Anita Ptak 1, Politechnika Wrocławska Badanie wpływu ujemnych temperatur na właściwości tribologiczne materiałów polimerowych 1 Wprowadzenie Rozwój nowych technologii powoduje wzrost zainteresowania wieloma materiałami pracującymi w różnych warunkach otoczenia, w szczególności materiałami polimerowymi zastępującymi coraz częściej tradycyjne materiały metalowe. Z biegiem lat coraz większym zainteresowaniem cieszą się badania przeprowadzane w niskiej temperaturze [2, 3]. Badania nad własnościami materiałów polimerowych w niskiej temperaturze zapoczątkowane były już w roku 1960 podczas początkowych etapów badań przestrzeni kosmicznej. W późniejszych czasach zaczęto badać te materiały zwracając uwagę na nowe rozwiązania, także w nadprzewodnictwie, czy technologiach elektronicznych [1]. Od tamtego czasu powstało wiele publikacji związanych z własnościami polimerów w niskiej temperaturze, jednak nadal jest wiele problemów, które pozostają w tej dziedzinie nierozwiązane. Ważną własnością materiałów polimerowych, która czyni je interesującymi pod kątem zastosowania w parach tribologicznych, jest duża podatność na zmianę temperatury. Moduł Younga i twardość tych materiałów są znacznie wyższe w niskiej temperaturze w porównaniu do temperatury pokojowej, przewodność cieplna natomiast wraz z temperaturą maleje [4, 8, 9]. Wszystkie te czynniki w konsekwencji prowadzą do zmiany procesu tarcia i zużywania się materiałów współpracujących ślizgowo ze sobą. Obecne badania materiałów polimerowych w kriogenicznych warunkach wykazują zmniejszanie współczynnika tarcia kinetycznego oraz zużycia wraz ze spadkiem temperatury. Stwierdzono także, że proces tarcia w niskiej temperaturze zależy od czynnika chłodzącego [5, 6, 11]. Tematyka procesów tribologicznych w niskiej temperaturze jest na tyle interesująca, iż dotychczasowe badania właściwości materiałów polimerowych ograniczały się głównie do zakresu temperatur sięgających zera absolutnego. Niewiele jest opracowań opisujących zachowanie się tworzyw sztucznych w niskiej temperaturze, ale nie przekraczającej wartości, jakie można uzyskać w obecnych warunkach atmosferycznych, to jest nie mniej niż T = -50 C. Zakres temperatury planowanych badań tribologicznych to T = (-50 0) C. Obszarem zastosowań termoplastycznych materiałów polimerowych, jakiemu dedykowane są badania to przede wszystkim przemysł motoryzacyjny oraz sektor budowy maszyn odkrywkowych, gdzie elementami z tworzyw sztucznych są głównie łożyska, wszelkiego rodzaju uszczelnienia, czy koła zębate. Zmiana własności mechanicznych materiałów polimerowych wykorzystywanych w budowie maszyn i urządzeń nie pozostaje bez znaczenia dla jakości ich pracy: zwiększenie oporów ruchu, pogorszenie sprawności, wzrost zużywania się elementów polimerowych itd. [7, 10]. Poruszana tematyka nie jest szeroko opisana w literaturze, dane doświadczalne dotyczące procesu tarcia i opisaniu zjawisk zachodzących w niskiej temperaturze są trudno dostępne przede wszystkim ze względu na małą liczbę publikacji, ale i także na koszt wykonywania takich badań. Program badań Badania tribologiczne, których celem było określenie współczynnika tarcia kinetycznego μ k w niskiej temperaturze, wykonano dla następujących materiałów polimerowych: poliamid PA6, poliimid eterowy PEI, 1 A. Ptak Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny. E: anita.ptak@pwr.wroc.pl Logistyka 4/2013 467
poli(tereftalan etylenu) PET, politetrafluoroetylen PTFE, polieteroeteroketon PEEK. Słuszność wyboru powyższych polimerów do badań potwierdzona jest popularnością stosowania tych materiałów na ślizgowe elementy maszyn i urządzeń [12]. Podczas badań tribologicznych polimerowe materiały współpracowały ślizgowo ze stalowymi przeciwelementami o postaci tarcz (styk rozłożony typu powierzchnia-powierzchnia). Do przeprowadzenia badań tarcia wykorzystano tester tribologiczny T-25 do badań tarcia i zużycia w niskich temperaturach wyprodukowany w Instytucie Technologii Eksploatacji Państwowym Instytucie Badawczym w Radomiu. Stanowisko to zapewnia przeprowadzenie testów w typowym skojarzeniu typu trzpień-tarcza ( pin-on-disc ) we względnym ruchu obrotowym. Tester ten umożliwia wykonanie badań