MŰSZAKI POLIMEREK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN

Átírás

1 Szent István Egyetem MŰSZAKI POLIMEREK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN Doktori (Ph.D.) értekezés Zsidai László Gödöllő

2 A doktori iskola megnevezése: Műszaki tudományi doktori iskola tudományága: Agrárműszaki tudomány vezetője: Dr. Szendrő Péter egyetemi tanár, az MTA doktora Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Mezőgazdasági Géptani Intézet, Gödöllő Témavezető: Dr. Kalácska Gábor egyetemi docens, Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépgyártás és Javítástechnológia Tanszék, Gödöllő Az iskolavezető jóváhagyása A témavezető jóváhagyása - 2 -

3 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK 5 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A kutatómunka célkitűzései 1 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS Szilárd testek tribológiai alapfogalmai Súrlódás Szilárd testek kopása Tribológiai vizsgálatok Tribológiai modellvizsgálatok Korszerű műszaki polimerek A polimerekről általában A vizsgált műszaki polimer csoportok eddig feltárt tribológiai jellemzői Polimerek súrlódási és kopási mechanizmusai Polimerek kopását leíró összefüggések Részben kristályos polimerek Poliamidok (PA) Polioximetilén (POM) Polietilén-tereftalát (PETP) DLN bevonatok, mint a polimereken súrlódó felületek új lehetősége Gyémánt-szerű nanokompozit (DLN), mint a DLC bevonatok új családja _ A DLN bevonatok eddig feltárt tribológiai jellemzői A szakirodalom kritikai összefoglalása Polimerek tribológiai célú alkalmazása a mezőgazdaságban A mezőgazdaságban és az élelmiszeriparban leginkább elterjedt műanyagtípusok Konkrét alkalmazási (vizsgálati) példák Polimer kormánylemezek a szántóföldi növénytermesztésben KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK A kísérletek helyszíne Kisméretű próbatest vizsgálatok HENGER-SÍK modell rendszerben Berendezés Vizsgálati paraméterek A próbatestek anyaga és előkészítésük Kisméretű próbatest vizsgálatok TŰ-TÁRCSA modell rendszerben Berendezés Zavaró hatások csökkentése Vizsgálati paraméterek Próbatestek anyaga és előkészítésük Kiegészítő vizsgálatok

4 Tartalomjegyzék Felületi energia vizsgálata folyadékcsepp érintkezési szög (Drop test) vizsgálatával A felületeken keletkezett súrlódási nyomok mikroszkópikus vizsgálata A lerakódott polimer film vastagságának vizsgálata A MÉRÉSI EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE A HENGER-SÍK modell vizsgálatok kiértékelése A súrlódási erők ciklusonkénti meghatározása A kopás térfogat és a fajlagos kopás meghatározása A TŰ-TÁRCSA modell vizsgálati eredmények kiértékelése VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK Műszaki polimerek acél felületen vizsgált súrlódási és kopási eredményei, HENGER-SÍK laboratóriumi modell rendszerben Súrlódási és kopási eredmények 2 óra/1 N-nál (I. mérési kategória) Súrlódási és kopási eredmények 1 óra/2 N-nál (II. mérési kategória) A súrlódási eredmények elemzése A henger alakú polimer próbatestek rugalmas alakváltozása A terhelés és az acél síklap érdességének hatása a súrlódásra A kopási mechanizmusok elemzése Az eltérő terhelési kategóriák összehasonlítása Következtetések a HENGER-SÍK vizsgálatokból Műszaki polimerek eltérő felületeken vizsgált súrlódási és kopási eredményei, TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben Eredmények 1 m/s sebességen, 1 N terhelésen (I. mérési kategória) Eredmények,5 m/s sebességen, 35 N terhelésen (II. mérési kategória) Súrlódási és hőfejlődési mechanizmusok elemzése Az adhézió hatása Súrlódási hőmérséklet és anyagátvitel A súrlódási felület hűtésének a hatása Következtetések ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK ÖSSZEFOGLALÁS 123 IRODALOMJEGYZÉK 127 MELLÉKLETEK JEGYZÉKE 132 MELLÉKLETEK

5 Jelölések ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK Jel Megnevezés Mértékegység érintkezési szög [ ] h adott (kopási) húrhosszhoz tartozó központi szög [ ] fajlagos nyúlás [mm/mm] B szakítószilárdsághoz tartozó fajlagos nyúlás, [mm/mm] peremszög [ ] Poisson-tényező hővezetési együttható [W m -1 K -1 ] A kopás magasság [mm] max polimer henger max. belapulása [mm] fsz foly. és a szilárd fázis határfelületi feszültsége [mn/m] összes határfelületi feszültség [mn/m] lsz szilárd és a levegő fázis határfelületi feszültsége [mn/m] pol poláris felületi energia [mn/m] dinamikus súrlódási tényező max dinamikus súrlódási tényező maximuma stabil dinamikus súrlódási tényező állandósult értéke statikus max statikus súrlódási tényező maximuma statikus súrlódási tényező állandósult értéke statikus stabil statikus statikus súrlódási tényező a adott kopáshoz tartozó húrhossz [mm] A körszelet területe [mm 2 ] A 5 szakadási nyúlás [%] b * érintkezés félszélessége [mm] c rugóállandó [m N -1 ] D a vizsgálatban szereplő durvább érdességű felület jelölése DMA polimerek fizikai állapotainak átmeneteit megjelenítő dinamikai analizátor E látsz látszólagos rugalmassági modulus [N/mm 2 ] E' és E" rugalmassági modulus dinamikus és veszteségi összetevői f elmozdulás frekvenciája [Hz] FEM végeselemes szimulációs eljárás F stat max nyugalmi súrlódási erő maximális értéke [N] F max súrlódási erő maximális értéke [N] F min súrlódási erő minimális értéke [N] F N normál (terhelő erő) [N] F s csúszó (dinamikus) súrlódási erő [N] F s súrlódási erő [N] F sstat nyugalmi (statikus) súrlódási erő [N] G csúsztató rugalmassági modulus [N/mm 2 ] G' és G" csúsztató rugalmassági modulus dinamikus és veszteségi összetevő - 5 -

6 Jelölések H kopásnak kitett anyag keménysége HV HFRR nagyfrekvenciás, alternáló, tribológiai vizsgálati mód k dimenzió nélküli kopási tényező L henger hossz [mm] L csúsz csúszási úthossz [m] l s ciklusonkénti lökethossz [mm] m és m krit tömeg és kistályos tömeg [g] P átlagos érintkezési nyomás [MPa] p v műanyagok teherbírás határát jelző érték R hengeres polimer próbadarab sugara [mm] R a átlagos felületi érdesség [ m] RH relatív páratartalom [%] R m szakítószilárdság [N/mm 2 ] RTP hőre lágyuló kristályos polimerek R v R z2 és R z1 különbsége [ m] R z átlagos egyenetlenség magasság [ m] R z1 súrlódás előtti átl. fel. egyenetlenség magasság [ m] R z2 súrlódás utánni átl. fel. egyenetlenség magasság [ m] S a vizsgálatban szereplő, kisebb érdességű felület jelölése s lökethossz [mm] SD sessile drop szilárd felületek, felületi energiájának meghatározására szolgáló eljárás SEM pásztázó elektron mikroszkóp sp 3 a C atom sp 3 hibridállapota t vizsgálati időtartam [óra], [min] T környezeti hőmérséklet [ C] T b polimerek bomlási hőmérséklete [ C] T f polimerek folyási hőmérséklete [ C] T g polimerek üvegesedési hőmérséklete [ C] T m polimerek kristályolvadási hőmérséklete [ C] TKS térhálókötés sűrűség TMA termomechanikai analizátor T r polimerek ridegedési hőmérséklete [ C] TSZV polimerek szilárdsági jellemzőinek a vizsgálatai eltérő hőmérsékleteken TTS fretting kopásnál kialakuló kopásálló réteg x v % tömeg szerinti kristályossági arány [%] V kopadék kopás térfogat [mm 3 ] w vonalmenti terhelés [N/mm] W' dimenzió nélküli terhelés - 6 -

