Oznaczanie! cieralno! ci tworzyw sztucznych

Instytut In ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych Oznaczanie! cieralno! ci tworzyw sztucznych 1. Cel " wiczenia Celem # wiczenia zaznajomienie studentów z zagadnieniami dotycz$ cymi zu% ycia ciernego tworzyw sztucznych, a tak% e przeprowadzenia oznaczenia wska& ników cieralno ci na aparacie Grasselli.. Tarcie ' lizgowe i zu( ycie ' cierne. Tarcie jest niezb) dnym warunkiem poruszania si) istot % ywych oraz samochodów, poci$ gów itp., a tak% e funkcjonowania wielu mechanizmów, np. sprz) gła czy przekładni. Tam, gdzie jest ono zjawiskiem niekorzystnym, zmniejsza si) je, wprowadzaj$ c pomi) dzy tr$ ce mechanizmy ciecze (np. w przekładniach z) batych i ło% yskach - "wzorcem" jest tu rozwi$ zanie problemu tarcia w stawach ł$ cz$ cych ko ci), zamieniaj$ c tym samym tarcie w układzie dwóch ciał stałych na tarcie w cieczy. Rozró% nia si) tarcie lizgowe i tarcie toczne. Tarcie przy toczeniu jest znacznie mniejsze ni% przy posuwaniu si). Tarcie toczne w instrukcji pomini) to. Tarcie lizgowe (suwne, posuwiste, dynamiczne) jest to zjawisko powstawania siły mechanicznej dyssypatywnej (tj. rozpraszaj$ cej energi) ) przeciwdziałaj$ cej ruchowi, wyst) puj$ ce przy przesuwaniu si) dwóch stykaj$ cych si) powierzchni ciał stałych wzgl) dem siebie. Siła tarcia proporcjonalna jest do siły nacisku (tj. składowej prostopadłej do powierzchni styku z wypadkowej siły działaj$ cej na poruszaj$ ce si) ciało). Siła tarcia zale% y od rodzaju powierzchni, stopnia ich wygładzenia itp. Charakteryzuje si) je podaj$ c współczynnik tarcia tj. współczynnik proporcjonalno ci mi) dzy sił$ tarcia a naciskiem. T = µ Rys. 1. Tarcie klocka o podło* e. N nacisk, R reakcja podło* a, F siła usiłuj+ ca przesun+-, klocek, T siła tarcia przeciwstawiaj+ ca si. F (w przypadku gdy pr. dko/0, klocka v=const to T = F), m masa klocka, µ - współczynnik tarcia / lizgowego Współczynnik tarcia µ jest wielko ci$ bezwymiarow$ i wyra% a zdolno1# ciała do hamowania. Współczynnik µ jest liczb$, która zmienia si) w zale% no ci od panuj$ cych warunków. Im wi) ksze µ tym materiał lepiej hamuje, tym wy% sze jest tarcie. µ = f(t,v,p) T - temperatura [ C] v - pr) dko1# lizgowa [m/s] p - nacisk [ N/m ] Wyznacza si) dwa rodzaje współczynnika tarcia: µ stat - statyczne okre laj$ ce zdolno1# do hamowania w bezruchu, tzn. wskazuje sił) jaka musi by# u% yta przy danym nacisku i danej temperaturze do wprowadzenia elementu w ruch. N Oznaczanie cieralno ci tworzyw sztucznych 1

4 5 6789:5;< =>8>785? @;< Instytut InA ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych µ kin - kinetyczne okreb lajc ce zdolnob1d do hamowania poruszajc cego sie elementu. Istnieje zalef nob1d : µ stat > µ dyn czyli tarcie przy rozpoczynajc cym sie ruchu jest wie ksze nif przy ruchu juf odbywajc cym sie. Pełne informacje o przebiegu procesu tarcia i zuf ycia danego skojarzenia B lizgowego mof na uzyskad tylko na drodze eksperymentalnej. ZłoF onobgd zjawisk fizyko-chemicznych zachodzc cych w warstwie wierzchniej podczas tarcia i zuf ywania sie badanych materiałów wynika z duf ej liczby czynników majc cych wpływ na przebieg tych zjawisk. Dlatego uzyskanie mof liwie pełnych informacji o badanym skojarzeniu B lizgowym staje sie realne tylko w przypadku wszechstronnych badah i analiz z wykorzystaniem róf nych metod i technik badawczych. ZuA yciem I ciernym, powodowanym procesami tarcia, nazywa sie ubytek