ŒLIZGOWY TERMOUTWARDZALNY KOMPOZYT METALO YWICZNY NA ELEMENTY O YSK POPRZECZNYCH

Transkrypt

1 5-23 T R I B O L O G I A 11 Janusz DASIEWICZ*, Zbigniew PAWELEC* ŒLIZGOWY TERMOUTWARDZALNY KOMPOZYT METALO YWICZNY NA ELEMENTY O YSK POPRZECZNYCH THE SLIDING THERMOSETTING METAL-RESINOUS COM- POSITE FOR ELEMENTS OF RADIAL BEARINGS S³owa kluczowe: Kompozyt polimerowy, ywice fenolowo-formaldehydowe, rozszerzalnoœæ cieplna, wspó³czynnik tarcia Keywords: Polymer composite, phenol and formaldehyde resin, thermal expansion, friction coefficient Streszczenie W artykule przedstawiono wstêpne wyniki badañ nad opracowaniem œlizgowego kompozytu termoutwardzalnego, który bêdzie mo na stosowaæ na elementy konstrukcyjne maszyn i urz¹dzeñ. Celem przedstawionych * Instytut Technologii Eksploatacji w radomiu, ul. Pu³askiego 6/1, 26-6 Radom, tel. (48)

2 12 T R I B O L O G I A 5-23 w artykule badañ by³o sprawdzenie mo liwoœci i zakresu optymalizacji w³aœciwoœci materia³ów kompozytowych przez dobór osnowy kompozytu, nape³niaczy metalicznych i dodatków funkcyjnych wp³ywaj¹cych na w³aœciwoœci kompozytu polimerowego. Dokonano oceny wp³ywu osnowy kompozytu i nape³niaczy na wybrane w³aœciwoœci fizykomechaniczne, cieplne i tribologiczne. Charakterystyki tribologiczne kompozytów okreœlono na maszynie tarciowej typu rolka klocek, w której testowy wêze³ tarcia imituje ³o ysko œlizgowe. WPROWADZENIE Kompozyty konstrukcyjne stanowi¹ bardzo du ¹ i zró nicowan¹ grupê materia³ów. Ró ni¹ siê rodzajem u ytych sk³adników, kszta³tem i wymiarami komponentu umacniaj¹cego, technologi¹ wytwarzania itp., ale maj¹ wspóln¹ cechê wysokie wskaÿniki wytrzyma³oœciowe. Najprostsza koncepcja kompozytu konstrukcyjnego sprowadza siê do rozmieszczenia w osnowie drugiej fazy, zwykle sztywniejszej ni osnowa. Cennymi zaletami polimerów jest mo liwoœæ ³atwego formowania elementów o z³o onych kszta³tach, du a trwa³oœæ podczas pracy w warunkach korozyjnych, dobre w³aœciwoœci tribologiczne oraz niski koszt materia³u. Oprócz wielu korzystnych cech nale y uwzglêdniæ i to, e mog¹ pracowaæ w warunkach tarcia technicznie suchego. Wadami tworzyw s¹ przede wszystkim s³abe w³aœciwoœci mechaniczne, mo liwoœæ zmiany w³aœciwoœci i wymiarów wskutek zmian warunków otoczenia np. temperatury. W celu poprawy w³aœciwoœci mechanicznych stosuje siê metody ³¹czenia tworzyw z ró nymi nape³niaczami, dotyczy to g³ównie w³aœciwoœci mechanicznych i cieplnych. Cechy u ytkowe ywic nie nape³nionych s¹ niskie jednak wzmocnienie ich odpowiednimi nape³niaczami np. proszkami metali lub w³óknami daje dobre efekty w postaci poprawy ich w³aœciwoœci [L. 1, 2, 3, 5]. Kompozyty polimerowe stosowane na konstrukcyjne elementy maszyn charakteryzuj¹ siê na ogó³ du ¹ odpornoœci¹ chemiczn¹, co oznacza wyeliminowanie podczas pracy skojarzeñ tr¹cych destrukcyjnego dzia³ania tlenu oraz koroduj¹cego dzia³ania wody, oleju i smarów. Tak korzystny zespó³ w³aœciwoœci materia³ów polimerowych umo liwia stosowanie ich jako materia³y konstrukcyjne przeznaczone miêdzy innymi na elementy ³o ysk œlizgowych. Analiza literatury i wstêpne wyniki badañ w dziedzinie kszta³towania tworzyw, w których osnow¹ w przewa aj¹cej iloœci przy-