7 Jelölések A dolgozatban használt anyagok jelölései: ABS akrilnitril-butadién-sztirol kopolimer DLC gyémántszerű karbon bevonat család DLN gyémántszerű nanokompozit EP epoxigyanta HD-PE nagy sűrűségű polietilén HMW PE nagy molekulasúlyú polietilén HPM nagyteljesítményű műszaki műanyag MF melamin-formaldehid PA 6 G poliamid 6, öntött PA 6 G k poliamid 6 öntött, olaj adalékkal PA 6 G-Mg poliamid 6 öntött, Mg katalizálású PA 66 poliamid 66 PAI poliamidimid PC polikarbonát PCTFE poliklortiflóretilén PE polietilén PETP k poli(etilén-tereftalát)ptfe adalékkal PF fenol-formaldehid gyanta PI poliimid PMMA polimetil-metakrilát POM C poli-oximetilén kopolimer POM H poli-oximetilén homopolimer PP polipropilén PPD polifenilénoxid PS polisztirol PTFE poli(tetrafluor-etilén) PUR poliuretán PVC polivinil-klorid PVDC polivinilidénklorid UHMW PE ultra nagy molekulasúlyú polietilén UP telítetlen poliésztergyanta - 7 -

8 Jelölések - 8 -

9 Bevezetés, célkitűzések 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A korrózió és a kifáradás mellett a súrlódás, és az ennek következtében létrejövő kopás tartozik a mozgó gépelemek legjelentősebb elhasználódási mechanizmusai közé. A terhelésátadó elemek között kialakuló csúszás, súrlódást okoz. Az ilyen csúszósúrlódás idézi elő az érintkező felületek kopását, elhasználódását, végső esetben akár a gépelemek tönkremenetelét is. E károsodás elkerülésének egyik lehetséges megoldása lehet a polimer gépelemek alkalmazása, elsősorban azokban az esetekben, ahol ezt szilárdsági jellemzőik lehetővé teszik. A fém alkatrészek felcserélése műanyaggal a csúszó-súrlódó alkalmazásokban tribológiai vizsgálatokat igényelhet. A konkrét alkalmazás esetén elvégzett vizsgálatok többnyire bonyolultak és költségesek, elsősorban azért, mert egyetlen vizsgálat nem elegendő a tribológiai viselkedés megfelelő leírásához. Lehetséges megoldás az általánosan elfogadott (szabványosított) laboratóriumi vizsgálatok elvégzése, melyek kisméretű (small-scale) próbatesteket használnak fel. E kisméretű próbatest vizsgálatok előnyei magától értetődők (egyszerű a vizsgáló berendezés, kicsi terhelő erő, kis méretűek a próbatestek, könnyen beállíthatók a környezeti jellemzők és alacsonyak a költségek). A szakirodalomban több ilyen vizsgálati eredményt találhatunk, amelyek referenciaként segíthetik munkánkat. A műszaki polimerek tulajdonságainak laboratóriumi modell vizsgálatokkal történő meghatározása elsősorban a különböző anyagok összehasonlítására használható fel. Ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy nem várt hatások is felléphetnek alkalmazásuk során (kedvezőtlen hővezetés, feszültségeloszlás). Kritikus ipari esetekben a gépelemek pontosabb modellezése érdekében további nagyméretű próbatest (large-scale) vizsgálatok is ajánlottak a pontos tribológiai viselkedés feltérképezésére. A közelmúlt műszaki műanyagokkal végzett kisméretű próbatest vizsgálatai egyre szélesebb ismeretanyagot nyújtanak a korszerű szerkezeti anyagok tribológiai viselkedéséről. Ez a tény elsősorban a szabványosított tribo vizsgálati rendszereknek köszönhető, amelyek könnyen beszerezhetők, célirányosan kialakított vizsgáló berendezéseken gyorsan modellezhetők. Azonban a polimerek tribológiai tulajdonságainak ismerete még nem kielégítő. A műszaki polimerek általánostól eltérő vizsgálati jellemzőkkel mért tribológiai jellemzőiről - pl. nagy terhelés, kedvezőtlen érintkezési geometria - kevés adat áll rendelkezésre. Szintén nincs kellőképpen feltérképezve a polimerekkel párosított korszerű, gyémántszerű bevonatok (DLC) súrlódásra gyakorolt hatása, összehasonlítva a hagyományos anyagpárosításokkal. A polimerek tribológiai viselkedése erősen függ a súrlódó rendszer jellemzőitől és a felületi terhelés nagyságától. Ugyanakkor a polimerek anyagszerkezeti sajátosságai miatt (relatíve alacsony hőállóság) kiemelten fontos hatása van a hőmérsékletnek is a súrlódási kopási jellemzőkre. Az eddigi gyakorlat azt mutatja, hogy pontos tribológiai jellemzők nem határozhatók meg csak egyetlen modellen, a vizsgálati jellemzők változtatása nélkül végrehajtott kisméretű próbatest vizsgálatból. A jobb összehasonlíthatóság végett eltérő tribo modellekkel végzett vizsgálatokat kell elvégezni, különböző mérési paraméterekkel

10 Bevezetés, célkitűzések 1.1. A kutatómunka célkitűzései Munkám célja műszaki polimer féltermékekből, illetve kompozitjaikból forgácsolással előállított próbatestek súrlódási és kopási tulajdonságainak vizsgálata különböző rendszerekben. Az eredmények értékelésekor a rendszerhez tartozó jellemzők összehasonlításán kívül célom a rendszertől független törvényszerűségek értékelése. Az értékelésben és a tézisekben megjelenő új információk részben alapkutatási eredmények, részben a mérnöki gyakorlat számára (csapágytechnika, hajtástechnika, csúszóvezetékek stb.) közvetlenül felhasználható ismeretek legyenek. A kutatások célkitűzései: A kiválasztott műszaki polimerek súrlódási és kopási jellemzőinek összehasonlítása kémiai és mechanikai jellemzőik függvényében, a vizsgált anyagok rangsorolása. Alapvető felületi tönkremeneteli (kifáradási, adhéziós ) folyamataiknak leírása eltérő száraz csúszó súrlódási vizsgálatok eredményei alapján. A polimerek túlterheléssel szembeni viselkedésének, az eltérő kenőanyagok adott (önkenő) polimerek tribológiai viselkedésére gyakorolt hatásának a meghatározása. Korszerű bevonatok (DLN gyémántszerű karbon bevonat) műszaki polimerek csúszósúrlódására gyakorolt hatásának a vizsgálata, hagyományos bevonat nélküli (acél) felülettel szemben, az eltérő felületek adhéziós és hővezetési jellemzésén keresztül. A kapott eredmények hozzájárulhatnak a DLN bevonat jövőbeli alkalmazási lehetőségeinek optimalizálásához, bővítéséhez. További cél a kiválasztott polimerek optimális üzemeltetési feltételeinek a meghatározása, segítségnyújtás az alkalmazási körülményeknek megfelelő polimerek kiválasztásához. A vizsgált polimerek kiválasztása elsősorban a polimer gépelemeket (csapágyakat, fogaskerekeket, csúszóvezetékeket, stb.) gyártók és felhasználók igényeinek a felmérése alapján történt. A felméréseket a Teraglobus Kft.-vel és a vele kapcsolatban álló Quadrant EPP-vel végzett interjúkra alapoztam. A cégek vevőszolgálatának eladási információi tájékoztatásul szolgáltak az általuk előállított és forgalmazott különböző műszaki polimer anyagok hazai (Teraglobus Kft.), európai és részben az amerikai (Quadrant EPP) piacon történt eladási arányairól az összes eladott mennyiséghez képest. Az interjúkból kiderült, hogy az elmúlt években az általános gépipari alkalmazásokhoz történő összes eladások közel 6-65%-át az öntött poliamid, a polioximetilén, és a polietilén-tereftalát, valamint ezek változatai teszik ki. Ezek alapján és a célkitűzésekben meghatározott eltérő kenőanyag adalékok és mechanikai jellemzők hatásának vizsgálatára választottam ki öt eltérő műszaki polimert. A vizsgált polimerek között a poliamidok széles típus választékából három öntött poliamid (PA 6G nátriumkatalizálású, PA 6G k olaj kenőanyaggal adalékolt és a PA 6G-Mg magnéziumkatalizálású) került a vizsgált anyagok közé. Ezeken kívül a polioximetilének (poliacetál) a homopolimer (POM H) és a polietilén-tereftalát PTFE (teflon) tartalmú típusa (PETP k) szerepelt a mérésekben. Mindegyik vizsgált anyag hőre lágyuló (termoplasztikus), részbenkristályos (semi-crystalline) műszaki polimer, amelyek nagy szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek. Jó a hőstabilitásuk, kielégítő a kúszási ellenállásuk és kopásállók