materiału spowodowany procesami mikroskrawania, rysowania i bruzdowania, z dwóch stykajc cych i przesuwajc cych sie po sobie powierzchni. Produkty zuf ywania B ciernego sc usuwane ze strefy kontaktu, lub sc wciskane w warstwe wierzchnic tworzywa, zmieniajc c przez to warunki współpracy. Proces zuf ycia B ciernego zalef y od: nacisku, pre dkob ci przesuwu powierzchni trc cych, ruchu wzgle dnego elementów trc cych, rodzaju powierzchni trc cych i geometrii ich styku ze sobc, smarowania, temperatury otoczenia i w strefie tarcia, wilgotnob ci, sposobu usuwania produktów B cierania. Rys.. TrJ ce o siebie powierzchnie przy nacisku F i pik ciokrotnie wik kszym 5F. NierównoB ci materiałów odpowiedzialne za tarcie i B cieranie sie pokazane sc na rysunku, oprócz tego obrazowo pokazane jest czemu zwie kszanie nacisku F powoduje zwie kszenie tarcia i zuf ycia B ciernego. Energia zuf yta na pokonanie siłtarcia i powodujc ca B cieranie sie powierzchni zamieniana jest prawie w 100% na ciepło nagrzewajc c warstwe wierzchnic. Podczas tarcia mof e naste powad zmienianie sie włab ciwob ci i struktury powierzchni powodujc ce zmiane procesów tarcia. Rys.. ZaleL nom0n współczynnika tarcia od obcijol enia normalnego 1 poliamid po poliamidzie, poliamid po policzterofluoroetylenie. Rys. 4. ZaleL nom0n współczynnika tarcia od temp. w przypadku współpracy tworzywa na okładziny hamulców samochodowych. Rys. 5. Porównanie gradientów temp. dla skojarzenia tworzywo metal. Oznaczanie B cieralnob ci tworzyw sztucznych

h P Q R S TUVWXSYZ [\V\UVS] ^YZ Instytut In_ ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych Rys. 6. Schematy geometrii styku próbki z przeciwpróbka w rób nych urza dzeniach do laboratoryjnych badac trybologicznych grupa 1 styk powierzchniowy: poz. 5, 6, 7, 9, 10, 11 grupa styk liniowy: poz. 1,,, 4, 8 grupa styk punktowy: poz. 1, 1, 14, 15, 16, 17. Metody Znormalizowane badania zud ycia ` ciernego tworzyw sztucznych podane se w wykazie literatury. Zakład Tworzyw Polimerowych Politechniki Szczecif skiej wyposad ony jest w nastg puje ce urze dzenia do badaf zud ycia ` ciernego: - aparat Grasselli - aparat Tabera - aparat Schoppera (obracaje cy bg ben cylindryczny) wiczenie zostanie przeprowadzone na aparacie Grasselli.1. Oznaczanie wskai ników j cieralnoj ci na aparacie Grasselli..1.1. Zakres stosowanie metody Metoda stosuje sig przede wszystkim do gumy i tworzyw gumopodobnych, ale mod na je z powodzeniem zastosowak do wszystkich tworzyw sztucznych. Oznaczanie ` cieralno` ci tworzyw sztucznych

l m n ö pqrstouv wxrxqroy zuv Instytut In{ ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych.1.. Opis metody Aby najbardziej obrazowo scharakteryzowa} tworzywo sztuczne pod wzgl~ dem odporno ci na cieranie w okre lonych warunkach cierania podaje si~ najcz~ ciej ubytek wysoko ci próbki h w stosunku do drogi cierania L. h K S = L Warto ci h z powy szego wzoru czyli ubytek wysoko ci próbki mo na wyznaczy} mierz c ubytek masy próbki m i dziel c go przez g~ sto 1} ρ oraz pole powierzchni tr cej S. K S m = ρ S L W aparacie Grasselli (rys. 7.) wyznacza si~ wska nik cieralno ci, nie mówi cy nam jaka wysoko 1} próbki ciera si~ po okre lonej drodze cierania, tylko jak du a obj~ to 1} próbki w cm ulegnie starciu po wykonaniu pracy jednej kwh (kilowatogodziny) w dokładnie okre lonych warunkach cierania tj. pr~ dko ci, nacisku itp. Praca w mechanice jest iloczynem siły jak musimy przyło y}, aby