MŰSZAKI MŰANYAGOK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN

Átírás

1 Szent István Egyetem MŰSZAKI MŰANYAGOK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN Doktori (Ph.D.) értekezés tézisei Zsidai László Gödöllő-Gent-Mol 2004.

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

3 3 Tartalomjegyzék 1. BEVEZETÉS A kutatómunka céljainak a meghatározása 5 2. A VIZSGÁLATOK MÓDSZEREI Kísérletek helyszínei, vizsgált anyagok Kisminta vizsgálatok a PIN ON DISC modell rendszerben 8 3. EREDMÉNYEK HENGER-SÍKON rendszerben mért súrlódási és kopási eredmények óra/100N-nál (I. mérési kategória) óra/200N-nál (I. mérési kategória) Deformáció szerepe, a kopásmérésében Az eltérő terhelési kategóriák összehasonlítása PIN ON DISC rendszerben acél és DLN felületen mért súrlódási és kopási eredmények ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK, KÖVETKEZTETÉSEK ÖSSZEFOGLALÁS A SZERZŐ TÉMÁHOZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓINAK JEGYZÉKE 27

4 4 1. BEVEZETÉS A korrózió és a kifáradás mellett a súrlódás és a kopás tartozik a mozgó gépelemek legjelentősebb kifáradási mechanizmusai közé. A súrlódás a terhelésátadó szerkezeti elemek között sok esetben a közöttük létrejövő csúszásban nyilvánul meg. Az ilyen csúszósurlódás az érintkező felületek kopását, elhasználódását, végső esetben a gépelemek tönkremenetelét is előidézheti. Az előbbiekben felvázolt probléma egyik lehetséges megoldásaként adódik a műanyagok gépszerkezetként való alkalmazása, elsősorban azokban az esetekben, ahol szilárdsági jellemzőik kielégítőnek tekinthetőek, és fontos szempont a kémiai ellenálló, és önkenő képesség is. A fém alkatrészek műanyaggal történő kiváltása a csúszó-súrlódó alkalmazásokban, azonban felveti a tribológiai vizsgálatok igényét. A konkrét alkalmazásban elvégzett vizsgálatok többnyire igen bonyolultak és költségesek, elsősorban azért, mert egy-egy vizsgálat nem is elegendő a tribológiai viselkedés megfelelő körülírásához. Lehetséges megoldásként az általánosan elfogadott érvényű (szabványosított elvű) laboratóriumi vizsgálatok elvégzése ajánlott, melyek kisméretű (small-scale) próbatestek felhasználásával kerülnek végrehajtásra. Ezeknek a kisminta vizsgálatoknak az előnyei magától értetődők (egyszerű vizsgáló berendezés, alacsony terhelő erők, kis méretű próbatestek, könnyebben beállítható környezeti jellemzők, és alacsony költségek). A szakirodalomban több kisminta vizsgálati eredményt találhatunk, amelyek referenciaként segíthetik munkánkat. A műszaki polimerek tulajdonságainak kisminta vizsgálatok segítségével történő leírása felhasználható az alapkutatások során, elsősorban a különböző anyagok összehasonlításához. Ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy nem valós hatások is felléphetnek alkalmazásuk során (hővezetés, feszültségeloszlás). Kritikus ipari esetekben a gépelemek pontosabb modellezése érdekében további nagyminta (large-scale) vizsgálatok is ajánlottak a pontos tribológiai viselkedés feltérképezésére. A közelmúlt műszaki műanyagokon végzett kisminta vizsgálatokkal kapcsolatos kutatásai egyre szélesebb ismeretanyagot nyújtanak a korszerű szerkezeti anyagok tribológiai viselkedéséről. Ez elsősorban a szabványosított elvű tribo vizsgálati rendszereknek köszönhető, amelyek könnyen beszerezhető, célirányosan kialakított vizsgáló berendezéseken gyorsan lemodellezhetőek. Azonban a polimerek tribológiai ismerete még nem nevezhető kielégítőnek. A műszaki műanyagoknak az általánostól némileg eltérő vizsgálati jellemzők mellett tapasztalható tribológiai jellemzőiről, értem ez alatt a nagy terhelést, és a kedvezőtlen érintkezési geometriát kevés adat áll rendelkezésünkre. Szintén nincs még kellőképpen feltérképezve a korszerű gyémántszerű bevonatok (DLC) polimerekkel való párosításának súrlódásra gyakorolt hatása, összehasonlításban a hagyományos anyagpárosításokkal. A polimerek súrlódás közbeni viselkedése erősen függ a súrlódó rendszer elrendezésétől és a felületi terhelés nagyságától. Ugyanakkor a műanyagok 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 jellemzőket meghatározni nem lehet kevés számú, egy-egy modellen alapuló kisminta vizsgálatból, ezért a jobb összehasonlíthatóság végett eltérő tribo modellekkel végzett vizsgálatokat kell elvégezni, különböző mérési paraméterekkel.

5 A kutatómunka céljainak a meghatározása Munkámban korszerű műszaki műanyag féltermékekből, illetve kompozitjaikból forgácsolással előállított próbatestek súrlódási és kopási karakterisztikáit vizsgáltam különböző rendszerekben. Az eredmények értékelése során a rendszer specifikus jellemzők melletti összehasonlításon kívül fő célom a rendszer független tendenciák értékelése. Az értékelésben és a tézisekben megjelenő új információk részben alapkutatási eredmények, részben a mérnöki gyakorlat számára (csapágytechnika, hajtástechnikai elemek, csúszóvezetékek. stb.) közvetlenül átültethető ismeretanyagok. Munkámban 5 eltérő műszaki műanyag tribológiai jellemzőit vizsgáltam. A vizsgált műanyagok között a poliamidok széles típus választékából három öntött poliamid (PA 6G Nátriumkatalizálású, PA 6G/olaj kenőanyaggal belsőleg adalékolt, és a PA 6G-Mg magnéziumkatalizálású) került a vizsgált anyagok közé. Ezeken kívül a polioximetilének (poliacetál) közül a homopolimer (POM H) és a polietilén-tereftalát belsőleg szilárd PTFE (teflon) kenőanyaggal töltött típusa (PETP-PTFE) szintén szerepelt a mérésekben. Mindegyik vizsgált anyag hőre lágyuló (termoplasztikus), részben-kristályos (semi-crystalline) műszaki műanyagnak tekintendő, amelyek nagy szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek. Jó hő stabilitásuk és kielégítő kúszási ellenállásuk mellett kopásállóság is jellemzi őket. A vizsgálatok célját az alábbiakban határozom meg: a) az eltérő műszaki műanyagok súrlódási és kopási jellemzőinek összehasonlítása kémiai és mechanikai jellemzőik tükrében, az anyagok rangsorolása b) a belsőleg adalékolt eltérő kenőanyagok adott (önkenő) műanyagok tribológiai viselkedésére gyakorolt hatásának a meghatározása c) a műszaki műanyagok alapvető felületi tönkremeneteli (kifáradása, adhéziója ) folyamatainak a leírása eltérő paramétereken történő száraz csúszó súrlódás eredményei alapján, optimális üzemeltetési feltételeinek a meghatározása d) a műanyagok túlterheléssel szembeni viselkedésének feltérképezése e) a DLN (gyémántszerű karbon bevonat) súrlódásra gyakorolt hatásának az elemzése a vizsgált műanyagokkal való csúszósurlódás esetén. A kapott eredmények, kiértékelése hozzájárulhat a DLN bevonat jövőbeli alkalmazási lehetőségeinek optimalizálásához, bővítéséhez. f) a műanyagok deformációjának bemutatása; a deformáció, mint potenciális hibalehetőség okainak ismertetése, az elméleti vonali counterformal érintkezésből induló csúszósúrlódások kopásmérésében. További cél a segítségnyújtás a különböző műanyagok legmegfelelőbb alkalmazásának kiválasztásához.

