LABORATORIUM ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 2

Transkrypt

1 LABORATORIUM ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 2 Opracował: Dymitry Capanidis, Wojciech Wieleba, Janusz Woźniak Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej Temat: Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych 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.) jak i w układach tribologicznych tam gdzie wymagana jest ich zwiększona trwałość eksploatacyjna (np. w transporcie: opona samochodowa, skrzynie załadunkowe itp.). Tworzywa sztuczne znajdują zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie jest utrudnione lub wręcz niemożliwe smarowanie sposobami konwencjonalnymi. W przypadku niedostatecznego smarowaniem, bądź też bez smarowania, występuje tarcie mieszane lub suche, a o jakości współpracy elementów decydują wówczas głównie właściwości 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. Dobór materiału polimerowego powinien opierać się na ocenie jego własności i właściwości użytkowych na tle wymagań jakie stawiane są w danym systemie 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, odporności na zużycie, temperatura tarcia. Wartościowanie przydatności materiałów polimerowych opiera się głównie na: wynikach badań własności podstawowych materiałów, wynikach badań tribologicznych.

2 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. Badania tribologiczne, stanowiące podstawę wnioskowania o związkach pomiędzy własnościami materiałów i ich właściwościami ślizgowymi 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 materiałów polimerowych lub ich kompozytów w zakresie badań podstawowych właściwości tribologicznych tj. wyznaczenie wartości współczynnika tarcia i intensywności zużywania oraz badania tribologicznych odporności na ścieranie materiałów polimerowych. Układ współpracy badanych materiałów oraz zasada działania stanowisk badawczych została dokładnie opisana w dalszej części instrukcji. Dla lepszego zrozumienia zagadnień związanych z tarciem i zużywaniem niezbędna jest znajomość przesłanek teoretycznych z dziedziny tribologii. Jednak do chwili obecnej brak jest jednoznacznej definicji teorii tarcia suchego, która uwzględniałaby różnorodne czynniki oddziaływujące na parę trącą przy skojarzeniu metal-tworzywo sztuczne. Opracowano wiele teorii i hipotez odnoszących się do metali. Poznanie ich pozwoli zrozumieć złożoność zagadnienia i po przyjęciu pewnych uproszczeń umożliwi przyjęcie podstawowych zasad tarcia dla materiałów polimerowych. Do najważniejszych teorii tarcia ciał stałych można zaliczyć: 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. Warstwą wierzchnią materiału nazywamy warstwę ograniczoną rzeczywistą powierzchnią przedmiotu, obejmującą tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne i chemiczne w stosunku do cechy tego materiału w głębi przedmiotu. Cechy warstwy wierzchniej nadawane w procesie produkcji zmieniają się na skutek działania czynników eksploatacyjnych.

3 Powierzchnia styku nawet najlepiej obrobionej powierzchni nigdy nie będzie gładka. Stan powierzchni elementów części maszyn charakteryzuje jej falistość, błędy kształtu oraz kierunek rozmieszczenia nierówności. Tak więc rzeczywiste oddziaływanie powierzchni pary trącej zależne jest od powierzchni styku i własności fizycznych materiałów trących się elementów maszyn. Rozpatrując parę trącą (rys.1) mówimy o nominalnej powierzchni styku S n, konturowej powierzchnia styku S k, i rzeczywistej powierzchnia styku S r [6]: Rys.1 Schemat powierzchni styku S; h wysokość nierówności nominalnej powierzchni styku S n, która jest powierzchnią w granicach obrysu powierzchni zetknięcia dwóch ciał. Zależna jest od wymiarów, z pominięciem falistości, chropowatości i błędów kształtu; konturowa powierzchnia styku S k jest to powierzchnia stanowiąca obrys rzeczywistych pól styku, zależna od chropowatości i falistości powierzchni oraz od obciążenia; rzeczywista powierzchnia styku S r jest to pole sumy elementarnych powierzchni styku. Rzeczywista powierzchnia styku występuje w miejscach stykania się nierówności dwóch powierzchni. 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

4 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. 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. 2. Klasyfikacja tworzyw sztucznych 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.

