FÉMSZÓRT FELÜLET ÉS MŰANYAG KAPCSOLATOK TRIBOLÓGIÁJA

SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Témavezető: DR. PÁLINKÁS ISTVÁN egyetemi docens FÉMSZÓRT FELÜLET ÉS MŰANYAG KAPCSOLATOK TRIBOLÓGIÁJA DOKTORI (Ph.D.) ÉRTEKEZÉS Készítette: SZŰCS SÁNDOR Dr. univ. főiskolai docens egyéni Ph.D. hallgató Gögöllő 2003. A doktori iskola

1 megnevezése: Műszaki Tudományi Doktori Iskola tudományága: 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

2 TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS 4 1. A TRIBOLÓGIAI RENDSZER FELÉPÍTÉSE, JELLEMZÉSE 6 1.1. A tribológiai rendszer elemei és kölcsönhatásuk 6 1.2. A tribológiai rendszer leírása 8 2. AZ ÉRINTKEZŐ FELÜLET TRIBOLÓGIAI JELLEMZÉSE 10 2.1. Az elméleti és valós felület eltérései 10 2.2. A tribológiai igénybevételnek kitett anyag felületi rétegének átalakulása 10 2.3. A felület morfológiai értékelése 11 2.4. A felületek érintkezése 14 3. A SÚRLÓDÁS ÉS KOPÁS 18 3.1. A súrlódás 18 3.1.1. A külső súrlódás 19 3.2. A kopás 23 3.2.1. A kopást előidéző folyamatok 24 4. A SÚRLÓDÓ RENDSZEREK KOPÁSÁT ELSŐDLEGESEN BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK 32 4.1. Anyagpárosítás 32 4.1.1. Fémek és ötvözeteik súrlódása, kopása 33 4.1.2. Műanyagok súrlódása, kopása 34 4.1.3. Kerámiák súrlódása, kopása 42 4.2. Felületkezelések 43 4.2.1. Felületbevonó eljárások 44 4.2.1.1. A felületbevonó eljárások fő jellemzői 46 4.2.1.2. A beolvasztás nélküli, szórt fémrétegek felépítése, szilárdsági jellemzői 50 4.3. A kenés szerepe 55 4.3.1. Kopási állapotok kenés nélküli súrlódó rendszerekben 55 4.3.2. Az anyagok kopása kent súrlódó rendszerben 56 4.4. A felület és a kenőanyag kölcsönhatása 58 5. KOPÁS-SÚRLÓDÁS VIZSGÁLATI MÓDSZEREK 62 6. KUTATÁSI CÉLKITŰZÉS ÉS A KÍSÉRLETI PROGRAM KIALAKÍTÁSA 66 6.1. A kutatási célkitűzés 66 6.2. A kísérleti program 67 6.3. Az alaptest kialakítása 70 6.4. Az ellentest kialakítása 71 6.5. A vizsgált szórt fémek és műszaki műanyagok 73 6.6. Köztes anyagok 75 6.7. Vizsgáló gép kialakítása, megfelelőségének igazolása 75 6.8. Az alkalmazott mérőeszközök 79 6.9. Környezeti feltételek 79 6.10. A mérési eredmények rögzítésének, megadásának módja 79

7. A VIZSGÁLATI PROGRAM ISMERTETÉSE ÉS AZ EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE 82 7.1. A kiválasztott szóróanyagok kopásállóságának meghatározása (I. vizsgálat) 82 7.2. A vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása (II. vizsgálat) 83 7.3. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül (III. vizsgálat) 84 7.4. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben (IV. vizsgálat) 85 7.5. Tömör acél/műanyag súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül (V. vizsgálat) 86 7.6. Tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben (VI. vizsgálat) 87 7.7. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül, növelt súrlódási úthosszal (VII. vizsgálat) 88 7.8. Tömör acél/műanyagok súrlódásának, kopásának vizsgálata növelt súrlódási úthosszal (VIII. vizsgálat) 92 7.9. Az egyszeri kenés hatásának vizsgálata (IX. vizsgálat) 95 7.10. Különböző kenőképességű folyékony kenőanyagok hatásának vizsgálata a szórt acél/pom-c súrlódására, kopására (X. vizsgálat) 97 7.11. Új tudományos eredmények 99 8. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK 100 ÖSSZEFOGLALÁS 103 IRODALOMJEGYZÉK 105 TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 109 ÁBRÁK JEGYZÉKE 111 MELLÉKLETEK JEGYZÉKE 114 MELLÉKLETEK 116 3

4 BEVEZETÉS A gépek és a berendezések súrlódó alkatrészeinek veszteségeit a súrlódási ellenállás, a különböző mechanizmusok útján létrejövő jellemző kopásérték nagysága határozza meg. Amíg az utóbbi 50-60 év intenzív kutatásai megnyugtatóan tisztázták a legtöbb anyagpárosításra a súrlódás szerepét, addig a kopással kapcsolatos kérdések többségét mindezidáig nem sikerült tisztázni, mi több, újabb, nehezen értelmezhető jelenségek kerülnek felszínre. A veszteségek csökkentésének leghatékonyabb módjának a kenést tekintettük, amikor is a gépelemek súrlódó felületei közé valamilyen halmazállapotú 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 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. A szilárd testek súrlódásánál az érintkező felületi részeken nagy helyi igénybevételek alakulhatnak ki, amelynek hatására a kopás jellege és intenzitása időben megváltozik. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a kopás kialakulásának módja, jellege és intenzitása a különböző anyagpárosítások, és a felületekkel közvetlen érintkező kenőanyagok rendkívül bonyolult kapcsolatának az eredménye. Mivel a gépelemek anyagait elsősorban szilárdságtani és gazdaságossági szempontok alapján felületkezel választjuk, súrlódó felületeik a legtöbb esetben csak korlátozottan képesek a tribológiai követelményeknek eleget tenni. Ezen probléma megoldására fejlesztették ki a különböző ési, 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. Kísérleti programomban a lehetőségeim határain belül különböző anyagpárosítások (tömör fémműanyagok, porózus fémbevonatok-műanyagok) vizsgálatát végeztem el különböző kenési módoknál. Kísérleteimben kenőanyagként természetes szorpciós réteget, normál vizet, desztillált vizet, fehér olajat, fehérolaj+szorpciós adalékolású, fehérolaj+ep/aw adalékolású, fehérolaj+fm adalékolású kenőanyagot, valamint 15W40-es ACEA A5-02 teljesítményszintű motorolajat használtam. A vizsgálatokat definiált körülmények között, saját tervezésű és kivitelezésű tárcsasíklap próbatest alakokat alkalmazó, kopásvizsgáló gépen végeztem. A doktori (Ph.D) értekezésem első részében a kutatómunkám tárgykörébe tartozó irodalmat tekintem át és kritikai elemzést készítek. A második részben a tervező-fejlesztő és kutatási munkámról számolok be és tézisekben megfogalmazom a kutatási eredményeimet. Végezetül az eredmények hasznosítási lehetőségét taglalom, rámutatva néhány, még tisztázatlan kérdésre.

