, wie beispielsweise medizinischer Implantate, ist es entscheidend, dass Oberflächen dauerhaft funktionieren und spezifische Funktionseigenschaften aufweisen, wie etwa Dauerfestigkeit, tribologische Eigenschaften und Hafteigenschaften. Die Vorhersage dieser Eigenschaften ist im Zusammenhang mit Gleitreibungsphänomenen und abrasivem Verschleiß von wesentlicher Bedeutung.

Obwohl Magnesiumlegierungen in verschiedenen Bereichen wie der Raumfahrt, medizinischen Implantaten und der Automobilindustrie immer häufiger eingesetzt werden, weisen sie bei Raumtemperatur eine geringe Duktilität auf. Studien zu Verschleißeigenschaften haben gezeigt, dass die AZ61Mg-Legierung eine relativ hohe Verschleißrate aufweist, insbesondere bei hohen Belastungen und Gleitgeschwindigkeiten, was zu einem vorzeitigen Ausfall von Komponenten wie Zahnrädern führen kann. Daher ist es notwendig, das Verschleißverhalten der AZ61Mg-Legierung mithilfe einer zuverlässigen und quantitativen Technik wie der Abbott Firestone-Technik zu untersuchen, um die verschlissene Oberfläche zu bewerten und die wichtigste Ausnutzungszone zur Verhinderung von Getriebeausfällen zu identifizieren.

Durch die Behebung der Nachteile der AZ61Mg-Legierung, insbesondere ihrer geringen Verschleißfestigkeit, könnte diese Studie zu einer breiteren Verwendung von Magnesiumlegierungen in verschiedenen industriellen Anwendungen beitragen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbereich und bei medizinischen Implantaten.

Das Versuchsmaterial war eine gegossene AZ61-Mg-Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung von Mg–6,14Al–1,39Zn–0,15Si–0,13Cu (Gew.-%) und warmgewalzt, um die komplizierte Phase (Mg17Al12-Ausscheidungen) in einer Matrix aufzulösen. Die Phasen, die sich möglicherweise in der AZ61-Mg-Legierung unter Nichtgleichgewichts- und Gleichgewichtsbedingungen bilden, wurden mit der thermodynamischen Phasendiagramm-Software JMatPro berechnet, die mit einer thermodynamischen Datenbank für Magnesiumlegierungen verknüpft war.

Die vorliegende Studie führte einen Verschleißtest an zylindrischen Verschleißproben mit einem Pin-on-Ring-Tribometer-Testgerät unter trockenen Bedingungen bei Umgebungstemperatur durch. Die Verschleißversuche wurden dreifach durchgeführt und die durchschnittliche Verschleißrate berechnet. Das in den Experimenten verwendete Verschleißwerkzeug war ein durch Drehen gehärteter Edelstahlring mit einem Außendurchmesser von 73 mm und einer Oberflächenhärte von 63 HRC. Die Verschleißproben hatten eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 15 mm. Vor jedem Test wurde die Ringoberfläche mit verschiedenen Schmirgelblättern mit einer Körnung von 1000 poliert. Eine konstante Belastung von 50 N wurde 5 Minuten lang mit drei verschiedenen Drücken (0,01, 0,015 und 0,02 MPa) und verschiedenen linearen Drücken ausgeübt Es werden Gleitgeschwindigkeiten (0,57, 0,76 und 0,95 m/s) verwendet. Die Oberflächenrauheit der oberen kreisförmigen Basis der gedruckten Proben wurde mit dem Mitutoyo Surftest SJ-201 gemessen.

Vor der Verschleißprüfung wurde das Gewicht der Proben mit einer elektronischen Waage mit einer Genauigkeit von 0,1 mg ermittelt. Die abgenutzten Oberflächen der verschleißgeprüften Proben wurden mittels Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) analysiert. Die Fotos der abgenutzten Oberfläche wurden mit der Software Gwyddion und Matlab analytisch und grafisch verarbeitet. Mithilfe statistischer Analysen und Excel-Software wurden Oberflächenrauheits- und Abbott-Firestone-Kurven erstellt.