11 Szakirodalmi áttekintés 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS A tribológia elválaszthatatlan az ember által készített eszközök, gépek történeti fejlődésétől. A legkorábbi, ember által használt súrlódó elempárnak talán a tűzgyújtás során használt tárgyakat nevezhetnénk. Dokumentálhatóan a régészeti kutatások által ez idáig legrégebbről feltárt, i.e. 7- ből, Asszíriából származó ajtónyitó pántok tekinthetők az első, ember által készített súrlódó elempárnak [Dowson 1979]. Ezektől a fából és kőből készült csukló elemektől hosszú út vezetett napjaink korszerű súrlódó berendezéseihez, amelyek az űrkutatástól kezdve a nanotechnológiáig, az iparnak és a mindennapi életnek egyaránt velejárói. A folyamatos fejlődés eredményeképpen újabb és újabb anyagok és konstrukciók jelentek meg a tribológiai kapcsolatokban. Felmerült a súrlódási és kopási folyamatok tudományos igényű magyarázata és vizsgálata is, amelynek első tudománytörténeti emléke Leonardo da Vinci nevéhez fűződik, akinek súrlódásról és kopásról szóló munkái a XV-XVI. század fordulóján utat nyitottak a további kutatásoknak. A tribológia fejlődésével párhuzamosan természetes igényként merült fel a szerkezetek megbízhatóságának, élettartamának növelése, nem kis részben a súrlódás és kopás csökkentésén keresztül. Disszertációm jelen fejezete szakirodalmi forrásokra támaszkodva a szilárd testek csúszósúrlódásával, ezen belül is a polimerek súrlódási és kopási sajátosságaival foglalkozik. Jelentős részt szentelek a szakirodalmi feldolgozáson belül a vizsgált anyagok eddig feltárt tribológiai jellemzőinek ismertetésére, majd külön részben tárgyalom az elterjedt tribológiai modell vizsgálati módszereket, berendezéseket Szilárd testek tribológiai alapfogalmai Súrlódás A terhelés alatt egymáson elmozduló vagy elmozdulási kényszernek kitett szilárd testek érintkezési felületén súrlódás keletkezik. A súrlódás kifejezhető az érintkezési felületekkel párhuzamos, állandósult mozgást vagy az elmozdulási kényszert létrehozó (súrlódási) erővel. Mozgás esetén a súrlódásból származó igénybevételek kopást idéznek elő. Annak ellenére, hogy a kopás az esetek túlnyomó részében súrlódás hatására jön létre, nincs általános érvényű összefüggés a súrlódás és a kopás között. A súrlódás különböző szempontok szerint csoportosítható: a megjelenés helye szerint: külső és belső, a mozgásforma szerint: csúszó és gördülő (valamint ezek kombinációja), a mozgásállapot szerint: nyugvó és mozgó, felületek kenésállapota szerint: száraz, határ-, vegyes és folyadéksúrlódás. A külső súrlódás a szilárd testek felszínén és annak közvetlen környezetében jelentkező hatás, a belső pedig az anyag belsejében lévő atomok, molekulák elmozdulásakor keletkezik. A külső és belső súrlódás egymástól nehezen választható szét, és a gépészeti szerkezetekben rendszerint egyidejűleg mindkettő jelen van, de az esetek túlnyomó többségében (a vegyes súrlódási állapotot kivéve) csak az egyik hatása jelentős. Az értekezés a vizsgálatokhoz kapcsolódó csúszó súrlódás jellegzetességeit tekinti át, a gördülő súrlódást nem tárgyalja

12 Szakirodalmi áttekintés Tapadó és csúszó súrlódás Az első magyar vonatkozású, tribológiával kapcsolatos korszakalkotó munka Segner János András ( ) természettudós nevéhez fűződik, aki elsőként különböztette meg és definiálta a nyugvó és a mozgó súrlódási tényezőt. Az egymáshoz szorított testek érintkező felületei kölcsönhatásban vannak egymással, a rájuk ható elmozdítási kényszerrel (a felülettel párhuzamos tangenciális erővel) szemben ellenállást fejtenek ki. Amíg a tangenciális erő nagysága nem haladja meg a két test közötti kölcsönhatás nyíró szilárdságát, nyugalmi (tapadó) súrlódási állapot uralkodik, ellenkező esetben a két test elmozdul egymáson, és mozgó (csúszó) súrlódási állapot alakul ki. Az előbbiekből következik, hogy a nyugalmi (statikus) és a mozgás közbeni (dinamikus), súrlódási ellenállás, azaz a súrlódási tényező nem azonos. A nyugalmi súrlódási erő maximális értékét az alábbi szorzat adja: F stat max stat FN [N] (1) ahol: stat -tapadó súrlódási tényező, F N -normál terhelő erő, [N]. A nyugalmi és a mozgásbeli súrlódási tényezők közötti különbség a felületi egyenetlenségek hatásával magyarázható. A súrlódási tényező értékeit, mint rendszerfüggő paramétereket, a rendszer különböző állapotaiban kísérleti úton határozzák meg. A gyakorlatban kis sebességű csúszásoknál gyakori probléma, hogy a csúszás nem egyenletes, hanem akadozó. Kedvezőtlen esetben gerjesztett lengés jön létre, amely nagy mozgó tömeg esetén jelentős dinamikai igénybevételt okoz a csatlakozó gépelemekben. Ez az akadozó mozgás (stickslip) minden olyan súrlódópárnál felléphet, ahol legalább az egyik elem bizonyos fokú elasztikus szabadsággal rendelkezik. A jelenséget a stat statikus és a din dinamikus súrlódási tényező közötti különbség okozza. A vizsgálatok szerint létezik a rendszertől függő határsebesség, amit kritikus sebességnek neveznek, és amely alatt kialakulhat az akadozó, kvázi-monoton csúszás. A kritikus határsebesség a következő összefüggéssel fejezhető ki [Valasek, Szota 22]: v krit F N ( stat c m din ) [m s -1 ] (2) ahol: c -mozgató rendszer (hajtómechanizmus) rugóállandója, [m N -1 ] m -mozgatott rendszer tömege, [kg]. Ha a két felület nem közvetlenül érintkezik egymással, hanem azokat viszkózus (folyékony vagy légnemű) kenőanyagréteg választja el egymástól, a súrlódás a kenőanyagban jön létre (belső súrlódás). Ennek törvényszerűségei teljesen eltérnek a szilárd testek közötti súrlódástól. Ismertetésére - mivel a későbbiekben szereplő vizsgálatok között nem szerepel a külső kenőanyag hozzáadásával végzett mérés eredménye - itt nem kerül sor. A szilárd testek között fellépő csúszó súrlódás általánosan ismert törvényszerűségei a következők (Amontons, Coulomb): a súrlódási erő arányos a felületeket összeszorító (normál irányú) erővel, nem függ az érintkező felületek nagyságától, és a csúszási sebességtől. Valójában más tényezőktől is függ a súrlódás: a súrlódó felütetek anyagától és minőségétől, a

