WPŁYW PARAMETRÓW RUCHOWYCH TARCIA NA MIKROTWARDOŚĆ WYBRANYCH POLIMERÓW ŚLIZGOWYCH

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 109 Piotr KOWALEWSKI *, Wojciech WIELEBA * Anita PTAK * WPŁYW PARAMETRÓW RUCHOWYCH TARCIA NA MIKROTWARDOŚĆ WYBRANYCH POLIMERÓW ŚLIZGOWYCH THE INFLUENCE OF FRICTION KINEMATIC PARAMETERS ON MICROHARDNESS OF SLIDINGS POLYMERS Słowa kluczowe: tarcie polimerów, mikrotwardość, docieranie Key words: polymers friction, microhardness, running-in process Streszczenie Wpływ tarcia na zmiany warstwy wierzchniej powierzchni trących jest faktem znanym i oczywistym. Niezbędne jest dokładne poznanie zjawisk i mechanizmów zmieniających w trakcie procesu tarcia własności warstwy wierzchniej. * Politechnika Wrocławska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, ul. Łukasiewicza 7/9, Wrocław.

2 110 T R I B O L O G I A W pracy opisane zostały wyniki badań mikrotwardości wybranych polimerów ślizgowych. Badania prowadzono dla próbek polimerowych poddanych tarciu ślizgowemu po stali. W pracy opisane zostały zmiany mikrotwardości, mierzonej metodą Vickersa, na skutek tarcia przy różnych parametrach ruchowych. Zmieniane były wartości prędkości poślizgu, nacisku jednostkowego oraz charakteru ruchu (ruch ciągły i przemienny). Badaniom poddano cztery materiały z grupy termoplastów: polioksymetylen (POM), polietylen o ultrawysokim ciężarze cząsteczkowym (PE-UHMW), poliamid (PA) oraz politetrafluoroetylen (PTFE). Badania tribologiczne prowadzone były w styku rozłożonym na stanowiskach typu tarcza trzpień oraz płytka trzpień. WPROWADZENIE Wpływ tarcia na zmiany warstwy wierzchniej powierzchni trących jest faktem znanymi i oczywistym. Każdy węzeł tribologiczny podlega przemianom, które są następstwami procesu tarcia [L. 2, 6, 8]. Wielu badaczy wskazuje na fakt, iż początkowe warunki eksploatacji (docierania) mają decydujący wpływ na właściwości ślizgowe łożyska polimerowego [L. 5, 7]. Niezbędne jest dokładne poznanie zjawisk i mechanizmów wpływających na zmiany własności mechanicznych oraz stanu warstwy wierzchniej elementów trących. Jedną z istotniejszych wielkości charakteryzujących materiały ślizgowe jest twardość (mikrotwardość) [L. 1]. Jak wiadomo, ma ona ogromy wpływ m.in. na zużycie ścierne materiału. W pracy podjęto próbę oceny zmian mikrotwardości na skutek tarcia w różnych warunkach. Ocenie poddano wpływ prędkości poślizgu v s, nacisku jednostkowego p oraz charakteru ruchu (ruch ciągły i przemienny). W celu jak najszerszego ujęcia zagadnienia badania przeprowadzono dla czerech różnych polimerów ślizgowych: polioksymetylen (POM), polietylen o ultrawysokim ciężarze cząsteczkowym (PE-UHMW), poliamid (PA) oraz politetrafluoroetylen (PTFE). MATERIAŁY I METODY POMIAROWE Badania prowadzono dla próbek polimerowych poddanych tarciu ślizgowemu po stali. Zastosowano próbki polimerowe w kształcie trzpienia o średnicy Φ = 8 mm. Próbki współpracowały z płaską powierzchnią przeciwelementów stalowych (C45, 58HRC). Badania tribologiczne prowadzone były w styku rozłożonym na stanowiskach typu tarcza

