Szent István Egyetem MŰSZAKI MŰANYAG/ACÉL CSÚSZÓPÁROK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA - polimer/acél fogfelületek súrlódása - Doktori (Ph.D.) értekezés Keresztes Róbert Zsolt Gödöllő 2009. - 1 -
A doktori iskola megnevezése: tudományága: vezetője: Műszaki Tudományi Doktori Iskola Agrár Műszaki Tudomány Dr. Farkas István, DSc egyetemi tanár, az MTA doktora Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar Környezetipari Rendszerek Intézet Gödöllő Témavezető: Dr. habil. Kalácska Gábor, CSc egyetemi tanár, kandidátus Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar Gépipari Technológiai Intézet Gödöllő Az iskolavezető jóváhagyása. A témavezető jóváhagyása - 2 -
Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK...- 5-1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK...- 7-1.1. A kutatómunka céljai...- 9-2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS...- 11-2.1. Műszaki polimerek...- 11-2.1.1. Polimerek előállítása, csoportosítása...- 11-2.1.2. Főbb műszaki polimerek...- 13-2.1.3. Polimerekre jellemző anyagtulajdonságok...- 16-2.2. Polimerek gépészeti alkalmazása...- 18-2.2.1. Polimer gépelemek...- 18-2.2.2. Polimerek a mezőgépészetben...- 20-2.2.3. Polimer fogaskerekek sajátosságai...- 22-2.3. Tribológia alapjai...- 27-2.3.1. Súrlódás...- 29-2.3.2. Kopás...- 36-2.3.3. Tribológiai modellvizsgálatok...- 41-2.3.3.1. Kisméretű próbatest vizsgálatok...- 44-2.3.3.2. Nagyméretű próbatest vizsgálat...- 46-2.3.3.3. Fogaskerék vizsgálatok...- 47-2.4. A szakirodalom kritikai összefoglalása...- 56-3. KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK...- 59-3.1. A modellvizsgálatok helyszíne...- 59-3.2. Kisméretű próbatestekkel végzett modellvizsgálatok...- 59-3.2.1. Berendezés...- 59-3.2.2. Vizsgálati paraméterek...- 62-3.2.3. Kisméretű próbatestek anyaga, kialakításuk...- 63-3.2.4. Súrlódási erő és a súrlódási tényező meghatározása...- 64-3.3. Nagyméretű próbatestekkel végzett modellvizsgálatok...- 70-3.3.1. Berendezés...- 70-3.3.2. Vizsgálati paraméterek...- 71-3.3.3. Nagyméretű próbatestek anyaga, kialakításuk...- 71-3.3.4. Súrlódási erő és a súrlódási tényező meghatározása...- 72-3.4. Fogaskerék fogkapcsolódás modellvizsgálatok...- 75-3.4.1. Berendezés...- 75-3.4.2. Vizsgálati paraméterek...- 76-3.4.3. A fogkapcsolódásnál fellépő Hertz feszültség meghatározása...- 77-3.4.4. Fogkapcsolódás próbatestek anyaga, kialakítása...- 79 - - 3 -
Tartalomjegyzék 3.4.5. Fogsúrlódási erő és a fogsúrlódási tényező meghatározása...- 82-3.5. A kopás és a súrlódási hő mérése az eltérő rendszerekben...- 88-4. VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE...- 91-4.1. Kisméretű próbatest vizsgálatok eredményei és értelmezésük...- 91-4.1.1. Statikus rúd-tárcsa vizsgálatok eredményei...- 91-4.1.2. Dinamikus rúd-sík vizsgálatok eredményei...- 94-4.1.3. Kisméretű próbatest vizsgálatok eredményeinek összegzése...- 96-4.2. Nagyméretű próbatest vizsgálatok eredményei...- 98-4.3. Fogkapcsolódás modell vizsgálatok eredményei...- 102-4.3.1. Súrlódási eredmények (1,1 Nm terhelés, 0,1 1/s szögsebesség) és értékelésük...- 102-4.3.2. Súrlódási eredmények (5,5 Nm terhelés, 0,1 1/s szögsebesség) és értékelésük...- 111-4.4. Eltérő vizsgálati rendszerek eredményeinek összehasonlítása...- 120-5. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK...- 121-6. ÖSSZEFOGLALÁS, TOVÁBBI FELADATOK, GYAKORLATI HASZNOSÍTÁS, LEHETŐSÉGEK...- 125 - SUMMARY...- 127 - IRODALOMJEGYZÉK...- 129 - ÁBRAJEGYZÉK...- 133 - TÁBLÁZATJEGYZÉK...- 135 - KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS...- 136 - MELLÉKLETEK JEGYZÉKE...- 137 - MELLÉKLETEK...- 138 - - 4 -
Alkalmazott jelölések ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK Jelölés Megnevezés Mértékegység a tengelytávolság [mm] A 5 szakadási nyúlás [%] A t tényleges érintkezési felület [mm 2 ] b fogszélesség [mm] d osztókör átmérő [mm] d a fejkör átmérő [mm] d b alapkör átmérő [mm] d f lábkör átmérő [mm] E 1,E 2 rugalmassági modulusz [MPa] F n normál erő [N] F s súrlódási erő [N] F s max maximális súrlódási erő [N] F sd átlagos súrlódási erő lefelé mozgásnál [N] F sd átlagos súrlódási erő felfelé mozgásnál [N] F ss lefelé mozgásnál ébredő statikus súrlódási erő [N] F ss felfelé mozgásnál ébredő statikus súrlódási erő [N] h fogmagasság [mm] H keménység [N/mm 2 ] h a fog fejmagasság [mm] h f fog lábmagasság [mm] i áttétel k kopástényező L s súrlódási úthossz [m] m modul p fogosztás [mm] Pe Peclet szám R 1,R 2 sugár [mm] R a átlagos felületi érdesség [μm] R m szakítószilárdság [N/mm 2 ] v sebesség [m/s] v k kerületi sebesség [m/s] z fogszám α kapcsolószög [ ] profil kapcsolószám μ súrlódási tényező μ dátl átlagos súrlódási tényező főpont előtti átlagos súrlódási tényező μ fe-átl - 5 -
