Wojciech Wieleba. Analiza procesów tribologicznych zachodz¹cych podczas wspó³pracy kompozytów PTFE ze stal¹

Transkrypt

1 Wojciech Wieleba Analiza procesów tribologicznych zachodz¹cych podczas wspó³pracy kompozytów PTFE ze stal¹

2 Prace Naukowe Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Nr 84 Politechniki Wroc³awskiej Nr 84 Monografie Nr Wojciech WIELEBA * kompozyty PTFE, procesy tribologiczne, ciep³o tarcia, temperatura tarcia ANALIZA PROCESÓW TRIBOLOGICZNYCH ZACHODZ CYCH PODCZAS WSPÓ PRACY KOMPOZYTÓW PTFE ZE STAL Przeprowadzono analizê procesu dyssypacji energii w postaci ciep³a tarcia. Zaobserwowano, e w procesie tarcia kompozytów PTFE udzia³ ciep³a w pracy tarcia jest zale ny od chropowatoœci wspó³pracuj¹cego elementu stalowego. Stwierdzono, e podczas tarcia kompozytów PTFE ciep³o tarcia jest generowane nie tylko na powierzchni styku wspó³pracuj¹cych materia³ów, ale równie w ich wnêtrzu. Ze wzglêdu na s³ab¹ przewodnoœæ ciepln¹ materia³ów polimerowych prowadzi to w razie du ej iloœci generowanego ciep³a do powstania znacznych ró nic temperatury w materiale polimerowym. Najwy sza temperatura wystêpuje w materiale polimerowym w pewnej odleg³oœci od powierzchni styku. Zbadano zjawisko tarcia wewnêtrznego w kompozytach PTFE oraz oceniono jego rolê w procesie wydzielania siê ciep³a tarcia. Wyniki badañ wykorzystano do analizy procesu generowania ciep³a tarcia w pierœcieniu uszczelniaj¹cym wa³ z wykorzystaniem metod numerycznych (metody elementów skoñczonych). Oceniono wp³yw chropowatoœci na w³aœciwoœci tribologiczne kompozytów w powi¹zaniu z twardoœci¹ elementu stalowego. Zbadano równie wp³yw parametrów ruchowych, tj. prêdkoœci œlizgania v, nacisku jednostkowego p w miejscu styku polimerowej próbki ze stal¹ i temperatury otoczenia T o, w której odbywa siê proces tarcia, na procesy tribologiczne dla wybranych kompozytów utworzonych na osnowie PTFE. Okreœlono zakresy parametrów tarcia (chropowatoœci powierzchni stalowego przeciwelementu oraz prêdkoœci œlizgania v i œredniego nacisku jednostkowego p), w których badane kompozyty wykazywa³y najlepsze w³aœciwoœci tribologiczne. Na podstawie przeprowadzonej analizy procesów tribologicznych zachodz¹cych podczas wspó³pracy kompozytów PTFE zawieraj¹cych wype³niacze dyspersyjne ze stal¹ zaproponowano model mechanizmu tarcia i zu ywania kompozytów PTFE. Uwzglêdnia on dodatkowe rozgrzewanie materia³u polimerowego pod powierzchni¹ tarcia wynikaj¹ce z ciep³a generowanego wewn¹trz materia³u polimerowego w wyniku tarcia wewnêtrznego. Przedstawiony model wyjaœnia obserwowan¹ w czasie badañ tribologicznych cyklicznoœæ zmian wartoœci wspó³czynnika tarcia w powi¹zaniu ze zmianami temperatury materia³u polimerowego. * Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw, Wybrze e Wyspiañskiego 27.

3 4 Wykaz wa niejszych oznaczeñ a 0...a 9 wspó³czynniki wielomianu (funkcji regresji) opisuj¹cego w³aœciwoœci fizyczne badanych kompozytów, a T wspó³czynnik przesuniêcia temperaturowego, A praca tarcia, A dyss moc dyssypacji mechanicznej, c p ciep³o w³aœciwe, E modu³ sprê ystoœci wzd³u nej, E g modu³ sprê ystoœci podczas zginania, E(ω 0 ) zespolony modu³ sprê ystoœci, E'(ω 0 ) czêœæ rzeczywista modu³u sprê ystoœci (modu³ akumulacji), E"(ω 0 ) czêœæ urojona modu³u sprê ystoœci (modu³ stratnoœci), F N si³a normalna, F t si³a tarcia, H p twardoœæ, I Z intensywnoœæ zu ywania, I ZL intensywnoœæ zu ywania liniowego, K wspó³czynnik udzia³u ciep³a w pracy tarcia, k w bezwymiarowy wspó³czynnik zu ycia, K w sta³a zu ycia, L droga tarcia, p œredni nacisk jednostkowy, P Ft moc tarcia, Q ciep³o, Q o strumieñ ciep³a odprowadzany do otoczenia, Q t strumieñ ciep³a tarcia, Q wew strumieñ ciep³a tarcia wewnêtrznego, Q * wew strumieñ ciep³a tarcia wewnêtrznego przypadaj¹cy na jednostkê objêtoœci, t czas, T temperatura materia³u, T o temperatura otoczenia, T * 0 temperatura b³ysku, T ol temperatura oleju, T x temperatura charakterystyczna, v prêdkoœæ œlizgania, δ, tg δ k¹t strat mechanicznych oraz wspó³czynnik strat mechanicznych (tangens k¹ta strat mechanicznych), amplituda odkszta³ceñ podczas cyklicznego obci¹ ania materia³u, ε 0

4 Wykaz wa niejszych oznaczeñ 5 µ a sk³adowa adhezyjna (molekularna) wspó³czynnika tarcia, µ d sk³adowa mechaniczna (deformacyjna) wspó³czynnika tarcia, µ wspó³czynnik tarcia, ν wspó³czynnik Poissona, λ p wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej polimeru, ρ gêstoœæ, ω czêstotliwoœæ odkszta³cania Parametry opisuj¹ce chropowatoœæ powierzchni opis, normy r œredni promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ków chropowatoœci, R 3z podstawowa wysokoœæ chropowatoœci (DB 31007), R a œrednie arytmetyczne odchylenie profilu (PN-87/M-04256/01, DIN 4768, BS 1134, ISO 4287), R k zredukowana wysokoœæ chropowatoœci (DIN 4776), R p maksymalna wysokoœæ wzniesienia profilu (PN-87/M-04256/01, DIN 4762), R pk zredukowana wysokoœæ wzniesienia profilu chropowatoœci (DIN 4776), R q œrednie kwadratowe odchylenie profilu (PN-87/M-04256/01, DIN 4762, ISO 4287), R v maksymalna g³êbokoœæ wg³êbienia profilu (PN-87/M-04256/01), R vk zredukowana g³êbokoœæ wg³êbienia profilu chropowatoœci (DIN 4776), R y maksymalna wysokoœæ profilu chropowatoœci z wartoœci wyznaczonych w piêciu kolejnych odcinkach pomiarowych (R m ) (DIN 4762, ISO 4287, BS 1134), R z wysokoœæ chropowatoœci profilu wed³ug 10 punktów (PN-87/M-04256/01, DIN 4762, ISO 4287, BS 1134), S œredni odstêp miejscowych wzniesieñ profilu (PN-87/M-04256/01), S m œredni odstêp chropowatoœci (PN-87/M-04256/01, DIN 4762, ISO 4287, BS 1134), bezwymiarowy kompleksowy wskaÿnik chropowatoœci ( = R y /r), α œrednie pochylenie profilu (PN-87/M-04256/01, DIN 4762, ISO 4287). Oznaczenia materia³ów polimerowych wed³ug normy PN-92/C (ISO :1987) ABS terpolimer akrylonitryl/butadien/styren IR kauczuk izoprenowy NBR kauczuk akrylonitrylo-butadienowy PA poliamid PC poliwêglan PE-HD polietylen o du ej gêstoœci PE-LD polietylen o ma³ej gêstoœci PEEK poli(eteroeteroketon) PET poli(tereftalan etylenu) PI poliimid PMMA poli(metakrylan metylu) POM polioksymetylen, poliacetal, poliformaldehyd PP polipropylen PPO poli(oksyfenylen) PS polistyren PTFE politetrafluoroetylen PVC poli(chlorek winylu)

