LABORATORIUM ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 6 Temat: Odporność na ścieranie wyranych materiałów na opakowania 1 WPROWADZENIE Materiały stosowane do produkcji opakowań transportowych powinny charakteryzować się oprócz odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej również dorą odpornością na ścieranie. Dotyczy to zwłaszcza opakowań wielokrotnego użytku (np. palety, pojemniki, kontenery itp.), od których wymagana jest ich zwiększona trwałość eksploatacyjna. Współpracujące ślizgowo ciała stykają się wewnątrz orysu oszaru wyznaczonego poprzez wszystkie możliwe punkty zetknięcia się ich powierzchni. Oszar ten jest nazywany nominalną powierzchnią styku Sn i określają go wymiary nominalne. Powierzchnia ta nie zależy od falistości, chropowatości i łędów kształtu; itp. Oddziaływania pomiędzy trącymi ciałami zachodzą na rzeczywistej powierzchni styku Sr, która jest sumą wszystkich elementarnych powierzchni mikrostyków w oszarze powierzchni nominalnej. Rzeczywista powierzchnia styku w procesie tarcia występuje zatem w miejscach stykania się nierówności dwóch powierzchni współpracujących ciał (rys.1). Nominalna powierzchnia styku Sn = a Rzeczywista powierzchnia styku Sr = Ai Rys. 1. Schemat powierzchni styku dwóch ciał stałych Przyczyną zużycia triologicznego (tj. zużycia związanego z procesem tarcia) opakowań transportowych może yć: a) Tarcie materiału opakowania o podłoże - przesuwanie opakowań po podłożu takim jak piasek, żwir, asfalt czy eton przyczynia się do niszczenia ich powierzchni zewnętrznej. ) Przewożenie materiału sypkiego - twarde ziarna przewożonego materiału oddziałują
ściernie na wewnętrzne powierzchnie opakowania powodując ich niszczenie. Proces tarcia prowadzący do zużywania materiału zachodzi pomiędzy dwoma powierzchniami ciał stałych a ściślej mówiąc w warstwach wierzchnich trących o sieie materiałów. Warstwą wierzchnią materiału nazywamy warstwę ograniczoną rzeczywistą powierzchnią przedmiotu, oejmującą tę powierzchnię oraz część materiału w głą od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne i chemiczne w stosunku do cechy tego materiału w głęi przedmiotu. Cechy warstwy wierzchniej nadawane w procesie produkcji zmieniają się na skutek działania czynników eksploatacyjnych. Nawet najlepiej oroiona powierzchnia materiału nigdy nie ędzie gładka. Jej stan charakteryzuje chropowatość, falistość, łędy kształtu oraz kierunkowość śladów oróki itp. 2 ZUŻYWANIE 2.1 Rodzaje zużywania towarzyszące tarciu Zużycie materiału w procesie tarcia nazywane jest zużyciem triologicznym. Proces ten powodowany jest ścieraniem, pękaniem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją powierzchni współpracujących elementów a także reakcjami triochemicznymi zachodzącymi na powierzchni tarcia. Do najczęściej spotykanych rodzajów zużycia można zaliczyć: zużywanie adhezyjne jest związane z adhezją powierzchni trących. Powoduje ona lokalne szczepienia tych powierzchni co jest powodem pękania wiązań kohezyjnych; zużywanie ścierne jest związane z dużą chropowatością powierzchni współpracujących, ądź z występowaniem w oszarze styku twardych, ostrych ziaren pochodzących z otoczenia lu produktów zużywania. Występujące na powierzchni nierówności spełniają rolę mikroostrzy powodując uytek materiału spowodowany mikroskrawaniem, rysowaniem lu ruzdowaniem; zużywanie zmęczeniowe spowodowane jest przez cyklicznie zmienne odkształcenia warstwy wierzchniej. Z powodu tego na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, których dalszy rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału; zużywanie erozyjne powstaje w wyniku uderzenia dronych cząstek o powierzchnię materiału powodując uytek materiału zwany erozją; -2-
zużywanie chemiczne występuje wskutek reakcji chemicznych zachodzących między współpracującymi materiałami, w których zachodzi proces tarcia (np. utlenianie); zużywanie cieplne zachodzi w wyniku wydzielania się dużej ilości ciepła, które powoduje zmiękczenie materiału w warstwach wierzchnich. 