Temat 1: Wyznaczenie właściwości ślizgowych materiałów łożyskowych. Temat 2: Wyznaczenie właściwości ciernych materiałów na hamulce i sprzęgła.

Transkrypt

1 TRIBOLOGIA ĆWICZENIA LABORATORYJNE Opracowali: Dymitry Capanidis, Wojciech Wieleba, Piotr Kowalewski Temat 1: Wyznaczenie właściwości ślizgowych materiałów łożyskowych. Temat 2: Wyznaczenie właściwości ciernych materiałów na hamulce i sprzęgła. 1. Wprowadzenie Produkcja coraz to nowszych konstrukcyjnych tworzyw sztucznych o wybranych własnościach i właściwościach użytkowych polepszonych w określonych kierunkach, powoduje wzrost wykorzystania tych materiałów na odpowiedzialne elementy maszyn i urządzeń, m.in. w węzłach ślizgowych (panewki łożysk ślizgowych, koła zębate, krzywki, prowadnice, uszczelnienia itp.). Tworzywa sztuczne znajdują zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie jest utrudnione lub wręcz niemożliwe smarowanie sposobami konwencjonalnymi. W takich węzłach ślizgowych z niedostatecznym smarowaniem, bądź też bez smarowania, występuje tarcie mieszane lub suche, a o jakości współpracy elementów decydują wówczas głównie właściwości ślizgowe (tribologiczne) tworzywa. Węzły ślizgowe stanowiące ruchowe ogniwa większości maszyn i urządzeń mają zasadniczy wpływ na trwałość i niezawodność eksploatacyjną całej maszyny. W przypadku nieprawidłowego ich funkcjonowania, mogą być one dodatkowo źródłem znacznych strat energii wskutek zachodzącego w nich tarcia. Szczególnie ważne jest to właśnie w warunkach tarcia mieszanego i suchego, w których następuje przyśpieszony proces zużycia elementów ślizgowych, wzrost wartości współczynnika tarcia i wzrost temperatury w strefie tarcia. Prowadzi to do zmiany geometrii współpracujących elementów oraz powstawania nadmiernych luzów, a tym samym powoduje zakłócenie prawidłowego funkcjonowania węzłów ślizgowych. Poprawne działanie takich węzłów ślizgowych zależy więc przede wszystkim od odpowiedniego doboru współpracujących materiałów oraz od poprawnej ich konstrukcji. Współczesna wiedza tribologiczna dotycząca obu wymienionych zagadnień jest jeszcze niepełna. Nie podaje ona konstruktorom wystarczających wytycznych zarówno do optymalizacji konstrukcji węzłów ślizgowych, jak też brakuje pełnych informacji w zakresie optymalnego doboru tworzyw sztucznych i ich właściwego wykorzystania jako materiałów ślizgowych. Odmiennymi własnościami charakteryzować powinny się materiały cierne stosowane m.in. na elementy trące hamulców oraz sprzęgieł. Najczęściej materiały tego typu wykorzystuje się w układach tribologicznych, w których wymagane jest tzw. sprzężenie cierne. Znajdują one również zastosowanie w układach hamujących, których celem jest wytracenie energii [8]. Ze względu na stale rosnące obciążenia i prędkości występujące w maszynach i pojazdach istnieje ciągły rozwój tych materiałów [8]. str. 1

2 Dobór materiału ślizgowego oraz ciernego powinien opierać się na ocenie jego własności i właściwości użytkowych na tle wymagań, jakie stawiane są w danym węźle tribologicznym. Ocenę cech użytkowych dokonuje się na podstawie bezwzględnych wartości parametrów opisujących poszczególnych własności (np. własności fizyczne, mechaniczne, chemiczne) oraz na podstawie względnych parametrów - wskaźników określanych w badaniach ruchowych, np. w przypadku właściwości tribologicznych są to: wartość współczynnika tarcia, intensywność zużycia, temperatura tarcia. Wartościowanie przydatności materiałów ślizgowych i ciernych opiera się głównie na: wynikach badań własności podstawowych materiałów, wynikach badań tribologicznych. Pierwsza grupa badań leży przede wszystkim w sferze działań takich nauk jak fizyka i chemia ciała stałego, materiałoznawstwo i wytrzymałość materiałów. Natomiast druga grupa badań leży w sferze zainteresowań tribologii. Odpowiednio do tego podziału należy źródeł informacji o poszczególnych własnościach i właściwościach użytkowych materiałów ślizgowych. Do najistotniejszych własności i właściwości użytkowych tych materiałów wpływających na jakość działania zespołów ślizgowych należy zaliczyć: wytrzymałość na ściskanie i ścinanie zarówno statyczna jak i zmęczeniowa, moduł sprężystości, rozszerzalność cieplna, przewodność i pojemność cieplna, chłonność wody, odporność na zużycie ślizgowe i nie zużywanie przeciwelementu, wartość współczynnika tarcia z przeciwelementem, odporność na zatarcie, odporność na stosowane oleje, smary, materiały pędne, rozpuszczalniki i inne media. Badania tribologiczne, stanowiące podstawę wnioskowania o związkach pomiędzy własnościami materiałów i ich właściwościami ślizgowymi/ciernymi w danych warunkach ruchowych, można ogólnie podzielić na podstawowe i modelowe. Badania podstawowe, prowadzone zwykle przy użyciu prostego modelu tribologicznego na próbkach materiałowych, dają przede wszystkim podstawy do oceny przebiegu zjawisk tarcia i zużycia w określonych warunkach ruchowych. Natomiast w badaniach modelowych, prowadzonych na modelu fizycznym danego zespołu ślizgowego, odwzorowuje się w odpowiednim stopniu cechy geometryczne, kinematyczne i dynamiczne zespołu. Ćwiczenie obejmować będzie pomiary laboratoryjne z zakresu badań podstawowych, wykonywane dla skojarzenia ślizgowego(temat 1) oraz ciernego (temat 2) polimer-stal lub kompozyt polimerowy-stal współpracującego w układzie sworzeń-tarcza (tzw. pin-on-disc ), opisanym dokładniej w dalszej części instrukcji. W badaniach tych można zmieniać warunki tarcia (nacisk powierzchniowy, prędkość ślizgania, temperaturę tarcia, twardość i chropowatość powierzchni ślizgowej stalowego przeciwelementu), co umożliwia ocenę cech użytkowych materiału w różnych warunkach tarcia. Możliwe jest również badanie wpływu innych czynników na właściwości ślizgowe niezależne od zewnętrznych warunków tarcia. Są to najczęściej czynniki związane z budową tworzywa. W przypadku polimerów krystalicznych może to być wpływ budowy nadcząsteczkowej, stopień krystaliczności, zorientowanie struktury warstwy wierzchniej itp. Natomiast str. 2

