LABORATORIUM ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 6 Opracował: Janusz Woźniak Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej Temat: Badanie odporności na ścieranie materiałów polimerowych. 1. WPROWADZENIE Materiały polimerowe charakteryzujące się dużą odpornością na ścieranie mają zastosowanie w układach tribologicznych tam gdzie wymagana jest ich zwiększona trwałość eksploatacyjna (np. w transporcie: opona samochodowa, skrzynie załadunkowe itp.). Opory tarcia występują na powierzchni styku oraz w warstwach wierzchnich pary trącej. Przykładem może być ruch samochodu gdzie muszą być pokonane opory tarcia tocznego. Tarcie toczne występuje w punkcie styku (parą trącą w tym układzie może być opona i nawierzchnia), w którym odkształcenie sprężyste materiału powoduje styk strefowy na pewnym obszarze. Jednakże obok tarcia tocznego w strefie styku występuje ślizgowe zewnętrzne na granicy styku oraz wewnętrzne w odkształconej objętości warstwy wierzchniej trących ciał. Tarcie ślizgowe występuje także podczas ruszania oraz hamowania pojazdem. Pojawienie się tarcia ślizgowego jest jedną z przyczyn szybszego zużywania tibologicznego opon samochodowych. W rzeczywistości zużywanie warstwy wierzchniej jest skutkiem oddziaływania wszystkich rodzajów tarcia. Dla lepszego zrozumienia zagadnień związanych z m i zużywaniem niezbędna jest znajomość przesłanek teoretycznych z dziedziny tribologii. Do chwili obecnej brak jest jednoznacznej definicji teorii tarcia suchego, która uwzględniałaby różnorodne czynniki oddziaływujące na parę trącą przy skojarzeniu metal-tworzywo sztuczne. Opracowano wiele teorii i hipotez odnoszących się do metali. Poznanie ich pozwoli zrozumieć złożoność zagadnienia i po przyjęciu pewnych uproszczeń umożliwi przyjęcie podstawowych zasad tarcia dla materiałów polimerowych. Do najważniejszych teorii tarcia ciał stałych można zaliczyć: Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zakłada, że styk ciał nie zachodzi na nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówności znajdujące się na powierzchni ulegają deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której 1
pojawiają się tzw. "mostki zwarcia". Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów adhezyjnych. Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zakłada, że w wypadku powierzchni gładkich zachodzi w obszarze sił międzycząsteczkowych tj. sił pomiędzy powłokami elektronowymi atomów stykających się ciał. Oznacza to, że siły przylegania lub przyciągania międzycząsteczkowego powinny być uwzględniane w teoriach tarcia. Adhezyjno-odkształceniowa (mechaniczna) teoria tarcia (Kragielski 1949. 1957, 1965). Teoria la próbuje połączyć oddziaływanie mechaniczne trących ciał oraz oddziaływanie przyciągania molekularnego. Uwzględnia się w niej zarówno zaczepianie nierówności powierzchni trących ciał jak i siły adhezyjne spowodowane oddziaływaniem sił molekularnych. Bierze się również pod uwagę rzeczywistą powierzchnie styku. Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927. Kostecki 1970). Według tej teorii istnieje bilans energetyczny procesów tarcia zewnętrznego. Zjawiska cieplne, akustyczne i elektryczne a także procesy zużywania powodują straty energetyczne. Prace sił tarcia można określić zatem sumą sktadowych energetycznych. Według Kosteckicgo praca tarcia zewnętrznego składa się z energii przetworzonej na ciepło oraz energii rozproszonej. Rzeczywiste oddziaływanie pary trącej podczas procesu tarcia powoduje oprócz sczepiania się nierówności powierzchni zmianę właściwości warstwy wierzchniej Warstwą wierzchnią materiału nazywamy warstwę ograniczoną rzeczywistą powierzchnią przedmiotu, obejmującą tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne i chemiczne w stosunku do cechy tego materiału w głębi przedmiotu. Cechy warstwy wierzchniej nadawane w procesie produkcji zmieniają się na skutek działania czynników eksploatacyjnych. Powierzchnia styku nawet najlepiej obrobionej powierzchni nigdy nie będzie gładka. Stan powierzchni elementów części maszyn charakteryzuje jej falistość, błędy kształtu oraz kierunek rozmieszczenia nierówności. Tak więc rzeczywiste oddziaływanie powierzchni pary trącej zależne jest od powierzchni styku i własności fizycznych materiałów trących się elementów maszyn. Rozpatrując parę trącą (rys.1) mówimy o nominalnej powierzchni styku S n, konturowej powierzchnia styku S k, i rzeczywistej powierzchnia styku S r [2]: 2