5

6 1. A TRIBOLÓGIAI RENDSZER FELÉPÍTÉSE, JELLEMZÉSE 1.1. A tribológiai rendszer elemei és kölcsönhatásuk Az egymással érintkező és egymáshoz képest elmozduló felületeken mindig ébred egy, a mozgató erővel ellentétesen ható erő, a súrlódó erő. Az elmozdulás során a felületek kopnak. A kopás túlnyomórészt anyagveszteséggel járó, a felületen és a felületközeli rétegben lejátszódó bonyolult fizikai, kémiai folyamatok eredménye. A kopás jellegét és sebességét nemcsak az érintkező anyagok kémiai, fizikai tulajdonságai és igénybevételük, hanem a közöttük lévő anyag és környezetük összetétele, állapota is befolyásolja. A súrlódás és kopás nem anyag, hanem rendszerjellemző, ezért tanulmányozásuknál a rendszerelmélet szemléletét és módszereit kell alkalmazni. A rendszer fogalmán valamilyen ismérv alapján körülhatárolt, egymással kölcsönhatásban, összefüggésben álló elemek komplexumát értjük. Amikor meghatározzuk, hogy melyik elemet tekintjük a rendszerhez tartozónak, azonosítást végzünk. Ami az így kialakult rendszerhatáron kívül esik, az a rendszer környezete. A rendszer működése csak környezetével összefüggésben vizsgálható. A kölcsönhatás az ún. rendszerbemeneteken, illetve kimeneteken keresztül érvényesül. Általánosságban a rendszer működése éppen azzal jellemezhető, hogy a bemeneteket miként transzformálja kimenetekké. Zavaró hatásoknak nevezzük azokat a környezetből származó hatásokat, amelyek előre nem vagy csak statisztikus jelleggel vehetők figyelembe. A rendszer általános modellje az 1. ábrán látható. környezet z(t) x(t) bemenetek halmaza rendszer a(t) y(t) kimenetek halmaza 1. ábra A rendszer általános modellje A bemenetek valamilyen kiinduló állapotban lévő, energia vagy információ formájában belépnek a rendszerbe és a rendszer működése kapcsán valamilyen állapotváltozás-sorozaton mennek keresztül. Ezt az állapotváltozás-sorozatot folyamatnak nevezzük. A folyamatok tehát a rendszer lényegi alkotóelemei. Az elemi tribológiai rendszer felépítését a 2. ábra mutatja. Az elemek igénybevétele nem adható meg csupán a szilárdságtani méretezéshez felhasznált terhelési jellemzőkkel, mivel a súrlódó felületekre ható tribológiai igénybevétel több tényező együttes hatása, amit kollektív igénybevételnek nevezhetünk. Ennek a kollektív igénybevételnek fontos eleme a fellépő Fs = µ Fn súrlódóerő, a felületelemek relatív mozgásának jellege, sebessége, a hőmérséklet, az igénybevétel időtartama és a rendszerelemek közötti fizikai és kémiai kölcsönhatások, melyek bonyolult kapcsolatát a 3. ábra szemlélteti.

7 Komplett igénybevétel Tribológiai rendszer szerkezete 2 3 1 4 1-Alaptest 2-Ellentest 3-Közbenső anyag 4-Környezeti közeg Felszíni változások (Kopás megjelenési formák) Anyagveszteség (Kopás-méretnagyság) Jellemző kopásnagyság 2. ábra Az elemi tribológiai rendszer felépítése (DIN 50320) Környezeti anyag Adszorpció Kémiai reakció Szublimáció Szennyezés kémiai reakció Elgőzölés Szublimáció Köztes anyag Adszorpció Kémiai reakció Szublimáció Adszorpció Kémiai reakció Feldúsulás kopási részecskékkel Szétválasztás Kenés Tribooxidáció Abrázió Felületi roncsolódás Adszorpció Kémiai reakció Feldúsulás kopási részecskékkel Alaptest Adhézió Abrázió Felületi roncsolódás Ellendarab 3. ábra A tribológiai rendszer elemei közötti kölcsönhatások (Habig 1980) A tribológiai igénybevétel csak a felület egy meghatározott részére hat, ezért a felületnek kitüntetett szerepe van a tribológiában. A súrlódás és a kopás tanulmányozása során az általános rendszerelmélet alapelveit figyelembe kell venni. Egy dinamikus tribológiai rendszermodell vázlatát a 4. ábra mutatja.

8 4. ábra Dinamikus tribológiai rendszer (Valasek, Szota 2002) 1.2. A tribológiai rendszer leírása A rendszer vizsgálatához pontosan meg kell határozni azokat az elemeket, melyek a rendszerhez, és azokat, amelyek a környezetéhez tartoznak. A rendszer csak a környezetével összefüggésben vizsgálható. A rendszer leírása az alábbi módon lehetséges: a) Az elemek és a közöttük lévő kapcsolatok leírása, ahol: az elemek csoportja A = ai P = P i a i R = R az elemek lényeges tulajdonságainak csoportja ( ) az elemek lényeges tulajdonságai közötti kapcsolatok i ( ai ; ak ) együttesen képezik a szerkezeti sorozatot. S = f ( A; P; R) b) A rendszer leválasztása a környezetétől a rendszerburkolat segítségével. c) Az összes bemenetek, x p és kimenetek, y p összeállítása. Ideális esetben az S f ( A; P; R) = = constans. Egy valós tribológiai rendszerben azonban mindig van súrlódás és kopás, amelyeket tribológiai operátorokként jellemzünk. A tribológiai operátorok megváltoztathatják a rendszer szerkezetét (azaz S =f(a, P, R) állandó), ami nem kívánatos kimeneti veszteségekhez vezet. Ezen kívül zavarok jelentkezhetnek a rendszer funkcionális bemeneti-kimeneti viszonyaiban. Ennek következményeként az eredmény az egész rendszer zavara lehet. (Valasek, Szota 2002) Egy összetett gép, illetve folyamat elemei tribológiai szempontból az alábbi rendszer típusokba sorolhatók: Elemi tribológiai rendszer Felépítése: alaptest, ellentest, közbenső anyag (harmadik test) és környezete Együttműködő tribológiai rendszerek, melyekben egy funkcionális szerkezetben több elemi tribológiai rendszer van beépítve, amelyeknek lényeges tulajdonságai nincsenek kölcsönhatásban. Magasabb rendű tribológiai rendszerek, melyekben több elemi rendszer működik egy funkcionális egységen belül úgy, hogy az elemek lényeges tulajdonságai kölcsönhatásban vannak.