3 w przypadku polimerów modyfikowanych (np. napełnianych różnymi napełniaczami), kopolimerów czy kompozytów na osnowie polimerów, najczęściej bada się wpływ poszczególnych komponentów, a więc ich rodzaj, postać strukturalną, w jakiej występują i wpływ procentowego udziału poszczególnych składników na właściwości tribologiczne badanego skojarzenia ślizgowego. Badania podstawowe są fenomenologiczną podstawą tworzenia hipotez tribologicznych Wyniki tych badań mogą być przydatne do oceny materiałów przeznaczonych na określone węzły, lecz pod warunkiem weryfikacji w badaniach modelowych. W przypadku badań różnych materiałów w podobnych warunków tarcia, mogą one służyć za podstawę ogólnej klasyfikacji tworzyw ślizgowych. 2. Wpływ budowy polimeru na właściwości ślizgowe Na właściwości ślizgowe polimerów w znacznym stopniu rzutuje budowa ich makrocząsteczek (łańcuchów), z których są zbudowane. W polimerach o budowie liniowej, nie mających podstawników lub większej liczby rozgałęzień (PTFE, PE-HD polietylen wysokiej gęstości, POM, PA i inne), wartości współczynnika tarcia są mniejsze niż w przypadku polimerów z podstawnikami lub większą liczba rozgałęzień (PE-LD polietylen niskiej gęstości, PMMA, PVC, PC i inne)[7]. W grupie polimerów o budowie liniowej wartość współczynnika tarcia istotnie zależy od gęstości międzycząsteczkowej energii kohezji, natomiast w drugiej grupie polimerów czynnikiem decydującym o wartości współczynnika tarcia jest rozmiar podstawników i liczba rozgałęzień. Wynika z tego, że małą wartością współczynnika tarcia charakteryzują się przede wszystkim polimery o liniowej budowie łańcucha i o niedużej wartości oddziaływań III-rzędu między cząsteczkami polimeru. Polimery o budowie liniowej w zależności od stopnia uporządkowania makrocząsteczek różnią się strukturą. Wyróżnia się struktury bezpostaciowe (nieuporządkowane) i krystaliczne (uporządkowane), a właściwie semikrystaliczne, tzn. takie w których obszary krystaliczne rozmieszczone są w ośrodku bezpostaciowym. Stosunek objętości fazy krystalicznej do całkowitej objętości polimeru określany jest stopniem krystaliczności, przy czym praktycznie nie występują polimery o 100% krystaliczności. Własności polimerów w zdecydowanym stopniu zależą od ich stanu fazowego. Polimery krystaliczne odznaczają się w porównaniu z polimerami o strukturze bezpostaciowej większą twardością, większą wytrzymałością mechaniczną, mniejszą udarnością, są bardziej kruche i miękną w wyższej temperaturze. Dla materiałów ślizgowych ważne jest, aby charakteryzowały się odpowiednią sprężystością, udarnością itp., a więc odpowiednim stosunkiem objętości fazy krystalicznej do fazy bezpostaciowej. Poszczególne polimery wykazują różne wartości tego stosunku, przy którym występują najkorzystniejsze właściwości ślizgowe, można zatem mówić o optymalnym stopniu krystaliczności dla każdego z polimerów w określonych warunkach procesu tarcia. Większość polimerów krystalicznych w zależności od warunków krystalizacji może tworzyć dużą różnorodność nadcząsteczkowych struktur morfologicznych, wiążących się z kinetyką procesu krystalizacji, a tym samym związanych z technologią przetwórstwa polimerów. Zmiana charakteru budowy struktury nadcząsteczkowej wywołuje zmianę właściwości ślizgowych polimeru. Bardziej równomiernej strukturze odpowiada mniejsza wartość współczynnika tarcia. W najczęściej spotykanych strukturach - sferolitycznych, niższe wartości współczynnika tarcia i większą str. 3

4 odporność na zużycie zapewnia struktura drobnosferolityczna, niż struktura o większych rozmiarach sferolitów. Także orientacja struktury nadcząsteczkowej, mogąca zachodzić również podczas procesu tarcia ( w warstwie wierzchniej polimeru biorącej udział w tarciu), powoduje znaczną anizotropię tak mechanicznych, jak i ślizgowych własności polimeru. W rezultacie orientacji struktury następuje zwiększenie wytrzymałości mechanicznej w kierunku zorientowania. Próby powiązania właściwości tribologicznych polimerów (i innych materiałów) z wytrzymałością warstwy wierzchniej wykazały, że im wyższa jest ta wytrzymałość, tym większa jest wartość współczynnika tarcia i tym mniejsze jest zużycie podczas tarcia (intensywność zużycia). Należy zaznaczyć, że wpływ poszczególnych czynników związanych z nadcząsteczkową budową polimeru, a więc ze stopniem krystaliczności, strukturą III-rzędową i jej orientacją nie jest jeszcze w pełni poznany i jest przedmiotem ciągłych badań. Podczas tarcia zachodzi bowiem kompleksowe oddziaływanie obciążenia, temperatury i innych czynników utrudniających analizę zachodzących zjawisk. Z tego powodu każdorazowo podając wartości wskaźników charakteryzujących właściwości ślizgowe tworzywa sztucznego obok danych o warunkach ruchowych tarcia, należy podawać szczegółowe informacje dotyczące technologii otrzymania tworzywa oraz sposobu przygotowania próbek i przeciwpróbek (przeciwelementu ślizgowego) do badań tribologicznych. 3. Tworzywa sztuczne stosowane na elementy ślizgowe Ze względu na charakterystyczne różnice zasadniczych własności tworzyw wielkocząsteczkowych dzieli się je na elastomery (tworzywa o wysokiej sprężystości, np. guma) oraz na plastomery (tworzywa o dużej plastyczności). Najczęściej tworzywa stosowane na elementy ślizgowe należą do grupy plastomerów i dzieli się je na: termoplastyczne, termoutwardzalne i chemoutwardzalne. Elastomery najczęściej znajdują zastosowanie na elementy uszczelnień technicznych. Tworzywa termoplastyczne charakteryzują się mięknieniem i przechodzeniem w stan plastyczny wraz z podwyższeniem temperatury oraz z reguły są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Natomiast tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne są nieczułe na zmiany temperatury, tzn. po utwardzeniu wraz ze wzrostem temperatury nie miękną i nie uplastyczniają się oraz są nierozpuszczalne. Tworzywa termoplastyczne ulegają bardzo łatwo krystalizacji (jakkolwiek występują również termoplasty niekrystalizujące), co w dużej mierze wpływa na ich własności fizyczne i właściwości użytkowe. Spójność między łańcuchami utrzymywana jest przez działanie słabych sił międzycząsteczkowych. Uporządkowanie łańcuchów następuje albo pod wpływem stosunkowo niewysokich temperatur albo pod wpływem niewielkich sił zewnętrznych. Tworzywa utwardzalne zawsze występują w stanie bezpostaciowym. Uporządkowanie łańcuchów jest niemożliwe, gdyż pomiędzy nimi występują wiązania chemiczne (usieciowanie), a zerwania tych wiązań potrzebne do uporządkowania przez zastosowanie wysokiej temperatury bądź sił zewnętrznych prowadzi do zniszczenia polimeru. Do grupy tworzyw termoplastycznych najczęściej stosowanych w konstrukcji ślizgowych elementów maszyn zalicza się między innymi: poliamid (PA), polioksymetylen (POM) inaczej nazywane też jako: poliacetal lub poliformaldehyd, policzterofluoroetylen (PTFE), str. 4

