ZASTOSOWANIE TESTERA T-05 DO BADAŃ ZUŻYCIA

Transkrypt

1 58/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN ZASTOSOWANIE TESTERA T-5 DO BADAŃ ZUŻYCIA J. CYBO 1, A. JÓZEFÓW 2, A. MATJASIŃSKI 3, P. DUDA 4 Katedra Materiałoznawstwa - Zakład Badań Warstwy Wierzchniej Uniwersytetu Śląskiego STRESZCZENIE Omówiono ideę badań tribologicznych. Scharakteryzowano możliwości badawcze stanowiska Tester T-5. Podano przykładową metrykę badań oraz zmiany masy i współczynnika tarcia dla skojarzenia TG15/PA2, dokumentując zarazem wpływ wilgotności i temperatury otoczenia. 1. IDEA BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH Właściwości tribologiczne, czyli zachowanie cierne i zużyciowe, nie dotyczą jednego z elementów, lecz obu składowych węzła, z równoczesnym uwzględnieniem określonych warunków otoczenia. Uzyskiwane charakterystyki tribologiczne nie stanowią tym samym stałych materiałowych ani nawet cech badanego węzła, ale opisują cały system, łącznie z warunkami współpracy. Utrata zdolności eksploatacyjnej może być zatem skutkiem zmian właściwości fizycznych warstwy wierzchniej wywołanych tarciem, czego konsekwencją są ubytki masy bądź zmiany wymiarów elementów trących. Literatura często wymienia cztery główne formy/mechanizmy zużycia w wyniku tarcia: adhezyjny, ścierny, korozyjny, powierzchniowy. W rzeczywistości tych mechanizmów wyodrębnia się cztery razy więcej. Tym samym w ilościowym opisie można zidentyfikować ponad sto przyczyn, rozważanych jako czynniki lub składowe budowanych modeli procesu tarcia i zużycia. W zagadnieniach tribologicznych problemy materiałowe sprowadzają się z reguły do analizy warstwy wierzchniej (WW) elementów trących. Ukształtowana w procesie technologicznym WW podlega jednak w czasie tarcia zmianom stereometrycznym i fizycznochemicznym, przechodząc pod wpływem wymuszeń i stosowanych środków smarnych w stan technologicznej warstwy wierzchniej. 1 Dr hab. Profesor Uniwersytetu, jcybo@metrolo1.tech.us.edu.pl 2 Dr 3 Mgr 4 Mgr

2 44 Charakterystyka ilościowa WW składowych węzła tarcia powinna być wynikiem kompleksowych badań, poczynając od: twardości i mikrotwardości, przez temperaturę i opory w strefie tarcia, przestrzenny opis sterometryczny powierzchni, aż po stan naprężeń w układzie i zachowanie środków smarnych. Tak obszerny zakres badań wynika m.in. z faktu, że kształtowanie WW (np. wprowadzenie w jej głąb wybranych pierwiastków lub poprzez nakładanie powłok o różnych właściwościach w stosunku do podłoża) powoduje nie tylko skutki fizyko-chemiczne, ale również zmianę właściwości na styku warstwy z rdzeniem. W obszarze tym zachodzi zatem wzrost naprężeń, ich spiętrzenie w wyniku działania karbu, jaki stanowi strefa przejściowa, oraz zmiana właściwości sprężystych. Nie uwzględnienie tych faktów w badaniach i opisie stanowi jedną z przyczyn niepowodzeń w porównywalności eksperymentów tribologicznych oraz braku zgodności teoretycznych modeli budowy i zużycia WW z danymi empirycznymi [1]. Traktując zużycie tribologiczne jako utratę pierwotnych właściwości elementów trących powinno się zatem analizować łączne zmiany wszystkich cech opisujących elementy węzła tarcia: geometrycznych, mechanicznych, właściwości fizykochemicznych. Analizę szeregu z wymienionych parametrów oferuje Zakład Badań Warstwy Wierzchniej, którego możliwości badawcze przedstawiono w opracowaniu Morfologia, właściwości i zastosowania warstwy wierzchniej. W odniesieniu natomiast do samych badań zużyciowych należy zauważyć, iż Zakład dysponuje różnymi urządzeniami badawczymi, w tym - Testerem T-5 i stanowiskiem do analizy zagadnienia triboelektryzacji. Zachowanie tych możliwości wynika z przekonania, iż w związku z brakiem jednolitej teorii tarcia, nie jest możliwe wykorzystanie jednej, uniwersalnej aparatury do identyfikacji charakterystyk tribologicznych, gdyż nie istnieje nawet koncepcja budowy tak wszechstronnego urządzenia. Mając jednak na uwadze powtarzalność wyników, należy bezwzględnie zachować zasadę jednoznaczności doboru stanowiska i warunków badań. 2. STANOWISKO DO BADAŃ ZUŻYCIA - TESTER T-5 Tester T-5 ze skojarzeniem typu rolka-klocek służy do oceny odporności na zużycie podczas tarcia metali i tworzyw sztucznych oraz do badania odporności na zacieranie powłok niskotarciowych nanoszonych na wysokoobciążone elementy maszyn, a także do określania własności olejów i smarów. Tester T-5 pozwala na przeprowadzenie badań zgodnych z metodami określonymi w normach amerykańskich: ASTM D 2714, D 374, D 2981 i G 77. Skojarzenie testowe, klocek 1 oraz rolka 2, przedstawione jest na rys. 1. Uchwyt próbki 4 z wkładką półkolistą 3 dla przypadku styku skoncentrowanego zapewnia równomierne rozłożenie nacisków. Rolka obraca się z jednostajną prędkością n lub wykonuje ruch oscylacyjny z częstotliwością f.

