Janina DACA*, Zbigniew RUDNICKI*, Marian WARSZYŃSKI* *)Zakład Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Akademia Górniczo-Hutnicza ANALIZA WPŁYWU TOPOGRAFII POWIERZCHNI NA PRZEBIEG ZJAWISK TRIBOLOGICZNYCH Streszczenie: Przebieg elementarnych zjawisk tarcia i zużycia jest uzależniony od geometrii nierówności. Współpracujące powierzchnie posiadają bardzo małe pola rzeczywistego styku co powoduje, że zużycie i tarcie są zdeterminowane przez wysokie naprężenia w strefie styku i skrajne koncentracje energii tarcia. Wiele zjawisk tribologicznych może zaistnieć wskutek wymuszonych wzajemnie oddziaływań nierówności, zanim nastąpi zużycie. Dla określenia wielkości charakteryzujących strukturę geometryczna badanych powierzchni przeprowadzono pomiary na profilometrze typu Talysurf 4, Taylor-Hobson. Celem tych pomiarów było uzyskanie informacji dla przeprowadzenia analizy wpływu topografii stykających się powierzchni na końcowy efekt ich współpracy. 1. WSTĘP Powierzchnie rzeczywiste są złożone z powierzchniowych nierówności, które można rozpatrywać w zależności od skali ich rozmiarów: od indywidualnych atomów do widocznych grzbietów i rowków. Większości tych nierówności ma decydujący wpływ na procesy tarcia i zużycia. Podstawowe prawa tarcia są rezultatem badań nad rzeczywistym stykiem chropowatych powierzchni. I chociaż wyznaczanie parametrów chropowatości opiera się na pomiarach liniowych, a chropowatość ma charakter przestrzenny, to parametry te mogą dostarczyć ważnych danych o określonym procesie tribologicznym. Uzyskane informacje o topografii powierzchni mogą pomóc w analizowaniu zmian zachodzących w warstwie wierzchniej (ww) podczas procesu tarcia i zużycia. Powierzchnie narzędzi stosowanych w procesie ciągnienia narażone są szczególnie na zmiany nierówności powierzchniowych o różnej skali, na co mają wpływ nie tylko zjawiska tribologiczne, ale również przebieg procesu odkształcenia plastycznego. 2. POMIAR PARAMETRÓW CHARAKERYZUJĄCYCH TOPOGRAFIĘ BADANYCH POWIERZCHNI 2.1. Wprowadzenie Badane oczka ciągadeł wykonano z materiału G10. Materiał odkształcany to drut z miedzi. Proces ciągnienia prowadzono w warunkach eksploatacyjnych w czterech seriach przy zastosowaniu czterech różnych cieczy chłodząco-smarujących [1].
2.2. Metodyka badań Dla określenia wielkości charakteryzujących strukturę geometryczną powierzchni oczek ciągadeł i materiału ciągnionego przeprowadzono pomiary na profilometrze typu Talysurf 4, firmy Taylor-Hobson. Określenie parametru R a na powierzchniach próbek było niemożliwe, ponieważ długość odcinka pomiarowego przyrządu jest większa od odcinka, na którym rzeczywiście pomiar mógł być dokonany. Pomiary ze względów technologicznych można było przeprowadzić wzdłuż śladu płaszczyzny przechodzącej przez oś ciągadła. Ostrze wzorujące w próbkach nowych ciągadeł przecinało ślady obróbki prostopadle, natomiast w ciągadłach po pracy pod bardzo małym kątem do śladów powstałych w wyniku procesu ciągnienia. a) b) c) Rys.1. Profilogramy powierzchni stożka zgniatającego oczka ciągadła ( k=5,5mm), a) nowe, powiększenie pionowe 100 000x, poziome 100x b) seria A, powiększenie pionowe 20 000x, poziome 100x c) seria W, powiększenie pionowe 1000x, poziome 100x Pomiaru dokonano na takich samych powierzchniach próbek, w przypadku oczek ciągadeł na powierzchni części kalibrujących oraz stożka zgniatającego, w przypadku próbek materiału ciągnionego na powierzchniach przed i po wyjściu z ciągadła. 2.3. Wyniki badań Na rys.1 umieszczono przykładowo profilogramy powierzchni badanych oczek ciągadeł. Wykonano także profilogramy powierzchni próbek drutu przed wejściem do ciągadła i po wyjściu. Z profilogramów