5 6 Motto Po czêœci bowiem tylko poznajemy, po czêœci prorokujemy (Œw. Pawe³) 1. Wprowadzenie Udzia³ materia³ów polimerowych w technice od wielu lat systematycznie siê zwiêksza. Materia³y te, a zw³aszcza kompozyty utworzone na ich osnowie znalaz³y zastosowanie w wielu oryginalnych rozwi¹zaniach konstrukcyjnych, w których stosowanie innych materia³ów by³oby trudne lub wrêcz niemo liwe. Wynika to zarówno ze wzglêdów u ytkowych, jak te ekonomicznych. Przyk³adem mog¹ byæ wêz³y œlizgowe (³o yska, uszczelnienia, przeguby), w których smarowanie jest niedostateczne lub ca³kowicie niemo liwe. Materia³ami zalecanymi w tego typu zastosowaniach s¹ miêdzy innymi politetrafluoroetylen (PTFE) oraz jego kompozyty. Tworzywo to opracowano w 1933 r. (Moissan), a pierwsze informacje na jego temat opublikowa³a firma DuPont (USA) w 1938 r. [66]. Firma ta rozpoczê³a równie jako pierwsza w 1946 r. przemys³ow¹ produkcjê tego polimeru pod nazw¹ TEFLON. Jedn¹ z pierwszych prac badawczych, które wyjaœnia³y specyficzne w³aœciwoœci tego materia³u zosta³a przedstawione przez Bunna, Cobbolda i Palmera [10] w 1958 r. i dotyczy³a jego budowy morfologicznej. Obecnie PTFE jest produkowany w wielu krajach œwiata, m.in. w Polsce przez Zak³ady Azotowe SA w Tarnowie pod nazw¹ TARFLEN. Oprócz bardzo dobrych w³aœciwoœci œlizgowych niemodyfikowany PTFE wykazuje niedostateczne w³aœciwoœci wytrzyma- ³oœciowe oraz ma³¹ odpornoœæ na zu ycie. Dlatego zwykle wykorzystuje siê go jako polimer bazowy lub wype³niacz do tworzenia kompozytów. Wprowadzenie wype³niaczy do PTFE zmienia jego w³aœciwoœci. Niektóre z tych w³aœciwoœci poprawiaj¹ siê (np. znacznie wzrasta odpornoœæ na zu ycie oraz wytrzyma³oœæ na pe³zanie), inne natomiast mog¹ ulegaæ pogorszeniu (np. wzrasta wartoœæ wspó³czynnika tarcia, maleje odpornoœæ chemiczna itd.). O wielkoœci zmian w³aœciwoœci decyduje zarówno rodzaj wype³niacza, jak i jego iloœæ w kompozycie. Materia³y kompozytowe stanowi¹ obecnie jedn¹ z coraz czêœciej stosowanych grup materia³ów w zastosowaniach tribologicznych. Jednak e wiedza na temat w³aœciwoœci tribologicznych tych materia³ów jest bardzo ograniczona i opiera siê g³ównie na wiedzy empirycznej. PTFE jest polimerem stosowanym w technice ju od kilkudziesiêciu lat, a badania jego w³aœciwoœci równie s¹ prowadzone od wielu lat. Mimo to procesy zwi¹zane z jego tarciem i zu ywaniem nie s¹ do koñca poznane. Wynika to st¹d, e proces tarcia i zu- ywania siê materia³u polimerowego jest zagadnieniem bardzo z³o onym, zw³aszcza gdy rozpatruje siê procesy zachodz¹ce w kompozytach. Bezkrytyczne stosowanie tworzyw sztucznych bez uwzglêdnienia ich szczególnych cech mo e prowadziæ do negatywnych efektów objawiaj¹cych siê ma³¹ trwa³oœci¹ elementów œlizgowych, a nawet ich awaryjnoœci¹. Dlatego jednym z podstawowych pro-

6 1. Wprowadzenie 7 blemów jest dobór odpowiedniego tworzywa, który nie mo e byæ przypadkowy, ale musi wynikaæ ze znajomoœci w³aœciwoœci danego materia³u. Poznanie mechanizmu tarcia i zu ywania jednego z najbardziej popularnych materia³ów œlizgowych, jakim s¹ kompozyty na osnowie PTFE, u³atwi wnioskowanie o ich przydatnoœci jako materia³ów œlizgowych w ustalonych warunkach tarcia. Zagadnienie generowania ciep³a w procesie tarcia powoduj¹ce rozgrzewanie wspó³pracuj¹cych œlizgowo materia³ów jest szczególnie wa ne dla polimerów termoplastycznych, których w³aœciwoœci zale ¹ w istotny sposób od temperatury. Niewiele prac badawczych w tym zakresie dotyczy tej problematyki, a zw³aszcza wp³ywu ciep³a tarcia na przebieg procesów tribologicznych. Prezentowane w literaturze analizy procesu wydzielania ciep³a tarcia dotycz¹ przede wszystkim materia³ów metalowych. Wiêkszoœæ prezentowanych do tej pory teorii zak³ada ca³kowit¹ przemianê pracy tarcia w ciep³o. Ponadto zak³adaj¹ one, e ciep³o generowane jest jedynie na powierzchni styku dwóch wspó³pracuj¹cych cia³ ( b³ysk temperaturowy ). Uzasadnione wydaje siê zatem podjêcie tej tematyki w ramach niniejszej monografii Charakterystyczne w³aœciwoœci PTFE i jego kompozytów Politetrafluoroetylen (PTFE) nale y do polimerów fluorowêglowych. Jest on polimerem wysokokrystalicznym, którego stopieñ krystalicznoœci bezpoœrednio po polimeryzacji siêga 98%, po spiekaniu natomiast, w zale noœci od technologii, od 50 do 85% [65], [115]. W miarê wzrostu stopnia krystalicznoœci wiêkszoœæ jego w³aœciwoœci ulega pogorszeniu, np. udarnoœæ maleje 15-krotnie, a wytrzyma³oœæ na zginanie 100-krotnie. W³aœciwoœci mechaniczne PTFE s¹ stabilne w szerokim zakresie temperatur od 215 do +260 C [115]. PTFE nale y do polimerów o najwiêkszej stabilnoœci termicznej. Dopiero powy ej 425 C zachodzi jego gwa³towny rozk³ad termiczny [66], [115]. Polimer ten jest niepalny i ca³kowicie odporny chemicznie. Jedynie stê one zasady, rozpuszczone lub stopione litowce, trójfluorek chloru, i gazowy fluor oddzia³uj¹ na jego cz¹steczkê powy ej temperatury 150 C. Charakterystyczna budowa makrocz¹steczki oraz ma³e si³y miêdzycz¹steczkowe powoduj¹, e PTFE ma jedn¹ z najmniejszych energii powierzchniowych spoœród znanych polimerów. Przyczynia siê to do jego ma³ej zwil alnoœci wod¹ i cieczami organicznymi, ma³ej adhezji i ma³ej wartoœci wspó³czynnika tarcia [83]. Zw³aszcza ta ostatnia w³aœciwoœæ spowodowa³a powszechne stosowanie PTFE jako materia³u œlizgowego, przede wszystkim na ³o yska œlizgowe i uszczelnienia. PTFE mimo wielu zalet ma niezbyt dobre w³aœciwoœci mechaniczne, m.in. ma³¹ wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie i œciskanie, p³yniêcie nawet pod niezbyt du ym obci¹ eniem, ma³¹ odpornoœæ na zu ycie. Wady te uniemo liwiaj¹ czêsto zastosowanie tego polimeru w postaci niemodyfikowanej na elementy maszyn. Dlatego prowadzi siê jego modyfikacjê przez wprowadzenie odpowiednich wype³niaczy, których dobór powinien byæ dokonywany z uwzglêdnieniem ich w³aœciwoœci fizycznych, chemicznych i mechanicznych [83], [131].

