Szent István Egyetem MŰSZAKI POLIMEREK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN Doktori (Ph.D.) értekezés tézisei Zsidai László Gödöllő 2005. - 1 -
A doktori iskola megnevezése: Műszaki tudományi doktori iskola tudományága: Agrárműszaki tudomány vezetője: Dr. Szendrő Péter egyetemi tanár, az MTA doktora Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Mezőgazdasági Géptani Intézet, Gödöllő Témavezető: Dr. Kalácska Gábor egyetemi docens, Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépgyártás és Javítástechnológia Tanszék, Gödöllő Társ-témavezető: Prof. Patrick W. G. De Baets Universiteit Gent, Vakgroep Mechanische constructie en productie, Laboratory Soete Az iskolavezető jóváhagyása A témavezető jóváhagyása - 2 -
Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK 4 1.1. A kutatómunka célkitűzései 5 2. A KUTATÁS MÓDSZEREI 7 2.1. A kísérletek helyszíne 7 2.2. A vizsgált anyagok 7 2.3. HENGER-SÍK modell vizsgálati eszközök, vizsgálati paraméterek 8 2.4. TŰ-TÁRCSA modell vizsgálati eszközök, vizsgálati paraméterek 12 2.4. Kiegészítő vizsgálatok 13 3. VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK 15 3.1. Polimerek acél felületen vizsgált csúszó súrlódási és kopási eredményei, HENGER- SÍK laboratóriumi modell rendszerben 15 3.1.1. Súrlódási és kopási eredmények 2óra/100N-nál (I. mérési kategória) 15 3.1.2. Súrlódási és kopási eredmények 1óránál 200N terhelésen (II. kategória) 17 3.2. Polimerek eltérő felületeken vizsgált súrlódási és kopási eredményei TŰ-TÁRCSA modell rendszerben 19 4. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 22 7. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK 28 8. ÖSSZEFOGLALÁS 30 TÉMÁHOZ KAPCSOLÓDÓ SAJÁT PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE 33-3 -
Bevezetés, célkitűzések 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A korrózió és a kifáradás mellett a súrlódás, és az ennek következtében létrejövő kopás tartozik a mozgó gépelemek legjelentősebb elhasználódási mechanizmusai közé. A terhelésátadó elemek között kialakuló csúszás, súrlódást okoz. Az ilyen csúszósúrlódás idézi elő az érintkező felületek kopását, elhasználódását, végső esetben akár a gépelemek tönkremenetelét is. E károsodás elkerülésének egyik lehetséges megoldása lehet a polimer gépelemek alkalmazása, elsősorban azokban az esetekben, ahol ezt szilárdsági jellemzőik lehetővé teszik. A fém alkatrészek felcserélése műanyaggal a csúszó-súrlódó alkalmazásokban tribológiai vizsgálatokat igényelhet. A konkrét alkalmazás esetén elvégzett vizsgálatok többnyire bonyolultak és költségesek, elsősorban azért, mert egyetlen vizsgálat nem elegendő a tribológiai viselkedés megfelelő leírásához. Lehetséges megoldás az általánosan elfogadott (szabványosított) laboratóriumi vizsgálatok elvégzése, melyek kisméretű (small-scale) próbatesteket használnak fel. E kisméretű próbatest vizsgálatok előnyei magától értetődők (egyszerű a vizsgáló berendezés, kicsi terhelő erő, kis méretűek a próbatestek, könnyen beállíthatók a környezeti jellemzők és alacsonyak a költségek). A szakirodalomban több ilyen vizsgálati eredményt találhatunk, amelyek referenciaként segíthetik munkánkat. A műszaki polimerek tulajdonságainak laboratóriumi modell vizsgálatokkal történő meghatározása elsősorban a különböző anyagok összehasonlítására használható fel. Ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy nem várt hatások is felléphetnek alkalmazásuk során (kedvezőtlen hővezetés, feszültségeloszlás). Kritikus ipari esetekben a gépelemek pontosabb modellezése érdekében további nagyméretű próbatest (large-scale) vizsgálatok is ajánlottak a pontos tribológiai viselkedés feltérképezésére. A közelmúlt műszaki műanyagokkal végzett kisméretű próbatest vizsgálatai egyre szélesebb ismeretanyagot nyújtanak a korszerű szerkezeti anyagok tribológiai viselkedéséről. Ez a tény elsősorban a szabványosított tribo vizsgálati rendszereknek köszönhető, amelyek könnyen beszerezhetők, célirányosan kialakított vizsgáló berendezéseken gyorsan modellezhetők. Azonban a polimerek tribológiai tulajdonságainak ismerete még nem kielégítő. A műszaki polimerek általánostól eltérő vizsgálati jellemzőkkel mért tribológiai jellemzőiről - pl. nagy terhelés, kedvezőtlen érintkezési geometria - kevés adat áll rendelkezésre. Szintén nincs kellőképpen feltérképezve a polimerekkel párosított korszerű, gyémántszerű bevonatok (DLC) súrlódásra gyakorolt hatása, összehasonlítva a hagyományos anyagpárosításokkal. A polimerek tribológiai viselkedése erősen függ a súrlódó rendszer jellemzőitől és a felületi terhelés nagyságától. Ugyanakkor a polimerek anyagszerkezeti sajátosságai miatt (relatíve alacsony hőállóság) kiemelten fontos hatása van a hőmérsékletnek is a súrlódási kopási jellemzőkre. Az eddigi gyakorlat azt mutatja, hogy pontos tribológiai jellemzők nem határozhatók meg csak egyetlen modellen, a vizsgálati jellemzők változtatása nélkül végrehajtott kisméretű próbatest vizsgálatból. A jobb összehasonlíthatóság végett eltérő tribo modellekkel végzett vizsgálatokat kell elvégezni, különböző mérési paraméterekkel. Az általánosan elterjedt laboratóriumi modell vizsgáló berendezések közül csak kevés teszi lehetővé nagy felületi terhelések alkalmazását. Ez döntő mértékben függ az érintkezési geometriától, hiszen a felületi nyomás növelését a próbadarabok méretének lényeges változtatása nélkül csak az érintkezési felület csökkentésével (pont vagy vonali kezdeti érintkezésnél) érhetjük el. A terhelés tovább növelhető a próbatest geometriák megcserélésével (a kisebb méretű hengeres polimer próbadarab csúszik el a nagyobb fém síkon), és a megfogás módosításával, ezt valósítja meg a HENGER-SÍK elrendezés. A szakirodalomban található vizsgálatokra és vizsgálóberendezésekre általában igaz, hogy folyamatos egyirányú csúszósúrlódás (TŰ-TÁRCSA, HASÁB-HENGER, négy golyós vizsgálatok, stb.) előállítására alkalmasak. Valószínűleg ezzel magyarázható, hogy a szakirodalom a legtöbb esetben a már mozgásban lévő felületek közötti, ún. dinamikus súrlódási tényező (µ din ) értékeket - 4 -
