SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR
Témavezető: DR. PÁLINKÁS ISTVÁN egyetemi docens
FÉMSZÓRT FELÜLET ÉS MŰANYAG KAPCSOLATOK TRIBOLÓGIÁJA
Doktori (Ph.D) értekezés tézisei
Készítette: SZŰCS SÁNDOR Dr. univ. főiskolai docens egyéni Ph.D. hallgató
Gödöllő 2003.
2
A doktori iskola 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
3
TARTALOMJEGYZÉK
1. ELŐZMÉNYEK ÉS CÉLKITŰZÉSEK
5
2. ANYAG ÉS MÓDSZER
7
3. EREDMÉNYEK 3.1. Szórt acélok kopásállóságának összehasonlítása (I. vizsgálat) 3.2. A vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása (II. vizsgálat) 3.3. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül (III., V. vizsgálat) 3.4. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok kopásának vizsgálata vízben (IV., VI. vizsgálat) 3.5. Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának, kopásának vizsgálata kenés nélkül, növelt súrlódási úttal (VII., VIII. vizsgálat) 3.6. Egyszeri kenés hatásának vizsgálata (IX. vizsgálat) 3.7. Szórt acél/POM-C kopásának és súrlódásának vizsgálata különböző kenőképességű folyékony köztes anyagokkal (X. vizsgálat) 3.8. Új tudományos eredmények
9 9 10
15 17
4. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK
19
5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓIM
21
10 11 12 14
4
5
1. ELŐZMÉNYEK ÉS CÉLKITŰZÉSEK A gépek és berendezések súrlódó alkatrészeinek veszteségeit a súrlódási ellenállás, a különböző mechanizmusok útján létrejövő kopások határozzák meg. Jelenlegi ismereteink szerint a veszteségek csökkentésének leghatékonyabb módja a kenés, amikor a gépelemek súrlódó felületei közé folyékony, plasztikus, vagy szilárd kenőanyagot juttatunk és olyan konstrukciós megoldást alkalmazunk, hogy a kenőanyag lehetőleg minden üzemállapotban válassza el egymástól a súrlódó felületeket. Ennek megvalósítása a gyakorlatban azonban nem mindig lehetséges. Az üzemi körülmények szélsőséges megváltozásának hatására bekövetkezhet a kenőfilm összeomlása, vagy környezetvédelmi, egészségügyi előírások miatt kenőanyag nem alkalmazható. Ilyen esetekben a kenés szerepét az érintkező felületeknek, ill.azok felső adszorpciós rétegének kell átvenni. Ezek a követelmények előtérbe állították a különböző anyagpárosítások tribológiai vizsgálatát, az „önkenőképesség” megvalósítási lehetőségeinek kutatását. Mivel a gépelemek anyagait elsősorban szilárdságtani és gazdaságossági szempontok alapján választjuk, súrlódó felületeik a legtöbb esetben csak korlátozottan képesek a tribológiai követelményeknek eleget tenni. Ezen probléma megoldására fejlesztették ki a különböző felületkezelési, felületbevonási eljárásokat. Ezek lehetőséget nyújtanak a gépelem anyagától eltérő, a tribológiai követelményeknek eleget tevő felületi rétegek előállítására. A felületbevonásnak egyik módszere a termikus szórás. A termikus szórási eljárásokkal ma már a tribológiai bevonatok széles választéka állítható elő. Ezek a bevonatok halmaz szerkezetűek, porózusak. A halmaz elemei az alaptesthez és egymáshoz túlnyomórészt adhéziósan és mechanikusan kötődnek. Fémes kent súrlódó rendszerekben kiváló kopási és súrlódási tulajdonságokat mutatnak. A szórt fém/műanyag kapcsolatok tribológiai vizsgálata mindeddig háttérbe szorult. A műanyagok önkenőképességük révén a kis teljesítményű kenés nélküli súrlódó rendszerek fontos elemei. Gyakorlati szempontból fontos feladat az ilyen rendszerek tribológiai kutatása, a nagyobb teljesítményre képes anyagpárosítások megtalálása. Kutatási munkám célja meghatározni a szórt, porózus acél és műanyagok egyirányú csúszó kapcsolatának egyes, a gyakorlati alkalmazás szempontjából lényeges tribológiai jellemzőjét kenés nélkül és néhány eltérő kenőképességű folyékony kenőanyag alkalmazásával.
