MŰSZAKI POLIMEREK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN

Szent István Egyetem

MŰSZAKI POLIMEREK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN

Doktori (Ph.D.) értekezés

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

……………………………… Az iskolavezető jóváhagyása

…………………………… A témavezető jóváhagyása

-2-

Tartalomjegyzék

Tartalomjegyzék ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK __________________________________________________ 5 1.

BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK _____________________________________________ 9 1.1.

2.

3.

A kutatómunka célkitűzései ___________________________________________ 10

SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS ___________________________________________ 11 2.1.

Szilárd testek tribológiai alapfogalmai ___________________________________ 11 2.1.1. Súrlódás_____________________________________________________ 11 2.1.2. Szilárd testek kopása ___________________________________________ 14

2.2.

Tribológiai vizsgálatok ________________________________________________ 20 2.2.1. Tribológiai modellvizsgálatok ___________________________________ 22

2.3.

Korszerű műszaki polimerek __________________________________________ 25 2.3.1. A polimerekről általában ________________________________________ 26

2.4.

A vizsgált műszaki polimer csoportok eddig feltárt tribológiai jellemzői _______ 2.4.1. Polimerek súrlódási és kopási mechanizmusai _______________________ 2.4.2. Polimerek kopását leíró összefüggések_____________________________ 2.4.3. Részben kristályos polimerek ____________________________________ 2.4.4. Poliamidok (PA) ______________________________________________ 2.4.5. Polioximetilén (POM) __________________________________________ 2.4.6. Polietilén-tereftalát (PETP) ______________________________________

2.5.

DLN bevonatok, mint a polimereken súrlódó felületek új lehetősége __________ 44 2.5.1. Gyémánt-szerű nanokompozit (DLN), mint a DLC bevonatok új családja _ 44 2.5.2. A DLN bevonatok eddig feltárt tribológiai jellemzői __________________ 45

2.6.

A szakirodalom kritikai összefoglalása __________________________________ 47

2.7.

Polimerek tribológiai célú alkalmazása a mezőgazdaságban _________________ 2.7.1. A mezőgazdaságban és az élelmiszeriparban leginkább elterjedt műanyagtípusok ______________________________________________ 2.7.2. Konkrét alkalmazási (vizsgálati) példák ____________________________ 2.7.3. Polimer kormánylemezek a szántóföldi növénytermesztésben __________

29 29 31 32 33 38 42

49 50 52 53

KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK__________________________________ 55 3.1.

A kísérletek helyszíne _________________________________________________ 55

3.2.

Kisméretű próbatest vizsgálatok HENGER-SÍK modell rendszerben _________ 3.2.1. Berendezés __________________________________________________ 3.2.2. Vizsgálati paraméterek _________________________________________ 3.2.3. A próbatestek anyaga és előkészítésük _____________________________

55 55 56 57

3.3.

Kisméretű próbatest vizsgálatok TŰ-TÁRCSA modell rendszerben __________ 3.3.1. Berendezés __________________________________________________ 3.3.2. Zavaró hatások csökkentése _____________________________________ 3.3.3. Vizsgálati paraméterek _________________________________________ 3.3.4. Próbatestek anyaga és előkészítésük ______________________________

59 59 61 61 62

3.4.

Kiegészítő vizsgálatok ________________________________________________ 64 -3-

Tartalomjegyzék

3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 4.

5.

Felületi energia vizsgálata folyadékcsepp érintkezési szög (Drop test) vizsgálatával _________________________________________________ 64 A felületeken keletkezett súrlódási nyomok mikroszkópikus vizsgálata ___ 65 A lerakódott polimer film vastagságának vizsgálata __________________ 65

A MÉRÉSI EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE ________________________________ 69 4.1.

A HENGER-SÍK modell vizsgálatok kiértékelése __________________________ 69 4.1.1. A súrlódási erők ciklusonkénti meghatározása _______________________ 69 4.1.2. A kopás térfogat és a fajlagos kopás meghatározása __________________ 71

4.2.

A TŰ-TÁRCSA modell vizsgálati eredmények kiértékelése _________________ 75

VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK _____________________________________________ 77 5.1.

5.2.