7 8 1. Wprowadzenie W kompozytach wytwarzanych na osnowie PTFE stosuje siê zarówno wype³niacze w³ókniste (w³ókno szklane, wêglowe itp.), jak i dyspersyjne (proszki br¹zu, grafitu, koksu, dwusiarczku molibdenu, tlenku glinu itp.). Zadaniem wype³niaczy w kompozytach PTFE jest przede wszystkim zwiêkszenie odpornoœci na zu ycie oraz zmniejszenie pe³zania. Wype³niacze w³ókniste powoduj¹ zmniejszenie pe³zania, skurczu i rozszerzalnoœci termicznej. Jednoczeœnie zwiêkszaj¹ one odpornoœæ kompozytów na zu ycie, przy czym stwierdzono, e w³ókno szklane mo e powodowaæ zwiêkszone zu ycie elementu wspó³pracuj¹cego, w³ókno wêglowe natomiast nie powoduje niszczenia tego elementu [6]. W wypadku wype³niaczy dyspersyjnych najlepsze rezultaty zaobserwowano dla kompozytów zawieraj¹cych proszek br¹zu [36], [82], [130], [134]. Kompozyty te w ró nych warunkach ruchowych maj¹ du ¹ odpornoœæ na zu ycie z jednoczesn¹ stosunkowo ma³¹ wartoœci¹ wspó³czynnika tarcia. Jednak e br¹z jest jednym z najmniej odpornych chemicznie wype³niaczy i dlatego kompozyty zawieraj¹ce ten wype³niacz nie mog¹ byæ wykorzystywane na elementy pracuj¹ce w agresywnym œrodowisku, mimo e sam PTFE jest bardzo odporny chemicznie. Innymi powszechnie stosowanymi wype³niaczami dyspersyjnymi s¹ grafit, koks i dwusiarczek molibdenu [115]. Pozytywny wp³yw tych wype³niaczy, a zw³aszcza grafitu, widoczny jest przy du ych obci¹ eniach kompozytów (du y nacisk p = 15 MPa, ma³a prêdkoœæ œlizgania v = 0,01 m/s). W tych warunkach kompozyty takie wykazuj¹ ma³¹ wartoœæ wspó³czynnika tarcia (µ < 0,1), przy stosunkowo ma³ym zu yciu. Grafit oraz wspomniany wczeœniej br¹z powoduj¹ zanik w³aœciwoœci elektroizolacyjnych kompozytów. Oznacza to, e wykazuj¹ one pewne przewodnictwo elektryczne, co powinno byæ brane pod uwagê podczas stosowania takich kompozytów w ³o yskowaniu i uszczelnianiu maszyn elektrycznych. Zarówno grafit, jak i dwusiarczek molibdenu stosuje siê równie wspólnie z innymi wype³niaczami, np. w³óknem szklanym, w celu poprawienia w³aœciwoœci œlizgowych kompozytów [6]. Obecnie wiêkszoœæ firm wytwarzaj¹cych tworzywa sztuczne oferuje kompozyty PTFE zawieraj¹ce proszek br¹zu, w³ókno szklane, grafit, koks i dwusiarczek molibdenu. Inne wype³niacze (SiO 2, proszki metali np. stali itp.) s¹ raczej rzadko stosowane.

8 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze 2.1. Podstawowe teorie tarcia i zu ywania Tarcie zewnêtrzne jest procesem rozpraszania energii na styku przemieszczaj¹cych siê wzglêdem siebie cia³. Mimo intensywnych od wielu lat badañ, nauka o tarciu opiera siê na wielu hipotezach obejmuj¹cych jedynie poszczególne oddzia³ywania zachodz¹ce miêdzy wspó³pracuj¹cymi cia³ami. Wynika to ze z³o onoœci tego zagadnienia, poniewa w systemie tribologicznym wystêpuj¹ jednoczesne ró norodne oddzia³ywania, zarówno mechaniczne, jak i fizyczne, a tak e chemiczne, zwi¹zane z budow¹ warstwy wierzchniej elementów bior¹cych udzia³ w procesie tarcia. Wiêkszoœæ powsta³ych teorii dotycz¹cych tego zjawiska zosta³a opracowana dla metali. Tworzywa sztuczne, a zw³aszcza polimery termoplastyczne, s¹ o wiele bardziej wra liwe na warunki otoczenia (np. temperaturê) ni metale. Jednak ogólne postulaty teorii tarcia mo na równie przyj¹æ dla materia³ów polimerowych, ale w tym wypadku analiza zjawisk jest trudniejsza i wymaga pewnych uproszczeñ. Jako najwa niejsze teorie tarcia cia³ sta- ³ych mo na wymieniæ [5], [32], [47], [78], [83]: Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zak³ada, e styk cia³ nie zachodzi na nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierównoœci znajduj¹ce siê na powierzchni ulegaj¹ deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której pojawiaj¹ siê tzw. mostki zwarcia. Si³a tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów adhezyjnych. Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zak³ada, e w wypadku powierzchni g³adkich tarcie zachodzi w obszarze si³ miêdzycz¹steczkowych, tj. si³ miêdzy pow³okami elektronowymi atomów stykaj¹cych siê cia³. Oznacza to, e si³y przylegania lub przyci¹gania miêdzycz¹steczkowego powinny byæ uwzglêdniane w teoriach tarcia. Adhezyjno-odkszta³ceniowa (mechaniczna) teoria tarcia (Kragielski 1949, 1957, 1965). Teoria ta próbuje po³¹czyæ oddzia³ywanie mechaniczne tr¹cych cia³ oraz oddzia- ³ywanie przyci¹gania molekularnego. Uwzglêdnia siê w niej zarówno zaczepianie nierównoœci powierzchni tr¹cych cia³, jak i si³y adhezyjne spowodowane oddzia³ywaniem si³ molekularnych. Bierze siê równie pod uwagê rzeczywist¹ powierzchniê styku. Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927, Kostecki 1970). Wed³ug tej teorii istnieje bilans energetyczny procesów tarcia zewnêtrznego. Zjawiska cieplne, akustyczne

9 10 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze i elektryczne, a tak e procesy zu ywania powoduj¹ straty energetyczne. Pracê si³ tarcia mo na okreœliæ zatem sum¹ sk³adowych energetycznych. Wed³ug Kosteckiego [47] praca tarcia zewnêtrznego sk³ada siê z energii przetworzonej na ciep³o oraz energii rozproszonej. Wiêkszoœæ badaczy wykorzystuje obecnie do opisu makroskopowego procesów zachodz¹cych w systemie tribologicznym podczas tarcia energetyczn¹ teoriê tarcia. W praktyce podczas procesu tarcia oprócz sczepiania siê nierównoœci powierzchni wystêpuje zawsze odkszta³cenie warstwy wierzchniej. W wypadku miêkkich tworzyw, jakimi jest wiêkszoœæ polimerów, wiêksz¹ rolê odgrywa oddzia³ywanie molekularne ni czysto mechaniczne zaczepianie mikronierównoœci powierzchni i œlizganie wzajemne po sobie [111] i dlatego do mikroskopowego opisu procesu tarcia najczêœciej wykorzystuje siê teoriê adhezyjno-odkszta³ceniow¹ Prognozowanie wspó³czynnika tarcia Przedstawiono przyk³adowe wykorzystanie teorii tarcia, maj¹cych zastosowanie dla materia³ów polimerowych, które zaprezentowano w opracowaniach dotycz¹cych opisu oporów ruchu podczas tarcia. Tsuchida [118] przedstawi³ ogóln¹ teoriê si³ tarcia dla styku sprê ystego i plastycznego. Na podstawie energii procesu tarcia oraz mechaniki styku na poziomie molekularnym wyprowadzi³ on nastêpuj¹c¹ zale noœæ, potwierdzon¹ wynikami badañ, która opisuje wartoœæ wspó³czynnika tarcia œlizgowego miêdzy p³aszczyzn¹ i powierzchni¹ kulist¹: F N * µ = 0,236 (2.1) E R gdzie: F N œrednia wartoœæ si³y normalnej w obszarze styku, E * równowa ny modu³ sprê ystoœci (1/E * = (1 v 1 2 )/E 1 + (1 v 2 2 )/E 2 ), R promieñ kuli. Rymuza [86] zaproponowa³ na podstawie energetycznej teorii tarcia wprowadzenie wspó³czynnika strat tarcia CFL w miejsce wspó³czynnika tarcia µ. Wspó³czynnik CFL zosta³ zdefiniowany jako stosunek energii strat tarcia E t do energii dostarczonej E we. Energia strat E t zosta³a okreœlona jako iloczyn chwilowej si³y tarcia F t (t) oraz prêdkoœci œlizgania v(t), natomiast energia dostarczona E we jako iloczyn si³y obci¹ aj¹cej F N (t) i prêdkoœci œlizgania v(t). Wspó³czynnik strat tarcia CFL mo na okreœliæ w przedziale czasu od 0 do t 0 za pomoc¹ nastêpuj¹cej zale noœci: E CFL = E t we = t t F ( t) v( t) dt F t N ( t) v( t) dt (2.2)