3 T R I B O L O G I A 111 trzpień oraz płytka trzpień (ruch przemienny). Chropowatość powierzchni przeciwpróbek została opisana za pomocą parametru Ra i zawierała się w przedziale Ra = 0,25 0,3 µm. Badania tribologiczne w ruchu jednostajnym prowadzone były na standardowym testerze tribologicznym typu tarcza trzpień (pin-on-disc) produkcji ITeE w Radomiu. Badania w ruchu przemiennym przeprowadzono na specjalnym stanowisku konstrukcji IKEM PWr [L. 4]. Celem eksperymentu było określenie wpływu podstawowych parametrów tarcia na zmiany mikrotwardości. W ramach eksperymentu wykonano pomiary mikrotwardości dla pięciu różnych przypadków eksploatacyjnych : 1) materiał wyjściowy technologiczna warstwa wierzchnia (obróbka mechaniczna), 2) tarcie z parametrami podstawowymi p = 0,5 MPa, v s = 50 mm/s, s = 200 m, ruch ciągły, 3) tarcie z podwyższonym naciskiem jednostkowym p = 1 MPa, v s = 50 mm/s, s = 200 m, ruch ciągły, 4) tarcie z podwyższoną prędkością poślizgu p = 0,5 MPa, v s = 100 mm/s, s = 200 m, ruch ciągły, 5) tarcie w ruchu przemiennym p = 0,5 MPa, v s = 50 mm/s, s = 200 m, ruch przemienny. Pomiary zostały przeprowadzone przy stałej temperaturze otoczenia T = 23 C. Badania mikrotwardości powierzchni przeprowadzono za pomocą mikrotwardościomierza SHIMADZU HMV-2T. Pomiary zostały wykonane z użyciem metody Vickersa przy obciążeniu 980,7 mn (HV0.1). Ze względu na lepkosprężyste właściwości termoplastów czas obciążenia ustalono na 300 s. Pomiary zostały wykonany trzykrotnie, a jako rezultat przyjmowano średnią wartość twardości materiału. WYNIKI POMIARÓW Uzyskane w takcie eksperymentu średnie wartości mikrotwardości próbek polimerowych przedstawiono w Tabeli 1, natomiast zestawienie wyznaczonych wartości mikrotwardości dla różnych warunków tarcia zostało przedstawione na Rys. 1. Na podstawie analizy wyników można stwierdzić, iż proces tarcia, jakiemu poddawane były materiały polimerowe nie wpłynął znacząco na zmiany wartości mikrotwardości. Największy wzrost można zauważyć

4 112 T R I B O L O G I A dla poliamidu (PA6) podczas tarcia w ruchu przemiennym. Na skutek tarcia, mikrotwardość materiałów polimerowych uległa w zależności od przypadku zwiększeniu lub zmniejszeniu. Nie można zatem jednoznacznie stwierdzić, iż proces tarcia wpływa na jednoznacznie na zmniejszenie lub zwiększenie twardości materiałów polimerowych. Zmiany uzależnione są prze wszystkim od rodzaju polimeru i charakteru tarcia (przemienny lub jednostajny). Parametry tarcia, takie jak nacisk jednostkowy p oraz prędkość poślizgu v s w badanym zakresie nie wpływają znacząco na zmiany mikrotwardości. Tabela 1. Wartości mikrotwardości materiałów polimerowych w różnym stanie Table 1. Microhardness of polymers, in different condition Rodzaj polimeru Wartość wyjściowa Warunki podstawowe Zwiększony nacisk Zwiększona prędkość Ruch przemienny HV0,1 σ HV0,1 σ HV0,1 σ HV0,1 σ HV0,1 σ PTFE 2,57 0,53 3,35 0,03 2,78 0,13 2,91 0,06 2,14 0,07 PE- UHMW 3,11 0,32 2,76 0,15 2,67 0,04 2,87 0,05 2,72 0,09 PA 6 5,08 0,55 5,00 0,06 4,91 0,33 4,81 0,77 6,72 0,46 POM 14,38 0,88 14,39 0,44 14,78 0,20 14,91 0,25 15,05 0,42 Rys. 1. Zestawienie wartości mikrotwardości elementów polimerowych po tarciu w różnych warunkach Fig. 1. Results of the sliding elements microhardness value after friction in different conditions