Együttműködő magasabb rendű tribológiai rendszerek, melyekben egy vagy több magasabb rendű tribológiai rendszer működik egy géprendszerben úgy, hogy lényeges tulajdonságaik kölcsönhatásban vannak. A valós rendszereket, elméleti tanulmányozásukhoz többnyire elemi rendszerekre bontjuk, melyek környezetükbe való kapcsolatát igyekeztünk pontosan kézben tartani. A vizsgálatok célja általában a közvetlen kapcsolatban lévő alaptest, ellentest, közbenső anyag (2. ábra 1., 2., 3.) viselkedésének tanulmányozása, illetve leírása az adott rendszerben. A közöttük ébredő kölcsönhatások, melyek meghatározzák a rendszer két legfontosabb kimenetét: a súrlódási veszteséget és az alaptest, ellentest kopását, exakt elméleti leírása összetettségük és sztochasztikus jellegük miatt nagyon nehéz. Jellemzésük: az érintkezési állapottal, a kopási, súrlódási állapottal, a kopási mechanizmussal és a mozgásviszonyukkal lehetséges. A rendszer súrlódási állapota szerint lehet: kenés nélküli (szilárd-test) súrlódású, határsúrlódású, vegyes súrlódású, folyadéksúrlódású (hidrosztatikus, hidrodinamikus, elasztohidrodinamikus). A súrlódó elemek mozgásformái a gyakorlatban rendkívül változatosak. Ezek egy lehetséges rendszerezését adja a DIN 50320 szabvány. A mozgásformák öt elemi és ezek kombinációjával képezhető mozgásformára bonthatók. Az öt alapforma: csúszás, fúrás, gördülés, lökés, áramlás. A komplex igénybevétel hatására a felületek kopnak. A kopást előidéző fizikai, kémiai hatások négy, úgynevezett kopási alapmechanizmusba sorolhatók. Ezek együttes működése további kopási mechanizmusokat alkot. A négy alapmechanizmus: adhéziós, abráziós, fáradásos, kémiai Az ezek kombinációjaként kezelt mechanizmusok: eróziós, kavitációs, fretting. 9

10 2. AZ ÉRINTKEZŐ FELÜLET TRIBOLÓGIAI JELLEMZÉSE 2.1. Az elméleti és valós felület eltérései Az alaptest és ellentest érintkező felületei nem tökéletesen simák, az érintkezési felület nagysága nem számolható a geometriai alakból. A valós és az elméleti felület eltérései nagyságrendjük szerint csoportosítva: 1. Makrogeometriai eltérés (alakhiba) a felület szabálytalan eltérése az ideális geometriai formától (ovalitás, kúposság, hordósság, síktól való eltérés, stb.). 2. Hullámosság az alkatrész felületének többé-kevésbé szabályos periodikus eltérése a makrogeometriai alaktól. A hullámhosszúság rendszerint 1-10 mm, a hullámmagasság pedig 0,0005...0,5 mm. 3. Érdesség a hullámos felület mikroeltérése a hullámos felület geometriai alakjától. Az érdességcsúcsok távolsága és magassága sokkal kisebb, mint a hullámhossz és a hullámmagasság. 4. Szubmikro érdesség a felületi érdesség felszínén megjelenő igen kis méretű egyenetlenség. A makrogeometriai eltéréseket és a hullámosságot a megmunkáló szerszám és gép hibái, valamint kis ciklusszámú lengései idézik elő. A felületi érdességet a megmunkáló szerszám alakja, kopása, a megmunkálási paraméterek, a megmunkált anyag tulajdonságai és a megmunkáló rendszer rezgései hozzák létre. A szubmikro érdességet elsősorban a súrlódó felületek anyagának szerkezete, belső hibái, a kristályok egyenetlen alakváltozása stb. alakítja ki. A felületi érdesség és a szubmikro érdesség nem csak a megmunkálás, hanem a súrlódási kölcsönhatás (a működés) közben is alakul. A súrlódó elemek működésének kezdeti szakaszában (a bejáratás alatt) a felületi érdességek jellemzői lényegesen megváltoznak. Állandósult üzemállapotban is állandóan újraformálódik a felületi érdesség, de jellemzői statisztikus átlagban változatlanok maradnak. A szubmikro érdesség kialakulására jelentős hatást gyakorol a környező közeg (levegő, vízgőz, oxigén, kenőanyag stb.) is. 2.2. A tribológiai igénybevételnek kitett anyag felületi rétegének átalakulása A szilárd testek felületén elhelyezkedő atomok, molekulák energia állapota, reakcióképessége nagyobb, mint az anyagon belülieké. A környezettel, a köztes anyaggal érintkezve gázokat, folyékony és szilárd részecskéket adszorbeálnak. A mechanikai igénybevétel hatására az érdességcsúcsok és a felszínhez közeli rétegek plasztikusan, viszkoelasztikusan és elasztikusan deformálódnak, a felületről kopási részecskék válnak le. Ezek együttes hatásaként a felületi réteg átalakul. Ezt szemléleti az 5. ábra. A működő felületek folyamatosan és fokozatosan módosulnak. A felületről porladás útján eltávozó oxigénben dús, finom kopásrészecskék és a felületről leszakadó kopadék nem távozik el rögtön a rendszerből, így az érintkezés alakulása ezektől a kopásrészektől függ, amit a harmadik test problémájaként emlegetünk. Ez a probléma rendkívül összetett és nehezen kezelhető, mivel az igen nagy darabszámú (10 20 db/m 3 ), rendkívül aktív, nagy fajlagos felületű (20...600 m 2 /g) részecskék kémiai reakcióképessége nagy.

11 5. ábra Légköri viszonyok között, tribológiai igénybevételnek kitett ötvözetlen acél határfelületének felépítése Ez a reakcióképesség azonban csak akkor jut érvényre, ha az adott mechanizmusban olyan külső feltételek adódnak, amelyekben a reakció beindulhat. A környezet és a részecskék közötti átalakulásokat az érintkezés nyílásai, a mechanizmus holtjátéki helyzetei, a felületi egyenetlenség és az érintkezési kapcsolat pillanatnyi helyi nyomásváltozásai segíthetik elő. A harmadik test mechanikusan és fizikai-kémiai úton kötődik az alaptesthez és/vagy ellendarabhoz, ami kohézióban és adhézióban nyilvánul meg. Ebből adódóan a tribológiai anyagforgalom áramlásai a különféle periódusokban megváltoznak. Ennél a jelenségnél a mechanikai jellemzők fejlődési kinetikájának és a harmadik test áramlásának a problémájáról van szó. A harmadik test az elsődleges testekhez viszonyítva relatív sebességgel mozog. Mind száraz, mind kent felületeken keletkezhet, és egyben mindkét felület módosulásának forrása is. A harmadik test keletkezését a kopás fogalmával összetéveszteni nagy hiba lenne, ugyanúgy, mint az, hogy a harmadik testet csak az olajfilm szállítja. Minden kétséget kizáróan a harmadik test problematikájával olyan tribológiai jelenségek hozhatók összefüggésbe, mint a felületmódosulás, felületi energiaszint változás, kohézió, adhézió, fémátvitel, abrazív erózió, oxidáció, kenéstechnikai korrózió, stick-slip jelenség, olajbesűrűsödés, viszkozitás változás, súrlódási és áramlási veszteségek növekedése. (Valasek, Szota 2002) 2.3. A felület morfológiai értékelése A felületi érdesség: a felület mértani jellegű egyenetlenségeinek általában a megmunkálásból eredő jellegzetes mintázatot mutató viszonylag kis térközű része. Az egyenetlenség magasság irányú méretével kapcsolatos érdességi jellemzők egy részét a 6. ábra szemléleti. Ezek közül a műszaki dokumentációkban általában az R a átlagos érdesség és az R z egyenletlenségmagasság előírt értékét adják meg.