3 441 Tester T-5 jest wyposażony w mikroprocesorowy system sterowania pomiarami, który umożliwia: kalibrowanie kanałów pomiarowych, sterowanie przebiegiem testu, dokonywanie pomiarów: oporu ruchu w węźle tarcia, temperatury próbki i środka smarowego, prędkości obrotowej wrzeciona, czasu trwania testu, archiwizację wyników badań, obróbkę i wydawanie wyników testu. Parametry charakteryzujące węzeł: 1) Rodzaj styku: skoncentrowany liniowy lub rozłożony, utworzony przez obracającą się rolkę i dociskany do niej klocek, rys. 1; 2) Geometria styku, rys. 2, 3. 3) Rodzaj ruchu: a) ślizgowy - o prędkościach (2 3 obr/min) poślizgu,37 5,5 m/s, b) oscylacyjny - regulowany w sposób ciągły cykli/min.; kąt ruchu oscylacyjnego 9 o. 4) Obciążenie styku: a) stałe dźwigniowe N, regulowane stopniowo co 15 N; 5 15 N, regulowane co 5 N, b) bezpośrednie 1 5 N, c) zmienne 1 5 N przez zewnętrzny siłownik. 5) Sposób smarowania: a) tarcie technicznie suche, b) smarowanie zanurzeniowe w oleju o regulowanej temperaturze, c) smarowanie przez jednorazowe nakładanie środka przed testem, d) okresowe dawkowanie smaru przez zewnętrzne urządzenie. Rys. 1. Schemat skojarzenia testowego Fig. 1. Scheme of a test mating Rys. 2. Przeciwpróbka (rolka) [2] Fig. 2. A counter-sample (roller) [2] a) a) b) Rys. 3. Próbka (klocek)[2]: a) z płaską powierzchnią tarcia, b) z wklęsłą powierzchnią tarcia, Fig. 3. A sample (block) a) with a flat surface of friction b) with a concave surface of friction

4 442 Pełną metrykę prowadzonych badań stanowią załączniki do raportu: dane o elementach testowych: identyfikator, rodzaj i skład chemiczny materiału, charakterystyczne stałe materiału (moduł Younga, liczba Poissone a), sposób obróbki powierzchni, twardość i struktura geometryczna WW; dane o środku smarnym: oznaczenie, skład chemiczny i właściwości; uzupełniające dane o otoczeniu węzła tarcia i warunkach przeprowadzenia testu; wydruki kalibracji i testowania torów pomiarowych oraz wielkości mierzonych; uwagi w trakcie realizacji testu (np. drgania, hałas, opis produktów zużycia). Na geometryczną charakterystykę WW składa się wg badań 2 i 3D profil powierzchni i jej charakterystyka po obróbce i po nałożeniu powłoki oraz po teście tarciowym, łącznie z krzywymi nośności. Za pomocą Testera T-5 mogą być wykonywane m.in. następujące badania: 1. charakterystyki zużyciowe skojarzeń materiałowych i powłok niskotarciowych, 2. wpływ sposobów obróbki warstwy wierzchniej na zużycie, 3. wpływ docierania na zjawiska tribologiczne, 4. zjawiska korozji ciernej, 5. tarciowe i antyzużyciowe właściwości cieczy obróbkowych, olejów i smarów, 6. testowanie przy dużych naciskach i prędkości oraz analiza wpływu pv. Wyniki badań są przedstawiane w postaci protokołu, tab Przykładowe wyniki badań na stanowisku tribologicznym Tester T-5 Wyniki badań zawierają: 1. Warunki pomiarów; 2. Tabelaryczne zestawienie wyników pomiarów (pominięte ze względu na poglądowy charakter opracowania); 3. Graficzny obraz wielkości mierzonych, rys. 4 9; 4. Wpływ temperatury otoczenia i wilgotności na wartość siły tarcia, rys. 8, 9. Ww. badania przeprowadzono przy zachowaniu następujących warunków: styk - rozłożony, rodzaj ruchu - ślizgowy, prędkość poślizgu:,2;,5; 1; 2 m/s, obciążenie styku,5;,1;,2;,5; 1 MPa droga tarcia w każdym teście 57 m, praca bezsmarowa, liczba powtórzeń: 3, temp. otoczenia 23 ± 1 o C, wilgotność względna: 5 ± 5%. Docieranie skojarzenia przeprowadzono przy v=2 m/s i nacisku p=,5 MPa przez 24 h.