Alkalmazott jelölések μ fe-max főpont előtt ébredő lokális, maximális súrlódási tényező μ fu-átl főpont utáni átlagos súrlódási tényező μ fu-max főpont után ébredő, lokális maximális súrlódási tényező μ s nyugalmi súrlódási tényező μ tmax maximális súrlódási tényező ν 1, ν 2 Poisson tényező ρ súrlódási félkúpszög [ ] ρ 1, ρ 2 evolvens görbületi sugár [mm] τ nyírási feszültség [MPa] ω szögsebesség [1/s] A dolgozatban használt anyagjelölések: PA 66 GF30 extrudált poliamid 66, 30 m/m % üvegszál erősítéssel PA 6G Mg öntött poliamid 6, magnéziumos katalizálású PA 6G Na öntött poliamid 6, nátrium katalizálású PA 6G o öntött poliamid 6, olaj adalékolás PA poliamid PC polikarbonát PE polietilén PEEK poli(éter-éterketon) PETP /PTFE poli(etilén-tereftalát) teflon adalékolással POM poli(oxi-metilén) POM C poli(oxi-metilén) kopolimer PP polipropilén PTFE poli(tetrafluor-etilén) PUR poliuretán PVC poli(vinil-klorid) UHMW PE ultra nagy molekulatömegű polietilén - 6 -
Bevezetés, célkitűzések 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A gépészetben széles körben alkalmazott berendezések üzemeltetése során számos műszaki probléma jelentkezhet. A meghibásodások jelentős részét az egymással érintkező felületek súrlódása és ennek következtében fellépő kopása okozza. Ezek csökkentése érdekében egyre gyakrabban alkalmaznak különböző műszaki polimerekből készült gépelemeket. A fém felülettel érintkező polimerek kedvező súrlódási és kopási tulajdonságai széleskörű alkalmazást tesznek lehetővé, melyet a kisebb szilárdságuk és kedvezőtlen hővezetésük korlátozhat. A fém alkatrészek helyettesítése műszaki műanyaggal egyre gyakoribb a siklócsapágyak, tömítések, görgők és fogazott gépelemek (fogaskerekek) esetében. Az így létrehozott polimer-acél tribológiai rendszerek a felületek között ébredő fémes adhézió elkerülésének egyik lehetőségét jelentik. A műanyagok további előnye a fémekkel szemben, hogy külső kenés nélkül is működhetnek, zajszintjük alacsonyabb, kiváló a rezgéscsillapításuk, kicsi a tömegük. A hajtástechnikában alkalmazott siklócsapágyak, fogaskerekek méretei, anyaga, kialakítása függ a hajtásrendszer jellemzőitől (teljesítmény, sebesség, hőmérséklet, esetleg élelmiszerhigiénia). Mindezek elősegíthetik a műanyag alkatrészek felhasználását. Az egymással kapcsolódó és elmozduló felületek tribológiai viselkedése rendkívül összetett folyamatok eredménye, melyet számos tényező befolyásolhat. Ahhoz, hogy a polimerek az alkalmazott rendszerekben előnyös tribológiai tulajdonságokkal rendelkezzenek, megfelelő anyagkiválasztást, méretezést és működési feltételeket kell biztosítani. A fogaskerekek esetében a kapcsolódás jellegzetes vonása a csúszó és a gördülő súrlódás különleges kombinációja az érintkező fogak között. Az itt fellépő tribológiai folyamatok törvényszerűségeinek ismerete elengedhetetlen, mivel az egymáson csúszó és gördülő elemek érintkező felületein keletkező súrlódás és kopás, valamint azok irányítása, kenése döntő mértékben meghatározzák a fogaskerék kapcsolatok működését és a hajtás energetikai viszonyait. A fogazatok geometriai méreteinek meghatározására, a szilárdsági és tapasztalati összefüggések a szakirodalomban rendelkezésre állnak, de a már említett fogkapcsolódás során lejátszódó tribológiai folyamatok és hatások pontos feltérképezése és összehasonlítása a műszaki műanyagok esetében még nem megoldott, kevés az irodalmi adat, vagy anyagkiválasztási segédlet. A kenőolajok értékelésére általában fogaskerék próbapadokat használnak. A legtöbb ilyen készülék hengeres fogaskerekeket tartalmaz, így ezekkel a készülékekkel a polimer fogaskerekek kopásvizsgálata megvalósítható. A polimerek tribológiai tulajdonságainak meghatározására számos szabványosított eljárás áll a rendelkezésünkre. Ezek a vizsgálati eljárások a legegyszerűbb laboratóriumi modell vizsgálatoktól egészen az üzemi vizsgálatokig terjednek. A kenés nélküli normál környezeti feltételek mellett végzett egyszerű próbatest vizsgálatok kisebb költségekkel járnak, pontosan elkészíthetők a próbatestek és a vizsgálat gyorsan felhasználható eredményeket ad. Ezek az - 7 -