Verschleißversuche wurden bei verschiedenen Drücken in MPa und linearen Geschwindigkeiten in m/s durchgeführt, wie in Tabelle 1 aufgeführt.

Das REM-Bild in Abb. 2 zeigt eine Probe aus einer AZ61-Legierung, die nicht wärmebehandelt wurde. Die Probe besteht aus einer Kombination zweier Materialien – einer festen Magnesiumlösung namens α-Mg und einer intermetallischen Verbindung namens Mg17Al12. Die Mg17Al12-Verbindung erscheint als Mischung aus kontinuierlichen und diskontinuierlichen β-Phasen an den Korngrenzen. Die EDS-Analyse der Probe in Abb. 2b zeigt, dass sowohl die helle als auch die dunkle Phase im Bild Magnesium-, Zink-, Sauerstoff- und Aluminiumelemente enthalten.

Mikrostruktur (a) und EDS (b) der Mg-Legierung AZ61 im Lieferzustand.

Es besteht hauptsächlich aus einer Mg-Matrix mit Mg17Al12-Inseln (spröde Phase). Dies wird durch die JMatPro-Software hervorgehoben, bei der der Volumenanteil von Mg (Alpha-Phase) mehr als 85 % beträgt, wie in Abb. 3 unten zu sehen ist. Der Volumenanteil der Mg17Al12-Inseln beträgt etwa 12 %.

Phasentypen und ihr Phasenanteil in der AZ61-Mg-Legierung, berechnet anhand des Gleichgewichts und der Modelle.

Das Gleichgewichtsmodell wurde verwendet, um die Arten und Mengen der Phasen zu berechnen, die in einer AZ61-Mg-Legierung im Lieferzustand auf der Grundlage ihrer chemischen Zusammensetzung vorhanden sind. Die Ergebnisse sind in Abb. 2a, b dargestellt. Dem Modell zufolge ist die Hauptsekundärphase der Legierung Mg17Al12, die etwa 12 % ihres Gewichts ausmacht. Die Mikrostruktur enthält auch geringe Mengen an T_AlCuMgZn, Mg2Si und Al4Mn. Das Modell sagt voraus, dass diese Nebenphasen, die im interdendritischen Bereich der Mikrostruktur im Gusszustand vorhanden sind, während der Homogenisierungsbehandlung verschwinden und beim langsamen Abkühlen nach der Homogenisierung erneut ausfallen. Die in Abb. 3 dargestellte XRD-Analyse der Legierung bestätigt das Vorhandensein von zwei Arten von Verbindungen in der Mikrostruktur: α-Mg als Matrix und Mg17Al12 als primäre und sekundäre Phase.

Abbildung 4 ist das XRD-Plateau für AZ61. Es zeigt Ausfällungen des Mg17Al12-Komplexes. Außerdem zeigt es, dass die Basisebene ein markanter Peak (0001) ist.

XRD von AZ61.

Die vorstehenden Abbildungen bieten eine umfassende Darstellung der mikrostrukturellen Merkmale und der Elementzusammensetzung einer AZ61-Magnesiumlegierungsprobe und beschreiben die Verteilung verschiedener Phasen und Nebenkomponenten innerhalb der Mikrostruktur unter Verwendung fortschrittlicher Analysetools wie FESEM, EDS, XRD und JMatPro-Software.

Abbildung 5 zeigt den Gewichtsverlust der AZ61-Mg-Legierung nach 15 Minuten bei verschiedenen Drücken (0,01–0,02 MPa) und Geschwindigkeiten (0,57–0,96 m/s).

Gewichtsverlust bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Drücken.

Die in Abb. 5 dargestellten Ergebnisse zeigen einen klaren Zusammenhang zwischen der Dauer des Verschleißtests in Minuten und dem entsprechenden Gewichtsverlust in Milligramm unter verschiedenen Drücken in MPa und Geschwindigkeiten in m/s. Die Daten zeigen, dass der Gewichtsverlust des Materials mit zunehmender Dauer des Verschleißtests zunimmt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass längeres Tragen zu einer fortschreitenden Verschlechterung des Materials führen kann.