Bevezetés, célkitűzések közli. Szükséges lenne a nyugalmi súrlódási tényező értékek ismerete is. Ezek ismeretében képet kaphatunk az adott polimer, akadó-csúszás (stick-slip) hajlamáról is. A nyugvó és mozgó súrlódási tényezők együttes, folyamatos meghatározására alkalmas vizsgálati modell a különböző frekvencián működtethető oszcilláló, vagy közismert nevén HFRR (High Frequency Reciprocating Rig) vizsgálat. Ide vonatkozó példát keveset találtam a polimer tribológiával foglalkozó szakirodalomban. A módszer korlátozott elterjedése a berendezés bonyolultabb felépítésével és ezzel együtt a drágaságával, valamint az eredmények bonyolultabb kiértékelésével magyarázható. A korszerű bevonatok tipikus képviselője a gyémántszerű karbon bevonatok (DLC) családjába tartozó DLN bevonat. Mivel nem nagy múltra tekinthetnek vissza - hiszen mindössze az 1980-as évek végétől beszélünk DLC-bevonatokról, - így a tribológiai jellemzőikkel foglakozó szakirodalom is még egyre bővül. Kifejlesztése során nagy kopásállóságú, kis felületi adhézióval rendelkező bevonat létrehozása volt a cél. Ennek megfelelően az eddigi tribológiai vizsgálatok is elsősorban a DLN-nek kemény ellendarabokkal szembeni kopásállóságát és mechanikai jellemzőinek hőmérséklet függését kutatják. Ettől lényegesen kevesebb a DLN-polimer súrlódó párok tribológai kutatásával foglalkozó szakirodalmak száma. A DLN bevonatok (kis felületi adhéziója miatt) egyik legjelentősebb alkalmazási területe lehet a polimer fröccsöntő berendezések nem-tapadó felületeinek a kialakítása. Ugyanakkor a súrlódási tényező mértéke nagymértékben függ a polimer típusától, ami lehetőséget adhat a DLN-polimer súrlódó párok gazdaságos felhasználásának is. Hasznosnak és korszerűnek tartanám az eltérő acél és DLN felületekkel párosított általánosan alkalmazott polimerek tribológiai kutatását. Ezzel elsősorban a feltételezhetően eltérő (nincs róla adat) hővezetési és adhéziós jellemzőkkel bíró felületek súrlódásra gyakorolt hatását vizsgálnám. 1.1. A kutatómunka célkitűzései Munkám célja műszaki polimer féltermékekből, illetve kompozitjaikból forgácsolással előállított próbatestek súrlódási és kopási tulajdonságainak vizsgálata különböző rendszerekben. Az eredmények értékelésekor a rendszerhez tartozó jellemzők összehasonlításán kívül célom a rendszertől független törvényszerűségek értékelése. Az értékelésben és a tézisekben megjelenő új információk részben alapkutatási eredmények, részben a mérnöki gyakorlat számára (csapágytechnika, hajtástechnika, csúszóvezetékek stb.) közvetlenül felhasználható ismeretek legyenek. A kutatások célkitűzései: A kiválasztott műszaki polimerek súrlódási és kopási jellemzőinek összehasonlítása kémiai és mechanikai jellemzőik függvényében, a vizsgált anyagok rangsorolása. Alapvető felületi tönkremeneteli (kifáradási, adhéziós ) folyamataiknak leírása eltérő száraz csúszó súrlódási vizsgálatok eredményei alapján. A polimerek túlterheléssel szembeni viselkedésének, az eltérő kenőanyagok adott (önkenő) polimerek tribológiai viselkedésére gyakorolt hatásának a meghatározása. Korszerű bevonatok (DLN gyémántszerű karbon bevonat) műszaki polimerek csúszósúrlódására gyakorolt hatásának a vizsgálata, hagyományos bevonat nélküli (acél) felülettel szemben, az eltérő felületek adhéziós és hővezetési jellemzésén keresztül. A kapott eredmények hozzájárulhatnak a DLN bevonat jövőbeli alkalmazási lehetőségeinek optimalizálásához, bővítéséhez. További cél a kiválasztott polimerek optimális üzemeltetési feltételeinek a meghatározása, segítségnyújtás az alkalmazási körülményeknek megfelelő polimerek kiválasztásához. - 5 -
Bevezetés, célkitűzések A vizsgált polimerek kiválasztása elsősorban a polimer gépelemeket (csapágyakat, fogaskerekeket, csúszóvezetékeket, stb.) gyártók és felhasználók igényeinek a felmérése alapján történt. A felméréseket a Teraglobus Kft.-vel és a vele kapcsolatban álló Quadrant EPP-vel végzett interjúkra alapoztam. Ezek alapján és a célkitűzésekben meghatározott eltérő kenőanyag adalékok, és mechanikai jellemzők hatásának vizsgálatára választottam ki öt eltérő műszaki polimert. A vizsgált polimerek között a poliamidok széles típus választékából három öntött poliamid (PA 6G nátriumkatalizálású, PA 6G k olaj kenőanyaggal adalékolt, és a PA 6G-Mg magnéziumkatalizálású) került a vizsgált anyagok közé. Ezeken kívül a polioximetilénnek (poliacetál) a homopolimer (POM H) és a polietilén-tereftalát PTFE (teflon) tartalmú típusa (PETP k) szerepelt a mérésekben. Mindegyik vizsgált anyag hőre lágyuló (termoplasztikus), részbenkristályos (szemi-kristályos) műszaki polimer. - 6 -
A kutatás módszerei 2. A KUTATÁS MÓDSZEREI 2.1. A kísérletek helyszíne A bevezetésben megfogalmazott célkitűzések megvalósításához alkalmazott kísérleti módszereket két csoportra osztottam, és a méréseket két helyszínen végeztem el. Az értekezés első felében öt fajta kisméretű hengeres polimer próbatest súrlódási kopási viselkedését vizsgálom HENGER-SÍK modell rendszerben, azonos anyagminőségű, de eltérő felületi érdességű acél sík ellendarabon. Az eltérő polimer/acél párok elmozdulása egymáshoz képest külső kenés nélkül, száraz lineáris csúszó súrlódású rendszerben történt. Az ehhez szükséges vizsgáló berendezéseket a Genti Egyetem Gépszerkezetek és Gépgyártás Tanszéke (Ghent University, Laboratory Soete, St Pietersnieuwstraat 41, B-9000 Gent, Belgium) bocsátotta a rendelkezésemre, az OTKA T 032590 számú kutatási projekt keretében. Munkám folytatásaként tovább vizsgáltam a kijelölt műanyag típusokat, TŰ-TÁRCSA modell rendszerben, száraz folyamatos csúszósúrlódás mellett. Az vizsgálatok célja elsősorban a DLN felület-polimerek súrlódására gyakorolt hatásának elemzése volt. A vizsgálatokat a VITO Flamand Anyagvizsgálati Intézetben (Flemish Institute for Technological Research, Boeretang 200, B-2400 Mol, Belgium), az OMFB TéT B-9/98, BIL 98/72, Flamand-magyar nemzetközi kutatási együttműködés keretében az