12 6. ábra Egyenetlenségmagassággal kapcsolatos érdességi jellemzők Tribológiai szempontból a felület fontos kiegészítő jellemzője a profilteljesség tényező (K h ), amely az alaphosszon belül az észlelt profilszelvény és a fenékvonal közötti, anyaggal kitöltött terület, valamint a tetővonal és fenékvonal által bezárt terület aránya. A profilteljességi tényezőnek valamennyi gépelem érintkező felületén kialakuló súrlódás és kenés vonatkozásában jelentős szerepe van, de a nagyterhelésű kapcsolatokban (fogfelületek, gördülőcsapágyak, stb.) szerepük döntő, kerámia alkatrészeknél pedig kizárólagos. A profil hosszirányú egyenetlenségeivel kapcsolatos érdességi jellemzők közül a profil viszonylagos hordozógöbéjének van kiemelt tribológiai jelentősége. (7. ábra)

13 7. ábra A hordozóhossz és a viszonylagos hordozóhossz értelmezése A felületi érdesség szerepe az olajtárolásban A felületi struktúra az ABOTT-féle hordfelületi diagrammal jellemezhető, amelyet ma már minden felületi érdességmérő műszerrel meg lehet határozni (8. ábra). Profildiagram Abott-diagram Profilteljességi tényező (K h ) R a - átlagos érdesség, µm R m - max. egyenetlenség, µm K h - profilteljességi tényező, % Olajtároló-térfogat V 0 = ( 100 B)( C A) 2000 mm cm 2 3 8. ábra Abott-féle felületi olajtároló térfogat (Valasek, Szota 2002) A profilteljességi tényező (K h ) köszörült felület esetén 80% felett van, kerámia felületeké 96%. Az olajtároló térfogat szükséges nagysága miatt van jelentősége a megmunkálási nyomoknak és

14 szögállásának. Még elfogadhatónak mondható a felületi érdesség, ha R a = 0,25 0,4 µm, R z = 1,1 1,8 µm és R m = 3 6 µm, és ha a honolási szög 40 o 60 o, a K h pedig 80% között van. Ebben 3 2 az esetben a felület olajtároló térfogata: V0 0,016...0,026cm / cm, ami még megfelelő (Valasek, Szota 2002). 2.4. A felületek érintkezése Két kapcsolatban lévő gépelem érintkezésének elemzésekor nem lehet figyelmen kívül hagyni, hogy felszínük egyenetlen és az egyenetlenségek eltérő nagyságúak és szabálytalanok, eloszlásuk sztochasztikus, a rajtuk lévő elsőrendű szorpciós réteg inhomogén és egyenetlen, továbbá, hogy elasztikusan és plasztikusan deformálódnak normál terhelés hatására. Az érintkező érdességcsúcsok mikrokapcsolatok összessége alkotja a tényleges érintkezési felületet (A t ), amely rendszerint csak egy kisebb hányada a geometriai felszínnek (A n ) (9. ábra). A n 9. ábra A geometriai és a tényleges érintkezési felület = a b - geometriai felület; A t = Ai - tényleges érintkezési felület A felület hullámossága miatt nem minden érdesség csúcs, hanem csak a kiemelkedő hullámtetőkön lévő érdességcsúcsok vesznek részt a tényleges érintkezési felület kialakításában. A kiemelkedő hullámdombok a felületet terhelő normális irányú erők hatására deformálódnak, belapulnak, és az így kialakuló A c kontúr érintkezési felületen találhatók azok az érdességcsúcsok, amelyek meghatározzák a tényleges érintkezési felület nagyságát. A tényleges érintkezési felületen kialakuló alakváltozási és feszültségi állapot (amely külső súrlódásnál meghatározza a szilárd testek kölcsönhatását) nagymértékben függ a testek érintkezési felületeinek geometriai jellemzőitől. Dinamikus körülmények között, nagy nyomásokon, megfelelő kenőanyag jelenlétében az érintkezési felületek deformációja, nem illeszkedő geometriai alakok esetében is, lehetővé teszi egy kvázi-folyadékkenés (EHD) kialakulását.

15 A tényleges érintkezési felület a normál terhelőerővel arányosan változik. Ez a változási folyamat a felületek közeledésének függvényében két szakaszra bontható. A kezdeti telítetlen érintkezési szakaszban, amikor a felületek relatív közeledésének értéke (0<ε<ε H ) az ε relatív közeledés növekedésével az érintkezésben résztvevő felületi csúcsok száma és azok érintkezési felülete növekszik addig, amíg (ε=ε H helyen) az utolsó érdességcsúcs is érintkezésbe nem lép. A terhelés további növelésével a relatív közeledés a telített érintkezés szakaszába kerül (ε>ε H ), ahol az egyedi érintkezési csúcsok száma már nem növekszik: a tényleges érintkezési felület növekedését az egyedi csúcsok alakváltozási területének növekedése okozza. A tényleges (A t ) érintkezési felület nagysága a felületi és szilárdságtani jellemzők ismeretében számítással is meghatározható (Kragelszkij-Mihin 1987; Kozma 1994). Az érdességi csúcsok deformációjának jellegét a plaszticitási indexszel (Ψ ) definiálhatjuk (Valasek, Szota 2002) Ψ = E σ β ahol: E - a rugalmassági modulus (N/mm 2 ) R y - a folyás megindulásához tartozó feszültség (N/mm 2 ) σ - az érdesség magasság közepes eltérése (mm) β - az érdesség csúcsának átlagos görbületi sugara (mm). R y Az első tag a szilárd anyag mechanikai tulajdonságaira jellemző, a második pedig a felületi topográfiát azonosítja. Ψ>0,6 esetén a felületi érdességi csúcsok deformációja elasztikus, és a helyi érintkezési nyomás p 0,3 E σ / β 1/ nagyságú. ( ) 2 Ψ<1 esetén az érintkezésben lévő összes érdességi csúcs plasztikusan deformálódik, és a helyi nyomás p 0, 4 Ry. Az érdességi csúcsok terhelés (megmunkálás) alatt keményednek, és ez a komplett folyamat független az érdességi csúcsok alakjától és a feszültségmentesítés állapotától. Egy átlagos helyi nyomás p 0, 6 R körüli érték, amelynél a tényleges érintkezési felület: y 1/ 2 A t = normál terhelés 0,6 R y A technikai felületek kielégítő leírására általában nem elegendő egyetlen mérőszám. Az R max -on kívül célszerű megadni ha ismert az R z, R a, R q és K h értékek valamelyikét. Különböző anyagpárosításoknál más-más egyenetlenségi mérőszámnak van jelentősége. Ezen kívül meg kell adni, hogy a mérést milyen profilirányban végeztük el. Általában célszerű a megmunkálási irányra merőleges profilt mérni. A terhelés makroméretekben is deformációt okoz. Ez a deformáció nem illeszkedő alakú alkatrészeknél megnöveli a tényleges érintkezési felületet.