tribologicznych w zakresie temperatury T = (-50 0) C. Polimerowe próbki wykorzystane do badań w testerze miały kształt sworznia o średnicy d = 4 mm i długości l = 15mm. Badanie na testerze polegało na wprawieniu w ruch obrotowy metalowego przeciwelementu, którym była stalowa tarcza wykonana ze stali ŁH15. Drugim elementem ślizgowej pary tribologicznej był polimerowy sworzeń. Próbka ta umocowana była w specjalnym uchwycie zabezpieczającym ją przed odkształceniami, które mogą powstać podczas procesu tarcia. Podczas eksperymentu uchwyt z polimerową próbką umocowany był na ramieniu w takiej odległości, aby proces tarcia zachodził na promieniu r = 9 mm. Siła tarcia powstająca podczas współpracy pary ślizgowej mierzona była przy pomocy czujnika tensometrycznego i przesyłana do specjalnego oprogramowania napisanego do testera tribologicznego T-25. Zaplanowany eksperyment przeprowadzono w następujących temperaturach: 0 C, -10 C, -20 C, -30 C, - 40 C, -50 C. Parametry przyjęte podczas badań zostały dobrane adekwatnie do odtworzenia warunków panujących w czasie procesu tarcia w węzłach ślizgowych elementów maszyn i urządzeń i wynoszą odpowiednio: nacisk jednostkowy p = 1MPa oraz prędkość ślizgania v = 1m/s. Przeprowadzony eksperyment odbywał się w warunkach tarcia technicznie suchego ze względu na stworzenie granicznych warunków pracy węzłów ślizgowych. Przeprowadzone badania wstępne miały umożliwić określenie optymalnego czasu pomiaru siły tarcia, po którym następowało ustabilizowanie się wartości współczynnika tarcia kinetycznego μ k. Program badań obejmuje również analizę powierzchni polimerowych próbek, które współpracowały ślizgowo ze stalowym przeciwelementem, zarówno przed badaniami tribologicznymi, jak i po nich. Badanie stanu powierzchni obejmowało wykonanie zdjęć mikroskopowych przy wykorzystaniu optycznego mikroskopu pomiarowego firmy Nikon MM-40/L3FA wyposażonego w system cyfrowej analizy obrazu MicroScan. Analizę powierzchni przeprowadzono również przy użyciu profilometru interferometrycznego Talysurf CCI firmy Taylor Hobson, które wyposażone zostało w oprogramowania Talysurf CCI oraz TalyMap Platinum umożliwiające zarówno analizę 2D (profile) jak i 3D (topografia), a także pozwalające na wyznaczenie takich wielkości, jak: parametry chropowatości, parametry falistości, krzywe nośności, rozkład amplitudy, objętość, odległości. Wyniki pomiarów W celu określenia współczynnika tarcia kinetycznego μ k materiałów polimerowych po stali w zadanym zakresie temperatury, zostały przeprowadzone 3 serie pomiarów zgodnie z wcześniej opisanym planem eksperymentu. Trzy powtórzenia to minimalna wystarczająca ilość, by móc uznać eksperyment za wiarygodny pod kątem powtarzalności a także wystarczająca ilość, by móc na ich podstawie opracować program badań zasadniczych. Przykładowy wykres zmiany siły tarcia Ft [N] w czasie t [s] przedstawiono na rysunku 1 i dotyczy on pary ślizgowej PEI stal. Wykres ten przestawia zmianę siły tarcia w czasie t = 1000 s. i w temperaturze T = - 50 C. Pomiary współczynnika tarcia kinetycznego μ k dla pomiarów w każdej wartości temperatury natomiast przedstawione zostały w tablicy 1. 468 Logistyka 4/2013
Wykonano również zdjęcia mikroskopowe powierzchni polimerowych współpracujących ślizgowo za stalowym przeciwelementem. Zdjęcia wykonane przy pomocy optycznego mikroskopu pomiarowego zostały wykonane przy powiększeniu 100x ze względu na najlepsze zobrazowanie zmian, jakie zaszły po procesie tarcia. Wybrane wyniki przedstawione są na rysunku 2. Zdjęcia z profilometru interferometrycznego natomiast zostały wykonane w powiększeniu 5x, co pozwoliło na uzyskanie obrazu polimerowych powierzchni o wymiarach 1,6 x 1,6 mm. Wybrane wyniki przedstawione są na rysunku 3. Rys. 1 Przykładowy wykres zmiany siły tarcia Ft[N] w czasie t [s] dla pary ślizgowej PEI stal w temperaturze T = -50 C. Tablica 1. Tabela wyników współczynnika tarcia kinetycznego μ k w zakresie temperatury T = (-50 0) C. Temperatura [ C] materiałów polimerowych po stali Materiał 0-10 -20-30 -40-50 średnia σ średnia σ średnia σ średnia σ średnia σ średnia σ PA6 0,30 0,12 0,32 0,12 0,34 0,09 0,35 0,09 0,20 0,09 0,20 0,08 PEI 0,55 0,05 0,54 0,12 0,50 0,06 0,46 0,04 0,40 0,08 0,37 0,13 PET 0,20 0,02 0,21 0,02 0,21 0,04 0,22 0,05 0,21 0,03 0,11 0,02 PTFE 0,24 0,02 0,23 0,01 0,21 0,02 0,21 0,02 0,20 0,03 0,19 0,04 PEEK 0,38 0,03 0,36 0,01 0,34 0,03 0,35 0,01 0,33 0,03 0,30 0,08 Rys. 2. Przykładowe zdjęcia z optycznego mikroskopu pomiarowego powierzchni polimerowej współpracującej ze stalowym przeciwelementem przed i po badaniach tribologicznych dla pary ślizgowej PEI-stal, a) obraz wykonany przed procesem tarcia, b) obraz wykonany po procesie tarcia. Logistyka 4/2013 469