13 Szakirodalmi áttekintés kenésállapottól, az érintkezési viszonyoktól, a felületeket borító kenő- és szennyező rétegektől, a terheléstől, a mozgás sebességétől, stb. A szilárd testek érintkezését három szinten érzékelik, és ennek megfelelően három érintkezési felületet különböztetnek meg [Valasek, Szota 22]: névleges: ezt a testek geometriai formája határozza meg, kontúr: az előbbinek az a része, ahol az érdességcsúcsok érintkezésbe kerülnek az ellenfelülettel és tényleges: az érintkezésben valóban részt vevő egyenetlenségcsúcsok felületének összege. Ezek különbözőségét a felületek alakeltérése okozza, melyeket nagyságrendjük szerint a következőképpen csoportosíthatunk: makrogeometriai eltérések, alakhiba: ovalitás, kúposság stb. hullámosság: többé-kevésbe periodikus eltérés, hullámhossza rendszerint 1-1 mm, magassága pedig,5 -,5 mm. érdesség: eltérés az elméleti hullámos felülettől. A hullámosságnál kisebb hullámhosszúságú kevésbé szabályosan ismétlődő eltérés. szubmikro érdesség: a felületi érdességek felszínén megjelenő igen kis mértékű egyenetlenség. A terhelés hatására a kapcsolódó testek érintkező érdességcsúcsai belapulnak, egymásba hatolnak, a felületek közelednek egymáshoz. Az érintkezési folyamat két szakaszra bontható: a telítetlen érintkezés szakaszán a részt vevő felületi érdességek száma és érintkezési felülete növekszik, míg a telített érintkezés szakaszában már csak a csúcsok alakváltozási területe nő. A korszerű súrlódási elméletek szerint a szilárd testek érintkezési felületén a súrlódási ellenállást elsősorban két hatás idézi elő: a tényleges érintkezési felületen kialakuló atomosmolekuláris kölcsönhatás (adhéziós komponens), és a felületbe benyomódó érdességcsúcsok által a mozgás során okozott alakváltozás (deformációs összetevő). Tiszta képlékeny alakváltozás esetén a súrlódási tényező molekuláris komponense csak a lágyabb anyag keménységétől és az atomos-molekuláris kapcsolat nyírószilárdságától függ, nem gyakorol rá hatást a terhelés és a felületi egyenetlenség. Rugalmas alakváltozáskor viszont a tényleges érintkezési felület a normális irányú terhelés növekedésével nem lineárisan, hanem degresszíven növekszik; ezért a molekuláris összetevő a terhelőerő növelésével csökken. Az alakváltozási komponens ugyanakkor a barázda-keresztmetszet gyors növekedése miatt a terhelés hatására progresszíven növekszik. E két hatás együttesen idézi elő az 1. ábrán szemléltetett jelenséget: száraz súrlódáskor a terhelés növelésével a súrlódási erő eleinte csökken, majd a minimum elérése után értéke emelkedik. A felületi érdesség függvényében a súrlódási tényező hasonlóan viselkedik, ezt néhány műszaki polimer esetére a 2. ábra mutatja. Itt független változóként a műanyaggal érintkező fémfelület R z érdessége szerepel (R z 4R a ), a vizsgálati paraméterek a következők: a felületi hőmérséklet 4 C alatt, az átlagos nyomás,1 MPa [Uetz, Wiedemeyer 1985]

14 Szakirodalmi áttekintés 1. ábra. A terhelőerő hatása a súrlódási tényezőre [Kalácska et al. 1997] 2. ábra. Eltérő polimerek súrlódási tényezői a fém súrlódó ellendarab felületi érdességének függvényében (átlagos érintkezési nyomás p=,1 MPa; felületi hőmérséklet t felület <4 C) [Uetz, Wiedemeyer 1985] A súrlódási tényezőt a fentieken túl más paraméterek is befolyásolják, amint azt az irodalomjegyzékben feltüntetett szakkönyvek közül több is leír. A súrlódási tényező számítására is különböző módszerek, tapasztalati összefüggések léteznek eltérő érintkezési viszonyokhoz (rugalmas telítetlen, rugalmas telített, stb.) [Kozma 21]. A súrlódás nagysága a fenti, erősen leegyszerűsített törvényszerűségeket figyelembe véve is könnyen megváltoztatható (csökkenthető) pl. a felületi keménység növelésével, vagy kis nyírószilárdságú felületi rétegek (bevonatok, kenőanyagok) alkalmazásával [Kalácska et al. 1997] Szilárd testek kopása A súrlódás során a mechanikai és termikus igénybevételek hatására az egymással kapcsolatban lévő súrlódó felületekről fokozatosan anyagrészecskék válnak le, a felületek alakja, mérete megváltozik. A változás intenzitásától függően a súrlódó felületek megengedhető és meg nem engedhető károsodásokat szenvednek, amelyeket a gyakorlatban különbözőképpen csoportosítanak, illetve különböző elnevezésekkel látnak el. Legtöbbször a súrlódás hatására kialakuló folyamatos anyagveszteséget nevezik kopásnak, az egyéb jellegű, viszonylag gyorsan kialakuló felületi károsodásokat pedig a folyamatra jellemző elnevezésekkel jelölik (pl. felületi kifáradás, berágódás, bemaródás stb.). A kopás a súrlódás során lejátszódó rendkívül bonyolult kölcsönhatások eredménye, amelyek törvényszerűségeit nehéz általánosan megfogalmazni. Még az egyes kopási mechanizmusok elkülönítése és elnevezése is jelentős gondot okoz. Valasek és Szota [22] a kopási mechanizmus két csoportját azonosítja: az első azokat foglalja magában, amelyekben az anyag mechanikai tulajdonságai a döntőek, a másik azokat, amelyeket elsősorban az anyag kémiai tulajdonságai határoznak meg. Hangsúlyozzák, hogy szinte minden esetben azonosítható egy vezető kopási mechanizmus, amelyet az anyag mechanikai tulajdonságai, kémiai stabilitása, az érintkezési zónában kialakult hőmérséklet és a működési körülmények határoznak meg