16 Az érintkezési felület alakját és méretét a testek alakja, szilárdságtani jellemzői és a terhelés határozzák meg. A 10. ábra henger-sík érintkezésénél mutatja a terhelés átvitel formáit a henger rugalmas (a), képlékeny (b) deformációjánál és a henger-súrlódásánál (c). 10. ábra A terhelés átvitel modelljei henger/sík érintkezésekor (Werner 1986) a) rugalmas érintkezés, b) plasztikus érintkezés, c) súrlódási nyírófeszültség F N normál terhelőerő, p o maximális nyomófeszültség, τ R súrlódási nyírófeszültség Fémeknél makroméretekben az esetek többségében az érintkezés rugalmas, a felületi nyomás (normálfeszültség) eloszlása elliptikus. Értékei a Hertz elmélet alapján számíthatóak. A felületen a súrlódásból adódó nyírófeszültség nagysága τ R = p µ, ahol p a felületi nyomás, µ - a súrlódási tényező. A sík érintkezési felülete alatti anyagrészek igénybevételét a terhelés és a súrlódó erő együttesen határozzák meg. A két terhelés szuperponálódása révén kialakuló feszültségeloszlás matematikai leírását Karas (1941) oldotta meg először. Az anyagokban ébredő feszültségeloszlás matematikai vizsgálata segít a kopási folyamatok megértésében, de önmagában nem képes annak pontos leírására. A maximális nyírófeszültség annál közelebb helyezkedik el a felszínhez, minél nagyobb a felületek közötti súrlódási tényező (11. ábra). A repedések kis súrlódási tényezőnél a felszín alatt, nagyobbnál a felszíni rétegből indulnak ki. A kopási részecskék képződése szempontjából nagyon lényeges az érintkezési felület szélein ébredő húzófeszültség csúcsa, mivel a terhelés ingadozásának hatására létrejövő fáradási repedések kiindulási helye lehet.

17 11. ábra A max. csúsztató feszültség alakulása különböző súrlódási tényezőknél, a felszíntől távolodva, amikor henger csúszik sík felületen (y=0) (Werner 1986) Nagy µ>0,3 súrlódási tényezőknél (száraz, illetve határsúrlódás) mind a húzó, mind a nyírófeszültségek maximuma a felület közelében az érintkezés szélein, illetve közelében van. Szórt fémrétegek esetében az előzőekben leírt feszültségeloszlás csak makroméretekben fogadható el, a halmaz elemei (szemcsék) jelentősen eltérő igénybevételt szenvedhetnek. Mivel ez az eltérés közel azonos valószínűséggel lehet pozitív és negatív, a szórt rétegek egyes szemcséi, illetve ezek részei a tömör fémeknél számítottnál jelentősen nagyobb igénybevételt szenvednek. Ebből adódóan a feszültségfüggő kopási összetevők súlya várhatóan nagyobb. Erősítés nélküli termoplasztoknál az előzőek szerint számított feszültségek a kúszás, illetve a relaxáció miatt időben változnak, ezért csak kezdeti, pillanatnyi értékeknek tekinthetők. A kopás előrehaladásával nő a felfekvési felület mérete, csökken a nyomás, csökken az érintkező felületek mechanikai igénybevétele. Acél henger/műanyag síklap érintkezésekor a henger deformációja, kéthárom nagyságrenddel nagyobb rugalmassági modulusa miatt elhanyagolható. Szinte a teljes deformáció a műanyagban jön létre.

18 3. A SÚRLÓDÁS ÉS KOPÁS A műszaki gyakorlatban a gépek és a berendezések alkatrészeinek jelentős része mozgást végez, csatlakozó felületeik csúsznak vagy gördülnek egymáson, illetve ezek együttese révén kombinált mozgást végeznek. Az egymáson elmozduló felületeket a súrlódás és kopás csökkentése érdekében rendszerint kenéssel látják el, de műszaki, konstrukciós vagy gazdasági okokból számos esetben működnek gépelemek kenés nélkül. A súrlódó, csúszó felületek kopását ezért mindkét súrlódási állapotban vizsgálni kell. A kenéssel ellátott rendszerek is kerülhetnek a határsúrlódás vagy a szilárd-test súrlódás állapotába, ha igénybevételük (terhelés, csúszási sebesség, hőmérséklet) szélsőségesen megváltozik. Ezért a felületek kopási viselkedésének ismerete a szilárd-test súrlódás állapotában a kenéssel ellátott rendszerek tervezésénél is szükséges. A kenés nélküli csúszó felületek kopását gyakran azonosítják az adhéziós kopási mechanizmussal. Ha a valós folyamatot vizsgáljuk ez nem így van, hiszen az adhéziós kopással együtt mindig fellép a felületek oxidációja, a felületi egyenetlenségek ciklikus mechanikai terhelése, fárasztó igénybevétele. Az érintkező felületi csúcsokon létrejövő atomos és molekuláris kötések elszakításakor kopási részecskék kerülnek a felületek közé, amelyek abráziós jellegű kopást idézhetnek elő, külső szilárd szennyezőanyag nélkül is. Az, hogy melyik kopási forma kerül domináns helyzetbe, a rendszer pillanatnyi állapotától függ. A koptató hatás szempontjából bizonyos esetekben egy vagy több alapmechanizmus hatása olyan kicsi, hogy az elméleti tanulmányozás egyszerűsítése érdekében figyelmen kívül hagyható. Arra azonban mindig figyelemmel kell lenni, hogy a tribológiai rendszer bármely elemének, illetve paraméterének megváltozása jelentősen megváltoztathatja a kopás intenzitását, jellegét. 3.1. A súrlódás A terhelés alatt egymással kölcsönhatásban lévő, relatív mozgást végző gépszerkezetek, ill. anyagok érintkező felületén súrlódás keletkezik. A súrlódás az elmozdulást vagy mozgást akadályozó hatás, amely kifejezhető az érintkező felületek mentén a mozgással vagy az elmozdulási kényszerrel párhuzamos, velük ellentétes értelmű súrlódási erővel. A súrlódás csoportosítása A súrlódásokat alapvetően a megjelenésük szerint csoportosítjuk. Így lehet: Külső súrlódás: az egymással kölcsönhatásban lévő szilárd testek felszínén vagy annak közvetlen közelében kialakuló mozgást (elmozdulást) akadályozó hatás. Környező közeg által okozott súrlódás: kis viszkozitású közegben (pl. levegő) haladó test súrlódása. Belső súrlódás: a folyadékban lévő szilárd részecskék, illetve atomok, molekulák elmozdulása által keletkező ellenállás. Folyadék- vagy kvázi folyadéksúrlódása van az áramló halmazoknak is (homok, liszt, gabona, stb.). Technikai szinten valamennyi súrlódás dinamikus jellegű, ezért a rendszeranalízis során tovább kell tagolni a következők szerint:

19 kezdeti állapot, lefolyás, végállapot. 3.1.1.A külső súrlódás A külső súrlódás vizsgálatánál az alábbi speciális eseteket különböztetjük meg: Tapadó súrlódás, pl. csavarkötés, gép áll a talapzaton, stb. Csúszó súrlódás, pl. csap forog a perselyben. Gördülő súrlódás, pl. gördülőcsapágy forog, vasúti kerék a sínen gördül. A súrlódási állapotokat csoportosíthatjuk a kenésállapot szerint: száraz, határ-, átmeneti és folyadék súrlódás. A kent tribológiai rendszerekben a külső és belső súrlódás egymással kölcsönhatásban jelen van, de a gépelem-pár konstrukciós kialakításától és a komplett igénybevételtől függően csak az egyiknek van a rendszerre meghatározó szerepe. Külső súrlódásnál a normál terhelőerő (F N ) és a súrlódóerő között a kapcsolatot az kifejezés adja meg, ahol µ - a súrlódási állapotra jellemző tényező. F s = µ F N A tapadó és a csúszó súrlódás Ha az egymással érintkező szilárd testek valamelyikére az érintkezési síkkal párhuzamosan ható erőt nulláról folyamatosan növeljük, az elmozdulás csak egy adott határérték elérése, ill. túllépése esetén indul meg. A mozgás fenntartásához szükséges erő ennél általában kisebb. Ez azt mutatja, hogy a nyugalmi és mozgás közbeni (dinamikus) súrlódási ellenállás, azaz a súrlódási tényező nem azonos. A nyugalmi (tapadó) súrlódási tényező maximális értékét az Fs max = µ s FN szorzat adja, ahol µ s - a tapadó súrlódási tényező. (Segner János András (1704-1777) elsőként definiálja a nyugvó (tapadó) és a mozgó (csúszó) súrlódási tényezőt.) A nyugalmi és a mozgásbeli súrlódási tényezők közötti különbség a felületi egyenetlenségek hatásával magyarázható. A súrlódási tényező is rendszerfüggő paraméter, értékeit a rendszer különböző állapotaiban kísérleti úton határozzák meg. Az akadozó súrlódás (Stick Slip) A gyakorlatból ismert, hogy kis sebességű mozgásnál a csúszás nem egyenletes, hanem akadozó. Kedvezőtlen esetben gerjesztett lengés jön létre, amely nagy mozgó tömeg esetén jelentős dinamikus igénybevételt okoz a csatlakozó gépelemekben. Ez a fajta akadozó mozgás minden olyan súrlódópárnál felléphet, ahol legalább az egyik elem bizonyos fokú elasztikus szabadsággal rendelkezik. Az akadozó csúszás folyamatát a 12. ábra mutatja. A jelenség oka a µ s statikus és a µ k kinematikai súrlódási tényező közötti különbség. A vizsgálatok szerint létezik a rendszertől függő határsebesség, amely felett a csúszás monotonná vagy kvázi monotonná válik.

20 12. ábra A stick-slip csúszás folyamata (Valasek, szerk. 1996) A kritikus sebesség az alábbi összefüggéssel számolható: V krit = F N ( µ µ ) s c m k ahol c - m - a mozgató rendszer rugó állandója, (N/m) a mozgatott rendszer tömege, (kg) Akadozó mozgásnál a súrlódási erő és a hajtó sebesség közötti kapcsolat megszűnik. A mozgásbeli súrlódási tényező úgynevezett statikus jelleggörbéjét a összefüggés írja le. (13. ábra) µ k = f (v)

21 13. ábra A súrlódási tényezők változása a csúszási sebesség függvényében (Valasek, Szota 2002) Az akadozó csúszás elkerülésének lehetőségei: a hajtás rendszer megfelelő merevsége, a rendszer megfelelő mértékű csillapítása, a csúszófelületek megfelelő párosítása, µ s a súrlódó felülethez jól tapadó, 0, 8 hányadost adó, gyakorlatilag a csúszási sebességtől µ k független kinematikai súrlódási tényezővel (µ k ) rendelkező kenőanyag használata. A súrlódás mivel energiát emészt fel, szinte teljes egészében hővé alakul. Hajtórendszerekben értékét az érintkező felületek közé vitt kenőanyaggal lehet a leghatékonyabban csökkenteni. A súrlódási ellenállást befolyásoló tényezők A súrlódási ellenállás is rendszerjellemző, ezért a befolyásoló tényezők száma a rendszer behatárolás módjától is függ. Kenés nélkül, száraz súrlódásnál az alábbi tényezők hatása a legjelentősebb: a felület morfológiája (felületi érdesség, érdességcsúcsok magasságeloszlása, alakhibák, stb.), a felület szabadenergiáját meghatározó jellemzők (adszorpciós réteg vastagsága, kémiai összetétele, az alaptest anyaga, keménysége, atomos vagy molekuláris szerkezete, kristályszerkezete, stb.), a felületek hőmérséklete, terhelése, mozgási sebessége, az érintkező testek merevsége, rugalmassági modulusa és ezek egymáshoz való viszonya. Mivel a mozgás során a felület átalakul, károsodik, a fenti tényezők jelentős része időben változik és egymással is kölcsönhatásban van. A gördülő súrlódás Dolgozatom nem tartalmazza a gördülő kapcslat tribológiai vizsgálatát de a súrlódás általános értelmezése megköveteli a gördülő súrlódás fogalmának definiálását. Ha egy r sugarú F G súlyerőt kifejtő, kör keresztmetszetű test (kerék, henger) mozog, akkor a gördülő test és az alap, amelyen gördül, merevségüktől függően deformálódnak. Az alakváltozások miatt az F G támasztó erő támadáspontja nem a nyomóerő hatásvonalán van, hanem a mozgás irányában előre f távolsággal eltolódik, ami járulékos (F) erőt igényel (14. ábra).

22 14. ábra Alakváltozás gördülésnél A gördülési ellenállás arányos az f távolsággal. Az F értékét az egyensúlyi egyenletekből kifejezve f f f kapjuk F x = FG f ; ebből F = Fg = FG FG. Az viszony helyébe µ-t írva a Coulombféle súrlódási törvényhez jutunk F = µ F x r r. g G Az f értéke függ az érintkező felületek merevségétől (deformációjától) és a haladási sebességtől. Meghatározása a gördülő test haladási ellenállásának (F) mérése alapján végezhető el. A környezeti közeg által okozott súrlódás Ha egy szilárd testet folyadék vagy gáz vesz körül, akkor elmozdulásakor ellenállást kell legyőznie. Ez az ellenállás a felületi és a környező anyag kölcsönhatásából, súrlódásából adódik. Ez a súrlódás speciális esete, csúszó gépelemek súrlódásánál nem játszik szerepet. 3.1.2. Belső súrlódás Belső súrlódás a folyékony és gáznemű anyagok részecskéi között alakul ki és fejt ki ellenállást a folyadék vagy gázrészecskék, ill. rétegek elmozdulásával szemben. A belső súrlódás legyőzésére fordított munka is veszteség, hiszen döntő részben hővé alakul, amit nem tudunk hasznosítani. A súrlódó felületek kenésére általában cseppfolyós kenőanyagokat, kenőolajokat használnak. A kenőolajok belső súrlódásának, viszkozitásának döntő szerepe van a hidrodinamikus és elasztohidrodinamikus kenésállapot kialakulásában. A folyadékok nyírófeszültség hatására megváltoztatják alakjukat. Alakváltozási viselkedésük alapján az alábbi csoportokba sorolhatók: Newtoni folyadék nem Newtoni folyadék.

23 Ez utóbbiak lehetnek: nem lineáris viszkózis lineáris viszkoelasztikus nem lineáris viszkoelasztikus. A Newtoni folyadékra érvényes a csúsztatófeszültség és az áramlás irányára merőleges sebességgradiens közötti egyenes arányosság, amelyet a τ = η összefüggés fejez ki dv dy η - a folyadék dinamikai viszkozitása ( Pa s) dv dy - sebességváltozás az áramlás irányára merőlegesen (1/s) τ - a folyadékréteg határfelületén ébredő csúsztató feszültség (Pa). A nem Newtoni folyadékoknál a τ feszültség és a sebességgradiens közötti kapcsolat nem lineáris és/vagy a folyási folyamat reverzibilis és nem reverzibilis részből áll. Egyes anyagoknál megfigyelhető a viszkozitás feszültség-függése a tixotrópia és a reopercia. A kenőanyagok reológiai viselkedését jól szemléltetik a folyás- és viszkozitásgörbék, amelyekre a 15. ábra mutat példákat. dv D = - sebességgradiens (1/s), τ - nyírófeszültség (Pa) dy 15. ábra Tipikus folyásgörbék (fent) és tipikus viszkozitási görbék (lent) (Valasek, Szota 2002) 3.2. A kopás Az érintkező felületek relatív mozgása együtt jár a súrlódással és a kopással. Mindkét folyamat komplex, ezért általános érvényű rendszerezésük eddig még nem történt meg. A kopás a rendszer anyagvesztesége, bár ez az anyagveszteség sok esetben a kopáshoz viszonyítva késleltetve jelentkezik.