Műszaki polimerek acél felületen vizsgált súrlódási és kopási eredményei, HENGER-SÍK laboratóriumi modell rendszerben ________________________ 5.1.1. Súrlódási és kopási eredmények 2 óra/100 N-nál (I. mérési kategória) ____ 5.1.2. Súrlódási és kopási eredmények 1 óra/200 N-nál (II. mérési kategória) ___ 5.1.3. A súrlódási eredmények elemzése ________________________________ 5.1.4. A henger alakú polimer próbatestek rugalmas alakváltozása ____________ 5.1.5. A terhelés és az acél síklap érdességének hatása a súrlódásra ___________ 5.1.6. A kopási mechanizmusok elemzése _______________________________ 5.1.7. Az eltérő terhelési kategóriák összehasonlítása ______________________ 5.1.8. Következtetések a HENGER-SÍK vizsgálatokból ____________________

77 77 81 85 91 93 94 96 97

Műszaki polimerek eltérő felületeken vizsgált súrlódási és kopási eredményei, TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben _________________________ 99 5.2.1. Eredmények 1 m/s sebességen, 10 N terhelésen (I. mérési kategória) _____ 99 5.2.2. Eredmények 0,5 m/s sebességen, 35 N terhelésen (II. mérési kategória) __ 101 5.2.3. Súrlódási és hőfejlődési mechanizmusok elemzése __________________ 107 5.2.4. Az adhézió hatása ____________________________________________ 109 5.2.5. Súrlódási hőmérséklet és anyagátvitel ____________________________ 110 5.2.6. A súrlódási felület hűtésének a hatása ____________________________ 113 5.2.7. Következtetések _____________________________________________ 114

6.

ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK _______________________________________ 117

7.

KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK ____________________________________ 121

8.

ÖSSZEFOGLALÁS ______________________________________________________ 123

IRODALOMJEGYZÉK _______________________________________________________ 127 MELLÉKLETEK JEGYZÉKE _________________________________________________ 132 MELLÉKLETEK ____________________________________________________________ 133

-4-

Jelölések

ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK Jel  h  B    A max fsz  lsz pol  max stabil statikus max statikus stabil statikus a A A5 b* c D DMA Elátsz E' és E" f FEM Fstat max Fmax Fmin FN Fs Fs Fsstat G G' és G"

Megnevezés

Mértékegység

– érintkezési szög [] – adott (kopási) húrhosszhoz tartozó központi szög [°] – fajlagos nyúlás [mm/mm] – szakítószilárdsághoz tartozó fajlagos nyúlás, [mm/mm] – peremszög [] – Poisson-tényező – hővezetési együttható [Wm-1K-1] – kopás magasság [mm] – polimer henger max. belapulása [mm] – foly. és a szilárd fázis határfelületi feszültsége [mN/m] – összes határfelületi feszültség [mN/m] – szilárd és a levegő fázis határfelületi feszültsége [mN/m] – poláris felületi energia [mN/m] – dinamikus súrlódási tényező – dinamikus súrlódási tényező maximuma – dinamikus súrlódási tényező állandósult értéke – statikus súrlódási tényező maximuma – statikus súrlódási tényező állandósult értéke – statikus súrlódási tényező – adott kopáshoz tartozó húrhossz [mm] – körszelet területe [mm2] – szakadási nyúlás [%] – érintkezés félszélessége [mm] – rugóállandó [mN-1] – a vizsgálatban szereplő durvább érdességű felület jelölése – polimerek fizikai állapotainak átmeneteit megjelenítő dinamikai analizátor – látszólagos rugalmassági modulus [N/mm2] – rugalmassági modulus dinamikus és veszteségi összetevői – elmozdulás frekvenciája [Hz] – végeselemes szimulációs eljárás – nyugalmi súrlódási erő maximális értéke [N] – súrlódási erő maximális értéke [N] – súrlódási erő minimális értéke [N] – normál (terhelő erő) [N] – csúszó (dinamikus) súrlódási erő [N] – súrlódási erő [N] – nyugalmi (statikus) súrlódási erő [N] – csúsztató rugalmassági modulus [N/mm2] – csúsztató rugalmassági modulus dinamikus és veszteségi összetevő -5-