2.2 Zużywanie ścierne Zużycie ścierne występuje wtedy, gdy uytek materiału w warstwie wierzchniej jest spowodowany oddzielaniem cząstek wskutek mikroskrawania, rysowania lu ruzdowania: mikroskrawanie polega na wykrawaniu w ścieranym materiale ruzdy przez występ nierówności lu ziarno ścierne partnera tarcia, które wgłęia się w materiał, odcina cząstki tego materiału podczas ruchu względnego, spiętrza je i odrywa; rysowanie polega na tworzeniu w ścieranym materiale przez wystający element nierówności ciała współpracującego rysy, częściowo wskutek wykrawania, a częściowo wskutek odsuwania materiału na oki, jest zjawiskiem pośrednim między mikroskrawaniem i ruzdowaniem; ruzdowanie polega na wgłęieniu występu partnera tarcia w ścierany materiał i plastycznym wyciśnięciu w nim ruzdy podczas ruchu względnego, wyciśnięty z ruzdy materiał zostaje spiętrzony wzdłuż jej ocznych ścianek. Zużywanie ścierne może wynikać z ezpośredniego oddziaływania mikronierówności jednej powierzchni na drugą lu w wyniku oddziaływania ostrych krawędzi twardych cząstek (ziaren) znajdujących się pomiędzy trącymi powierzchniami (rys.2). Rys 2. Odmiany procesu zużywania ściernego a) poprzez oddziaływanie mikronierówności jednej powierzchni na drugą ) poprzez oddziaływanie ostrych krawędzi ziaren osadzonych jednej z powierzchni c) poprzez oddziaływanie ostrych krawędzi luźnych ziaren ( trzecie ciało ) -3-
Charakter działania ziaren ściernych na ścierany materiał zależy od ich ruchu względem powierzchni materiału oraz od charakteru i wartości ociążeń przenoszonych przez ziarna. Ścieranie może się odywać przez ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach, przez luźne pojedyncze ziarna ścierne, przez warstwę ścierną występującą między współpracującymi powierzchniami, przez strumień ścierny, ścieranie w środowisku ściernym. Odporność na zużycie ścierne jest zależna od: składu chemicznego i frakcyjnego luźnych lu umocowanych cząstek ścierniwa i ich twardości względnej (w stosunku do twardości materiału zużywanego), nacisków jednostkowych, częstości wymiany tych produktów w oszarach tarcia (wydmuchiwanie, przemywanie), prędkości poślizgu, oraz wielu innych czynników jak temperatura otoczenia, wilgotność powietrza itp. 3 CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest określenie odporności na ścieranie wyranych materiałów stosowanych na opakowania transportowe. Badania zostaną przeprowadzone podczas tarcia w jednakowych warunkach pracy (v - prędkość ślizgania, FN - ociążenie). Na podstawie uzyskanych wyników ędą wyznaczone wskaźniki odporność na ścieranie adanych materiałów w odniesieniu do materiału wzorcowego (stal C45 w stanie znormalizowanym). 4 METODA BADAŃ Badanie odporności na ścieranie prowadzone w ramach ćwiczeń laoratoryjnych odywa się na stanowisku adawczym Tester T-07 produkcji MCNEMiT w Radomiu (rys.3). Stanowisko to przeznaczone jest do adania różnych materiałów i powłok. Metoda adawcza realizowana na omawianym testerze polega na tym, że w oecności luźnego ścierniwa przeprowadza się proces ścierania próek wykonanych z adanych materiałów oraz próki wzorcowej przy zachowaniu jednakowych warunków pracy tj. prędkości ślizgania v i ociążenia FN. Zalecanym w omawianej metodzie ścierniwem jest elektrokorund nr 90 (wg PN-76/M-59115), natomiast próka wzorcowa powinna yć wykonana ze stali C45 w stanie znormalizowanym, o twardości ok. 200 HB. Schemat metody ścierania adanych materiałów przedstawiono na rysunku 4. -4-
Rys.3. Stanowisko adawcze - Tester T-07 : 1 - próka polimerowa, 2 - rolka gumowa, 3 - regulator prędkości nasypowej ścierniwa, 4 - ziornik ścierniwa, 5 - ramię ociążenia próki, 6 - kontroler pracy testera T-07 Rys 4. Schemat metody wykorzystanej do adania odporności na zużywanie ścierne 1- próka z adanego materiału, 2- rolka gumowa, 3 - ścierniwo Podczas adań próka (1) jest dociskana z określoną siłą (FN) do oracającego się z ustaloną prędkością orotową (n) krążka gumowego (2) o średnicy d = 50 mm. Pomiędzy krążek i prókę dostarczany jest proszek kwarcowy (3) powodujący ścieranie próki. Wynikiem doświadczenia jest wagowe zużycie próki Zw (różnica ciężaru przed i po adaniach), jakie wystąpiło po określonym czasie tarcia (określonej liczie orotów gumowej rolki). -5-
5 SPRAWOZDANIE I WNIOSKI Na podstawie pomiarów zużycia wagowego wyznacza się dla poszczególnych materiałów wskaźnik ich odporności na ścieranie K (względną odporność na zużycie). Wskaźnik ten jest określany, jako stosunek ojętościowego zużycia próki wzorcowej do ojętościowego zużycia adanych materiałów uzyskanych w takich samych warunkach adań. Wskaźnik ten olicza się korzystając ze wzoru: K = Zvw / N Zv / N w Zww ρ N = ρ Z N w w w gdzie: Zww - zużycie wagowe podczas adania próki wzorcowej (stali 45), Zw - zużycie wagowe podczas adania adanego materiału, ρw - gęstość materiału próki wzorcowej, ρ - gęstość materiału próki adanej, Nw - licza orotów drogi tarcia próki wzorcowej, N - licza orotów drogi tarcia próki adanej. Na podstawie adań triologicznych należy opracować sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia. Wnioski z ćwiczenia powinny zawierać wyjaśnienia otrzymanych wyników. Opracował: Wojciech Wielea, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej -6-