15 Szakirodalmi áttekintés Alapvetően három kopás csoportot különböztet meg [Kozma 21]: adhéziós kopás: ahol a kopási folyamatban a főszerepet az adhéziós folyamatok játsszák nem adhéziós kopás: ide sorolható az abráziós, az eróziós, a fáradásos, az oxidációs kopás, valamint a súrlódási korrózió vegyes kopási folyamatok: ezeknél egyszerre több kopási mechanizmus is szerepet játszik (pl. mechanikai korrózió, mechanikai-kémiai kopás) A 3. ábra a különböző kopási mechanizmusok DIN 532 szabvány szerinti csoportosítását mutatja be a kölcsönhatásban részt vevő anyagok jellege alapján. A táblázat utolsó előtti oszlopa az ismétlődő terhelés okozta felületi kifáradásra utal, míg az utolsó a felületek közti vegyi reakciók károsító hatását jelenti. Adhéziós kopás A tökéletesen tiszta, szennyeződéstől, oxidoktól, kenőanyagtól és egyéb adszorbeált molekuláktól mentes, ún. szűz felületek érintkezésekor a felületi atomok kölcsönhatásba lépnek egymással, adhéziós kötés jön létre. A csúszás (érintő irányú elmozdulás) hatására az adhéziós kötés elnyíródik, de rendszerint nem a két felület határán, hanem a kisebb szilárdságú anyag belsejében (a felkeményedés vagy az eltérő alapanyag-szilárdság miatt), ezáltal anyagrészecske jut át az ellenfelületre. Ez az anyagátvitel többször is lejátszódhat addig, amíg a kopási részecske ténylegesen leválik a felületről. Az adhéziós kopásban rendkívül fontos szerepet játszik a két súrlódó felület anyagának adhéziós hajlama, valamint kémiai reakcióképessége, különösen az oxigénnel szembeni viselkedése. Az oxidáció és más vegyi hatások akadályozzák az ismételt anyagátvitelt, méretnövekedéssel, feszültség koncentrációval járnak, és elősegítik a kopási részecske leválását. A nagymértékben hasonló kristályszerkezetű anyagok (pl. önmagukkal párosított tiszta fémek) hajlamosak a nagy felületre kiterjedő adhéziós kapcsolatok létrehozására, ami nemcsak erős kopást, hanem gyakran bemaródást, berágódást: a súrlódó felület azonnali tönkremenetelét okozzák. Emiatt az ilyen anyagpárosításokat kerülni kell, és helyettük atom-, illetve molekulaszerkezetüket tekintve jelentős mértékben eltérő vagy heterogén szövetszerkezetű anyagokat kell alkalmazni (pl. acéllal párosított öntöttvasat, bronzot, csapágyfémet, vagy jó siklási tulajdonságú műanyagot). Archard [1953] javaslata alapján az adhéziós kopás adott körülmények között egyszerűen számítható az alábbi összefüggéssel, ha gyakorlati tapasztalatból vagy kísérleti eredményekből a k kopástényező megállapítható: FN VA k LS [mm 3 ] (3) H ahol: L S - kopási úthossz, [m] F N - normál terhelő erő, [N] H - kopásnak kitett lágyabb anyag keménysége, [N mm -2 ] k - dimenzió nélküli kopástényező A dimenzió nélküli kopástényező az anyagpártól, a kenési állapottól, az üzemeltetési paraméterektől és a környezeti hatásoktól függ. Néhány esetre a kopástényező nagyságrendjét az 1. táblázat foglalja össze

16 Szakirodalmi áttekintés 3. ábra. A kopásformák felosztása a DIN 532 szerint [Uetz, Wiedemeyer 1985] 1. táblázat. A kopástényező várható értéke adhéziós kopás esetén [Kalácska et al.1997] A műszaki gyakorlatban a súrlódó felületeken képződő oxidréteg, adszorbeálódott gáz- és gőzréteg, valamint a súrlódó igénybevételek hatására kialakuló felkeményedett felszíni réteg többé

17 Szakirodalmi áttekintés kevésbé védi a felületet az intenzív adhézió kialakulásától. A nagy vákuumban és a világűrben ez az oxidréteg, és adszorbeálódott gázréteg gyakran hiányzik, a védőhatás módosul. Kenéssel hatékonyan csökkenthető, illetve akadályozható az adhéziós folyamat. A poláros molekulákat (pl. zsírsavakat) tartalmazó kenőanyagok erősen tapadnak a fém-oxid borította felületen, és hatékonyan csökkentik a súrlódást és a kopást. Nagyobb igénybevételek esetén kémiai reakcióval szulfid-, foszfid-, klorid-, stb. rétegeket alakítanak ki az adhézió, az intenzív kopás és berágódás megakadályozására. Ezek a rétegek gyakran lényegesen hatékonyabbak, mint az oxidfilmek. A kopást ezek sem akadályozzák meg, de az intenzív adhéziós kopás helyett sokkal enyhébb formákat, pl. a felületi réteg fáradásos kopását helyezik előtérbe. Abráziós kopás Az abráziós kopást a felületbe benyomódó kemény részecskék, érdességcsúcsok okozzák, amelyek a súrlódási folyamatban barázdát húznak, miközben a barázdából kinyomódó anyag egy része kopási részecske formájában leválik. Az abráziós kopásból származó anyagveszteség függ a barázda keresztmetszetétől, a benyomódó csúcs alakjától (élességétől) és az elmozdulás nagyságától, vagyis a súrlódási úthossztól. A tapasztalatok szerint - amelyeket számos kísérleti eredmény is alátámaszt - az abráziós kopás elsősorban a kopásnak kitett anyag szívósságától, természetes keménységétől és alakváltozási képességétől függ. Rabinovicz [1965] javaslatára a kopás során leváló anyag térfogatának számítására az adhéziós kopásnál ismertetett összefüggés (3) használható, annak ellenére, hogy az anyag leválásában más folyamatok játszanak fő szerepet. A k kopástényező itt elsősorban a kopást okozó benyomódó csúcsok jellemzőitől, mennyiségétől, méretétől és élességétől függ (2. táblázat). 2. táblázat. Kopástényező abráziós kopás esetén [Kalácska et al.1997] Gumik és nagy rugalmassági modulusú polimerek abrazív kopásakor a felszíni réteg alakváltozása gyakran majdnem teljesen rugalmas marad, a forgácsoló igénybevétel mellett előtérbe kerül a tépő, morzsoló hatás és fontos szerepet játszanak az ismétlődő igénybevételből származó kifáradási folyamatok. Ratner [1964] számos kísérlettel igazolta, hogy a gumik és polimerek kopása a (4) összefüggést követi: V k H R m A 5 (4) ahol: k -kopástényező, R m -szakítószilárdság, [N mm -2 ] μ -súrlódási tényező, H -keménység, [N mm -2 ] A 5 -szakadási nyúlás (az L o =5d o mérési alaphossz %-ban meghatározott fajlagos nyúlása), [%]

18 Szakirodalmi áttekintés A megváltozott kopási mechanizmus miatt a gumik és a rugalmas polimerek kopásállósága nem elsősorban a keménységgel, hanem a szakadási munkával illetve az R m szakító szilárdság és az A 5 szakadási nyúlás szorzataival arányos, amint ezt a 4. ábrán láthatjuk. 4. ábra. Műanyagok egységnyi súrlódási munkára vonatkoztatott fajlagos kopásának változása az 1/(R m A 5 ) paraméter függvényében [Uetz, Wiedemeyer 1985] Az azonos szilárdságú polimerek közül kevésbé kopnak azok, amelyek szakadási nyúlása nagyobb, illetve a szakítószilárdság növelése csak akkor csökkenti a kopást, ha ugyanakkor a szakadási nyúlás jelentősen nem csökken. Az abráziós kopás a műszaki gyakorlatban a leggyakoribb kopásforma. Minden olyan helyen előfordul, ahol poros környezetben dolgozó berendezésekben szilárd szennyeződés juthat a súrlódó felületek közé, nagy a keménységkülönbség a súrlódó felületek között és túlságosan érdes a felület, és akkor is, ha a gép abrazív hatású anyaggal dolgozik. A szerkezet élettartamának növelése érdekében az abráziós hatást lehetőleg meg kell szüntetni (pl. hatékony tömítéssel vagy optimálisan simára munkált felülettel). Amennyiben ez nem lehetséges (pl. erősen szennyezett környezetben dolgozó mezőgazdasági, építőipari gépeknél), nagy szilárdságú, de ugyanakkor szívós anyagokkal vagy bevonatokkal csökkenthető a kopás sebessége. Egyes területeken eredményesen használhatók e célra a nagy alakváltozásokat elviselő, rugalmas elasztomer bevonatok. Fáradásos kopás A súrlódás folyamán a felületi érdességcsúcsok tényleges érintkezési felületein fellépő kölcsönhatások a felszíni anyagréteget állandóan ismétlődő igénybevétellel terhelik, rugalmas és képlékeny alakváltozásokat idéznek elő, amelyek a kisciklusú kifáradási folyamat következtében anyagrészecske leválásokhoz, fáradásos kopáshoz vezetnek. Az ismétlődő igénybevételek hatására a felszíni anyagréteg a mozgás irányában eltolódik, rétegesen rendeződik, szövetszerkezete széttöredezik, felkeményedik, elridegedik, benne jelentős belső feszültségek alakulnak ki, fizikai és