Jelölések

H HFRR k L Lcsúsz ls m és mkrit P pv R Ra RH Rm RTP Rv Rz Rz1 Rz2 S s SD SEM sp3 t T Tb Tf Tg Tm TKS TMA Tr TSZV TTS x v% Vkopadék w W'

– kopásnak kitett anyag keménysége – nagyfrekvenciás, alternáló, tribológiai vizsgálati mód – dimenzió nélküli kopási tényező – henger hossz – csúszási úthossz – ciklusonkénti lökethossz – tömeg és kistályos tömeg – átlagos érintkezési nyomás – műanyagok teherbírás határát jelző érték – hengeres polimer próbadarab sugara – átlagos felületi érdesség – relatív páratartalom – szakítószilárdság – hőre lágyuló kristályos polimerek – Rz2 és Rz1 különbsége – átlagos egyenetlenség magasság – súrlódás előtti átl. fel. egyenetlenség magasság – súrlódás utánni átl. fel. egyenetlenség magasság – a vizsgálatban szereplő, kisebb érdességű felület jelölése – lökethossz – sessile drop szilárd felületek, felületi energiájának meghatározására szolgáló eljárás – pásztázó elektron mikroszkóp – a C atom sp3 hibridállapota – vizsgálati időtartam – környezeti hőmérséklet – polimerek bomlási hőmérséklete – polimerek folyási hőmérséklete – polimerek üvegesedési hőmérséklete – polimerek kristályolvadási hőmérséklete – térhálókötés sűrűség – termomechanikai analizátor – polimerek ridegedési hőmérséklete – polimerek szilárdsági jellemzőinek a vizsgálatai eltérő hőmérsékleteken – fretting kopásnál kialakuló kopásálló réteg – tömeg szerinti kristályossági arány – kopás térfogat – vonalmenti terhelés – dimenzió nélküli terhelés

-6-

HV

[mm] [m] [mm] [g] [MPa] [mm] [m] [%] [N/mm2] [m] [m] [m] [m] [mm]

[óra], [min] [C] [C] [C] [C] [C] [C]

[%] [mm3] [N/mm]

Jelölések

A dolgozatban használt anyagok jelölései: ABS DLC DLN EP HD-PE HMW PE HPM MF PA 6 G PA 6 G k PA 6 G-Mg PA 66 PAI PC PCTFE PE PETP k PF PI PMMA POM C POM H PP PPD PS PTFE PUR PVC PVDC UHMW PE UP

– akrilnitril-butadién-sztirol kopolimer – gyémántszerű karbon bevonat család – gyémántszerű nanokompozit – epoxigyanta – nagy sűrűségű polietilén – nagy molekulasúlyú polietilén – nagyteljesítményű műszaki műanyag – melamin-formaldehid – poliamid 6, öntött – poliamid 6 öntött, olaj adalékkal – poliamid 6 öntött, Mg katalizálású – poliamid 66 – poliamidimid – polikarbonát – poliklortiflóretilén – polietilén – poli(etilén-tereftalát)PTFE adalékkal – fenol-formaldehid gyanta – poliimid – polimetil-metakrilát – poli-oximetilén kopolimer – poli-oximetilén homopolimer – polipropilén – polifenilénoxid – polisztirol – poli(tetrafluor-etilén) – poliuretán – polivinil-klorid – polivinilidénklorid – ultra nagy molekulasúlyú polietilén – telítetlen poliésztergyanta

-7-

Jelölések

-8-

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.

-9-

Bevezetés, célkitűzések

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.

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. A cégek vevőszolgálatának eladási információi tájékoztatásul szolgáltak az általuk előállított és forgalmazott különböző műszaki polimer anyagok hazai (Teraglobus Kft.), európai és részben az amerikai (Quadrant EPP) piacon történt eladási arányairól az összes eladott mennyiséghez képest. Az interjúkból kiderült, hogy az elmúlt években az általános gépipari alkalmazásokhoz történő összes eladások közel 60-65%-át az öntött poliamid, a polioximetilén, és a polietilén-tereftalát, valamint ezek változatai teszik ki. 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 polioximetilének (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 (semi-crystalline) műszaki polimer, amelyek nagy szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek. Jó a hőstabilitásuk, kielégítő a kúszási ellenállásuk és kopásállók.