Bevezetés, célkitűzések eredmények általában összehasonlító anyagvizsgálatokhoz használhatók. Ilyen lehet a laboratóriumi kisméretű próbatest vizsgálat (small scale test), ahol kis méretű, egyszerű geometriai alaptestekkel (henger, hasáb) végezzük el a kísérleteket. Ha az üzemelés során nagy igénybevételek is felléphetnek, akkor ezek vizsgálatához a nagyméretű próbatest vizsgálat (large scale test) ajánlott. A próbatestek itt is egyszerű geometriai alakzatok, de az anyagok teherbírás vizsgálatai is elvégezhetők. A valós rendszerre vonatkozólag pontosabb eredmények érhetők el az elem vagy alkatrészvizsgálatokkal, ahol a modell a működési folyamatokat próbálja követni. - 8 -
Bevezetés, célkitűzések 1.1. A kutatómunka céljai Munkám célja az acéllal párosított műszaki polimerek súrlódási és kopási tulajdonságainak vizsgálata egyszerű alakú próbatesteken, valamint fogaskerekeken. Továbbá a feladatok közé tartozik a polimer fogaskerekek fogkapcsolódásánál fellépő erők és súrlódási folyamatok vizsgálata. Fontos célkitűzésem, hogy a gyakorlat számára olyan használható információkat szerezzek, melyek a polimerek alkalmazását és használhatóságát segítik. A kutatómunkám megvalósításának fő fejezetei: a, A vizsgálatokhoz kiválasztott műszaki polimerekből készített egyszerű henger alakú próbatestek, súrlódási és kopási tulajdonságainak vizsgálata szabványos rendszerekben, fém ellenfelületen. A vizsgálatok alapján az anyagok rangsorolása a mechanikai jellemzők és a mért súrlódási és kopási jellemzők alapján. b, A hagyományos vizsgálati eljárás kiegészítése dinamikus terhelésű mérésekkel. A különböző polimerek ezen hatások alatti súrlódási és kopási folyamatainak leírása, valamint a hagyományos és a dinamikus eljárással vizsgált tribológiai tulajdonságok közötti összefüggések meghatározása. c, A polimerek túlterheléssel szembeni viselkedésének elemzése nagyméretű próbatesteken végzett vizsgálatokkal. A kis és a nagyméretű vizsgálatok eredményei közötti összefüggések meghatározása. d, A polimer/acél fogaskerekek kapcsolódása folyamán fellépő terhelő és súrlódási erők vizsgálata, valamint a kapcsolóvonal mentén változó súrlódási tényező meghatározása. A mérésekhez fogkapcsolódási modellvizsgáló berendezés tervezése és megépítése. A kapott eredmények alapján összefüggések keresése a kis és nagyméretű vizsgálatokkal. e, A kutatási programban szereplő polimer/acél anyagpárok üzemeltetési paraméterei határértékének meghatározása, segítségnyújtás az optimális anyagpárosítás kiválasztásához. - 9 -
Bevezetés, célkitűzések - 10 -
Szakirodalmi áttekintés 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS 2.1. Műszaki polimerek Sokféle megfogalmazásuk létezik, közülük a leggyakoribb: a műszaki polimerek azok a műanyagok, amelyek széles hőmérséklet tartományban kitűnő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Fontosabb mechanikai tulajdonságok: statikus szakító és nyomószilárdság, kifáradási szilárdság, kúszásállóság, ütésállóság, kopásállóság. Sok konstrukcióban szerkezeti anyagként használhatók, gyakran előnyösebbek a fémeknél. A kiváló mechanikai jellemzőkön kívül jó a kémiai ellenálló képességük, és jó elektromos szigetelők. A műszaki műanyagok mechanikai és szilárdsági tulajdonságai jelentősen javíthatók különféle anyagok társításával. A felhasználási területektől függ az erősítő anyagok mennyisége és jellemzői. Az erősítő anyag különböző formában jelenhet meg, szálait, részecskéit gyártáskor belekeverik az alapanyagba, kedvezően megváltoztatva annak tulajdonságait. Az erősítő anyagok igen sokfélék lehetnek: szén, üveg, fém és kerámiaszálak, alumínium oxid, szilíciumkarbid, fém, üveg, és bórkarbid porok. [Kalácska et al., 1997] 2.1.1. Polimerek előállítása, csoportosítása A kőolaj és a földgáz a műanyaggyártás legfontosabb alapanyagai. A kőolajat finomítása során desztillációval alkotórészeire választják szét. A létrehozott monomerek vegyi úton egymáshoz kapcsolhatók. A vegyi folyamat végén