6-2011 T R I B O L O G I A 107 Danuta KOTNAROWSKA * WPŁYW KĄTA PADANIA CZĄSTEK EROZYJNYCH NA INTENSYWNOŚĆ ZUŻYWANIA EROZYJNEGO POWŁOK POLIURETANOWYCH INFLUENCE OF EROSIVE PARTICLES IMPACT ANGLE ON EROSIVE WEAR INTENSITY OF POLYURETHANE COATINGS Słowa kluczowe: erozja powłok poliuretanowych Key words: erosion of polyurethane coatings Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań wpływu kąta padania cząstek elektrokorundu na kinetykę zużywania erozyjnego powłok poliuretanowych. Badano trójwarstwowe powłoki poliuretanowe o grubości 190 µm. Średnia twardość powłok wg Buchholtza (PN-EN ISO 2815:2000) wynosiła 85. Natomiast parametry chropowatości powierzchni powłok stanowiły odpowiednio: Ra = 0,21 µm oraz Rz = 0,97 µm. Prowadzono badania erozyjne * Politechnika Radomska, Wydział Mechaniczny, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn, ul. Chrobrego 45, 26-600 Radom, tel. 696 027 447; e-mail: d.kotnarowska@pr.radom.pl.
108 T R I B O L O G I A 6-2011 powłok dla kąta padania α = (25, 45, 75). Wykorzystano do tego celu aparat zalecany w polskiej normie PN-76/C-81516. Zamontowano w nim specjalny uchwyt, umożliwiający badania dla różnych kątów padania cząstek erozyjnych. Aparat ten umożliwiał swobodne spadanie cząstek erozyjnych z wysokości h = 0,94 m. Rezultaty badań udowodniły, że im mniejszy był kąt padania cząstek erozyjnych, tym intensywniejszemu zużywaniu erozyjnemu ulegały powłoki poliuretanowe. Największą intensywność zużywania erozyjnego (I = 4,72 µm/kg) wykazała powłoka, poddana oddziaływaniu cząstek erozyjnych, uderzających w powłokę pod kątem 25. W tym przypadku dominowało mikroskrawanie powłoki. Natomiast najmniejszą intensywność zużywania erozyjnego (I = 0,83 µm/kg) obserwowano dla α = 75, gdy dominowało zużycie deformacyjne powłok. WPROWADZENIE Urządzenia, użytkowane w naturalnych warunkach eksploatacji, narażone są na erozyjne oddziaływanie twardych cząstek (piasku, kamieni, gradu, grudek ziemi, pyłów dymnicowych), charakterystycznych dla danego środowiska. Początkowy proces niszczenia materiału powłoki polega na intruzji cząstki erozyjnej w jej powierzchniową warstwę. Następnie cząstka przemieszcza się na pewnej drodze (zależnej od jej energii początkowej) w warstwie powierzchniowej, skrawając mikroobjętości materiału [L. 4, 5, 11, 19]. Podczas wnikania cząstki erozyjnej w powierzchniową warstwę materiału (w warunkach swobodnego spadania) zachodzi deformowanie materiału, na skutek czego powstaje w tej warstwie niejednorodny, zdeformowany obszar o złożonym stanie naprężeń, którego granice ulegają ciągłym zmianom. Deformacje i naprężenia, generowane podczas erozyjnego oddziaływania twardych cząstek na powłokę polimerową, zależą od kompleksu czynników, charakteryzujących parametry strumienia cząstek, a także od odporności materiału powłoki na odkształcenia sprężyste oraz plastyczne [L. 11, 19]. W strefie kontaktu powstają deformacje, sprzyjające przeniesieniu materiału powłoki w kierunku składowej obciążenia stycznej do powierzchni, czyli w kierunku ruchu cząstki względem powierzchni powłoki. Głębokość intruzji cząstki oraz jej styczne przesunięcie związane są z mechanicznymi własnościami zarówno cząstki erozyjnej, jak i zużywanego erozyjnie materiału [L. 4, 19].