5 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), polichlorotrójfluoroetylen (PCTFE), polietylen wysokiej gęstości (PE-HD), poliestry termoplastyczne (PET, PBT) polieteroketony (PEEK). Do grupy tworzyw utwardzalnych stosowanych także w konstrukcji elementów maszyn należą: kompozyty na osnowie tworzyw fenolowych (PF), kompozyty na osnowie tworzyw epoksydowych (EP). 3. 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 gotowego 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.

6 3.1. 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 [5]. 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, inaczej nazywany jako poliacetal). W warunkach tarcia technicznie suchego po stali o optymalnej wartości parametru chropowatości powierzchni R a = 0,7 0,9 µm i twardości 45±1 HRC przy p = 1,24 MPa i v = 1 m/s, POM niemodyfikowany (badano krajowy POM o nazwie handlowej Tarnoform 300) wykazywał intensywność zużycia liniowego I zl = 26 µm/km oraz wartość współczynnika tarcia µ=0,30 0,35. Do modyfikacji tego polimeru przyjęto następujące napełniacze: proszek PTFE, proszek brązu B10, napełniacz szklany (50% włókna szklanego i 50% mikrokulek szklanych). W wyniku badań tribologicznych, w podanych wyżej warunkach tarcia, określono składy kompozytów na osnowie Tarnoformu 300 z wymienionymi napełniaczami o optymalnych właściwościach tribologicznych. Poniżej przytoczono składy tych kompozytów wraz z ich właściwościami tribologicznymi podanymi w nawiasach: POM % obj. proszku PTFE % obj. proszku brązu (I zl =1 1,6 µm/km, µ=0,18 0,20), POM % obj. proszku PTFE + 6% obj. wypełniacza szklanego (I zl =1 1,5 µm/km, µ=0,18), POM % obj. proszku PTFE + 4 8% obj. proszku brązu + 6% obj. wypełniacza szklanego (I zl < 1 µm/km, µ=0,18).

7 4. Czynniki wpływające na przebieg procesu tarcia i zużywania polimerów 4.1. 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). PE-LD PE-HD PE-LD PE-HD a) Rys. 1. 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. b)

8 Rys. 2. Wpływ chropowatości R a stalowego elementu wartości współczynnika tarcia µ Można zatem określić optymalną wartość chropowatości metalowego przeciwelementu, dla której opory tarcia będą najmniejsze, przy czym różne tworzywa sztuczne wymagają innych optymalnych wartości chropowatości powierzchni (tab.1). Tabela 1 Optymalne chropowatości powierzchni stalowego przeciwelementu dla wybranych polimerów Optymalna chropowatość Tworzywo sztuczne R a [µm] PA6, PA6.6, PI 1,5-3 PA/grafit, PA/MoS 2, PA6.6/PE 1-2 PA11, PA12 0,5-1 POM 0,7-0,9 PTFE 0, 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 czynni-

9 ków, co zostało potwierdzone w wielu pracach badawczych. W przypadku twardości powierzchni stalowego przeciwelementu nie można podać jej optymalnej wartości. W łagodnych warunkach tarcia (małe naciski) lepsze właściwości tribologiczne uzyskuje się przy małych (30-40 HRC) wartościach twardości. 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 polimerowego filmu Zjawisko powstawania filmu polimerowego podczas tarcia polega na tworzeniu się na powierzchniach polimeru i metalu warstwy ślizgowej zbudowanej z materiału polimerowego. Powoduje ona między innymi to, że tarcie zachodzi pomiędzy powierzchniami polimerowymi a nie bezpośrednio pomiędzy polimerem a metalem. 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. A. Polak opisał mechanizm formowania filmu polimerowego jako proces kilkuetapowy (rys. 3). a) b) c) warstwa przeniesionego materiału polimerowego metal produkty zużycia metal warstwa przeniesionego materiału polimerowego metal Rys. 3. Model procesu tworzenia filmu polimerowego podczas współpracy pary ślizgowej polimer-metal a) początek tworzenia filmu polimerowego pierwsza warstwa polimeru na wierzchołkach mikronierówności powierzchni metalu, b) produkty zużycia wypełniają przestrzenie pomiędzy mikrowzniesieniami, c) końcowy etap formowania filmu polimerowego podczas procesu tarcia) Pierwsza warstwa formowana jest na wierzchołkach mikronierówności powierzchni metalowej i jest z nią ściśle związana. Warstwa ta nie jest praktycznie usuwana podczas procesu tarcia. Jednocześnie wraz z przenoszeniem polimeru na powierzchnię metalu występuje tworzenie produktów zużycia poprzez ścierne oddziaływanie wierzchołków mikronierówności powierzchni metalu na powierzchnię materiału polimerowego. Produkty te stopniowo wypełniają wgłębienia