6 6 2. A VIZSGÁLATOK MÓDSZEREI A kísérletek módszerét a célkitűzéseknek megfelelően választottam meg. Így az egyes célkitűzések megvalósításához eltérő vizsgálati rendszereket alkalmaztam. Egy-egy kiegészítő vizsgálattal az értékeléshez szükséges mérési adatokat is meghatároztam. Az értekezés első felében a speciálisnak mondható HENGER SÍKON (cylinder on plate) modell rendszerben vizsgálom a kisméretű hengeres műanyag próbatest súrlódási kopási viselkedését, azonos anyagminőségű, de eltérő felületi érdességű sík acél ellendarabon. Az eltérő műanyag/acél párok egymáshoz képest történő elmozdulása külső kenés hozzáadása nélkül, száraz lineáris csúszó súrlódási rendszerben történt. Munkám folytatásaként tovább vizsgálom az eltérő műanyag típusokat, de itt már RÚD- TÁRCSA (pin on disc) modell rendszerben. A műanyagok RÚD-TÁRCSA modell rendszerben tapasztalt száraz folyamatos csúszósúrlódás melletti tribológiai jellemzőinek vizsgálatán túl, feladatom a DLN felület műanyagok súrlódására gyakorolt hatásának az elemzése is Kísérletek helyszínei, vizsgált anyagok A kísérleti mérések elvégzésére részben a Genti Egyetem Gépszerkezetek és Gépgyártás Tanszékén (RUG LS), részben a Flamand Anyagvizsgálati Intézetben (VITO Mol) került sor. A műanyagok és az ellendarabok felületén kialakuló súrlódási nyomok vizsgálatára, pásztázó elektronmikroszkópot (SEM), a felületi energia meghatározására pedig az érintkezési szög mérésén alapuló folyadék csepp vizsgálatot alkalmaztunk. A HENGER-SÍKON vizsgálatban szereplő öt műanyagközül a Teramid (PA 6G Mg) márkanevű anyagokat a Műanyagipari Kutató Intézet fejlesztése alapján a Teraglobus, az Ertalon minőségeket (PA 6G, PA 6Gk, POM-H, PETP k) a Quadrant Engineering Plastic Products (eredetileg DSM EPP Polypenco) gyártja. Magyarországi forgalmazójuk a Teraglobus Műanyaggyártó, Fejlesztő és Kereskedelmi Kft. A polimer próbatestek ellenfelülete nemesített 40CrMnNiMo8 acél (BÖHLER M238 ECOPLUS [8]; DIN ; lemez, mely az európai mérnöki gyakorlatban elterjedten használt ötvözött szerkezeti acél, keménysége 300 HB; rugalmassági modulusza E=210Gpa. Az acél lapok felületének előkészítésére kétféle módot alkalmaztam. A próbatestek felét finoman köszörülték, (R a = R z =0,6-1,6 µm.) (továbbiakban ezt a felületet D betűvel jelölöm) a többi felületet köszörülés után políroztam, a kívánt finom felületi érdesség eléréséig (R a = R z = µm), (továbbiakban ezt a felületet S betűvel jelölöm). A köszörülés megmunkálási iránya párhuzamos volt a mérések során alkalmazott csúszás irányával. A felületi érdességet a köszörülés irányára merőlegesen határoztam meg. A RÚD-TÁRCSÁN mérésekhez az acél ellentárcsák egy részét DLN 180 (gyémántszerű karbon benvonatok, vagy más néven DLC bevonatok Si hozzáadásával készített változata. A műanyag próbatestek anyagminősége megegyezik, az előző HENGER-SIKON rendszerben ismertetett öt polimer anyagával, de meg kell jegyezni, hogy geometriai méreteik változtak: a próbatestek átmérője 5mm és hosszuk 10mm. (lásd. 22. ábra.) A mérések során azonos minőségű acél ellentárcsát használtunk, amelyek egy részét DLN bevonattal láttunk el, másik része DLN bevonat nélkül készült. Az acél anyagminősége

7 megegyezik a HENGER-SIKON rendszerben alkalmazott acél anyagminőségével. ( fejezet), ugyanakkor itt is változott a kialakítás: 51mm átmérőjű és 6mm vastagságú tárcsát használtam Kisminta vizsgálatok a HENGER-SÍKON modell rendszerben A jelen vizsgálatok fő célja a kisméretű műanyag próbatestek acéllal szembeni csúszó súrlódási jellemzőinek a meghatározása. A laboratóriumi vizsgálatokat váltakozó irányú csúszó súrlódást biztosító HENGER-SÍKON rendszerben végeztem el. Az érintkezési geometria lehetővé teszi a probatest kicsi méretéi mellett is a nagy érintkezési nyomás létrehozását, ezért a vizsgálatoktól a műanyagok nagy terhelés melletti súrlódási jellemzőiről várunk eredményeket. További eredményként a vizsgált műanyagok súrlódás és kopás szerinti rangsorolását kívánom elvégezni. A kísérleti berendezés amit az 2.1. ábra mutat be, egy kis amplitúdójú rezgő vizsgálatra alkalmas széles körben használt PLINT tribotester (TE 77 High Frequency Tribotest). Az ábra bal felső részén látható az alternáló csúszó mozgást végző műanyag henger próbatest (2), amely az alatta lévő rögzített acél lapon (3) csúszik tengelyére merőleges irányban [2]. A berendezés kézi terhelő rendszerrel van ellátva, mely tartalmazza a terhelő hidat (12), amelyet lefelé (terhelés növeléskor) egy - az ábrán nem jelölt - menetes orsó mozdítja el. A terhelés átvitele a mozgó munkadarabra a mozgó befogó fejbe épített görgőkön keresztül történik. Érintés nélküli elmozdulás érzékelő méri a műanyag próbatest függőleges elmozdulását az acél lap felé, ami a kopást jelzi(14). A próbatestek méretei szintén láthatóak az 1. ábrán. A hengeres műanyag próbatest átmérője 6mm-es, hossza l=12mm, az acél lap méretei mm 3. A kisminta vizsgálatok során alkalmazott mérési paraméterek az 1. táblázatban láthatóak táblázat. Vizsgálati jellemzők Paraméterek I. kategória II. kategória Acél ellendarab felületi érdessége Ra [µm] Vizsgálat időtartama (t) [óra] 2 1 Terhelés (L) [N] Elmozdulás frekvenciája 30/0.27 (f)[hz]/sebesség(v)[m/s] Lökethossz (s) [mm] 4.62 Relatív páratartalom (RH) [%] 50 Környezeti hőmérséklet (T) [ C] 30 A vizsgálatokat két terhelés szinten mértem: 100N és 200N. A vizsgálati időt a nagyobb terhelésen felére csökkentettem, hogy az eltérő terhelések ellenére is közel azonos kopás keletkezzen a mérés végén az azonos anyagú próbatestek esetében. Minden terhelési szinten, két különböző felületi érdességű acél ellendarabot alkalmaztam, abból a célból, hogy meghatározzam a felületi érdesség hatását. Minden műanyag típust vizsgáltam mindegyik terhelésen és felületi érdességű acél lemeznél. A bemutatásra kerülő mérési eredmények három, azonos paraméterrel végzett mérés átlagából meghatározott értékek. 7