Intézet berendezéseivel végeztem el. A kiegészítő kutatások (felületi energia meghatározására szolgáló folyadék csepp vizsgálat, hővezetés és súrlódási nyomok vizsgálata) jelentős részét is itt végeztem el. (A polimer próbatestek HENGER-SÍK modell rendszerben kialakult rugalmas alakváltozására és annak vizsgálatára, szolgáló kiegészítő méréseket - kúszás, statikus alakváltozás vizsgálat - Magyarországon, a SZIE Gödöllő, Gépgyártás és Javítástechnológia Tanszék dinamikus tribológiai vizsgáló berendezésén végeztem el.) 2.2. A vizsgált anyagok Polimer hengeres próbadarabok A poliamidok közül a PA 6G a nátriumos katalizálású típus, amit referencia anyagként alkalmaztam a vizsgálataimban. Ezek az öntött poliamidok több éve stratégiai műszaki műanyagnak számítanak világszerte, ami a kedvező teljesítmény/ár aránynak köszönhető. A PA 6G k szintén nátriumos katalizálású poliamid, amely 8 súly %-ban ásványi olajat (ondina minőség) tartalmaz (egyenletesen diszpergált 2-6 µm átmérőjű olaj gömbök formájában) a részecske erősítésű kompozitok szerkezetének megfelelően. A polimer mátrixban elhelyezkedő olajcseppek gyengítő hatása a nátriumos PA 6G esetében a keménység és rugalmassági modulus csökkenésében nyilvánul meg. Ugyanakkor a polioximetilének (poliacetál) a homopolimer (POM-H) és a polietilén-tereftalát szilárd PTFE (teflon) tartalmú típusa (PETP k) is szerepelt a mérésekben. A gyártó által használt anyagjelöléseket, és az ezeknek megfelelő (továbbiakban használt) saját jelöléseket, az 1. táblázat tartalmazza. 1. táblázat. Polimer anyagok jelölése a dolgozatban Saját jelölés Teljes megnevezés Forgalmazott megnevezés PETP k polietilén tereftalát+teflon ERTALYTE TX POM-H polioximetilén homopolimer ERTACETAL H PA 6G k öntött poliamid + ásványi olaj ERTALON LFX PA 6G nátrium katalizálású öntött poliamid ERTALON 6 PLA PA 6G-Mg magnézium katalizálású öntött poliamid TERAMID - 7 -
A kutatás módszerei A belső kenésnek és az eltérő katalizálási folyamatnak jelentős szerepe lehet a súrlódási és a kopási folyamatok alakulásában, mivel a polimer felületi energiaviszonyait is befolyásolják, nemcsak a mechanikai tulajdonságokat. A hengeres próbadarabok mindegyike forgácsolással készült. A polimer próbadarabok kialakítása az alkalmazott laboratóriumi modell rendszernek megfelelően változott: HENGER-SÍK rendszerben átmérője, 6 mm, hossza l=12 mm (lásd. 1. ábra.) TŰ-TÁRCSA rendszerben átmérője, 5 mm, hossza l=10 mm (lásd. 3. ábra.) A vizsgálatban szereplő polimerek közül a Teramid (PA 6G Mg) márkanevű anyagokat a Műanyagipari Kutató Intézet fejlesztése alapján a Teraglobus, az Ertalon minőségeket (PA 6G, PA 6G k, POM-H, PETP k) a Quadrant Engineering Plastic Products (eredetileg DSM EPP Polypenco) gyártja. Acél síklap próbatest HENGER-SÍK vizsgálatokhoz A polimer próbatestek ellenfelülete nemesített 40CrMnNiMo8 (BÖHLER M238 ECOPLUS, DIN 12738) ötvözött szerkezeti acél, amelyet elterjedten használnak az európai mérnöki gyakorlatban. Jellemzői: keménysége 300 HV; rugalmassági modulusza E=210GPa; és hővezetési tényezője (20 C-on) 30 W/(m K). A HENGER-SÍK vizsgálatoknál az acél lap méretei 58 38 4mm. Az acél lapok felületének előkészítésére kétféle módot alkalmaztam. A próbatestek felét finoman köszörülték, (R a =0,1-0,3 R z =0,6-1,6 µm, továbbiakban ezt a felületet D betűvel jelölöm) a többi felületet köszörülés után políroztam. A felületek polírozását (GRIT 400-as és GRIT 600-as) szemcsefinomságú SiCcsiszoló vászonnal, gépi úton végeztem a kívánt finom felületi érdesség eléréséig (R a =0,02-0,08 R z =0,1-0,4 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. Acél tárcsa próbatest RÚD-TÁRCSA vizsgálatokhoz A RÚD-TÁRCSÁN mérésekhez acél ellentárcsát használtam, amelyek egy részét DLN bevonattal láttam el, másik része DLN bevonat nélkül készült. Az acél minősége megegyezik a HENGER-SÍK rendszerben alkalmazott acél minőségével. A kialakítás változott: 51 mm átmérőjű, 6 mm vastag tárcsát használtam. A DLN 180 az oxigént tartalmazó DLC bevonatok széles típusválasztékának Si hozzáadásával készített változata 2 µm vastagsággal és 1500 HV keménységgel (szemben az alap acél 300 HV keménységével). A szilícium gátolja a keresztkötésű struktúra kialakulását, így alacsonyabb felületi energiával rendelkezik, mint a DLC (közelítőleg 35mN/m). Ez alacsonyabb adhéziót és súrlódást eredményez, a mechanikai jellemzők kismértékű romlása mellett. A DLN bevonatot kopásálló gépelemek bevonására használják, az orvosi műszerek, elektronika, irodatechnika, katonai berendezések, stb. területén. 2.3. HENGER-SÍK modell vizsgálati eszközök, vizsgálati paraméterek A vizsgálatok fő célja acélon csúszó kisméretű polimer próbatestek súrlódási jellemzőinek a meghatározása volt. A laboratóriumi vizsgálatokat váltakozó irányú csúszó súrlódást létrehozó HENGER-SÍKON rendszerben végeztem el. Az érintkezési geometria lehetővé teszi a próbatest kis méretei mellett a nagy érintkezési nyomás létrehozását, ezért a vizsgálatoktól a nagy terhelésű - 8 -
A kutatás módszerei polimerek súrlódási jellemzőiről vártunk eredményeket. Berendezés A kísérleti berendezés, amit az 1. ábra mutat be, kis amplitúdójú rezgő vizsgálatra alkalmas széles körben használt PLINT tribometer (TE 77 High Frequency Tribotest). Az ábra bal felső részén látható az alternáló csúszó mozgást végző polimer henger próbatest (2), amely az alatta lévő rögzített acél lapon (3) csúszik tengelyére merőleges irányban. A polimer hengert a mozgó befogó fejben (1) két csavar (4) elfordulásmentesen rögzíti, ami biztosítja a tiszta csúszást a vizsgálat során. Változtatható fordulatszámú motor (7) excenteres hajtóművön keresztül váltakozó irányban mozgatja a polimer próbatestet. Az acél ellendarabot a nyugvó tartóhoz csavarok rögzítik. A próbatest keresztirányú helyzetének beállítására csúszó vezeték és (11) rögzítő csavarok szolgál. A csúszó vezeték alapját képező alsó részt (9) négy laprugó (8) rögzíti a géptesthez (10). A rugók függőleges irányban merevek, de vízszintesen rugalmasak. Az acéllap vízszintes elmozdulását és az ezt okozó erőhatást (a súrlódási erőt) az elé helyezett piezo-elektromos erőmérő cella (13) érzékeli. 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 polimer próbatest függőleges elmozdulását az acél lap felé, ami a kopást jelzi (14). A próbatestek méretei szintén láthatóak az 1. ábrán. A hengeres polimer próbatest átmérője, 6 mm, hossza l=12 mm, az acél lap méretei 58 38 4 mm. 1. ábra. PLINT TE 77 nagyfrekvenciás súrlódás vizsgáló berendezés felépítése és a próbadarabok méretei. (1) mozgó befogó; (2) polimer 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) piezoelektromos erőmérő cella; (14) távolságérzékelő kopásmérő; (15) légkondícionáló szekrény - 9 -