3 5-23 T R I B O L O G I A 13 padków jest polimer termoutwardzalny, ywica fenolowo-formaldehydowa, sugeruje mo liwoœæ uzyskania kompozytu niskotarciowego, metalo- ywicz-nego o dobrych w³aœciwoœciach mechanicznych i termicznych [L. 4, 6, 7]. WYNIKI BADAÑ W AŒCIWOŒCI FIZYKOMECHANICZNYCH I CIEPLNYCH Przedmiotem badañ by³y ró ne rodzaje nawolakowych t³oczyw termoutwardzalnych. Stanowi³y one tak e matryce opracowywanych kompozytów konstrukcyjnych. Termoutwardzalne osnowy kompozytów charakteryzuj¹ siê miêdzy innymi wysok¹ odpornoœci¹ ciepln¹ i dobr¹ odpornoœci¹ na œcieranie. Jako nape³niacze zastosowano miêdzy innymi sproszkowane metale (Fe) zwiêkszaj¹ce przewodnoœæ ciepln¹ a w celu zwiêkszenia w³asnoœci mechanicznych wprowadzono nape³niacze w³ókniste (w³ókno aramidowe). Dodatkami funkcyjnymi by³y smary sta³e obni aj¹ce wspó³czynnik tarcia i jednoczeœnie poprawiaj¹ce przewodnoœæ i odpornoœæ ciepln¹. Tabela 1. Sk³ady kompozytów poddane badaniom Table 1. Composition of the investigated composites Sk³adniki kompozytu Nazwa kompozytu KT1 KT2 KT3 KT4 KT5 Polofen 1 X - - X - Polofen 2 - X - - X Polofen X - - Nape³niacze proszkowe X X Nape³niacze w³ókniste X X Dodatki funkcyjne X X Dla zastosowanych termoutwardzalnych ywic polimerowych jak równie materia³ów kompozytowych na ich osnowie dokonano pomiarów podstawowych parametrów fizykomechanicznych. Z prób statycznych dokonano pomiarów twardoœci i wytrzyma³oœci na œciskanie a z prób dynamicznych wyznaczono udarnoœæ metod¹ Charpy. Otrzymane wyniki badañ przedstawiono w tabeli.

4 14 T R I B O L O G I A 5-23 Tabela 2. W³aœciwoœci fizykomechaniczne badanych materia³ów Table 2. The physical and chemical properties of the investigated materials Symbol próbki Twardoœæ [MPa] Udarnoœæ [kj/m 2 ] Wytrzyma³oœæ na œciskanie [MPa] KT 1 KT 2 KT 3 KT 4 KT ,1 1,5,7 1,6 2, Analizuj¹c otrzymane wyniki badañ w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych t³oczyw fenolowo-formaldehydowych wykorzystanych jako osnowy kompozytów polimerowych mo emy stwierdziæ, e najni sze wartoœci mierzonych parametrów fizykomechanicznych uzyskano dla Polofenu 3. Próbki wykonane z tego tworzywa mia³y ma³¹ twardoœæ i szczególnie niska udarnoœæ. Niskie parametry u ytkowe tej osnowy polimerowej spowodowa³y, e materia³y kompozytowe sporz¹dzono tylko na osnowie Polofenu 1 i Polofenu 2. Wyniki pomiarów podstawowych parametrów fizykomechanicznych tych materia³ów kompozytowych pozwalaj¹ wnioskowaæ, e zastosowane nape³niacze wp³ywaj¹ na poprawê mierzonych parametrów. W przypadku kompozytu oznaczonego symbolem KT 5 uzyskano ok. 4% wzrost twardoœci i udarnoœci a tak e znaczn¹ poprawê wytrzyma³oœci na œciskanie. Niezale nie od parametrów wytrzyma³oœciowych jedn¹ z istotniejszych w³aœciwoœci maj¹cych wp³yw na jakoœæ wspó³pracy tribologicznej jest szczególnie w przypadku polimerowych materia³ów kompozytowych rozszerzalnoœæ cieplna. Na podstawie pomiarów wyd³u enia próbki w funkcji temperatury na dylatometrze firmy Cosfeld wyznaczono wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej uzyskuj¹c nastêpuj¹ce rezultaty p. Tab. 3. Tabela 3. Wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej badanych materia³ów. Table 3. Coefficient of linear thermal expansion of the investigated materials Symbol próbki / Wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej [x1-6o C -1 ] KT 1 KT 2 KT 3 KT 4 KT Uzyskane wyniki pomiarów wspó³czynnika liniowej rozszerzalnoœci cieplnej wskazuj¹, e oprócz Polofenu 3 dla pozosta³ych materia³ów jest