24 A kopásformák felosztása a gyakorlatban az igénybevételi körülmények és az elemi kopási folyamatok (mechanizmusok) alapján történik. Az elemi kopási mechanizmusok általánosan elfogadott felosztása: adhézív, abrázív, fáradásos és kémiai, ill. tribokémiai. Ezek kombinációjaként további mechanizmusok értelmezhetők, mint a kavitációs és az eróziós. Az elemi mechanizmusok a valóságban legtöbbször együtt, egymást is kölcsönösen befolyásolva hatnak, de a rendszer állapotától függően hol az egyik, hol a másik kerül domináns helyzetbe. A kopás a súrlódó rendszerek jellemzője, teljesen megszüntetni nem lehet. Ha a felületek károsodása lassú, normál kopásról, ha elfogadhatatlanul gyors, akkor rendellenes kopásról beszélünk. Normál kopásnál csak a felület adszorpciós rétege sérül, míg rendellenesnél maga az alaptest is. A kopás intenzitása időben változhat, gyorsulhat ill. lassulhat. Az anyagátvitel miatt negatív kopás is előfordulhat, de tartósan nem marad meg. A kopássebesség alakulásának jellegzetes típusait a 16. ábra mutatja. 16. ábra A kopás jellegének és nagyságának változása (Valasek, szerk. 1996) a pozitív kopás; b negatív és pozitív kopás 3.2.1.A kopást előidéző folyamatok Adhézív kopás A valós felületek érintkezésekor nem a teljes geometriai méretekből számítható felületek, hanem csak az érdességcsúcsok érintkeznek. Az érintkezési felületek között mechanikai, kémiai atomos és molekuláris kölcsönhatások jönnek létre. Az atomos molekuláris erők az érintkezési felületeken adhéziós kötéseket hoznak létre. A kötések elnyírásakor anyagátvitel történik, általában a kisebb keménységű anyagról a keményebbre. Az átvitt részecskék idővel eltávoznak a felületek közül és a rendszer kopását okozzák. A kötések erőssége függ az anyag minőségétől és a felületek tisztaságától. Normál atmoszférában a legtöbb fém felületén oxidréteg alakul ki. Ennek vastagsága, nyíró- és tapadószilárdsága jelentős befolyást gyakorol a kopásra. Ha az oxidréteg vagy annak tapadószilárdsága kisebb az adhéziós kötés nyírószilárdságánál, az elnyíródás az oxidrétegben vagy a határfelületen jön létre. Ha a terhelés nagy, a felületek érdesek, az oxidréteg felszakad és a nyers, nagy energiájú felületek kerülnek érintkezésbe.

Az így kialakuló adhéziós kötések erőssége akár egy nagyságrenddel is megnövekedhet. Ezt igazolták a vákuumban végzett vizsgálatok. Az adhéziós együttható, amely F F A a = összefüggéssel definiálható (ahol F A az adhéziós kötés n elnyírásához szükséges erő), szoros kapcsolatban van a fémek atomos szerkezetével és Vickerskeménységével. Az oxidréteg kialakulásával, illetve sérülésével magyarázható a fémek enyhe és erős kopási állapota. Ezt szemléleti a 17. ábra szénacél csap és szerszámacél gyűrű súrlódásánál. A vizsgálat s zerint kis terheléseknél az oxidréteg nem szakad át, a kopás sebessége kicsi, döntően oxidok leválása történik. A terhelés kritikus értékénél 3...4 N (lásd 19. ábra) az oxidréteg átszakad, az enyhe kopás drasztikusan megnő, a rendszer átkerül az erős kopási állapotba. A kopási tényező több mint 100-szorosára nő. A kopási részek fémes felületűek. A hőmérséklet emelkedésével az oxidáció sebessége megnő, a réteg vastagabb lesz, ismét kialakul (17. ábra, T 2 ) az oxidációs kopás. Tovább növelve a terhelést eljuthatunk az érintkezési felületek megolvadásához, ami ismét erős kopást eredményez. Az erős kopás tartományában az érdességek mindig plasztikusan is deformálódnak. 25 Kopási tényező (mm 3 m -1 ) p ( Terhelés (N) 17. ábra A kopási tényező változása a terhelés függvényében 0,5 % C-tartalmú acél csap és szerszámacél gyűrű súrlódásánál normál környezetben (Hutchings 1992) A kialakuló kopási intenzitás a terhelésen kívül függ a felületek állapotától, az adhéziós kapcsolatok erősségétől, az érintkező anyagok ill. oxidjaik nyírószilárdságától.

26 Az adhézív kopás elméletét Hohn és Archard dolgozta ki először. Elméletük és az általuk bevezetett egyszerűsített kopásszámítási összefüggés ma is széles körben alkalmazható. Az Archard féle képlet szerint a kopás egyenesen arányos a normál terhelőerővel, az elmozdulással és fordítottan a lágyabb anyag keménységével. V = k F H n s 3 [ mm ] ahol: V térfogati kopás/elmozdulás egység (mm 3 /m) F n normál terhelőerő (N) H lágyabb anyag keménysége (N/mm 2 ) k dimenzió nélküli kopási tényező s elmozdulás (m). Ezzel azonos összefüggést kaptak más kutatók eltérő elméleti modellek esetén is. Az Archard féle összefüggést más módon felírva: mm 3 ahol: K kopási tényező Nm s súrlódási út (m). V = K F n s 3 [ mm ] A fenti összefüggések nem minden esetben írják le pontosan a kopási folyamatot, nem veszik figyelembe a bekopási szakaszt és a kopás nem lineáris jellegét. Más szerzők az összefüggés általánosításával érvényességét más kopási formákra és olyan esetekre is kiterjesztették, melyeknél több kopási mechanizmus együttesen működik. V m n = K F n S (mm 3 ) Az m,n kitevők értékei a tribológiai rendszer állapotától, elemeitől függenek. Adhéziós mechanizmusnál általában m=n= 1, de a kitevők ilyen értékeinél sem zárható ki az abráziós és a fáradásos mechanizmus működése. Fáradásos kopásnál m>1 (2, 3 ritkán 5) és n<1 értékek a jellemzők (Bayern 1994). Abrázív kopás Az abrázív kopás akkor keletkezik, ha a két kölcsönhatásban lévő felszín keménysége eltér egymástól vagy a felületek között egy harmadik test van jelen. Ez utóbbi származhat a felületekről, pl. fáradásos vagy adhézív kopás révén, vagy bekerülhet kívülről a környezetből. A terhelés hatására a keményebb anyag benyomódik a lágyabb felületbe, a relatív elmozdulás során pedig barázdát képez az ellendarabon plasztikus deformáció és/vagy forgácsolás révén. Az érintkező felületek elmozdulásakor az adhéziós kötések kialakulása mellett rendszerint abráziós koptató hatás is létrejön. Ennek során mindkét felületen, csak a kisebb keménységűn anyag leválasztás vagy deformálás történik a felületek közötti kemény szemcsék, illetve a keményebb anyag felületi érdessége által.