A kutatás módszerei Vizsgálati paraméterek A ténylegesen értékelt méréseket számos próbamérés előzte meg a konkrét vizsgálati beállítások meghatározására. Minden vizsgálat során a hőmérséklet és a páratartalom a normál környezeti jellemzőknek megfelelő állandó érték (30 C és 50 % RH). A környezet változatlan értéken tartása érdekében a vizsgálati rendszert zárt térbe helyeztük, ahol a szabályzást légkondícionáló egység végezte (1. ábra -15. egység). A kisméretű próbatest vizsgálatok jellemzőit a 2. táblázatban láthatjuk. 2. táblázat. Vizsgálati paraméterek Vizsgálati paraméterek I. kategória II. kategória Acél ellendarab felületi érdessége, R z [µm] 0,1-0,4 0,6-1,6 0,1-0,4 0,6-1,6 Vizsgálat időtartama, t [óra] 2 1 Terhelés, F N [N] 100 200 Elmozdulás frekvenciája, f [Hz] 30 Sebesség, v [m/s] 0,27 Lökethossz, s [mm] 4,62 Relatív páratartalom, RH [%] 50 Környezeti hőmérséklet, T [ C] 30 A vizsgálatokat két terhelés szinten végeztem el: F N =100 N és F N =200 N. A vizsgálati időt a nagyobb terhelésen felére csökkentettem, hogy az eltérő terhelések ellenére 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 polimer típust vizsgáltam mindkét terhelésen és mindkét felületi érdességű acéllemezen. Kopás térfogat, és a fajlagos kopás meghatározása A súrlódás közbeni folyamatos elmozdulás mérés alkalmas az egyes löketek alatti fajlagos kopás változásának a meghatározására, mivel a löketek között az alakváltozás és a hőtágulás állandónak tekinthető. Azonban az alakváltozás és a súrlódási hőfejlődésből származó lineáris hőtágulás zavaró hatást gyakorol a terhelés és csúszás folyamán végzett kopásmérésre. A műanyag próbatestek mérés közbeni deformációs viselkedésének megértéséhez nyújt segítséget a 2. ábra. Az ábrán látható, hogy a csúszó súrlódás megindulásakor, a kopás hirtelen növekedésével párhuzamosan a vonali érintkezés valójában már nyugalmi állapotban sem beszélhetünk vonali érintkezésről - gondoljunk itt a Hertz feszültség szerepére - folyamatosan növekvő felületi érintkezésbe vált át, aminek következtében a kontaktzónában 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. A zavaró hatások kizárására, a teljes vizsgálatra vonatkozó pontos kopás mélység meghatározását más úton kell elvégezni. Ezt a befolyásoló tényezők nélküli, valós kopásértéket a hengeres próbatest vizsgálat előtti és utáni átmérőinek a különbsége adja (a pontos tömegmérési - 10 -
A kutatás módszerei módszer a kismértékű kopások miatt nem járt kielégítő eredménnyel). Az átmérő méréseket mérőmikroszkóp (Zeiss típus) segítségével, 1µm-es pontossággal végeztem. A méréseim polimer kopási eredményeit a vizsgálati kategóriák szerinti csoportosításban a 4. és az 5. táblázat tartalmazza. (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 a vizsgálatok elsősorban a hiba nagyságrendbeli értékének a meghatározására vonatkoztak a jövőbeli vizsgálatok pontosabbá tételére.) 2. ábra. A mért elmozdulás értékének összetevői a súrlódás megindulásakor A kopást, mint relatív fogalmat többféleképpen definiálja a szakirodalom. Lényege, hogy az abszolút mért kopást (pl. mm, mm 3, vagy gramm) vonatkoztatja egy meghatározó rendszerjellemzőre. Én a méréseimnél a kopást mm 3 /Nm-ben definiálom, ami egységnyi normálterhelés és 1m siklási útra vonatkoztatott próbatest térfogat vesztesége. A kopástérfogatot (V kopadék ), a kopásmélységnek megfelelő hengerszelet térfogatával adom meg. Ebből a fajlagos kopás meghatározása: A fajlagos kopás meghatározása: -csúszási úthossz (L): L csusz =2 s f t [m] -fajlagos kopás (k): k=v kopadék /(L csusz F N ) [mm 3 /N m] ahol: -lökethossz s=4,64 mm==4,64 10-3 m -frekvencia f =30 Hz -idő t =3600 s; 7200 s; -kopási térfogat V kopadék, [mm 3 ] -csúszási úthossz L csúszási, [m] -normálerő F N =100 N; 200 N - 11 -
A kutatás módszerei 2.4. TŰ-TÁRCSA modell vizsgálati eszközök, vizsgálati paraméterek Ebben a modell rendszerben a vizsgálatok fő célja a kisméretű polimer próbatestek acéllal és DLN (gyémántszerű karbon bevonat) bevonattal szembeni csúszó súrlódási jellemzőinek a meghatározása volt. A laboratóriumi vizsgálatokat szabványos elvű folyamatos csúszó súrlódással működő TŰ-TÁRCSA rendszerben, szabványosított (ASTM 699-95a) vizsgáló gépen történt végeztem, az ellenfelületen bekövetkező változásokat optikai úton figyeltem meg. A kapott eredmények hozzájárulnak a DLN bevonat alkalmazási lehetőségeinek optimalizálásához, kibővítéséhez is. Berendezés A 3. ábra mutatja a laboratóriumi mérő berendezés (WAZAU TRM 1000 tribométer) vázlatát a fő elemekkel, ezek elrendezésével, a terhelés átvivő és pozícionáló elemekkel. A mozgó befogófejbe rögzített polimer próbatest folyamatos forgó mozgást végez. A polimer henger homlok felülete érintkezik az alsó tárcsa síklapjával, állandó érintkezési felület mellett. A nyugvó acél, illetve DLN bevonatú tárcsa alaplapra van rögzítve, és azon keresztül, kar és terhelő súly segítségével mechanikusan hozza létre a nyomóerőt a tárcsa és a fenti polimer próbatest között. A súrlódó elemek közül a fém próbatest, mint merev anyag értelmezett a polimer próbatesttel szemben. A vizsgálatok alatt a fém ellentárcsa adott pontján mértem a súrlódó tárcsa hőmérsékletét, amit a későbbiekben tárcsa hőmérsékletnek nevezek (3. ábra b része. ábrán *-al jelölve). Lehetőség van, a polimer henger magasság csökkenéséből, a kopás folyamatos mérésére is a vizsgálat során. A TŰ-TÁRCSA rendszerben a polimer hosszváltozásából meghatározott kopás érték kevésbé függ a geometriától, a rugalmas alakváltozástól, mint HENGER-SÍK vizsgálatoknál. Ennek ellenére méréseim során olyan kis kopások jöttek létre (kis terhelések), amelyeknek pontos, összehasonlításra alkalmas, meghatározására nem volt módom (még a súlymérés sem vezetett eredményre). a) b) 3. ábra. a) A próbatestek elhelyezkedése és mérete a TŰ-TÁRCSA vizsgálati rendszerben b) Vizsgáló berendezés: WAZAU TRM 1000 TRIBOMETER 1-rögzített DLN vagy acél tárcsa, 2-forgó befogófej a hengeres polimer próbatesttel, 3-súrlódási sugár beállító sín, 4-terhelő rendszer, 5-erőkar, 6-súlyok, 7-függőleges vezetékekbe fogott támasztó oszlopok, *-tárcsa testhőmérséklet mérésének pontja - 12 -