19 Szakirodalmi áttekintés kémiai tulajdonságai lényegesen megváltoznak. Az így kialakult felszíni rétegben, vagy annak határán repedések keletkeznek, amelyek tovaterjedve kopási részecske leváláshoz vezetnek. Ez a fáradásos kopási mechanizmus a súrlódó gépszerkezetek leggyakrabban előforduló normális elhasználódási folyamata száraz és vegyes súrlódási állapotban, és ha más, progresszívebb kopásformával nem párosul, gyors tönkremenetelt nem idéz elő [Kalácska et al.1997]. Oxidációs-korróziós kopás Az oxidációs kopás a leggyakrabban előforduló kopás, amely a levegővel érintkező súrlódó szerkezetek elhasználódásában uralkodó, vagy kísérő kopás formájában mindig jelen van. Más korróziós kopásformák is megjelennek ott, ahol a kenőanyag, a munkaközeg vagy egyéb, a környezetben előforduló anyag vegyi reakcióba lép a súrlódó felülettel, azon felületi réteget alakít ki, és azt a súrlódási igénybevételek folyamatosan eltávolítják. A korróziós kopási folyamat rendszerint az alábbi négy formában játszódik le [Kalácska et al. 1997]: tartós kopásálló vékony kenőfilm képződik a súrlódó felületen a korrózió és a súrlódási igénybevétel hatására, amely lassan, fokozatosan kopik, miközben állandóan újra képződik, gyenge korróziós réteg alakul ki, amely gyorsan lekopik, de újra is képződik. Nagy a kopássebesség, és rendszerint kicsi a súrlódás, a korrózió ellen kialakított felületi védőréteg a súrlódás során megsérül, a közeg a sérült helyekre behatol, és súlyos korróziós károsodást okoz az alapanyagban, gyors korrózió, de a felületi réteg gyenge, a súrlódási erő azt könnyen eltávolítja, és ezért nem véd az adhéziós kötések kialakulásával szemben: a korrózió mellett jelentős adhéziós kopás, berágódás alakul ki. Tribológiai szempontból legkedvezőbb az első folyamat, ami optimális esetben, megfelelően hatékony adalékkal (kopásgátló) ellátott kenőanyag jelenlétében a nagyterhelésű súrlódó felületeken játszódik le. A korróziós kopás leggyakoribb változata az oxidációs kopás, amely levegő közegben kenés nélkül működő súrlódó felületek (elsősorban fémfelületek) jellegzetes kopásformája. A fémfelületek gyorsan oxidálódnak, még a nemesfémek felületén is keletkezik vékony átlátszó oxidréteg. Ez azonban nem azonos a súrlódás során kialakuló, a kopást hatékonyan csökkentő, jelentős mennyiségű oxigént tartalmazó felszíni védőréteggel. Súrlódási korrózió (fretting) A nyugvó súrlódó kapcsolatok érintkezési felületein rezgések vagy ismétlődő terhelés hatására fellépő rugalmas alakváltozások miatt váltakozó irányú, kis amplitúdójú relatív elmozdulások jönnek létre. Ha ezek az elmozdulások elég nagyok, elnyírják az egymáshoz szorított szilárd testek tényleges érintkezési felületén kialakult atomos-molekuláris kapcsolatokat, ledörzsölik a felületet borító adszorpciós és kemiszorpciós védőréteget, tiszta fémfelületeket tesznek szabaddá, amelyek a környező levegő hatására azonnal oxidálódnak. A legújabb kutatások szerint a folyamat két fő szakaszra különíthető el, a kezdeti és a stabil szakaszra. Kezdetben a friss felületen és a mechanikai igénybevételek hatására kialakul egy speciális felületi réteg, a TTS (Tribologically Transformed Structure), mely a későbbiekben védi az alapanyagot a gyors kopástól. A TTS a forrása a fokozatosan leváló részecskéknek, amelyek gyorsan oxidálódnak és részben lemezes formában a TTS felett visszaágyazódnak a felületre, részben pedig vándorolnak, abrazív hatást kifejtve az érintkezési zónában. A fretting folyamat stabil szakaszán a leváló részecskék miatt a TTS fokozatosan és lassulva fogy, mert kialakulását csak a

20 Szakirodalmi áttekintés kezdeti feltételek biztosítják [Fayeulle 1993; Zhou et al. 1997; Sauger et al. 2]. A károsodás kifejlődésében fontos szerepet játszhat az adhézió is, mivel egy idő után a TTS elfogy, és a szabaddá való tiszta fémfelületek könnyen összehegedhetnek, nagyfokú anyagátvitel, erős berágódás alakulhat ki. A fenti négy hatás (a mechanikai dörzsölés, az oxidáció, az abrázió és az adhézió) következtében kialakuló felületi károsodás a súrlódási korrózió, közismerten a fretting. Eróziós kopás Az eróziós kopást nem a súrlódás idézi elő, hanem a szilárd testhez ütköző részecskék által okozott abráziós és fárasztó igénybevétel. Bár az eróziós kopás főleg a szilárd részecskéket tartalmazó közegek (szennyvizek, iszapok, poros gázok, szuszpenziók stb.), szilárd szemcsékből álló ömlesztett anyagok (pl. cement, szén, kőzúzalék, szemes termény) szállításakor csővezetékekben, surrantókon, szállító eszközökben jelentkezik, de előfordulhat áramlástechnikai gépekben és a kenőrendszerekben is. Az eróziós kopás sebességére hatást gyakorol a koptató részecskék mérete és keménysége. A szívós anyagok eróziós kopássebessége a részecske méret növelésével bizonyos határig növekszik, majd állandósul. A nagy rugalmasságú anyagok (elasztomerek) rugalmas alakváltozással veszik fel a részecskék ütközési energiáját, és nagymértékben ellenállnak az eróziós hatásokkal szemben, elsősorban szobahőmérsékleten. Az elasztomer ugyanis ütközéskor belapul, majd gyakorlatilag sértetlenül visszarugózik, és kilöki a becsapódó részecskét. Az állandóan ismétlődő igénybevétel azonban fárasztja az elasztomer felületét és lassú eróziós kopást okoz [Kalácska et al. 1997]. Kavitációs kopás A kavitációs kopás szilárd testek áramló folyadékkal érintkező felületein alakulhat ki, ahol a kedvezőtlen áramlási viszonyok (elsősorban leválások) miatt a folyadékban oldott gázok buborékok alakjában kiválnak, ezek a buborékok azután összeomlanak, és erős folyadékütközéseket idéznek elő a szilárd test felületén. Az ütközés hatására repedések, majd lyukszerű kráterek alakulnak ki [Clark 1993]. Ha nem túl erős a kavitációs kopás, az elasztomerek megakadályozzák a kopást. Intenzív kavitációval szemben csak a homogén szerkezetű, nagyszilárdságú, de ugyanakkor szívós anyagok képesek bizonyos mértékig ellenállni. Kedvezőek a martenzites rozsdamentes acélok, de legjobb az ausztenites szerkezetű mangánacél Tribológiai vizsgálatok A tribológiai vizsgálatok célja a súrlódó rendszerek optimális működését biztosító paraméterek kutatása. Ez a feladat háromféleképpen érhető el: A súrlódó rendszer működési körülményeinek javításával. A szerkezeti kialakítás és az igénybevételek megváltoztatásával. Az anyagok (súrlódó anyagpár és kenőanyag) optimális kiválasztásával. A súrlódási kopási folyamatok rendkívüli összetettsége korlátozza, és nagymértékben nehezíti a tisztán elméleti vizsgálatokat. Ezért a tribológia leghatékonyabb eszközének a kísérleti vizsgálatokat tekinthetjük, amelyek segítségével feltérképezhetjük az adott körülmények között működő súrlódó szerkezetek súrlódási-kopási jellemzőit, teherbírásukat, élettartamukat és megbízhatóságukat