5 polichlorotrójfluoroetylen (PCTFE), polietylen wysokiej gęstości (PE-HD), poliestry termoplastyczne (PET, PBT) polieteroketony (PEEK). Do grupy tworzyw utwardzalnych (duroplastów) stosowanych również w konstrukcji tego typu elementów maszyn należą: kompozyty na osnowie tworzyw fenolowych (PF), kompozyty na osnowie tworzyw epoksydowych (EP). 4. Tworzywa sztuczne stosowane na elementy cierne[8] Poza rzadko stosowanymi ciernymi materiałami metalowymi (żeliwo, spieki) sporą grupę materiałów ciernych stanowią kompozyty niemetalowe. Kompozyty cierne składają się z trzech grup materiałów: składników włóknistych, środków wiążących oraz wypełniaczy [8]. Składniki włókniste stanowią swego rodzaju szkielet kompozytu, nadając mu odpowiednią sztywność oraz wytrzymałość mechaniczną. Ponadto mają one zadanie oczyszczania powierzchni przeciwelementu, co wpływa na podwyższenie oraz stabilizację współczynnika tarcia [8]. Najczęściej jako składników włóknistych używa się włókien np. żużlowych (wełny mineralnej), szklanych, aramidowych, węglowych, stalowych. Środki wiążące służą do związania poszczególnych składników kompozytu w zwartą całość. Stosuje się na nie kauczuki syntetyczne i żywice syntetyczne, odporne na ciepło i nie wpływające na wartości współczynnika tarcia. Do najczęściej stosowanych środków wiążących należą: kauczuki butadienowo-styrenowe, butadienowo-akrylonitrylowe, oraz modyfikowane żywice fenolowoformaldechydowe [8]. Wypełniacze mają za zadanie polepszyć własności cierne kompozytu, przeciwdziałać jego nadmiernemu zużywaniu się, zwiększać odporność cieplną, a także poprawiac jego własności mechaniczne. Na wypełniacze stosuje się różne związki mineralne, tlenki metali i metale. Do najczęściej stosowanych wypełniaczy należą: mączka cyrkonowa, mączka fyllitowa, mączki mineralne, baryt, galena, trójsiarczek antymonu, wapno hydratyzowane, węglik krzemu. W śród tlenków: tlenek chromu, cyrkonu, magnezu, żelaza. Wypełniacze metaliczne w postaci proszków: ołowiu, miedzi, granulatu: brązu, mosiądzu, opiłków: żeliwa i stali [8]. Szczegółowy wpływ wypełniaczy (napełniaczy) na własności tribologiczne został opisany w rozdz Modyfikacja tworzyw sztucznych Dążenie do podwyższania niezawodności i trwałości węzłów ślizgowych prowadzi do poszukiwania coraz lepszych materiałów ślizgowych, w tym również materiałów polimerowych. Opracowywanie nowych tworzyw sztucznych jest jednak niezwykle kosztowne i czasochłonne, dlatego najczęściej do tworzenia nowych materiałów ślizgowych stosuje się modyfikację już istniejących tworzyw. Sam proces modyfikacji może być prowadzony w różnych fazach przetwórstwa, tzn. podczas produkcji tworzywa bazowego, na etapie półfabrykatu lub po wykonaniu go- str. 5

6 towego wyrobu. Niekiedy proces ten może zachodzić samoistnie np. podczas docierania w materiałach ślizgowych tworzy się warstwa wierzchnia o polepszonych właściwościach tribologicznych. Do najczęściej spotykanych sposobów modyfikacji należą: modyfikacja chemiczna, obróbka cieplna, modyfikacja samej warstwy wierzchniej elementu z tworzywa za pomocą np. inplantacji jonowej, różnego rodzaju napromieniowaniem, wykorzystując środki chemicznie aktywne, a także poprzez odkształcenia mechaniczne (np. obróbka plastyczna), modyfikacja przez napełnianie polimeru bazowego napełniaczami (modyfikatorami). Stosunkowo szeroko rozpowszechniona jest ostatnia z wymienionych metod modyfikacji tworzyw sztucznych, polegająca na napełnianiu polimerów różnymi napełniaczami. Tworzy się w ten sposób kompozyty polimerowe. Stosowane napełniacze powinny zmniejszać wartość współczynnika tarcia, a przede wszystkim powinny zmniejszać intensywność zużycia modyfikowanego polimeru w warunkach tarcia bez smarowania lub ograniczonego smarowania (np. montażowego) z przeciwelementem (najczęściej stalowym). Bardzo ważne jest przy tym również to, by zużycie współpartnera ślizgowego było możliwie najmniejsze, a praca skojarzenia ślizgowego była stabilna w szerokim zakresie zmienności warunków zewnętrznych procesu tarcia Rodzaje stosowanych napełniaczy Do fizycznej modyfikacji polimerów stosowane są różnego typu napełniacze, które można klasyfikować na podstawie wielorakich kryteriów. Jednym ze sposobów klasyfikacji może być ich podział np. ze względu na rodzaj materiału. Innym sposobem klasyfikacji może być ich podział ze względu na kształt cząstek napełniacza. Ze względu na pierwsze z wymienionych kryteriów klasyfikacji rozróżnia się podział na dwa zasadnicze rodzaje napełniaczy: metaliczne oraz niemetaliczne. Spośród najczęściej stosowanych napełniaczy metalicznych - zwykle o postaci proszkowej - można wymienić: niektóre metale (np. cyna, miedź, ołów), stopy łożyskowe (np. brązy, mosiądze), tlenki niektórych metali (jak: Al 2 O 3, MgO, Cu 2 O, TiO 2 ). Z napełniaczy niemetalicznych najczęściej stosowane są: inne polimery (np. PTFE, PE, różne żywice), napełniacze mineralne (np. kreda, mika) oraz inne substancje, jak: MoS 2, sadza, grafit, włókno węglowe, włókno szklane itp. Inną klasyfikacją napełniaczy, także ze względu na rodzaj materiału, jest ich podział oparty na kryterium składu chemicznego związku, według którego dzieli się je na: organiczne i nieorganiczne [7]. Według kryterium kształtu, napełniacze zasadniczo dzieli się na: dyspersyjne - nazywane również proszkowymi (o postaci granulek, blaszek lub drobnych włókienek) i włókniste (włókna długie i włókna krótkie - cięte). Wymienione odmiany napełniaczy mogą obejmować wszystkie wymienione wcześniej rodzaje materiałów, jeśli tylko pozwalają na to ich własności. Napełniacze wprowadza się do polimerów w różnych celach. Mogą one poprawiać wybrane własności fizyczne, ułatwiać przetwórstwo polimeru bądź mogą obniżać cenę, albo też spełniać jednocześnie (kompromisowo) wybrane lub wszystkie te cele. Dobór liczby napełniaczy, ich rodzaju i postaci oraz ich ilościowego udziału zależy od tego, jakie mają być docelowe właściwości kompozytu. Możliwości znacznego polepszenia właściwości tribologicznych polimerów poprzez ich fizyczną modyfikację zilustrowano na przykładzie polioksymetylenu (POM) [3] współpracującego str. 6

