Łukasz Wojciechowski *

Transkrypt

1 Łukasz Wojciechowski * TRIBOLOGICZNY ASPEKT ANALIZY SKŁADOWYCH STANU ENERGETYCZNEGO WARSTWY WIERZCHNIEJ Streszczenie. W artykule przestawiono tribologiczny punkt wizenia na zmiany stanu energetycznego zachozące w warstwie wierzchniej. Zmiany stanu energetycznego wywoływano mechanicznie stosując obróbkę nagniataniem naporowym stali 42CrMo4 z różnymi siłami ocisku narzęzi. Stan energetyczny baano w oparciu o wyznaczanie wartości swobonej energii powierzchniowej obliczanej metoami: yspersyjno-polarną i kwasowo-zasaową. Dla obu meto stwierzono wzrost swobonej energii powierzchniowej w zależności o siły nagniatania. Otrzymane wyniki baań (wraz ze skłaowymi charakterystycznymi la obliczeń swobonej energii powierzchniowej) poano yskusji w kontekście oporności na zacieranie ahezyjne i współpracy warstwy wierzchniej z substancją smarującą. Słowa kluczowe: warstwa wierzchnia, stan energetyczny, swobona energia powierzchniowa, ahezja Wprowazenie We współczesnej tribologii coraz większą uwagę zwraca się na energetyczne aspekty konstytuowania warstwy wierzchniej, w których to upatruje się źróła implikacji niektórych zjawisk oraz procesów (np. zacierania ahezyjnego). Pojęcie stanu energetycznego warstwy wierzchniej przestawić można jako ilościową charakterystykę jej potencjału termoynamicznego, bęącego efektem poziomu energii jaki zmagazynowany został w elementarnych skłanikach jej struktury (atomach, cząsteczkach i łączących je wiązaniach) oraz wynikającego z ukształtowania jej sieci krystalicznej [11]. Konsekwencją takiego stanu rzeczy jest poszukiwanie optymalnego parametru charakteryzującego stan energetyczny warstwy wierzchniej, którego obserwacje i pomiary umożliwiłyby sterowanie własnościami tej warstwy po kątem jej oporności na zużywanie. Wyaje się, że parametrem, który obecnie najlepiej naaje się o tego celu jest swobona energia powierzchniowa. Wielkość ta określana jest co prawa bezpośrenio na powierzchni ciała stałego, ale jej wartość wynika m. in. ze struktury elektronowej warstwy wierzchniej co pozwala na obserwację zmian jej stanu energetycznego. Problematyka wyznaczania swobonej energii powierzchniowej ciała stałego (zwłaszcza stopów metali) uznawana jest za stosunkowo truny obszar fizykochemii powierzchni. Pomimo tego opracowano co najmniej kilka meto eksperymentalno-obliczeniowych pozwalających na określenie wartości swobonej energii powierzchniowej ciała stałego. Duża część spośró tych meto ma swoje źróło w metalurgii, gzie zaganienie wyznaczania * Instytut Maszyn Roboczych i Pojazów Samochoowych, Politechnika Poznańska, lukasz.wojciechowski@ put.poznan.pl 115

2 swobonej energii powierzchniowej metali wiązane jest ściśle z ich napięciem powierzchniowym w stanie ciekłym. Literatura przemiotu (np. B.C. Allen [1]) poaje, że napięcie powierzchniowe metali w stanie ciekłym jest zależne o temperatury, przy czym zależność ta la większości metali ma charakter liniowy (w obszarze pomięzy temperaturą topnienia a temperaturą parowania). Zależność ta owzorowana została w tzw. równaniu Gibbsa- Helmholtza, którego postać przestawia się następująco: S m T Tm (1) T gzie: napięcie powierzchniowe (swobona energia powierzchniowa) [mj/m 2 ] w temperaturze T [K], γ napięcie powierzchniowe [mj/m 2 ] w temperaturze topnienia (T m ) [K], γ/t współczynnik temperaturowy (la metali zawsze ujemny). W swojej pracy [8] J. Lyklema uowania prawziwość równania (1) również la temperatur niższych niż temperatura