- 10 -

Szakirodalmi áttekintés

2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS A tribológia elválaszthatatlan az ember által készített eszközök, gépek történeti fejlődésétől. A legkorábbi, ember által használt súrlódó elempárnak talán a tűzgyújtás során használt tárgyakat nevezhetnénk. Dokumentálhatóan a régészeti kutatások által ez idáig legrégebbről feltárt, i.e. 7000ből, Asszíriából származó ajtónyitó pántok tekinthetők az első, ember által készített súrlódó elempárnak [Dowson 1979]. Ezektől a fából és kőből készült csukló elemektől hosszú út vezetett napjaink korszerű súrlódó berendezéseihez, amelyek az űrkutatástól kezdve a nanotechnológiáig, az iparnak és a mindennapi életnek egyaránt velejárói. A folyamatos fejlődés eredményeképpen újabb és újabb anyagok és konstrukciók jelentek meg a tribológiai kapcsolatokban. Felmerült a súrlódási és kopási folyamatok tudományos igényű magyarázata és vizsgálata is, amelynek első tudománytörténeti emléke Leonardo da Vinci nevéhez fűződik, akinek súrlódásról és kopásról szóló munkái a XV-XVI. század fordulóján utat nyitottak a további kutatásoknak. A tribológia fejlődésével párhuzamosan természetes igényként merült fel a szerkezetek megbízhatóságának, élettartamának növelése, nem kis részben a súrlódás és kopás csökkentésén keresztül. Disszertációm jelen fejezete szakirodalmi forrásokra támaszkodva a szilárd testek csúszósúrlódásával, ezen belül is a polimerek súrlódási és kopási sajátosságaival foglalkozik. Jelentős részt szentelek a szakirodalmi feldolgozáson belül a vizsgált anyagok eddig feltárt tribológiai jellemzőinek ismertetésére, majd külön részben tárgyalom az elterjedt tribológiai modell vizsgálati módszereket, berendezéseket.

2.1.

Szilárd testek tribológiai alapfogalmai

2.1.1. Súrlódás A terhelés alatt egymáson elmozduló vagy elmozdulási kényszernek kitett szilárd testek érintkezési felületén súrlódás keletkezik. A súrlódás kifejezhető az érintkezési felületekkel párhuzamos, állandósult mozgást vagy az elmozdulási kényszert létrehozó (súrlódási) erővel. Mozgás esetén a súrlódásból származó igénybevételek kopást idéznek elő. Annak ellenére, hogy a kopás az esetek túlnyomó részében súrlódás hatására jön létre, nincs általános érvényű összefüggés a súrlódás és a kopás között. A súrlódás különböző szempontok szerint csoportosítható:  a megjelenés helye szerint: külső és belső,  a mozgásforma szerint: csúszó és gördülő (valamint ezek kombinációja),  a mozgásállapot szerint: nyugvó és mozgó,  felületek kenésállapota szerint: száraz, határ-, vegyes és folyadéksúrlódás. A külső súrlódás a szilárd testek felszínén és annak közvetlen környezetében jelentkező hatás, a belső pedig az anyag belsejében lévő atomok, molekulák elmozdulásakor keletkezik. A külső és belső súrlódás egymástól nehezen választható szét, és a gépészeti szerkezetekben rendszerint egyidejűleg mindkettő jelen van, de az esetek túlnyomó többségében (a vegyes súrlódási állapotot kivéve) csak az egyik hatása jelentős. Az értekezés a vizsgálatokhoz kapcsolódó csúszó súrlódás jellegzetességeit tekinti át, a gördülő súrlódást nem tárgyalja.