A kutatás módszerei Vizsgálati paraméterek A konkrét vizsgálati paraméterek alapján két mérési kategóriát állítottam fel, amelyek jellemzői a 3. táblázatban láthatók. A vizsgálati időt úgy határoztam meg, hogy minden anyagtípusnál a súrlódás a stabil szakaszba érhessen és kialakulhassanak az értékelhető anyagátviteli folyamatok. Mindkét kategóriában két súrlódási sugáron végeztem a vizsgálatokat tárcsánként, részben gazdaságossági megfontolásokból, részben az eltérő geometriából adódó hőleadási különbségek súrlódásra gyakorolt hatásának vizsgálata érdekében. Az öt műanyaghoz mind acélon, mind DLN felületen elvégeztem a vizsgálatokat a két kategória beállításaival, ami összesen 40 mérést jelentett. 3. táblázat. TŰ-TÁRCSA vizsgálati paraméterek VIZSGÁLATI PARAMÉTEREK I. kategória II. kategória Lemez/tárcsa R z felületi érdessége, [µm] 0,04-0,08 Vizsgálat időtartama, t [óra] 1 Terhelés, F N [N] 10 ( 0,5 MPa) 35 ( 1,78 MPa) Sebesség, v [m/s] 1 0,5 Relatív páratartalom, RH [%] 50 Környezeti hőmérséklet, T [ C] 20-25 Súrlódási sugár, r [mm] 14, 21 2.4. Kiegészítő vizsgálatok Az eredmények értékelése során szükségesnek láttam további vizsgálatokat. Ezek az érintkező felszínek felületi energia viszonyainak feltárására, és a súrlódás során lerakódó anyag rétegek (elsősorban polimer) megfelelő nagyításban történő felületi fényképezésére, és vastagságuk mérésére vonatkoztak. Felületi energia vizsgálata folyadékcsepp érintkezési szög (Drop test) vizsgálatával Számomra elérhető és alkalmas módszernek a felületre tapadt folyadék csepp érintkezési szögének mérése szolgált, amelyet közimerten Sessile Drop (SD) eljárásként neveznek. Az eljárás során a szilárd anyagok felületi energiája két különböző, ismert felületi feszültségű folyadék sorozattal határozható meg részletesen. Az anyagok (teljes) felületi energiájának (γ) [mn/m], a diszperziós (γ d ), [mn/m] és poláros (γ p ), [mn/m] komponensek összegét tekintik: γ=γ d+ γ p [mn/m] Vizsgálataim során két eltérő folyadékot, vizet és diodometánt (CH 2 I 2 ) külön-külön alkalmaztam csepp formájában a felületi energia diszperziós és poláris összetevőjének meghatározásához. Ezek összegzésével határoztam meg a teljes felületi energia értékét. A felületek vizsgálat előtti tisztítását etanollal végeztem. A felületeken keletkezett súrlódási nyomok mikroszkopikus vizsgálatai A súrlódás vizsgálatokat követően a csúszási felületeket is feltérképeztem arra vonatkozólag, hogy milyen mértékű polimer letapadás jött létre rajtuk a csúszósúrlódás során. A felületekről azok tanulmányozásához mindkét vizsgálati csoportban készültek felvételek (példa: 9. ábra). - 13 -
A kutatás módszerei A lerakódott polimer film vastagságának közelítő vizsgálata a felületi érdesség mérésével A súrlódás során lerakódott (polimer) rétegek összehasonlításának egyszerű és gyors módja a felületi érdességmérés. A vizsgálatok helyszínétől függően eltérő módokon (két eltérő súrlódás előtti, R z1 és az azt követő, ugyanazon a helyen mért R z2 értékének különbségével, és az érdesség profil kirajzolásával) végeztem el a rétegvastagságok vizsgálatát (példa: 13. és 14. ábrák). - 14 -
Vizsgálati eredmények 3. VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK 3.1. Polimerek acél felületen vizsgált csúszó súrlódási és kopási eredményei, HENGER-SÍK laboratóriumi modell rendszerben A vizsgálatok során mind a statikus, mind a dinamikus súrlódási tényező értékek meghatározásra kerültek. Az ábrákból megállapítható, hogy a statikus súrlódási tényezők általában, minden vizsgálati beállítás mellett meghaladják a dinamikus súrlódási tényezők értékét (azok 55-65 %-val), és jól követi azok lefutását. Ezért a továbbiakban következetesen a dinamikus súrlódási tényezők értékeit fogom bemutatni az értékelések során. 3.1.1. Súrlódási és kopási eredmények 2óra/100N-nál (I. mérési kategória) Az I. kategóriában mért dinamikus súrlódási tényezők értékeit a 4. ábra foglalja össze. Minden műanyagnál az első oszlop a sima (Rz=0,1-0,4 µm), a második oszlop pedig az érdes (Rz=0,6-1,6 µm) fém felületen mért dinamikus súrlódási tényezőt jelöli. Minden esetben az oszlopok magassága a súrlódási tényező uralkodó értékét képviseli, ugyanakkor a mérési idő alatt mutatott maximális súrlódási tényezőt az oszlop feletti fekete ponttal jelöltem. Az ábrázolt értékek mindegyike a háromszor ismételt azonos jellemzőkön végrehajtott mérés átlagát jelöli. 4. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői eltérő érdességnél a I. Kategóriában mérve (csúszási úthossz 2000 m, F N =100 N, felület: S (R z =0,1-0,4 µm) és D (R z =0,6-1,6 µm) Általánosságban megállapítható, hogy a súrlódási tényezők kisebbek az érdesebb felületen mérve. Ugyanakkor a kopás kisebb sima felületen. A súrlódás szempontjából a teljes csúszási időtartamra vonatkoztatva a legkisebb értékekkel a PETP k és a POM-H rendelkezik, mind sima, mind érdes felületen mérve. A POM-H esetében a felületi érdesség jelentős hatást gyakorol a súrlódásra (S felületen µ stabil =0,29 - D felületen µ stabil =0,25). A csúszási folyamatokban a kezdeti csúcs értékét követően gyorsan eléri az állandósult értékét. A POM-H fajlagos kopás értéke a legkisebb mindkét felületi érdességen. - 15 -
