Tribological Stress Behaviour of Cast Iron without and with Surface Treatment under Concentrated Contact Load*
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A. Holst
,
A. Buchwalder
Abstract
The graphite inclusions typical of grey solidified cast iron materials reduce the load-bearing capacity under locally concentrated pressure and simultaneous sliding stress. Surface treatment processes such as nitriding and electron beam remelting are known to improve the local stress behaviour. In this paper, the effects of the above-mentioned individual processes and their combination on the tribological stress behaviour of ferritic and pearlitic cast irons with different graphite morphologies are discussed. The results obtained in the model wear test ball-plate show that the specific wear coefficient of the investigated cast irons with different graphite morphology can already be reduced by at least one order of magnitude by an approx. 0.5–0.9 mm thick remelted surface layer with a surface hardness of 650–750 HV1. This treatment eliminates the graphite and produces ledeburitic carbides instead. The potential of an additional nitriding treatment depends on the parameters used, i. e. the nitrided layer thickness produced as well as the phase composition and the pore fraction of the compound layer. Based on stress calculations, the experimentally determined main influences such as the coefficient of friction, the pore fraction in the compound layer and the magnitude of the Hertzian pressure on the contact stress could essentially be confirmed.
Kurzfassung
Die bei grau erstarrten Gusseisenwerkstoffen typischen Graphiteinlagerungen reduzieren bei lokal konzentrierter Pressung und gleichzeitiger Gleitbeanspruchung die Tragfähigkeit. Randschichtbehandlungsverfahren, wie das Nitrieren und das Elektronenstrahl-Umschmelzen, sind bekanntermaßen dafür geeignet, das lokale Beanspruchungsverhalten zu verbessern. Im Rahmen dieses Beitrages werden die Auswirkungen der oben genannten Einzelverfahren und deren Kombination auf das tribologische Beanspruchungsverhalten ferritischer und perlitischer Gusseisen mit unterschiedlicher Graphitmorphologie diskutiert. Die im Modellverschleißversuch Kugel-Platte ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der spezifische Verschleißkoeffizient der untersuchten Gusseisen mit unterschiedlicher Graphitmorphologie bereits durch eine ca. 0,5–0,9 mm dicke, umgeschmolzene Randschicht mit einer Oberflächenhärte von 650–750 HV1 um mindestens eine Größenordnung reduziert werden kann. Durch diese Behandlung wird der Graphit beseitigt und stattdessen werden ledeburitische Karbide erzeugt. Das Potenzial einer zusätzlichen Nitrierbehandlung ist von den verwendeten Parametern, d. h. von der erzeugten Nitrierschichtdicke sowie der Phasenzusammensetzung und dem Porenanteil der Verbindungsschicht abhängig. Anhand von Spannungsberechnungen konnten die experimentell ermittelten Haupteinflüsse wie der Reibwert, der Porenanteil in der Verbindungsschicht und die Größe der Hertz’schen Pressung auf die Kontaktbeanspruchung im Wesentlichen bestätigt werden.
5 Acknowledgements
The investigations were financially supported by the German Research Foundation (DFG) within the framework of the DFG project BU 2568/7-1. The authors would like to thank Dr. N. Schwarzer and Mr. N. Bierwisch (SIO – Saxon Institute for Surface Mechanics) for providing the calculation software “FilmDoctor Studio IS-tress” and Mr. S. Hartwig (Keßler & Co. Leipzig) for the sample material. The samples were nitrided at the IWT of the TU Bergakademie Freiberg by Mr. Siegismund. Furthermore, the authors would like to thank B.Sc. Dominic Seidel, who carried out the wear tests as part of his student research project.
5 Danksagung
Die Untersuchungen wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des DFG-Projektes BU 2568/7-1 finanziell unterstützt. Die Autoren danken im Besonderen Herrn Dr. N. Schwarzer und Herrn N. Bierwisch (SIO – Sächsisches Institut für Oberflächenmechanik) für die Bereitstellung der verwendeten Berechnungssoftware „FilmDoctor Studio IStress“ sowie Herrn S. Hartwig (Keßler & Co. Leipzig) für das zur Verfügung gestellte Probenmaterial. Das Nitrieren der Proben erfolgte am IWT der TU Bergakademie Freiberg durch Herrn Siegismund. Des Weiteren danken die Autoren Herrn B.Sc. Dominic Seidel, der im Rahmen seiner Studienarbeit die Verschleißversuche durchgeführt hat.
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- Experimental and Numerical Investigation of the Surface Layer Conditions after Carbonitriding of Powder Metallurgical Steels. Part 2: Surface Layer States in Components of Graded Porosity
- Tribological Stress Behaviour of Cast Iron without and with Surface Treatment under Concentrated Contact Load*
- Impressum/Imprint
- From and for Practice / Praxis-Informationen
- AWT-Info / HTM 04-2021
- HTM Praxis
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