8 ábra. PLINT TE 77 nagyfrekvenciás súrlódás vizsgáló berendezés felépítése és a próbadarabok méretei (1) mozgó befogó; (2) műanyag henger próbatest; (3) rögzített acél ellendarab; (4) rögzítő csavarok: (5) terhelés elosztó betét; (6) próbatest tartó asztal; (7) villamos hajtás; (8) laprugó; (9) csúszóvezeték a pozícionáláshoz; (10) géptest; (11)rögzítő csavar; (12) terhelő keret; (13) piezo-elektromos erőmérő cella; (14) távolságérzékelő kopásmérő; (15) légkondícionáló szekrény 2.3. Kisminta vizsgálatok a PIN ON DISC modell rendszerben A jelen vizsgálatok fő célja a kisméretű műanyag próbatestek acéllal és DLN (gyémántszerű karbon bevonat) bevonattal szembeni csúszó súrlódási jellemzőinek a meghatározása. A laboratóriumi vizsgálatokat szabványosított elvű folyamatos csúszó súrlódást biztosító PIN ON DISC rendszerben végeztük, az ellenfelületen bekövetkező változásokat optikai úton figyeltük meg. A kapott eredmények kiértékelésével hozzá kívánunk járni a DLN bevonat jövőbeli alkalmazási lehetőségeinek optimalizálásában kibővítésében. Az eltérő műanyag/acél és műanyag/dln csúszópárok száraz csúszósúrlódása szabványosított elvű PIN ON DISC (ASTM a) vizsgálati elemzésben történt. A vizsgálati modell vázlata a hengeres műanyag próbatest és a fém ellentárcsa méreteivel a 2.2. ábra /a-ban látható.

9 9 * a) b) 2.2. ábra. a) A próbatestek elhelyezkedése és mérete (PIN ON DISC); b) Vizsgáló berendezés: WAZAU TRM 1000 TRIBOMETER [8] 1-rögzített DLN vagy acél tárcsa, 2-forgó befogófej a hengeres műanyag próbatesttel, 3-súrlódási sugár beállító sín, 4-terhelő rendszer, 5-erőkar, 6-súlyok, 7-függőleges vezetékekbe fogott támasztó oszlopok, *-tárcsa hőmérséklet mérésének pontja (blokk hőmérséklet) A 2.2. ábra/b-ban. a laboratóriumi mérő berendezés (WAZAU TRM 1000 tribometer) vázlatrajza látható a fő elemekkel ezek elrendezésével, a próbatestek csúszó mozgásával, a terhelés átvivő és pozícionáló elemekkel. A mozgó befogófejbe rögzített műanyag próbatest folyamatos forgó mozgása állandó érintkezési felületet biztosít. A műanyag henger homlok felülete érintkezik az alsó tárcsa síklapjával. A nyugvó acél, illetve DLN bevonat a tárcsa alaplapra van rögzítve és azon keresztül kar és terhelés segítségével mechanikusan hozza létre a nyomóerőt a tárcsa és a próbatest között terhelés, a fenti műanyag próbatestre. A próbatestek elrendezése illeszkedő (u.n. conformal) érintkezést biztosít a kontakt zónában. A súrlódó elemek közül a fém próbatest, mint rideg anyag van értelmezve a műanyag próbatesttel szemben. A vizsgálatok alatt a súrlódó felület hőmérsékletét a fém ellentárcsa adott pontján mérem, amit a későbbiekben blokk hőmérsékletnek nevezek (2.2. ábra/b. * jelölve). A kopást a műanyag henger magasságcsökkenéséből határozom meg folyamatosan a mérés során. Az előkészítő vizsgálatok eredményeinek kiértékelését követően, figyelembe véve a zavaró hatások minimalizálását a megolvadás és a túlzott deformáció elkerülését, a vizsgálati terhelést 0-60 N tartományban, a sebességet pedig 0-1 m/s tartományban választottam. A konkrét vizsgálati jellemzők alapján két mérési kategóriát állítottam fel, amelyek jellemzői a 2.2. táblázatban láthatóak. A vizsgálati időtartományt úgy határoztam meg, hogy a súrlódás a stabil szakaszába érhessen, és kialakulhassanak az értékelhető anyagátviteli folyamatok is, minden anyagtípusnál táblázat. PIN ON DISC vizsgálati paraméterek Rúd-tárcsán (PIN ON DISC) vizsgálati jellemzők JELLEMZŐK 1.KATEGÓRIA 2.KATEGÓRIA Lemez/tárcsa R z felületi érdessége (µm) 0,04-0,08 Futási. idő (óra) 1 Terhelés(N) 10 ( 0.63 Mpa) 35 ( 2.23 Mpa)

10 10 Sebesség(m/s) 1 0,5 Relatív páratartalom (%) 50 Hőmérséklet ( C) Súrl. sugár (mm) 14 / 21 Mindkét kategóriában két súrlódási sugarat alkalmaztam tárcsánként, részben gazdaságossági megfontolásokból részben az eltérő geometriából adódó hőelnyelési különbségek súrlódásra gyakorolt hatásának vizsgálata érdekében.

11 11 3. EREDMÉNYEK 3.1. HENGER-SÍKON rendszerben mért súrlódási és kopási eredmények óra/100N-nál (I. mérési kategória) A 3.1. ábra. ábrázolja az I. kategóriában vizsgált műszaki műanyagok dinamikus súrlódási jellemzőit, a 3.1. táblázat pedig ugyanezen kategória fajlagos kopás értékeit mutatja. Az I. kategóriában kapott dinamikus súrlódási tényezők összegyűjtött értékeit a 3.1. ábra. mutatja be. Minden műanyagnak, az első oszlop a simább (Rz=0,1-0,4 µm) a második oszlop pedig az érdesebb (Rz=0,6-1,6 µm) fém felületen mért dinamikus súrlódási tényezőjét jelöli. Minden esetben az oszlopok magassága a súrlódási tényező uralkodó értékét képviseli, ugyanakkor a mérési idő alatt mutatott maximális súrlódást az oszlop feletti fekete ponttal jelöltem. Az ábrázolt értékek mindegyike a háromszor ismételt azonos jellemzőkön végrehajtott mérés átlagát jelöli, és nem a kiemelt példa görbék konkrét értékeit ábra. Eltérő műanyagok dinamikus súrlódási tényezői eltérő érdességnél a I. Kategóriában mérve. (I. kategória.- időtartam: 2 órás terhelés: 100N-felület: S (Rz=0,1-0,4 µm) / D (Rz=0,6-1,6 µm) Általánosságban megállapítható, hogy a súrlódási tényezők alacsonyabbak az érdesebb felületen mérve. Ugyanakkor a kopás kisebb mértékű a kisebb felületi érdességnél. A súrlódás szempontjából nézve és a teljes csúszási időtartamra vonatkoztatva a legalacsonyabb értékekkel a PETP/PTFE és a POM-H rendelkezik, mind sima, mind érdes felületen mérve. A POM-H esetében a felületi érdességnek jelentős hatása van a súrlódásra (µ dyn =0,25-0,3). A csúszási folyamatokban a kezdeti csúcs értékét követően gyorsan eléri az állandósult steadystate értékét. A POM-H rendelkezik a legalacsonyabb fajlagos kopás értékekkel mindkét felületi