6-2011 T R I B O L O G I A 109 W przypadku ostrych kątów padania cząstki, na skutek przewagi składowej stycznej prędkości uderzenia, podstawowym procesem niszczenia powierzchniowej warstwy powłoki jest styczne przemieszczenie mikroobjętości materiału, które jest charakterystyczne dla mikroskrawania [L. 4, 7, 11]. Dla kątów padania bliskich 90, na skutek przewagi składowej normalnej prędkości, mechanizm zużywania powierzchniowej warstwy powłoki pod wpływem oddziaływania strumienia cząstek erozyjnych w przeważającej mierze ma charakter polideformacyjny [L. 19]. Intensywność zużywania erozyjnego powłok polimerowych istotnie zależy od ich grubości [L. 11, 12]. Należy podkreślić, że istnieje optymalna grubość powłoki, dla której osiąga ona maksymalną odporność na oddziaływanie cząstek erozyjnych. Wynika to z faktu, że zbyt cienkie powłoki nieefektywnie tłumią energię, wyzwalającą się podczas zderzenia z twardą cząstką, a w zbyt grubych podczas procesu ich konstytuowania generowane są defekty strukturalne (mikropory, mikropęknięcia, kratery), które sprzyjają wykruszaniu powłok [L. 11]. Na intensywność zużywania erozyjnego powłok polimerowych ma także wpływ ich twardości [6, 10, 11, 14, 19]. Im wyższa twardość, tym większa kruchość powłok polimerowych. Twardość powłok polimerowych na ogół ulega obniżeniu, zarówno pod wpływem promieniowania ultrafioletowego [L. 8 11, 13, 14 ], jak również pod wpływem mediów agresywnych. Kinetyka procesu erozyjnego zużywania powłok polimerowych istotnie zależy od kąta padania cząstek erozyjnych. Jak wykazują przedstawione w literaturze wyniki badań, a także rezultaty eksperymentów własnych, każdy rodzaj powłok charakteryzuje się optymalnymi parametrami, determinującymi ich minimalne zużycie erozyjne [L. 4, 11, 9, 15, 19]. Należy podkreślić, że stosunkowo mało jest literatury z zakresu erozji powłok polimerowych. Brak informacji z tego zakresu utrudnia efektywne projektowanie niezawodnych urządzeń technicznych o założonej trwałości. Powłokę polimerową również można traktować jak element, który w wyniku uszkodzenia podlega renowacji lub wymianie na nowy i rozważać jej aspekty niezawodnościowe. Erozja jest dominującym procesem zużywania powłok ochronnych maszyn rolniczych, budowlanych oraz górniczych, co wynika oczywiście ze szczególnie trudnych warunków eksploatacji w tych środowiskach.
110 T R I B O L O G I A 6-2011 Podczas erozyjnego niszczenia polimeru zachodzą w jego strukturze zmiany, polegające na zrywaniu wiązań chemicznych na skutek nierównomiernego rozkładu naprężeń, spowodowanego koncentracją energii uderzania. Przyczynia się to do progresywnego zmniejszania odporności tworzywa polimerowego na oddziaływanie cząstek erozyjnych [L. 4, 5, 11]. W badaniach kinetyki erozyjnego zużywania powłok polimerowych należy również uwzględnić dodatkowo wpływ na ich destrukcję mediów agresywnych oraz promieniowania ultrafioletowego [L. 5, 6, 9, 10, 13]. Większość publikacji z zakresu erozyjnego zużywania poświęconych jest zużywaniu erozyjnemu elementów metalowych. Zaliczają się do nich prace [L. 1 3, 16 18]. Pionierskie badania w tej dziedzinie przeprowadził I. Finnie [L. 1, 2] oraz I.M. Hutchings [L. 3]. Stosunkowo mało publikacji dotyczy zużywania erozyjnego elementów oraz powłok ochronnych wykonanych z kompozytów polimerowych. Należy zatem zintensyfikować badania procesów zużywania erozyjnego kompozytowych materiałów polimerowych, stosowanych w urządzeniach technicznych, w różnych warunkach eksploatacji. Przedmiotem badań, przedstawionych w niniejszym artykule, jest ocena odporności erozyjnej powłok poliuretanowych, eksploatowanych w warunkach oddziaływania wymuszeń typu erozyjnego. Badania te uzupełniają zakres wiedzy na temat kinetyki zużywania powłok polimerowych przy uderzeniowym ich kontakcie z twardymi cząstkami, występującymi w wielu środowiskach eksploatacji. BADANIA Charakterystyka powłok poliuretanowych Badano trójwarstwowe powłoki poliuretanowe, o grubości 190 µm. Do pomiaru grubości powłok zastosowano aparat Mega-Check FE. Średnia twardość powłok wg Buchholtza (PN-EN ISO 2815:2000) wynosiła 85. Natomiast parametry chropowatości powierzchni powłok, mierzone za pomocą testera Hommel T500, wynosiły odpowiednio: Ra = 0,21 µm oraz Rz = 0,97 µm. Metoda badania procesu erozyjnego zużywania powłok W badaniach procesu erozyjnego zużywania powłok polimerowych wykorzystano urządzenie, zalecane w polskiej normie PN-76/C-81516.