10 pomiędzy mikronierównościami. Nie wszystkie cząstki produktów zużycia zostają jednak związane z powierzchnią tarcia. W dalszym etapie procesu tarcia są one ściskane poprzez współpracujące powierzchnie polimeru i metalu tworząc warstwę o różnej grubości. Przedstawiony model tworzenia filmu polimerowego został potwierdzony badaniami mikroskopowymi powierzchni metali współpracującymi z materiałami polimerowymi. Szybkość tworzenia filmu, jego struktura, trwałość oraz właściwości smarne zależą od sił adhezji pomiędzy metalem i polimerem a przede wszystkim od własności materiału polimerowego. A Polak stwierdził również, że 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 polimerowy 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 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. 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) Widoczne są trzy obszary odpowiadające stanom fizycznym w jakich może znajdować się rozpatrywany materiał polimerowy podczas tarcia. Obszar I odpowiada stanowi wysokoelastycz-

11 nemu, 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 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. 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 intensywność 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.

12 Rys. 6. Wartość współczynnika tarcia niektórych polimerów w zależności od prędkości ślizgania Rys. 7. Intensywność zużycia 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. Rys. 8. Ogólny przebieg zmian wartości współczynnika tarcia w zależności od obciążenia 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 obciążenia wskutek wzrostu rzeczywistej 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 mikro-

13 skrawania. 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. 5. Cel ćwiczenia i metodyka badań Jednym z celów ćwiczenia jest przeprowadzenie badań tribologicznych dla skojarzenia ślizgowego polimer-stal lub kompozyt polimerowy-stal współpracującego w układzie sworzeńtarcza (tzw. pin-on-disc ) i określenie wpływu jednego z czynników ruchowych procesu tarcia (p - nacisku powierzchniowego, v - prędkości ślizgania lub T p - temperatury początkowej tarcia), albo też rodzaju badanych polimerów (ewentualnie kompozytów polimerowych i ich składu) na charakterystyki tarciowe badanych tworzyw sztucznych, obejmujących przebieg wartości współczynnika tarcia i temperatury tarcia w funkcji danego parametru ruchowego, a także identyfikację występujących mechanizmów zużycia na podstawie zadanych warunków tarcia, uzyskanych wyników badań tribologicznych i obserwacji mikroskopowych powierzchni ślizgowej badanego tworzywa. Badania tribologiczne prowadzone są na tribometrze T-01 M produkcji MCNEMT w Radomiu (stanowisko badawcze typu sworzeń tarcza ). Schemat pary ślizgowej przedstawiono na rysuku 1. Prędkość obrotową silnika prądu przemiennego reguluje się przy pomocy falownika. Napęd z silnika jest przekazywany przez układ przekładni na wrzeciono, do którego mocuje metalową tarczę (2) spełniającą rolę przeciwelementu w badanym skojarzeniu ślizgowym 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 (2) na promieniu r [m] (rys.1). Rys. 1. Schemat pary ślizgowej typu sworzeń tarcza (l próbka polimerowa, 2 przeciwelement stalowy) Jeżeli w układzie tym prędkość obrotowa tarczy wynosi n [obr/min] to prędkość ślizgania v [m/s] próbki względem tarczy określa zależność: v = ω r = π r n / 30 [m/s] Obciążenie próbki siłą nacisku F N dokonuje się przy użyciu obciążników bezpośrednio nad próbką. Wartość siły F N określa się na podstawie wymaganego nacisku jednostkowego oraz powierzchni styku próbki z przeciwelementem. Siła tarcia F t, która powstaje podczas współpracy pary ślizgowej, oddziałuje poprzez próbkę na czujnik siły, który został umieszczony wzdłuż kierunku działania siły tarcia. Zatem wartość siły tarcia określa wzór:

14 µ = F t ( t) F gdzie: F t siła tarcia w funkcji czasu F N obciążenie Zużycie liniowe próbek określa się jako różnicę wymiarów próbki przed i po procesie tarcia, mierzonych zwykle w kierunku działania siły nacisku FN (prostopadle do kierunku tarcia). Podczas realizacji ćwiczenia laboratoryjnego zostaną wyznaczenie również właściwości ścierne wybranych materiałów polimerowych. Na stanowisku badawczym podczas tarcia w obecności luźnego ścierniwa zostaną przeprowadzone badania ścieralności w jednakowych warunkach pracy (v prędkość ślizgania, F N obciążenie). Na podstawie uzyskanych wyników badań tribologicznych zostaną określone właściwości ścierne wybranych materiałów polimerowych. Na podstawie badań tribologicznych należy opracować sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia. Wnioski z ćwiczenia powinny zawierać wyjaśnienia otrzymanych wyników. Metoda badawcza odporności na ścieranie zgodna jest z normą GOST Stanowisko to przeznaczone jest do badania materiałów i powłok na zużycie ścierne podczas tarcia w obecności luźnego ścierniwa. Zasada badania (rys.2) polega na tym, że w jednakowych warunkach pracy (prędkość ślizgania v i obciążenia F N ) przeprowadza się badania próbek wybranych materiałów oraz próbki wzorcowej wykonanej ze stali 45 w stanie znormalizowanym. Podczas pomiaru badana próbka (1) jest dociskana z określoną siłą (F N ) do obracającego się z ustaloną prędkością obrotową (n) krążka gumowego (2) o średnicy d = 50 mm. Pomiędzy krążek i próbkę dostarczany jest proszek kwarcowy (3) - elektrokorund nr 90 (wg PN-76/M-59115) - powodujący ścieranie próbki. Wynikiem pomiaru jest wagowe zużycie próbki (różnica ciężaru przed i po badaniach), jakie wystąpiło po określonym czasie tarcia (określonej liczbie obrotów gumowej rolki). N Rys. 2. Schemat metody badawczej: l - próbka z badanej stali, 2 - rolka gumowa, 3 ścierniwo Na podstawie pomiarów zużycia wagowego określano wskaźnik odporności na ścieranie K b (względną odporność na zużycie) dla poszczególnych materiałów, określany jako stosunek objętościowego zużycia próbki wzorcowej do objętościowego zużycia badanych materiałów uzyskanych w takich samych warunkach badań. Wskaźnik ten określano z wzoru: Z K b = ww ρ w Nb Z ρ N wb b w

15 gdzie: Z ww - zużycie wagowe podczas badania próbki wzorcowej (stali 45), Z wb - zużycie wagowe podczas badania badanego materiału, ρ w - gęstość materiału próbki wzorcowej, ρ b - gęstość materiału próbki badanej, N w - liczba obrotów drogi tarcia próbki wzorcowej, N b - liczba obrotów drogi tarcia próbki badanej. 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. Literatura [1] Lawrowski Z., Tribologia - tarcie, zużywanie i smarowanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa [2] Rymuza Z., Trybologia polimerów ślizgowych. WNT, Warszawa [3] Wieleba W., Capanidis D., Ziemiański K., Polimerowe łożyska ślizgowe z tworzyw termoplastycznych. Cz. I - Materiały ślizgowe. Poradnik tribologii i tribotechniki (23) - wkładka do TRIBOLOGII Nr 6/95, s [4] Ziemiański K., Tworzywa sztuczne w konstrukcji wybranych zespołów maszynowych. Wrocław [5] Żuchowska D., Polimery konstrukcyjne. Przetwórstwo i właściwości. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, [6] Jaworski J. Okładziny cierne do hamulców i sprzęgieł pojazdów mechanicznych, Warszawa 1984.