keletkező, hosszú molekulaláncú anyagokat nevezzük polimereknek. A kis molekulatömegű monomerek akkor képesek egymáshoz kapcsolódni, ha rendelkeznek kettős kötésekkel vagy más aktív csoporttal. A monomereknek legalább két funkcionális aktív részre van szükségük ahhoz, hogy makromolekulákat alkothassanak. A monomerek közötti reakció eredményeként egyenes, hosszú láncú, hőre lágyuló polimerek, lazán térhálósodott elasztomerek, vagy háromdimenziós molekula szerkezetű hőre nem lágyuló műanyagok keletkeznek. Az előállítás történhet polimerizációval, amely általában katalizátor jelenlétében lejátszódó kémiai reakció. A kettős kötéssel rendelkező, azonos vagy különböző monomerek kapcsolódnak össze hosszú makromolekulákká. A folyamatnak nincs mellékterméke. Hő hatására a kettős kötések felnyílnak, két szabad vegyértéket hozva létre, amelyek a szomszéd monomerrel kapcsolódnak és láncot hoznak létre. Polimerizációval készül a polietilén, a polivinilklorid, a polipropilén, a polisztirol. - 11 -
Szakirodalmi áttekintés Polikondenzációs folyamat esetén azonos vagy különböző monomerek lépnek reakcióba, miközben kis molekulatömegű melléktermékek: pl. víz, alkohol, sósav, keletkeznek. A kémiai reakciót a folyamatban résztvevő anyagok mennyisége irányítja. Ha a mellékterméket nem vezetik el, a reakció megáll. Így állítják elő a poliésztereket, a poliamidokat. A poliaddíció azonos vagy különböző monomerek kémiai reakciója, amelyben melléktermék nem keletkezik. A kialakult molekulák sajátossága, hogy nincs szénből álló gerincük, a kötést más atomok (O, N, S, Si) hozzák létre. Poliaddícióval készül a poliuretán [Kalácska et al., 1997; Bhushan, 2000]. A polimerek csoportosítása többféle módon lehetséges. Az előzőekben említettem az előállítás szerinti osztályozást. Egy másik csoportosítás a hővel szembeni viselkedés alapján különíti el a polimereket. Így megkülönböztethetünk hőre lágyuló és hőre nem lágyuló polimereket. A műszaki alkalmazások számára talán a legáttekinthetőbb osztályozást a polimer anyagpiramis mutatja (1. ábra), amely az általános felhasználási területeket is figyelembe veszi. D kategória Nagyteljesítményű műszaki polimerek I. PI PBI PEEK PAI PPS C kategória Nagyteljesítményű műszaki polimerek II. PSU PES PPSU PEI PVDF PPE B kategória Általános műszaki polimerek PA POM PC PET PE UHMW-PE ABS PTFE A kategória Tömeggyártású és felhasználású műanyagok hőre lágyuló: hőre nem lágyuló: PVC epoxi gyanták PP fenol gyanták PMMA egyéb műgyanták PS 1. ábra Polimer anyagpiramis [Kalácska, 2005] - 12 -
2.1.2. Főbb műszaki polimerek Szakirodalmi áttekintés Poliamidok (PA) A poliamidok, amid (CONH) csoportból és a hozzá kapcsolódó metilén (CH 2 ) csoport sorozatából állnak. Többféle poliamid létezik, amelyek abban különböznek egymástól, hogy hány szénatom van az alapszerkezetben a nitrogénatomok között. Általános tulajdonságait az alábbi tényezők határozzák meg: a metilén és amid csoport aránya és helyzete a molekula alapszerkezetben, a kristályosodási fok, és a kristály alak. Gépészeti szempontból jól használható anyagcsoport a poliamid, amely kedvező mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik: - nagy mechanikai szilárdság, merevség, keménység és szívósság - nagy kifáradási szilárdság - jó mechanikai csillapító képesség - jó csúszási, siklási tulajdonságok - nagy kopásállóság Fő alkalmazási területeik: csapágyperselyek, támcsapágyak, vezetékek és kopólécek, görgők, kötélcsigák, fogaskerekek, fogaslécek, lánckerekek. [Kalácska et al., 1997] A legfontosabb poliamidok a következők: - Poliamid 6: 1938 körül Németországban kaprolaktámból fejlesztették ki. PA 6 általános tulajdonságai: jó mechanikai szilárdság; kiváló kopásállóság, jó siklási tulajdonságok; az általánosan használt műszaki műanyagok között jó hőállóság; jó vegyszerállóság; nagy vízfelvétel (3-4%) és ennek következtében gyenge méretstabilitás. - Poliamid 66: 1935 körül dolgozták ki az USA-ban, az adipinsav és a hexametilén-diamin felhasználásával. PA66 tulajdonságai hasonlítanak a PA6-éhoz. Hőállósága jobb, olvadáspontja magasabb. Húzószilárdsága, merevsége, méretstabilitása nagyobb. Vízfelvétele valamivel kisebb. - Poliamid 11: Franciaországban fejlesztették ki az amino-undekánsav felhasználásával. PA 11 általános tulajdonságai: olvadáspontja 35-40 Ckal alacsonyabb, mint a PA 6-é, vízfelvétele sokkal kisebb mértékű, jó ütésállóságát -40 C-ig megőrzi. - Poliamid 12: Németországban dolgozták ki, a laurillaktám alapon. A mechanikai jellemzői gyengébbek, mint a PA 6 anyagé, de kisebb vízfelvétellel rendelkezik. [Füzes et al., 1989] - Poliamid 4.6: A poliamid 6 anyaghoz képest jobb a hőterhelhetősége, hőállósága. A poliamidok a környezetből nedvességet vesznek fel. A nedvességet az amorf részek veszik fel vagy adják le. Ez megfordítható, teljesen hiszterézismentes folyamat. A felvett nedvesség az anyag tulajdonságaira kétféle módon hat. Egyrészt lágyít, ami a keménység, a szakítószilárdság és a rugalmassági modulus - 13 -
Szakirodalmi áttekintés csökkenésében, másrészt és a szakadási nyúlás és szívósság növekedésében nyilvánul meg. Továbbá növekszik a térfogat is. [Kalácska et al., 1997; Kozma, 1995]. Poliacetálok (POM) A jelenleg kapható poliacetálok formaldehid polimerizációjával készülnek, poliformaldehidek. A poliformaldehid lánc váltakozva oxigén és metilén csoportokból áll. Kétféle poliacetál létezik: a homopolimer és a kopolimer. A homopolimer gyártása kizárólag a formaldehid polimerizációján alapul. Az acetál kopolimer jobban ellenáll a magas hőmérsékletnek, az oxidációnak, valamint erős lúgoknak és a hidrolízisnek, mint a homopolimer változat. A homopolimernek viszont magasabb a kristályosodási foka, így nagyobb a mechanikai szilárdsága, merevsége, keménysége, kúszásállósága, kisebb a hőtágulása és gyakran jobb a kopásállósága. A POM fontosabb tulajdonságai: - nagy szilárdság, merevség és keménység - jó folyási tulajdonság - jó fajlagos ütőmunka alacsony hőmérsékleten is - nagyon jó méretstabilitás - kiváló forgácsolhatóság - jó csúszási tulajdonság - fiziológiailag semleges A leggyakoribb alkalmazási területek: kismodulú fogaskerekek, vezérlőbütykök, futómacskák erősen terhelt csúszó elemei, szelepülékek, különféle mérettartó precíziós alkatrészek a gép- és készülékgyártásban. [DeBruyne, 1995] Polietilén-tereftalát (PETP) Ez a polimer hőre lágyuló telített poliészter, amit tereftálsav és etilénglikol polikondenzációjával hoznak létre. Az anyag kedvező tulajdonságai miatt a műszeripar és az általános gépipar fontos szerkezeti anyaga. Fő jellemzői: - nagy mechanikai szilárdság - jó folyási ellenállás - alacsony és állandó csúszó súrlódási tényező - nagy kopásállóság, nagyfokú mérettartás - fiziológiailag semleges - elhanyagolhatóan kis vízfelvétel Alkalmazási terület: nagyterhelésű csúszóelemek, csapágyperselyek, támcsapágyak, vezetőelemek, finommechanikai mérettartó alkatrészek, fogaskerekek, görgők. [DeBruyne, 1995] Ultranagy molekulatömegű polietilén (UHMW PE) Az etilén polimerizációjakor, az alkalmazott eljárástól függően, egyenes láncú (kis nyomású eljárás) vagy többé-kevésbé elágazó láncú (nagy nyomású eljárás) polimer keletkezik. A nagy nyomású eljárással készített kis sűrűségű - 14 -
Szakirodalmi áttekintés polietilén anyag kristályosodási foka 40-55%, sűrűsége 0,915-0,93 kg/dm 3. Főleg csomagoló anyagokat és háztartási eszközöket készítenek belőlük. A kis nyomású eljárással készült polietilén nagy sűrűségű polietilén kristályosodási foka 60-80%, sűrűsége 0,94-0,965 kg/dm 3. A polietilének tulajdonságait nagy mértékben meghatározza sűrűségük, molekula tömegük, és a molekula eloszlás. A molekulatömeg növelésével javul az ütésszilárdság, a szakítószilárdság, a szívósság, a kopásállóság, és a repedés képződéssel szembeni ellenállás. Tulajdonságaik a kis sűrűségű polietilénekhez (LD PE) képest: - sűrűségük, szilárdságuk, merevségük, mérettartósságuk kisebb - csillapító képességük jobb, nincs nedvességfelvételük - siklási tulajdonságaik kiválóak, alacsony a súrlódási tényezőjük - nagyobb abráziós kopásállóságuk, fiziológiailag semlegesek [DeBruyne, 1995]. 1. táblázat Tipikus polimer alkalmazási területek [forrás: Juninall Marshek, 2000] Hőre nem Hőre lágyuló lágyuló Felhasználási terület Szerkezeti, gépészeti elemek kerék, bütyök, dugattyú, görgő szelep, lapátkerék, ventillátor, forgó rész, keverőlapát Kis terhelésű és díszítő elemek gomb, fogantyú, kamera táska csőszerelvény, akkutartó, autó kormány, burlolat, szemüvegkeret, kézi szerszám Kis házak és üreges formák telefon és kézilámpa foglalat, védőfelszerelés, védősisak, pumpa, apró alkatrész Nagy házak és üreges formák hajótörzs, nagy burkolatok tartály, edény, cső, hűtőbetét Optikai és áttetsző részek biztonsági üveg, lencse, vandálbiztos üveg, hójáró szélvédő, jelzőberendezés, hűtőpolc Kopásnak kitett alkalrészek fogaskerék, gyűrű, csapágy, csúszópálya, csúszóvezeték, csúszótalp, gördülőkerék, kopólemez Polimerek Poliacetál Celluloidok Poliamid Policarbonát Poliészter Polietilén Poliimid Polipropilén Polisztirol X X X X X X X - 15 - X X X X X hab hab X X UHMW X X X hab Poliuretán Polivinil-klorid X Polifenol X X X hab X X Polieszter X +üvegszál Poliuretán hab X
