SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Témavezető: DR. PÁLINKÁS ISTVÁN egyetemi docens FÉMSZÓRT FELÜLET ÉS MŰANYAG KAPCSOLATOK TRIBOLÓGIÁJA Doktori (Ph.D) értekezés tézisei Készítette: SZŰCS SÁNDOR Dr. univ. főiskolai docens egyéni Ph.D. hallgató Gödöllő 23.
2 A doktori iskola megnevezése: tudományága: Műszaki Tudományi Doktori Iskola agrár-műszaki vezetője: Dr. Szendrő Péter rektor, egyetemi tanár a mezőgazdasági tudomány doktora Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar Mezőgazdasági Géptani Intézet Gödöllő Témavezető: Dr. Pálinkás István egyetemi docens Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar Gépgyártás és Javítástechnológia Tanszék Gödöllő... Az iskolavezető jóváhagyása... A témavezető jóváhagyása
3 TARTALOMJEGYZÉK 1. ELŐZMÉNYEK ÉS CÉLKITŰZÉSEK 5 2. ANYAG ÉS MÓDSZER 7 3. EREDMÉNYEK 9 3.1. Szórt acélok kopásállóságának összehasonlítása (I. vizsgálat) 9 3.2. A vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása (II. vizsgálat) 1 3.3. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül (III., V. vizsgálat) 1 3.4. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok kopásának vizsgálata vízben (IV., VI. vizsgálat) 11 3.5. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának, kopásának vizsgálata kenés nélkül, növelt súrlódási úttal (VII., VIII. vizsgálat) 12 3.6. Egyszeri kenés hatásának vizsgálata (IX. vizsgálat) 14 3.7. Szórt acél/pom-c kopásának és súrlódásának vizsgálata különböző kenőképességű folyékony köztes anyagokkal (X. vizsgálat) 15 3.8. Új tudományos eredmények 17 4. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK 19 5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓIM 21
4
5 1. ELŐZMÉNYEK ÉS CÉLKITŰZÉSEK A gépek és berendezések súrlódó alkatrészeinek veszteségeit a súrlódási ellenállás, a különböző mechanizmusok útján létrejövő kopások határozzák meg. Jelenlegi ismereteink szerint a veszteségek csökkentésének leghatékonyabb módja a kenés, amikor a gépelemek súrlódó felületei közé folyékony, plasztikus, vagy szilárd kenőanyagot juttatunk és olyan konstrukciós megoldást alkalmazunk, hogy a kenőanyag lehetőleg minden üzemállapotban válassza el egymástól a súrlódó felületeket. Ennek megvalósítása a gyakorlatban azonban nem mindig lehetséges. Az üzemi körülmények szélsőséges megváltozásának hatására bekövetkezhet a kenőfilm összeomlása, vagy környezetvédelmi, egészségügyi előírások miatt kenőanyag nem alkalmazható. Ilyen esetekben a kenés szerepét az érintkező felületeknek, ill.azok felső adszorpciós rétegének kell átvenni. Ezek a követelmények előtérbe állították a különböző anyagpárosítások tribológiai vizsgálatát, az önkenőképesség megvalósítási lehetőségeinek kutatását. Mivel a gépelemek anyagait elsősorban szilárdságtani és gazdaságossági szempontok alapján választjuk, súrlódó felületeik a legtöbb esetben csak korlátozottan képesek a tribológiai követelményeknek eleget tenni. Ezen probléma megoldására fejlesztették ki a különböző felületkezelési, felületbevonási eljárásokat. Ezek lehetőséget nyújtanak a gépelem anyagától eltérő, a tribológiai követelményeknek eleget tevő felületi rétegek előállítására. A felületbevonásnak egyik módszere a termikus szórás. A termikus szórási eljárásokkal ma már a tribológiai bevonatok széles választéka állítható elő. Ezek a bevonatok halmaz szerkezetűek, porózusak. A halmaz elemei az alaptesthez és egymáshoz túlnyomórészt adhéziósan és mechanikusan kötődnek. Fémes kent súrlódó rendszerekben kiváló kopási és súrlódási tulajdonságokat mutatnak. A szórt fém/műanyag kapcsolatok tribológiai vizsgálata mindeddig háttérbe szorult. A műanyagok önkenőképességük révén a kis teljesítményű kenés nélküli súrlódó rendszerek fontos elemei. Gyakorlati szempontból fontos feladat az ilyen rendszerek tribológiai kutatása, a nagyobb teljesítményre képes anyagpárosítások megtalálása. Kutatási munkám célja meghatározni a szórt, porózus acél és műanyagok egyirányú csúszó kapcsolatának egyes, a gyakorlati alkalmazás szempontjából lényeges tribológiai jellemzőjét kenés nélkül és néhány eltérő kenőképességű folyékony kenőanyag alkalmazásával.