6
7
2. ANYAG ÉS MÓDSZER A szórható fémek, ötvözetek és műanyagok választéka nagy. A rendelkezésemre álló idő és pénzügyi korlátok miatt egy szórt ötvözetet és öt közepes teljesítményű műszaki műanyag típust vizsgáltam. A szóróanyagot műszaki, gazdaságossági és tribológiai szempontok figyelembevételével választottam ki. A felállított fő szempontok: • A választott ötvözet szórható legyen a gyakorlatban elterjedt lángolvasztásos, por- és huzalszóró berendezésekkel. • Fémes súrlódó kapcsolatban jó kopásállósággal rendelkezzen. • Kis zsugorodású, vastag rétegben is felvihető, jól forgácsolható, polírozható legyen. • A légköri korróziónak ellenálljon. • A bevonat előállítása viszonylag olcsó legyen. A fenti szempontok alapján öt szóróanyagot jelöltem meg. Közülük, relatív kopásállóságukat is figyelembe véve, választottam ki a 13%-os krómtartalmú ferrit-martenzites acélt. Ellendarabként öt műszaki műanyagot vizsgáltam. 1. 2. 3. 4. 5.
Polioximetilén-kopolimer (POM-C) Ultranagy molekulatömegű polietilén (UHMWPE) Politetrafluoretilénnel töltött polietilénterephtalat (PETP (t)) Szilárd kenőanyaggal töltött, üvegszállal erősített polifenilénszulfid (PPS (t)) Üvegszállal erősített poliamid (PAGF30)
A méréseket saját tervezésű vizsgálóberendezésen végeztem.
és
kivitelezésű,
gyűrű-hasáb
próbatesteket
alkalmazó
A vizsgálati modellt alapvetően anyagpárok relatív kopásállóságának és kenőanyagok, adalékanyagok vizsgálatára alkalmazzák. A próbatestek vonalmenti érintkezése már kis terhelő erőknél az anyagban nagy feszültségcsúcsot adó feszültségeloszlást hoz létre, amely a kopás előrehaladásával folyamatosan változik. Már kis terheléseknél és vizsgálati úthossznál mérhető kopás jön létre, így alkalmas gyorsított, rövid idejű vizsgálatok végzésére. A modell hátránya, hogy a kopás működés közbeni mérése nem megoldott. A kopás méréséhez a vizsgálatot meg kell szakítani és a próbatestet-(eket) el kell mozdítani eredeti helyzetéből. Visszahelyezésükkor, a befogás egyértelmű helyzetmeghatározása ellenére, megváltozhat a felületek érintkezése és a folyamat egy megváltozott (alacsonyabb) hőmérsékleten folytatódik. Ez megfelel a legtöbb gyakorlati működési módnak, viszont rontja a mérési eredmények reprodukálhatóságát. Ennek ellenére az elvégzett mérési sorozatok relatív szórása nem nagyobb mint egy nemzetközi felmérés adatai szerint a hasonló elven működő ASTM G77 szabvány szerinti vizsgálóberendezésekkel laboron belül végzett mérési sorozatoké (Blau, J.P.,Budinski, G.K. 1999) . A szórt acél /műanyag súrlódópárok tribológiai vizsgálatát a kopás, a súrlódóerő a hasábhőmérséklet, a gyűrű felületi érdességének mérése és a hasábon létrejövő kopási nyom vizuális értékelése alapján végeztem. Az eredmények értékelésénél viszonyítási alapként a tömör,
8
edzett szénacél/műanyag párosításokkal elvégzett párhuzamos mérések eredményeit vettem. A bevont és tömör felületű gyűrűk készremunkálása azonos technológiai paraméterekkel történt. A műanyag hasábok öntött műanyag rúdból, súrlódó lapjaikkal a rúd tengelyére merőlegesen lettek kimunkálva. Az elvégzett vizsgálatok: I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X.
Szórt acélok kopásállóságának összehasonlítása Vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása Műanyagok/szórt acél súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül Műanyagok/szórt acél súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben Műanyagok/tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül Műanyagok/tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben Műanyag/szórt acél súrlódásának és kopásának vizsgálata növelt súrlódási úttal Műanyag/tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata növelt súrlódási úttal Egyszeri kenés hatásának vizsgálata Különböző kenőképességű folyékony kenőanyagok hatásának vizsgálata a szórt acél/POMC súrlódására, kopására
9
3. EREDMÉNYEK 3.1.
Szórt acélok kopásállóságának összehasonlítása (I. vizsgálat)
A szórt, ötvözött acélok és a K1- jelű krómötvözésű, tömör szerszámacél kopásállóságát hasonlítottam össze edzett 61±1,5 HRC keménységű C60-as acélgyűrűvel koptatva. A mérés eredményét az 1. ábra mutatja.