12 érdességen. A PETP/PTFE esetében alacsony, de kismértékben a felületi érdességtől függő súrlódási tényezők (µ dyn =0,2-0,3) tapasztalhatók. Az előbbi megállapítások a belső PTFE kenőanyag súrlódásra gyakorolt előnyös hatásáról árulkodnak. Sima felületen egy hosszú felfutási running in stage periódus (az első 850 mérési ciklusban növekszik a súrlódás) látható, mielőtt a súrlódási görbe a stabil szakaszát elérné. Érdes felületen ez a felfutási periódus lecsökken 200 mérési ciklus időtartamra. Ezt a későbbiekben részletesen tárgyalom a.. részben. A felfutási szakasz alapjában véve egybeesik a műanyag filmnek az ellen (acél) felületen történő kialakulásával. A fajlagos kopás mindkét esetben alacsony értéket vesz fel. ( mm 3 N -1 m -1 ). A poliamidok (PA) az előző két műanyaggal szemben lényegesen magasabb súrlódási tényezővel és fajlagos kopással rendelkeznek mindkét felületi érdességnél. A poliamidok közül a PA 6G/olaj jobb csúszási jellemzőkkel bír, mint a referenciaként szolgáló PA 6G és PA 6Gmagnézium, ami a belső kenőanyag felületi működő hatásával magyarázható. Ugyanakkor az olajjal töltött poliamid esetében az alacsony értékű súrlódási tényezőből egy lényegesen magasabb értékbe való meredek átmenet tapasztalható. Sima felületen hosszabb ideig alacsony marad a súrlódási tényező értéke (közel azonos a POM-H súrlódásával), szemben az érdes felületen tapasztaltakkal, ahol jóval korábban növekszik meg a súrlódás, közel arra a szintre, ahol a PA 6G állandósult súrlódási értéke található. Az olaj kenőhatása az olaj poliamidon keresztüli részleges diffúzióján és az olajgömbök felületi felszabadulásán alapszik. Így fejti ki kenőhatását az érintkezési zónában, ezért a súrlódási tényező magasabb értékre emelkedése összekapcsolható a súrlódás során a csúszási felületen keletkező helyi megolvadásokkal és deformációkkal. Az olajgömböcskék poliamidból történő diffúzióját és felnyílását a poliamid olvadása és deformációja, vagy a nem kellő mértékű kopás - ami nem teszi lehetővé az elkent felületi réteg eltávozását - lecsökkenti vagy, meg is szüntetheti, így a kenés hatása elveszik. Az így kialakult súrlódási tényező értéke nem mutat lényeges eltérést a kenőanyag nélküli PA 6G súrlódásától, amint ez a 3. és 4. ábrákban jól látható. A poliamid csúszó felületének a kopása erőteljesebb érdes felületen, ahol a deformáció jelentősége is erősen megnövekszik. A kenő hatás lecsökkenését vagy megszűnését követően a PA 6G/olaj kopási kopásja növekedésbe kezd, amint ezt a.. ábrán bemutatom. Az előbbiekből ugyanakkor az is kitűnik, hogy az olajjal kent poliamid védettebb a túlterhelések ellen, hiszen nagyobb terhelésen, intenzívebb kopásnál, a belső olaj adalékolás jobban ki tudja fejteni kedvező hatását. A PA 6G-magnézium 20-25%-al nagyobb csúszási ellenállást mutat, mint a nátrium katalizálású PA 6G. Ez részben a nagy felületi szívósságából és az ellendarabhoz kötődő megnövekedett tapadásából következik. Ugyanakkor ebben a mérési kategóriában a PA /Gmagnézium kopási ellenállása lényegesen jobb, mint amit a PA 6G esetében. A csúszási úthossz függvényében a konkrét súrlódási görbék is láthatóak a 4, 5, 6 és a 7 ábrákon. A görbék csoportosítása adott normál terhelés és felületi érdesség alapján történt, ami az ábra címekből is kiderül. Minden műanyaghoz a három azonos mérés egyik tipikus görbéje van kiemelve, ami lehetővé teszi az eltérő anyagok azonos terhelésen és felületi érdességen tapasztalt súrlódási viselkedésének az összehasonlítását, mind a súrlódás kezdeti running-in stage, mind a stabilizálódott szakaszában (steady-state). Az előbbieken kívül azoknál a műanyagoknál amelyeknél sajátos súrlódási jelenség figyelhető meg, mindhárom ismételt mérést bemutatom 12

13 annak érdekében, hogy ellenőrizhessük nem mérési hiba vagy más zavaró tényező okozta egyszeri jelenségről van szó. A méréseim műanyag kopási eredményeit a vizsgálati kategóriák szerinti csoportosításban a 3. és 4. táblázat tartalmazza. A kopás mélységét a próbatest magassági (itt sugár irányú) méretének csökkenése jellemzi, aminek az értékét a mérések során a már említett légrés mérővel folyamatosan rögzítettem. A kopást mint relatív fogalmat többféleképpen definiálja a szakirodalom. Lényege, hogy az abszolút mért kopást (pl. mm vagy g) vonatkoztatja egy meghatározó rendszerjellemzőre. Én a méréseimnél a kopási kopást mm 3 /Nm-ben definiálom, ami egységnyi normálterhelés és 1m siklási útra vonatkoztatott próbatest térfogati veszteség. A fajlagos kopás meghatározása: csúszási úthossz (L): L csusz =2*l S *f*t fajlagos kopás (k): k=v kopadék /L csusz *P l S -lökethossz=4,64mm; f-frekvencia=30hz; t-ido=3600sec;7200sec (ciklusonként-1,8;3,6sec). V kopadék -kopási térfogat; L-csúszási úthossz; P-terhelés=100N;200N A 3.1. táblázatban szereplő fajlagos kopás értékek három mérés teljes átmérőcsökkenésének átlagolt értékei táblázat. A teljes méretcsökkenésből számított fajlagos kopás 2000 m csúszási útra 100 N terhelésen PETP k POM-H PA 6G k PA 6G PA 6G- Mg Normal terhelés (N) Felületi érdesség Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) S 37 1,46x ,51x ,79x ,35x ,29x10-6 D 30 1,02x ,99x ,35x ,72x ,13x10-6 A 3.1. táblázat alapján a kopási eredményeket két nagyságrendbe és 10-5 (mm 3 /N.m) sorolhatjuk, mindkét felületi érdességnél. Ezek szerint a műanyagok rangsora a kedvezőbb kopásértéktől a kedvezőtlenebb felé a következő: S felületen POM-H PETP k PA 6G k PA 6G-Mg PA 6G D felületen POM-H PETP k PA 6G-Mg PA 6G PA 6G k A rangsorból látható hogy a POM-H és a PETPk kopása a legkedvezőbb mindkét felületen. A PA 6G-Mg és a PA6 G sorrendje sem változott, ellenben a PA 6G k kopása ugrásszerűen megnőlt, a D felületen. Ezzel a PA 6G k a poliamidok között is a legutolsó helyre kényszerült kopás szempontjából, az érdesebb felületen óra/200N-nál (I. mérési kategória) A nagyobb normál terhelésnek a polimerek súrlódási tényezőjére és kopási kopására gyakorolt

14 hatását a 3.2. ábra; valamint a 3.2. táblázat alapján követhetjük nyomon. A II. kategóriában kapott dinamikus súrlódási tényezők összegyűjtött értékeit a 3.2. ábra mutatja be ábra. Eltérő műanyagok dinamikus súrlódási tényezői eltérő érdességnél a II. Kategóriában mérve. (II. kategória. -időtartam: 1 óra terhelés: 200N-felületi érdesség (Rz): sima 0,1-0,4 µm / érdes 0,6-1,6 µm) Összehasonlítva az 3.1. ábra és 3.2. ábra kitűnik, hogy nagy terhelésen a súrlódási tényező általában alacsonyabb, különösen sima felületű ellendarab esetében. Azonban a felületi érdesség hatása lecsökken a terhelés növelésével. Ebben a kategóriában is a PETP k és a POM-H mutatják a legjobb tribológiai eredményeket mindkét érdességen mérve. A kopás mindkét műanyagnál alacsony és közel azonos értékű, amint ez a későbbiekben majd tárgyalásra kerül. PETP k esetében a belső kenés előnye nagyobb terhelésen is megmarad, és a súrlódási görbe gyorsan stabilizálódik mind sima, mind érdes felületen mérve. Az a hosszú emelkedés, ami alacsonyabb terhelésen sima felületnél fennállt a súrlódási tényező értékében, nagy terhelésnél eltűnik. A fajlagos kopás alacsony értékű. A POM-H súrlódási tényezője alacsonyabb a nagyobb terhelés alatt, és ennél a műanyagnál is lecsökkent a felfutási szakasz időtartama. Sima felületnél azonban ez az érték nem marad állandó értéken, hanem enyhe emelkedést mutat végig a mérés időtartama alatt. A fajlagos kopás kissé magasabb értékű, mint az I. kategóriában, de közel azonos ( mm 3 N -1 m -1 ) mindkét felületi érdességnél. A poliamidok esetében nagy terhelés alatt az olaj kenőhatása jobban érvényesül, mivel az eltérés a kenőanyag nélküli PA 6G és a PA 6G/olaj súrlódási tényezői között lényegesen nagyobb, mint az I. kategóriában. Ugyanakkor itt is megfigyelhető az alacsonyabb súrlódásból a