7 ślizgowo ze stalą w warunkach tarcia technicznie suchego. Badania tribologiczne prowadzono przy ustalonych wartościach parametrów ruchowych (p = 1,24 MPa, v = 1 m/s). W tych warunkach tarcia POM niemodyfikowany wykazywał intensywność zużycia liniowego I zl = 26 µm/km oraz wartość współczynnika tarcia µ=0,30 0,35 natomiast kompozyty utworzone na jego osnowie wykazały znacznie lepsze właściwości tribologiczne: POM+20% obj. proszku PTFE+15% obj. proszku brązu (I zl =1 1,6 µm/km, µ=0,18 0,20), POM+20% obj. proszku PTFE+6% obj. wypełniacza szklanego (I zl =1 1,5 µm/km, µ=0,18), POM+18% obj. proszku PTFE+6% obj. proszku brązu+6% obj. wypełniacza szklanego (I zl < 1 µm/km, µ=0,18). 6. Podstawowe teorie tarcia i zużywania Tarcie zewnętrzne jest procesem rozpraszania energii na styku przemieszczających się względem siebie ciał. Mimo intensywnych od wielu lat badań, nauka o tarciu opiera się na szeregu hipotez obejmujących jedynie poszczególne oddziaływania zachodzące pomiędzy współpracującymi ciałami. Wynika to ze złożoności tego zagadnienia, ponieważ w systemie tribologicznym występują równoczesne różnorodne oddziaływania, zarówno mechaniczne jak i fizyczne a także chemiczne, związane z budową warstwy wierzchniej elementów biorących udział w procesie tarcia. Większość powstałych teorii dotyczących tego zjawiska została opracowana dla metali. Tworzywa sztuczne, a zwłaszcza polimery termoplastyczne, są o wiele bardziej wrażliwe na warunki otoczenia (np. temperaturę) niż metale. Jednak ogólne postulaty teorii tarcia można również przyjąć dla materiałów polimerowych. w tym wypadku analiza zjawisk jest trudniejsza i wymaga pewnych uproszczeń. Poniżej wymieniono najważniejsze teorie tarcia ciał stałych. Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zakłada, że styk ciał nie zachodzi na nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówności znajdujące się na powierzchni ulegają deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której pojawiają się tzw. "mostki zwarcia". Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów adhezyjnych. Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zakłada, że w wypadku powierzchni gładkich tarcie zachodzi w obszarze sił międzycząsteczkowych tj. sił pomiędzy powłokami elektronowymi atomów stykających się ciał. Oznacza to, że siły przylegania lub przyciągania międzycząsteczkowego powinny być uwzględniane w teoriach tarcia. Adhezyjno-odkształceniowa (mechaniczna) teoria tarcia (Kragielski 1949, 1957, 1965). Teoria ta próbuje połączyć oddziaływanie mechaniczne trących ciał oraz oddziaływanie przyciągania molekularnego. Uwzględnia się w niej zarówno zaczepianie nierówności powierzchni trących ciał jak i siły adhezyjne spowodowane oddziaływaniem sił molekularnych. Bierze się również pod uwagę rzeczywistą powierzchnię styku. Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927, Kostecki 1970). Według tej teorii istnieje bilans energetyczny procesów tarcia zewnętrznego. Zjawiska cieplne, akustyczne i elektryczne a także procesy zużywania powodują straty energetyczne. Pracę sił tarcia można określić zatem sumą składowych energetycznych. Według Kosteckiego praca tarcia zewnętrznego składa się z energii przetworzonej na ciepło oraz energii rozproszonej. W praktyce podczas procesu tarcia oprócz sczepiania się nierówności powierzchni, występuje zawsze odkształcenie warstwy wierzchniej. W wypadku miękkich tworzyw, jakimi jest więk- str. 7

8 szość polimerów, większą rolę odgrywa oddziaływanie molekularne niż czysto mechaniczne zaczepianie mikronierówności powierzchni i ślizganie wzajemne po sobie i dlatego do mikroskopowego opisu procesu tarcia najczęściej wykorzystuje się teorię adhezyjno-odkształceniową. Z procesem tarcia związany jest ściśle proces zużywania materiału. Proces ten powodowany jest ścieraniem, pękaniem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją powierzchni współpracujących elementów i reakcjami tribochemicznymi zachodzącymi na powierzchni tarcia. W wypadku współpracy tworzyw sztucznych z metalami najczęściej spotykanymi rodzajami zużywania są: Zużywanie adhezyjne. Związane jest z adhezją powierzchni trących. Powoduje ona lokalne sczepienia tych powierzchni i co się z tym wiąże odkształcenie materiału, pękanie wiązań kohezyjnych i przenoszenie polimeru na powierzchnię przeciwelementu. W dalszej fazie ruchu następuje odrywanie się przeniesionego materiału od przeciwelementu i usunięcie go ze strefy tarcia w postaci produktów zużycia. Proces ten odbywa się cyklicznie i powoduje zużywanie przede wszystkim materiału polimerowego. Istotny wpływ na wartość adhezji ma energia powierzchniowa materiału polimerowego, a także chropowatość przeciwelementu metalowego. Zużywanie ścierne. Występuje przy współpracy materiału polimerowego z powierzchnią metalową, zwłaszcza, gdy ma ona dużą chropowatość. Wówczas wystające nierówności twardszego materiału spełniają rolę mikroostrzy. Ubytek materiału spowodowany jest mikroskrawaniem, rysowaniem lub bruzdowaniem. Proces ten zachodzi również, gdy w obszarze tarcia współpracujących elementów znajdują się luźne lub utwierdzone cząstki ścierniwa. Zużywanie ścierne w wypadku par ślizgowych polimer-metal może dotyczyć zarówno polimeru jak i metalu. Ten drugi przypadek zachodzi, gdy polimer jest wypełniony twardymi cząstkami np. włóknem szklanym, proszkiem kwarcu itp. Wówczas twarde cząstki wypełniacza mogą skrawać powierzchnię metalu powodując jej zużywanie. Zużywanie ścierne charakteryzuje się dużą intensywnością i często powoduje silne rozgrzewanie materiału polimerowego. Dlatego towarzyszą mu - poza mechanicznymi - również cieplne i chemiczne procesy zużywania. Zużywanie zmęczeniowe. Przyczyną tego typu zużywania jest cykliczne, zmienne odkształcanie warstwy wierzchniej. Z tego powodu na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, których dalszy rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału. Zużywanie to rośnie szybko gdy odkształcenia materiału polimerowego mają charakter plastyczny. W wypadku polimerów zużywanie zmęczeniowe powoduje pękanie łańcuchów makrocząsteczek. Przyczynia się to do zmniejszenia masy cząsteczkowej polimeru w warstwie wierzchniej i zmniejszenie stopnia krystaliczności polimeru. W kompozytach zawierających np. włókno szklane lub węglowe występuje zużywanie związane z rozwojem dyslokacji związanych z nieciągłością materiału wokół włókien. Wskutek tego następują mikropęknięcia pod powierzchnią a cząstki materiału polimerowego są usuwane z powierzchni w wyniku oddziaływań mechanicznych lub zjawiska adhezji. Zużywanie erozyjne. Zużywanie to powstaje w wyniku uderzania drobnych cząstek o powierzchnię materiału. Powoduje to ubytek materiału zwany erozją. Proces ten jest mało znany i zakłada się, że dla materiałów polimerowych może być traktowany jako zużywanie zmęczeniowe. str. 8