886
900 800
600 500 400 300
10,45
33,5
K1
16,4 KLD 31**
19400
19910
KLD 31
0
30,3
6,3
Metc. 2
100
5,33 1,52
KLD 60
200
KFD 99
-2
x 10 mm
Kopás
3
700
Anyag típus
1. ábra A szórt acélok és a K1 jelű szerszámacél kopásállósága kenés nélkül, edzett C60-as acélfelületen súrlódva s=600 m, Ragy=0,5 µm, Rah=0,29 µm, (** olajban tartott majd letörölt hasáb) A mérések tanulsága szerint a vizsgált, szórt, erősen ötvözött acélok kopásállósága kenés nélküli súrlódó kapcsolatban közel azonos. Összehasonlítva a tömör, nagyobb makrokeménységű, K1 jelű szerszámacéllal, melynek összetétele közel azonos a Metc.2 és KLD 60–jelű szórt acélokéval, kopásállóságuk a vizsgált rendszerben jobb. Ez azt igazolja, hogy a szórt fémek kopásállóságát száraz súrlódásnál nem lehet csupán makrokeménységük alapján megítélni. Magas az oxidtartalmuk, berágódási hajlamuk alacsonyabb. A mérés eredményét is figyelembe véve a további vizsgálatokhoz a 13%-os krómtartalmú ferritmartenzites Metc.2 jelű acélt választottam.
10
3.2.
A vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása (II. vizsgálat)
A vizsgálatok megismételhetőségi szórásának statisztikailag egzakt meghatározására nem volt módom, de ennek becslésére egy tíz mérésből álló mérési sorozatot végeztem szórt acél (M2)/POMC anyagpárosítással. A méréseket azonos terhelési, környezeti és technológiai paraméterekkel hajtottam végre. A kapott szórásértékek: A térfogati kopás szórása: sV = 0,0386 mm3 A súrlódóerő szórása: sFs = 2,85 N A relatív szórások: SRV =
SFs =
sV 0,0386 = 0,145 = 0,265 Vátl
s Fs 2,85 = = 0,149 Fátl 19,05
Az elvégzett mérési sorozatok kopás és súrlódóerő értékeinek relatív szórása egyik vizsgálatnál sem haladja meg a nemzetközi felmérés alapján, az ASTM G77 jelű szabványosított berendezésekre vonatkozó, laboron belüli megismételhetőségi szórást (20…40 %) 3.3.
Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül (III., V. vizsgálat)
A méréseknél alkalmazott tömör és szórt felületű gyűrűk azonos módon kerültek megmunkálásra.. A szórt felület érdességi mérőszámait a pórusok erősen torzítják. Ebből következően a két felület minősége az érdességprofilok magassági méreteiből meghatározott mérőszámok alapján nem hasonlítható össze. A továbbiakban megadott Ra átlagos érdességi mérőszámok az azonos technológiai paraméterekkel megmunkált tömör acélgyűrűk mérőszámai. A profilok képe és a hordozóhossz eloszlás alapján a két profil az eltérő érdességi mérőszámok ellenére közel azonosnak tekinthető. A kenés nélkül végzett kopásmérés eredménye a 2. ábrán látható. 25 Szórt.acél gyűrű Tömör acél gyűrű
x 10-2 mm3
Kopás
20 15 10 5 0 66PAGF30
POM-C
PETP(t)
PPS(t)
UHMWPE
Műanyagok
2.ábra A műanyagok kopása szórt és tömör acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (s = 1200 m, Ra,gy = 0,5 µm)
11 A szórt fém a PETP (t) kivételével minden műanyagnál alacsonyabb kopást okozott, mint a tömör. A vizsgálat során a gyűrűk felületének elszíneződése az átvitt műanyagfilm kialakulását jelezte. Ez a szürkés-barnás elszíneződés minden esetben a szórt felületen jelent meg korábban. A PETP (t) súrlódásánál ilyen elszíneződés egyik felületen sem volt látható. A kopásértékek azt mutatják, hogy a teflon – mint szilárd kenőanyag – a tömör fémfelületen jobban kifejti kopáscsökkentő hatását. A hasábok koptatott felületein mindkét ellendarabnál elmozdulás irányú barázdák láthatók, a kopás jellege vegyes, adhéziós és abrázíós. 3.4.
Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok kopásának vizsgálat)
vizsgálata vízben (IV., VI.
A vizsgálat előtt a műanyag-hasábok 48 óráig labor hőmérsékletű csapvízben álltak. A mérés során a súrlódó felületek a tartályban lévő csapvíz felszíne alatt helyezkedtek el. A vizsgálat eredményét a 3. ábra mutatja.
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Szórt acél gyűrű
PE M W U H
PP S( t)
t) P( PE T
PO M
66 PA G F3
-C
Tömör acél gyűrű
0
x 10-2 mm3
Kopás
A műanyagok kopása minden esetben nőtt a száraz súrlódásukhoz képest, de a szórt és a tömör felületű gyűrűk közötti viszony itt is megmaradt. Ez azt jelenti, hogy a két acélfelület viselkedését a víz közel azonos mértékben befolyásolja. A súrlódási tényezőket vizsgálva a száraz súrlódáshoz képest jelentős csökkenés egyik súrlódópárnál sem következett be. Ennek lehetséges magyarázata a rövid súrlódási úthossz és a nem illeszkedő próbatest felületek.