27 Az abráziós koptató mechanizmusnak alapvetően három formáját különböztetjük meg (18. ábra). A szakirodalomban az abráziós kopási mechanizmusok tárgyalásánál további megkülönböztetéseket tesznek a koptató szemcsék alakja, mérete, keménysége, az anyagleválasztás módja szerint (Landsdown, Price 1983). Az abrázió alapvető törvényszerűségeinek megértéséhez, illetve tárgyalásához azonban elegendő a 18. ábra szerinti hármas felosztás. Két-testes abrázió Három-testes abrázió Erózió 18. ábra Az abráziós formák sematikus ábrázolása (Bayern 1992) Kéttestes abrázióról akkor beszélünk, ha a két egymáson elcsúszó felület között nincs harmadik, szabadon elmozdítható szilárd részecske. A koptató hatást a keményebb felület kidudorodásai vagy a lágyabb felületbe beágyazódott kemény szemcsék okozzák. Az előbbi a reszelő, míg a másik a csiszolóvászon vagy csiszolókő és munkadarab közötti kölcsönhatással szemléltethető. A háromtestes abráziónál a környezetből bekerült vagy a súrlódó anyagok felületéről levált kemény részecskék az elmozduló felületek között csúszó és gördülő mozgást végezve koptatják a felületet. A szakirodalomban gyakran az eróziót az abráziós kopási formák közé sorolják. Ennél a koptató hatást a felületre csapódó szilárd részecskék okozzák, melyeket rendszerint áramló folyadék vagy levegő szállít. Abráziós kopásnál a felület rugalmas és képlékeny deformációja és forgácsolása történik, az érintkező anyagok mechanika jellemzőitől (keménység, rugalmassági modulus, folyáshatár) és alakjától függően.

28 A felület jelentős plasztikus deformációja akkor következik be, ha a felületi nyomás legalább háromszorosa az anyag egytengelyű folyáshatárának. A vizsgálatok szerint ez akkor következhet be, ha a részecske keménysége legalább 1,2-szerese az ellendarabénak, illetve alaptestnek. Ellenkező esetben a részecske rugalmasan deformálódik és a felület képlékeny deformációja Hr Hr elhanyagolható. Ennek megfelelően beszélünk enyhe <1,2 és erős > 1,2 abrázióról, ahol Hr Ha Ha a részecske, Ha a felület keménysége (Hutchings 1992). Ásványi anyagok koptató hatásának megítéléséhez jól felhasználható Mohs (1824) skálája, amely tíz ásványi anyag keménységi sorrendjét határozza meg. A sorban elől lévő anyagok képesek plasztikusan deformálni (megkarcolni) az utánuk következőket. A szomszédos ásványok keménységének aránya (kivéve a gyémántot) közel állandó, kb. 1,6, ami az előzőekben említett 1,2 értéknél jelentősen nagyobb. Abráziós szempontból a szilíciumoxidnak van a legnagyobb jelentősége, mivel a környezetben szinte mindenütt előfordul. A föld kérgének közel 60%-át képezi, Vickers keménysége HV=800. A martenzites acél keménysége csak 0,8-szorosa ennek, ezért kopásvédelem szempontjából nagy jelentőségük van a kemény vegyület kristályokat tartalmazó ötvözeteknek és nem fémes felületbevonó anyagoknak. Az előzőek alapján megállapítható, hogy a két- és háromtestes abráziónál a felületek kopása elsősorban keménységüktől függ. Az abrázió során jellegéből adódóan oxidmentes, nyers felületrészek jönnek létre, így az adhéziós kopási mechanizmus is működik. Az eltávolított oxidréteg újraképződése majd lehordása folyamatos, ezért kis keménységű és nyírószilárdságú oxidréteg képződése esetén az abráziós kopás intenzitása magas. A műszaki anyagok kopásállóságát keménységük függvényében a 19. ábra mutatja, szilíciumkarbid koptató szemcse alkalmazásánál. A 19. ábra olyan esetekre vonatkozik, amikor a koptató anyag keményebb, mint a koptatott felület. Látható, hogy a keménység és kopásállóság között szoros korreláció csak az azonos anyagcsoportokon belül állapítható meg. A szürke és gömbgrafitos öntöttvas és a kerámia azonos keménységnél jelentősen eltérő kopásállóságot mutat. Ez a kerámiák alacsony E/H (húzó rug. modulus/keménység) arányaival magyarázható. Ilyen esetekben a plasztikusan deformált anyagtérfogaton belül nagy a forgácsolással eltávolított anyagrész aránya, erősebb az abrazív koptató hatás. A műanyagoknál nincs olyan szoros korreláció a kopásállóság és keménység között, mint a kopásállóság és a szakítószilárdság vagy szakadási nyúlás között. (Hutchigs 1992)

29 Csap abráziós teszt, szilíciumkarbid Gömbgrafitos öntvény Szürke öntvény I. k.k. tisztafémek és t.k.k. kezeletlen acélok Ausztenites Martenzit+maradék ausztenit Magas Cr-Mo tartalmú ac. Fehér nyersvas Martenzites Hőkezelt acélok Növekvő széntartalom Hideg képlékeny alakítással felkeményített fémek Nemesített fémek Műanyagok Kerámiák Keménység 19. ábra A tömör anyagok kopásállósága keménységük függvényében (Hutchings 1992) Az abrázív térfogati kopás számítására számos összefüggést határoztak meg. Ezek között van, 3 mm amely a rendszer kopásállóságát az Archard formulának megfelelően egy K kopási Nm tényezővel fejezi ki. Mivel a kopást befolyásoló összes rendszerparaméter hatását ez a K tényező foglalja magába, általánosítása más rendszerállapotokra nagy pontatlansághoz vezet. A K értékét kísérleti úton kell meghatározni. Sokkal pontosabbak azok az összefüggések, melyekben a rendszerparaméterek, elsősorban az alap-, az ellentest, ill. a harmadik test jellemzői mint önálló tényezők jelennek meg (Valasek, Szota 2002): ahol: 2 V = n P p0,2 2 Klc E - rugalmassági modulus (MN/m 2 ) H - keménység K lc - törésszívóssági érték (MN/m 3/2 ) L - az elmozdulás (m) n - hidegalakítási keményedési tényező R p0,2 - folyáshatár (N/m 2 ). E F H 3 / 2 n 3 / 2 L Ez a kifejezés a kisebb keménységű anyag térfogati kopását adja meg, a kísérleti úton meghatározott anyagjellemzők, az elmozdulás és a normál terhelőerő függvényében. Az erózió az abrázió egy speciális esete, gyakran egy önálló kopási mechanizmusként tárgyalják. A kopás mértéke és jellege a keménységi arányokon túl függ az anyagok ridegségétől, a szemcsék méretétől, tömegétől, becsapódási szögétől és sebességétől. Ez utóbbiaktól függően a kopási folyamaton belül a forgácsoló, fáradásos, deformációs koptató hatások súlya változó. Fáradásos kopás