OCENA WPŁYWU ZWILŻALNOŚCI NA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE POWIERZCHNI Z TEKSTURĄ

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 13 Bogan ANTOSZEWSKI *, Norbert RADEK * OCENA WPŁYWU ZWILŻALNOŚCI NA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE POWIERZCHNI Z TEKSTURĄ ASSESSMENT OF THE IMPACT OF WETTABILITY ON TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF TEXTURED SURFACES Słoa kluczoe: ograniczanie tarcia, tektura, mikroobróbka laeroa, energia oierzchnioa Key or: reuce friction, texture, laer micro-machining, urface energy Strezczenie Laeroe tekturoanie oierzchni jet aktualnie najbarziej roziniętą techniką ytarzania oób otarzalny, zybki i ekonomiczny mikrogłębień (roki, ziurki, zerony i inne) na oierzchni elementó mazyn. Głónym celem torzenia tektury oierzchnioej jet reukcja ooró tarcia oraz zużycia ółracujących części. W ielu racach ykazano, że tekturoanie oierzchni ziękza oorność na zacieranie i rzy zużyaniu orzez fretting, a także jet tooane zęzie tam, gzie mają znaczenie * Politechnika Śiętokrzyka, Centrum Laeroych Technologii Metali, al lecia Pańta Polkiego 7, Kielce, tel. (041) , ktrba@tu.kielce.l, norra@tu.kielce.l

2 14 T R I B O L O G I A łaściości ahezyjne art oierzchnioych (łączenie materiałó, nakłaanie ołok, techniki rukarkie, arty z biologicznie i chemicznie aktyną oierzchnią it.). W racy ojęto róbę oiązania ybranych arametró toografii oierzchni tekturoanej z jej energią oierzchnioą i łaściościami tribologicznymi ykorzytując możliości rogramu Statitica. Uzykane yniki ozalają mięzy innymi tierzić, że: arametrami tektury oierzchnioej, które mają najiękzy ły na artość ółczynnika tarcia obzarze tarcia łynnego, ą artość obonej energii oierzchnioej, toień zaczernienia (S ) oraz zajemna oległość kraęzi mikrogłębień (L-). WPROWADZENIE Baania zilżalności i obonej energii oierzchnioej ą obiektem zaintereoań baaczy ielu ycylin naukoych [L. 1]: fizyki, chemii, inżynierii materiałoej oraz biotechnologii. Zilżalność materiałó ykorzytyanych rzemyśle różnymi cieczami ma uże znaczenie raktyczne roceach rzemyłoych, takich jak klejenie, uzczelnianie, maloanie, rukoanie oraz nanozenie różnego rozaju ołok ochronnych. Jeną z aktualnie najbarziej intenynie rozijających ię technologii kztałtoania łaściości oierzchnioych, tym rónież zilżalności i energii oierzchnioej, jet tekturoanie oierzchni, a złazcza z ykorzytaniem techniki laeroej. Laeroe tekturoanie oierzchni jet aktualnie najbarziej roziniętą techniką ytarzania oób otarzalny, zybki i ekonomiczny mikrogłębień (roki, ziurki, zerony i inne) na oierzchni elementó mazyn. Głónym celem torzenia tektury oierzchnioej jet reukcja ooró tarcia oraz zużycia ółracujących części. Niezależnie o tego zięki tekturze oierzchnioej możlia jet raca rzy yżzych rękościach ślizgania i nacikach, niż miałoby to miejce rzy użyciu elementó bez tektury. W ielu racach ykazano, że tekturoanie oierzchni ziękza oorność na zacieranie i zużyanie orzez fretting, a także jet tooane zęzie tam, gzie mają znaczenie łaściości ahezyjne art oierzchnioych (łączenie materiałó, nakłaanie ołok, techniki rukarkie, aktyność biologiczna i chemiczna oierzchni it.) [L. 2 7]. Obecnie baania na tekturoaniem koncentrują ię na zatooaniach recyzyjnych ukłaach łożykoych, najażniejzych arach tarcia ilnikó alinoych i innych obzarach, gzie tekturoanie jet użyte o omagania takich funkcji, jak oroazanie cieła, zilżalność, funkcje biologiczne, aborcyjność it. Przetaiona analiza ykazuje, że oiągnięcie efektó tekturoania natęuje rzy określonych arametrach racy ary ślizgoej, a z arametró tekturoania najiękze znaczenie mają głębokość i śrenica głębień