Műanyagok
3.ábra A műanyagok kopása szórt és tömör acélfelületen súrlódva, vízben (s = 1200 m, Ra,gy = 0,5 µm) A relatív kopásemelkedés szerinti sorrend a POM-C kivételével mindkét ellenfelületnél azonos a 23oC-os vízben mért telítettségi víztartalmuk szerinti sorrenddel. A telítettségi víztartalom szerinti sorrend: PAGF30 (5,5 % ) > POM-C (0,85 % ) > PETP (t) (0,47 %) > PPS (t) (0,09 %) > UHMWPE (0,01 %). A relatív kopásnövekedésük szerinti sorrend szórt ellenfelületnél: PAGF30 (5,7 x) > PETP(t) ( 2,8 x ) > PPS(t) ( 1,5 x ) > POM-C ( 1,05 x ) > UHMWPE ( 1,4 x). Tömör ellenfelületnél a sorrend ugyanez, azzal a különbséggel, hogy a POM-C és a PPS(t) relatív kopásnövekedése megegyezik. Mivel a kopásnövekedés kis vízfelvevő képességű műanyagoknál is bekövetkezett ez arra enged következtetni, hogy a kopásnövekedés nem csak a vízfelvétel szilárdságcsökkentő hatásának eredménye. A víz adszorbeálódva az acél felületén gátolja az abrazív kopást csökkentő átvitt műanyagfilm kialakulását. Ezt támasztja alá a kopási nyom barázdált abrazív jellege.
12
3.5.
Szórt acél/műanyagok, tömör acél/műanyagok súrlódásának, kopásának vizsgálata kenés nélkül, növelt súrlódási úttal (VII., VIII. vizsgálat)
A vizsgálatot simább felületű gyűrűkkel (Ra,gy =0,29 µm ) és növelt terheléssel (FN =100 N) végeztem.. A kapott kopási és súrlódási tényező értékeket az 4., 5., 6., 7. ábrák mutatják. Kopás (tömör) Kopás (szórt) Súrl.tény. (tömör) Súrl. tény . (szórt)
0,3 0,25
x 10-2 mm 3
Kopás
80
0,2
60
0,15 40
0,1
20
0,05
0
Súrlódási tényező µ
100
0 0
5000 10000 15000 20000 25000 30000
Csúszási úthossz (m)
4.ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopása és a súrlódási tényezője szórt és tömör acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy = 0,29 µm) Kopás szórt/PETP(t) Kopás C60/PETP(t) Súrl. tény.szórt/PETP(t) Súrl. tény.C60/PETP(t)
-2
x 10 mm
Kopás
3
120 0,15
100 80
0,1
60 40
0,05
20 0
Súrlódási tényező µ
0,2
140
0
0
10
20
30 3
x 10 m Csúszási úthossz
5. ábra Teflonnal töltött polietilénterephtalat (PETP (t)) kopása és súrlódási tényezője szórt és tömör ellendarabon súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy = 0,29 µm )
13 Kopás (tömör ac./PPS(t) Kopás (szórt ac./PPS(t) Súrl.tény. (tömör ac./PPS(t) Súrl. tény. (szórt ac./PPS(t)
0,4 0,35
500 x 10-2 mm 3
Kopás
0,3 400
0,25
300
0,2 0,15
200
0,1 100
0,05
0
0
20
40
60
Súrlódási tényező µ
600
0 100
80 x 103 m
Csúszási úthossz
6.ábra Üvegszállal erősített és szilárd kenőanyaggal töltött polifenilénszulfid (PPS (t)) kopása és súrlódási tényezője szórt és tömör acélfelületen súrlódva kenés nélkül (Ra,gy = 0,29 µm)
Kopás (tömör ac./PAGF30) Kopás-1 (szórt ac./PAGF30) Súrl. tény.(tömör ac./PAGF30
800 700 600 500 400 300 200 100 0 0
20
40
60
80
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 100
Súrlódási tényező µ
x 10-2 mm3
Kopás
Kopás-2 (szórt ac/PAGF30)
3
x 10 m Csúszási úthossz
7. ábr a Üve gszá llal erősí tett poli ami d (PA GF3 0)
kopása szórt és tömör ellendarabon súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy = 0,29 µm ) A vizsgálatok azt mutatják, hogy a szórt és a tömör acél koptató hatása és a súrlódási tényező erősítés nélküli műanyagoknál közel azonos (4., 5. ábra). Az üvegszálerősítésű műanyagok kopása és súrlódási tényezője szórt fémen súrlódva jelentősen kisebb mint a tömör ellendarabon (6., 7. ábra). Ennek lehetséges oka a szórt fémen jobban tapadó, erősebb műanyagfilm kialakulása és a pórusokban megfogott üvegszál törmelék.. A szórt fém pórusaiban megtapadó üvegszál részecskék megkötik a kialakult filmet, így az jobban ellenáll az üvegszálak abrazív koptató hatásának.. A tömör gyűrű felületén a műanyagfilmet jelző elszíneződés egy idő után elhalványul, megjelenik a fényes, fémes felület, a kopás felgyorsul.