9 Zużywanie chemiczne. Zużywanie to występuje wskutek reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy współpracującymi materiałami. Może być również związane z reakcjami pomiędzy materiałem a środowiskiem (np. utlenianie), w którym zachodzi proces tarcia. Procesy degradacji mają duży wpływ na intensywność przenoszenia materiału. Zużywanie chemiczne towarzyszy zwykle innym rodzajom zużywania. Zużywanie cieplne. Zużywanie to zachodzi w wyniku wydzielania się dużej ilości ciepła, które powoduje zmiękczenie materiału w warstwach wierzchnich. Następnie zachodzi namazywanie a nawet sklejanie trących powierzchni powodując zatarcie. Dlatego zwykle zużywanie to nazywane jest zużywaniem awaryjnym. 7. Czynniki wpływające na przebieg procesu tarcia i zużywania polimerów 7.1. Wpływ stanu powierzchni metalowego współpartnera ślizgowego na tarcie tworzyw sztucznych Do głównych czynników związanych ze stanem powierzchni metalowego współpartnera ślizgowego tworzyw sztucznych, które mają wpływ na rodzaj zachodzącego tarcia i mechanizmy zużycia, należy zaliczyć chropowatość i twardość powierzchni ślizgowej. Oczywiście i inne czynniki związane ze stanem powierzchni metalowego elementu także wpływają na proces tarcia tworzyw sztucznych, jak na przykład skład chemiczny warstwy wierzchniej, czy kierunek struktury powierzchni (śladów obróbczych) po obróbce wykańczającej. Niemniej jednak, ze względu na technologię wykonywania takich elementów, mają one dość ograniczony zakres dowolności i najczęściej konstruktor nie ma na te czynniki wpływu. Przykładem tego może być czop wału, który po szlifowaniu ma zwykle obwodowe ślady obróbki Chropowatość metalowej powierzchni ślizgowej Chropowatość metalowej powierzchni ślizgowej ma zasadnicze znaczenie jeśli chodzi o rodzaj występującego tarcia przy współpracy z polimerem. W przypadku bardzo gładkich powierzchni, dominującą rolę w procesie tarcia odgrywa adhezja powierzchni tworzywa do powierzchni metalowego przeciwelementu. Rezultatem tego jest stosunkowo duża wartość współczynnika tarcia, przeciętnie 1,5 do 2 razy większa, niż przy tarciu po powierzchniach bardziej chropowatych. Występowanie silnej adhezji także niekorzystnie wpływa na intensywność zużycia. Zjawisko adhezji podczas tarcia tworzyw sztucznych po gładkich metalowych powierzchniach przejawia się jeszcze bardziej ze wzrostem nacisku, powodującego wzrost rzeczywistej powierzchni styku i zbliżenie cząstek współpracujących powierzchni na odległość zasięgu oddziaływań II rzędu. W miarę wzrostu chropowatości wartość współczynnika tarcia zmniejsza się osiągając minimum (zmniejsza się adhezja), a następnie znowu wzrasta (rys. 1). str. 9

10 PE-LD PE-HD PE-LD PE-HD a) Rys. 1. b) Zmiana wartości współczynnika tarcia µ (rys. a) oraz współczynnika zużycia K sl [mm 3 /Nm] (rys. b) w zależności od chropowatości elementu R a stalowego dla różnych polimerów Przyczyną tego wzrostu jest przejście przy dużych chropowatościach powierzchni do innego rodzaju tarcia, w którym dominującą rolę odgrywają zjawiska dekohezyjne związane z rysowaniem, bruzdowaniem i mikroskrawaniem powierzchni ślizgowej polimeru (rys.2). Powoduje to wzrost oporów tarcia i gwałtowny wzrost zużycia tworzywa, w którym zasadniczy udział ma zużycie ścierne. Rys. 2. Wpływ chropowatości R a stalowego elementu wartości współczynnika tarcia µ Można zatem określić optymalną wartość chropowatości metalowego przeciwelementu, przy której opory tarcia będą małe a jednocześnie odporność na zużycie współpracującej pary ślizgowej jak największa. Należy zauważyć, że różne tworzywa sztuczne wymagają innych optymalnych wartości chropowatości powierzchni stalowego przeciwelementu (tabela 1). Tabela 1 Optymalne chropowatości powierzchni stalowego przeciwelementu dla wybranych polimerów ślizgowych Optymalna chropowatość Tworzywo sztuczne R a [µm] PA6, PA6.6, PI 1,5 3,0 PA/grafit, PA/MoS 2, PA6.6/PE 1,0 2,0 PA11, PA12 0,5 1,0 POM 0,7 0,9 PTFE 0,2 str. 10