- 11 -


Tapadó és csúszó súrlódás Az első magyar vonatkozású, tribológiával kapcsolatos korszakalkotó munka Segner János András (1704-1777) természettudós nevéhez fűződik, aki elsőként különböztette meg és definiálta a nyugvó és a mozgó súrlódási tényezőt. Az egymáshoz szorított testek érintkező felületei kölcsönhatásban vannak egymással, a rájuk ható elmozdítási kényszerrel (a felülettel párhuzamos tangenciális erővel) szemben ellenállást fejtenek ki. Amíg a tangenciális erő nagysága nem haladja meg a két test közötti kölcsönhatás nyíró szilárdságát, nyugalmi (tapadó) súrlódási állapot uralkodik, ellenkező esetben a két test elmozdul egymáson, és mozgó (csúszó) súrlódási állapot alakul ki. Az előbbiekből következik, hogy a nyugalmi (statikus) és a mozgás közbeni (dinamikus), súrlódási ellenállás, azaz a súrlódási tényező nem azonos. A nyugalmi súrlódási erő maximális értékét az alábbi szorzat adja: Fstat max   stat  FN

ahol:

stat FN

[N]

(1)

-tapadó súrlódási tényező, -normál terhelő erő, [N].

A nyugalmi és a mozgásbeli súrlódási tényezők közötti különbség a felületi egyenetlenségek hatásával magyarázható. A súrlódási tényező értékeit, mint rendszerfüggő paramétereket, a rendszer különböző állapotaiban kísérleti úton határozzák meg. A gyakorlatban kis sebességű csúszásoknál gyakori probléma, hogy a csúszás nem egyenletes, hanem akadozó. Kedvezőtlen esetben gerjesztett lengés jön létre, amely nagy mozgó tömeg esetén jelentős dinamikai igénybevételt okoz a csatlakozó gépelemekben. Ez az akadozó mozgás (stickslip) minden olyan súrlódópárnál felléphet, ahol legalább az egyik elem bizonyos fokú elasztikus szabadsággal rendelkezik. A jelenséget a stat statikus és a din dinamikus súrlódási tényező közötti különbség okozza. A vizsgálatok szerint létezik a rendszertől függő határsebesség, amit kritikus sebességnek neveznek, és amely alatt kialakulhat az akadozó, kvázi-monoton csúszás. A kritikus határsebesség a következő összefüggéssel fejezhető ki [Valasek, Szota 2002]:

v krit  ahol:

c m

FN  (  stat   din ) cm

[ms-1]

(2)

-mozgató rendszer (hajtómechanizmus) rugóállandója, [mN-1] -mozgatott rendszer tömege, [kg].

Ha a két felület nem közvetlenül érintkezik egymással, hanem azokat viszkózus (folyékony vagy légnemű) kenőanyagréteg választja el egymástól, a súrlódás a kenőanyagban jön létre (belső súrlódás). Ennek törvényszerűségei teljesen eltérnek a szilárd testek közötti súrlódástól. Ismertetésére - mivel a későbbiekben szereplő vizsgálatok között nem szerepel a külső kenőanyag hozzáadásával végzett mérés eredménye - itt nem kerül sor. A szilárd testek között fellépő csúszó súrlódás általánosan ismert törvényszerűségei a következők (Amontons, Coulomb):  a súrlódási erő arányos a felületeket összeszorító (normál irányú) erővel,  nem függ az érintkező felületek nagyságától,  és a csúszási sebességtől. Valójában más tényezőktől is függ a súrlódás: a súrlódó felütetek anyagától és minőségétől, a - 12 -