10 2.1. Podstawowe teorie tarcia i zu ywania 11 W opracowaniu [86] przedstawiono ró nice w otrzymanych wartoœciach wspó³czynnika tarcia µ oraz wspó³czynnika CFL, widoczne zw³aszcza w funkcji drogi tarcia podczas liniowej zmiany obci¹ enia. Persson [67], rozwijaj¹c teoriê Groscha [29], przedstawi³ w swojej pracy now¹ teoriê tarcia dla materia³ów elastomerowych na przyk³adzie gumy. W swoich rozwa aniach stwierdzi³, e podczas procesu tarcia tych materia³ów znaczna czêœæ energii jest rozpraszana w wyniku tarcia wewnêtrznego podczas zmiennych w czasie odkszta³ceñ warstwy wierzchniej. Odkszta³cenia te wynikaj¹ z chropowatoœci oraz b³êdów kszta³tu powierzchni wspó³pracuj¹cego elementu. Prowadzi to do uzyskania zale noœci opisuj¹cej wartoœæ wspó³czynnika tarcia µ: Ft µ = F N σ 0 1 Im E ( ω ) 0 (2.3) gdzie: F t si³a tarcia, F N si³a normalna, σ 0 naprê enie œrednie w obszarze styku (œredni nacisk), ω 0 czêstotliwoœæ zmian obci¹ enia (ω 0 ~1/τ), τ wielkoœæ charakteryzuj¹ca czas relaksacji polimeru, E(ω 0 ) zespolony modu³ sprê ystoœci materia³u polimerowego, Im funkcja okreœlaj¹ca czêœæ urojon¹ liczby zespolonej. Poniewa podczas procesu tarcia odkszta³cenia plastyczne nie wystêpuj¹ w gumie, wiêc na podstawie analizy wymiarowej przyjêto, e σ 0 = CE(ω 0 ). Po przekszta³ceniu wzoru (2.3) otrzymano: ( ω0 ) ( ω ) E µ C (2.4) E 0 gdzie: C materia³owy wspó³czynnik proporcjonalnoœci, E"(ω 0 ) = Im(E(ω 0 )) czêœæ urojona modu³u sprê ystoœci materia³u polimerowego (modu³ stratnoœci). Przedstawione zale noœci porównano z wynikami badañ, a ich rezultaty potwierdzi³y s³usznoœæ przyjêtych za³o eñ. Persson stwierdzi³ ponadto, e ze wzglêdu na ma³¹ wartoœæ modu³u sprê ystoœci adhezja gumy do powierzchni przeciwelementu pe³ni wa n¹ rolê w procesie tarcia tego materia³u. Si³y adhezji deformuj¹ gumê w obszarze styku, powoduj¹c, zw³aszcza podczas ma³ych prêdkoœci œlizgania, ca³kowite jej przyleganie do zboczy mikrowzniesieñ profilu powierzchni elementu wspó³pracuj¹cego. Jest to istotne zw³aszcza podczas œlizgowej wspó³pracy gumy z twardymi przeciwelementami. Autor opracowania twierdzi równie, e udzia³ tarcia wewnêtrznego w sile tarcia jest pomijalny dla innych polimerów, poniewa materia³y elastomerowe maj¹ specyficzne w³aœciwoœci. W jednej z ostatnio prezentowanych prac Ludema [50] przedstawi³ przegl¹d modeli procesów tarcia dla ró nych materia³ów, w tym polimerów, oraz pewne zalecenia, co do przyjmowania tych modeli w rozwa aniach naukowych. Na przyk³adzie politetrafluoroetylenu (PTFE) zwróci³ uwagê na lepkosprê yste zachowanie materia³ów polimerowych, które powoduje, e ich w³aœciwoœci mechaniczne w wysokiej temperaturze i dla du ych odkszta³ceñ oraz w niskiej temperaturze i ma³ych odkszta³ceniach s¹ bar-

11 12 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze µ na podstawie danych uzyskanych w wysokiej temperaturze 0-1 l log(v * a T ) Rys Transformowanie danych charakteryzuj¹cych wspó³czynnik tarcia µ polimeru do pojedynczej krzywej [50] (opis w tekœcie) Fig Transforming of data describing a coefficient of friction µ to a single curve [50] dzo podobne do siebie. Oznacza to, e stan odkszta³cenia materia³u oraz temperatura w odpowiedniej relacji daj¹ taki sam efekt koñcowy. Wykorzystuj¹c lepkosprê yste zachowanie polimerowego materia³u, Ludema przeprowadzi³ odpowiedni¹ transformacjê danych (tzw. przesuniêcie czasowo-temperaturowe ) uzyskanych w ró nych warunkach, tak aby zapisaæ je w postaci jednej krzywej. Dane uzyskane w wysokiej temperaturze przesuniêto w lewo, a dane uzyskane w niskiej temperaturze w prawo o wartoœci okreœlone za pomoc¹ wspó³czynnika przesuniêcia a T (wspó³czynnik ten bêdzie omówiony w rozdz. 2.6). Zbudowana zosta³a w ten sposób g³adka krzywa zbiorcza (rys. 2.1), która mo e okreœlaæ np. zmianê wartoœci wspó³czynnika tarcia w okreœlonej temperaturze w funkcji prêdkoœci dla materia³ów lepkosprê ystych. Metod¹ t¹ mo na opisywaæ, zdaniem Ludemy, miêdzy innymi w³aœciwoœci tribologiczne materia³ów polimerowych Prognozowanie zu ycia tribologicznego Z procesem tarcia ³¹czy siê œciœle proces zu ywania materia³u. Proces ten powodowany jest œcieraniem, pêkaniem i wykruszaniem cz¹stek materia³u oraz adhezj¹ powierzchni wspó³pracuj¹cych elementów i reakcjami tribochemicznymi zachodz¹cymi na powierzchni tarcia. W wypadku wspó³pracy tworzyw sztucznych z metalami najczêœciej spotykanymi rodzajami zu ywania s¹ [5], [76], [83]: Zu ywanie adhezyjne jest zwi¹zane z adhezj¹ powierzchni tr¹cych. Powoduje ona lokalne sczepienia tych powierzchni i co siê z tym wi¹ e odkszta³cenie materia³u, pêkanie wi¹zañ kohezyjnych i przenoszenie polimeru na powierzchniê przeciwelementu. W dalszej fazie ruchu nastêpuje odrywanie siê przeniesionego materia³u od przeciwelementu i usuniêcie go ze strefy tarcia w postaci produktów zu ycia. Proces ten odby-