Szakirodalmi áttekintés 2. táblázat A vizsgált polimerek néhány anyagtulajdonsága [forrás: www.quattroplast.hu] Tulajdonságok PA 6G PA 6G H PA 66 GF30 POM C PETP /PTFE HD PE Textilbakelit Folyási feszültség [N/mm 2 ] 80 85 185 70 75 19 80 Rugalmassági modulus [N/mm 2 ] 3300 3300 10000 3000 2800 750 7000 Shore D keménység 83 83 85 83 82 62 - Olvadáspont [ C] 220 220 260 170 255 135 - Hővezetési képesség [W/mK] 0.23 0.23 0.24 0.31 0.28 0.42 0.2 Lineáris hőtágulási együttható [m/mk]x10-6 80 80 20 110 60 200 20-40 Maximális rövid idejű alkalmaz- 170 170 200 140 180 120 hatósági tartós 110 hőmérséklet [ C] használat 110 110 130 100 115 80 2.1.3. Polimerekre jellemző anyagtulajdonságok A méréseimhez kiválasztott polimerek fontosabb anyagjellemzőit a 2. táblázat tartalmazza. A fémek rugalmas-képlékeny viselkedésűek, azaz a terhelést növelve először csak rugalmas alakváltozás lép fel, majd a folyáshatárt túllépve jelenik meg a maradó jellegű képlékeny alakváltozás. Ezzel szemben a nagy molekulájú polimerek viszkoelasztikus viselkedést mutatnak, melyre jellemző, hogy alakváltozásuk három komponensre bontható. Ezek a pillanatnyi és késleltetett rugalmas, valamint a viszkózus jellegű maradó alakváltozások. Terhelés fellépése esetén a három komponens egyidejűleg jelentkezik, legfeljebb arányuk változik a terhelés függvényében. A késleltetett rugalmas és a maradó deformáció komponensek időfüggése miatt a polimerek feszültség-deformáció kapcsolata függ a terhelés időtartamától. Ez azt jelenti, hogy állandó terhelés mellett is időben változhat a feszültség és a deformáció mértéke. Az időt ebben az esetben hetekben, hónapokban, években mérik [Bodor Vas, 2001; Pék, 2000; Németh - Marosfalvi, 2000]. Általános követelmény a gépalkatrészekkel szemben, hogy az időnként fellépő túlterhelés ne okozzon maradó alakváltozást vagy törést. A polimerek időfüggő mechanikai viselkedése elsősorban a kúszással és a feszültségrelaxációval jellemezhető. A kúszás vizsgálatánál ugrásszerű feszültséggerjesztést alkalmazunk, és válaszként a kapott deformációt értékeljük. E vizsgálatok alatt lejátszódó terhelési és alakváltozási folyamatok jobban megközelítik a gyakorlatban végbemenő valóságos folyamatokat, mint a rövid idejű feszültség-alakváltozási vizsgálatoknál, ezért a mért eredmények reálisabb képet adnak az anyag szilárdságáról és - 16 -
Szakirodalmi áttekintés ridegségéről. A polimer próbatestet statikusan terhelve először gyorsan deformálódik a rövid idejű feszültség-alakváltozási görbe rugalmassági modulusának megfelelően, majd az alakváltozás lelassul és sokkal kisebb, valamint változó sebességgel halad tovább. Ha a terhelés elég nagy, az alakváltozás folyamatosan nő egészen a repedés megjelenéséig vagy a törésig. Ezt a jelenséget kúszásnak nevezik. A feszültségrelaxáció az a folyamat, amelyben egy adott hőmérsékleten a deformált elemben az idő folyamán csökken a feszültség. A folyamat másik megnevezése a relaxáció [Kalácska et al. 1997]. A feszültségrelaxáció vizsgálatánál ugrásszerű nyúlásgerjesztést alkalmazunk, és a válaszként kapott feszültséget értékeljük. Meg kell jegyezni, hogy az alakváltozóképességnek a (polimer) tribológiában jelentős szerepe van, a kopási eredményeket erősen befolyásolja [Eleőd et al. 2003]. Az érintkezési zóna rövid- és hosszú idejű deformációja a mérési eredményeket és az értékelés menetét befolyásolja. Az egymással érintkező testek egy vagy több ponton érintkezhetnek egymáson. Az ideális geometriai alakzatok (sík, gömb, pont, egyenes) érintkezése során keletkező feszültségeket és az alakváltozásokat a Hertz elmélet írja le [Dowson, 1998]. Az ideálistól eltérő esetekben a Kragelszkij [1987] elmélet ad helyes megoldást. Az érintkezési pontokban, illetve azok környezetében az érintkező testek rugalmasan vagy maradandóan deformálódnak, tehát az érintkezés véges felületen jön létre. Mivel az érintkezési felületek a vizsgált test méreteihez viszonyítva kicsinyek, emiatt az érintkezés helyén és annak környezetében nagy feszültségek keletkeznek. Pontszerű érintkezés alakul ki gömb és sík, vonal menti érintkezés hengerpalást és sík valamint henger és henger között. Ez vizsgálatoknál azt jelenti, hogy a próbatestek gömbszerűek vagy henger alakúak, a koptató felület pedig sík vagy henger. - 17 -