wykonanych przy większych powierzchniach obliczono największą głębokość rys, uskoków oraz parametr R z. Tabela1 Średn. Charakterystyka badanej powierzchni Lp. Seria części kalibr. w stożku zgniatającym w otworze kalibrującym k [mm] R z [ m] Głęb. rys y [ m] R z [ m] Głęb. rys y [ m] 1 A 5,5 1,5 2,0 1,04 1,6 2 1,5 -*) 0,04 0,068 0,08 3 U 5,5 3,08 4,4**) 14,8 20,0 4 1,5 -*) 0,1 0,08 0,1 5 H 5,5 -*) 0,6 0,98 1,3 6 1,5 -*) 0.04 0,06 0,2 7 W 5,5 -*) 0,04 -*) 3,0***) 8 1,5 2,1 2,5 0,88 14,0 9 nowe 5,5 -*) 0.03 0,03 0,03 10 1,5 0,065 0,12 0.05 0,12 *) nie można obliczyć, **) pojedyncze występy 60 m, ***) uskoki 20 m. Do obliczeń parametru R z nie brano wysokości nierówności profilu przekraczających 3 razy wartość wysokości średniej. Jako rysy przyjęto pojedyncze nierówności spełniające powyższe założenie lub w przypadku, gdy nie można było obliczyć parametru R z z powodu braku pięciu szczytów i pięciu dolin na odcinku pomiarowym. Obliczone: parametr R z oraz głębokość rys (na podstawie uzyskanych wykresów) podano w tabeli 1 i 2. Tabela 2 Lp. Seria Drut przed wejściem do ciągadła o k = 5,5 mm Drut po wyjściu z ciągadła o k = 5,5 mm R z [ m] Głęb.rys y [ ] R z [ m] Głęb.rys y [ m] 1 A 1,5 5,0 0,76 3,8 2 U 2,8 5,2 1,6 3,0 3 H 1,54 4,0 0,6 2,8 4 W 1,5 6,0 *) 3,0 *) nie można zmierzyć 2.4. Ocena wyników Najmniejszą chropowatość badanych powierzchni wykazały oczka ciągadeł pracujące w środowisku chłodziwa Hydropol i kolejno Alumol, W-35 i Unopol. Uzyskane wyniki pomiarów głębokości rys dla ciągadeł pracujących w środowisku badanych cieczy chłodzącosmarujących dają podstawę do stwierdzenia, że najmniej zniszczone
powierzchnie narzędzi otrzymano przy zastosowaniu Hydropolu. Chropowatość powierzchni drutu jest mniejsza dla materiału ciągnionego w obecności Hydropolu, a następnie Alumolu, Unopolu i W-35. Wyniki uzyskane przy pomiarze głębokości rys próbek drutu są również najbardziej korzystne przy chłodziwie Hydropol. Profile powierzchni części kalibrującej oczek ciągadeł o k = 1,5 mm i 5,5 mm pracujących w środowisku badanych cieczy, w porównaniu z ciągadłami nowymi są mocno zniekształcone. Niejednorodność chropowatości w poszczególnych miejscach rozpatrywanej powierzchni oczek ciągadeł, a przede wszystkim makroskopowe nie powtarzające się w sposób okresowy tego rodzaju odchyłki, jak np. wklęsłość powierzchni, duża głębokość rys szczególnie dla narzędzi pracujących w środowisku emulsji W-35 i Unopol, świadczą o niejednorodności ww (warstwy wierzchniej). Może to być spowodowane nierównomiernym i niejednakowym rodzajem zużycia. Mechanizm tego zjawiska jest bardzo złożony, co potwierdzają obserwacje obrazów elektronowych stref podpowierzchniowych ww badanych oczek ciągadeł [2]. 3. ANALIZA WPŁYWU ZMIAN TOPOGRAFII BADANYCH POWIERZCHNI NA PRZEBIEG KONSTYTUOWANIA SIĘ STANU WARSTWY WIERZCHNIEJ OCZEK CIĄGADEŁ Obszar rzeczywistego kontaktu jest wynikiem deformacji wyższych punktów kontaktujących powierzchni. Naciski kontaktowe między tymi punktami mogą doprowadzić do lokalnych deformacji plastycznych. Uważa się jednak, że większa część kontaktu między chropowatymi powierzchniami jest całkowicie sprężysta. Relacja między powierzchnią kontaktu i naciskiem jest nadzwyczaj ważną gdy dotyczy procesów tarcia i zużycia. Wartości sił tarcia są niezależne od rzeczywistej powierzchni kontaktu. Prawa tarcia są zgodne z deformacjami sprężystymi mającymi miejsce na chropowatych powierzchniach, pod warunkiem, że powierzchnie te wykazują złożoną hierarchiczną strukturę, charakteryzującą się występowaniem kilku skal mikrokontaktu. Rzeczywisty kontakt jest rozłożony między dużą liczbą obszarów mikrokontaktu. Koncentracja energii tarcia na małych lokalnych powierzchniach ma znaczący wpływ na proces zużycia. Prawdziwy kontakt poprzez najbardziej rzeczywisty obszar styku znajdujemy jedynie przy niezmiernie wysokich naciskach kontaktowych, które występują np. między narzędziami do obróbki metalu i formowanym materiałem. W procesach odkształceń metalu występuje miejscowy wzrost temperatury do bardzo wysokich wartości nawet z relatywnie małym udziałem energii tarcia. Uzyskane wartości chropowatości powierzchni oraz ocena deformacji strukturalnej [2] ww (warstwy wierzchniej) oczek ciągadeł są wynikiem: warunków procesu