21 Szakirodalmi áttekintés A tribológiai vizsgálatok céljait többféleképpen csoportosíthatjuk. Bushan [21] a következőkben foglalja össze a tribológiai vizsgálatok céljait: 1. anyagok minősítése egy létező szerkezethez 2. anyagkiválasztás egy új konstrukcióhoz, 3. adott anyag kopási súrlódási jellemzőinek, viselkedésének feltárása 4. súrlódás, kopási jelenségek tanulmányozása Kozma [21] részletesebb célmeghatározást ad: 1. A hosszú élettartam szempontjából optimális szerkezet kialakítása. 2. A működés szempontjából optimális szerkezet kialakítása. 3. A karbantartási, felújítási időszakok megállapításához szükséges adatok meghatározása. 4. A gép működési állapotának figyelemmel kísérése. 5. Az alkatrészek kopásának szimulálása modellvizsgálatokkal. 6. A tribológiai rendszer viselkedését befolyásoló tényezők megállapítása. 7. Adott súrlódó szerkezet elkészítéséhez és működtetéséhez szükséges anyagpár és kenőanyag kiválasztása. 8. Az anyagok és a kenőanyagok minőségének ellenőrzése. A felsorolt vizsgálati célok értékelhető, hatékony és gazdaságos megvalósításához eltérő vizsgálati módok vezetnek. Ezeket a vizsgálatokat a szerkezet bonyolultságától függően különböző csoportba sorolják, amelyeket összefoglalóan a 3. táblázat mutat be [Kozma 21]. 3. táblázat. Tribológiai vizsgálatok csoportosítása [Kozma 21] A felsorolt célok közül az első négy megvalósított szerkezetekkel érhető el, azonban ezek időigényesek, drágák, az egyes tényezők hatását egymástól nehezen választják szét, és nem biztosítják az állandó vizsgálati feltételeket. Az üzemi kísérletek eredményei a legtöbb esetben nem vihetők át más körülmények között üzemelő szerkezetekre. Ezért előszeretettel vizsgálják a súrlódási rendszereket helyettesítő rendszereken, laboratóriumi berendezéseken és modellkísérletekkel. Ugyanakkor fel kell hívni a figyelmet arra is, hogy nem minden vizsgálati körülmény és tényező vihető át megfelelőképpen (arányos hatással) a helyettesítő rendszerekre, ezért az eredmények nehezen helyezhetők át a gyakorlatba. Vámos [1969] rámutat arra, hogy nincs egységesen minden vonatkozásban elfogadott kopásvizsgáló berendezés. Gyakori, hogy a témával foglalkozó kutatók minden esetben saját maguk külön gépet szerkesztenek, ezért még egymás között is problematikus az eredmények összehasonlítása

22 Szakirodalmi áttekintés Ezeknek a hátrányoknak a csökkentésére Kalácska [1997] lehetséges megoldásnak tartja több különböző modell vizsgálat elvégzését azonos csoportokba tartozó egyszerű próbatesteken, az adott szerkezet tribológiai viszonyainak mind jobb modellezésére, viszonylag kis anyagi ráfordítás mellett Tribológiai modellvizsgálatok A próbatestek mérete alapvetően meghatározza a vizsgálóberendezések felépítését is. Beszélhetünk kisméretű próbatestekkel (small-scale) és nagyméretű próbatestekkel (large-scale) végzett modell vizsgálatokról. A kisméretű próbatest vizsgálatok gazdaságosságuk, sokrétű használhatóságuk mellett nem utolsósorban az ezeket a vizsgáló berendezéseket gyártó és forgalmazó cégek növekvő száma miatt lényegesen elterjedtebbek, mint a többnyire egyedileg, sokszor intézeten belül, konkrét problémák megoldására, jelentős beruházással készített nagyméretű próbatest vizsgáló berendezések. Ilyen egyedi, nagyméretű próbatest vizsgáló berendezésre mutat példát a 5. ábra. 5. ábra. Nagyméretű próbadarabok vizsgálatára szolgáló egyedi építésű, berendezés (University of Gent, Laboratory of Machines and Machine Construction) [De Baets 1995] A berendezés előállítását nagyterhelésű csúszó támaszok vizsgálatára hozták létre. Jellemzői közül kiemelendő a nagy függőleges V, B (max. 65 kn) és vízszintes H, E (max. 25 kn) erő, amit hidraulikus munkahengerek hoznak létre. A befogható próbatestek A, B méretei elérik a Ø 22mm-t. A maximális csúszási sebesség 6 mm/s, a csúszási úthossz 35 mm-es [De Baets 1994; De Baets 1995]. Miután a leggazdaságosabb az egyszerű kisméretű próbatesteken végzett kísérlet, a különböző tribológiai rendszerek modellezésére számos ilyen módszert dolgoztak ki. Ezek rendszerint könnyen, gazdaságosan és pontosan gyártható sík, henger, kúp, vagy gömbfelületű próbatesteket érintkeztetnek egymással, csúszó, gördülő, csúszva gördülő, állandó vagy váltakozó irányú mozgás

23 Szakirodalmi áttekintés mellett, esetleg különböző közegek hatásának kitett állapotban. Zalai [197] a kenőanyagok gépi vizsgálatainak bemutatásánál három fokozatot különböztet meg: a) laboratóriumi, ún. modell vizsgálatokat, b) fékpadi vizsgálatokat, c) üzemi vizsgálatokat. Meghatározása szerint a laboratóriumi modell vizsgálatok a gyakorlati élettől eléggé eltérő körülmények között, ugyanakkor az egymást követő meghatározásoknál viszonylag jól reprodukálható módon végzik a vizsgálatot. Előszelektáló vagy ellenőrző vizsgálatokra alkalmasak. A szerző ugyanitt csoportosítja is a modell vizsgálatokhoz használt készülékeket, ezt a 4. táblázatban láthatjuk, a mérési elvek pedig az 6. ábrán vannak feltüntetve. A táblázat tartalmazza a forgó és álló próbadarabok alakját és az érintkezést a kísérlet elején és a kísérlet alatt. Az itt bemutatott néhány példa a laboratóriumi gépi modell vizsgálatokra ma már szabványos vizsgálatnak számít. 6. ábra. a) SAE gép, b) Berendezés keresztbe fektetett hengerekkel, c) Reichert-kopásvizsgáló berendezés, d) IFE-készülék, e) Almen-Wieland gép, f) Falex-vizsgálóberendezés, g) Timken-gép, Alpha kenőolajvizsgáló, h) Tű-korong készülék, i) Shell-négygolyós készülék [Zalai 197] 4. táblázat. Kopásvizsgáló modellberendezések csoportosítása [Zalai 197]