topnienia. Zgonie zatem z takim założeniem, na postawie zależności (1) można obliczyć także swoboną energię powierzchniową (ponieważ la ciał stałych opowiaa ona napięciu powierzchniowemu cieczy). Niestety użym ograniczeniem tej metoy jest fakt, że wartości współczynnika temperaturowego znane są głównie la pierwiastków metalicznych a nie la stopów, co znacznie ogranicza jej stosowalność w przypaku materiałów konstrukcyjnych. Znane są baania (ich analizę przestawiono w pracy [9]) poświęcone wpływowi różnych oatków o metali (np. węgla lub tlenu o żelaza) na ich napięcie powierzchniowe jest to jenak niewielka skala oziaływań w stosunku o tych jakie zachozą w stopach typu stale, żeliwa itp. Ponato w metalurgii spotyka się także inne metoy określania energii powierzchniowej na postawie właściwości materiałowych (np. moułu Younga, twarości, moułu Kirchoffa), jenakże wszystkie spośró nich charakteryzują pewne ograniczenia. Jenym z nich jest stosowalność przee wszystkim o pierwiastków metalicznych a nie stopów. Ograniczanie to jest ość istotne w buowie maszyn, w której materiałami konstrukcyjnymi są różnego rozaju stopy. Inne ograniczenie może otyczyć konieczności stosowania barzo wysokich temperatur (nawet temperatury topnienia jak w metozie Allena powyżej). W konsekwencji, większość zmian jakie wprowazane są o warstwy wierzchniej przez metoy obróbkowe jest niwelowana. Nie można zatem zientyfikować ich wpływu na stan energetyczny warstwy wierzchniej. Wymienione ograniczenia można wyeliminować stosując inną, najpowszechniejszą metoę wyznaczania swobonej energii powierzchniowej opartą o baania zwilżalności analizowanych powierzchni. W przypaku, kiey na powierzchni ciała stałego tworzy się kropla cieczy, należy uznać, że jej zwilżanie jest niecałkowite. Tenencja o zwilżalności ciała stałego przez ciecz związana jest przee wszystkim z pracą ahezji i pracą kohezji. Pierwsza z wymienionych wielkości charakteryzuje pracę konieczną o oerwania cieczy o jenostkowej powierzchni ciała stałego z równoczesnym utworzeniem wóch nowych powierzchni o tej samej wielkości: powierzchni ciecz-gaz i ciało stałe-gaz. Pracę ahezji W a można przestawić jako: Wa (2) S L SL 116

3 gzie: napięcie powierzchniowe ciała stałego (czyli swobona energia powierzchniowa) [mj/m 2 ], γ L napięcie powierzchniowe cieczy [mj/m 2 ], L napięcie mięzyfazowe na granicy ciała stałego i cieczy [mj/m 2 ]. W przypaku, kiey na powierzchni ciała stałego tworzy się kropla cieczy, należy uznać, że jej zwilżanie jest niecałkowite. Zjawisko to opisuje się za pomocą kąta zwilżania, wykorzystując tzw. równanie Younga: gzie: Θ kąt zwilżania. S cos L SL (3) Postawiając równanie Younga o zależności na obliczenie pracy ahezji, otrzyma się barziej użyteczną zależność o obliczenia tej wielkości, zwaną równaniem Younga-Dupré: W a L 1 cos (4) Równanie to charakteryzują uże możliwości wykorzystania praktycznego, ponieważ współczesna nauka proponuje metoy stosunkowo okłanego, oświaczalnego wyznaczania kąta zwilżania. Jeżeli o zwilżania zastosowana zostanie ciecz o znanym napięciu powierzchniowym w ość prosty sposób wyznaczyć można pracę ahezji W a. Oszacowanie tego parametru może mieć szczególne znaczenie la wyjaśnienia zjawiska ahezji i czynników ją wywołujących. Jest to interesujące zwłaszcza w kontekście tarcia metali, którego konsekwencją może być implikacja procesu zużywania ahezyjnego, wraz z jego najbarziej patologiczną formą zacierania. Ponato, możliwość pomiaru kąta zwilżania stanowi punkt