OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM DZIĘKI WYKORZYSTANIU ZJAWISKA BEZZUŻYCIOWEGO TARCIA

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 47, ISSN X OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM DZIĘKI WYKORZYSTANIU ZJAWISKA BEZZUŻYCIOWEGO TARCIA Andrzej Kotnarowski 1a 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu a a.kotnarowski@uthrad.pl Streszczenie Artykuł dotyczy możliwości aplikacji osiągnięć tribologii w eksploatacji kinematycznych węzłów maszyn. Została w nim przedstawiona metoda konstytuowania warstw ochronnych na współpracujących tarciowo powierzchniach elementów węzłów kinematycznych, minimalizujących niekorzystne skutki tarcia, takie jak opory ruchu i zużycie. Zaproponowano wykorzystanie zjawiska Garkunowa do otrzymywania tych warstw bezpośrednio w początkowym okresie procesu eksploatacji urządzenia technicznego, zamiast w procesach technologicznych przygotowania powierzchni elementów skojarzeń tribologicznych. Efektywność proponowanej metody dokumentują zaprezentowane w artykule wyniki badań własnych. Słowa kluczowe: zjawisko Garkunowa, bezzużyciowe tarcie, współczynnik tarcia ANTIWEAR PROTECTION OF MACHINE KINEMATIC JOINTS BY TAKING ADVANTAGE OF NO-WEAR PHENOMENON Summary The paper concerns an application of tribology achievements in operation of machine kinematic joints. The method of protective layers formation on rubbing surfaces of kinematic joints is presented. It minimizes negative effects of friction like movement resistance and wear. Taking advantage of Garkhunov phenomenon for this layers generation directly in initial period of technical equipment operational use is proposed. Effectiveness of proposed method is proved by the results of examinations presented in the paper. Keywords: Garkhunov phenomenon, no-wear phenomenon, coefficient of friction 1. WSTĘP Procesy zużywania tribologicznego smarowanych kinematycznych węzłów maszyn w warunkach normalnej, stabilnej pracy przebiegają bardzo wolno tak, że nie mają one praktycznego wpływu na trwałość. Zużywanie tribologiczne nasila się znacząco w warunkach zaburzenia funkcjonowania warstewki płynu, rozdzielającej powierzchnie współpracujących elementów, zwłaszcza w warunkach tarcia ślizgowego. Zjawisko to występuje podczas każdego uruchamiania i zatrzymywania, gdy w obszarach styku ślizgających się po sobie powierzchni zachodzi tarcie mieszanego, a nawet w skrajnych przypadkach suche. Zapobieganie nadmiernemu zużywaniu polega głównie na pokrywaniu współpracujących tarciowo powierzchni warstwami ochronnymi w specjalistycznych procesach technologicznych wytwarzania warstw wierzchnich lub powłok. Procesy te można podzielić na 6 zasadniczych grup [1]: 1) mechaniczne (natryskiwanie detonacyjne), 2) cieplno-mechaniczne (natryskiwanie cieplne, natapianie natryskowe), 3) cieplne (hartowanie czy różnego rodzaju nadtapianie 111

2 OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM... i napawanie), 4) cieplno-chemiczne (nasycanie dyfuzyjne niewspomagane lub wspomagane, zwłaszcza CVD czyli chemiczne osadzanie z fazy gazowej, oraz stopowanie: laserowe, elektronowe, plazmowe), 5) chemiczne i elektrochemiczne oraz 6) fizyczne (PVD czyli fizyczne osadzanie z fazy gazowej oraz implantowanie jonów). Należy podkreślić, że stosunkowo niewiele powłok natylko metodami kłada się tylko metodami CVD lub PVD. Więcej niż 90% powłok: metalowych, metalocerametodami fizyko- micznych i ceramicznych nakłada się chemicznymi (PCVD Physical-Chemical Vapour Deposition) [2]. Inną, w stosunku do wymienionych powyżej, metodą zapobiegania niekorzystnym skutkom tarcia może być konstytuowanie ochronnych warstw powierzchniowych w procesach eksploatacji. Jednym ze sposobów uzyski- jest wywo- wania