kenésállapottól, az érintkezési viszonyoktól, a felületeket borító kenő- és szennyező rétegektől, a terheléstől, a mozgás sebességétől, stb. A szilárd testek érintkezését három szinten érzékelik, és ennek megfelelően három érintkezési felületet különböztetnek meg [Valasek, Szota 2002]: • névleges: ezt a testek geometriai formája határozza meg, • kontúr: az előbbinek az a része, ahol az érdességcsúcsok érintkezésbe kerülnek az ellenfelülettel és • tényleges: az érintkezésben valóban részt vevő egyenetlenségcsúcsok felületének összege. Ezek különbözőségét a felületek alakeltérése okozza, melyeket nagyságrendjük szerint a következőképpen csoportosíthatunk: • makrogeometriai eltérések, alakhiba: ovalitás, kúposság stb. • hullámosság: többé-kevésbe periodikus eltérés, hullámhossza rendszerint 1-10 mm, magassága pedig 0,005 -0,5 mm. • érdesség: eltérés az elméleti hullámos felülettől. A hullámosságnál kisebb hullámhosszúságú kevésbé szabályosan ismétlődő eltérés. • szubmikro érdesség: a felületi érdességek felszínén megjelenő igen kis mértékű egyenetlenség. A terhelés hatására a kapcsolódó testek érintkező érdességcsúcsai belapulnak, egymásba hatolnak, a felületek közelednek egymáshoz. Az érintkezési folyamat két szakaszra bontható: a telítetlen érintkezés szakaszán a részt vevő felületi érdességek száma és érintkezési felülete növekszik, míg a telített érintkezés szakaszában már csak a csúcsok alakváltozási területe nő. A korszerű súrlódási elméletek szerint a szilárd testek érintkezési felületén a súrlódási ellenállást elsősorban két hatás idézi elő: a tényleges érintkezési felületen kialakuló atomosmolekuláris kölcsönhatás (adhéziós komponens), és a felületbe benyomódó érdességcsúcsok által a mozgás során okozott alakváltozás (deformációs összetevő). Tiszta képlékeny alakváltozás esetén a súrlódási tényező molekuláris komponense csak a lágyabb anyag keménységétől és az atomos-molekuláris kapcsolat nyírószilárdságától függ, nem gyakorol rá hatást a terhelés és a felületi egyenetlenség. Rugalmas alakváltozáskor viszont a tényleges érintkezési felület a normális irányú terhelés növekedésével nem lineárisan, hanem degresszíven növekszik; ezért a molekuláris összetevő a terhelőerő növelésével csökken. Az alakváltozási komponens ugyanakkor a barázda-keresztmetszet gyors növekedése miatt a terhelés hatására progresszíven növekszik. E két hatás együttesen idézi elő az 1. ábrán szemléltetett jelenséget: száraz súrlódáskor a terhelés növelésével a súrlódási erő eleinte csökken, majd a minimum elérése után értéke emelkedik. A felületi érdesség függvényében a súrlódási tényező hasonlóan viselkedik, ezt néhány műszaki polimer esetére a 2. ábra mutatja. Itt független változóként a műanyaggal érintkező fémfelület Rz érdessége szerepel (Rz ≈ 4Ra), a vizsgálati paraméterek a következők: a felületi hőmérséklet 40 0C alatt, az átlagos nyomás 0,1 MPa [Uetz, Wiedemeyer 1985].

- 13 -


1. ábra. A terhelőerő hatása a súrlódási tényezőre [Kalácska et al. 1997]

2. ábra. Eltérő polimerek súrlódási tényezői a fém súrlódó ellendarab felületi érdességének függvényében (átlagos érintkezési nyomás p=0,1 MPa; felületi hőmérséklet tfelület <40 °C) [Uetz, Wiedemeyer 1985]

A súrlódási tényezőt a fentieken túl más paraméterek is befolyásolják, amint azt az irodalomjegyzékben feltüntetett szakkönyvek közül több is leír. A súrlódási tényező számítására is különböző módszerek, tapasztalati összefüggések léteznek eltérő érintkezési viszonyokhoz (rugalmas telítetlen, rugalmas telített, stb.) [Kozma 2001]. A súrlódás nagysága a fenti, erősen leegyszerűsített törvényszerűségeket figyelembe véve is könnyen megváltoztatható (csökkenthető) pl. a felületi keménység növelésével, vagy kis nyírószilárdságú felületi rétegek (bevonatok, kenőanyagok) alkalmazásával [Kalácska et al. 1997]. 2.1.2. Szilárd testek kopása A súrlódás során a mechanikai és termikus igénybevételek hatására az egymással kapcsolatban lévő súrlódó felületekről fokozatosan anyagrészecskék válnak le, a felületek alakja, mérete megváltozik. A változás intenzitásától függően a súrlódó felületek megengedhető és meg nem engedhető károsodásokat szenvednek, amelyeket a gyakorlatban különbözőképpen csoportosítanak, illetve különböző elnevezésekkel látnak el. Legtöbbször a súrlódás hatására kialakuló folyamatos anyagveszteséget nevezik kopásnak, az egyéb jellegű, viszonylag gyorsan kialakuló felületi károsodásokat pedig a folyamatra jellemző elnevezésekkel jelölik (pl. felületi kifáradás, berágódás, bemaródás stb.). A kopás a súrlódás során lejátszódó rendkívül bonyolult kölcsönhatások eredménye, amelyek törvényszerűségeit nehéz általánosan megfogalmazni. Még az egyes kopási mechanizmusok elkülönítése és elnevezése is jelentős gondot okoz. Valasek és Szota [2002] a kopási mechanizmus két csoportját azonosítja: az első azokat foglalja magában, amelyekben az anyag mechanikai tulajdonságai a döntőek, a másik azokat, amelyeket elsősorban az anyag kémiai tulajdonságai határoznak meg. Hangsúlyozzák, hogy szinte minden esetben azonosítható egy vezető kopási mechanizmus, amelyet az anyag mechanikai tulajdonságai, kémiai stabilitása, az érintkezési zónában kialakult hőmérséklet és a működési körülmények határoznak meg. - 14 -