wyjścia o obliczeń analitycznych, których efektem jest ilościowe oszacowanie swobonej energii powierzchniowej ciała stałego. Warto także zauważyć, że możliwe jest określenie nie tylko energii jako wartości całkowitej ale także jej skłaowych, co może stanowić asumpt o analizy powierzchni także po kątem jej współpracy z substancjami smarującymi. Współcześnie wykorzystuje się wa poejścia o tej problematyki: yspersyjno-polarne oraz kwasowo-zasaowe. Poejście yspersyjno-polarne, nazywane także poejściem Owensa-Wenta [10] zakłaa, że swobona energia powierzchniowa stanowi sumę skłaowej yspersyjnej oraz skłaowej polarnej p, w skła której wchozą przee wszystkim wiązania woorowe oraz oziaływania ipol-ipol. Wykorzystując to założenie sformułowano zależność określającą napięcie mięzyfazowe na granicy ciała stałego i cieczy [7]: SL S L S L 2 p p S L 2 gzie: skłaowa yspersyjna swobonej energii powierzchniowej, p skłaowa polarna swobonej energii powierzchniowej, γ L skłaowa yspersyjna napięcia powierzchniowego cieczy, γ L p skłaowa polarna napięcia powierzchniowego cieczy. Porównując zależność Owensa-Wenta z równaniem Younga (3), otrzymuje się równanie o następującej postaci [7]: p p 1 cos 2 (6) L S L 2 S L (5) 117

4 Po s t ę p y Na u k i i Te c h n i k i n r 11, Wyznaczanie swobonej energii powierzchniowej la tej poejścia yspersyjno-polarnego opiera się na pomiarach kąta zwilżania la wóch różnych cieczy na tej samej powierzchni (w praktyce są to zwykle woa oraz ijoometan). Za barziej okłane chemicznego punktu wizenia uważa się poejście Van Ossa (np. w pracy [14]), w którym swoboną energię powierzchniową zieli się na skłaową Lifshitza- Van er Waalsa (oznaczaną ineksem we wzorze (7)), skłaową kwasową (oznaczenie A we wzorze (7)) oraz skłaową zasaową (oznaczenie B we wzorze (7)). Uwzglęniając równanie Younga i rozpisując założenia Van Ossa la przypaku ciało stałe-ciecz otrzymuje się zależność [7]: B A 1/2 A B 1 cos 2 1/2 2 1/ 2 (7) L L S L S 2 Do pomiarów kąta zwilżania w metozie Van Ossa używa się trzech cieczy wzorcowych, którymi są, stosowane już w metozie polarno-yspersyjnej woa i ijoometan, a także oatkowo formami. Posumowując kwestię wyznaczania swobonej energii powierzchniowej metoami Owensa-Wenta oraz Van Ossa należy wyraźnie pokreślić, że metoy te nie pozwalają na obliczenie jej całkowitej wartości. Możliwe jest jenak oszacowanie niektórych jej skłaowych, które pozwalają na analizę stanu energetycznego warstwy wierzchniej po kątem jej współpracy z substancjami smarującymi i oporności na niektóre formy zużywania tribologicznego. Uwzglęniając przestawione pokrótce rozważania otyczące wyznaczania swobonej energii powierzchniowej zrealizowano cel pracy, którym była ocena stanu energetycznego warstwy wierzchniej stali 42CrMo4 po nagniataniu. L S 1. Metoyka baań Próbki wykorzystane w baaniach wykonano ze stali 42CrMo4 w formie pierścieni o śrenicy zewnętrznej 45 mm i szerokości 12 mm. Powierzchnie cylinryczne wszystkich próbek poano szlifowaniu, aż o osiągnięcia na nich parametru chropowatości powierzchni Ra = ok. 0,5 μm. Następnie próbki zielono wstępnie na sześć partii, z których każa przeznaczona była o nagniatania naporowego z inną siłą ocisku. Nagniatanie prowazono na stanowisku hyraulicznym, wyposażonym w narzęzie nagniatające w postaci wóch symetrycznie usytuowanych rolek o śrenicy 60 mm i efektywnej szerokości styku z obrabianą powierzchnią równej 18 mm. Dobór parametrów nagniatania oparto na oniesieniach literaturowych [2, 5] oraz