12 2.1. Podstawowe teorie tarcia i zu ywania 13 wa siê cyklicznie i powoduje zu ywanie przede wszystkim materia³u polimerowego. Istotny wp³yw na wartoœæ adhezji ma energia powierzchniowa materia³u polimerowego, a tak e chropowatoœæ przeciwelementu metalowego. Zu ywanie œcierne wystêpuje podczas wspó³pracy materia³u polimerowego z powierzchni¹ metalow¹, zw³aszcza gdy ma ona du ¹ chropowatoœæ. Wówczas wystaj¹ce nierównoœci powierzchni twardszego materia³u spe³niaj¹ rolê mikroostrzy. Ubytek materia³u jest spowodowany mikroskrawaniem, rysowaniem lub bruzdowaniem [32], [76]. Proces ten zachodzi równie, gdy w obszarze tarcia wspó³pracuj¹cych elementów znajduj¹ siê luÿne lub utwierdzone cz¹stki œcierniwa. Zu ywanie œcierne w wypadku par œlizgowych polimer metal mo e dotyczyæ zarówno polimeru, jak i metalu. Ten drugi przypadek zachodzi, gdy polimer jest wype³niony twardymi cz¹stkami np. w³óknem szklanym, proszkiem kwarcu itp. Wówczas twarde cz¹stki wype³niacza mog¹ skrawaæ powierzchniê metalu powoduj¹c jej zu ywanie. Zu ywanie œcierne charakteryzuje siê du ¹ intensywnoœci¹ i czêsto powoduje silne rozgrzewanie materia³u polimerowego. Dlatego towarzysz¹ mu oprócz mechanicznych równie cieplne i chemiczne procesy zu ywania. Zu ywanie zmêczeniowe. Przyczyn¹ tego typu zu ywania jest cykliczne, zmienne odkszta³canie warstwy wierzchniej. Z tego powodu na powierzchni pojawiaj¹ siê mikropêkniêcia, których dalszy rozwój i ³¹czenie powoduje wykruszanie siê materia³u. Zu ywanie to roœnie szybko, gdy odkszta³cenia materia³u polimerowego maj¹ charakter plastyczny. W wypadku polimerów zu ywanie zmêczeniowe powoduje pêkanie ³añcuchów makrocz¹steczek. Przyczynia siê to do zmniejszenia masy cz¹steczkowej polimeru w warstwie wierzchniej i zmniejszenie stopnia krystalicznoœci polimeru. W kompozytach zawieraj¹cych np. w³ókno szklane lub wêglowe wystêpuje zu ywanie zwi¹zane z rozwojem dyslokacji zwi¹zanych z nieci¹g³oœci¹ materia³u wokó³ w³ókien. Wskutek tego nastêpuj¹ mikropêkniêcia pod powierzchni¹, a cz¹stki materia³u polimerowego s¹ usuwane z powierzchni w wyniku oddzia³ywañ mechanicznych lub zjawiska adhezji. Zu ywanie erozyjne powstaje w wyniku uderzania drobnych cz¹stek o powierzchniê materia³u. Powoduje to ubytek materia³u zwany erozj¹. Proces ten jest ma³o znany i zak³ada siê, e dla materia³ów polimerowych mo e byæ traktowany jako zu ywanie zmêczeniowe. Zu ywanie chemiczne wystêpuje wskutek reakcji chemicznych zachodz¹cych miêdzy wspó³pracuj¹cymi materia³ami. Mo e byæ równie zwi¹zane z reakcjami miêdzy materia³em a œrodowiskiem (np. utlenianie), w którym zachodzi proces tarcia. Procesy degradacji maj¹ du y wp³yw na intensywnoœæ przenoszenia materia³u polimerowego w parach œlizgowych. Zu ywanie chemiczne towarzyszy zwykle innym rodzajom zu- ywania. Zu ywanie cieplne zachodzi w wyniku wydzielania siê du ej iloœci ciep³a, które powoduje zmiêkczenie materia³u w warstwach wierzchnich. Nastêpnie zachodzi namazywanie, a nawet sklejanie tr¹cych powierzchni i powstaje zatarcie. Dlatego zwykle zu ywanie to nazywane jest zu ywaniem awaryjnym.

13 14 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze Wielu badaczy podjê³o próbê prognozowania wartoœci zu ycia materia³ów polimerowych. Ogólnie metody prognozowania mo na podzieliæ na dwie grupy. Pierwsz¹ grupê stanowi¹ te metody, w których funkcje analityczne opisuj¹ce wartoœæ zu ycia uzyskano z wyników badañ doœwiadczalnych. Zwykle odnosz¹ siê one do konkretnych polimerów lub grupy polimerów, na których badania te zosta³y przeprowadzone. Jedn¹ z czêœciej stosowanych zale noœci [51], [65], [84] okreœlaj¹cych objêtoœæ V Z usuniêtego podczas procesu tarcia materia³u jest: V Z = K w pvt (2.5) lub w bardziej ogólnej postaci V Z = K w p m v n t (2.6) gdzie: K w sta³a zu ycia, p nacisk jednostkowy, v prêdkoœæ œlizgania, t czas œlizgania, m, n wspó³czynniki wyznaczone doœwiadczalnie. Ze wzglêdu na stosunkowo prost¹ postaæ zale noœæ ta jest czêsto podawana przez producentów tworzyw sztucznych do wyznaczania trwa³oœci elementów œlizgowych wykonanych z produkowanych przez nich materia³ów polimerowych (np. [65]). Do wyznaczenia postaci funkcji opisuj¹cej zu ycie wykorzystuje siê czêsto analizê wymiarow¹. Metodê tê wykorzystali w celu prognozowania zu ycia m.in. Bahadur i Kar [39], Rymuza [83], [84], Viswanath i Bellow [123], Setnariev i in. [97], Maškov i in. [54]. Przyk³adem nieliniowej funkcji opisuj¹cej objêtoœæ V Z usuniêtego podczas procesu zu ywania materia³u polimerowego, wspó³pracuj¹cego œlizgowo z metalowym przeciwelementem, jest nastêpuj¹ca zale noœæ [123]: c p V Z = k w p m v q t r R s E 3+m+r+s γ 3 2m q s λ p r q (2.7) gdzie: k w bezwymiarowy wspó³czynnik zu ycia, p nacisk jednostkowy, v prêdkoœæ œlizgania, t czas pracy (œlizgania), R chropowatoœæ powierzchni przeciwelementu, E modu³ sprê ystoœci wzd³u nej polimeru, γ energia powierzchniowa polimeru, c p ciep³o w³aœciwe polimeru, λ p wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej polimeru, m, q, r, s wspó³czynniki wyznaczone doœwiadczalnie (np. dla zu ywania adhezyjnego homopolimeru POM [84]: m = 1,47; q = 1,14; r = 1,225; s = 1,86). Drug¹ grupê metod prognozowania zu ycia stanowi¹ metody ogólne, wykorzystuj¹ce teoretyczne podstawy zjawisk fizycznych, chemicznych, mechanicznych i termicznych zachodz¹cych podczas tarcia modelowych par œlizgowych. Metody te zwykle s¹ weryfikowane za pomoc¹ badañ. Prezentowane w nich zale noœci analityczne maj¹ jednak zwykle bardzo rozbudowan¹ postaæ funkcji uwik³anych. Ich opis mo na znaleÿæ m.in. w opracowaniach takich autorów, jak: Bielyj i in. [5], Krysov i Orlov [43] (falowa teoria tarcia), Hebda i Wachal [32], Rymuza [83], Meozzi [58], Strömberg i in.[107], Xian-Hua Zhang i in. [148].

14 2.2. Procesy zachodz¹ce podczas œlizgowej wspó³pracy materia³ów polimerowych z metalami Procesy zachodz¹ce podczas œlizgowej wspó³pracy materia³ów polimerowych z metalami Podczas tarcia materia³ów polimerowych zachodzi wiele procesów, takich jak adhezja, triboelektryzacja, reakcje tribochemiczne, oddzia³ywania mechaniczne itp. Decyduj¹ one czêsto o w³aœciwoœciach tribologicznych wspó³pracuj¹cych materia³ów. Dla procesu tarcia PTFE i jego kompozytów istotn¹ rolê odgrywaj¹ przede wszystkim oddzia³ywania mechaniczno-adhezyjne oraz tworzenie siê warstwy materia³u polimerowego na powierzchni wspó³pracuj¹cego elementu metalowego, dlatego zagadnienia zwi¹zane z tymi procesami zostan¹ omówione w dalszej czêœci pracy Oddzia³ywania mechaniczno-adhezyjne Istotnym Ÿród³em rozpraszania energii podczas tarcia polimerów s¹ oddzia³ywania mechaniczne oraz adhezyjne miêdzy powierzchniami wspó³pracuj¹cych materia³ów. Jest to zgodne z teori¹ Kragielskiego, w której wspó³czynnik tarcia µ wyra ony zosta³ jako suma dwóch sk³adowych: µ = µ a + µ d (2.8) gdzie µ a sk³adowa adhezyjna (molekularna), µ d sk³adowa mechaniczna (deformacyjna). Udzia³ sk³adowych µ a oraz µ d w wartoœci wspó³czynnika tarcia µ jest uzale niony od obci¹ enia pary œlizgowej si³¹ normaln¹, chropowatoœci i falistoœci powierzchni wspó³pracuj¹cego elementu metalowego, w³aœciwoœci mechanicznych, charakterystyki adhezyjnej pary œlizgowej oraz innych warunków pracy. Stosunek sk³adowych przy styku sprê ystym wg Kragielskiego (w: [83]) mo na wyznaczyæ z zale noœci: µ a 3β = µ (2.9) d ν τ 0 ah E gdzie: a h wspó³czynnik strat na histerezê, b wspó³czynnik uwzglêdniaj¹cy wp³yw obci¹ enia zewnêtrznego na wytrzyma³oœæ po³¹czenia adhezyjnego polimer metal, τ 0 statyczna, chwilowa wytrzyma³oœæ na œcinanie po³¹czeñ adhezyjnych pary polimer metal, E, v modu³ sprê ystoœci i wspó³czynnik Poissona dla materia³u polimerowego. Cech¹ charakterystyczn¹ polimerów jest to, e ich w³aœciwoœci mechaniczne zale ¹ od stanu naprê eñ, zw³aszcza œciskaj¹cych. Poniewa materia³y œlizgowe podczas pracy poddawane s¹ zwykle znacznemu obci¹ eniu œciskaj¹cemu, wiêc w³aœciwoœci znajduj¹cej siê w strefie tarcia warstewki materia³u polimerowego mog¹ siê znacznie ró - niæ od w³aœciwoœci materia³u w warstwach g³êbiej po³o onych. Zale nie od struktury polimeru styk tarciowy materia³u polimerowego mo e mieæ charakter sprê ysty lub lepkosprê ysty.