ciągnienia oraz wpływu własności fizyko-chemicznych cieczy chłodząco -smarujących. Proces ciągnienia jest zawsze kojarzony z wysokimi wartościami naprężeń, które mogą przy wysokich obciążeniach kontaktowych spowodować plastyczną deformację, nie tylko materiału odkształcanego, ale również ww oczka narzędzia. Skumulowane naprężenia, mogą spowodować pofałdowanie powierzchni, na co mają wpływ również wibracje wynikające z przemieszczenia się materiału ciągnionego po powierzchniach oczka narzędzia. Przemieszczanie się materiału ciągnionego powoduje zmniejszenie liczby punktów rzeczywistego kontaktu powierzchni przeciwstawnych. Ograniczenie styku tych powierzchni jest spowodowane również cząsteczkami cieczy chłodząco-smarującej. Innym powodem może być nieodwracalna tendencja wydalenia cząstek zużycia, gdy tylko opuszczą one strefę kontaktu powodującego zużycie. Gdy cząstki zużycia są wciąż wewnątrz strefy kontaktu, ale już nie są związane z określonym miejscem, mogą się poruszać. Ruch ten jest silnie wzbudzany przez przesuwanie się powierzchni odkształcanej aż do opuszczenia kontaktu z oczkiem ciągadła. Zjawisko to jest jednym z powodów zmian struktury geometrycznej współpracujących powierzchni. Towarzysząca procesowi ciągnienia wysoka temperatura, a szczególnie temperatura miejsc styku ma silny wpływ na mechanikę kontaktu powierzchni przemieszczającej się w oczku narzędzia. W trakcie trwania procesu, zjawiska tribologiczne ciągle ulegają zmianom, na co na pewno wpływa również zmniejszająca się chropowatość stykających się powierzchni. Obrazy elektronów wtórnych badanych powierzchni oczek ciągadeł wykazują zmiany w warstwach przypowierzchniowych w stosunku do narzędzi nieużywanych. Zubożenie ww w fazę wiążącą tj. kobalt, powoduje ubytki składnika podstawowego węglika wolframu [2]. Narzędzia o bardziej zmienionej topografii powierzchni charakteryzowały się większymi zmianami strukturalnymi w ww. Wyniki badań naprężeń szczątkowych [3] ww oczek ciągadeł wykazały także różnice świadczące o niejednakowych warunkach panujących w poszczególnych seriach badań. Uzyskane wyniki zmian topografii powierzchni badanych próbek i zmian w konstytuowaniu się stanu ww oczek ciągadeł przy zastosowaniu Hydropolu świadczą o korzystnym wpływie tego chłodziwa na mechanizm zużycia [1]. 4. UWAGI KOŃCOWE Badania topografii powierzchni wykazały duże zniekształcenia, miejscowe nieregularności w strukturze powierzchni. Niedoskonałości, rysy powierzchni wpływają na reakcje chemiczne, które pojawiają się w obecności cieczy chłodząco-smarujących. Widoczne nierówności decydują o mechanice kontaktu między powierzchniami przeciwstawnymi. Zubożenia struktury oczek ciągadeł w kobalt, nie są jednakowe na całym obszarze badanych próbek. Wynikać to może z występowania znacznie podwyższonej
temperatury w obszarach mikronierówności wskutek sczepiania adhezyjnego przeciwstawnych powierzchni. Badania potwierdzają, że zjawiska tribologiczne są ściśle związane z istniejącym stanem strukturalnym powierzchni, zmieniającym się w procesie zużycia. LITERATURA [1] Daca J., Warszyński M., Wpływ niektórych własności fizykochemicznych chłodziw na proces zużycia oczek ciągadeł, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej Opole 2001. [2] Daca J., Warszyński M., Analiza wpływu stanu warstwy wierzchniej na trwałość ciągadeł, XVIII Sympozjum PKM, Kielce 1997. [3] Daca J., Warszyński M., Zastosowanie metody rentgenowskiej do pomiaru naprężeń własnych warstwy wierzchniej oczek ciągadeł, Zeszyty Naukowe Politechniki Zielonogórskiej Zielona Góra 1999. [4] Stachowiak G.W., Batchelor A.W., Engineering Tribology, Butterworth Heinemann Woburn MA, USA, 2001. ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF SURFACE TOPOGRAPHY ON THE CHARACTER OF TRIBOLOGIC PHENOMENA Summary: The course of the wear and friction phenomena is dependent on the roughness geometry. Rough surfaces have very small areas of real contact with the opposing surface and this causes wear and friction to be determined by high contact stresses and extreme concentrations of frictional energy even though the nominal contact stress and total frictional energy can be small. Many tribologic phenomena may arise as a result of required asperity interactions before wear occurs. To state the values characterizing geometrical structure of the tested surfaces, the measurements were effected on the Talsurf 4 profilometer (Taylor Hobson). These measurements were executed in order to obtain informations indispensable to analyse the influence of the topography of contact surfaces on the final result of their cooperation.