5 5-23 T R I B O L O G I A 15 on stosunkowo niewielki i znacznie mniejszy ni np. dla tworzyw termoplastycznych i kompozytów polimerowych na osnowie ywic chemoutwardzalnych. Mniejsze wyd³u enie próbki kompozytu KT 4 (Rys. 2) w porównaniu do jego osnowy (Rys. 1) wskazuje, e zastosowane nape³niacze wp³ywaj¹ korzystnie na wielkoœæ tego parametru. Obserwuj¹c przebieg zmian wyd³u enia próbki mo emy stwierdziæ, e jest ono wprost proporcjonalne do temperatury. Przyk³adowe przebiegi zmian wyd³u enia próbki kompozytu w funkcji temperatury przedstawiono na rysunkach (Rys.1 i 2). Temperatura [ C] czas [sx8],9,75,6,45,3,15 wyd³u enie [mm] Rys. 1. Przebieg zmian wyd³u enia próbki komozytu KT 1 w funkcji temperatury Fig. 1. The expansion curve versus temperature for KT 1 specimen Temperatura [ C] czas [sx8],9,75,6,45,3,15, wyd³u enie [mm] Rys. 2. Przebieg zmian wyd³u enia próbki kompozytu KT 4 w funkcji temperatury Fig. 2. The expansion curve versus temperature for KT 4 specimen

6 16 T R I B O L O G I A 5-23 CHARAKTERYSTYKI TRIBOLOGICZNE KOMPOZYTÓW Poniewa opracowane materia³y maj¹ stanowiæ elementy ³o ysk œlizgowych ich charakterystyki tribologiczne wyznaczono na testerze T-5 typu rolka klocek w nastêpuj¹cych warunkach P = 9 i 12 MPa v =,3 m/s. Przyk³adowe charakterystyki tarciowo zu yciowe przedstawiono na wykresach (Rys. 3 6). temp. wêz³a [ C] droga [m],24,2,16,12,8,4, wspó³czynnik tarcia Rys. 3. Przebieg zmian wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a dla kompozytu KT 2 (p=9 MPa v=,3 m/s) Fig. 3. The friction couple temperature and friction force curves for KT1 composite (p = 9 MPa. v =,3 m/s) temp. wêz³a [ C] droga [m],24,2,16,12,8,4, wspó³czynnik tarcia Rys. 4. Przebieg zmian wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a dla kompozytu KT 5 (p=9 MPa, v =,3 m/s) Fig. 4. The friction couple temperature and friction force curves for KT5 composite (p = 9 MPa. v =,3 m/s)

7 5-23 T R I B O L O G I A 17 temp. wêz³a [ C] droga [m],24,2,16,12,8,4, wspó³czynnik tarcia Rys. 5. Przebieg zmian wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a dla kompozytu KT 5 (p= 12 MPa, v =,3 m/s) Fig. 5. The friction couple temperature and friction force curves for KT 5 composite (p = 12 MPa. v =,3 m/s) ¹czne zu ycie linowe wêz³a [υm] KT 2 9MPa KT 5 9MPa KT 5 12 MPa Rys.6. Zu ycie liniowe wêz³a tarcia Fig. 6. The linear wear of friction pair Uzyskane charakterystyki tribologiczne opracowanego kompozytu polimerowego pozwalaj¹ stwierdziæ, e rejestrowane parametry odznaczaj¹ siê nisk¹ i ustabilizowan¹ wartoœci¹. Pocz¹tkowo wy sza wartoœæ wspó- ³czynnika tarcia a nastêpnie jego spadek mo e œwiadczyæ o pewnym procesie docierania miêdzy wspó³pracuj¹cymi powierzchniami. Porównuj¹c charakterystyki tribologiczne przedstawione na Rys. 3 i 4 mo emy wnioskowaæ o korzystnym wp³ywie nape³niaczy na opory ruchu a tym samym na temperaturê wêz³a tarcia. Œrednia temperatura wêz³a obni y³a siê o ok.