14
Ez a jelenség szórt fémnél csak néhány esetben, 40-48 km-es súrlódási út után következett be (7. ábra Szórt-2. görbe). A gyűrűfelületek profilgörbéin már felismerhető a kopás. Mindegyik felület simábbá vált, érdességük 0,1-0,15 µm-el csökkent. Erősebb kopás csak a C60/PAGF30 párosításnál látható. A szórt fém/műanyag kapcsolat alacsonyabb súrlódási tényezője nem magyarázható egyedül az átvitt műanyagfilm vastagságával. Minden bizonnyal annak összetétele is eltér a tömör acélfelületen lévőtől. Feltehetően a pórusokban megfogott üvegszálcsomók üveg-üveg súrlódása csökkenti le a mérhető súrlódási tényezőt. 3.6. Egyszeri kenés hatásának vizsgálata (IX. vizsgálat) A mérések célja annak az igazolása, hogy a szórt fém pórusai képesek folyékony kenőanyag tárolására az ellendarab kopásának és súrlódási tényezőjének csökkentésére, acél ellendarabnál a berágódás megakadályozására. A vizsgálatot tömör acél (C60)/tömör acél (C40) és szórt acél/tömör acél (C40) és szórt acél/POMC párosításokkal szárazon és egyszeri kenéssel végeztem. Az egyszeri kenésnél mérés előtt a szórt és a tömör felületű gyűrűket 80oC-os 15W-40 (ACEA 05-02) jelű motorolajban kifőztem. Mérés előtt felületüket tiszta pamutruhával letöröltem. Ezzel az azonos érdességű felületeken közel egyforma – a vizsgálatok szerint néhány molekulányi vastagságú – olajfilm maradt. Acél ellendarab esetén mértem a hasáb hőmérsékletét, a súrlódó erőt, a műanyag ellendarabnál a kopást is.
0,75
100
0,6
75
0,45
50
0,3
25
0,15
0
Súrlódási tnyező µ
Hasáb hőmérséklet (oC)
125
Hasáb hőm. (száraz) Hasáb hőm. (olajozott) Súrl.tényező (olajozott) Súrl.tényező (száraz)
0 0 0,18 0,36 0,6
2
4 11,3 16
20
x 103 m Csúszási úthossz
8. ábra Az acél hasáb hőmérsékletének és a súrlódási tényező változása a súrlódási út függvényében, olajban tartott, majd száraz pamutruhával letörölt, szórt felületű gyűrűn súrlódva ( Ragy=0,5 µm, Rah=0,35 µm ) A szórt felületű gyűrűvel és tömör C 40-es acélhasábbal végzett mérések eredményét a 8. ábra, a POM-C hasábbal végzetteket a 9. ábra mutatja.
15 Kopás Súrlódási tényező 0,15
x 10-2 mm3
Kopás
25 20
0,1
15 10
0,05
5 0 0
20
40
60
80
100
Súrlódási tényező µ
30
0 120
x 103 m Csúszási úthossz
9. ábra A hasáb (POMC) kopása és a súrlódási tényező változása a súrlódási út függvényében, olajban tartott, majd száraz pamutruhával letörölt, szórt felületű gyűrűn súrlódva ( Ra,gy = 0,29 µm ) Az ábrán látható, hogy a tömör acélgyűrűnél az egyszeri kenés hatása alig érzékelhető. A berágódási úthossz, (µ≥0,5; T ≥ 60oC) az olajozott, majd letörölt gyűrűnél alig haladja meg a kezeletlen gyűrűnél mért 400…500 métert. A gyűrű felületén maradt olajfilm nem képes megakadályozni a berágódást. A szórt felületű gyűrűnél (8. ábra) a hasáb még 20 kilométeres súrlódási út után sem rágódott be. A pórusokban tárolt, és kiszivárgó olaj folyamatos kenést biztosított. Ez azt jelenti, hogy kent rendszerben kenéskimaradás esetén csökken a súrlódópárok berágódásának, erős kopásának veszélye, nő a rendszer megbízhatósága. Egyszeri kenés esetén a pórusok növelik a kenés hatékonyságát. A műanyag (POMC) alaptesttel végzett vizsgálat (9. ábra) ugyanezt igazolta. 3.7.