Szakirodalmi áttekintés 2.2. Polimerek gépészeti alkalmazása A műszaki gyakorlatban rendkívül sok helyen alkalmazunk polimer gépelemeket. Felhasználásuk rohamosan nő, sokkal gyorsabban, mint a hagyományos szerkezeti anyagoké, gyakorlatilag a műszaki élet minden területén használják őket. A szerkezeti anyagokon túl nagy mennyiségű műanyagot alkalmaznak az építészetben burkolásra és dekorációs elemekre is. A műanyag szerkezeti anyagok egyes területeken már régen kiszorították a hagyományos anyagokat. Például az építőipar és a gépjárműgyártás nagyon sok műanyagot használ fel, egyes iparágakban pedig egyáltalán nincs vetélytársuk (repülés, űrhajózás, hadiipar, sportszergyártás). E területeken a műanyagokat általában nem az alacsony ár teszi versenyképessé, hanem vagy a nagy termelékenységű feldolgozás, mint pl. a rövidszál-erősítésű műszaki műanyagok esetében vagy az egyedülálló műszaki jellemzők, amit jól példáznak a végtelenszál-erősítésű térhálós gyanta-kompozitok. Ez utóbbiak nagy előnye, hogy a kitűnő mechanikai tulajdonságokat nagyon kis tömeg mellett érik el, ami bizonyos felhasználási területeken egyáltalán nem közömbös (autóipar, repülés, sportszergyártás). A szerkezeti anyagokkal szemben támasztott követelmények egyre szigorúbbak, az adott alkalmazás körülményei között hosszú ideig kell betölteni funkciójukat. A szerkezeti anyagoknak általában merevnek, szilárdnak és ütésállónak is kell lenniük, és többnyire az alkalmazás hőmérsékleti tartománya is tág. Gyakran különleges jellemzőket is várunk tőlük, például égésgátoltnak, antisztatikusnak vagy elektromos vezetőnek kell lenniük. A merevség és az ütésállóság egymásnak ellentmondó tulajdonság, ezért nehéz egyidejűleg megfelelni mindkét követelménynek. A műanyagok közül ezeket az igényeket általában a heterogén polimer rendszerek elégítik ki. A töltőanyagot tartalmazó műanyagok, a polimer keverékek és a szálerősítésű kompozitok felhasználása még a műanyagokénál is gyorsabban nő. Ezeknek az anyagoknak a jellemzőit azonban önmagában az összetétel általában nem határozza meg, fejlesztésük komoly erőfeszítést igényel [Pukánszky, 2002]. A polimer gépelemek előállítására különböző technológiák állnak rendelkezésre. Egyedi és sorozatgyártású gépelemek előállításánál a forgácsolási, tömeggyártás esetén a fröccsöntési valamint az extrudálási technológiák a legelterjedtebbek. 2.2.1. Polimer gépelemek Az egymáson elmozduló, elcsúszó gépelemek esetén előnyösen alkalmazhatjuk az acél és polimer anyagpárosítást. Ezen anyagpárosítás leggyakoribb formái a csúszó támaszok és siklócsapágyak. Itt a tengely acél vagy egyéb fém, a csapágypersely pedig különböző polimer lehet. Általában poliamid és - 18 -
Szakirodalmi áttekintés poliacetál termékek natúr és adalékolt változatait alkalmazzuk csapágyanyagként. A méretezési eljárások a szakirodalomban megtalálhatók. A számítások alapjául az a felületi terhelés és csúszási sebesség, valamint az adott polimerre megengedett pv érték szolgál. A polimer fogaskerekekkel a következő alfejezetben részletesebben foglalkozom. Polimer gépelemek használatának előnyei: Kis sűrűség; a műanyagok sűrűsége általában 0.8 és 2.1 kg/dm 3 között van, ami megközelítőleg 1/6 része az acélénak. Így a műanyagok jól használhatók könnyű szerkezetek készítésére pl. a közlekedésben, mezőgazdaságban, repülő és autóiparban. Kenés nélküli üzem; megfelelő műanyag fogaskerekek önmagukkal vagy fémekkel párban is képesek kenés nélkül működni. Természetesen olaj vagy víz kenés használata esetén a műanyag kerekek élettartama megnőhet. Zajcsillapító hatás; a fém fogaskerekekkel szerelt hajtóművek zajszintje magas. Ezek a problémák megelőzhetők