Rys.1 Schemat powierzchni styku S; h wysokość nierówności - nominalnej powierzchni styku S n, która jest powierzchnią w granicach obrysu powierzchni zetknięcia dwóch ciał. Zależna jest od wymiarów, z pominięciem falistości, chropowatości i błędów kształtu; - konturowa powierzchnia styku S k jest to powierzchnia stanowiąca obrys rzeczywistych pól styku, zależna od chropowatości i falistości powierzchni oraz od obciążenia; - rzeczywista powierzchnia styku S r jest to pole sumy elementarnych powierzchni styku. Rzeczywista powierzchnia styku występuje w miejscach stykania się nierówności dwóch powierzchni. 1.1 RODZAJE TARCIA Pogrubiona ścieżka diagramu (rys.2) przedstawia rodzaje tarcia odnoszące się do badania właściwości ściernych materiałów polimerowych podczas realizowanego ćwiczenia laboratoryjnego. Rodzaje tarcia zewnętrzne wewnętrzne statyczne kinetyczne w ciałach stałych w płynach ślizgowe toczne aerodynamiczne suche technicznie suche mieszane Rys.2 Rodzaje tarcia 3
- zewnętrzne występuje przy powierzchniowym styku dwóch ciał, jest zależne od składu i struktury materiałów trących; - kinetyczne zachodzi wówczas, gdy dwa stykające się ze sobą ciała pozostają w ruchu względnym; - ślizgowe jest odmianą tarcia kinetycznego i występuje wówczas, gdy prędkości obu ciał w punktach ich wzajemnego styku są różne; - suche ma miejsce wówczas, gdy czyste nierozdzielone żadnym ciałem trzecim powierzchnie pracy trącej stykają się bezpośrednio ze sobą. W technice nie spotyka się raczej tego rodzaju tarcia, ponieważ współpracujące ze sobą powierzchnie rzeczywistych elementów maszyn pokryte są prawie zawsze błonkami tlenków, cząstkami substancji ciekłych lub gazowych i wówczas występuje technicznie suche. 1.2 RODZAJE ZUŻYWANIA TOWARZYSZĄCE TARCIU Zużycie materiału w procesie tarcia nazywane jest zużyciem tribologicznym. Proces ten powodowany jest ścieraniem, pękaniem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją powierzchni współpracujących elementów i reakcjami tribochemicznymi zachodzącymi na powierzchni tarcia. Do najczęściej spotykanych rodzajów zużycia materiałów polimerowych można zaliczyć [1]: - 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 styku. Występujące nierówności spełniają rolę mikroostrzy powodując ubytek materiału spowodowany mikroskrawaniem, rysowaniem lub bruzdowaniem; - 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 drobnych cząstek o powierzchnię materiału powodując ubytek materiału zwany erozją; - 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. 4
2. ZUŻYWANIE ŚCIERNE Zużycie ścierne występuje wtedy, gdy ubytek materiału w warstwie wierzchniej jest spowodowany oddzielaniem cząstek wskutek mikroskrawania, rysowania lub bruzdowania [1, 3, 4]: - mikroskrawanie polega na wykrawaniu w ścieranym materiale bruzdy przez występ nierówności lub ziarno ścierne partnera tarcia, które wgłębia 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 boki, jest zjawiskiem pośrednim między mikroskrawaniem i bruzdowaniem; - bruzdowanie polega na wgłębieniu występu partnera tarcia w ścierany materiał i plastycznym wyciśnięciu w nim bruzdy podczas ruchu względnego, wyciśnięty z bruzdy materiał zostaje spiętrzony wzdłuż jej bocznych ścianek. Analogicznie będą działać utlenione produkty zużycia w obszarze tarcia. Odporność na zużycie ścierne jest zależna od: - składu chemicznego i frakcyjnego luźnych lub umocowanych cząstek ścierniwa i ich twardości