5 T R I B O L O G I A 113 W przypadku poliacetalu (POM) tarcie w jednoznaczny sposób wpływa na zwiększenie twardości tego polimeru. Największy wzrost występuje przy ruchu przemiennym, nieco mniejszy przy tarciu ze zwiększoną prędkością oraz zwiększonym naciskiem. Nie zaobserwowano zmniejszenia wartości mikrotwardości w żadnym przypadku. Podczas tarcia PA6 po stali wartości mikrotwardości polimeru ulegają zmniejszeniu. Wyjątkiem jest tarcie w ruchu przemiennym, gdzie występuje znaczny wzrost twardości. Bardzo podobny wpływ tarcia na twardość występuje w przypadku PE-UHMW. W tym wypadku jednak występuje spadek mikrotwardości również podczas ruchu przemiennego. Należy zauważyć, iż w przypadku PE-UHMW zwiększenie nacisku jednostkowego p znacznie bardziej obniża mikrotwardość niż zwiększenie prędkości tarcia v s. Analizując wyniki zmian mikrotwardości dla PTFE, można zauważyć, iż największy wzrost mikrotwardości wystąpił podczas tarcia w warunkach podstawowych. Zwiększanie nacisku jednostkowego p oraz prędkości poślizgu v s nie powodowało szybszego utwardzenia powierzchni polimeru. Podobnie jak w pozostałych polimerach, również w przypadku PTFE wpływ tarcia w ruchu przemiennym był znaczący. W tym jednak przypadku wystąpiło obniżenie twardości powierzchni polimeru. Wskazuje to na wrażliwość kompozytów PTFE na parametry procesu docierania. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zagadnienie wpływu tarcia na mikrotwardość materiału polimerowego ma charakter złożony. Na podstawie analizy przeprowadzonych pomiarów można potwierdzić, iż tarcie wpływa na zmiany mikrotwardości polimerów ślizgowych. Przeprowadzone badania tribologiczne wykazały zmiany w mikrotwardości nawet po tarciu na niewielkim odcinku (s = 200 m). Nie można jednak generalnie stwierdzić, że proces tarcia utwardza lub zmiękcza materiał polimerowy. Zagadnienie wpływu tarcia na twardość powinno się rozpatrywać indywidualnie dla każdego rodzaju materiału polimerowego. Wyniki badań przeprowadzone na wybranych polimerach pozwalają stwierdzić, iż: proces tarcia może powodować zarówno zwiększenie, jak i zmniejszenie twardości materiału polimerowego,

6 114 T R I B O L O G I A zmiany mikrotwardości zależne są przede wszystkim od rodzaju polimeru oraz charakteru ruchu (przemienny, jednostajny), podstawowe parametry tarcia (p, v s ) wpływają na zmiany mikrotwardości w mniejszym stopniu niż charakter ruchu, dla jednego materiału tarcie jednostajne i przemienne mogą wywoływać odmienny wpływ na zmiany mikrotwardości (PA6, PTFE). Występujące zmiany mikrotwardości materiałów polimerowych są zapewne następstwem zmian mikrostruktury ich warstwy wierzchniej. Naprężenia i ciepło towarzyszące procesowi tarcia prawdopodobnie powodują ukierunkowanie łańcuchów polimerowych lub zmianę stopnia krystaliczności materiału. Może to skutkować również anizotropowymi właściwościami warstwy wierzchniej elementów trących. Należy podkreślić, iż bardzo duże znaczenie w analizie tarcia i jego wpływie na zmiany warstwy wierzchniej materiału polimerowego ma charakter ruchu. Przedstawione wyniki wskazują na odmienny wpływ tarcia w ruchu jednostajnym niż podczas tarcia w ruchu przemiennym. W ruchu przemiennym łańcuchy polimeru nie mogą ulec kierunkowemu ułożeniu. Mechanizmy reorganizacji mikrostruktury są zatem odmienne. Niestety w literaturze przedmiotu zauważalny jest brak pozycji wyjaśniających zagadnienia tarcia w ruchu przemiennym. W przypadku polimerów przemienność ruchu (przemienność naprężeń i odkształceń) w trakcie tarcia może mieć większe znaczenie niż w przypadku materiałów metalicznych. Jest to związane z tym, iż mechanizm odkształcania polimerów ma charakter złożony. W przypadku polimerów występuje znaczna histereza odkształceniowa związania m.in. z lepkosprężystymi własnościami polimerów. Przemienne obciążanie elementów polimerowych może zatem pociągać za sobą występowanie zjawisk i mechanizmów wpływających istotnie na ich tarcie i zużywanie. Przeprowadzone badania sygnalizują również konieczność oceny wpływu tarcia na mikrotwardość polimerów przy tarciu na dłuższych niż przyjęte w niniejszym eksperymencie odcinkach. Należałoby również poddać ocenie wpływ charakteru ruchu podczas tarcia przy innych obciążeniach i temperaturach. Omawiając uzyskane wyniki, należy zwrócić uwagę na specyfikę pomiaru twardości. Wytworzona na skutek tarcia eksploatacyjna warstwa wierzchnia powstała na powierzchni materiału polimerowego może mieć różną grubość. W warstwie tej na skutek oddziaływań mechanicznych (siła tarcia, odkształcenia plastyczne wynikające z obciążenia normalne-