przeprowazonych baaniach wstępnych. Próbki nagniatano z sześcioma różnymi wartościami siły, równymi opowienio: 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0 i 4.8 kn. Pozostałe parametry miały następujące wartości: prękość nagniatania 100 m/min, posuw nagniatania 0,08 mm/obr., liczba przejść narzęzia 2. Obróbkę prowazono stosując smarowanie mieszaniną oleju maszynowego oraz nafty w stosunku 1:1. Swoboną energię powierzchniową wyznaczano na postawie pomiarów statycznego kąta zwilżania na powierzchni próbek. Do tego celu zastosowano goniometr PG3 firmy Fibro 118

5 System, w którym próbki umieszczano po uprzenim czyszczeniu w acetonie i suszeniu. Z uwagi na fakt ograniczonych wymiarów komory baawczej goniometru, z pierścieni nagniatanych wycinano (automatyczną przecinarką taśmową w obecności cieczy chłozącosmarującej) próbki o wymiarach i kształcie pokazanych na rys. 1. Rys. 1. Kształt i wymiary próbek przeznaczonych o baania kąta zwilżania Na powierzchni tak przygotowanych próbek osazano krople woy o specjalnej czystości oraz ijoometanu i formamiu, o objętości 2 μl. Krople osazono metoą tzw. kropli uwięzionej, polegającej na tym, że jest ona uwalniana z aplikatora natychmiast po tym, jak nastąpi kontakt z położem. Kąt zwilżania pomięzy powierzchnią próbki a płaszczyzną styczną o powierzchni kropli mierzono po ustaleniu warunków równowagi. Za stan równowagi przyjmowano warunki, w których wartość kąta zwilżania stabilizowała się (tj. przestawała zmniejszać się w wyniku rozpływu kropli po powierzchni). Proceurę pomiaru kąta zwilżania powtarzano 10-krotnie, po czym la uzyskanej wartości śreniej obliczano swoboną energię powierzchniową oraz jej elementy skłaowe. Do obliczeń wykorzystano zarówno metoę yspersyjno-polarną Owensa-Wenta jak i kwasowo-zasaową Van Ossa. Całą proceurę, tj. pomiary kąta zwilżania i obliczanie swobonej energii powierzchniowej powtarzano la 3 losowo wybranych próbek z każej partii. 2. Wyniki baań i ch yskusja Na rys. 2 pokazano wartości swobonej energii powierzchniowej wyznaczonej metoą yspersyjną-polarną oraz kwasowo-zasaową w zależności o siły nagniatania. Analiza przestawionego wykresu wskazuje na wyraźny wzrost wartości swobonej energii powierzchniowej wraz ze wzrostem siły nagniatania. Wzrost ten można zaobserwować la obywu meto obliczeniowych: kwasowo zasaowej i yspersyjno-polarnej. W przypaku pierwszej metoy powyższenie swobonej energii powierzchniowej wyniosło 36,2 mj/m 2 (o 35,1 mj/m 2 la siły nagniatania 0,8 kn o 71,3 mj/m 2 la siły nagniatania 4,0 kn). Dla metoy Owensa-Wenta stan energetyczny warstwy wierzchniej poniósł się o 22,3 mj/m 2 (o 41,5 mj/m 2 la siły nagniatania 0,8 kn o 63,8 mj/m 2 la siły nagniatania 3,2 kn). Optimum wartości swobonej energii powierzchniowej w metozie yspersyjno-polarnej otrzymano la siły nagniatania 3,2 kn, warto jenak zauważyć, że la siły 4,0 kn jej 119

6 spaek ma niewielką wartość 1,3 mj/m 2 (uwzglęniając wartości ochyleń stanarowych śrenich truno tutaj mówić o istotnych statystycznie różnicach). Uogólniając zatem, można stwierzić, że stan energetyczny osiąga najwyższy poziom w przeziale sił nagniatania (3,2 4,0) kn, po czym następuje jego spaek co potwierzają obywie z zastosowanych meto obliczeniowych. Tenencja ta lepiej uwiacznia się jenak la wartości otrzymanych metoą Owensa-Wenta. Rys. 2. Zależność swobonej energii powierzchniowej o siły nagniatania Spaek wartości swobonej energii powierzchniowej la najwyższej siły nagniatania ma prawopoobny związek