Vizsgálati eredmények A PETP k esetében kicsi, a felületi érdességtől függő súrlódási tényezők (S felületen µ stabil =0,31 - D felületen µ stabil =0,21) tapasztalhatók, ami a PTFE kenőanyag súrlódásra gyakorolt előnyös hatásáról árulkodik. Sima felületen hosszú felfutási periódus (az első 850 m-en növekszik a súrlódás) látható, mielőtt a súrlódási görbe a stabil szakaszát elérné. Érdes felületen ez a felfutási periódus lecsökken 200 m súrlódási úthosszra. A fajlagos kopás mindkét esetben, egymáshoz közeli, kis értéket vesz fel ( 1 10-6 -1,4 10-6 mm 3 N -1 m -1 ). A poliamidok (PA) súrlódási tényezője és fajlagos kopása az előző két műanyagétól lényegesen nagyobb mindkét felületi érdességnél. A poliamidok közül a PA 6G k a vizsgálat elején jobb csúszási jellemzőkkel bír, mint a referenciaként szolgáló PA 6G és PA 6G-magnézium, ami bizonyítja a belső kenőanyag hatását. Később azonban az olajjal töltött poliamid esetében az alacsony értékű súrlódási tényezőből egy lényegesen magasabb értékbe való meredek átmenet tapasztalható (a 4. ábrában a kettős oszlopok jelölik). Sima felületen hosszabb ideig kicsi marad a súrlódási tényező (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. A PA 6G k-ban az olaj kenőhatása az olajgömbök felületi felszabadulásán alapszik. Így fejti ki kenőhatását az érintkezési zónában, ezért a súrlódási tényező emelkedése összefügg a súrlódás során a csúszási felületen keletkező elkenődésekkel és alakváltozásokkal. Az olajgömböcskék poliamidból történő diffúzióját és felnyílását a poliamid olvadása és alakváltozása, 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 tér el lényegesen a kenőanyag nélküli PA 6G súrlódásától, amint ez a 4. ábrán jól látható. A poliamid csúszó felületének a kopása erőteljesebb érdes felületen, ahol az alakváltozás jelentősége is erősen megnövekszik. A kenő hatás lecsökkenését vagy megszűnését követően a PA 6G k löketenkénti fajlagos kopása növekedni kezd, amint ezt a 12. ábrán bemutatom. A PA 6G k nagyobb terhelésen már kedvezőbb súrlódási tényezőt mutat, mint a PA 6G vagyis az olajjal kent poliamid védettebb a túlterhelések ellen. A PA 6G-Mg súrlódási tényezője 20-25%-al nagyobb, mint a nátrium katalizálású PA 6G-é. Ez részben nagy felületi szívósságából és az ellendarabhoz kötődő megnövekedett tapadásából következik. Ugyanakkor ebben a mérési kategóriában a PA 6G- Mg kopási ellenállása lényegesen jobb, mint amit a natúr PA 6G mutat. Kopási eredmények 2óra/100N-nál (I. mérési kategória) A 2000 m csúszási úton, 100 N terhelésen létrejött teljes méretcsökkenés - a próbatest teljes átmérő csökkenésének három ismételt mérésből származó átlaga - és az ebből számított fajlagos kopás értékek a 4. táblázatban láthatók. Normal terhelés, (N) Felületi minőség Kopás, (µm) 4. táblázat. A teljes méretcsökkenésből számított fajlagos kopás 2000 m csúszási úton 100 N terhelésen PETP k POM-H PA 6G k PA 6G PA 6G-Mg 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 ) 100 S 37 1,46x10-6 8 1,51x10-7 78 4,79x10-6 162 1,35x10-5 101 6,29x10-6 D 30 1,02x10-6 27 8,99x10-7 479 6,35x10-5 267 2,72x10-5 129 9,13x10-6 A 4. táblázat alapján a kopási eredményeket három nagyságrendbe 10-7, 10-6 - 16 - és
Vizsgálati eredmények 10-5 (mm 3 N -1 m -1 ) sorolhatjuk, mindkét felületi érdességnél. A rangsorból látható, hogy a POM-H és a PETP k kopása a legkedvezőbb mindkét felületen. A PA 6G-Mg és a PA 6G sorrendje sem változott, ellenben a PA 6G k kopása ugrásszerűen megnő a D felületen. 3.1.2. Súrlódási és kopási eredmények 1óránál 200N terhelésen (II. kategória) A II. kategóriában kapott dinamikus súrlódási tényezők összegyűjtött értékeit az 5. ábra mutatja be. 5. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői eltérő érdességnél a II. Kategóriában mérve (csúszási úthossz 1000 m, F N =200 N, felület: S (R z =0,1-0,4 µm) és D (R z =0,6-1,6 µm) Összehasonlítva a 4. és az 5. ábrát 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 D felületen mérve. Az a hosszú emelkedés, ami alacsonyabb terhelésen sima felületnél fennállt a súrlódási tényező értékében, nagy terhelésnél alig észrevehető. 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 (3 10-7 -4,7 10-7 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 k súrlódási tényezői között lényegesen nagyobb, mint az I. kategóriában. Ugyanakkor itt is megfigyelhető a kisebb súrlódásból a nagyobb súrlódásba való átváltás, hasonlóan a kisebb terhelésű kategóriában tapasztaltakhoz. A végső stabilizálódott érték azonban kisebb a nagyobb terhelés alatt. A fajlagos kopás közel azonos a sima felületen mérve PA 6G és a PA 6G k esetében ( 3,3 10-6 mm 3 N -1 m -1 ). Ha a PA 6G kopási térfogatának növekedését összevetjük a dinamikus súrlódási tényezőjével, a 11. ábra segítségével láthatjuk, hogy - 17 -
Vizsgálati eredmények érdes felületen a kopás térfogat (vele együtt a löketenkénti fajlagos kopás) hirtelen lecsökken egy adott súrlódási út megtétele után. Ez az időtartam egybeesik a súrlódási görbén tapasztalt tranziens ponttal, és szoros összefüggésben van a polimer átviteli (transzfer) folyamatban beálló változással (az eddig durva polimer film felület kisimul). A PA 6G-Mg súrlódási tényezőinek emelkedése és a tendenciák hasonlóak mind kis, mind nagy terhelésen, de a stabilizálódott érték csökken nagyobb terhelés alatt. Nagyobb terhelés alatt a súrlódási tényezők azonosak (µ stabil =0,62), de jelentős eltérés tapasztalható a kopásban, mivel a kopás érdes felületen lényegesen nagyobb értéket ér el (1 10-4 mm 3 N -1 m -1 ). Az 5. táblázatban szereplő fajlagos kopás értéke három mérés teljes átmérőcsökkenésének átlagolt értéke. Normál terhelés, (N) Felületi minőség 5. táblázat. A teljes méretcsökkenésből számított fajlagos kopás1000 m csúszási útra, 200 N terhelésen Kopás, (µm) PETP k POM-H PA 6G k PA 6G PA 6G-Mg 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 22 6.54x10-7 13 3.02x10-7 64 3.3x10-6 65 3.33x10-6 177 1.45x10-5 200 D 25 8.21x10-7 18 4.72x10-7 141 1.04x10-5 294 3.29x10-5 706 0.000113 Az 5. táblázat alapján a kopási eredmények között itt is nagyságrendi eltérések vannak mindkét felületi érdességnél. Ezek szerint a POM-H és a PETP k kopása a legkedvezőbb mindkét felületen. A PA 6G k a PA 6G és a PA 6G-Mg sorrendje sem változott, azonban a PA 6G-Mg kopása olyan kritikusan megnőtt a D felületen, ami az eredmény értékelhetőségét is megkérdőjelezi. - 18 -