3 T R I B O L O G I A 15 (a łaściie ich tounek), jak i toień zaczernienia. Wykazano rónież, że zaczernienie częścioe może rónie kutecznie reukoać oory tarcia. Nieroziązane roblemy baacze otyczą alzym ciągu arametró tekturoania, geometrii ierścienia, jak i arametró racy ary tarcia, rzy których natąi oczekiana reukcja ooró tarcia. Aktualnym roblemem baaczym jet rónież określenie łyu tekturoania na łaności mechaniczne materiału, a złazcza na jego ytrzymałość zmęczenioą. LASEROWE WYTWARZANIE TEKSTURY POWIERZCHNIOWEJ Tekturoanie laeroe należy o gruy technologii nazyanych mikroobróbką laeroą. Przemiotem baań były tektury oierzchnioe ykonane technologią laeroą na oierzchniach ierścieni z SiC o ymiarach mm. Tekturoanie oierzchni ierścieni ykonano, ykorzytując laer firmy ESI Moel 5200 µvia DRILL. Laer racuje z trzecią harmoniczną (ługość fali λ = 355 nm). Technologię tekturoania laeroego oraz arametry charakteryzujące geometryczną tekturę oierzchnioą na czołoej oierzchni ierścieni oiano racy [L. 7]. Do baań efektó tekturoania laeroego ykorzytano elektronoy mikroko kaningoy Joel JSM Przykłaoe fotografie rzetaiono na Ry. 1a i 1b. Wioczne na fotografiach efekty erozji laeroej (Ry. 1a i 1b) ukłaają ię regularnych otęach, torząc zalanoaną trukturę oierzchni. Wioczne ą znieienia i głębienia, które otają yniku zmian trukturalnych i toarzyzącym im zmianom objętości łaściej trefach oziałyania iązki laeroej. a) b) Ry. 1. Fig. 1. Wiok oierzchni z tekturą na ierścieniu SiC: a) zeół głębień tektury na ierścieniu (toień zaczernienia 42%, o. 100 ), b) iok 3D ojeynczego mikrogłębienia (rofilometr Form Talyurf PGI 1230) Vie of texture urface on the SiC ring: a) a et of microcavitie on the ring (a egree of blackening 42%, magn. 100), b) 3D vie of a ingle microcavity (Form Talyurf PGI 1230 urface rofiler)

4 16 T R I B O L O G I A BADANIA WŁAŚCIWOŚCI ADHEZYJNYCH POWIERZCHNI Z TEKSTURĄ Jeną z najczęściej tooanych meto oznaczania kąta zilżania [L. 1] oierzchni materiałó kontrukcyjnych jet metoa oierająca ię na geometrii kroli (Ry. 2). Poierzchnia kroli najczęściej ma kztałt czazy i ócza kąt zilżania obliczamy z omiaru yokości czazy h i romienia oierzchni tyku kroli r. Wyokość czazy jet określona zorem h = R(1 coθ), a romień tyku oierzchni r = RinΘ. Z tych zależności otrzymujemy: a) b) 2h Θ = (1) r Ry. 2. Fig. 2. Pomiar kąta zilżania z geometrii kroli (a), iok nanieionej kroli cieczy omiaroej (b) Meaurement of the etting angle from the rolet geometry (a), a vie of the eoite rolet of the meaurement liqui (b) Wartość obonej energii oierzchnioej materiałó kontrukcyjnych określa ię oób ośreni, ykorzytując omiar kątó zilżania ybranymi cieczami omiaroymi. Do omiaru kąta zilżania jako cieczy omiaroych użyto oy etyloanej i ijoometanu (DIM). Do oberacji kroli i omiaru kąta zilżania tooano mikroko tereokooy raz z kamerą oraz orogramoanie MicroScan v 1.3. Przyjęto natęujące artości tałych obonej energii oierzchnioej cieczy omiaroych oraz jej kłaoych olarnej i yeryjnej: = 72,8 [mj/m 2 ], = 51,0 [mj/m 2 ], = 21,8 [mj/m 2 ], = 50,8 [mj/m 2 ], = 2,3 [mj/m 2 ], = 48,5 [mj/m 2 ]. Ciecz omiaroą nanozono na baaną oierzchnię za omocą mikroiety o tałej objętości 5 µl. Jeną z najczęściej tooanych meto o yznaczania obonej energii oierzchnioej jet metoa Oena-Wenta [L. 1, 8], której rzyjęto, że obona energia oierzchnioa jet umą óch kłaoych: yeryjnej i olarnej:

5 T R I B O L O G I A 17 gzie: = + S kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej, S kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej. (2) ( ) 0,5 = ( coθ + 1) ( coθ + 1) 2 (3) ( ) ( coθ + 1) 0,5 = gzie: obona energia oierzchnioa ijoometanu, kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej ijoometanu, kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej ijoometanu, obona energia oierzchnioa oy, kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej oy, kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej oy, Θ kąt zilżania ijoometanem, Θ kąt zilżania oą. W Tabeli 1 rzetaiono zetaienie uzykanych ynikó omiaró kąta zilżania. Tabela 1. Zetaienie ynikó omiaru rzy zieięciokrotnym otórzeniu omiaru kąta zilżania każej róbki Table 1. Meaurement reult for tenfol reetition of the etting angle meaurement for each ecimen Kąt zilżania Śrenia Ochyl. tan. Wariancja Meiana Dla Dla Dla Dla Dla Dla Dla Dla oy DIM oy DIM oy DIM oy DIM 1 56,03 38,11 1,41 0,92 2,00 0,86 56,1 38,05 60,6 2 54,12 32,47 2,64 2,91 7,00 8,48 54,85 32,45 63,4 3 67,49 34,44 12,22 3,25 149,2 10,6 69,6 34,55 56,2 4 69,94 32,15 8,06 0,62 65,04 0,38 68,25 32,35 55,9 5 66,72 34,16 4,51 1,45 20,39 2,10 65,85 34,30 56,7 6 70,16 31,66 2,71 1,32 7,35 1,73 69,5 31,45 55,9 7 67,69 26,06 6,04 1,35 36,47 1,89 68,6 26,15 58,8 8 59,52 32,01 4,50 1,63 20,26 2,65 60,75 32,30 60,9 9 67,89 32,95 5,37 1,07 28,83 1,14 67,65 32,65 56, ,7 34,02 3,24 1,61 10,52 2,60 67,4 34,15 56,8 Nr róbki 2 2 (4) E całkoita energia oierzchnioa (mj/m)

6 18 T R I B O L O G I A BADANIA TRIBOLOGICZNE Baania tribologiczne ykonano na teterze tyu trzień tarcza. Rolę tarczy ełniały róbki kztałcie ierścieni z SiC z ykonaną tekturą oierzchnioą na oierzchni czołoej. Jako trzienia użyto ściętej kulki φ6,3 mm ze tali łożykoej zamocoanej rzeguboym uchycie. Śrenica łakiej oierzchni uzykanej o ścięciu kulki ynoiła 4,5 mm. Próby realizoano rzy jenokrotnym maroaniu ierścienia olejem arafinoym oraz rzy zmiennych obrotach o 100 o 700 obr/min i zmiennym obciążeniu zakreie o 4,9 o 39,2 N. Przykłaoy rzebieg cyklu baaczego rzetaia Ry. 3. Ry. 3. Przykłaoy rzebieg cyklu baaczego Fig. 3. Exemlary coure of the invetigation cycle Tabela 2. Zetaienie ybranych ynikó baań f = a+b1+b2 +b3(l-)+b4s Table 2. Selecte reult of invetigation f = a+b1+b2 +b3(l-)+b4s Obciążenie [N] Prękość ślizgania [m/] Rozaj tarcia a b 1 () b 2 () b 3 (L-) b 4 (S ) R 24,5 (200) łynne 0,4439-0,0017-0, , ,0039 0, ,4 (200) łynne 0,8588-0,0031-0, ,034 +0,0093 0, ,5 (600) miezane -0,543 +0, ,0157-0,0018-0,0053 0, ,4 (600) miezane -0,448-0, ,0118-0,0003-0,0002 0,9062 f ółczynnik tarcia, R ółczynnik korelacji.