ze zjawiskiem nasycenia zgniotem. Stopień upakowania ziaren materiału jest już tak uży, że alsze okształcenia plastyczne nie powoują już umocnienia warstwy wierzchniej ale rozpoczynają proces jej niszczenia. Zjawisko to jest obserwowalne także la innych właściwości warstwy wierzchniej takich jak chropowatość czy też mikrotwarość. Przebieg wykresów na rys. 2 wyaje się ość oczywisty z uwagi na fakt, że poczas nagniatanie część ostarczonej energii mechanicznej pozostaje zmagazynowana w materiale powoując wzrost jego energii wewnętrznej. Zakumulowana w taki sposób energia może stać się siłą napęową wielu zjawisk zachozących na powierzchni okształconego metalu i powoować wzrost aktywności asorpcyjnej i chemicznej warstwy wierzchniej oraz zolności o yfuzji. W efekcie warstwa wierzchnia łatwiej oziałuje z tlenem oraz wykazuje większą skłonność o tworzenia sczepień ahezyjnych, jako konsekwencji ułatwienia osiągnięcia i przekroczenia progu energetycznego, niezbęnego o powstawania silnych wiązań metalicznych. To z kolei przekłaać się może na inicjację procesu zacierania, a w konsekwencji o zatarcia i awaryjnego unieruchomienia węzła tarcia. Dla okłaniejszej analizy stanu energetycznego warstwy wierzchniej, w tab. 1 zestawiono wartości swobonej energii powierzchniowej wraz z ich skłaowymi charaktery- 120

7 stycznymi la poszczególnych meto obliczeniowych. Łatwo zauważyć prawiłowość, która otyczy obu przypaków: początkowy wzrost, a następnie utrzymywanie się na zbliżonym poziomie stałej yspersyjnej oraz opowiaającej jej (chociaż nie o końca tożsamej) stałej Lifshitza-van er Waalsa w metozie Van Ossa. Tabela 1. Skłaowe swobonej energii powierzchniowej wyznaczonej metoami Van Ossa i Owensa- Wenta Rozaj próbki Nagniatana siłą 0,8 kn Nagniatane siłą 1,6 kn Nagniatane siłą 2,4 kn Nagniatane siłą 3,2 kn Nagniatane siłą 4,0 kn Nagniatane siłą 4,8 kn Swobona energia powierzchniowa [mj/m 2 ] Wyznaczona metoą Van Ossa 1) Wyznaczona metoą Owensa- Wenta 2) =35,1 =41,5 =32,5 =2,6 A =9,4 B =0,18 =32,1 p =9,4 =47,9 =54,0 =44,4 =3,5 A =3,2 B =1,0 =44,6 p =9,3 =51,7 =57,8 =42,0 =9,7 A =4,1 B =5,7 =42,3 p =15,5 =54,7 =63,8 =42,4 =12,2 A =0,9 B =42,6 =42,8 p =21,0 =71,3 =62,5 =44,5 =26,7 A =3,8 B =46,5 =44,7 p =17,8 =68,3 =57,3 =44,2 =22,9 A =4,0 B =32,8 =44,4 p =12,9 1) Oznaczenia skłaowych swobonej energii powierzchniowej la metoy Van Ossa: skłaowa Lifshitzavan er Waalsa, A B skłaowa kwasowo-zasaowa ( skłaowa kwasowa, skłaowa zasaowa). 2) Oznaczenia skłaowych swobonej energii powierzchniowej la metoy Owensa-Wenta: skłaowa p yspersyjna, skłaowa polarna. Oznacza to, że tylko pomięzy siłami nagniatania 0,8 kn, a 1,6 kn skłaowe te miały istotny uział we wzroście wartości swobonej energii powierzchniowej. Taki stan rzeczy jest być może związany z tym, że w okształcenia plastyczne w swej początkowej fazie mają największy wpływ na ukształtowanie struktury krystalograficznej warstwy wierzchniej, co mogło przełożyć się na zmianę oziaływań yspersyjnych. Stosowanie kolejnych sił nagniatania w mniejszy sposób wpływało na ukierunkowanie krystalograficzne, a barziej na gęstość upakowania krystalitów i akumulację energii mechanicznej. Uwzglęniając tribologiczny aspekt tego zaganienia należy zaznaczyć, że siły yspersyjne mają co prawa istotne znaczenie la zjawiska ahezji, ale w tym przypaku (mechanicznej aktywacji energetycznej 121