6-2011 T R I B O L O G I A 111 Do oceny odporności powłok polimerowych na zużycie erozyjne zastosowano kryterium I, wyrażające stosunek grubości powłoki G [µm] do całkowitej masy M [kg] cząstek erozyjnych, powodujących założone zużycie powłoki w badanym obszarze (tj. odsłonięcie przez startą powłokę fragmentu powierzchni stalowego podłoża o kształcie elipsy o mniejszej średnicy d = 3,6±1 mm). Materiał erozyjny stanowiły cząstki elektrokorundu granulowanego 99A (wg PN-76/M-59111) o rozmiarach ziarna 0,60 0,70 mm, którego głównymi składnikami są: ditlenek krzemu, tritlenek żelaza, tlenek wapnia i tlenek sodu (Rys. 1). Rys. 1. Morfologia ziaren elektrokorundu granulowanego (pow. 40x) Fig. 1. Morphology of particles of granulated alundum (magnification x40) WYNIKI BADAŃ ORAZ DYSKUSJA Charakterystykę intensywności zużywania powłok poliuretanowych w zależności od kąta padania cząstek elektrokorundu granulowanego przedstawiono na Rysunku 2. Krzywą intensywności zużywania erozyjnego powłok opisano wielomianem trzeciego stopnia (1): y = - 0,00004 x 3 + 0,00899 x 2-0,61792 x + 15,19511 (1) Stwierdzono istotny wpływ kąta padania (α) cząstek elektrokorundu (Rys. 1) na przebieg krzywej intensywności zużywania erozyjnego (I) powłok poliuretanowych. W miarę wzrostu kąta padania zużycie erozyjne malało (Rys. 2). Uwarunkowane to było rosnącym, wraz ze wzrostem kąta padania, udziałem sił normalnych (składowych obciążenia) do powierzchni powłoki, decydujących o dominacji procesu deformacji plastycznej powłok nad procesem ich mikroskrawania, a w efekcie końcowym determinujących kinetykę zużywania erozyjnego powłok [L. 4, 6 8, 11].
112 T R I B O L O G I A 6-2011 Rys. 2. Intensywność zużywania erozyjnego powłok poliuretanowych w zależności od kąta padania α cząstki elektrokorundu granulowanego Fig. 2. Intensity of erosive wear of polyurethane coatings in dependence of alundum particles impact angle α WNIOSKI 1. Uderzenia swobodnie opadających cząstek elektrokorundu powodowały zużywanie erozyjne powłok poliuretanowych w postaci: mikroskrawania, deformacji plastycznej, wykruszania zmęczeniowego. 2. Charakter procesu erozji, jak i kinetyka zużywania erozyjnego powłok były zależne od kąta padania cząstek erozyjnych. W przypadku ostrych kątów padania cząstek, na skutek przewagi stycznej składowej prędkości uderzenia cząstek erozyjnych, podstawowym procesem niszczenia powierzchniowej warstwy powłok jest styczne przemieszczenie mikroobjętości materiału, które jest charakterystyczne dla mikroskrawania. Dla kątów padania bliskich 90, na skutek przewagi składowej normalnej prędkości uderzenia cząstek erozyjnych, mechanizm zużywania powierzchniowej warstwy powłok pod wpływem oddziaływania strumienia cząstek erozyjnych w przeważającej mierze ma charakter polideformacyjny. 3. Największa intensywność zużywania erozyjnego (I = 4,71 µm/kg) charakteryzowała powłoki, w które cząstki elektrokorundu uderzały pod kątem 25 na skutek dominacji procesu mikroskrawania. 4. Natomiast najmniejszą intensywność zużywania erozyjnego (I = 0,83 µm/kg) obserwowano dla powłok atakowanych przez
6-2011 T R I B O L O G I A 113 cząstki erozyjne pod kątem α = 75. Wówczas w procesie erozji dominowało zużycie deformacyjne powłok, zaś w nieznacznym stopniu ich wykruszanie zmęczeniowe. LITERATURA 1. Finnie I.: Erosion of surfaces by solid particles. Wear 1960, Vol. 3, p. 87 103. 2. Finnie I., McFadden D. H.: On the velocity dependence of the erosion of ductile metals by solid particles at low angles of incidence. Wear 1978, Vol. 48, p. 181 190. 3. Hutchings I.M.: Abrasive and erosive wear tests for thin coatings: a unified approach. Tribology International 1998, Vol. 31, No 1 3, p. 5 15. 