15 16 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze Lafaye i in. [45] przeprowadzili badania tarcia polimerów w stanie lepkosprê ystym podczas zmiany temperatury i jej przechodzenia przez temperaturê zeszklenia. Przedstawiony przez nich model wprowadza pojêcie pozornego i rzeczywistego wspó³czynnika tarcia. Rzeczywisty wspó³czynnik tarcia µ rz zosta³ zdefiniowany jako stosunek lokalnych naprê eñ tn¹cych do lokalnego nacisku jednostkowego, natomiast pozorny wspó³czynnik tarcia µ poz jako stosunek si³y tarcia F t do si³y nacisku F N. Wartoœæ rzeczywistego wspó³czynnika tarcia µ rz mo na okreœliæ przez pomiar pozornego wspó³czynnika tarcia oraz badaj¹c geometriê powierzchni styku wspó³pracuj¹cych materia- ³ów. Autorzy podali nastêpuj¹c¹ zale noœæ miêdzy pozornym µ poz i rzeczywistym wspó³czynnikiem tarcia µ rz : Ft C + Dµ rz µ poz = = FN A + Bµ (2.10) rz gdzie: A, B, C, D sta³e wyznaczone na podstawie wyników badañ powierzchni styku. Zagadnieniu adhezji poœwiêcono wiele prac badawczych. Istnieje kilka teorii dotycz¹cych oddzia³ywañ adhezyjnych: mechaniczna, adsorpcyjna, elektryczna, dyfuzyjna, chemiczna. Zosta³y one opisane miêdzy innymi w pracach [5], [32], [33], [83]. Tworzywa sztuczne cechuj¹ siê z regu³y du ¹ adhezj¹ do metali i stosunkowo ma³¹ wytrzyma³oœci¹ na œcinanie. Powoduje to pokrywanie siê elementów metalowych cienk¹ warstw¹ przeniesionego materia³u polimerowego podczas procesu tarcia i œcinanie w obrêbie warstw tworzywa. Dziêki temu tworzywa polimerowe wykazuj¹ mniejszy wspó³czynnik tarcia suchego ni metale. Czichos [19] bada³ tarcie i zu ywanie adhezyjne oraz œcierne kilku wybranych polimerów (PA, POM, PETP, PTFE, PP). Jego zdaniem procesy te zale ¹ miêdzy innymi od chropowatoœci stalowego elementu wspó³pracuj¹cego z materia³ami polimerowymi. Dla ma³ych chropowatoœci powierzchni stali dominuj¹ procesy adhezyjne, natomiast dla chropowatoœci powy ej R z = 0,8 µm wystêpuj¹ przede wszystkim procesy œcierne. Odpowiednie proporcje udzia³u obu rozpatrywanych procesów wynikaj¹ce m.in. z chropowatoœci prowadz¹ do uzyskania jak najmniejszego zu ycia badanych materia³ów z jednoczesn¹ ma³¹ wartoœci¹ wspó³czynnika tarcia Stolarski [106] przeprowadzi³ analizê oporów ruchu podczas tarcia dla za³o enia adhezyjnego modelu tarcia. W przyjêtym modelu si³a tarcia F t zale y od po³¹czeñ adhezyjnych, które zachodz¹ miêdzy powierzchniami wspó³pracuj¹cych materia³ów. Si³ê F t mo na opisaæ zale noœci¹: F t = τa r (2.11) gdzie τ naprê enia tn¹ce na powierzchni wspó³pracuj¹cych materia³ów spowodowane adhezj¹. Rzeczywista powierzchnia styku A r dla odkszta³ceñ plastycznych zosta³a opisana równaniem:

16 2.2. Procesy zachodz¹ce podczas œlizgowej wspó³pracy materia³ów polimerowych z metalami 17 δ Ar = πrn ( h) φ ( h) d( h (2.12) 0 p gdzie: r œredni promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ków mikronierównoœci, N liczba styków wierzcho³ków mikronierównoœci w geometrycznym obszarze styku, h zmienna losowa o rozk³adzie Gaussa opisuj¹ca odleg³oœæ miêdzy wspó³pracuj¹cymi powierzchniami, δ p wspó³czynnik okreœlaj¹cy wielkoœæ odkszta³ceñ plastycznych, zale ny miêdzy innymi od promienia r oraz w³aœciwoœci bardziej miêkkiego materia³u. Stwierdzono, e tylko w obszarach plastycznych styków mikronierównoœci powierzchni mog¹ zachodziæ po³¹czenia adhezyjne, które stanowi¹ o wielkoœci si³y tarcia. Prawdopodobieñstwo formowania styków zale y przede wszystkim od topografii powierzchni. Do opisu prawdopodobieñstwa wyst¹pienia styku plastycznego wykorzystano funkcje, w których jako zmienne wyst¹pi³y parametry opisuj¹ce chropowatoœæ, takie jak promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ków mikronierównoœci r oraz wysokoœæ mikronierównoœci. W opracowaniu rozpatrywano zarówno przypadek styku stacjonarnego, jak i podczas ruchu (tarcia). Rymuza i in. [87] przeprowadzili badania wspó³czynnika tarcia oraz adhezji podczas przechodzenia ze stanu tarcia statycznego do kinetycznego w mikro³o yskach polimerowych. Stwierdzili oni, e zaobserwowany podczas badañ przyrost wartoœci wspó³czynnika tarcia w pocz¹tkowym etapie ruchu wynika z w³aœciwoœci reologicznych wspó³pracuj¹cych materia³ów, a zw³aszcza ich wp³ywu na kszta³towanie rzeczywistej powierzchni styku miêdzy wspó³pracuj¹cymi materia³ami. Oddzia³ywania adhezyjne maj¹ szczególnie istotne znaczenie podczas analizowania procesu tarcia materia³ów znajduj¹cych siê w stanie kauczukopodobnym (elastomerów) [76]. Stosunkowo niewielkie si³y obci¹ aj¹ce tego typu materia³y mog¹ powodowaæ znaczn¹ deformacjê ich powierzchni przylegania, zw³aszcza dla wiêkszych prêdkoœci œlizgania. Dokumentuj¹ to prace Perssona [67] oraz Barquinsa [4], w których zagadnienia zwi¹zane z tarciem materia³ów elastomerowych s¹ œciœle zwi¹zane z oddzia³ywaniami adhezyjnymi zachodz¹cymi na powierzchni œlizgania. Podczas tarcia elastomerów powstaje zjawisko tzw. fal Schallamacha, które powoduje, e powierzchnia styku ulega znacznej deformacji wp³ywaj¹cej na przebieg procesu tarcia tych materia³ów. Zjawisko to zosta³o szeroko omówione w literaturze przedmiotu [95] Tworzenie warstwy przeniesionego materia³u polimerowego Podczas tarcia na powierzchni metalu pojawia siê warstwa œlizgowa zbudowana z przeniesionego materia³u polimerowego. Warstwa ta jest nazywana równie polmerowym filmem. Powoduje ona miêdzy innymi to, e tarcie zachodzi miêdzy powierzchniami polimerowymi, a nie bezpoœrednio miêdzy polimerem i metalem. Wyjaœnieniem oraz rol¹ tego zjawiska w procesie tarcia i zu ywania zajmuje siê wielu badaczy. Niektórzy z nich (Tabor, Briscoe, Lee w [26]) uwa ali, e przenoszona warstewka PTFE