15 magasabb súrlódásba való átváltás, hasonlóan az alacsony terhelésű kategóriában tapasztaltakhoz. A végső stabilizálódott érték azonban alacsonyabb a nagyobb terhelés alatt. A fajlagos kopás közel azonos a sima felületen mérve PA 6G és a PA 6G/olaj esetében ( mm 3 N -1 m -1 ). A PA 6G fajlagos kopása érdes felületen mérve hirtelen lecsökken egy adott súrlódási út megtétele után. Ez az időtartam egybeesik a súrlódási görbén tapasztalt tranziens ponttal, és szoros összefüggésben van a műanyag átviteli (transzfer) folyamatban beálló változással. A PA 6G-magnézium súrlódási tényezőinek az emelkedése és a tendenciák hasonlóak mind alacsony, mind nagy terhelésen, de a stabilizálódott érték csökken nagyobb terhelés alatt. Nagyobb terhelés alatt a súrlódási tényezők közel azonosak (µ dy = ), de jelentős eltérés tapasztalható a kopásban, mivel érdes felületen lényegesen nagyobb értéket ér el ( mm 3 N -1 m -1 ). A 3.2. táblázat szereplő fajlagos kopás értéke három mérés teljes átmérőcsökkenésének átlagolt értéke táblázat. A teljes méretcsökkenésből számított fajlagos kopás1000 m csúszási útra 200 N terhelésen Normal terhelés (N) 200 Felületi érdesség PETP k POM-H PA 6G k PA 6G PA 6G-Mg Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) Kopás (µm) Fajlagos kopás (mm 3 N -1 m -1 ) S x x x x x10-5 D x x x x A 3.2. táblázat alapján a kopási eredményeket két nagyságrendbe és 10-5 (mm 3 /N.m) sorolhatjuk, mindkét felületi érdességnél. Ezek szerinta műanyagok rangsora a kedvezőbb kopásértéktől a kedvezőtlenebb felé a következő: S felületen POM-H PETP k PA 6G k PA 6G PA 6G-Mg D felületen POM-H PETP k PA 6G k PA 6G PA 6G-Mg 15 A rangsorból látható hogy a POM-H és a PETPk kopása a legkedvezőbb mindkét felületen. A PA 6G k a PA6 G és a PA 6 G-Mg sorrendje sem változott, azonban a PA 6G -Mg kopása olyan kritikusan megnőlt a D felületen, ami az eredmény értékelhetőségét is megkérdőjelezi Deformáció szerepe, a kopásmérésében A vizsgálatok során folyamatosan végzett kopásmérések, jellegükből fakadóan, egyszerűsítéseket tartalmaznak. A kapott kopási eredményekben, a kopás valódi értékén túl egyéb a pontosságot befolyásoló tényezők is szerepelnek, mint a terhelés és az elmozdulással kapcsolatos deformáció, hőtágulás, nedvességfelvétel, amelyek közül a deformáció szerepe nincs még kellően tisztázva. A műanyag próbatestek mérés közbeni deformációs viselkedésének megértéséhez nyújt segítséget a 3.3. ábra. Az ábrán látható, hogy a csúszó súrlódás megindulásakor, a kopás hirtelen növekedésével párhuzamosan, a vonali érintkezés valójában már nyugalmi állapotban sem

16 beszélhetünk vonali érintkezésről - gondoljunk itt a Hertz feszültség szerepére - folyamatosan növekvő felületi érintkezésbe vált át, aminek következtében, a kontakt zónában jelentősen lecsökken a felületi nyomás, és így a deformáció is. Az előbbiek miatt a kopás korai szakaszában kisimul a mért kopásgörbe, mivel a felületi nyomás csökkenése miatt visszarugózó anyagtömeg pótolja a kopott rétegeket, vagyis kisebb kopást mérünk a valóságosnál. A későbbiekben a felfekvési felület jelentős növekedésével, ez a hatás lecsökken, és korlátozott mértékben de közel állandó értéken jelen marad a teljes mérés során ábra. A mért elmozdulás értékének összetevői a súrlódás megindulásakor Az ábrán bemutatott mért és a valós kopás közötti eltérések feltárására, a dolgozatomban szereplő próbatestek közül három (PETP k; PA 6G k; PA 6G Mg) műanyagra végeztem ellenőrző méréseket. Ezek közül láthatunk példát a 3.4. ábra. Ezek a vizsgálatok elsősorban a hiba nagyságrendbeli értékének a meghatározására vonatkoztak a jövőbeli vizsgálatok pontosabbá tételére. Megállapítható, hogy az adott vizsgálati rendszerben a HENGER-SÍKON érintkezésnél a mért kopási értékek pontossága jelentős mértékben függ a deformációtól elsősorban a súrlódás kezdeti szakaszában. Kis kopás ellenállású anyagoknál, bár nyugalmi állapotban relatív nagyobb deformációval számolhatunk, de ennek az értéke a növekvő kopási felülettel együtt gyorsabban és kisebb értékre csökken le.

17 17 PA 6G k kopása és deformációja 200 N terhelés mellett "D" felületen kopás/deformáció (mm) csúszási úthossz (m) vizsgálat közben mért kopás érték(kopás+statikus Hertz deformáció+elasztikus deformació vagy visszarugózás) deformáció értéke 100 N terhelésen deformáció értéke 200 N terhelésen valós kopás értéke 200 N terhelés mellett Mozgó átl. 2 sz. (vizsgálat közben mért kopás érték(kopás+statikus Hertz deformáció+elasztikus deformació vagy visszarugózás)) Mozgó átl. 2 sz. (deformáció értéke 200 N terhelésen) Mozgó átl. 2 sz. (deformáció értéke 100 N terhelésen) Mozgó átl. 2 sz. (valós kopás értéke 200 N terhelés mellett) 3.4. ábra. PA 6G k kopása és deformációja 200N terhelés mellett, D felületen Az eltérő terhelési kategóriák összehasonlítása A vizsgálatokban a műanyag és fém felület közötti súrlódásban egyértelműen kimutatható volt az adhézió szerepe. Ugyanakkor világos, hogy az adhézió szerepe csökken a növekvő terheléssel és a növekvő felületi érdességgel. Utóbbi esetben a forgácsolás és az abrázió szerepe válik mind fontosabbá. A vizsgálatok eredményeire és az ismertetett elemzésekre alapozva a 8. táblázatban összegeztem a vizsgált műanyagok tribológiai jellemzőit. Ez az összefoglaló táblázat egyben jól szemlélteti a lényeges különbségeket az egyes műanyagok között: A súrlódás viszonylatában lényegesen kedvezőbb eredményeket kaptunk az 1 órás/200nos teszt kategóriában szemben a 2órás/100N-os mérésekkel, változatlan csúszási sebesség mellett, elsősorban az alacsony felületi érdességű sima felületek esetében. Ez a megfigyelés igazolni látszik azt az általános törvényt, ami szerint a dinamikus súrlódási tényező értéke csökken a növekvő érintkezési nyomással. A PA súrlódása az adhéziós és deformációs tényezők miatt nagyobb, mint a POM-H és a PETP/PTFE súrlódása. A PETP/PTFE és a POM-H hasonlóan kis súrlódási tényezőt mutat. A kérdés csak az, hogy milyen hatása van a PTFE-nek a PETP súrlódására. Nem állapítható meg világosan a PTFE lényeges hatása a súrlódásra. Más vizsgálatokban, amelyeket Block on Ring hasáb-gyűrűn végeztek, (a vizsgálati paraméterek megfeleltek az általam végzett vizsgálatok I. kategóriájának) szintén nem volt kimutatható hatása a PTFE-nek. Ugyanakkor a vizsgálataimmal párhuzamosan más helyszínen más program keretében