Das Verschleißverhalten des getesteten Materials wurde unter verschiedenen Druck- und Geschwindigkeitsbedingungen bewertet, wobei der höchste Gewichtsverlust bei maximalem Druck (0,02 MPa) und Geschwindigkeit (0,96 m/s) beobachtet wurde, während der niedrigste Gewichtsverlust bei mittlerem Druck (0,01 m/s) beobachtet wurde MPa) und Geschwindigkeit (0,57 m/s). Der Einfluss von Druck und Geschwindigkeit auf die Verschleißrate konnte jedoch in Abb. 5 nicht klar unterschieden werden, was die Notwendigkeit einer umfassenden Untersuchung beider Parameter unterstreicht. Zu diesem Zweck wurde ein mathematisches Modell erstellt, um die Verschleißrate als Funktion von Druck und Geschwindigkeit auszudrücken, und eine Varianzanalyse (ANOVA) wurde eingesetzt, um das Verhalten der Verschleißrate aufgrund der beiden Parameter zu analysieren.

Abbildung 6 zeigt verschlissene Oberflächen bei verschiedenen Bedingungen (z. B. Geschwindigkeiten und Drücken). Einige optische Fotos, wie die Proben 1 und 2, weisen tiefe und dunkle Vertiefungen auf (wie in optischen Bildern zu sehen). Dies könnte auf komplexe Al12Zn17-Ausscheidungen zurückzuführen sein, die drei Körper zu abrasiven Verschleißmechanismen machen. FESEM-Fotos betonen die Existenz komplexer Al12Zn17-Ausscheidungen. Alle Proben weisen unter allen tribologischen Parametern (Geschwindigkeiten und Drücke) aufgrund des adhäsiven Verschleißmechanismus plastische Linien (Pflüge) auf. Die Reibungsarten sind Abrieb, Adhäsion und Pflügen.

Optische und FESEM-abgenutzte Oberflächendetails verschiedener Proben.

Abbildung 7 beschreibt die verschlissenen 3D-Oberflächen. Es ist zu bemerken, dass die Proben 2 und 7 nur eine homogene abgenutzte Oberfläche ergeben; Die Proben 1, 3, 4, 5, 6, 8 und 9 weisen jedoch eine inhomogene abgenutzte Oberfläche auf.

3D-abgenutzte Oberfläche verschiedener Proben.

Abbildung 8 beschreibt die verschiedenen Durchschnittsspitzen (Rz) für andere tribologische Bedingungen. Die Proben 3, 7 und 8 weisen breite Spitzen der Kontaktoberfläche auf, während die übrigen Proben schmale Spitzen (Punkte) der Kontaktoberfläche aufweisen.

Profil der abgenutzten Oberfläche verschiedener Proben.

Abbildung 9 zeigt die Verteilungsintensität verschlissener Oberflächenfehler. Die Proben 2, 3 und 7 weisen aufgrund des Drei-Körper-Mechanismus mehrere abgenutzte Oberflächenfehler auf.

Normalverteilung der Oberflächenrauheit für verschiedene Proben.

Die Oberflächenrauheit der abgenutzten Proben wurde anhand von drei Zahlen bewertet. Abbildung 7 zeigt, dass die Oberflächenrauheitsprofile zwischen den Proben erheblich variierten. Nur die Proben 2 und 7 hatten homogene abgenutzte Oberflächen, während die anderen inhomogen waren.

Abbildung 8 zeigt die mit der MATLAB-Software berechneten durchschnittlichen Oberflächenrauheitswerte. Es zeigt die unterschiedlichen durchschnittlichen Peakhöhen (Rz) für die Testbedingungen. Die Proben 3, 7 und 8 wiesen breitere Spitzen auf, was auf rauere Kontaktflächen hinwies, während die anderen schmalere Spitzen aufwiesen. Dies entspricht den verschiedenen Profilen in Abb. 7.