względnej (w stosunku do twardości materiału zużywanego); - nacisków jednostkowych; - częstości wymiany tych produktów w obszarach tarcia (wydmuchiwanie, przemywanie); - prędkości poślizgu i wielu innych czynników. Charakter działania ziaren ściernych na ścierany materiał zależy od ich ruchu względem powierzchni materiału oraz od charakteru i wartości obciążeń przenoszonych przez ziarna. Ścieranie może się odbywać 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. Badanie odporności na ścieranie materiałów polimerowych w ramach ćwiczenia laboratoryjnego można wyznaczyć na podstawie stosunku objętościowego zużycia próbki wzorcowej do objętościowego zużycia badanych materiałów w takich samych warunkach badań. 5
3. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wyznaczenie właściwości ściernych wybranych materiałów polimerowych. Na stanowisku badawczym podczas tarcia w obecności luźnego ścierniwa zostaną przeprowadzone badania ścieralności w jednakowych warunkach pracy (v prędkość ślizgania, F N obciążenie). Na podstawie uzyskanych wyników badań tribologicznych zostaną określone właściwości ścierne wybranych materiałów polimerowych. Na podstawie badań tribologicznych należy opracować sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia. Wnioski z ćwiczenia powinny zawierać wyjaśnienia otrzymanych wyników. 4. METODA BADAŃ Metoda badawcza odporności na ścieranie zgodna jest z normą GOST-23.208-79. Stanowisko to przeznaczone jest do badania materiałów i powłok na zużycie ścierne podczas tarcia w obecności luźnego ścierniwa. Zasada badania (Rys.1) polega na tym, że w jednakowych warunkach pracy (prędkość ślizgania v i obciążenia F N ) przeprowadza się badania próbek wybranych materiałów oraz próbki wzorcowej wykonanej ze stali 45 w stanie znormalizowanym. Podczas pomiaru badana próbka (1) jest dociskana z określoną siłą (F N ) do obracającego się z ustaloną prędkością obrotową (n) krążka gumowego (2) o średnicy d = 50 mm. Pomiędzy krążek i próbkę dostarczany jest proszek kwarcowy (3) - elektrokorund nr 90 (wg PN-76/M- 59115) - powodujący ścieranie próbki. Wynikiem pomiaru jest wagowe zużycie próbki (różnica ciężaru przed i po badaniach), jakie wystąpiło po określonym czasie tarcia (określonej liczbie obrotów gumowej rolki). Rys. 1. Schemat metody badawczej: l - próbka z badanej stali, 2 - rolka gumowa, 3 - ścierniwo 6
Na podstawie pomiarów zużycia wagowego określano wskaźnik odporności na ścieranie K b (względną odporność na zużycie) dla poszczególnych materiałów, określany jako stosunek objętościowego zużycia próbki wzorcowej do objętościowego zużycia badanych materiałów uzyskanych w takich samych warunkach badań. Wskaźnik ten określano z wzoru: Z K b = ww ρ w Nb Z wb ρb N w gdzie: Z ww - zużycie wagowe podczas badania próbki wzorcowej (stali 45), Z wb - zużycie wagowe podczas badania badanego materiału, ρ w - gęstość materiału próbki wzorcowej, ρ b - gęstość materiału próbki badanej, N w - liczba obrotów drogi tarcia próbki wzorcowej, N b - liczba obrotów drogi tarcia próbki badanej. 5. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Badanie odporności na ścieranie materiałów polimerowych przeprowadzone zostanie na stanowisku badawczym Tester T-07 produkcji Międzynarodowego Centrum Naukowego Eksploatacji Majątku Trwałego w Radomiu (Fot.1). Fot. 1. Stanowisko badawcze Tester T-07 : 1 próbka polimerowa, 2 rolka gumowa, 3 regulator prędkości nasypowej ścierniwa, 4 zbiornik ścierniwa, 5 ramię obciążenia próbki, 6 kontroler pracy testera T-07 7
LITERATURA [1] Wieleba W. Analiza procesów tribologicznych zachodzących podczas współpracy kompozytów PTFE ze stalą, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,Wrocław 2002. [2] Jaworski J. Okładziny cierne do hamulców i sprzęgieł pojazdów mechanicznych, Warszawa 1984. [3] Hebda M., Wachal A. Trybologia, Warszawa 1980. [4] Sokolski P., Ziemba S. Zużycie elementów maszyn spowodowane m, Warszawa PWN 1969. 8