4. Kotnarowska D.: Kinetics of wear of epoxide coating modified with glass microspheres and exposed to the impact of alundum particles. Progress in Organic Coatings 1997, Vol. 31, p. 325 330. 5. Kotnarowska D.: Rodzaje procesów zużywania powłok polimerowych. Monografia nr 60, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2003, s. 212. 6. Kotnarowska D., Kotnarowski A.: Influence of ageing on kinetics of epoxy coatings erosive wear. International Journal of Applied Mechanics and Engineering 2004, Vol. 9, p. 53 58. 7. Kotnarowska D.: Examination of dynamic of polymeric coatings erosive wear process. Materials Science (Madźiagotyra) 2006, Vol. 12, nr 2, p. 138 143. 8. Kotnarowska D.: Influence of Ultraviolet Radiation on Erosive Resistance of Modified Epoxy Coatings. Solid State Phenomena 2006, vol. 113, p. 585 588. 9. Kotnarowska D.: Powłoki ochronne. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2010, s. 320 (wydanie III, uzupełnione). 10. Kotnarowska D., Klasek T.: Wpływ starzenia na porowatość powłok epoksydowych. Inżynieria Powierzchni 2007, nr 4, s. 15 21. 11. Kotnarowska D.: Erozja powłok polimerowych. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2009, s. 144. 12. Kotnarowska D.: Effect of nanofillers on wear resistance of polymer coatings. Solid State Phenomena 2009, Vol. 144, p. 285 290. 13. Kotnarowska D.: Epoxy coating destruction as a result of sulphuric acid aqueous solution action. Progress in Organic Coatings 2010, Vol. 67, p. 324 328. 14. Pommerscheim J.M., Nguyen T., Zhang Z., Hubbard J.B.: Degradation of organic coatings on steel; mathematical models and predictions. Progress in Organic Coatings 1994, Vol. 25, p. 23 41.
114 T R I B O L O G I A 6-2011 15. Rajesh J.,J., Bijwe J., Tewari U.S., Venkataraman B.: Erosive wear behavior of various polyamides. Wear 2001, Vol. 249, p. 702 714. 16. Tilly G.P., Sage W.: The interaction of particle and material behaviour in erosion processes. Wear 1970, Vol. 16, p. 447 465. 17. Tilly G.P.: Erosion caused by airborne particles. Wear 1969, Vol. 14, p. 63 79. 18. Tilly G.P.: Sand erosion of metals and plastics: A brief review. Wear 1969, Vol. 14, p. 241 248. 19. Zahavi J., Schmitt G.F.: Solid particle erosion of reinforced composite materials. Wear 1981, Vol. 71, p. 179 190. Recenzent: Wojciech WIELEBA Summary The article presents examination results of the influence of alundum particle impact angle on the kinetics of the erosive wear of polyurethane coatings. Examined three-layer polyurethane coatings of an average thickness of 190 µm were examined. The average hardness acc. Buchholtz (PN-EN ISO 2815:2000) was 85, whereas the roughness parameters were Ra = 0.21 µm and Rz = 0.97 µm. The process of the erosive wear of coatings was investigated for impact angle α ranging from 25 to 75. The erosive wear of the coatings was examined using the apparatus recommended by the Polish Standard PN-76/C-81516. The test specimen was mounted in a specially designed holder that allowed the precise setting of the angle of the specimen surface, which was subsequently subjected to testing. The apparatus enabled free fall of an abrasive material from 0.94 m height. As the abrasive material particles of granulated alundum of grain size 0.60 0.71 mm (acc. PN-76/M-59111) were applied. Examination that that the lower α angle, the higher the intensity of erosive wear of the polyurethane coating. For α angle equal 25, due to the micro-cutting process domination, more intensive erosive wear was observed (I = 4.72 µm/kg) than in the case of impact angle values higher than 60. However, the lowest intensity of erosive wear (I = 0.83 µm/kg) of the coating was observed for the impact angle α = 75 when deformative wear dominated.