5 443 ub. masy [mg] V=,5 m/s,25,5,75 1 ciśnienie [MPa] Rys. 4. Ubytek masy próbki w funkcji ciśnienia Fig. 4. Loss of mass as a function of pressure,12,1,8,6,4,2 V=1 m/s V=2 m/s V=2 m/s V=1 m/s V=,5 m/s V=,2 m/s,25,5,75 1 ciśnienie [MPa] Rys. 6. Współczynnik tarcia w funkcji ciśnienia Fig. 6. Coefficient of friction as a function of pressure,6,5,4,3,2,1, temp.próbki temp. otocz. wsp.tarcia, 1, 2, 3, czas [h] Rys. 8. Współczynnik tarcia w funkcji temperatury otoczenia Fig. 8. Coefficient of friction as a function of an ambient temperature temperatura [ C] ub. masy [mg] p=1mpa p=,5 MPa p=,2 MPa,5 1 1,5 2 prędkość [m/s] Rys. 5. Ubytek masy próbki w funkcji prędkości Fig. 5. Loss of mass as a function of velocity,12,1,8,6,4,2 p=,2 MPa p=,5 MPa p=,5 MPa,5 1 1,5 2 2,5 prędkość [m/s] Rys. 7. Współczynnik tarcia w funkcji prędkości Fig. 7. Coefficient of friction as a function of velocity,8,6,4,2 wilg. 3% wilg. 4% wilg. 5% czas [h] Rys. 9. Współczynnik tarcia w funkcji wilgotności powietrza Fig. 9. Coefficient of friction as a function of humidity of air

6 444 Tabela 1. Arkusz wyników badań skojarzenia Table 1. A sheet of results of investigation of a test mating Formularz danych Czas i warunki docierania: Parametry badawcze: nacisk F =....[N]; prędkość V =... [m/s]; Wilg. wzgl. ϕ =... %; Temp. ot. T=... [K] Materiał: klocka / pierścienia Rodzaj ruchu: obrotowy / obrotowo zwrotny Rodzaj styku: suchy / smarowany Częstotliwość ruchu oscylacyjnego:... Kąt ruchu oscylacyjnego:... Rodzaj i temp smaru Sposób smarowania Nr badania: Test nr 1 / 2 / 3 Styk skoncentrowany Pierścień Klocek Razem Szerokość ścieżki zużycia klocka w 3 przekrojach [mm] Średni ślad zużycia klocka [mm] Zużycie objętościowe WV [mm 3 ] Zużycie liniowe WL skojarzenia [µm] Zużycie wagowe [g] Wsp. tarcia ±odch.(wart. bezwzgl.) Temp. klocka ±odch.(wart. bezwzgl.) UWAGI Załączono do raportu Załączono do raportu Załączono do raportu LITERATURA [1] Szczerek M.: Metodologiczne problemy. Wyd. Inst. Techn. Ekspl., Radom (1997) [2] Instrukcja obsługi Testera typu rolka-klocek T-5 APPLICATION OF T-5-TYPE TESTER FOR WEAR AND TEAR INVESTIGATIONS SUMMARY The idea of tribological investigations is discussed in the paper. The investigating possibilities of the T-5-type tester system were characterized. The specification of investigations was cited by way of example as well as the changes of mass and friction coefficient for TG-15/PA2, mating were given. Therefore, the effect of ambient temperature and humidity is shown. Reviewed by prof. Stanisław Pietrowski