Rys. 3. Przykładowe zdjęcia z profilometru interferometrycznego powierzchni polimerowej współpracującej ze stalowym przeciwelementem przed i po badaniach tribologicznych dla pary ślizgowej PEI-stal, a) obraz wykonany przed procesem tarcia, b) obraz wykonany po procesie tarcia. Wnioski Zaplanowane badania tribologiczne wykonano na nowoczesnej aparaturze badawczej, która wyposażona jest w rozwiązania z zakresu techniki pomiarowej i automatyki gwarantujące zachowanie odpowiedniej powtarzalności i porównywalności. Uzyskane wyniki badań dotyczące współczynnika tarcia kinetycznego μ k charakteryzowały się dobrą powtarzalnością, którą potwierdzają wartości obliczonego odchylenia standardowego. Wykonano również analizę występowania błędu grubego za pomocą testu Dixona. Test ten pozwala na wyeliminowanie wartości znacznie odstającej od pozostałych powstałej w wyniku jednorazowego wpływu przyczyny działającej przejściowo. Test Dixona potwierdził, że wszystkie uzyskane wartości współczynnika tarcia kinetycznego μ k nie zaliczają się do pomiarów odstających. Analiza przebiegu zmian współczynnika tarcia kinetycznego μ k dla wszystkich badanych materiałów polimerowych po stali pozwala zauważyć jego zmianę uzależnioną od zmiany temperatury otoczenia, w którym zachodziło tarcie. Uzyskane wyniki badań pozwoliły zauważyć, że wraz ze spadkiem temperatury (w badanym zakresie od -50 C do 0 C) obniża się wartość współczynnika tarcia kinetycznego μ k. Fakt ten jest potwierdzeniem doniesień literaturowych w pracach [5, 6, 11], choć przeprowadzane tam badania wykonywane były w znacznie szerszym zakresie niskiej temperatury. Zmiany te nie mają jednak charakteru liniowego. W przypadku materiału PA6 na przykład, spadek mierzonego współczynnika tarcia kinetycznego μ k nastąpił dopiero w temperaturze T = -40 C, wcześniej parametr ten wzrastał w sumie o Δμ k = 0,05. Najbardziej powtarzalne pomiary uzyskano dla materiału polimerowego PET. Należy zwrócić uwagę w szczególności na wartość współczynnika tarcia kinetycznego μ k w temperaturze T = -50 C, gdzie zauważalny jest jego wyraźny spadek w odniesieniu do pozostałych wartości temperatury, w których zostały przeprowadzone badania. Największą zmianę współczynnika tarcia kinetycznego μ k, porównując wartości w skrajnej temperaturze T = -50 C oraz T = 0 C, notuje się w przypadku materiału PET 48%, najmniejszą dla materiału PTFE 18%. Dla pozostałych materiałów różnice wartości współczynnika tarcia kinetycznego μ k oscylują w granicach 30%. Tak duże różnice w wartościach mogą byś spowodowane zmianami własności mechanicznych badanych materiałów. Wraz ze zmniejszaniem się temperatury materiały polimerowe twardnieją, styk miękki polimer twardy przeciwelement zmienia się na styk twardy polimer twardy przeciwelement, co powoduje wzrost oporów ruchu i tym samym współczynnika tarcia kinetycznego μ k. Z drugiej strony, w ujemnej temperaturze na styku współpracujących ze sobą elementów osadza się skroplona woda zamieniająca się w późniejszej fazie badań w szron. Zarówno woda, jak i szron spełniają rolę dodatkowego środka smarnego, co z kolei powoduje zmniejszanie się współczynnika tarcia kinetycznego μ k. Wymienione wyżej zjawiska mogą być wyjaśnieniem zmian wartości współczynnika tarcia kinetycznego μ k uzyskanych podczas przeprowadzania eksperymentu, jednakże potrzebne jest wykonanie kompleksowych badań by móc stwierdzić ten fakt z pewnością, czy też zauważyć inne zjawiska zachodzące na styku tarcia podczas badań tribologicznych. 470 Logistyka 4/2013