Szórt acél/POM-C kopásának és súrlódásának vizsgálata különböző kenőképességű folyékony köztes anyagokkal (X. vizsgálat)
A vizsgálatnál alkalmazott kenőanyagok és adalékok: 1. Desztillált víz 2. Gyógyászati fehérolaj 3. Gyógyászati fehérolaj + FM adalék (Hostagliss D-E) 4. Gyógyászati fehérolaj + EP/AW adalék (Additin RC 3661) 5. Gyógyászati fehérolaj + FM + EP/AW adalék A méréseket a vizsgált folyadékban merülő súrlódó felületű próbatestekkel végeztem. A műanyag hasábok a mérés megkezdéséig 48 óráig laborhőmérsékletű vizsgálati folyadékban áztak. A vizsgálat eredményét a 10. ábra tartalmazza.
16
Kopás
1,2
0,2
0,9
0,15
0,6
0,1
0,3
0,05
+F M
.+ EP /A W
Fo
Fo
.+ EP /
AW
0 Fo .+ FM
0
Súrlódási tényező µ
Kopás (mm 3)
Súrl.tény.
Köztes anyagok
10. ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopása és súrlódási tényezője szórt acélfelületen csúszva, különböző folyékony köztes anyagoknál. (Ra,gy = 0,29 µm) A desztillált vízben kapott kopási érték 1,9 x magasabb a kenés nélkülinél. Ez nagyobb növekedés, mint a kommunális csapvízben mért (1,6 x). Mindegyik köztes anyag csökkentette a súrlódási tényezőt, viszont a száraz súrlódáshoz képest a kopást megnövelte. Ez a vizsgálat, a IX. vizsgálattal együtt, igazolta, hogy a kopásra a folyékony kenőanyag viszkozitásának van döntő hatása. A fémekkel nagy kémiai affinitást mutató súrlódásmódosító és kopáscsökkentő adalékok (FM, EP/AW) adszorbeálódva az acélgyűrű felületén, kis felületi energiájukkal megakadályozzák a fémfelület érdességárkait kitöltő műanyagréteg megtapadását, ezzel a műanyag abrázív kopásának növekedését okozzák. Ezt igazolta a szárazon és kenőanyaggal koptatott műanyag hasábok kopási felületeinek mikroszkópos vizsgálata. A száraz koptatáshoz képest sűrűbbek és mélyebbek az elmozdulásirányú barázdák, a kopási folyamat döntően abrázívvá vált. A vizsgált adalékok súrlódáscsökkentő hatása a fehér olajhoz képest csekély, viszont a kopást jelentősen megnövelik, ezért fém/műanyag súrlódópároknál alkalmazásuk káros. Ugyanez mondható el minden olyan adalékról, amelyek adszorbeálódva a fém felületén kis felületi feszültségű réteget hoznak létre, amelyhez a műanyag adhéziója gyenge.
17 3.8. Új tudományos eredmények 1. Megterveztem és elkészítettem egy gyűrű/hasáb próbatesteket alkalmazó tesztberendezést, amely alkalmas a különböző anyagpárosítások alapvető tribológiai jellemzőinek vizsgálatára, a súrlódóerő, a kopás és a hasábhőmérséklet közvetlen mérésére kenőanyag nélkül és folyadékkenéssel. A terhelőrendszer kialakításánál fogva minimálisra csökkenti a gyűrű gyártási és beállítási hibáiból adódó terhelés ingadozását. 2. Az elvégzett kenés nélküli összehasonlító kopásvizsgálat és a műanyagokon csúszó szórt acélfelület érdességének vizsgálata igazolták, hogy a porózus, halmazszerkezetű, szórt, 13%-os krómacél felület kopásállósága a tömör, edzett acélfelületével közel azonos. FN=100N terhelésig (pmax=123MPa, pátl=96,5 MPa érintkezési nyomásig) és µ=0,64 súrlódási tényezőig a felület lemorzsolódása, a szemcsehatárok elnyíródása nem következik be 3. A műanyag hasáb kopása erősítés nélküli műanyagok/szórt és tömör acél súrlódásánál, FN = 100 N-os terhelésnél, leírható a V = C ⋅ FN ⋅ s
a
(mm3) összefüggéssel, ahol: FN (N) – normál
terhelőerő, s (m) – a csúszási út, a C és a a kopási folyamat jellegétől, az anyagpároktól, a
mm 3 ; a Nm
−5 terhelési és környezeti feltételektől függő állandók: a=0,5…0,6; C = 2...6 ⋅ 10
korrelációs tényező r>0,97. 4. A szórt acél/üvegszállal erősített műanyag (PPS (t); PAGF 30) párosításoknál a műanyag térfogati kopása az adhéziós kopási tartományban leírható a V = C ⋅ FN ⋅ s
a
(mm3)
összefüggéssel, ahol: FN (N)–a normál terhelőerő, s (m)–a csúszási út, C és a a kopási folyamat jellegétől, az anyagpároktól, a terhelési és környezeti feltételektől függő állandók: a(PPS(t))=0,339,
mm 3 mm 3 , C ( PAGF 30 ) = 1,25 ⋅ 10 −6 ; A Nm Nm
−5 a(PAGF30)=0,274; C ( PPS ( t )) = 8,9 ⋅ 10
korrelációs tényező r>0,96. Ugyanezek az állandók tömör acél ellendarabnál: : a(PPS(t))=1,05, a(PAGF30)=1,4; C ( PPS ( t )) = 6,9 ⋅ 10