18 18 folyó nagyminta vizsgálatok (Large scale test) a PTFE kedvező hatásáról számoltak be PETP-vel történő párosításánál, de itt lényegesen nagyobb terhelés alatt zajlottak a mérések. A PA 6G/olaj sokkal jobb súrlódási eredményeket mutatott a súrlódás kezdeti stádiumában, mint az alapkivitelű PA 6G. Azonban amikor az olaj hatása (részlegesen) megszűnt, a súrlódás közel ugyanakkora értéket ért el, mint amit a PA 6G-nél tapasztaltam (alacsony terhelésnél, sima felületnél volt a legközelebb egymáshoz a két érték). Érdes felületnél az olaj hatása már a súrlódási út korai szakaszában megszűnik (lecsökken). Nagy terhelésnél a kenés hatása sima felületen jobban kifejezésre jut (µ din ~0,3-0,35), mint érdes felületnél. A kopásra ugyanakkor már hatással van az olaj hozzáadás. Alacsony terhelésen sima felület mellett, valamint nagy terhelésen érdes felületnél lényegesen kedvezőbb kopási kopásával rendelkezik a PA 6G/olaj, szemben a PA 6G-vel. Minden mérési kategóriában a magnéziumos katalizálással előállított PA 6G-Mg rendelkezik a legnagyobb súrlódási értékekkel, ugyanakkor alacsony terhelésnél mindkét felületi érdességnél 40-50%-kal jobb kopási ellenállása van az alap PA 6G-hez képest. Azonban ez az előny a növekvő terhelés hatására csökken és nagy terhelésen lényegesen rosszabb a megolvadások miatt, összehasonlítva a PA 6G fajlagos kopásához képest. Az adott vizsgálati paraméterek mellett a POM-H és a PA 6G/olaj nem alakított ki lényeges (értékelhető) műanyag filmet a fém felületén. A PETP/PTFE transzfer filmje vékony és folytonos, olyan vékony, hogy nem volt meghatározható az összetétele, azonban feltételezhető, hogy elsősorban a jó siklási és gyenge mechanikai jellemzőkkel rendelkező PTFE-ből képződött. A szakirodalomból ismert, hogy a PTFE hajlamos filmképzésre POM/PTFE esetében. A legvastagabb és legösszefüggőbb polimer filmet a PA 6G szolgáltatta, amelynek hatására a tranziens pont után erősen lecsökkent a fajlagos kopás. A POM-H előnyösebb kopással és súrlódási tényezővel rendelkezik mint a poliamidok. Ez azért fontos eredmény, mert a gyakorlati tapasztalatok és a szakirodalom szerint a széleskörben alkalmazott polioximetilén-kopolimer (POM-C) lényegesen magasabb súrlódást mutat mint a PA 6G-Mg.[17] Az előbbiek a POM-H és a POM-C súrlódási jellemzői közötti jelentős eltérésekre utalnak. Vizsgálatainkban a POM-H mutatta a legkisebb kopási értéket minden kategóriában, ugyanakkor más abráziós vizsgálatok ugyanezt a műanyagot sokkal előnytelenebb kopási ellenállással jellemzik. Ne feledjük, hogy vizsgálataimban az adhéziónak tulajdonítottam a döntő szerepet az abrázió minimalizálásával, így a POM-H nak a poliamidokhoz képest alacsonyabb súrlódási tényezője új lehetőségeket nyithat a gyakorlati alkalmazások területén PIN ON DISC rendszerben acél és DLN felületen mért súrlódási és kopási eredmények Az eltérő műanyagok tribológiai jellemzőinek összehasonlítására a mérések során meghatározott dinamikus súrlódási tényezők stabilizálódott értkeit oszlopdiagramba rendeztem a mérési paramétereknek megfelelően. A súrlódási tényezők maximális értéke az oszlopok felett látható ponttal van jelölve. Hasonló módon az oszlop magasságokkal ábrázoltam a vizsgálat alatt folyamatosan a tárcsa adott pontjában ( * jelölve 2.3. részben tárgyalva) mért blokk

19 hőmérséklet által elért maximális értéket. Az oszlopok felett látható ponttal a mérés megállítását követően a súrlódási nyomban (felületen) mért hőmérséklet értékeket ábrázoltam. Az 3.5. ábra ábrázolja a 1m/s-10 N terhelésen (I. kategória) vizsgált műszaki műanyagok dinamikus súrlódási jellemzőit, a), c) DLN és b), d) acél felületen mérve. 19 Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői DLN bevonaton eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (1 m/s) 10 N terhelésen Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői acél felületen eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (1 m/s) 10 N terhelésen 5 4 súrlódási tényező súrlódási tényező PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg jellemző súrlódási érték maximum súrlódási érték jellemző súrlódási érték maximum súrlódási érték a) b) 70 Vizsgált műanyagok DLN bevonaton való súrlódásából eredő eltérő helyen mért hőmérsékletek maximális értékei eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (1 m/s), 10 N terhelésen 60 Vizsgált műanyagok DLN bevonaton való súrlódásából eredő eltérő helyen mért hőmérsékletek maximális értékei eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (1 m/s), 10 N terhelésen hőmérséklet; ( C) hőmérséklet; ( C) PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete c) d) 3.5. ábra. Eltérő műanyagok súrlódás vizsgálati eredményei 1m/s csúszási sebességen, 10 N terhelésen, 14 vagy súrlódási sugáron, R z =0,04-0,08 µm felületi érdességnél. (I. kategória) a) DLN bevonaton mért súrlódási tényezők és azok maximális értékei, b) acél felületen mért súrlódási tényezők és azok maximális értékei, c) DLN bevonattal ellátott tárcsában keletkező hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (blokk hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet, d) acél tárcsában keletkező hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (blokk hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet Az 3.6. ábra ábrázolja a 0,5m/s-35 N terhelésen (II. kategória) vizsgált műszaki műanyagok dinamikus súrlódási jellemzőit az előbbiekben tárgyalt módon. 0 PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete

20 20 súrlódási tényező Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői DLN bevonaton eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (0,5 m/s) 35 N terhelésen PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg súrlódási tényező Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői acél bevonaton eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (0,5 m/s) 35 N terhelésen PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg hőmérséklet; ( C) jellemző súrlódási érték maximum súrlódási érték jellemző súrlódási érték a) b) Vizsgált műanyagok DLN bevonaton való súrlódásából eredő eltérő helyen mért hőmérsékletek maximális értékei eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (0,5 m/s), 35 N terhelésen PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete hőmérséklet; ( C) maximum súrlódási érték Vizsgált műanyagok acél bevonaton való súrlódásából eredő eltérő helyen mért hőmérsékletek maximális értékei eltérő súrlódási sugáron azonos sebességnél (0,5 m/s), 35 N terhelésen PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete c) d) 3.6. ábra. Eltérő műanyagok súrlódás vizsgálati eredményei 0.5m/s csúszási sebességen, 35 N terhelésen, 14 vagy súrlódási sugáron, R z =0,04-0,08 µm felületi érdességnél.(ii. kategória) a) DLN bevonaton mért súrlódási tényezők és azok maximális értékei, b) acél felületen mért súrlódási tényezők és azok maximális értékei, c) DLN bevonattal ellátott tárcsában keletkező hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (blokk hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet, d) acél tárcsában keletkező hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (blokk hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet Ha megnézzük a 3.5. ábra és 3.6. ábra oszlopdiagrammokat láthatjuk azt az általános tendenciát, hogy a súrlódási tényező magasabb értékű az I. Kategóriában (1m/s, 10N) mint a II. Kategóriában (0,5m/s, 35N), ez összhangban van korábbi irodalmi adatokkal, ahol megállapitható, hogy a dinamikus súrlódási tényező csökken a növekvő érintkezési nyomással.[11] Az ábrákból világosan látszik, hogy PETP/PTFE, POM-H és PA 6G/olaj súrlódása minden kategóriában alacsonyabb DLN ellenfelületen, mint acél ellenfelületen mérve. Kisebb terhelésen az anyagok súrlódására nem volt lényeges hatása az eltérő súrlódási sugarakanak (hőeloszlásnak), amíg nagyobb terhelésen a nagyobb súrlódási sugáron alacsonyabb súrlódási tényező értékek voltak megfigyelhetőek.

21 Az előbbiekkel ellentétes súrlódási viselkedés figyelhető meg PA 6G és PA 6G-Mg esetében, mivel a súrlódási tényező magasabb értékű DLN felületen mérve. Ugyanakkor a diagrammokból itt is kitűnik, hogy előnyösebb súrlódási tényezővel rendelkezik mindkét műanyag a nagyobb súrlódási sugáron mérve. A súrlódási tényező diagrammjából tett megállapítások nyomon követhetőek a hőmérséklet diagrammokon is. A PETP/PTFE, POM-H, PA 6G/olaj esetében tapasztalt alacsony súrlódás alacsony blokk hőmérsékletet eredményezett. Mivel a termelt súrlódási hő kisebb mértékű volt, a fém tárcsa hővezetésének (geometria, környezet) kisebb hatása volt a súrlódásra, mint poliamidok esetében. Poliamidoknál a nagyobb súrlódási tényező intenzívebb hőtermelést, így magasabb blokk hőmérsékletet jelent. Ez előtérbe helyezi a súrlódási sugárral meghatározott eltérő felületek hőeloszlását, és a tárcsa hőelvezető képességét. 21

22 4. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK, KÖVETKEZTETÉSEK 22 A HENGER-SÍKON rendszer kutatási eredményei az alábbiakra engednek következtetni: Az eltérő műszaki műanyagok súrlódási és kopási jellemzőivel kapcsolatban. 1. A vizsgálatok előkészítése során a felületek kialakításának a módja és a felületi érdesség nagysága lényeges hatással van mind a kopásra mind a súrlódásra. A különböző csúszási felületi érdességekkel párhuzamosan tapasztalt eltérések a súrlódási tényezőkben feltételezik egy optimális felületi érdesség létét, mely alacsonyabb értékű PETP/PTFE és POM-H esetében mint PA-nál. A kopási ráta magasabb nagyobb felületi érdességnél poliamidok esetében. 2. A vizsgált műanyagok súrlódási rangsora, alapvetően függ felületi energiájuk nagyságától. A mérések eredményeként kapott dinamikus súrlódási jellemzőket a poláris felületi energiák függvényében ábrázoltam. Dinamikus súrlódási tényező PETP k olaj apoláris hatása POM-H* PA 6G k Felületi energia poláris komponense (mj/m2) P I. kat. "S" I. kat. "D" II. kat. "S" II. kat. "D I. kat. "S" I. kat. "D" II. kat. "S" II. kat. "D" Az összetartozó pontokat összekötő trend vonalak alapján a következő megállapításokat tehetjük: A súrlódás egyértelműen, minden mérési kategóriában növekszik a poláris felületi energia értékének növekedésével. Azonban az is látható, hogy az adhézió súrlódásra gyakorolt hatása nagymértékben függ a terheléstől és a felületi érdességtől. Ezt jól szemlélteti az egyenesek meredekségének a növekvő terhelés és felületi érdesség hatására megfigyelhető csökkenése. 3. PETP/PTFE és POM-H esetében ahol a szakítószilárdság közel azonos, a kopás ellenállás növekszik a szakadási nyúlás növekedésével. A PA szívósságának (nyúlás) PA 6G

23 kis hatása van a sima felületen mért kopási rátára (függetlenül a terheléstől), ami az adhézió megnövekedett szerepére utal sima felületen. Ugyanez nem mondható el PETP/PTFE és POM-H esetére, mivel ezek nagyobb rugalmassági modulusza csökkenti a filmképző képességet és az adhézióra való hajlamot. A belsőleg adalékolt eltérő kenőanyagok hatásával kapcsolatban 4. A poliamidoknál alkalmazott belső olajkenésnek eltérő a hatása, mint a szilárd PTFEnek, amelyet a PETP esetében alkalmaztunk. Ez a hatás PA 6G/olaj esetében erősen függ a terheléstől (a deformáció miatt) és a felületi érdességtől (nem elégséges a kopás a kenőanyag felszínre jutásához) és meg is szűnhet, ha az olaj diffúziója a műanyagon keresztül akadályoztatva van. Erre mutat példát az ábra ahol eltérő műanyagok dinamikus súrlódási tényezői S felületen 100N terhelésen mérve láthatóak. (minden anyagnál három mérésből kiemelt egy-egy példa) PA 6G-Mg Dinamikus súrlódási tényező PA 6G 0.6 PA 6G k PETP k POM-H 0.1 PA 6G k kenő hatása Csúszási úthossz (m) Az olajjal szemben a PTFE szilárd kenőanyagnak sokkal stabilabb hatása van a súrlódásra, mivel a szilárd részecskék könnyebben a csúszási felszínre jutnak. A szilárd kenőanyag könnyebb felszínre jutásával PTFE film képződik, amely lényegesen csökkenti a súrlódást és a stick-slip-et. A deformáció kopásmérésre gyakorolt hatásáról elmondható: 5. Megállapítható, hogy az adott vizsgálati rendszerben a HENGER-SÍKON érintkezésnél a mért kopási értékek pontossága, nagymértékben függ az adott műanyag deformációjától. Kísérleti vizsgálatokkal sikerült bizonyítani, a feltételezett elméleti kopás/deformációs modellt. Ez megfelelő kiindulásul szolgálhat további jövőbeli kutatásoknak, eltérő geometriáknál. Kis kopási ellenállású anyagok esetében (poliamid) kisebb mértékben függenek a deformációtól, mint a nagyobb kopási