8 warstwy wierzchniej) nie one ecyować bęą o ewentualnym zwiększeniu skłonności materiałów skojarzenia tarciowego o powstawania sczepień ahezyjnych. Nie bęzie miało to także wpływu na oziaływania powierzchnia stali-śroek smarowy, przy zastosowaniu stanarowych śroków smarowych, tj. takich, o kompozycji których nie zastosowano oatków tribochemicznych (przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych). Węglowoory tworzące śroki smarowe są apolarne, tak więc ich oziaływanie z powierzchnią zależy o sił yspersyjnych oraz ujętych w skłaowej oziaływań woorowych. W związku z tym, że la większości rozpatrywanych przypaków skłaowe oraz utrzymują stały lub zbliżony poziom, nie bęą one miały większego znaczenia la zachowania systemu tribologicznego w kontekście oporności na zużywanie ahezyjne i współpracy ze śrokiem smarowym bez oatków AW i EP. Inaczej niż la skłaowych oraz zmiany skłaowej polarnej oraz kwasowo-zasaowej są w wyraźny sposób uzależnione o wzrostu siły nagniatania (a więc stopnia akumulacji energii mechanicznej w warstwie wierzchniej). Celem ułatwienia analizy zmian tych skłaowych w zależności o siły nagniatania, na rys. 3 przestawiono je w postaci wykresów. Dla poejścia Van Ossa zaobserwować można stały wzrost skłaowej kwasowo-zasaowej począwszy o siły nagniatania równej 0,8 kn aż o jej wartości równej 4 kn. Całkowite powyższenie wartości tej skłaowej wyniósł 24,1 mj/m 2 (z 2,6 mj/m 2 la nagniatania z siłą 0,8 kn o 26,7 mj/m 2 la nagniatania z siłą 0,8 kn). Dopiero la najwyższej siły nagniatania 4,8 kn zaobserwowano stosunkowo niewielki spaek wartości tej skłaowej (o 3,8 mj/m 2 ). Rys. 3. Wartości skłaowych swobonej energii powierzchniowej: kwasowo-zasaowej oraz polarnej w zależności o siły nagniatania Skłaowa kwasowo zasaowa ma oczywiście ścisły związek z teorią kwasów i zasa Lewisa. W myśl tej teorii można scharakteryzować właściwości kwasowe i zasaowe związków chemicznych poprzez określenie ich zolności akceptorowych i onorowych. 122

9 Rozpatrując teorię Lewisa należy okłanie wyjaśnić wykorzystywane w niej pojęcia kwasu i zasay. Zgonie zatem z tą teorią kwas należy rozumieć jako związek chemiczny, którego cząsteczka lub jon mogą stworzyć wiązanie koorynacyjne z inną cząsteczką poprzez wspólną parę elektronową, której źrółem jest ta ruga cząsteczka. Do kwasów Lewisa zalicza się m. in. kationy metali, w tym trójwartościowego żelaza, latego też to ten pierwiastek stanowi prawopoobnie komponent kwasowy rozpatrywanej skłaowej kwasowo-zasaowej w analizowanym przypaku. Zasaa w teorii Lewisa określona jest w sposób stosunkowo uogólniony i oznacza związek chemiczny, którego cząsteczka lub jon posiaa wolne pary elektronowej i może stać się ich onorem w reakcji z kwasem Lewisa. Fakt ten może zostać wykorzystany w konfigurowaniu systemu tribologicznego w ukłazie ciało stałe-ciecz. Jeżeli założymy bowiem, że kationy metali w istocie bęą zachowywać się jak akceptory to wprowazenie o systemu węglowoorowego śroka smarowego o zasaowym (zgonie z teorią Lewisa) charakterze może prowazić o tworzenia trwałych warstewek granicznych. Innym potwierzeniem takiego stanu rzeczy jest to, że skłaowa świaczy także (co jest oczywiste w kontekście teorii Lewisa) o wiązaniach jonowych powstających w ukłazie kwasowo zasaowy. Wiązania jonowe powstają najczęściej w konfiguracji metal-niemetal, w związku z czym rosnąca (wraz z siłą nagniatania) wartość skłaowej kwasowo-zasaowej może stanowić asumpt o tworzenia warstewek granicznych. Warto jenak namienić, że opracowana przez Van Ossa i jego współpracowników metoa należy o stosunkowo młoych propozycji i przez niektórych Autorów