11 7.1.2 Twardość metalowego elementu Twardość metalowego elementu podobnie jak chropowatość ma istotny, chociaż mniej intensywny, wpływ na rodzaj zachodzących na powierzchni ślizgowej oddziaływań. Ze wzrostem twardości powierzchni metalu, będącej miarą stanu umocnienia warstwy wierzchniej, następuje wzrost energii powierzchniowej. Z tribologicznego punktu widzenia, występowanie na powierzchni metalowej energii swobodnej powoduje wzbudzanie atomów warstwy powierzchniowej, a tym samym zwiększenie ich aktywności chemicznej. Wywiera to określony wpływ na wzajemne oddziaływanie powierzchni będących w styku (polimer-metal), inicjując dyfuzję, sorpcję i adhezję. Wzrost temperatury wywołany tarciem, którego nie da się uniknąć, dodatkowo zwiększa udział zjawisk adhezyjnych. Związane jest to z kolei ze wzrostem energii powierzchni,w odróżnieniu jednak od energii powierzchniowej (napięcia powierzchniowego), która maleje ze wzrostem temperatury. Wzrost energii powierzchni powoduje wzrost amplitudy drgań atomów na powierzchni metalu w kierunku prostopadłym do powierzchni, co sprzyja powstawaniu więzi z atomami obcymi na powierzchni tworzywa (adhezja, sorpcja). Wobec podanych zależności wpływu stanu powierzchni metalowego elementu, najkorzystniejsze właściwości tribologiczne skojarzenia polimer-metal (w danych warunkach ruchowych tarcia) powinny występować przy pewnych optymalnych wartościach obu wymienionych czynników, co zostało potwierdzone w wielu pracach badawczych (np.[6]). W wypadku twardości powierzchni stalowego przeciwelementu nie można podać jej optymalnej wartości. W łagodnych warunkach tarcia (małe naciski) lepsze właściwości tribologiczne uzyskuje się przy małych wartościach twardości (30-40 HRC). Jednak w zakresie dużych wartości nacisku, przy małej twardości stalowego przeciwelementu, następuje zwiększone zużycie powierzchni stalowej ze względu na mniejszą wytrzymałość zmęczeniową stalowych mikronierówności, ścinanych na skutek wielokrotnych oddziaływań z powierzchnią polimeru. W takich przypadkach zaleca się by twardość powierzchni stalowego przeciwelementu była większa od 50 HRC. Jest to uzasadnione także tym, że w skojarzeniach ślizgowych polimer-metal elementem wymiennym na skutek zużycia jest element polimerowy, co wynika głównie z racji ekonomicznych Tworzenie polimerowej warstewki na powierzchni stalowego przeciwelementu Zjawisko powstawania filmu polimerowego (warstewki przeniesionego podczas tarcia materiału) polega na tworzeniu się na powierzchniach polimeru i metalu warstwy ślizgowej zbudowanej z materiału polimerowego. Warstewka ta powoduje między innymi to, że tarcie zachodzi pomiędzy powierzchniami polimerowymi a nie bezpośrednio pomiędzy polimerem a metalem. Zdjęcie mikroskopowe przeniesionej warstewki PTFE na powierzchnię stalowego przeciwelementu przedstawiono na rys. 3. Wyjaśnieniem oraz rolą tego zjawiska w procesie tarcia i zużywania zajmuje się szereg badaczy. Niektórzy z nich (Tabor, Briscoe, Lee) uważali, że przenoszona warstewka PTFE wykazuje bardzo słabą adhezję do podłoża, w związku z czym jest ona łatwa do usunięcia podczas powtórnego ślizgania się po niej elementu z tworzywa. Jednocześnie warstewka ta po usunięciu jest ciągle odnawiana. Badacze ci sugerowali, że siły adhezyjne mają naturę sił coulombowskich i oddziaływań Van der Waalsa. Czynnikiem mającym istotne znaczenie w procesie zużywania pary polimer-metal jest energia powierzchniowa polimeru. Im większa jest wartość tej energii tym mocniej warstwa polimeru przylega do przeciwelementu, chroniąc tym samym materiał po- str. 11

12 limerowy od bezpośredniego kontaktu z współpracującą powierzchnią. Równocześnie mocno przylegający do powierzchni metalu film polimerowy chroni ją przed niszczącym działaniem twardych cząstek ściernych, które mogą znajdować się w obszarze tarcia. Materiały charakteryzujące się dużą wartością energii powierzchniowej tworzą film o większej spójności cząstek lub warstw, z których został on zbudowany podczas procesu tarcia. Takie warstwy są bardziej odporne na zużycie. Jednocześnie jednak silne oddziaływania adhezyjne powodują, że polimerowe cząstki łatwiej wyciągane są z powierzchni ślizgowej materiału polimerowego. Kierunek ślizgania Ścieżka tarcia Kierunek ślizgania Powłoka PTFE a) Rys. 3. b) Zdjęcia mikroskopowe powierzchni elementu stalowego z widoczną warstewką przeniesionego PTFE po ślizgowej współpracy z kompozytem PTFE+15% grafitu w warunkach tarcia suchego 7.2. Wpływ parametrów ruchowych na tarcie pary ślizgowej polimer-metal Spośród wielu parametrów ruchowych mających wpływ na właściwości tribologiczne skojarzeń ślizgowych polimer-metal, do najbardziej istotnych - najczęściej uwzględnianych oraz mających praktyczne wykorzystanie w projektowaniu i eksploatacji węzłów ślizgowych - należą: temperatura tarcia, prędkość ślizgania i nacisk powierzchniowy. Wpływ tych czynników na zachowanie się tworzywa w procesie tarcia został już wcześniej częściowo opisany w odniesieniu do występujących mechanizmów zużycia, dlatego w tym rozdziale ograniczono się do podania zależności zmian wartości współczynnika tarcia od wymienionych parametrów ruchowych Wpływ temperatury Właściwości tribologiczne, podobnie jak inne właściwości materiałów polimerowych, ulegają zmianie wraz z temperaturą. Ogólny przebieg wartości współczynnika tarcia w funkcji temperatury przedstawiono na rysunku 4. Widoczne są trzy obszary odpowiadające stanom fizycznym w jakich może znajdować się rozpatrywany materiał polimerowy podczas tarcia. Obszar I odpowiada stanowi wysokoelastycznemu, obszar II - wymuszonej elastyczności natomiast obszar III odpowiada stanowi szklistemu. Wraz ze zmianą stanu fizycznego polimeru zmienia się mechanizm jego tarcia W obszarze stanu szklistego (III) duże znaczenie mają straty mechaniczne podczas objętościowego przeformowania warstw wierzchnich polimeru. Udział składowej mechanicznej w pobliżu temperatury zeszklenia T g jest porównywalny udziałem sił adhezyjnych. W pobliżu tej temperatury występuje minimum wartości współczynnika tarcia. Wraz z dalszym str. 12

13 wzrostem temperatury coraz większą rolę odgrywają oddziaływania adhezyjne polimeru do współpracującej powierzchni (składowa adhezyjna siły tarcia). Wartość współczynnika tarcia rośnie aż do osiągnięcia maksimum w pobliżu temperatury mięknienia T m. Rys. 4. Ogólna zależność współczynnika tarcia od temperatury dla polimerowych materiałów termoplastycznych (T g - temperatura zeszklenia, T m - temperatura mięknienia, obszar I - stan wysokoelastycznemu, obszar II - stan wymuszonej elastyczności, obszar III - stan szklisty) Najbardziej wrażliwymi na zmianę temperatury materiałami polimerowymi pod względem właściwości tribologicznych są termoplasty. Zmiana właściwości tribologicznych wybranych polimerów termoplastycznych w funkcji temperatury została przedstawiona na rysunku 5. Jak wynika z przedstawionych zależności wartość współczynnika tarcia µ dla większości polimerów (z wyjątkiem PTFE) maleje natomiast intensywność zużywania I z ulega zwiększeniu wraz ze wzrostem temperatury. a) b) Rys. 5. Wpływ temperatury na wartość współczynnika tarcia µ (rys. a) oraz intensywność zużywania I z (rys. b) dla wybranych polimerów współpracujących ze stalą Wpływ prędkości ślizgania Wpływ prędkości ślizgania w badaniach tribologicznych jest trudny do rozróżnienia od wpływu temperatury tarcia wobec małej przewodności cieplnej polimerów i związanej z tym nieuniknionym nagrzewaniem się powierzchni ślizgowej podczas tarcia. Szczególnie wyraźnie przejawia się to przy większych prędkościach ślizgania. Nawet jeśli uniknie się nagrzewania powierzchni ślizgowej, to wpływ prędkości ślizgania na wartość współczynnika tarcia i na inten- str. 13