przesuwa} ciało, oraz drogi jak pokona punkt przyło enia siły W = F L, N m = J d ul W aparacie Grasselliego ruch próbki, a co za tym idzie, droga cierania dokonywana jest po okr~ gu. Praca w takim przypadku równa jest iloczynowi momentu M powoduj cego ruch obrotowy (iloczyn siły i ramienia) i k ta ϕ o jaki dokonałsi~ obrót. W = F L = F r ϕ = M ϕ Siła potrzebna do przesuwania próbki pokonuje sił~ tarcia. Siła tarcia jest wprost proporcjonalna do iloczynu nacisku i współczynnika tarcia. W aparacie Grasselliego nacisk jest stały i wynosi 6 N. Nacisk ten rozkłada si~ na dwie próbki o ł cznej powierzchni styku z papierem ciernym wynosz cym x 4cm = 8 cm. Próbki przymocowane do d wigni dociskane s do papieru ciernego zamocowanego na tarczy. Próbki s nieruchome natomiast przesuwa si~ podło e, czyli obraca si~ tarcza z papierem ciernym. Siły tarcia usiłuj obraca} cał d wignie, dlatego umieszcza si~ na ramieniu d wigni okre lon mas~, czyli przykłada sił~ utrzymuj c d wigni~ w równowadze. Sił~ t uzyskuje si~ poprzez umieszczanie ci~ arków na szalce umocowanej na ramieniu dzwigni (na rys. 7. poz. 10), a po pomno eniu ich masy przez przyspieszenie ziemskie g otrzymuj~ si~ sił~ wyra on w N. Po wykonaniu przez tarcz~ n obrotów, a wi~ c obrócenia si~ jej o k t n π, utrzymywanie d wigni w poziomie mas m czyli sił F = m g przyło on na ramieniu długo ci r wykonane jest kosztem pracy równej Moc jest to stosunek pracy do czasu w jakim została wykonana. Jednostk mocy jest d ul na sekund~, czyli watt. 1, J = 1, W przekształcaj c 1, J = 1, s 1, W 1, s Ilo 1} wykonanej pracy mo na wyra a} iloczynem mocy i czasu, poniewa jest to równowa ne. D ul jest mał jednostk, dlatego okre laj c ilo 1} pracy lub energii cz~ sto posługujemy si~ kilowatogodzinami, czyli prac jak wykonuje moc 1000 Watt w czasie 1 godziny (600,s). 6 1, kwh = 1000, W 600, s = 600000, W s =,6 10, J Oznaczanie cieralno ci tworzyw sztucznych 4

ƒ ˆ Š Œ Ž ˆ Œ Instytut In ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych Znaj c ju sposób wyliczenia pracy jaka potrzebna jest do cierania próbki, pozostaje okre li ubytek obj to ci. Oblicza si go dokonuj c pomiaru masy próbek przed cieraniem g 1 i po cieraniu g dzi ki czemu mo na okre li ubytek masy. Dziel c ubytek masy g1 g przez g sto 1 materiału ρ obliczymy ubytek obj to ci g1 g V = ρ Dziel c ubytek obj to ci V przez ilo 1 wykonanej pracy W otrzymamy wzór do obliczenia wska nika cieralno ci Grasseliego K. Wzór na obliczenie wska nika cieralno ci na aparacie Grasselli, mówi cy nam o tym jak du a obj to 1 próbki zostanie starta w okre lonych warunkach, je li wykonana praca zwi zana z tym cieraniem wyniesie 1 kwh, ma posta g1 g K =,6 10 ρ n π ( m + S ) 10 g r r mr 6 K wska nik cieralno ci, cm kwh g 1 ł czna masa próbek po cieraniu wst pnym, g g ł czna masa próbek po zako czeniu cierania wła ciwego, g ρ g sto 1 badanej próbki, g cm n ilo 1 obrotów, π k t pełny, m r masa równowa š ca, g S mr stała przyrz du wyra aj ca mas działaj c na ramieniu r, po odj ciu której rami dzwigni jest w równowadze (dla naszego przyrz du 91 g), g 10 przelicznik gramów na kilogramy10, kg g g przyspieszenie ziemskie (9,81), m s r odległo 1 od rodku obrotu dzwigni do miejsca w którym dokonuje si równowa enia ramienia dzwigni (w przypadku naszego przyrz du 0,4 m), m 6 6,6 10 stała potrzebna do przeliczenia d uli na kilowatogodziny,6 10, J kwh Oznaczanie cieralno ci tworzyw sztucznych 5