Alapvetően három kopás csoportot különböztet meg [Kozma 2001]: • adhéziós kopás: ahol a kopási folyamatban a főszerepet az adhéziós folyamatok játsszák • nem adhéziós kopás: ide sorolható az abráziós, az eróziós, a fáradásos, az oxidációs kopás, valamint a súrlódási korrózió • vegyes kopási folyamatok: ezeknél egyszerre több kopási mechanizmus is szerepet játszik (pl. mechanikai korrózió, mechanikai-kémiai kopás) A 3. ábra a különböző kopási mechanizmusok DIN 50320 szabvány szerinti csoportosítását mutatja be a kölcsönhatásban részt vevő anyagok jellege alapján. A táblázat utolsó előtti oszlopa az ismétlődő terhelés okozta felületi kifáradásra utal, míg az utolsó a felületek közti vegyi reakciók károsító hatását jelenti. Adhéziós kopás A tökéletesen tiszta, szennyeződéstől, oxidoktól, kenőanyagtól és egyéb adszorbeált molekuláktól mentes, ún. szűz felületek érintkezésekor a felületi atomok kölcsönhatásba lépnek egymással, adhéziós kötés jön létre. A csúszás (érintő irányú elmozdulás) hatására az adhéziós kötés elnyíródik, de rendszerint nem a két felület határán, hanem a kisebb szilárdságú anyag belsejében (a felkeményedés vagy az eltérő alapanyag-szilárdság miatt), ezáltal anyagrészecske jut át az ellenfelületre. Ez az anyagátvitel többször is lejátszódhat addig, amíg a kopási részecske ténylegesen leválik a felületről. Az adhéziós kopásban rendkívül fontos szerepet játszik a két súrlódó felület anyagának adhéziós hajlama, valamint kémiai reakcióképessége, különösen az oxigénnel szembeni viselkedése. Az oxidáció és más vegyi hatások akadályozzák az ismételt anyagátvitelt, méretnövekedéssel, feszültség koncentrációval járnak, és elősegítik a kopási részecske leválását. A nagymértékben hasonló kristályszerkezetű anyagok (pl. önmagukkal párosított tiszta fémek) hajlamosak a nagy felületre kiterjedő adhéziós kapcsolatok létrehozására, ami nemcsak erős kopást, hanem gyakran bemaródást, berágódást: a súrlódó felület azonnali tönkremenetelét okozzák. Emiatt az ilyen anyagpárosításokat kerülni kell, és helyettük atom-, illetve molekulaszerkezetüket tekintve jelentős mértékben eltérő vagy heterogén szövetszerkezetű anyagokat kell alkalmazni (pl. acéllal párosított öntöttvasat, bronzot, csapágyfémet, vagy jó siklási tulajdonságú műanyagot). Archard [1953] javaslata alapján az adhéziós kopás adott körülmények között egyszerűen számítható az alábbi összefüggéssel, ha gyakorlati tapasztalatból vagy kísérleti eredményekből a k kopástényező megállapítható: F V A  k N LS [mm3] (3) H ahol:

LS FN H k

- kopási úthossz, [m] - normál terhelő erő, [N] - kopásnak kitett lágyabb anyag keménysége, [Nmm-2] - dimenzió nélküli kopástényező

A dimenzió nélküli kopástényező az anyagpártól, a kenési állapottól, az üzemeltetési paraméterektől és a környezeti hatásoktól függ. Néhány esetre a kopástényező nagyságrendjét az 1. táblázat foglalja össze.