17 18 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze a) warstwa przeniesionego materia³u polimerowego wykazuje bardzo s³ab¹ adhezjê do pod³o a, w zwi¹zku z czym jest ona ³atwa do usuniêcia podczas powtórnego œlizgania siê po niej elementu z tworzywa. Jednoczeœnie warstewka ta po usuniêciu jest ci¹gle odnawiana. Badacze ci sugerowali, e si³y adhezyjne maj¹ naturê si³ coulombowskich i oddzia³ywañ van der Waalsa. Evdokimov i Kolesnikov [22] twierdz¹, e tworzenie warstwy przeniesionego mateia³u polimerowego wynika przede wszystkim z elektryzacji materia³ów wspó³pracuj¹cych podczas tarcia. W ich opracowaniu przedstawiono zwi¹zek miêdzy zmian¹ wspó³czynnika tarcia oraz potencja³em elektryzacji. Polak [73] opisa³ mechanizm formowania warstwy przeniesionego materia³u polimerowego jako proces kilkuetapowy (rys. 2.2). Pierwsza warstwa jest formowana na wierzcho³kach mikronierównoœci powierzchni metalowej i jest z ni¹ œciœle zwi¹zana. Warstwa ta nie jest praktycznie usuwana podczas procesu tarcia. Jednoczeœnie wraz z przenoszeniem polimeru na powierzchniê metalu wystêpuje tworzenie produktów zu- ycia przez œcierne oddzia³ywanie wierzcho³ków mikronierównoœci powierzchni metalu na powierzchniê materia³u polimerowego. Produkty te stopniowo wype³niaj¹ wg³êbienia miêdzy mikronierównoœciami. Nie wszystkie cz¹stki produktów zu ycia zostaj¹ jednak zwi¹zane z powierzchni¹ tarcia. W dalszym etapie procesu tarcia s¹ one œciskane przez wspó³pracuj¹ce powierzchnie polimeru i metalu, tworz¹c warstwê ró nej grumetal produkty zu ycia b) metal warstwa przeniesioneg materia³u polimeroweg c) Rys Model procesu tworzenia warstwy polimerowej podczas wspó³pracy pary œlizgowej polimer metal [73]: a) pocz¹tek tworzenia warstwy polimerowej pierwsza warstwa polimeru na wierzcho³kach mikronierównoœci powierzchni metalu, b) produkty zu ycia wype³niaj¹ przestrzenie miêdzy mikrowzniesieniami, c) koñcowy etap formowania warstwy polimerowej podczas procesu tarcia Fig Model of friction transfer film formation while polymer slides against metal [73]: a) the beginning of polymer film formation the first layer on peaks of asperities on metal surface, b) wear debris fill volume between asperities, c) final stage of polymer film formation

18 2.2. Procesy zachodz¹ce podczas œlizgowej wspó³pracy materia³ów polimerowych z metalami 19 boœci. Przedstawiony model tworzenia warstwy przeniesionego materia³u polimerowego zosta³ potwierdzony badaniami mikroskopowymi powierzchni metali wspó³pracuj¹cymi z materia³ami polimerowymi. Szybkoœæ tworzenia warstwy polimerowej, jej struktura, trwa³oœæ oraz w³aœciwoœci smarne zale ¹ od si³ adhezji miêdzy metalem i polimerem, a przede wszystkim od w³aœciwoœci materia³u polimerowego. Polak [74] stwierdzi³ równie, e czynnikiem maj¹cym istotne znaczenie w procesie zu ywania pary polimer metal jest energia powierzchniowa polimeru. Im wiêksza jest wartoœæ tej energii, tym mocniej warstwa przeniesionego polimeru przylega do przeciwelementu, chroni¹c tym samym materia³ polimerowy od bezpoœredniego kontaktu ze wspó³pracuj¹c¹ powierzchni¹. Jednoczeœnie mocno przylegaj¹cy do powierzchni metalu chroni j¹ przed niszcz¹cym dzia³aniem twardych cz¹stek œciernych, które mog¹ znajdowaæ siê w obszarze tarcia. Materia³y charakteryzuj¹ce siê du ¹ wartoœci¹ energii powierzchniowej tworz¹ przeniesione warstwy o wiêkszej spójnoœci cz¹stek, z których zosta³y one zbudowane podczas procesu tarcia. Takie warstwy s¹ bardziej odporne na zu ycie. Jednoczeœnie jednak silne oddzia³ywania adhezyjne powoduj¹, e polimerowe cz¹stki ³atwiej wyci¹gane s¹ z powierzchni œlizgowej materia³u polimerowego. Podobne wnioski przedstawi³ w swojej pracy Bahadur [3]. Stwierdzi³ on, e utrzymywanie przeniesionego materia³u polimerowego na powierzchni przeciwelementu wynika z adhezji oraz blokowania siê jego cz¹stek miêdzy mikrowzniesieniami na powierzchni metalu. Cz¹steczki wype³niaczy mog¹ zwiêkszaæ adhezjê polimerowej warstwy do powierzchni przeciwelementu przez tworzenie dodatkowych wi¹zañ chemicznych. W ten sposób materia³ polimerowy chroniony jest przed bezpoœrednim oddzia³ywaniem mikrowierzcho³ków powierzchni przeciwelementu. Wed³ug Bahadura proces zu ywania materia³u polimerowego zachodzi zarówno na jego powierzchni œlizgowej, jak i przez œcieranie przeniesionej warstwy polimerowej z powierzchni przeciwelementu. Niektórzy badacze uto samiaj¹ przeniesion¹ warstwê polimerow¹ z trzecim cia- ³em bior¹cym udzia³ w procesie tarcia. Taki pogl¹d przedstawi³ Briscoe i Chateauminois [9], analizuj¹c procesy zu ywania pary œlizgowej polimer metal i tworzenie polimerowego trzeciego cia³a w obszarze styku podczas ruchu oscylacyjnego o ma³ej amplitudzie. Równie Rymuza [84] przedstawia proces zu ywania polimerów jako proces cyklicznego formowania trzeciego cia³a w obszarze styku wspó³pracuj¹cych cia³ i w rezultacie tworzenie produktów zu ycia. Zauwa a on, e wystêpuje zwi¹zek miêdzy zu yciem obserwowanym w parze œlizgowej polimer stal a maksymaln¹ gruboœci¹ warstwy przeniesionego polimeru na powierzchniê stali. Ponadto stwierdzi³ on, e o wielkoœci zu ycia adhezyjnego decyduj¹ przede wszystkim energia powierzchniowa polimeru oraz jego modu³ sprê ystoœci. Ró norodnoœæ wyjaœnieñ istoty tworzenia warstwy przeniesionego materia³u polimerowego podczas œlizgowej wspó³pracy materia³ów polimerowych z metalami œwiadczy, e nie zosta³ on jeszcze dok³adnie zbadany, o czym œwiadcz¹ ró ne zdania badaczy na ten temat. Wiêkszoœæ badaczy sk³ania siê jednak ku pogl¹dowi, e proces