6
7 2. ANYAG ÉS MÓDSZER A szórható fémek, ötvözetek és műanyagok választéka nagy. A rendelkezésemre álló idő és pénzügyi korlátok miatt egy szórt ötvözetet és öt közepes teljesítményű műszaki műanyag típust vizsgáltam. A szóróanyagot műszaki, gazdaságossági és tribológiai szempontok figyelembevételével választottam ki. A felállított fő szempontok: A választott ötvözet szórható legyen a gyakorlatban elterjedt lángolvasztásos, por- és huzalszóró berendezésekkel. Fémes súrlódó kapcsolatban jó kopásállósággal rendelkezzen. Kis zsugorodású, vastag rétegben is felvihető, jól forgácsolható, polírozható legyen. A légköri korróziónak ellenálljon. A bevonat előállítása viszonylag olcsó legyen. A fenti szempontok alapján öt szóróanyagot jelöltem meg. Közülük, relatív kopásállóságukat is figyelembe véve, választottam ki a 13%-os krómtartalmú ferrit-martenzites acélt. Ellendarabként öt műszaki műanyagot vizsgáltam. 1. Polioximetilén-kopolimer (POM-C) 2. Ultranagy molekulatömegű polietilén (UHMWPE) 3. Politetrafluoretilénnel töltött polietilénterephtalat (PETP (t)) 4. Szilárd kenőanyaggal töltött, üvegszállal erősített polifenilénszulfid (PPS (t)) 5. Üvegszállal erősített poliamid (PAGF3) A méréseket saját tervezésű és kivitelezésű, gyűrű-hasáb próbatesteket alkalmazó vizsgálóberendezésen végeztem. A vizsgálati modellt alapvetően anyagpárok relatív kopásállóságának és kenőanyagok, adalékanyagok vizsgálatára alkalmazzák. A próbatestek vonalmenti érintkezése már kis terhelő erőknél az anyagban nagy feszültségcsúcsot adó feszültségeloszlást hoz létre, amely a kopás előrehaladásával folyamatosan változik. Már kis terheléseknél és vizsgálati úthossznál mérhető kopás jön létre, így alkalmas gyorsított, rövid idejű vizsgálatok végzésére. A modell hátránya, hogy a kopás működés közbeni mérése nem megoldott. A kopás méréséhez a vizsgálatot meg kell szakítani és a próbatestet-(eket) el kell mozdítani eredeti helyzetéből. Visszahelyezésükkor, a befogás egyértelmű helyzetmeghatározása ellenére, megváltozhat a felületek érintkezése és a folyamat egy megváltozott (alacsonyabb) hőmérsékleten folytatódik. Ez megfelel a legtöbb gyakorlati működési módnak, viszont rontja a mérési eredmények reprodukálhatóságát. Ennek ellenére az elvégzett mérési sorozatok relatív szórása nem nagyobb mint egy nemzetközi felmérés adatai szerint a hasonló elven működő ASTM G77 szabvány szerinti vizsgálóberendezésekkel laboron belül végzett mérési sorozatoké (Blau, J.P.,Budinski, G.K. 1999). A szórt acél /műanyag súrlódópárok tribológiai vizsgálatát a kopás, a súrlódóerő a hasábhőmérséklet, a gyűrű felületi érdességének mérése és a hasábon létrejövő kopási nyom vizuális értékelése alapján végeztem. Az eredmények értékelésénél viszonyítási alapként a tömör,
8 edzett szénacél/műanyag párosításokkal elvégzett párhuzamos mérések eredményeit vettem. A bevont és tömör felületű gyűrűk készremunkálása azonos technológiai paraméterekkel történt. A műanyag hasábok öntött műanyag rúdból, súrlódó lapjaikkal a rúd tengelyére merőlegesen lettek kimunkálva. Az elvégzett vizsgálatok: I. Szórt acélok kopásállóságának összehasonlítása II. Vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása III. Műanyagok/szórt acél súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül IV. Műanyagok/szórt acél súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben V. Műanyagok/tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül VI. Műanyagok/tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben VII. Műanyag/szórt acél súrlódásának és kopásának vizsgálata növelt súrlódási úttal VIII. Műanyag/tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata növelt súrlódási úttal IX. Egyszeri kenés hatásának vizsgálata X. Különböző kenőképességű folyékony kenőanyagok hatásának vizsgálata a szórt acél/pomc súrlódására, kopására