Vizsgálati eredmények 3.2. Polimerek eltérő felületeken vizsgált súrlódási és kopási eredményei TŰ-TÁRCSA modell rendszerben Az eltérő polimerek tribológiai jellemzőinek összehasonlítására a mérések során meghatározott dinamikus súrlódási tényezők stabilizálódott értékeit 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 (*-al jelölve, 3. ábra b része) mért test hőmérséklet által elért maximális értéket. Az oszlopok felett látható ponttal a mérés megállítását követően a súrlódási nyomban (felületen) mért hőmérséklet értékeket ábrázoltam. Súrlódási tényező 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 70 60 Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői DLN bevonaton eltérő súrlódási sugáron, v=1 m/s; F=10 N (pv=0,5 N/mm2 m/s) PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg jellemző súrlódási érték a) maximum súrlódási érték DLN bevonaton való súrlódásból eredő eltérő helyen mért maximális blokk, és a súrlódást követően mért felületi hőmérséklet értékei, ( v=1 m/s, F=10 N ) Súrlódási tényező 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 70 60 Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői acél felületen eltérő súrlódási sugáron, v=1 m/s; F=10 N(pv=0,5 N/mm2 m/s) PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg jellemző súrlódási érték b) maximum súrlódási érték Acél felületen való súrlódásból eredő eltérő helyen mért maximális blokk, és a súrlódást követően mért felületi hőmérséklet értékei, ( v=1 m/s, F=10 N ) Hőmérséklet; ( C) 50 40 30 20 Hőmérséklet; ( C) 50 40 30 20 10 10 0 PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete c) d) 6. ábra. Eltérő polimerek 1m/s csúszási sebességen, 10 N terhelésen, 14 vagy súrlódási sugáron mért dinamikus súrlódási tényezője és hőmérsékletei 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 adott ponton mért (test) hőmérséklet maximuma, és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet, d) acél tárcsában keletkező adott ponton mért (test) hőmérséklet maximuma, és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet - 19-0 PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete Az 6. ábrán összegzem az 1m/s-10 N terhelésen (I. kategória) vizsgált műszaki polimerek dinamikus súrlódási jellemzőit, a) DLN és b) acél felületen mérve, az ábra c) és d) része pedig
Vizsgálati eredmények ugyanezen felületeknek, és mérési kategóriáknak megfelelően mutatja a tárcsa test és a súrlódó felület véghőmérsékletét. A 7. ábra ábrázolja a 0,5m/s-35 N terhelésen (II. kategória) vizsgált műszaki műanyagok dinamikus súrlódási jellemzőit az előbbiekben tárgyalt módon. 3 Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői DLN bevonaton, eltérő súrlódási sugáron, v=0,5 m/s; F=35 N (pv=0,89 N/mm2 m/s) 3 Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői acél felületen, eltérő súrlódási sugáron, v=0,5 m/s; F=35 N (pv=0,89 N/mm2 m/s) 2.5 2.5 Súrlódási tényező 2 1.5 1 Súrlódási tényező 2 1.5 1 0.5 0.5 0 0 Hőmérséklet; ( C) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg jellemző súrlódási érték a) maximum súrlódási érték DLN bevonaton való súrlódásból eredő eltérő helyen mért maximális blokk, és a súrlódást követően mért felületi hőmérséklet értékei, ( v=0,5 m/s, F=35 N ) PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete - 20 - PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg jellemző súrlódási érték b) maximum súrlódási érték Acél felületen való súrlódásból eredő eltérő helyen mért maximális blokk, és a súrlódást követően mért felületi hőmérséklet értékei, ( v=0,5 m/s, F=35 N ) c) d) 7. ábra. Eltérő polimerek 0.5m/s csúszási sebességen, 35 N terhelésen, 14 vagy súrlódási sugáron mért dinamikus súrlódási tényezője és hőmérsékletei 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 (test hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet, d) acél tárcsában keletkező hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (test hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet Hőmérséklet; ( C) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 PETP k POM-H PA 6G k PA 6 G PA 6G-Mg tárcsa blokk hőmérséklete súrlódó felület vég hőmérséklete Ha megnézzük a 6. és a 7. ábra oszlopdiagramjait, 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 megállapítható, hogy a dinamikus súrlódási tényező csökken a növekvő érintkezési nyomással. Az ábrákból világosan látszik, hogy POM-H és PA 6G k súrlódása minden kategóriában alacsonyabb DLN ellenfelületen, mint acél ellenfelületen mérve, a PETP k-nál pedig közel egyenlő a súrlódás mindkét kategóriában. Kisebb terhelésen az anyagok súrlódására nem volt lényeges hatása az eltérő súrlódási sugaraknak, míg nagyobb terhelésen, a nagyobb súrlódási sugáron alacsonyabb súrlódási tényező értékek voltak
Vizsgálati eredmények megfigyelhetők. 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 polimer a nagyobb súrlódási sugáron mérve. A súrlódási tényező diagrammjából tett megállapítások nyomon követhetők a hőmérséklet diagrammokon is. A PETP k, POM-H, PA 6G k esetében tapasztalt alacsony súrlódás alacsony tárcsa 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 tárcsa hőmérsékletet jelent. Ez indokolja a súrlódási sugárral meghatározott eltérő felületek hőeloszlásának és a tárcsa hőelvezető képességének vizsgálatát (lásd. 13. és 14. ábra). - 21 -