eksploatacyjnych warstw ochronnych łanie w styku tarciowym zjawiska bezzużyciowego tarcia, zwanego też (od nazwiska jednego z odkrywców) zjawiskiem Garkunowa [3]. Zjawisko to zbadane w skojarzeniach, w których zostało najlepiej współpracują ze sobą element stalowy z elementem stalowym, żeliwnym lub ze stopu miedzi, przy czym w przypadku braku elementu ze stopu miedzi, metal ten może zostać dostar- W najogól- czony do węzła tarcia w środku smarowym. niejszym ujęciu polega ono na funkcjonowaniu systemu tribologicznego w warunkach bezzużyciowego tarcia stanu charakterystycznego dla stawów organizmów żywych (od stawonogów poczynając, a na ssakach kończąc), które są systemami tribologicznymi zamknię- zewnętrznych. tymi, dobrze izolowanymi od wpływóww Zasadniczym warunkiem wystąpienia tego zjawiska jest umiejscowienie procesu tarcia w cienkiej warstewce metalicznej, zdolnej do dyssypacji energii i materii [3,7]. Zdolnością taką charakteryzuje się również warstewka olejowa, jednak tylko w warunkach smarowania hydrowarstewka może dynamicznego. Cienka, metaliczna posiadać taką zdolność w warunkach smarowania gra- są atomy, nicznego, gdy z jej powierzchni uwalniane a dyslokacje wychodzą z jej wnętrza na powierzchnię. Dyssypację można przedstawić jako zachodzącą w tej warstewce, wzajemną absorpcję dwóch, skierowanych w przeciwnych kierunkach, strumieni dyfuzyjnych (rys. 1). Rys. 1. Procesy absorpcyjne w warstewce, w której zachodzi proces tarcia Strumień dyslokacji i atomów porusza się w kierunku powierzchni warstewki, a strumień wakansów porusza się od powierzchni w głąb warstewki. Funkcjonowanie takiego systemu tribologicznego w warunkach równowa- gi jest możliwe dzięki istnieniu sprzężenia zwrotnego. W przypadku, gdy przy pewnym potencjale chemicznym ilość tworzących się dyslokacji przekroczy ilość wakan- Kumulacja dyslo- sów, tworzy się skupienie dyslokacji. kacji prowadzi do wzrostu oporów tarcia, powodujących z kolei wzrost temperatury i zmianę potencjału chemicz- atomów z po- nego, co nasila selektywne uwalnianie wierzchni warstewki, w wyniku czego zwiększa się znów ilość wakansów. Dzięki opisanemu wyżej działaniu sprzężenia zwrotnego odtwarzanaa jest równowaga syste- tarcia przebiega mu tribologicznego, a sam proces w sposób oscylacyjny, przy czym współczynnik tarcia osiąga wartości w zakresie charakterystycznym dla tarcia płynnego. D.N. Garkunow po raz pierwszy zaobserwował zjawi- w wysokoobcią- sko minimalizacji zużycia przypadkowo żonych węzłach tarcia ślizgowegoo (smarowanych miesza- stal współpraco- niną spirytusu z gliceryną), w których wała z brązem [3]. Późniejsze badania dowiodły, że ochronna warstewka miedziana powstaje w takim ukła- oddzia- dzie materiałowym dzięki elektrochemicznemu ływaniu gliceryny oraz jej właściwościom redukcyjnym, w stosunku do tlenków miedzi [7]. Początkowo składniki stopowe przechodzą selektywnie na drodze elektroche- z brązu do gliceryny. micznej z elementu wykonanegoo W rezultacie warstwa powierzchniowa brązu zawiera głównie nieutleniającą się i aktywną miedź, podatną ze względu na swobodne wiązania do sczepiania ze stalą, dzięki czemu powierzchnia elementu stalowego również pokrywa się miedzią. Proces selektywnego usuwania składników stopowych z powierzchniowej warstwy brązu i pokrywania powierzchni stali miedzią trwa do czasu 112