9 3. EREDMÉNYEK 3.1. Szórt acélok kopásállóságának összehasonlítása (I. vizsgálat) A szórt, ötvözött acélok és a K1- jelű krómötvözésű, tömör szerszámacél kopásállóságát hasonlítottam össze edzett 61±1,5 HRC keménységű C6-as acélgyűrűvel koptatva. A mérés eredményét az 1. ábra mutatja. 9 886 Kopás x 1-2 mm 3 8 7 6 5 4 3 2 1 1,52 5,33 6,3 3,3 16,4 1,45 33,5 KFD 99 KLD 6 Metc. 2 KLD 31 1991 194 KLD 31** K1 Anyag típus 1. ábra A szórt acélok és a K1 jelű szerszámacél kopásállósága kenés nélkül, edzett C6-as acélfelületen súrlódva s=6 m, Ra gy =,5 µm, Ra h =,29 µm, (** olajban tartott majd letörölt hasáb) A mérések tanulsága szerint a vizsgált, szórt, erősen ötvözött acélok kopásállósága kenés nélküli súrlódó kapcsolatban közel azonos. Összehasonlítva a tömör, nagyobb makrokeménységű, K1 jelű szerszámacéllal, melynek összetétele közel azonos a Metc.2 és KLD 6 jelű szórt acélokéval, kopásállóságuk a vizsgált rendszerben jobb. Ez azt igazolja, hogy a szórt fémek kopásállóságát száraz súrlódásnál nem lehet csupán makrokeménységük alapján megítélni. Magas az oxidtartalmuk, berágódási hajlamuk alacsonyabb. A mérés eredményét is figyelembe véve a további vizsgálatokhoz a 13%-os krómtartalmú ferritmartenzites Metc.2 jelű acélt választottam.
1 3.2. A vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása (II. vizsgálat) A vizsgálatok megismételhetőségi szórásának statisztikailag egzakt meghatározására nem volt módom, de ennek becslésére egy tíz mérésből álló mérési sorozatot végeztem szórt acél (M2)/POM- C anyagpárosítással. A méréseket azonos terhelési, környezeti és technológiai paraméterekkel hajtottam végre. A kapott szórásértékek: A térfogati kopás szórása: s V =,386 mm 3 A súrlódóerő szórása: s Fs = 2,85 N A relatív szórások: S RV = s V V átl,386 = =, 145,265 sfs 2,85 S Fs = = =, 149 F 19,5 átl Az elvégzett mérési sorozatok kopás és súrlódóerő értékeinek relatív szórása egyik vizsgálatnál sem haladja meg a nemzetközi felmérés alapján, az ASTM G77 jelű szabványosított berendezésekre vonatkozó, laboron belüli megismételhetőségi szórást (2 4 %) 3.3. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül (III., V. vizsgálat) A méréseknél alkalmazott tömör és szórt felületű gyűrűk azonos módon kerültek megmunkálásra.. A szórt felület érdességi mérőszámait a pórusok erősen torzítják. Ebből következően a két felület minősége az érdességprofilok magassági méreteiből meghatározott mérőszámok alapján nem hasonlítható össze. A továbbiakban megadott Ra átlagos érdességi mérőszámok az azonos technológiai paraméterekkel megmunkált tömör acélgyűrűk mérőszámai. A profilok képe és a hordozóhossz eloszlás alapján a két profil az eltérő érdességi mérőszámok ellenére közel azonosnak tekinthető. A kenés nélkül végzett kopásmérés eredménye a 2. ábrán látható. 25 2 Szórt.acél gyűrű Tömör acél gyűrű Kopás x 1-2 mm 3 15 1 5 66PAGF3 POM-C PETP(t) PPS(t) UHMWPE Műanyagok 2.ábra A műanyagok kopása szórt és tömör acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (s = 12 m, Ra,gy =,5 µm)
A szórt fém a PETP (t) kivételével minden műanyagnál alacsonyabb kopást okozott, mint a tömör. A vizsgálat során a gyűrűk felületének elszíneződése az átvitt műanyagfilm kialakulását jelezte. Ez a szürkés-barnás elszíneződés minden esetben a szórt felületen jelent meg korábban. A PETP (t) súrlódásánál ilyen elszíneződés egyik felületen sem volt látható. A kopásértékek azt mutatják, hogy a teflon mint szilárd kenőanyag a tömör fémfelületen jobban kifejti kopáscsökkentő hatását. A hasábok koptatott felületein mindkét ellendarabnál elmozdulás irányú barázdák láthatók, a kopás jellege vegyes, adhéziós és abrázíós. 11 3.4. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok kopásának vizsgálata vízben (IV., VI. vizsgálat) A vizsgálat előtt a műanyag-hasábok 48 óráig labor hőmérsékletű csapvízben álltak. A mérés során a súrlódó felületek a tartályban lévő csapvíz felszíne alatt helyezkedtek el. A vizsgálat eredményét a 3. ábra mutatja. A műanyagok kopása minden esetben nőtt a száraz súrlódásukhoz képest, de a szórt és a tömör felületű gyűrűk közötti viszony itt is megmaradt. Ez azt jelenti, hogy a két acélfelület viselkedését a víz közel azonos mértékben befolyásolja. A súrlódási tényezőket vizsgálva a száraz súrlódáshoz képest jelentős csökkenés egyik súrlódópárnál sem következett be. Ennek lehetséges magyarázata a rövid súrlódási úthossz és a nem illeszkedő próbatest felületek. 