14 sywność zużycia jest istotny, jakkolwiek w ramach znanych teorii tarcia nie można przytoczyć ogólnych praw charakteryzujących ten wpływ. Zależność prędkości ślizgania na proces tarcia łączy się z dynamiką oddziaływań zachodzących na powierzchni ślizgowej i z czasem styku trących się materiałów, w którym cząsteczki obu powierzchni mogą z sobą oddziaływać. Świadczy o tym przebieg wartości współczynnika tarcia niektórych polimerów, gdzie ze wzrostem prędkości ślizgania tarcie maleje (rys. 6). Zależności zużycia niektórych polimerów w funkcji prędkości ślizgania przedstawiono na rys. 7, gdzie można znaleźć podobieństwo do przebiegu zużycia w funkcji temperatury, co wynika z nagrzewania się powierzchni ślizgowej przy dużych prędkościach ślizgania. Rys. 6. Wartość współczynnika tarcia niektórych polimerów w zależności od prędkości ślizgania Rys. 7. Współczynnik zużycia K w (patrz wzór 9.3) niektórych polimerów w zależności od prędkości ślizgania Wpływ nacisku powierzchniowego Wpływ nacisku powierzchniowego na właściwości ślizgowe można ustalić tylko w krótkim przedziale czasu, gdyż takie czynniki, jak nagrzewanie się i zmiana profilu powierzchni ślizgowych w czasie zmieniają właściwe wyniki. Praktycznie nie daje się wykluczyć tych czynników i wówczas podaje się zależność wartości współczynnika tarcia od nacisku dla ustalonego stanu. W ogólnym przypadku charakter przebiegu wartości współczynnika tarcia od obciążenia dla tworzyw sztucznych współpracujących z elementem metalowym ma wygląd jak na rys. 8. Podczas tarcia tworzyw sztucznych styk jest częściowo sprężysty i częściowo plastyczny z przewagą pierwszego przy małych obciążeniach, a drugiego przy większych wartościach obciążenia (nacisku). W przedziale A wartość współczynnika tarcia zmniejsza się w miarę wzrostu Rys. 8. Ogólny przebieg zmian wartości współczyn- obciążenia wskutek wzrostu rzeczywistej nika tarcia µ w zależności od obciążenia p str. 14

15 powierzchni styku przy sprężystym kontakcie. Po osiągnięciu minimum (przedział B) wartość współczynnika tarcia zwiększa się (przedział C), co spowodowane jest wzrostem udziału styku plastycznego z jednoczesnym wzrostem sił mikroskrawania. Przy dalszym wzroście obciążenia (przedział D) następuje nieznaczny wzrost wartości współczynnika tarcia, a następnie jego zmniejszenie w wyniku podwyższenia się temperatury w strefie styku i zredukowania tym samym sił mikroskrawania. 8. Cel ćwiczeń i zakres badań Celem ćwiczeń jest określenie wpływu rodzaju badanych materiałów polimerowych (kompozytów polimerowych i ewentualnie ich składu) na ich właściwości tribologiczne podczas współpracy ze stalą. W ramach ćwiczenia powinna zostać wyznaczona charakterystyka zajeżności współczynnika tarcia µ w zależności od innych parametrów tarcia (p - nacisk powierzchniowy, v - prędkość ślizgania lub T 0 - temperatura otoczenia). Ponadto w ramach ćwiczenia przeprowadzone zostaną obserwacje mikroskopowe powierzchni ślizgowej badanych materiałów. Na podstawie uzyskanych wyników badań tribologicznych i mikroskopowych przeprowadzona zostanie identyfikacja występujących procesów zużycia. 9. Badania tribologiczne kompozytów polimerowych 9.1. Opis stanowiska badawczego Badania tribologiczne prowadzone są na tribometrze T-01 M produkcji MCNEMT w Radomiu (stanowisko badawcze typu sworzeń tarcza ). Schemat pary ślizgowej przedstawiono na rysunku 9.1, natomiast widok stanowiska na rysunku 9.2. Stanowisko jest napędzane silnikiem elektrycznym prądu przemiennego. Jego prędkość obrotową reguluje się przy pomocy falownika(11). Napęd z silnika jest przekazywany przez układ przekładni na wrzeciono (4), do którego mocuje metalową tarczę (3) spełniającą rolę przeciwelementu w badanym skojarzeniu ślizgowym (rys.9.2 b). Drugim elementem tego skojarzenia jest próbka (1) wykonana z materiału polimerowego. Próbka ma kształt sworznia o średnicy 8 mm i wysokości ok. 8 mm. Współpracuje ona podczas badań z płaską powierzchnią przeciwelementu (3) na promieniu r [m] (rys.9.1). Jeżeli prędkość obrotowa tarczy wynosi n [obr/min] to prędkość ślizgania v [m/s] próbki względem tarczy określa zależność: Rys Schemat pary ślizgowej typu sworzeń tarcza (1 próbka polimerowa, 3 przeciwelement str. stlowy) 15 v = π r n / 30 (9.1) Próbka jest osadzona w metalowej oprawce (2), która zabezpiecza ją przed odkształceniem podczas mocowania w specjalnym zacisku znajdującym się na końcu ramienia (7). Układ łożysk umożliwia obrót ramienia zarówno w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej.

16 a) b) Rys Stanowisko do badań tribologicznych tribotester T-01M (a - widok ogólny, b - widok szczegółowy) 1 próbka polimerowa, 2 oprawka, 3 przeciwelement stalowy, 4 wrzeciono, 5 śruba mocująca, 6 nakrętka zacisku, 7 ramię, 8 przeciwwaga, 9 obciążniki, 10 czujnik siły, 11 falownik, 12 - wyłącznik bezpieczeństwa, 13 mostek kensometryczny czujnika siły tarcia, 14 kamera cyfrowa. str. 16