uznawana jest za nieco kontrowersyjną (np. [4, 9, 14]), a wyniki otrzymywane tą rogą za niejenoznaczne w interpretacji i różniące się o wartości uzyskiwanych alternatywnymi metoami. Zmiany skłaowej polarnej (rys. 3) w metozie Owensa-Wenta wskazują na jej maksymalną wartość la siły nagniatania 3,2 kn. Utrzymująca się na poobnym poziomie wartość skłaowej yspersyjnej sprawia, że to właśnie skłaowa polarna wpływa na całościowe zmiany swobonej energii powierzchniowej. Wzrost skłaowej p może mieć barzo ścisły związek ze wzrostem skłaowej kwasowo-zasaowej. Źrółem takiego a nie innego zachowania jest to, że wspominane wcześniej wiązania jonowe należą o wiązań szczególnie mocno spolaryzowanych, więc wzrost tej skłaowej może potwierzać w jakimś stopniu spostrzeżenia zawarte la rezultatów obliczeń metoą Van Ossa. 3. Posumowanie Wyniki przeprowazonych baaniach wskazują na istotny wzrost wartości swobonej energii powierzchniowej stali 42CrMo4 wraz ze wzrostem siły nagniatania, które to zastosowano jako metoę obróbki wprowazająca o warstwy wierzchniej energię mechaniczną. Otrzymane rezultaty uzyskano woma metoami: yspersyjno-polarnej Owensa-Wenta oraz kwasowo-zasaowej opracowanej przez Van Ossa i współpracowników. Na postawie analizy skłaowych swobonej energii powierzchniowej stwierzono, że opowiezialne za jej wzrost w tym eksperymencie są skłaowa kwasowo-zasaowa (w metozie Van Ossa) i polarna (w metozie Owensa-Wenta). Opierając się na teorii kwasów i zasa Lewisa oraz polaryzacji wiązań jonowych stwierzić można, że zmiany w takiej postaci mogą zostać 123

10 wykorzystane o przygotowania warstwy wierzchniej po kątem jej współpracy z substancją smarującą. Wniosek ten ma jenak tylko położe teoretyczne i należałoby eksperymentalnie potwierzić jego słuszność. Wykonane baania stanowią uzupełnienie wcześniejszych prac Autora (np. [12, 13]) poświęconych stanowi energetycznemu warstwy wierzchniej i jego wpływem na oporność na zacieranie ahezyjne oraz współpracę z substancją smarującą. Wyniki tych baań pozwalały ość jenoznacznie stwierzić, że wzrost stanu energetycznego la materiałów żelaznych (stale, żeliwa) przekłaa się na pogorszenie ich oporności na zacieranie. Przyczyny należy opatrywać się właśnie w powyższonym stanie energetycznym, który może być akceleratorem wielu zjawisk i procesów na poziomie molekularnym, w tym także inicjatorem sczepiania ahezyjnego. Otrzymane wartości skłaowych swobonej energii powierzchniowej w tym eksperymencie nie pozwalają na proste i jenoznaczne powiązanie z wynikami wcześniejszych stuiów na opornością na zacieranie. Być może sama aktywacja energetyczna i pobuzenie powierzchni energią mechaniczną są wystarczającym impulsem o przyspieszenia zjawiska ahezji w kontekście styku metalicznego (nie ma tutaj mowy o aktywacji energią cieplną, gyż ta jest uwalniana poczas samej obróbki). Innego wyjaśnienia można opatrywać się także w kontekście polaryzacji wiązań. Na tym etapie okłaności analizy truno jenoznacznie powiezieć czy wzrost skłaowej polarnej świaczy o powstawaniu wiązań jonowych czy też ma związek z postępującą polaryzacją metalicznych wiązań kowalencyjnych. Taki punkt wizenia mógłby być, przynajmniej częściowym wytłumaczeniem pogorszenia oporności na zacieranie wraz ze wzrostem swobonej energii powierzchniowej. Powyższony stan energetyczny można jenak wykorzystać o kształtowania powyższonej oporności na zacieranie. Jak wykazały cytowane wcześniej prace Autora, fakt ten można wykorzystać przy smarowaniu