45 4 35 Szórt acél gyűrű Tömör acél gyűrű Kopás x 1-2 mm 3 3 25 2 15 1 5 66PAGF3 POM-C PETP(t) PPS(t) UHMWPE Műanyagok 3.ábra A műanyagok kopása szórt és tömör acélfelületen súrlódva, vízben (s = 12 m, Ra,gy =,5 µm) A relatív kopásemelkedés szerinti sorrend a POM-C kivételével mindkét ellenfelületnél azonos a 23 o C-os vízben mért telítettségi víztartalmuk szerinti sorrenddel. A telítettségi víztartalom szerinti sorrend: PAGF3 (5,5 % ) > POM-C (,85 % ) > PETP (t) (,47 %) > PPS (t) (,9 %) > UHMWPE (,1 %). A relatív kopásnövekedésük szerinti sorrend szórt ellenfelületnél: PAGF3 (5,7 x) > PETP(t) ( 2,8 x ) > PPS(t) ( 1,5 x ) > POM-C ( 1,5 x ) > UHMWPE ( 1,4 x). Tömör ellenfelületnél a sorrend ugyanez, azzal a különbséggel, hogy a POM-C és a PPS(t) relatív kopásnövekedése megegyezik. Mivel a kopásnövekedés kis vízfelvevő képességű műanyagoknál is bekövetkezett ez arra enged következtetni, hogy a kopásnövekedés nem csak a vízfelvétel szilárdságcsökkentő hatásának eredménye. A víz adszorbeálódva az acél felületén gátolja az abrazív kopást csökkentő átvitt műanyagfilm kialakulását. Ezt támasztja alá a kopási nyom barázdált abrazív jellege.
12 3.5. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának, kopásának vizsgálata kenés nélkül, növelt súrlódási úttal (VII., VIII. vizsgálat) A vizsgálatot simább felületű gyűrűkkel (Ra,gy =,29 µm ) és növelt terheléssel (F N =1 N) végeztem.. A kapott kopási és súrlódási tényező értékeket az 4., 5., 6., 7. ábrák mutatják. 1 Kopás (tömör) Kopás (szórt) Súrl.tény. (tömör) Súrl. tény. (szórt),3 Kopás x 1-2 mm 3 8 6 4 2,25,2,15,1,5 Súrlódási tényező µ 5 1 15 2 25 3 Csúszási úthossz (m) 4.ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopása és a súrlódási tényezője szórt és tömör acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy =,29 µm) 14 Kopás szórt/petp(t) Kopás C6/PETP(t) Súrl. tény.szórt/petp(t) Súrl. tény.c6/petp(t),2 Kopás x 1-2 mm 3 12 1 8 6 4 2,15,1,5 Súrlódási tényező µ 1 2 3 Csúszási úthossz x 1 3 m 5. ábra Teflonnal töltött polietilénterephtalat (PETP (t)) kopása és súrlódási tényezője szórt és tömör ellendarabon súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy =,29 µm )
13 Kopás x 1-2 mm 3 6 5 4 3 2 1 Kopás (tömör ac./pps(t) Kopás (szórt ac./pps(t) Súrl.tény. (tömör ac./pps(t) Súrl. tény. (szórt ac./pps(t) 2 4 6 8 1 x 1 3 m Csúszási úthossz,4,35,3,25,2,15,1,5 Súrlódási tényező µ 6.ábra Üvegszállal erősített és szilárd kenőanyaggal töltött polifenilénszulfid (PPS (t)) kopása és súrlódási tényezője szórt és tömör acélfelületen súrlódva kenés nélkül (Ra,gy =,29 µm) Kopás x 1-2 mm 3 Kopás (tömör ac./pagf3) Kopás-1 (szórt ac./pagf3) Kopás-2 (szórt ac/pagf3) 8 7 Súrl. tény.(tömör ac./pagf3,4,35 6,3 5,25 4,2 3,15 2,1 1,5 2 4 6 8 1 x 1 3 m Csúszási úthossz kopása szórt és tömör ellendarabon súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy =,29 µm ) Súrlódási tényező µ 7. ábr a Üve gszá llal erősí tett poli ami d (PA GF3 ) A vizsgálatok azt mutatják, hogy a szórt és a tömör acél koptató hatása és a súrlódási tényező erősítés nélküli műanyagoknál közel azonos (4., 5. ábra). Az üvegszálerősítésű műanyagok kopása és súrlódási tényezője szórt fémen súrlódva jelentősen kisebb mint a tömör ellendarabon (6., 7. ábra). Ennek lehetséges oka a szórt fémen jobban tapadó, erősebb műanyagfilm kialakulása és a pórusokban megfogott üvegszál törmelék.. A szórt fém pórusaiban megtapadó üvegszál részecskék megkötik a kialakult filmet, így az jobban ellenáll az üvegszálak abrazív koptató hatásának.. A tömör gyűrű felületén a műanyagfilmet jelző elszíneződés egy idő után elhalványul, megjelenik a fényes, fémes felület, a kopás felgyorsul.