Die durchschnittliche Oberflächenrauheit nahm im Allgemeinen unter allen Bedingungen mit der Gleitgeschwindigkeit zu. Diese Profile konnten die Textur jedoch nicht im Detail quantifizieren. Die Abbott-Firestone-Technik wurde verwendet, um die Oberflächenrauheit aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten und Drücke zu quantifizieren.

Abbildung 9 veranschaulicht die Intensität verschlissener Oberflächenfehler. Die Proben 2, 3 und 7 wiesen mehrere Mängel auf, die wahrscheinlich auf den Verschleiß der drei Körper zurückzuführen waren.

Um das Verhalten der verschlissenen Oberfläche besser zu verstehen und den Schlüsselparameter (Druck oder Geschwindigkeit) zu bestimmen, wurde eine mathematische Modellierung erstellt, die die Verschleißrate gegenüber Geschwindigkeit und Druck simuliert. Es ist von entscheidender Bedeutung, den Zusammenhang zwischen Abbott Firestone-Zonen und Druck und Geschwindigkeit zu untersuchen und ein Modell zu erstellen, das ihre Beziehungen zum Ausdruck bringt, um die Auswirkungen zu quantifizieren.

Abbildungen 10 zeigen die Abbott-Firestone-Kurven für verschiedene Probenbedingungen. Die Kurven lassen sich in drei Zonen einteilen:

Zone I: Die Zone mit hohem Spitzenwert, die bei den meisten Bedingungen mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit ungefähr zunimmt.

Zone II: Die Ausbeutungszone, die mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit etwa abnimmt.

Zone III: Die Lückenzone.

Abbott-Feuersteinkurven verschiedener Proben.

In einigen Fällen kann die Hohlraumzone verschwinden und nur noch zwei Zonen übrig bleiben: die Hochspitzenzone und die Ausbeutungszone.

Abbildung 10 zeigt die Abbott Firestone-Kurven für jede Probe, die die Ausbeutungszone (Ladezone) angeben. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Proben eine breite Ausbeutungszone mit einem Mindestwert von 76 % oder mehr aufweisen. Probe 2 weist jedoch eine kleine Ausbeutungszone von nur 18 % auf, was auf ein höheres Risiko eines katastrophalen Ausfalls schließen lässt.

Die Ausbeutungszone ist der Bereich der Oberfläche, der am stärksten belastet ist. Dieser Bereich ist auch am anfälligsten für Verschleiß. Je größer die Nutzungszone, desto gleichmäßiger wird die Last über die Oberfläche verteilt, was dazu beitragen kann, katastrophale Ausfälle zu verhindern. Die kleine Ausbeutungszone in Probe 2 (0,01 MPa, 0,76 m/s) deutet darauf hin, dass die Last nicht gleichmäßig über die Oberfläche verteilt ist. Dies könnte zu örtlichem Verschleiß führen, der schließlich zu einem katastrophalen Ausfall der Probe führen könnte.

Das als ANOVA bekannte statistische Designtool ermöglicht die Differenzierung der einzelnen Auswirkungen der kontrollierten Variablen. Die Ermittlung statistisch signifikanter Kontrollfaktoren erfolgt typischerweise anhand experimenteller Daten. Mithilfe der DOE-Software und einer Response-Surface-Technik wurden die Auswirkungen von Druck (p) und Geschwindigkeit (V) auf die Verschleißrate, die Spitzenhöhe (Rz) und die Ausbeutungszone statistisch untersucht. Basierend auf diesen Effekten wurden dann empirische Abbott-Firestone-Modelle entwickelt.

Um den Zusammenhang zwischen tribologischen Parametern (Druck und Geschwindigkeit) und Oberflächenrauheit zu untersuchen, wurde ein experimenteller Entwurfsansatz zur Bewertung des Verschleißverhaltens eingesetzt. Abbildung 11 veranschaulicht die Auswirkung verschiedener Druck- und Geschwindigkeitskombinationen auf die Verschleißrate (mg/min). Die Ergebnisse zeigen, dass die Verschleißrate im Allgemeinen mit zunehmendem Druck und zunehmender Geschwindigkeit zunimmt, mit Ausnahme einer bemerkenswerten Spitze bei mittlerer Geschwindigkeit und maximalem Druck.