24 ellenállású anyagok (PETP) esetében. Ez azzal magyarázható, hogy kis mértékű kopás esetén, a nagy felületi nyomás miatt a deformáció keveset veszít kezdeti (maximális) értékéből, és így jelentős mértékben részt vesz a teljes kopás mérésben. Kis kopás ellenállású anyagoknál, bár nyugalmi állapotban relatív nagyobb deformációval számolhatunk, de ennek az értéke a növekvő kopási felülettel együtt gyorsabban és kisebb értékre csökken le. A DLN (gyémántszerű karbon bevonat) súrlódásra gyakorolt hatása PIN ON DISC rendszerben. 6. Megállapítható, hogy a Gyémántszerű karbon bevonatok előnyösen alkalmazhatóak rideg műanyagok (PETP/PTFE és POM-H) esetében. Ezeknek a műanyagoknak a súrlódása alacsony marad a keletkezett hő sem ér el akkora mértéket, hogy káros hatással legyen a súrlódás további alakulására, tehát az ellenfelület hőelvezetési jellemzői kisebb szerepet kapnak. Az adott rendszerben a súrlódási jellemzőket elsősorban a felületek adhéziós jellemzői határozzák meg. Megvizsgálva a DLN bevonat felületi energia viszonyait alacsonyabb értéket kapunk szemben az acél felületével, ami kedvezőbb adhéziós viszonyokat eredményez a DLN bevonaton. Ez a kedvezőbb adhéziós tulajdonság teszi lehetővé, hogy a PETP/PTFE és a POM-H kisebb súrlódást érjen el DLN bevonaton mint acél felületen. PA 6G+olaj esetében szintén javasolható súrlódási ellenpárként a DLN felület 7. Poliamidok nem annyira ridegeknek, hanem inkább szívós anyagoknak tekinthetőek. Az erősebb adhéziós tapadás miatt itt már a folyamat elején magasabb értékű súrlódással számolhatunk ami fokozott hőfejlődéssel jár együtt. Ez előtérbe helyezi a súrlódásban részt vevő elemek (esetünkben elsősorban a fém ellenfelületek) hővezetési jellemzőit. A korábbiakban láthattuk, hogy DLN felület hővezetése elmarad az acél mögött, és ez kedvezőtlenül hat a PA 6G és PA6G/Mg súrlódására. A műanyag átvitel és a megolvadások mértéke nagyobb hőmérsékleten tovább növekszik, elősegítve az erős adhézióval járó műanyag/műanyag súrlódópárok kialakulását. 24 A gyakorlat számára a következő javaslatok fogalmazhatóak meg: A vizsgált anyagok közül a PETP/PTFE és a POM-H a legalkalmasabb siklócsapágy anyagnak, mivel ellenállók a nagy felületi nyomással szemben és az ellen fémfelületet sem károsítják a csúszás során. PA 6G-Mg esetében leolvadások voltak megfigyelhetőek a nagy terhelés alatt érdes felületen végzett méréseknél, ami a műanyag túlterhelésére utal. A natúr PA 6G szintén mutatott leolvadásokat, de kisebb mértékben, mint amit a PA 6G-Mg-nál tapasztaltam. Ugyanakkor a PA 6G/olaj esetében nem tapasztaltam leolvadást. A kenő hatás megszűnése PA6G/olaj esetében szintén az anyagra értelmezhető túlterhelést jelenti, mivel megszünteti az olaj kenési mechanizmusát. Ugyanakkor a szilárd kenőanyag (vizsgálataimban PTFE) folyamatosan kifejti kedvező hatását, nagy terhelésen is.

25 A DLN bevonatok már meglévő kedvező tulajdonságai (nagy keménység, jól irányítható felületi érdesség, alacsony felületi energia) még jobban kihasználhatóvá válnak, ha megfelelő hőjellemzőkkel (jó hővezetés) is sikerül felruháznunk. Megoldásként a felület hűtése, és/vagy további összetevők hozzáadása jöhet számításba. A téma által felvetett további kutatási terület: A tribológiai vizsgálatok egyik alapterülete a kopásmérés. Vizsgálataimban felvetettem a nem illeszkedő (counterformal) illeszkedésnél végzett kopás mérés problémáit, amik a műanyag deformációjára vezethetőek vissza. Jövőbeli feladatként általános megoldási eljárás kidolgozása javasolt, amely lehetővé teszi a mért kopás értékek pontosítását, az anyagtól és a kopásmélységtől függően. 25

26 26 5. ÖSSZEFOGLALÁS Egyre újabb és újabb példákat láthatunk fém alkatrészek műanyaggal történő kiváltására (fogaskerekek, siklócsapágyak, rudazatok ), amelyek között a tribológiai célú alkalmazások is megtalálhatóak. További alkalmazásként felmerül a műanyagok korszerű bevonatokkal ellátott gépelemekkel történő párosítása. Ilyen bevonatok például a gyémántszerű karbon bevonatok (DLC) amelyek kémiai ellenállóképességük mellett sok tekintetben kedvezőbb mechanikai (pld. keménység) és adhéziós (felületi energia) bírnak mint az acélok. Azonban a DLC, -lévén új fejlesztés- műanyagokkal való párosításáról még kevés tribológiai adat áll rendelkezésünkre. Tekintettel arra, hogy a csúszósúrlódásos érintkezés során kialakuló, súrlódási kopási, érintkezési, hő és alakváltozási viszonyok jelentősen befolyásolják a szerkezeti elemek megbízható alkalmazását, különösen fontos a fenti viszonyok mind pontosabb tribológiai vizsgálata. Különböző Műszaki Műanyagok (poliamid 6, polietilén tereftalát, polioximetilén) és ezek töltött változatainak csúszósúrlódására jellemző súrlódási kopási mechanizmusok tanulmányozására HENGER-SÍKON, és RÚD-TÁRCSÁN kísérleti kisminta vizsgáló berendezést alkalmaztam. A súrlódási mechanizmusok vizsgálata során eltérő mozgásviszonyokat, sebesség és terhelés értékeket vettem alapul száraz műanyag-acél és műanyag-dln bevonat súrlódópárok alkalmazásával. A kis lökethosszú alternáló csúszósúrlódás, és a kedvezőtlen henger-sík érintkezés nagy terhelést tett lehetővé kisméretű próbatesteken is. A nagy terhelés előtérbe helyezte a műanyagok súrlódásának deformációs összetevőit, és ezek súrlódásra, kopásra valamint a súrlódópárok anyagátvitelére gyakorolt hatását. A RÚD-TÁRCSÁN kisminta vizsgálatok során folyamatos csúszósúrlódás mellett összehasonlítottam a DLN bevonatok, és acél felület műanyagok súrlódására gyakorolt hatását. A kedvező sík-síkon érintkezési geometria a kis terhelések és az alacsony felületi érdesség, a műanyagok adhéziós hajlamát helyezte előtérbe. Ennek megfelelően meghatározásra kerültek a vizsgált anyagok felületi energia viszonyai, amiket szembeállítottam súrlódási kopási jellemzőikkel. További vizsgálatokkal rámutattam a DLN bevonat hővezetésre gyakorolt hatására, ami nagy befolyással volt egyes műanyag típusok súrlódására. Eredményként, rangsoroltam a vizsgált műanyagokat súrlódási és kopási jellemzőik alapján. Értékeltem a mechanikai és a felületi energia jellemzők és az eltérő belsőleg adalékolt kenőanyagok súrlódásra és kopásra gyakorolt hatását. A felületek vizsgálatával bemutattam a súrlódás során lerakódott (transfer) rétegeket és nagyságukat. Rámutattam a DLN bevonat műanyagok súrlódásával szembeni sajátosságaira, összehasonlítottam azt az acél felülettel. A Műszaki Műanyagokon végzett kísérleti kisminta vizsgálatok eredményei alapján, új információkat szereztünk mind a nagy terhelésen és kedvezőtlen érintkezési geometria mellett, mind a gyémántszerű karbon bevonatokon nyújtott tribológiai viselkedésükről. Az eredmények azon túl, hogy bővítik a műanyagokról eddig feltárt tribológiai ismereteket, új alkalmazási lehetőségek felé is utat nyitnak.