Przeprowadzone badania tribologiczne wykazały, że ustabilizowanie się wartości współczynnika tarcia kinetycznego μ k następowało średnio po drodze tarcia s = 500 m, stąd też dłuższe pomiary większe niż droga tarcia s = 1000 m w dalszych badaniach tribologicznych nie mają uzasadnienia. Podziękowania Stypendium współfinansowane przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań tribologicznych wybranych materiałów polimerowych współpracujących ślizgowo ze stalą w zakresie temperatury T = (-50 0) C. W eksperymencie wykorzystano pięć par ślizgowych polimer-stal. Wykorzystane do badań materiały polimerowe to: (1) poliamid PA6, (2) polieteroimid PEI, (3) poli (tereftalan etylenu) PET, (4) politetrafluoroetylen PTFE, (5) Polieteroeteroketon PEEK. Eksperyment przeprowadzono na testerze tribologicznym T-25 wykonanym przez ITeE w Radomiu. Zbadano współczynnik tarcia kinetycznego μ k polimerowej próbki po stalowej tarczy i poddano analizie powierzchnie polimerowych próbek przed i po badaniach tribologicznych. Analiza ta została przeprowadzona przy użyciu mikroskopu optycznego oraz profilometru interferometrycznego. Słowa kluczowe: współczynnik tarcia kinetycznego μ k, polimery, niska temperatura. ANALYSIS OF THE EFFECT OF LOW TEMPERATURES ON THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF POLYMERIC MATERIALS Abstract In the paper has been described investigation of influence low temperature on kinetic friction coefficient μ k. In experiment have been used five tribological pair polymer-steel: (1) polyamide PA6 (2) polyetherimide - PEI (3) Poly (ethylene terephthalate) PET (4) polytetrafluoroethylene PTFE (5) and poly (ether ether ketone) PEEK. The experiment was carried out in T-25 tester made by ITeE in Radom in temperature (-50 0) C. The tests were performed three time, after each of them was conducted state of the surface polymers layer. Microscopic examination was performed on an optical microscope and examined the surface using interferometric profilometer. Findings of investigation shows changes of the kinetic friction coefficient μ k depends on temperature. It is noted that with decreasing temperature showing a decrease of kinetic friction coefficient, wherein in the temperature of -50 C there was a significant decrease the coefficient in compared to the rest of the tests. Conducted microscopic observations and interferometric measurements allowed note of wear processes very clearly. The effects of friction on the assumed process parameters are visible even to the naked eye. Microscopic pictures are confirmation of a significant effect of the process of friction on the thermoplastic polymer materials surface. There is need to do more experiments in this area of science. Keywords: kinetic friction coefficient μ k, polymers, low temperature. Literatura [1] Burton J.C., Taborek P., Rutledge J.E.: Temperature dependence of friction under cryogenic conditions in vacuum, Tribology Letters, tom 23, nr 2, 2006. [2] Fusaro R.L.: Self-lubricating polymer composites and polymer transfer film lubrication for space applications, Tribology International, tom 23, 1990. Logistyka 4/2013 471
[3] Glaeser W.A., Kissel J.W., Snediker D.K.: Wear mechanisms of polymers at cryogenic temperatures, Polymer Sci. & Technol., tom 5B, 1974. [4] Hartwig G.: Kunststoffe bei tiefen Temperaturen, [w:] Frey H, Haefer RA (ed.) Tieftemperaturtechnologie, VDIVerlag, Düsseldorf 1981. [5] Hübner W., Gradt T., Schneider T.: Einfluss tiefer Temperaturen auf das Verhalten von Werkstoffen bei tribologischer Beanspruchung, Tribologie u. Schmierungstechnik, 46(1), 1999. [6] Hübner W., Gradt T., Schneider T., Börner H.: Tribological behaviour of materials at cryogenic temperatures, Wear, tom 216, 1998. [7] Lawrowski Z.: Tribologia, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000. [8] Michael P.C., Rabinovich E., Iwasa Y.: Friction and wear of polymeric materials at 293, 77 and 4.2 K, Cryogenics, tom 31, 1991. [9] Okimichi Y., Hitoshi Y.: Cryogenic properties of polymers, Prog. Polym. Sci., tom 20, 1995. [10] Rymuza Z.: Tribology of polymers, Archives of Civil and Mechanical Engineering, tom VII, nr 4, 2007. [11] Theiler G., Hübner W., Gradt T., Klein P., Friedrich K.: Friction and wear of PTFE composites at cryogenic temperatures, Tribology International, tom 35, 2002. 472 Logistyka 4/2013