C ( PAGF 30 )
−7
mm 3 , Nm
mm 3 ; r >0,97 = 2,5 ⋅ 10 Nm −8
5. A szórt porózus acélfelület pórusai olajjal telíthetők. Egyirányú súrlódó kapcsolatban a tárolt olaj FN= 100 N terhelésnél, s ≥ 20 kilométeres súrlódási útig képes megakadályozni a súrlódó acélfelületek berágódását. Folyadékkenésű rendszerekben a szórt felület kenéskimaradás esetén csökkenti a katasztrofális károsodás veszélyét, időszakos kenésnél növeli a kenés hatástartamát. 6. A szárazon és vízben elvégzett mérések azt igazolják, hogy a vízkenésnél mérhető nagyobb kopást nemcsak a műanyag vízfelvételéből adódó szilárdságcsökkenése, hanem az acélfelületen
18
adszorbeálódó víz együttesen okozzák. Az adszorbeálódott víz gátolja az abrázív kopást csökkentő műanyagfílm kialakulását az acél felületén. 7. Az FM (Hostagliss D-E) és az EP/AW (Additin RC 3661) adalékolású fehérolajjal elvégzett méréseim igazolták, hogy a fémfelületen adszorbeálódó kis felületi energiájú adalékok a fém/műanyag súrlódó kapcsolatban megakadályozzák a műanyag abszorpcióját, ezzel növelik a műanyag kopását.
19
4. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK Az elvégzett vizsgálatok alapján több olyan összefüggést állapítottam meg, amelyek nem tekinthetők új tudományos eredménynek, de eddigi ismereteinket kiegészítik, illetve bővítik. − Az elvégzett vizsgálataim igazolták, hogy a termikusan szórt, halmazszerkezetű felületi rétegek alkalmasak műanyag ellendarabbal, kopásálló, súrlódó felületek kialakítására. − A szórható fémek és ötvözetek széles választéka lehetővé teszi a különböző terhelési és környezeti feltételeket figyelembe vevő „optimális” anyagpárosítások kialakítását. − A szórt réteg nyomó és nyírószilárdsága elegendő a fém/műanyag súrlódó kapcsolatoknál alkalmazható terhelések károsodások nélküli elviselésére. − A felvitt réteg porozitása nem gátolja a műanyagok önkenőképességét, a harmadik közbenső réteg kialakulását. Üvegszál erősítésű műanyagokkal párosítva a porozitás jelentősen csökkenti a műanyag kopását, a rendszer súrlódási tényezőjét, ezért alkalmazása ilyen esetekben javasolt. − A szórt réteg porozitása képes folyékony kenőanyag befogadására, ezért alkalmazása időszakosan kent súrlódó kapcsolatokban megnöveli a kenés hatástartamát, folyamatos kenésnél a rendszer élettartamát, megbízhatóságát. − A fém/műanyag súrlódó kapcsolatokban a fém felületén adszorbeálódó, kis felületi energiájú adalékokat tartalmazó, megfelelő viszkozitású kenőanyag alkalmazásával és a fémfelület polírozásával várhatóan kis súrlódási és kopási veszteségű rendszerek alakíthatók ki. Ilyen adalékok durva fémfelületen a műanyag kopását jelentősen megnövelik. − A termikus szórással felvitt krómacél felület kopása, felületminőségének változása, a tömör acél ellendaraboknál megkövetelt 50 HRC-nél kisebb makrokeménysége ellenére, műanyagokkal párosítva elhanyagolható, a profilogramok alapján közel azonos az edzett HRC = 61 ± 1,5 keménységű, tömör acél felületével. − A szórt acélfelület erősítés nélküli műanyagoknál az edzett, tömör acélfelülettel azonos, üvegszál erősítésű műanyagoknál jelentősen kisebb kopást és súrlódási tényezőt biztosít. − A folyékony köztes anyagokkal elvégzett méréseim igazolják, hogy a szórt fém/műanyag súrlódó kapcsolatban a műanyag kopását és súrlódási tényezőjét a folyadék kenőképessége (viszkozitása) határozza meg. A magasabb viszkozitású folyadék alacsonyabb kopást és súrlódási tényezőt biztosít. − Az emberi ízületeket modellező, kis rugalmassági tényezőjű bevonatokkal ellátott súrlódó kapcsolatokban kedvezőbbé válik az érintkező felületek terhelés eloszlása, csökkennek a terhelés - ingadozásból adódó feszültség csúcsok. Ez feltételezhetően csökkenti a fáradásos kopás intenzitását, illetve késlelteti annak beindulását. Bármilyen összefüggés a kopás, terhelés és csúszási út között, csak az adott rendszerállapotban, az adott domináns kopási mechanizmus esetében érvényes, ezért a változási pontok meghatározása az összefüggések alkalmazásához nélkülözhetetlen.