7 T R I B O L O G I A 19 W rzeroazonych baaniach ojęto róbę oceny łyu arametró określających łaściości tektury na oory tarcia yróżnionych obzarach racy ęzła tarcia charakteryzujących ię ytęoaniem tarcia łynnego (a rzyaki) i miezanego (a rzyaki). Analizoano natęujące charakterytyki tektury: śrenica ojeynczego głębienia (), toień zaczernienia (S ), zajemna oległość kraęzi (L-), obona energia oierzchnioa (). Wykorzytując rogram Statitica, rzeroazono analizę regreji ielorakiej ozalającą yznaczyć, która z rozatryanych charakterytyk ma najbarziej znaczący ły na zmiany artości ółczynnika tarcia. Zetaienie ynikó baań rzetaia Tabela 2. PODSUMOWANIE 1. Wartości kątó zilżania rzy zilżaniu DIM ą mniejze niż rzy zilżaniu oą, rzy czym nieeności omiaroe la omiaró zilżania oą mają zecyoanie yżze artości. 2. Baając korelacje omięzy arametrami tektury a łaściościami ahezyjnymi oierzchni, tierzono, że najbarziej itotny ły na artość obonej energii oierzchnioej ma arametr L- tanoiący zajemną oległość kraęzi mikrogłębień. Wraz ze ziękzaniem tej oległości artość energii oierzchnioej rośnie. 3. Dla artości L- mniejzych niż 80 µm oberuje ię nieielkie zmiany artości energii oierzchnioej, natomiat o rzekroczeniu tej artości raz ze zrotem L- natęuje gałtony rzyrot energii oierzchnioej. 4. Parametrem baającym funkcję tektury oierzchnioej, który ma najiękzy ły na artość ółczynnika tarcia obzarze tarcia łynnego i miezanego, jet artość obonej energii oierzchnioej. W alzej kolejności itotne znaczenie mają toień zaczernienia (S ) oraz zajemna oległość kraęzi mikrogłębień (L-). LITERATURA 1. Ruaka A., Jacniacka E.: Analyi for etermining urface free energy uncertainty by the Oen-Went metho. International Journal of Aheion & Aheive, 29 (2009), Antozeki B.: Imrovement of the conition of lubrication friction tie by laer texture lubrication. Problem of maintenance of utainable technological ytem PNTTE, Warzaa 2010, Wakua M., Yamauchi Y., Kanazaki S., Yohirteru Yaua Y.: Effect of urface texturing on friction reuction beteen ceramic an teel material uner lubricate liing contact. Wear, 254 (2003),

8 20 T R I B O L O G I A Volchok A., Halerin G., Etion I.: The effect of urface regular microtoograhy on fretting fatigue life. Wear, 235 (2002), Yu X.Q., He S., Cai R.L.: Frictional characteritic of mechanical eal ith a laer texture eal face. Journal of Material Proceing Technology, 129 (2002), Raek N., Antozeki B.: Mikrotekturoanie oierzchni ślizgoych ar tarcia technologią laeroą i elektroerozyjną. Logityka, (2) 2010, Antozeki B., Raek N.: Tribologiczne i technologiczne aekty tekturoania ar ślizgoych o oierzchniach łakich. Tribologia, teoria i raktyka, 2 (2008), Kłonica M., Kuczmazeki J.: Analiza energetyczna arty ierzchniej o ozonoaniu materiałó kontrukcyjnych tooanych rzemyśle lotniczym. Rozział 4.2 monografii: Inżynieria Poierzchni ybrane zaganienia o reakcją Bogana Antozekiego, Wyanicto Politechniki Śiętokrzykiej, Kielce 2011, Summary Laer urface texturing i currently the mot avance manufacturing technique ue to rouce microcavitie (groove, imle, chevron, an other) on the urface of machine element, hich can be one in a reeate manner, quickly, an economically. The creation of urface texture i rimarily aime at reucing friction coefficient an the ear of contact urface. Many ork inicate that urface texturing increae eizure reitance an fretting ear reitance, an it i generally ue here aheive roertie of urface layer are imortant (bining material, alying coating, rinting technique, layer ith biologically an chemically active urface, etc.). The ork i an attemt to link, uing the otion offere by Statitica oftare ackage, electe arameter of the toograhy of texture urface to it urface energy an tribological roertie. The reult obtaine make it oible to tate, among other, that the arameter of the urface texture hich affect the value of the flui friction coefficient to the greatet extent are the value of free urface energy, a egree of blackening (S), an the itance beteen ege of microcavitie (L-).