3 Andrzej Kotnarowski osiągnięcia przez warstewki miedzi (na obydwu współ- pracujących powierzchniach) grubości 1 2 µm. Przebie- selektywnym gające w ten sposób zjawisko nazwano przenoszeniem. Stwierdzono, że zjawisko Garkunowaa może zachodzić w różnych układach materiałowych: stal lub żeliwo stop miedzi oraz stal lub żeliwo stal lub żeliwo, przy czym w układach, w których żaden ze współpracujących tarciowo elementów nie zawiera miedzi, musi zostać ona dostarczona w inny sposób, na przykład w środku sma- rowym. Należy podkreślić, że w publikacjach na temat zjawi- prób jego ska Garkunowa [3, 4, 8, 9] nie odnotowano wywołania w skojarzeniach stali z czystą miedzią. Ni- szerszych niejszy artykuł omawia wyniki fragmentu badań autora nad możliwością generowania tego zjawi- przepro- ska w powyższym skojarzeniu materiałowym, wadzonych, między innymi, celem poszerzenia zakresu wiedzy na temat przebiegu procesów tribologicznych [5-7]. 2. BADANIA MOŻLIWOŚCI GENEROWANIA ZJAWISKA GARKUNOWA 2.1 BADANIA TRIBOLOGICZNE W celu identyfikacji możliwości generowania zjawi- skojarze- ska selektywnego przenoszenia w ślizgowych niach tribologicznych wykonano badania tarciowe z wykorzystaniem skojarzenia materiałowego stal miedź i środka smarowego w postaci gliceryny, która sprzyja temu zjawisku, jak to udowodniły wcześniejsze badania [3]. Do badań wykorzystano, skonstruowaną w Instytucie Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Uniwersy- w Radomiu tetu Technologiczno-Humanistycznego (dawniej Politechniki Radomskiej), maszynę tarciową MT-2, umożliwiającą pomiar zarówno oporów tarcia (momentu tarcia), jak i rezystancji styku tarciowego. Węzeł badawczy maszyny MT-2 przedstawiono na rys. 2. Pojawienie się w warunkach narastającego obciążenia niskiej wartości rezystancji pomiędzy próbkami (1) i przeciwpróbką (2) stanowi dowód wystąpienia styku metalicznego w tym skojarzeniu ślizgowym, świadczące- go o przejściu od tarcia płynnego do tarcia mieszanego, w których to warunkach może zachodzić zjawisko Gar- kunowa. W kolejno przeprowadzonych badaniach, z przeciw- ze stali C45 współ- próbkami (krążkami) wykonanymi pracowały próbki z dwóch rodzajów miedzi tlenowej M1E (A i B), stosowanych do produkcji przewodów trakcyjnych (rys. 2), o składzie chemicznym przedsta- o twardości 40 HRC wionym w tabeli 1. Przeciwpróbki posiadały szlifowane walcowe powierzchnie robocze, których chropowatość odpowiadała wartości parametru Ra 0,5 µm. Jako modelowa substancja smarująca używana była gliceryna czysta do analiz (CH2OH CHOH CH2OH) o masie cząsteczkowej 92,09 i gęstości 1229,7 kg/m 3. Obciążenie węzła tarcia w wykonywanych badaniach tribologicznych narastało w sposób skokowy (rys. 3). Przyjęto dziesięciominutowy okres trwania każdego z kolejnych obciążeń, gwarantujący stabilizację wartości współczynnika tarcia dla każdego obciążenia Podczas badań skojarzeń tarciowych stal C45 miedź tlenowa M1E, smarowanych gliceryną, dokony- wano jednoczesnych pomiarów wartości rezystancji styku tarciowego oraz oporów tarcia, zmieniających się wraz z narastającym obciążeniem (zgodnie z rys. 3). Rys. 2. Schemat węzła tarcia maszyny tarciowej MT-2 113

4 OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM... Tab. 1. Skład chemiczny miedzi używanej na przewody trakcyjne Lp. Materiał Zawartość dodatków, % Zawartość zanieczyszczeń, ppm nazwa symbol O2 Pb Fe Zn Ag S 1 miedź tlenowa (A) M1E 0,008 3,2 27,0 5,0 12,0 10,0 2 miedź tlenowa (B) M1E 0,025 3,1 22,0 6,8 12,0 10,0 9 8 Nacisk Nacisk jednostkowy p, p, MPa MPa Czas T, min Rys. 3. Przebieg obciążenia węzła tarcia maszyny MT-2 w funkcji czasu 2.2. WYNIKI BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH Wyniki badań tarciowych przedstawiono w formie wykresów na rysunkach 4 i 5. a) b) Rezystancja R, R, Ω Ω Współczynnik Wspó³czynnik tarcia µ µ Czas T, min min Nacisk jednostkowy p, MPa p, MPa Rys. 4. Przebieg rezystancji styku tarciowego w funkcji czasu (a) oraz współczynnika tarcia w funkcji nacisku jednostkowego (b) dla miedzi tlenowej M1E rodzaju A 114