7 T R I B O L O G I A 115 go itp.) oraz chemicznych i cieplnych następuje znaczna modyfikacja struktury fizycznej [L. 3]. Przebudowa struktury materiału polimerowego przejawia się między innymi zmianą jego własności mechanicznych [L. 1]. Głębokość penetracji wgłębnika zależna jest od obciążenia przyjętego w teście twardości. Stosując zatem różne wartości obciążenia podczas pomiaru mikrotwardości, możliwe jest zagłębianie się wgłębnika na głębokość mniejszą niż grubość warstwy wierzchniej lub jej przebicie. W zależności od przypadku uzyskane wartości mikrotwardości mogą być znacząco inne. Potwierdzają to różnice w rezultatach niniejszego eksperymentu opisane w pracy [L. 9]. Wpływ tarcia na zmiany własności mechanicznych polimerów może mieć ogromne znaczenie w trakcie eksploatacji polimerowych elementów ślizgowych, celowe zatem wydaje się prowadzenie dalszych badań w tym kierunku. LITERATURA 1. Baltá-Calleja F.J., Fakirov S.: Microhardness of polymers, Cambridge University Press, Bowden F.P., Tabor D.: Wprowadzenie do trybologii. WNT, Warszawa Brostow W., Datashvili T., Huang B.: Tribological properties of blends of melamine-formaldehyde resin with low density polyethylene, Polymer Engineering and Science, 2008, s Kowalewski P., Wieleba W., Leśniewski T.: Stanowisko do badań tribologicznych w złożonym ruchu cyklicznym toczno-ślizgowym. Tribologia 2007, R. 38, nr 2, s Kowalewski P., Ptak A., Wieleba W.: Wpływ parametrów docierania PE-UHMW na wartość jego współczynnika tarcia statycznego po stali i aluminium. Uszczelnienia i technika uszczelniania maszyn i urządzeń: międzynarodowa XII konferencja naukowo-techniczna, Wrocław Kudowa Zdrój, maja 2010, pod red. Marka Gawlińskiego, s Lawrowski Z.: Tribologia. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Sanaev N.K., Tynyanskii V.P., Dorokhov A.F.: Improved running-in of a frictional pair consisting of a cylinder lining and a piston ring. Russian Engineering Research, 2009, Vol. 29, No. 10, pp Wieleba W.: Analiza procesów tribologicznych zachodzących w kompozytach PTFE podczas współpracy ze stalą, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2002.

8 116 T R I B O L O G I A Wieleba W.: Wpływ procesu tarcia na zmianę mikrotwardości warstwy wierzchniej materiałów polimerowych. Mechanika 2009, R. 106, z. 1 M, s Recenzent: Monika GIERZYŃSKA-DOLNA Summary It is know that friction changes the microstructure of surface layer of the material. This modification follows as a result of interactions between contacting surfaces. There is a need to investigate the modification mechanism of the surface layer during friction. A subject of the investigation was the microhardness variation of some polymers after friction against steel. The experiment was done in surface-surface, sliding friction conditions. Vicker s microhardness measuring method was used. The influence of some friction parameters (unite pressure p, sliding velocity v s, character of friction) on the microhardness of polymers is also described in the paper. The polymers used in the experiment were polyoksymethylene (POM), ultra high molecular weight polyethylene (PE-UHMW), polyamide (PA), and polytetrafluoroethylene (PTFE).