17 Ciężar próbki z oprawką oraz ciężar własny ramienia są równoważone przy pomocy specjalnych nakrętek stanowiących przeciwwagę (8). Obciążenie próbki siłą nacisku F N dokonuje się przy pomocy zestawu obciążników (9) mocowanych w uchwycie na ramieniu (7) bezpośrednio nad próbką. Wartość siły F N określa się na podstawie wymaganego nacisku jednostkowego oraz powierzchni styku próbki z przeciwelementem. Reguluje się ją poprzez zmianę ilości odważników stanowiących obciążenie. Siła tarcia F t, która powstaje podczas współpracy pary ślizgowej, oddziałuje poprzez próbkę na ramię (7). Powoduje to pojawienie się momentu, który próbuje obrócić ramię wokół jego osi pionowej. Obrotowi przeciwdziała czujnik siły (10), zamocowany do obudowy stanowiska, który został umieszczony wzdłuż kierunku działania siły tarcia. W ten sposób wartość siły naporu ramienia (7) na czujnik jest równa wartości siły tarcia. Czujnik siły połączony jest z układem pomiarowym Wyznaczanie wartości współczynnika tarcia Podczas badań tribologicznych prowadzonych na omawianym stanowisku badawczym siła tarcia F t jest rejestrowana w ustalonych odstępach czasu (np. co 2 sekundy), a wyniki zapisywane są przy wykorzystaniu komputera. Wartość współczynnika tarcia µ (t) w funkcji czasu określa wzór: F t = F ( ) ( t) t µ (9.3) Przygotowanie próbek do badań tribologicznych N Próbka materiału powinna przylegać podczas badań tribologicznych całą powierzchnią do współpracującego przeciwelementu. Powierzchnia styku nie powinna zmieniać się w trakcie badań, gdyż spowodowałoby to zmianę warunków tarcia (zmiana nacisku jednostkowego). Przed właściwymi pomiarami należy odpowiednio przygotować przyszłą powierzchnię ślizgową próbki prowadząc wstępne i właściwe docieranie bezpośrednio na stanowisku badawczym. W celu przygotowania (dotarcia) powierzchni ślizgowej próbki należy: a) W miejsce przeciwelementu (3) zamontować tarczę z naklejonym (na powierzchnię płaską) drobnoziarnistym papierem ściernym. b) Próbkę (1) wcisnąć do oprawki (2) a następnie zamontować ją w uchwycie znajdującym się na końcu ramienia (7). Należy zwrócić uwagę na odpowiednie ustawienie znaczników znajdujących się na oprawce i ramieniu tak, aby w przyszłości próbka po zdemontowaniu ze stanowiska mogła być powtórnie zamontowana w takim samym ustawieniu. c) Obciążyć nieznacznie próbkę (p<0,1mpa) a następnie uruchomić stanowisko. Prędkość ślizgania próbki nie powinna przekraczać 0,5 m/s. d) Po upływie 2 do 3 minut sprawdzić wizualnie czy na całej powierzchni styku próbki z przeciwelementem widoczne są ślady współpracy z papierem ściernym. Jeżeli cała powierzchnia ślizgowa miała kontakt z papierem to docieranie wstępne można zakończyć. W przeciwnym razie należy ponownie przeprowadzić docieranie na nowym papierze ściernym. str. 17

18 e) Po dotarciu wstępnym próbka powinna być dalej docierana współpracując z właściwym przeciwelementem. Proces ten odbywa się to przy mniejszym od przewidywanego obciążeniu i z mniejszą prędkością ślizgania. W zależności od odporności na zużycie badanego materiału docieranie właściwe zachodzi na drodze od 1 do 30 km (dla materiałów bardzo odpornych na zużycie). f) Prawidłowo przygotowana do badań powierzchnia polimerowej próbki powinna być gładka a ślady (zarysowania) pochodzące od papieru ściernego powinny być niewidoczne Przebieg ćwiczenia Uwaga: Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z poniższą instrukcją dotyczącą bezpieczeństwa podczas całego toku ćwiczenia. Falownik zasilany jest napięciem 220 V a silnik 380 V, zatem ingerencja w układy wewnętrzne zarówno falownika jak i silnika może stanowić zagrożenie dla zdrowia. Podczas pracy stanowiska nie należy dotykać jakichkolwiek elementów wirujących. Obracająca się tarcza stalowa (przeciwelement), ze względu na możliwość wciągnięcia luźno zwisającego ubrania czy też włosów, jest również zagrożeniem dla zdrowia obsługującego stanowisko. Do stanowiska podłączony jest wyłącznik bezpieczeństwa (rys ) odcinający napięcie. 1. Ustalić zestaw materiałów badanych (1 2 gatunki), dla których zostaną przeprowadzone zostaną porównawcze badania tarcia i zużycia. Zapisać dane materiałowe (nazwa handlowa, oznaczenie, producent itp.) w sprawozdaniu. 2. Ustalić program badań zgodnie ze wskazówkami osoby prowadzącej ćwiczenie dotyczącymi warunków tarcia tj. nacisk jednostkowy p [MPa], prędkość ślizgania v [m/s], droga tarcia L [km], temperatura otoczenia T o [ o C], materiał przeciwelementu oraz jego twardości i chropowatości powierzchni, 3. Na podstawie przyjętych parametrów ruchowych wyznaczyć: a) siłę nacisku F N [N] obciążającą próbkę ze wzoru F N = p A (9.5) gdzie: p nacisk jednostkowy [MPa] A powierzchnia styku próbki i przeciwelementu [mm 2 ] (dla próbki o średnicy d = 8 mm przyjąć A = π d 2 /4 50 mm 2 ) b) prędkość obrotową wrzeciona n wrz [obr/min] wyznaczyć przekształcając wzór 8.1: n wrz v = π r (9.6) gdzie: v prędkość ślizgania [m/s] r promień ślizgania próbki względem tarczy [mm] (patrz rys. 8.1), badania przeprowadzić dla r = 30 mm. c) czas pomiaru t pom [s] ze wzoru: str. 18

19 t pom = 1000 L / v (9.7) 4. Po upływie określonego czasu t pom zatrzymać obracające się wrzeciono z przeciwelementem oraz zakończyć rejestrację sygnału siły tarcia F t. 5. Obliczyć średnią wartość współczynnika tarcia µ danego skojarzenia tarciowego. F = F t µ (9.8) N 6. Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić w sprawozdaniu 7. Powtórzyć czynności opisane w punktach od 4 do 15 dla kolejnych badanych materiałów. 8. Przeprowadzić obserwacje mikroskopowe powierzchni ślizgowej wskazanego przez osobę prowadzącą kompozytu polimerowego. Umieścić w sprawozdaniu rysunek przedstawiający wygląd powierzchni ślizgowej. 9. Wnioski, które należy zamieścić w sprawozdaniu powinny zawierać wyjaśnienie otrzymanych wyników badań oraz opis zachodzących procesów zużywania. Literatura [1] Rymuza Z., Trybologia polimerów ślizgowych. Warszawa, WNT, [2] Belyj V.A., Sviridenok A.I., Petrokovec M.I., Savkin V.G., Trenie polimerov. Moskva, Izd. Nauka, [3] Capanidis D., Wieleba W., Ziemiański K., Polimerowe łożyska ślizgowe. Praca zbiorowa Tribologia i tribotechnika. Red. nauk. Marian Szczerek, Marek Wiśniewski. Radom: Instytut Technologii Eksploatacji, 2000, s , [4] Lawrowski Z., Tribologia. Tarcie, zużywanie, smarowanie. Warszawa, PWN, [5] Łączyński B., Niemetalowe elementy maszyn. Warszawa, WNT, [6] Wieleba W., Analiza procesów tribologicznych zachodzących podczas współpracy kompozytów PTFE ze stalą, Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, [7] Żuchowska D., Polimery konstrukcyjne. Przetwórstwo i właściwości. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, [8] Lawrowski Z. red., Laboratorium Tribologii, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 1988 r. str. 19