14 Ez a jelenség szórt fémnél csak néhány esetben, 4-48 km-es súrlódási út után következett be (7. ábra Szórt-2. görbe). A gyűrűfelületek profilgörbéin már felismerhető a kopás. Mindegyik felület simábbá vált, érdességük,1-,15 µm-el csökkent. Erősebb kopás csak a C6/PAGF3 párosításnál látható. A szórt fém/műanyag kapcsolat alacsonyabb súrlódási tényezője nem magyarázható egyedül az átvitt műanyagfilm vastagságával. Minden bizonnyal annak összetétele is eltér a tömör acélfelületen lévőtől. Feltehetően a pórusokban megfogott üvegszálcsomók üveg-üveg súrlódása csökkenti le a mérhető súrlódási tényezőt. 3.6. Egyszeri kenés hatásának vizsgálata (IX. vizsgálat) A mérések célja annak az igazolása, hogy a szórt fém pórusai képesek folyékony kenőanyag tárolására az ellendarab kopásának és súrlódási tényezőjének csökkentésére, acél ellendarabnál a berágódás megakadályozására. A vizsgálatot tömör acél (C6)/tömör acél (C4) és szórt acél/tömör acél (C4) és szórt acél/pom- C párosításokkal szárazon és egyszeri kenéssel végeztem. Az egyszeri kenésnél mérés előtt a szórt és a tömör felületű gyűrűket 8 o C-os 15W-4 (ACEA 5-2) jelű motorolajban kifőztem. Mérés előtt felületüket tiszta pamutruhával letöröltem. Ezzel az azonos érdességű felületeken közel egyforma a vizsgálatok szerint néhány molekulányi vastagságú olajfilm maradt. Acél ellendarab esetén mértem a hasáb hőmérsékletét, a súrlódó erőt, a műanyag ellendarabnál a kopást is. Hasáb hőmérséklet ( o C) 125 1 75 5 25 Hasáb hőm. (száraz) Hasáb hőm. (olajozott) Súrl.tényező (olajozott) Súrl.tényező (száraz),75,6,45,3,15 Súrlódási tnyező µ,18,36,6 2 4 11,3 16 2 x 1 3 m Csúszási úthossz 8. ábra Az acél hasáb hőmérsékletének és a súrlódási tényező változása a súrlódási út függvényében, olajban tartott, majd száraz pamutruhával letörölt, szórt felületű gyűrűn súrlódva ( Ra gy =,5 µm, Ra h =,35 µm ) A szórt felületű gyűrűvel és tömör C 4-es acélhasábbal végzett mérések eredményét a 8. ábra, a POM-C hasábbal végzetteket a 9. ábra mutatja.
15 Kopás Súrlódási tényező 3,15 Kopás x 1-2 mm 3 25 2 15 1 5,1,5 Súrlódási tényező µ 2 4 6 8 1 12 x 1 3 m Csúszási úthossz 9. ábra A hasáb (POMC) kopása és a súrlódási tényező változása a súrlódási út függvényében, olajban tartott, majd száraz pamutruhával letörölt, szórt felületű gyűrűn súrlódva ( Ra,gy =,29 µm ) Az ábrán látható, hogy a tömör acélgyűrűnél az egyszeri kenés hatása alig érzékelhető. A berágódási úthossz, (µ,5; T 6 o C) az olajozott, majd letörölt gyűrűnél alig haladja meg a kezeletlen gyűrűnél mért 4 5 métert. A gyűrű felületén maradt olajfilm nem képes megakadályozni a berágódást. A szórt felületű gyűrűnél (8. ábra) a hasáb még 2 kilométeres súrlódási út után sem rágódott be. A pórusokban tárolt, és kiszivárgó olaj folyamatos kenést biztosított. Ez azt jelenti, hogy kent rendszerben kenéskimaradás esetén csökken a súrlódópárok berágódásának, erős kopásának veszélye, nő a rendszer megbízhatósága. Egyszeri kenés esetén a pórusok növelik a kenés hatékonyságát. A műanyag (POMC) alaptesttel végzett vizsgálat (9. ábra) ugyanezt igazolta. 3.7. Szórt acél/pom-c kopásának és súrlódásának vizsgálata különböző kenőképességű folyékony köztes anyagokkal (X. vizsgálat) A vizsgálatnál alkalmazott kenőanyagok és adalékok: 1. Desztillált víz 2. Gyógyászati fehérolaj 3. Gyógyászati fehérolaj + FM adalék (Hostagliss D-E) 4. Gyógyászati fehérolaj + EP/AW adalék (Additin RC 3661) 5. Gyógyászati fehérolaj + FM + EP/AW adalék A méréseket a vizsgált folyadékban merülő súrlódó felületű próbatestekkel végeztem. A műanyag hasábok a mérés megkezdéséig 48 óráig laborhőmérsékletű vizsgálati folyadékban áztak. A vizsgálat eredményét a 1. ábra tartalmazza.