5 Andrzej Kotnarowski a) Rezystancja R, R, Ω Ω b) Współczynnik Wspó³czynnik tarcia µ µ Czas T, min min Nacisk Nacisk jednostkowy p, p, MPa Rys. 5. Przebieg rezystancji styku tarciowego w funkcji czasu (a) oraz współczynnika tarcia w funkcji nacisku jednostkowego (b) dla miedzi tlenowej M1E rodzaju B Z rysunków 4 i 5 wynika, że rezystancja styku tarciowego pomiędzy próbką zarówno z miedzi rodzaju A (rys. 4), jak i z miedzi rodzaju B (rys. 5) a przeciwpróbką wykazuje stałą tendencję malejącą już po 10 minutach testu, czyli po zastosowaniu drugiego z kolei obciążenia, wywołującego nacisk jednostkowy o wartości 0,8 MPa. W przypadku miedzi A po zastosowaniu siódmego z kolei obciążenia odpowiadającego naciskowi jednostkowemu w styku tarciowym wynoszącemu 5,2 MPa rezystancja osiąga wartość minimalną, świadczącą o wystąpieniu styku metalicznego pomiędzy próbką i przeciwpróbką. Natomiast w przypadku miedzi B rezystancja osiąga wartość minimalną już podczas trzeciego z kolei obciążenia przy nacisku jednostkowym 1,8 MPa. Wartość współczynnika tarcia zarówno dla miedzi rodzaju A (rys. 4), jak i miedzi rodzaju B (rys. 5), od początku badania wykazuje tendencję malejącą, osiągając minimum, wynoszące odpowiednio 0,005 i 0,009, co w aspekcie braku smarowania płynnego, czyli warstewki gliceryny, rozdzielającej współpracujące tarciowo powierzchnie, świadczy o wystąpieniu w badanym skojarzeniu zjawiska selektywnego przenoszenia. Różnice wartości współczynnika tarcia spowodowane są zapewne różnicami w zawartości tlenu pomiędzy zastosowanymi w badaniach rodzajami miedzi, która w przypadku miedzi A wynosi 0,008 %, a w przypadku miedzi B 0,025 %. Wraz ze wzrostem zawartości tlenu rosną opory tarcia, co prawdopodobnie wynika z zaburzeń funkcjonowania miedzianej warstewki niskotarciowej spowodowanego wzrostem stopnia jej utlenienia. 3. WNIOSKI Uzyskane wyniki badań dowodzą, że: 1. Możliwe jest uzyskanie zjawiska Garkunowa w rozważanym skojarzeniu tarciowym stal/miedź, o czym świadczą wyniki badań tribologicznych pokazujące, że pomimo styku metalicznego pomiędzy współpracującymi tarciowo elementami (rys. 4a i 5a), współczynnik tarcia przyjmuje bardzo niskie wartości (rys. 4b i 5b). 2. Zwiększenie zawartości tlenu w miedzi prowadzi do zwiększenia oporów tarcia w skojarzeniu ze stalą (opory tarcia w skojarzeniu z miedzią typu B o większej zawartości tlenu są większe, niż w skojarzeniu z miedzią typu A o mniejszej zawartości tlenu). Wynika to najprawdopodobniej z zaburzenia funkcjonowania miedzianej warstewki niskotarciowej spowodowanego wzrostem stopnia jej utlenienia. Literatura 1. Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. Warszawa :WNT, Burakowski T.: Rozważania o synergizmie w inżynierii powierzchni. Radom: Wyd. Pol. Radomskiej, Garkhunov D. M.: Tribotechnology: Wear and no-wear. 4 th edition. MAA Publishing House, Moscow 2001 (in Russian). 4. Filip I.: Studies and researches concerning the tribological behaviour of friction couple functioning with selective transfer. Tribology International 2006, Vol. 39, Iss. 8, p

6 OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM Kotnarowski A.: Selective transfer phenomenon in copper-steel tribological systems. Solid State Phenomena 2009, Vol , p Kotnarowski A.: Selective transfer phenomenon in friction couples lubricated with base oils. Solid State Phenomena 2010, Vol. 165, p Kotnarowski A.: Kierunki rozwoju powłok ochronnych kinematycznych węzłów maszyn Logistyka 3/2012, płyta CD. 8. Padgurskas J., Snitka V., Jankauskas V., Andriušis A.: Selective transfer phenomenon in lubricated sliding surfaces with copper and its alloy coatings made by electro-pulse spraying. Wear 2006, Vol. 260, Iss. 6, p Polyakov A. A.: No wear due to friction based on coherent inter-action of dislocations and vacancies. No-Wear Effect and Tribotechnologies 1992, No. 1, p. 13 (in Russian). 116