20
A vizsgált szórt acél/műanyag kapcsolatokban a szórt réteg tribológiai viselkedésének mélyebb ismerete további terhelési és tartamvizsgálatokat igényel. A szórt, erősen ötvözött acéloknál a réteg porozitása még finoman megmunkált, polírozott felületeknél is biztosítja a felület megfelelő olajtároló képességét (Abbot-féle felületi olajtároló térfogat), csökkenti a kenőolaj begyöngyöződését. Alkalmazásuk ilyen felületi megmunkálásoknál jelentősen javíthatja a kenés hatékonyságát.
21
5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓIM 1. 2. 3. 4.
5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
16.
Szűcs S. (2003): Alkatrészfelújítás termikus szórásokkal. 153-167. p.In: Janik J. (Szerk.):Gépfenntartás II. Budapest: Szaktudás Kiadó Ház,383 p. Szűcs S.,Pálinkás I.(2002):Szórt acél /műanyag súrlódópár tribológiai jellemzői csúszó súrlódásnál. Az MTA GAB Tribológiai Albizottsága és a GTE Tribológiai Szakosztálya álta 2002. novembert 28-án megtartott szakmai nap előadásainak kiadványa. 1-11. p. Szűcs S.,Pálinkás I.(2002): The comparison of friction and wearing characteristics of solid and sprayed porous steel/plastics. Hungarian Agricultural Engineering,(15) 71-73.p. Szűcs S., Pálinkás I.(2002): Comparing the tribological properties of proof and flame sprayed steel/plastic material friction pair at the contact surface between ring – shaped and planar surfaces. Scientific Buletin of The „POLITECHNICA” University of Timisoara, (61) 79-84. p. Szűcs s. (2002): Lángszórással felvitt fémrétegek súrlódási-kopási jellemzőinek vizsgálata. MTA-AMB K+F Tanácskozás. Gödöllő, p.5. Szűcs S. (2001): Szórt fémrétegek kopási jellemzőinek vizsgálata. TSF Tudományos Közlemények, 1. (2) 261-271.p. Szűcs S., Vermes P. (2001): Measuring customer as element of quality evaluaton. Hungarian Agricultural Engineering. (14) 83-85. p. Szűcs S. (1999): Súrlódó felületek tribológiai jellemzőinek optimalizálása. GATE MFK II. Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Napok, Mezőtúr, 4. köt.. 84-89.p. Szűcs S.,Pálinkás I. (1999): Kenés nélküli siklócsapágyazások élettartamának tervezése. MTA-AMB K+F Tanácskozás. Gödöllő, 1. köt. 267-270.p. Szűcs S.,Pálinkás I. (1999): Kenés nélküli siklócsapágyazások alkalmazásának jelenlegi és jövőbeni lehetőségei korlátai. MTA-AMB K+F Tanácskozás, Gödöllő, 1. köt. 261-265 p. Szűcs S.,Győrki J. (1998): Wear test of parts reneved with metal-spray. 3. International Scientific Symposium, Nyitra, 1998. may 20-21. (Poster) p. 4. Szűcs S.,Pálinkás I. (1998): Súrlódó felületek kopásállóságának növelése bevonatokkal. Gyártástechnológia, XXXVIII. (5) 45-48. p. Szűcs S. (1997): Súrlódó felületek kopásállóságának növelése. I. Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Napok. Mezőtúr, 500-505.p. Szűcs S. (1996): Repairing and increase of lifetime with metal sprayed coatings. Quality and Reliability of Machines International Machinery Faire ’96. Nyitra, may 23-24. (Poszter) p. 4. Szűcs S.,Vas F.,Vermes P. (1995): Die schnellprüfung des motorenöls als eine möglichkeit von der Kostensparung. Lucrarile presentate in cadrul sesinuii internationale de communiarestiintifice. (Nemzetközi Tudományos Szimpoziumon bemutatott előadások). Temesvár. 19-24.p. Szűcs S. (1993): Karbantartási technológiák vizsgálata és fejlesztése a GATE Mezőgazdasági Főiskolai Karon. Gépgyártástechnológia, XXXIII (1-2) 74-76. p.