8 18 T R I B O L O G I A C a wspó³czynnik tarcia o,2. Otrzymane charakterystyki tribologiczne dla zwiêkszonych nacisków jednostkowych wskazuj¹ na spadek oporów ruchu ze wzrostem obci¹ enia. We wszystkich przedstawionych charakterystykach tarciowych na uwagê zas³uguje wysoka stabilnoœæ rejestrowanych parametrów, poniewa o jakoœci wspó³pracy tribologicznej œwiadczy nie tylko wartoœæ wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a, ale równie ich niezmiennoœæ w czasie. Wielkoœæ zu ycia liniowego wêz³a tarcia zale y od sk³adu jakoœciowego kompozytu. Pozytywnie na wielkoœæ tego parametru wp³ywa udzia³ nape³niaczy i dodatków funkcyjnych. PODSUMOWANIE Uzyskane wstêpne wyniki badañ nad opracowaniem termoutwardzalnego kompozytu konstrukcyjnego na œlizgowe elementy maszyn sugeruj¹, e mo liwe jest opracowanie materia³u o zadowalaj¹cych parametrach u ytkowych. W³aœciwoœci badanych materia³ów kompozytowych uzale nione s¹ od rodzaju matrycy polimerowej. Zastosowane nape³niacze i dodatki funkcyjne wp³ywaj¹ na poprawê parametrów fizykomechanicznych oraz obni- aj¹ wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej. Uzyskane wyniki badañ tribologicznych wskazuj¹, e wspó³czynnik tarcia i temperatura wêz³a zale ¹ od sk³adu jakoœciowego materia³ów. Wspó³czynnik tarcia kompozytu KT-5 wspó³pracuj¹cego ze stopem ³o yskowym obni a siê ze wzrostem nacisków. Wa n¹ cech¹ charakterystyk tribologicznych nape³nionych polimerów termoutwardzalnych jest wysoka stabilnoœæ rejestrowanych parametrów. LITERATURA 1. Jurkowski B., Jurkowska B.: Sporz¹dzanie kompozycji polimerowych. Elementy teorii i praktyki. WNT Warszawa Kapuœciñski J., Puci³owski K., Wojciechowski S.: Projektowanie i technologia materia³ów kompozytowych. Wydawnictwo PW Warszawa Blicharski M.: Wstêp do in ynierii materia³owej. WNT Warszawa Marczak R., Starczewski L., Szumniak J.: Termoutwardzalny kompozyt dla skojarzeñ œlizgowych o niskich oporach tarcia i wysokiej odpornoœci na zu- ycie. Tribologia 3/21.

9 5-23 T R I B O L O G I A Wieleba W.: Tarcie i zu ywanie kompozytów PTFE wype³nionych koksem i grafitem podczas wspó³pracy ze stal¹ w warunkach tarcia suchego. Tribologia 4/ Floriañczyk Z., Penczek S.: Chemia polimerów. Oficyna wydawnicza PW Warszawa Wilczyñski A.: Polimerowe kompozyty w³ókniste. WNT Warszawa Summary Recenzent: Janusz JANECKI The paper presents the results of preliminary investigations aiming at elaboration of thermosetting composite intended for sliding elements of machine parts. The presented works aimed at checking the possibility of the optimisation of the composite material properties through the selection of the composite components i.e. matrix, metal fillers and functional additives. The assessment of composite matrix and fillers on physical, mechanical, tribological and thermal properties of the composite were performed. Tribological tests were performed using block-on-ring testing machine with friction pair imitating the slide bearing.