16 Kopás Súrl.tény. Kopás (mm 3 ) 1,2,9,6,3 Fo.+FM Fo.+EP/AW Fo.+EP/AW+FM Köztes anyagok 1. ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopása és súrlódási tényezője szórt acélfelületen csúszva, különböző folyékony köztes anyagoknál. (Ra,gy =,29 µm) A desztillált vízben kapott kopási érték 1,9 x magasabb a kenés nélkülinél. Ez nagyobb növekedés, mint a kommunális csapvízben mért (1,6 x). Mindegyik köztes anyag csökkentette a súrlódási tényezőt, viszont a száraz súrlódáshoz képest a kopást megnövelte. Ez a vizsgálat, a IX. vizsgálattal együtt, igazolta, hogy a kopásra a folyékony kenőanyag viszkozitásának van döntő hatása. A fémekkel nagy kémiai affinitást mutató súrlódásmódosító és kopáscsökkentő adalékok (FM, EP/AW) adszorbeálódva az acélgyűrű felületén, kis felületi energiájukkal megakadályozzák a fémfelület érdességárkait kitöltő műanyagréteg megtapadását, ezzel a műanyag abrázív kopásának növekedését okozzák. Ezt igazolta a szárazon és kenőanyaggal koptatott műanyag hasábok kopási felületeinek mikroszkópos vizsgálata. A száraz koptatáshoz képest sűrűbbek és mélyebbek az elmozdulásirányú barázdák, a kopási folyamat döntően abrázívvá vált. A vizsgált adalékok súrlódáscsökkentő hatása a fehér olajhoz képest csekély, viszont a kopást jelentősen megnövelik, ezért fém/műanyag súrlódópároknál alkalmazásuk káros. Ugyanez mondható el minden olyan adalékról, amelyek adszorbeálódva a fém felületén kis felületi feszültségű réteget hoznak létre, amelyhez a műanyag adhéziója gyenge.,2,15,1,5 Súrlódási tényező µ
17 3.8. Új tudományos eredmények 1. Megterveztem és elkészítettem egy gyűrű/hasáb próbatesteket alkalmazó tesztberendezést, amely alkalmas a különböző anyagpárosítások alapvető tribológiai jellemzőinek vizsgálatára, a súrlódóerő, a kopás és a hasábhőmérséklet közvetlen mérésére kenőanyag nélkül és folyadékkenéssel. A terhelőrendszer kialakításánál fogva minimálisra csökkenti a gyűrű gyártási és beállítási hibáiból adódó terhelés ingadozását. 2. Az elvégzett kenés nélküli összehasonlító kopásvizsgálat és a műanyagokon csúszó szórt acélfelület érdességének vizsgálata igazolták, hogy a porózus, halmazszerkezetű, szórt, 13%-os krómacél felület kopásállósága a tömör, edzett acélfelületével közel azonos. F N =1N terhelésig (p max =123MPa, p átl =96,5 MPa érintkezési nyomásig) és µ=,64 súrlódási tényezőig a felület lemorzsolódása, a szemcsehatárok elnyíródása nem következik be 3. A műanyag hasáb kopása erősítés nélküli műanyagok/szórt és tömör acél súrlódásánál, F N = 1 a N-os terhelésnél, leírható a V = C F N s (mm 3 ) összefüggéssel, ahol: F N (N) normál terhelőerő, s (m) a csúszási út, a C és a a kopási folyamat jellegétől, az anyagpároktól, a 3 5 mm terhelési és környezeti feltételektől függő állandók: a=,5,6; C = 2...6 1 ; a Nm korrelációs tényező r>,97. 4. A szórt acél/üvegszállal erősített műanyag (PPS (t); PAGF 3) párosításoknál a műanyag a térfogati kopása az adhéziós kopási tartományban leírható a V = C F N s (mm 3 ) összefüggéssel, ahol: F N (N) a normál terhelőerő, s (m) a csúszási út, C és a a kopási folyamat jellegétől, az anyagpároktól, a terhelési és környezeti feltételektől függő állandók: a (PPS(t)) =,339, 3 3 mm a (PAGF3) =,274; C = 8 5 ( PPS ( t )),9 1 Nm, 6 mm C( PAGF 3) = 1,25 1 ; A Nm korrelációs tényező r>,96. Ugyanezek az állandók tömör acél ellendarabnál: : 3 7 mm a (PPS(t)) =1,5, a (PAGF3) =1,4; C( PPS ( t)) = 6,9 1, Nm 8 mm ( 3) = 2,5 1 ; r >,97 Nm C PAGF 3 5. A szórt porózus acélfelület pórusai olajjal telíthetők. Egyirányú súrlódó kapcsolatban a tárolt olaj F N = 1 N terhelésnél, s 2 kilométeres súrlódási útig képes megakadályozni a súrlódó acélfelületek berágódását. Folyadékkenésű rendszerekben a szórt felület kenéskimaradás esetén csökkenti a katasztrofális károsodás veszélyét, időszakos kenésnél növeli a kenés hatástartamát. 6. A szárazon és vízben elvégzett mérések azt igazolják, hogy a vízkenésnél mérhető nagyobb kopást nemcsak a műanyag vízfelvételéből adódó szilárdságcsökkenése, hanem az acélfelületen