Zusammenhang zwischen verschiedenen Geschwindigkeiten und Druck auf die Verschleißrate.

Es scheint klar, dass die kritische Verschleißrate bei mittlerer linearer Geschwindigkeit (0,76 m/s) und relativ hohem Druck (0,02 MPa) liegt. Um einen Verschleißratenwert aus den neun Punkten von Tabelle 1 abzuleiten, sollte ein weiteres Diagramm erstellt werden (Konturdiagramm), wie in Abb. 12 dargestellt. ANOVA-Ergebnisse bezüglich der Verschleißratenreaktion für die AZ61Mg-Legierung sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Konturbeziehung zwischen Lineargeschwindigkeit, Druck und Verschleißrate in mg/min.

Abbildung 13 beschreibt den Einfluss von Druck und Geschwindigkeit auf den Oberflächenrauheitsparameter (Rz). Außerdem sind die ANOVA-Ergebnisse für die Rz-Reaktion für die AZ61Mg-Legierung in Tabelle 3 aufgeführt.

Oberflächenrauheitsparameter Rz.

Es scheint klar, dass der Druck (bei niedriger Geschwindigkeit) der dominierende Parameter für die Erhöhung (Rz) ist. Bei hoher Geschwindigkeit hat der Druck einen leichten Einfluss.

Abbildung 14 verdeutlicht den Einfluss tribologischer Parameter (Geschwindigkeiten und Drücke) auf die Ausbeutungszone der verschlissenen Oberfläche. Die ANOVA-Ergebnisse für die Reaktion der Ausbeutungszone für die Legierung AZ61Mg sind ebenfalls in Tabelle 4 aufgeführt.

Einfluss tribologischer Parameter (Geschwindigkeiten und Drücke) auf die Ausbeutungszone.

Es ist offensichtlich, dass die Ausbeutungszone bei niedrigem Druck – hoher Geschwindigkeit oder umgekehrt – stark zunimmt.

Die Bedeutung der Modelle für die Verschleißrate, den Oberflächenrauheitsparameter Rz und die Ausbeutungszone wurde mithilfe des Modell-F-Werts und des P-Werts bewertet. Der F-Wert des Modells ist ein Maß für die Gesamtanpassung des Modells, während der P-Wert ein Maß für die Signifikanz jedes Termes im Modell ist. Das Modell für die Verschleißrate ist signifikant, mit einem F-Wert des Modells von 109,27 und P-Werten von weniger als 0,05 für alle Terme. Die Modellterme A, B, AB, A2, B2 und A2B sind alle wichtig für die Vorhersage der Verschleißrate. Das Modell für Rz ist ebenfalls signifikant, mit einem Modell-F-Wert von 15,87 und P-Werten von weniger als 0,05 für die Terme B und AB.

Das Modell für die Ausbeutungszone ist mit einem Modell-F-Wert von 124,53 und P-Werten von weniger als 0,05 für alle Terme das aussagekräftigste.

Die vorhergesagten R2- und angepassten R2-Werte für alle drei Parameter liegen einigermaßen nahe beieinander, was darauf hindeutet, dass die Modelle gut passen. Auch die Adeq Precision-Werte für alle drei Parameter sind stark, was darauf hindeutet, dass das Signal-Rausch-Verhältnis ausreichend ist.

Die empirischen Gleichungen für alle drei Parameter können verwendet werden, um die Reaktion für bestimmte Ebenen jedes Faktors vorherzusagen. Die Gleichung für die Ausbeutungszone sollte jedoch nicht zur Schätzung der relativen Bedeutung jedes Faktors verwendet werden, da die Koeffizienten so skaliert sind, dass sie die Einheiten jedes Faktors berücksichtigen, und der Achsenabschnitt nicht in der Mitte des Designraums liegt.