a polimer kerekek alkalmazásával. Mechanikai csillapítás; hajtóművek esetében számos probléma okozója lehet a terhelés lökésszerű változása, amelyek előfordulhatnak indításkor vagy kerék kapcsolás létrehozásakor. A polimer fogaskerekek a kisebb rugalmassági együtthatójuk és viszkoelasztikus viselkedésük miatt jobban csillapítják a lökésszerű igénybevételeket. Korrózióállóság; általában ellenállnak a légköri és kémiai korróziónak, így alkalmazhatóak agresszív környezetben is. Jó kopási tulajdonság; megfelelő anyagpárosítás esetén a kopási tulajdonságok kedvezőbbek lehetnek mint a fémek esetében. Kitűnő önthetőség; fémek esetében a forgácsolási technológiák meglehetősen lassú folyamatok. Polimerek esetén a gyártás könnyebben és gyorsabban megvalósítható fröccsöntési technológia alkalmazásával, melyet a tömeggyártásban sikeresen alkalmaznak. Használhatósági korlátok, hátrányok: Kisebb terhelhetőség; a legtöbb elterjedten használt műszaki polimer szakítószilárdsága, rugalmassági modulusa kisebb a fémekénél. Így kisebb terhelések esetén alkalmazhatók, egyébként a gépelemek méretei túlságosan megnőnének. Kisebb hőterhelhetőség; az olvadási hőmérsékletük általában 120 C és 325 C között mozog, és a maximális tartós alkalmazhatósági hőmérsékletük is alacsonyabb a fémekénél. Öregedés; a polimerek mechanikai tulajdonságai az idő függvényében változnak. Kisebb mérettartás; a hőtágulási együtthatójuk átlagosan 3-6 szorosa az acéloknak. Néhány polimer fajtának nedvességfelvevő képessége van (elérheti a 8% -ot), amely a méretek növekedéséhez vezet. - 19 -
2.2.2. Polimerek a mezőgépészetben Szakirodalmi áttekintés A mai mezőgazdasági gépeken igen széles körben alkalmaznak polimer gépelemeket. A kezdeti felhasználások során úgynevezett másodlagos feladatok ellátására használták azokat, mint burkolatok, fogantyúk és belső díszítőelemek. Az utóbbi évtizedekben már a korszerű gépeken egyre nagyobb számban jelennek meg a különböző polimerekből készült gépelemek, amelyek már szerkezeti funkciót is betöltenek. Ilyenek lehetnek a fogaskerekek, szíjtárcsák, támasztógörgők, különböző csúszólemezek és siklócsapágyak. A műanyagok mezőgazdasági felhasználása aránylag rövid múltú. Az első alkalmazási kísérletek a fejlett ipari országokban indultak meg az 1950-es évek elején. Kialakultak a jellegzetes műanyag-alkalmazási módok, többek között a fóliaborítású növényházak különböző típusai, a fólia alagutak és fólia sátrak, a váz nélküli fólia alatti termesztés, a talaj közvetlen takarása fóliával, a termények, gépek fóliás védelme, fóliaborítású silók használata; fóliák, tömlők és csövek alkalmazása az öntözés és a vízgazdálkodás területén, a műanyagok hasznosítása csomagolási célra, valamint a talajjavításban, a mezőgazdasági építészetben és gépgyártásban. Hazánkban az első műanyag felhasználási kísérletek az 50-es évek végén kezdődtek a kertészeti növények termesztésében. Ezeket a kísérleteket részben a hazai műanyagipar termékeivel, részben külföldről importált műanyag fóliákkal végezték. Jól szemlélteti a polimerek mezőgazdasági alkalmazásait és helyzetét - főleg a PVC, PE és PP esetében - Magyarországon Horánszky et al. összefoglaló könyve. A mezőgazdaságban használt műanyagok alkalmazás szerinti csoportosítására mutat példát a 2. ábra. A mezőgépészetben tribológiai és gépészeti szempontok alapján 3 fő területet lehet megkülönböztetni: - mezőgazdasági termények és gépalkatrészek kapcsolata - mezőgazdasági gépalkatrészek, gépelemek egymás közti tribológiai és mechanikai rendszere - talajművelő eszközök és a talaj kapcsolata A termények károsodását a betakarítási és anyagmozgatási folyamatokban több tényező határozza meg (pl. gépbeállítás, erőhatások... stb.), ezen belül a szakirodalom a súrlódás és kopás eredetű tönkremenetel arányát rendszerfüggően 20-60% között említi. A terménnyel érintkező anyagokat úgy kell megválasztani, hogy azok jelentős károsodást ne okozzanak a terményben. Ilyen megoldás lehet, hogy a fém csúszólemezek felületét különböző polimer bevonatokkal látják el, vagy polimer lemezt rögzítenek a felületére. Így a termény nem közvetlenül a kemény fémmel érintkezik, hanem a rugalmasabb műanyaggal, amely kisebb súrlódással rendelkezhet és kevésbé koptatja, károsítja a termény felületi rétegeit. - 20 -