18 adszorbeálódó víz együttesen okozzák. Az adszorbeálódott víz gátolja az abrázív kopást csökkentő műanyagfílm kialakulását az acél felületén. 7. Az FM (Hostagliss D-E) és az EP/AW (Additin RC 3661) adalékolású fehérolajjal elvégzett méréseim igazolták, hogy a fémfelületen adszorbeálódó kis felületi energiájú adalékok a fém/műanyag súrlódó kapcsolatban megakadályozzák a műanyag abszorpcióját, ezzel növelik a műanyag kopását.
19 4. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK Az elvégzett vizsgálatok alapján több olyan összefüggést állapítottam meg, amelyek nem tekinthetők új tudományos eredménynek, de eddigi ismereteinket kiegészítik, illetve bővítik. Az elvégzett vizsgálataim igazolták, hogy a termikusan szórt, halmazszerkezetű felületi rétegek alkalmasak műanyag ellendarabbal, kopásálló, súrlódó felületek kialakítására. A szórható fémek és ötvözetek széles választéka lehetővé teszi a különböző terhelési és környezeti feltételeket figyelembe vevő optimális anyagpárosítások kialakítását. A szórt réteg nyomó és nyírószilárdsága elegendő a fém/műanyag súrlódó kapcsolatoknál alkalmazható terhelések károsodások nélküli elviselésére. A felvitt réteg porozitása nem gátolja a műanyagok önkenőképességét, a harmadik közbenső réteg kialakulását. Üvegszál erősítésű műanyagokkal párosítva a porozitás jelentősen csökkenti a műanyag kopását, a rendszer súrlódási tényezőjét, ezért alkalmazása ilyen esetekben javasolt. A szórt réteg porozitása képes folyékony kenőanyag befogadására, ezért alkalmazása időszakosan kent súrlódó kapcsolatokban megnöveli a kenés hatástartamát, folyamatos kenésnél a rendszer élettartamát, megbízhatóságát. A fém/műanyag súrlódó kapcsolatokban a fém felületén adszorbeálódó, kis felületi energiájú adalékokat tartalmazó, megfelelő viszkozitású kenőanyag alkalmazásával és a fémfelület polírozásával várhatóan kis súrlódási és kopási veszteségű rendszerek alakíthatók ki. Ilyen adalékok durva fémfelületen a műanyag kopását jelentősen megnövelik. A termikus szórással felvitt krómacél felület kopása, felületminőségének változása, a tömör acél ellendaraboknál megkövetelt 5 HRC-nél kisebb makrokeménysége ellenére, műanyagokkal párosítva elhanyagolható, a profilogramok alapján közel azonos az edzett HRC = 61 ± 1,5 keménységű, tömör acél felületével. A szórt acélfelület erősítés nélküli műanyagoknál az edzett, tömör acélfelülettel azonos, üvegszál erősítésű műanyagoknál jelentősen kisebb kopást és súrlódási tényezőt biztosít. A folyékony köztes anyagokkal elvégzett méréseim igazolják, hogy a szórt fém/műanyag súrlódó kapcsolatban a műanyag kopását és súrlódási tényezőjét a folyadék kenőképessége (viszkozitása) határozza meg. A magasabb viszkozitású folyadék alacsonyabb kopást és súrlódási tényezőt biztosít. Az emberi ízületeket modellező, kis rugalmassági tényezőjű bevonatokkal ellátott súrlódó kapcsolatokban kedvezőbbé válik az érintkező felületek terhelés eloszlása, csökkennek a terhelés - ingadozásból adódó feszültség csúcsok. Ez feltételezhetően csökkenti a fáradásos kopás intenzitását, illetve késlelteti annak beindulását. Bármilyen összefüggés a kopás, terhelés és csúszási út között, csak az adott rendszerállapotban, az adott domináns kopási mechanizmus esetében érvényes, ezért a változási pontok meghatározása az összefüggések alkalmazásához nélkülözhetetlen.