Die folgende Tabelle fasst die Ergebnisse der Modellbewertung zusammen:

Parameter

Modell-F-Wert

P-Wert

Vorhergesagtes R2

R2 angepasst

Adeq-Präzision

Verschleißrate

109.27

< 0,05

0,7831

0,9819

38.712

Rz

15.87

< 0,05

0,7141

0,7880

14.394

Ausbeutungszone

124,53

< 0,05

0,3373

0,9863

37.756

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Modelle für Verschleißrate, Rz und Ausbeutungszone alle aussagekräftig und gut passen. Die empirischen Gleichungen für diese Modelle können verwendet werden, um die Reaktion für bestimmte Ebenen jedes Faktors vorherzusagen.

Diese Studie untersuchte die abgenutzte Oberflächentopographie und die mathematische Modellierung der AZ61Mg-Legierung mittels RSM. Aus den Ergebnissen der Experimente und Modellierungen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Die AZ61Mg-Legierung weist aufgrund ihrer starken (0001)-Ebene eine hohe Plastizität auf, was zu zahlreichen plastischen Fließlinien führt. Komplexe Ausscheidungen (Mg17Al12) können die Legierung jedoch anfällig für einen Übergang von einem adhäsiven in einen abrasiven Verschleißmodus machen.

Bei mäßiger Geschwindigkeit und hohem Druck verursachen komplexe Ausscheidungen Resonanzphänomene, die zu einem Kipppunkt führen.

Wenn die lineare Geschwindigkeit und der Druck zunehmen, erhöht sich auch die Verschleißrate. Allerdings zeigt der Verschleißparameter Rz bei hohem und niedrigem Druck unterschiedliche Trends. Unter hohem Druck nimmt Rz mit zunehmender Lineargeschwindigkeit nur geringfügig zu, während es unter niedrigem Druck deutlich zunimmt. Umgekehrt nimmt Rz bei niedrigem Druck mit zunehmender Lineargeschwindigkeit moderat ab.

Bei niedrigem Druck ist die Ausbeutungszone ein wichtiger Faktor, um Materialversagen zu widerstehen. Die Ausbeutungszone vergrößert sich deutlich mit zunehmender Lineargeschwindigkeit. Umgekehrt wird bei niedriger Lineargeschwindigkeit der gleiche Effekt durch Erhöhung des Drucks erreicht. Wenn jedoch eine hohe Geschwindigkeit erreicht wird, beginnen die Ausbeutungswerte dramatisch zu sinken, da der Druck abnimmt, und erreichen schließlich einen Wendepunkt, ab dem die Werte wieder mit der gleichen Geschwindigkeit ansteigen wie beim vorherigen Rückgang.

Insgesamt ist das Verständnis des mechanischen Verhaltens der AZ61Mg-Legierung eine Herausforderung. Die Analyse der Verschleißfestigkeit und der Ausfalleigenschaften erfordert die Berücksichtigung verschiedener Faktoren, wie z. B. der Niederschlagsmorphologie, des Drucks und der Geschwindigkeit. Diese Komplexität macht die AZ61Mg-Legierung zu einem einzigartigen Material mit potenziellen Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen.

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

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Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für plastische Verformung, Metal Technology Institute, Central Metallurgical R&D Institute (CMRDI), Kairo, 11421, Ägypten

Eman H. El-Shenawy & Ahmed IZ Farahat

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EHE-S., AIZF studieren Konzeption und Design. EHE-S. bereitete das Material vor und führte die Tests durch; EHE-S., AIZF-Analyse und Interpretation der Ergebnisse. EHE-S., AIZF; Erstellung des Original-Manuskriptentwurfs durch Schreiben. EHE-S. Schreiben-Rezension und Bearbeitung. Alle Autoren überprüften die Ergebnisse und genehmigten die endgültige Version des Manuskripts.

Korrespondenz mit Eman H. El-Shenawy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

El-Shenawy, EH, Farahat, AIZ Oberflächenqualität und Trockengleitverschleißverhalten der AZ61Mg-Legierung unter Verwendung der Abbott-Firestone-Technik. Sci Rep 13, 12437 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39413-x

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Eingegangen: 08. Mai 2023

Angenommen: 25. Juli 2023

Veröffentlicht: 01. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39413-x

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