.1.. Przyrz d pomiarowy œ ž Ÿ ž ž Instytut Inª ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych Rys. 7. Aparat Gresselli do badania wska nika cieralno ci 1 korpus, silnik, sprz gło, 4 tarcza na papier cierny, 5 płytka dociskaj± ca papier do tarczy, 6 d² wignia z zamocowanymi próbkami, 7 ruba ustalaj± ca próbki, 8 sworze³ dzwigni, 9 obci±o nik do dociskania próbek do tarczy, 10 ci - ar utrzymuj± cy d² wigni w równowadze, 11 przewody spr - onego powietrza do usuwania pyłu, 1 licznik obrotów tarczy.1.4. Wykonanie pomiaru Okre«liµ g sto«1µ próbek. Zamocowaµ na tarczy kr ¹ ek papieru lub płótna «ciernego o «rednicyφ 170 z otworemφ 50. Umie«ciµ w uchwytach dº wigni dwie próbki przy dokr conej do ko» ca «rubie ustalaj cej (na rys. 7. poz. 7). Oznaczyµ próbki i zaznaczyµ ich rozmieszenie w uchwytach, tak aby po ich wyj ciu i ponownym wło eniu zajmowały dokładnie tak sam pozycj (to samo dotyczy blaszek dociskaj cych). Blaszki dociskaj ce dokr ciµ z wyczuciem tak, aby próbka dokładnie przylegała do podstawy. Zamocowaµ rami dº wigni i doł czyµ tłumik. Tłumik eliminuje drgania dº wigni. Zawiesiµ na przedłu eniu sworznia odwa nik,6 kg. Zawiesiµ na dº wigni szalk. Przygotowaµ odwa niki laboratoryjne. Zamocowaµ do aparatu przewód spr onego powietrza z kompresora. Zamocowaµ rur odkurzacza w celu usuwania produktów «cierania. Nastawiµ licznik aparatu na ¼ dan ilo«1µ obrotów (trzymaj c dº wigni Y na liczniku przyciskami nastawiµ š dan warto«1µ ). Ilo«1µ obrotów przy docieraniu wst pnym zale y od stopnia nierówno«ci powierzchni czołowych próbek (przewa nie nastawia si nie mniej ni 00 obr.). Wyzerowaµ licznik (dº wignia X). Uruchomiµ kompresor nastawiaj c ci«nienie spr ½ onego powietrza na 0,15 MPa ( 1,5 atm, 1,5 kg/cm, 1,5 bar). Uruchomiµ odkurzacz. Zamkn ¹µ pokryw aparatu i uruchomiµ aparat. Po uruchomieniu aparatu nast puje «cieranie wst pne próbek, które ma na celu zetrzeµ cz «1µ czołow próbki tak aby cał powierzchni, równomiernie si «cierały w czasie wła«ciwego badania. W czasie «cierania wst pnego dokładaj c do szalki odwa ników ustalamy wst pnie mas równowa š c rami (zrównowa one rami zajmuj pozycj poziom równo oddalon od ograniczników). Po ka dym dodaniu lub odj ciu odwa ników r k ustawiµ pozycj poziom dº wigni i dokonywaµ obserwacji. Po wykonaniu zadanej liczby obrotów silnik aparatu zatrzyma si. Wył czyµ odkurzacz, zamkn ¹µ zawór spr onego powietrza. Zdj ¹µ szalk, odwa nik. Otworzyµ pokryw i wyj ¹µ dº wignie jednocze«nie zdejmuj c tłumik. Dokonaµ obserwacji próbek. W razie stwierdzenia, e próbki nie s równo dotarte powtórzyµ operacj docierania. Po stwierdzeniu wła«ciwego dotarcia (równomierne rysy na obu powierzchniach próbek) wymontowaµ próbki z uchwytów dº wigni, oczy«ciµ z pyłu spr onym powietrzem i zwa yµ (obydwie jednocze«nie) z dokładno«ci nie mniejsz ni 0,001 g. Jest to masa próbek g1 przed wła«ciwym «cieraniem. Zamocowaµ nowy kr ¹ ek papieru «ciernego. Ponownie umie«ciµ próbki w uchwytach dokładnie w takim samym poło eniu w jakim były docierane. Dalej post powaµ jak przy docieraniu wst pnym Oznaczanie «cieralno«ci tworzyw sztucznych 6