19 20 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze tworzenia warstwy materia³u polimerowego zapocz¹tkowuj¹ reakcje tribochemiczne miêdzy rozerwanymi ³añcuchami polimeru i zwi¹zkami znajduj¹cymi siê na powierzchni wspó³pracuj¹cego metalu. Utrzymywanie polimerowej warstewki zachodzi przede wszystkim na drodze oddzia³ywañ adhezyjnych Rola stanu powierzchni warstwy wierzchniej w procesach tribologicznych Warstwa wierzchnia zdefiniowana za Lawrowskim [47] jako warstwa ró ni¹ca siê budow¹ i w³aœciwoœciami od materia³u w ca³ej objêtoœci cia³a sta³ego jest t¹ czêœci¹ wspó³pracuj¹cych materia³ów, w której zachodz¹ najwiêksze zmiany podczas procesu tarcia. Stan warstwy wierzchniej wed³ug Hebdy [32] charakteryzuj¹ parametry opisuj¹ce stan powierzchni (chropowatoœæ, falistoœæ itp.) oraz stan stref podpowierzchniowych (naprê enia w³asne, mikro- i makrotwardoœæ, struktura materia³u, w³aœciwoœci chemiczne, stan energetyczny powierzchni itp.). W wiêkszoœci przypadków struktura geometryczna powierzchni ma istotne znaczenie tak samo jak w³aœciwoœci samego materia³u, jego warstwy wierzchniej oraz w³aœciwoœci oœrodka smarnego [62]. Struktura geometryczna powierzchni bior¹cych udzia³ w procesie tarcia jest wiêc jednym z wielu czynników determinuj¹cych przebieg tego procesu. Jedn¹ z wielkoœci okreœlaj¹cych strukturê geometryczn¹, które najczêœciej s¹ analizowane w wielu pracach dotycz¹cych tribologii jest chropowatoœæ. Ju XVII wieku Amontons (w: [32], [47], [76]) sformu- ³owa³ prawo tarcia suchego, w którym stwierdza³, e tarcie jest rezultatem wspinania siê jednego cia³a po nierównoœciach drugiego podczas ich przesuwania wzglêdem siebie pod dzia³aniem nacisku normalnego. Od chropowatoœci powierzchni zale y zarówno wartoœæ sk³adowej mechanicznej, jak i adhezyjnej si³y tarcia, a tak e wartoœæ rzeczywistej powierzchni styku, co w istotny sposób wp³ywa na przebieg procesów tribologicznych. We wspó³czesnych pracach badawczych autorzy zajmuj¹ siê przede wszystkim wp³ywem chropowatoœci na rzeczywist¹ powierzchniê styku, rozk³ad nacisku oraz iloœæ energii rozpraszanej podczas procesu tarcia, a tak e na procesy tribologiczne zachodz¹ce podczas wspó³pracy œlizgowej cia³ sta³ych. Demkin [20] przedstawi³ modele styku chropowatych powierzchni oraz metodê obliczenia parametrów styku dla odkszta³ceñ sprê ystych, elastoplastycznych i plastycznych. Do okreœlenia rzeczywistej powierzchni styku oraz odkszta³ceñ mikronierównoœci, przedstawionych w postaci bardzo z³o onych funkcji, wykorzystano kilka parametrów chropowatoœci, takich jak œredni promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ków mikronierównoœci, parametr chropowatoœci R a, R max, oraz wiele innych parametrów zwi¹zanych z krzyw¹ noœnoœci profilu (np. t p ). Wp³yw chropowatoœci na wartoœæ wspó³czynnika tarcia (statycznego i kinetycznego) w swojej pracy przedstawili Lee i in. [48]. Na podstawie wyników badañ elastooptycznych okreœlili oni rozk³ad nacisków oraz si³ tarcia na modelowej powierzchni styku. Stwierdzili znaczne ró nice miêdzy wartoœciami wspó³czynnika tarcia statycznego

20 2.3. Rola stanu powierzchni warstwy wierzchniej w procesach tribologicznych 21 i kinetycznego. Ponadto zaobserwowali, e wspó³czynnik tarcia jest ró ny w poszczególnych punktach styku i jest zmienny podczas tarcia. Lokalne wartoœci wspó³czynnika tarcia na poszczególnych wierzcho³kach nierównoœci powierzchni ró ni¹ siê wed³ug badaczy od jego wartoœci globalnej. Kapoor i in. [38] przeprowadzili analizê zmian topografii powierzchni, które zachodz¹ podczas tarcia dwóch chropowatych powierzchni cia³ o ró nej twardoœci. Do opisu topografii powierzchni przyjêto promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ków mikronierównoœci r oraz ich wysokoœæ. Aby nie zachodzi³o nadmierne zu ywanie wspó³pracuj¹cych materia³ów, nacisk nominalny na powierzchni styku wspó³pracuj¹cych materia³ów musi byæ mniejszy od pewnej wartoœci krytycznej p kr (ψ s ) zale nej od wskaÿnika plastycznoœci ψ s. Wartoœæ wskaÿnika ψ s okreœla zale noœæ: 1 2 s ψ = ps r1 * E Rq (2.13) gdzie: p s graniczny nacisk stykowy, powy ej którego nastêpuje plastyczne p³yniêcie materia³u, E * równowa ny modu³ sprê ystoœci (1/E * = (1 v 1 2 )/E 1 + (1 v 2 2 )/E 2 ), E 1, E 2, v 1, v 2 modu³y sprê ystoœci oraz wspó³czynniki Poissona wspó³pracuj¹cych materia³ów, r 1 œredni promieñ zaokr¹glenia wierzcho³ków mikronierównoœci powierzchni twardszego materia³u, R q parametr chropowatoœci okreœlaj¹cy œrednie kwadratowe odchylenie profilu od linii œredniej dla powierzchni twardszego materia³u. W okreœlonych warunkach tarcia pary polimer stal istnieje pewna optymalna chropowatoœæ powierzchni stalowej, przy której wartoœæ wspó³czynnika tarcia jest najmniejsza. Potwierdzili to w swojej pracy Belyj i in. [5]. Przedstawiona przez nich (rys. 2.3) zale noœæ ukazuje, e wspó³czynnik tarcia polimerów dla g³adkich powierzchni mo e byæ nawet dwukrotnie wiêkszy ni podczas wspó³pracy z powierzchniami chropowatymi. W omawianym opracowaniu stwierdzono równie znacz¹c¹ rolê chropowatoœci µ 0,3 0,2 0, ,5 1 1,5 2 Rys Zale noœæ wspó³czynnika tarcia µ od chropowatoœci powierzchni R a stali dla: 1 polikaproamidu, 2 PTFE + 40% Cu 2 O [5] Fig The effect of roughness parameter R a of a steel counterface on the coefficient of friction µ for: 1 policaproamid, 2 PTFE + 40% Cu 2 O [5]

21 22 2. Problematyka tarcia i zu ywania materia³ów polimerowych w literaturze w procesie zu ywania elementów maszyn wykonanych z tworzyw sztucznych. Zmniejszenie chropowatoœci powierzchni elementów stalowych (wa³ów, kó³ zêbatych) zwiêkszy³o znacznie trwa³oœæ wspó³pracuj¹cych z nimi panewek ³o ysk œlizgowych oraz kó³ zêbatych wykonanych z materia³ów polimerowych. Jisheng oraz Gawne [36] badali zmiany chropowatoœci powierzchni elementu wykonanego z kompozytu PTFE oraz wspó³pracuj¹cego z nim przeciwelementu stalowego. Stwierdzili oni, e ju po krótkim okresie wspó³pracy obu materia³ów w warunkach tarcia suchego nast¹pi³a zmiana chropowatoœci powierzchni elementu polimerowego, tak e sta³a siê ona podobna do chropowatoœci powierzchni stalowego przeciwelementu. Jednoczeœnie zaobserwowali, e wartoœæ parametru R a, opisuj¹cego chropowatoœæ powierzchni stali, ulega³a nieznacznemu zmniejszeniu (rys. 2.4). a) 1,4 1,2 1 1,4 b) 1,2 1 Ra [µm] 0,8 0,6 Ra [µm] 0,8 0,6 0,4 0,4 0,2 0, Liczba cykli F N [N] Rys Zmiana chropowatoœci powierzchni elementu stalowego oraz wspó³pracuj¹cej próbki z kompozytu PTFE [36]: a) w zale noœci od liczby cykli, b) obci¹ enia si³¹ normaln¹ F N [N] Fig Variation of surface roughness of steel counterface and PTFE composite [36] as a function of cycles (Fig. a) and load FN [N] (Fig. b) Czichos, we wspomnianym wczeœniej opracowaniu [19], stwierdzi³, e od chropowatoœci powierzchni zale y, które z procesów bêd¹ dominowaæ: adhezyjne czy œcierne. Odpowiednie proporcje udzia³u obu rozpatrywanych procesów podczas tarcia prowadz¹ do uzyskania jak najmniejszego zu ycia badanych materia³ów dla jednoczeœnie ma³ej wartoœci wspó³czynnika tarcia. Równie Tanaka [114] prowadzi³ badania wp³ywu chropowatoœci elementu stalowego na tarcie i zu ywanie ró nych polimerów (PTFE, PE-HD, PE-LD, POM, PA6) dla ma³ej prêdkoœci œlizgania v = 0,01 m/s. Wyniki przedstawione w tym opracowaniu (rys. 2.5) potwierdzaj¹ wp³yw chropowatoœci na w³aœciwoœci tribologiczne polimerów. Widoczny jest wzrost wartoœci wspó³czynnika tarcia, a tak e wspó³czynnika zu ycia K sl wraz ze zmniejszaniem siê chropowatoœci powierzchni stalowej poni ej pewnej wartoœci granicznej. Wspó³czynnik zu ycia K sl odpowiada jednostkowemu zu yciu objêtoœciowemu materia³u polimerowego: K sl VZ = (2.14) F vt N