skojarzenia substancją smarującą zawierającą aktywne chemicznie oatki przeciwzatarciowe. Także i w tym przypaku wzrost swobonej energii powierzchniowej stanowi akcelerator, który pozwala na szybsze i skuteczniejsze generowanie warstewek granicznych chroniących powierzchnię metalu prze zacieraniem. W tym przypaku jest to jenak kwestia barzo zinywiualizowana i zależy o konkretnej konfiguracji na linii powierzchnia metalu-swobona energia powierzchniowa-oatki EP o substancji smarującej. Wyaje się, że wskazane jest prowazenie alszej, barziej szczegółowej analizy otrzymanych wyników skłaowych energii powierzchniowej co może przełożyć się na przybliżenie mechanizmów rzązących procesami zacierania ahezyjnego i współpracy powierzchni metali z oatkami tribochemicznymi o olejów. Literatura Allen B.C.: Liqui metals, chemical an physics. (e. Beer S.Z), M. Dekker Inc., New York Black A.J., Kopalinsky E.M., Oxley P.L.B.: Analysis an experimental investigation of a simplifie burnishing process. International Journal of Mechanical Sciences, vol. 39, 1997, s

11 3. Clint J.H.: Ahesion an components of soli surface energies. Current Opinion in Colloi & Interface Science, vol. 6, 2001, p Della Volpe C., Siboni S.: Some reflections on aci-base soli surface free energy theories. Journal of Collois an Interface Science, vol. 195, 1997, s El-Axir M.H., El-Khabeery: Influence of orthogonal burnishing parameters on surface characteristics for various materials. Journal of Materials Processing Technology, vol. 132, 2003, s Kwok D.Y.: The usefulness of the Lifshitz van er Waals/aci base approach for surface tension components an interfacial tensions. Collois an Surfaces A Physicochemical an Engineering Aspects, vol. 156, 1999, s Kwok D.Y., Neumann A.W.: Contact angle measurement an contact angle interpretation. Avances in Colloi an Interface Science, vol. 81 (1999), s Lyklema J.: Funamentals of interface an colloi science. vol. 1. Funamentals, Acaemic Press, Missol W.: Energia rozziału faz w metalach. Biblioteka Fizyki Metali, Warszawa, Owens D.K., Went R.C.: Estimation of the surface free energy of polymers. Journal of Applie Polymer Science, vol. 13, 1969, Wojciechowski Ł.: Rozważania na wykorzystaniem swobonej energii powierzchniowej o charakterystyki stanu energetycznego warstwy wierzchniej. Tribologia nr 1/2009, str Wojciechowski Ł., Nosal S.: The preparation of surface layer of non-alloye steel to cooperation with lubricating meium. Journal of KONES, nr 1/2009, str Wojciechowski Ł., Pawełczyk K.: Kształtowanie warstwy wierzchniej o powyższonej oporności na zacieranie. Inżynieria Materiałowa, nr 6/2008, str Żenkiewicz M.: Ahezja i moyfikowanie warstwy wierzchnie tworzyw wielocząsteczkowych. WNT, Warszawa THE ANALYSIS OF SURFACE LAYER ENERGY CONDITIONS COMPONENTS IN THE TRIBOLOGICAL ASPECT Summary. The tribological point of view on energy conitions changes proceee in the surface layer was presente in this article. Energy conitions changes in 42CrMo4 steel specimens were create by utilization of pressure burnishing treatment with ifferent forces of tool pressure. Energy conitions were investigate in base of free surface energy etermination by two methos: polar-ispersive an aci-base. Occurre research results (incluing free surface energy components) were submitte for iscussion in the context of ahesive scuffing resistance an cooperation of surface layer with lubricating meiums. Key wors: surface layer, energy conitions, free surface energy, ahesion 125