Ö Ñ Ö ¾ À Á ÂÃÄÅÆÁÇÈ ÉÊÄÊÃÄÁË ÌÇÈ Instytut InÍ ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych próbek z tym, Ï e ustawið licznik obrotów na 00, a na szalce ma siñ znajdowað masa równowaï¼ò ca wyznaczona podczas docierania. Po uruchomieniu aparatu i rozpoczñ ciu właî ciwego Î cierania cały czas kontrolowað i razie koniecznoî ci korygowað równowaï enie dó wigni poprzez dokładanie lub odejmowanie odwaï ników. Po kaï dym dodaniu lub odjñ ciu odwaï ników rñ kò ustawið pozycjñ poziomò dó wigni i dokonað obserwacji. WystarczajÒ ce jest ustalið masñ równowaï¼ò cò z dokładnoî ciò do 1 grama. W razie zmieniania siñ masy potrzebnej do równowaï enia w trakcie właî ciwego Î cierania, zapisywað wartoî ci masy co kilkadziesiò t obrotów i na koô cu wyciò gnò¹ð Î redniò arytmetycznò. Po ponownym zatrzymaniu aparatu wymontowað próbki postñ pujò c zgodnie z wczeî niej opisanymi zasadami. OczyÎ1Ð próbki i dokonað ponownego pomiaru masy obydwu próbek, czyli ustalið masñ g. ObliczyÐ wskaó nik Î cieralnoî ci Grasselliego. Po zakoô czonym badaniu wyłò czyð z sieci wszystkie uï ywane do badania urzò dzenia, wypuî cið powietrze ze zbiornika kompresora i zostawið po sobie naleï yty porzò dek. 4. Opracowanie wyników Norma nakazuje dokonað wyznaczania wskaó nika Î cieralnoî ci dla szeî ciu próbek (trzech par) z badanego materiału, a jako wynik podað Î redniò arytmetycznò. Niedopuszczalna jest róï nica powyï ej 10% miñ dzy Î redniò arytmetycznò a wynikami poszczególnych badaô. Wszystkie wyznaczane wielkoî ci i dane wpisywað do podanego poniï ej protokołu. ImiÑ i nazwisko, grupa... Miejsce i data... L.p Rodzaj tworzywa l.p. ŁÒ czna masa dwóch próbek po Î cieraniu wstñ pny m g1 ŁÕ czna masa dwóch próbek po cieraniu wła Ö ciwym g g stoøúù badanych próbek (Ø rednia) ρ Û r Masa równow aïšò ca dó wigni m r iloî1ð obrot ów tarcz y n WskaÓ nik Î cieralno Î ci K g g g cm g obr cm kwh WskaÜ nik cieralno Ö ci ( Ö rednia) K Î r. cm kwh 1 1 1 1 rodzaj próbek:... sposób wykonania próbek:... stała przyrzò du Smr :... Oznaczanie Î cieralnoî ci tworzyw sztucznych 7

Ý Þ ß à áâãäåàæç èéãéâãàê ëæç Instytut Inì ynierii Materiałowej Zakład Tworzyw Polimerowych prî dkoí1ï obrotowa tarczy:... czas badania... wyposað enie aparatu:... rodzaj papieru í ciernego... 5. Literatura 1. Nam P. Suh: Tribophysics, Prentice-Hall, Inc, New Jersey 1986. Oleksiuk K.: Wybrane problemy trybologii, PWN, Warszawa 199. Rymuza Z.: Trybologia polimerów í lizgowych, WNT, Warszawa 1996. 4. T.Broniewski i inni Metody badañ i ocena właí ciwoí ci tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa 000. PN 80/C-04 Guma. Oznaczanie wskaò ników í cieralnoí ci na aparacie Grasselli. PN-69/C-89081 Tworzywa sztuczne. Oznaczenie í cieralnoí ci za pomocó papieru í ciernego. PN-9/C-8946 Tworzywa sztuczne. Oznaczanie odpornoí ci na í cieranie przy uð yciu tarcz í ciernych. PN-EN ISO 5470-1:001 Płaskie wyroby tekstylne powleczone gumó lub tworzywami sztucznymi. Wyznaczanie odpornoí ci na í cieranie. Czî í1ï 1: Urzó dzenie í cierajó ce Tabera PN-EN ISO 5470-:004 (U) Płaskie wyroby tekstylne powleczone gumó lub tworzywami sztucznymi. Wyznaczanie odpornoí ci na í cieranie. Czî í1ï : Urzó dzenie í cierajó ce Martindale'a PN-EN ISO 5981:001 Płaskie wyroby tekstylne powleczone gumó lub tworzywami sztucznymi. Wyznaczanie odpornoí ci na połó czone zginanie í cinajó ce i í cieranie PN-EN ISO 766:00 Wî ð e z gumy i z tworzyw sztucznych. Oznaczanie í cieralnoí ci warstwy wewnî trznej PN-EN ISO 6945:00 Wî ð e z gumy. Oznaczanie odpornoí ci na í cieranie warstwy zewnî trznej PN-ISO 4649:1999 PN-88/C-9400.00 Guma. Oznaczanie odpornoí ci na í cieranie za pomocó aparatu z obracajó cym siî bî bnem cylindrycznym Ogumienie. Badanie í cieralnoí ci bieð nika opon w warunkach drogowych Oznaczanie í cieralnoí ci tworzyw sztucznych 8