2 A vizsgált szórt acél/műanyag kapcsolatokban a szórt réteg tribológiai viselkedésének mélyebb ismerete további terhelési és tartamvizsgálatokat igényel. A szórt, erősen ötvözött acéloknál a réteg porozitása még finoman megmunkált, polírozott felületeknél is biztosítja a felület megfelelő olajtároló képességét (Abbot-féle felületi olajtároló térfogat), csökkenti a kenőolaj begyöngyöződését. Alkalmazásuk ilyen felületi megmunkálásoknál jelentősen javíthatja a kenés hatékonyságát.
21 5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓIM 1. Szűcs S. (23): Alkatrészfelújítás termikus szórásokkal. 153-167. p.in: Janik J. (Szerk.):Gépfenntartás II. Budapest: Szaktudás Kiadó Ház,383 p. 2. Szűcs S.,Pálinkás I.(22):Szórt acél /műanyag súrlódópár tribológiai jellemzői csúszó súrlódásnál. Az MTA GAB Tribológiai Albizottsága és a GTE Tribológiai Szakosztálya álta 22. novembert 28-án megtartott szakmai nap előadásainak kiadványa. 1-11. p. 3. Szűcs S.,Pálinkás I.(22): The comparison of friction and wearing characteristics of solid and sprayed porous steel/plastics. Hungarian Agricultural Engineering,(15) 71-73.p. 4. Szűcs S., Pálinkás I.(22): Comparing the tribological properties of proof and flame sprayed steel/plastic material friction pair at the contact surface between ring shaped and planar surfaces. Scientific Buletin of The POLITECHNICA University of Timisoara, (61) 79-84. p. 5. Szűcs s. (22): Lángszórással felvitt fémrétegek súrlódási-kopási jellemzőinek vizsgálata. MTA-AMB K+F Tanácskozás. Gödöllő, p.5. 6. Szűcs S. (21): Szórt fémrétegek kopási jellemzőinek vizsgálata. TSF Tudományos Közlemények, 1. (2) 261-271.p. 7. Szűcs S., Vermes P. (21): Measuring customer as element of quality evaluaton. Hungarian Agricultural Engineering. (14) 83-85. p. 8. Szűcs S. (1999): Súrlódó felületek tribológiai jellemzőinek optimalizálása. GATE MFK II. Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Napok, Mezőtúr, 4. köt.. 84-89.p. 9. Szűcs S.,Pálinkás I. (1999): Kenés nélküli siklócsapágyazások élettartamának tervezése. MTA-AMB K+F Tanácskozás. Gödöllő, 1. köt. 267-27.p. 1. Szűcs S.,Pálinkás I. (1999): Kenés nélküli siklócsapágyazások alkalmazásának jelenlegi és jövőbeni lehetőségei korlátai. MTA-AMB K+F Tanácskozás, Gödöllő, 1. köt. 261-265 p. 11. Szűcs S.,Győrki J. (1998): Wear test of parts reneved with metal-spray. 3. International Scientific Symposium, Nyitra, 1998. may 2-21. (Poster) p. 4. 12. Szűcs S.,Pálinkás I. (1998): Súrlódó felületek kopásállóságának növelése bevonatokkal. Gyártástechnológia, XXXVIII. (5) 45-48. p. 13. Szűcs S. (1997): Súrlódó felületek kopásállóságának növelése. I. Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Napok. Mezőtúr, 5-55.p. 14. Szűcs S. (1996): Repairing and increase of lifetime with metal sprayed coatings. Quality and Reliability of Machines International Machinery Faire 96. Nyitra, may 23-24. (Poszter) p. 4. 15. Szűcs S.,Vas F.,Vermes P. (1995): Die schnellprüfung des motorenöls als eine möglichkeit von der Kostensparung. Lucrarile presentate in cadrul sesinuii internationale de communiarestiintifice. (Nemzetközi Tudományos Szimpoziumon bemutatott előadások). Temesvár. 19-24.p. 16. Szűcs S. (1993): Karbantartási technológiák vizsgálata és fejlesztése a GATE Mezőgazdasági Főiskolai Karon. Gépgyártástechnológia, XXXIII (1-2) 74-76. p.