24 Szakirodalmi áttekintés Jól összefogja és csoportosítja a tribológiai modellvizsgálatokban legelterjedtebb próbatest párosításokat és ezek mozgásviszonyait az 5. táblázat, amelyet az egyik vezető tribológiai berendezéseket gyártó és forgalmazó cég [Plint 21] által kínált modellezési lehetőségek alapján állítottam össze, a teljesség igénye nélkül. 5. táblázat. Széleskörben elterjedt tribológiai modellvizsgálati rendszerek egy lehetséges csoportosítása [Plint 21] alapján (próbatest geometriák és mozgásviszonyaik) A kisméretű próbatest vizsgálatok többsége geometriai kialakításukból és méreteikből kifolyólag ún. helybennjáró rendszerek, vagyis a vizsgálatok során végig azonos felületen vagy felületeken, azonos vagy váltakozó irányban megy végbe a súrlódás. Ez meg is felel az általános műszaki gyakorlatnak, gondoljunk a csapágysúrlódásra. Bizonyos esetekben azonban fontos lehet a folyamatosan friss kopási felület biztosítása, vagy a próbadarabok egyenes vonalú, egyirányú

25 Szakirodalmi áttekintés elmozdulásának a létrehozása ugyanazon a felületen. Ezekre láthatunk példát a 7. ábrának az a és b részében. a.) b.) 7. ábra. Speciális vizsgálati rendszerek a) HASÁB-HENGER friss kopási felület biztosítása b) HASÁB-SÍK azonos mozgási irányhoz, ugyanazon kopási nyomban [Mergler et al. 23] 2.3. Korszerű műszaki polimerek A műszaki polimer kifejezést elterjedten használják azokra a polimerekre, amelyekre helytálló a következő meghatározás [Kalácska et al. 1997]: A műszaki polimerek széles hőmérséklet tartományban kitűnő műszaki tulajdonságokkal (nagy statikus és kifáradási szilárdság, kúszásállóság, ütésállóság, kopásállóság) rendelkeznek. Kiváló mechanikai jellemzőik mellett jó a kémiai ellenálló képességük, és jó elektromos szigetelők, ezért sok konstrukcióban szerkezeti anyagként is használhatók. A hőállóság, a mechanikai tulajdonságok és a kémiai stabilitás szempontjából megkülönböztetnek általános rendeltetésű és nagyteljesítményű (HPM = High Performance Materials) anyagokat. Az 8. ábrán látható,,anyagpiramis jól szemlélteti a közönséges, az általános rendeltetésű műszaki és a nagyteljesítményű anyagok főbb típusait és azok műszaki színvonalát. 8. ábra. Anyagpiramis a műszaki polimerek értelmezéséhez [Kalácska et al. 1997] Ugyanakkor nem minden esetben fogadható el az ábra által felkínált anyagcsoportosítás, hiszen közönséges polimerek (PVC, PE stb.) is használatosak lehetnek, mint műszaki polimerek. Nem beszélve arról, hogy különféle tulajdonságjavító eljárásokkal az általános műszaki polimerek is felruházhatók olyan tulajdonságokkal, amelyek megközelítik a HPM polimerek jellemzőit

26 Szakirodalmi áttekintés A műszaki polimerek a kereskedelemben beszerezhetők por vagy granulátum formában, félkész termékként (rudak, csövek, fóliák, stb.,) és késztermékként (öntött, fröccsöntött, extrudált, préselt, forgácsolt, stb.,) A polimerekről általában A polimerek a különböző alkalmazásokhoz és igényekhez igazodnak, széles típus választékukból kifolyólag ma már megtalálhatóak az ipar és a háztartás minden területén, szerkezeti felépítésükkel, tulajdonságaikkal, előállításukkal, különböző szempontok szerinti csoportosításukkal kiterjedt szakirodalom foglalkozik. Először az irodalom [Bodor, Vas 21; Füzes, Kelemen 1989; Macskási 1996; Pék 1993] alapján röviden foglaljuk össze alapvető szerkezeti jellemzőiket, főbb csoportosítási módjaikon keresztül. A polimerek a közismert definíció szerint makromolekuláris, szerves, szintetikus, összetett anyagok, amelyeknek elsődleges összetevője a szén (C), a hidrogén (H), de esetenként megtalálható bennük a nitrogén (N), az oxigén (O), a klór (Cl), a fluor (F) és a kén (S) is. Anyagszerkezetük óriásmolekulákból áll, amelyek molekulánként több ezer atomot tartalmaznak. A természetben közvetlenül nem fordulnak elő, de előállíthatók pl. természetes anyagok átalakításával, elsősorban kőolaj, földgáz és szén származékok szintézisével. A polimerek csoportosítása a molekula szerkezet szerint A polimerek tulajdonságait - hasonlóan más anyagokhoz - elsősorban molekula szerkezetük határozza meg. Ezért tulajdonságaik függnek: a primer molekula szerkezettől, vagyis a monomereken belüli vegyi kötésektől, a szekunder szerkezettől, azaz a makromolekula térbeli struktúrájától valamint a tercier szerkezettől, a polimer molekulák közötti kapcsolattól. Ha a monomereknek két reakcióképes csoportja van, akkor lineáris polimer, ha ennél több, hálószerű térbeli óriásmolekula keletkezhet. A lineáris molekulákon belül is kialakulhatnak elágazások, amelyek az anyag tulajdonságait jelentősen befolyásolhatják. A makromolekulák láncának hossza mentén az atom(csoport)ok elrendeződése szerint megkülönböztetünk izotaktikus, szindiotaktikus és ataktikus polimereket aszerint, hogy az oldalcsoportok hogyan helyezkednek el: az egyik oldalon, váltakozva vagy statisztikusan rendezetlenül. Az egy fajta monomerből felépülő polimer a homopolimer, a több fajta monomerből álló polimerekben az egyes monomerek elhelyezkedhetnek véletlenszerűen, ezek a statisztikus kopolimerek. Más anyagoknál a monomerek kisebb csoportokba rendeződhetnek. Ez megvalósulhat úgy, hogy a két fajta alapmolekula felváltva követi egymást, ezt hívják alternáló kopolimernek. Amennyiben az egy fajta monomerek kisebb csoportokat alkotnak, amelyek periodikusan ismétlődve követik egymást, blokk kopolimerről beszélünk. Ha a polimerláncot egy fajta monomer alkotja, és ehhez kapcsolódik (elágazásként) a másik fajta monomer (vagy monomercsoport), akkor oltott kopolimert kapunk. Ezek a változatok tervezhetően állíthatók elő, és eltérő anyagjellemzőket eredményeznek. A polimerek tulajdonságai a fentiek közül leginkább a molekulák térbeli szerkezetétől függnek, és ez egyben meghatározza az anyagok termomechanikai viselkedését is. Ezek szerint az alábbi típusokat különböztetjük meg: lineáris vagy elágazó molekulájú anyagok (hőre lágyuló anyagok, termoplasztok) gyengén térhálós, nagy rugalmasságú anyagok (elasztomerek) térhálós molekulájú anyagok (hőre keményedő anyagok, duromerek) A polimereket különböző módokon osztályozhatjuk. Az egyik legelterjedtebb mód az