Új tudományos eredmények 4. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK A műanyag henger-acél sík páron (cylinder on plate), váltakozó irányú csúszó mozgás mellett végzett kutatásaim alapján megállapítottam: 1. tézis A különböző polimer-acél csúszó párok súrlódási tényezőire a következők igazak: 1.a A csúszó súrlódási tényezők a vizsgálat kezdetén csak kis mértékben (µ kezdeti =0,15-0,25) térnek el egymástól, majd - a polimer típusától függően változnak. Az egyes polimer típusoknál jelentősen eltér az állandósult - steady-state - állapot eléréséhez szükséges csúszási úthossz. 1.b A csúszó súrlódási tényezők változásának jellege és a stabilizálódott súrlódási tényező értéke függ az acél ellenfelület érdességétől és a terheléstől. Érdesebb felületen, (R z =0,6-1,6 µm) valamint nagyobb terhelésen (F N =200 N) a súrlódási tényező kisebb. Ettől csak a kenőolajat tartalmazó poliamid tér el, ahol nagyobb terhelésen a súrlódási tényező a durvább felületen nagyobb lett, mint a simább (R z =0,1-0,4 µm) felületen. Kisebb terhelésen (F N =100 N) nagyobb az eltérés a simább és a durvább felületen mért súrlódási tényezők között, ami arra utal, hogy ott erősebben érvényesül a csúszó felületek között kialakuló adhézió hatása. 1.c A statikus súrlódási tényezőre általában igaz, hogy minden vizsgálati beállítás mellett a teljes mérési időtartamban 55-65%-kal haladja meg a dinamikus súrlódási tényező értékét, és jól követi annak lefutását. 2. tézis Szoros összefüggés van a műanyagok felületi energiája és súrlódási tényezője között: a nagyobb poláris felületi energia komponenshez magasabb súrlódási tényező tartozik (8. ábra.) 0.8 Dinamikus súrlódási tényező, µ 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 PETP k POM-H* PA 6G k PA 6G 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Felületi energia poláris komponense, [mn/m] I. kat. "S" I. kat. "D" II. kat. "S" II. kat. "D I. kat. "S" I. kat. "D" II. kat. "S" II. kat. "D" 8. ábra. A mérések eredményeként kapott dinamikus súrlódási jellemzőket a poláris felületi energiák függvényében ábrázoltam - 22 -
Új tudományos eredmények 3. tézis Szoros összefüggés van a súrlódás során, az acél ellenfelületen kialakult műanyag réteg és a súrlódási tényező között. Ott, ahol magas szinten állandósult a súrlódási tényező 9. ábra a része), az acél felületen durva, vastag műanyag réteg alakult ki. a) b) 9. ábra. PA 6G (a) az acél "S" felületén 500-szoros és PA 6G k (b) az acél "D" felületén 25-szörös nagyításból származó lerakódása, F=100 N terhelésnél 4. tézis A polimerbe bevitt kenőanyag hatékonysága a súrlódás csökkentésében függ a kenőanyag típusától. A PTFE - mint szilárd polimer kenőanyag - a teljes súrlódási folyamatban hatékony maradt. A kenőolaj tartalom a súrlódás kezdeti szakaszában tartotta kis értéken a súrlódási tényezőt, amely a súrlódás előre haladtával magasabb szinten állandósult (10. ábra). Az olaj hatékonysága függött a felületi érdességtől. A durvább acél felületen hamarabb kezdett növekedni a súrlódási tényező, mint a simább felületen: kis terhelésen (F N =100N) a növekvő súrlódási tényező értéke megközelíti a kenőanyag nélküli kivitel értékét. Ebben az esetben a súrlódási tényező növekedés ellenére az olaj megakadályozta, hogy az acél felületen jelentős műanyag réteg alakuljon ki (9. ábra b része). Dinamikus súrlódási tényező, µ 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 PA 6G-Mg PA 6G PA 6G k PETP k POM-H PA 6G k kenő hatása 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Csúszási úthossz [m] 10. ábra. Eltérő műanyagok dinamikus súrlódási tényezői S felületen 100N terhelésen mérve láthatóak (minden anyagnál három ismételt mérésből kiemelt egy-egy példa görbe látható) - 23 -
Új tudományos eredmények 5. tézis A felületen képződött polimer réteg és a kopás között a következő összefüggéseket találtam: 5.a Ha nem képződik durva polimer bevonat az acél ellenfelületen, a műanyagok kopása nem követi azt a tapasztalati összefüggést, hogy a kopás arányos a terheléssel és a csúszási úttal. Egy kivételtől (POM H sima felületen) eltekintve, a fajlagos kopás (dv F N -1 L -1 ) 100 N terhelésen 2000 m csúszásút alatt nagyobb lett, mint 200 N terhelésen, 1000 m csúszásút alatt. 5.b A durvább ellenfelületen csúszó műanyagok kopása, egy kivételtől eltekintve (PETP k, F N =100 N) mindig nagyobb, mint a simább felületen csúszóké, ami arra utal, hogy a kis felületi érdességek ellenére is fontos szerepet játszik a kopás kialakulásában a felületi érdesség okozta alakváltozás. A PETP k eltérése abból adódhat, hogy PTFE film kerül a felületre, és ez csökkenti a felületi érdességek hatását. 6. tézis Összefüggést találtam a súrlódás és a kopás között: 6.a Annak ellenére, hogy nincs általában szoros összefüggés a súrlódás és a kopás között, a mérési eredmények azt mutatják, hogy kisebb terhelésen nagyobb a súrlódási tényező, és ott nagyobb a fajlagos kopás is, ha nem alakul ki durva műanyag réteg az acél ellenfelületen. Jól szemléltetik ezt a 11. és a 12. ábrák, amelyek bemutatják a súrlódási tényező és a vizsgálat alatt folyamatosan mért kopásból és alakváltozásból számított löketenkénti fajlagos kopás változását a mérés folyamán. Ahol a súrlódás csökkent, ott csökkent a kopás is. Ahol a durva felrakódott polimer réteg miatt megnövekedett a súrlódási tényező, növekedett a kopás is. 6.b A kutatási rendszerben a súrlódás és kopás között összefüggések igazolják, hogy az öntött poliamid 6-os anyagminőségen belül a gyártástechnológia befolyásolja az anyag tribológiai tulajdonságait: a súrlódási tényező változása a kopás jelentős változását idézte elő a natúr töltetlen mátrixú anyagnál (PA 6G) és az olaj adalékolt kompozitnál (PA 6G k) egyaránt. A súrlódás stabil szakaszán a fajlagos kopás kis értékű. PA 6G-Mg esetében nem állapítható meg szoros összefüggés a kopás és a súrlódás között. 0.7 1.5 Dinamikus súrlódási tényező 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.3 1.0 0.8 0.5 0.3 Löketenkénti fajlagos kopás 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Csúszási úthossz [m] Dinamikus súrlódási tényező - 24 - Löketenkénti fajlagos kopás 11. ábra. PA 6G dinamikus súrlódási tényezőjének és a löketenkénti fajlagos kopásának változása a csúszási út függvényében F=200 N terhelésen és D felületi érdességen (291. számú mérés) 0.0