- 15 -


3. ábra. A kopásformák felosztása a DIN 50320 szerint [Uetz, Wiedemeyer 1985]

1. táblázat. A kopástényező várható értéke adhéziós kopás esetén [Kalácska et al.1997]

A műszaki gyakorlatban a súrlódó felületeken képződő oxidréteg, adszorbeálódott gáz- és gőzréteg, valamint a súrlódó igénybevételek hatására kialakuló felkeményedett felszíni réteg többé- 16 -


kevésbé védi a felületet az intenzív adhézió kialakulásától. A nagy vákuumban és a világűrben ez az oxidréteg, és adszorbeálódott gázréteg gyakran hiányzik, a védőhatás módosul. Kenéssel hatékonyan csökkenthető, illetve akadályozható az adhéziós folyamat. A poláros molekulákat (pl. zsírsavakat) tartalmazó kenőanyagok erősen tapadnak a fém-oxid borította felületen, és hatékonyan csökkentik a súrlódást és a kopást. Nagyobb igénybevételek esetén kémiai reakcióval szulfid-, foszfid-, klorid-, stb. rétegeket alakítanak ki az adhézió, az intenzív kopás és berágódás megakadályozására. Ezek a rétegek gyakran lényegesen hatékonyabbak, mint az oxidfilmek. A kopást ezek sem akadályozzák meg, de az intenzív adhéziós kopás helyett sokkal enyhébb formákat, pl. a felületi réteg fáradásos kopását helyezik előtérbe. Abráziós kopás

Az abráziós kopást a felületbe benyomódó kemény részecskék, érdességcsúcsok okozzák, amelyek a súrlódási folyamatban barázdát húznak, miközben a barázdából kinyomódó anyag egy része kopási részecske formájában leválik. Az abráziós kopásból származó anyagveszteség függ a barázda keresztmetszetétől, a benyomódó csúcs alakjától (élességétől) és az elmozdulás nagyságától, vagyis a súrlódási úthossztól. A tapasztalatok szerint - amelyeket számos kísérleti eredmény is alátámaszt - az abráziós kopás elsősorban a kopásnak kitett anyag szívósságától, természetes keménységétől és alakváltozási képességétől függ. Rabinovicz [1965] javaslatára a kopás során leváló anyag térfogatának számítására az adhéziós kopásnál ismertetett összefüggés (3) használható, annak ellenére, hogy az anyag leválásában más folyamatok játszanak fő szerepet. A k kopástényező itt elsősorban a kopást okozó benyomódó csúcsok jellemzőitől, mennyiségétől, méretétől és élességétől függ (2. táblázat). 2. táblázat. Kopástényező abráziós kopás esetén [Kalácska et al.1997]

Gumik és nagy rugalmassági modulusú polimerek abrazív kopásakor a felszíni réteg alakváltozása gyakran majdnem teljesen rugalmas marad, a forgácsoló igénybevétel mellett előtérbe kerül a tépő, morzsoló hatás és fontos szerepet játszanak az ismétlődő igénybevételből származó kifáradási folyamatok. Ratner [1964] számos kísérlettel igazolta, hogy a gumik és polimerek kopása a (4) összefüggést követi: V k

ahol:

k Rm μ H A5

 H  Rm  A5

(4)

-kopástényező, -szakítószilárdság, [Nmm-2] -súrlódási tényező, -keménység, [Nmm-2] -szakadási nyúlás (az Lo=5do mérési alaphossz %-ban meghatározott fajlagos nyúlása), [%]

- 17 -


A megváltozott kopási mechanizmus miatt a gumik és a rugalmas polimerek kopásállósága nem elsősorban a keménységgel, hanem a szakadási munkával illetve az Rm szakító szilárdság és az A5 szakadási nyúlás szorzataival arányos, amint ezt a 4. ábrán láthatjuk.

4. ábra. Műanyagok egységnyi súrlódási munkára vonatkoztatott fajlagos kopásának változása az 1/(RmA5) paraméter függvényében [Uetz, Wiedemeyer 1985]

Az azonos szilárdságú polimerek közül kevésbé kopnak azok, amelyek szakadási nyúlása nagyobb, illetve a szakítószilárdság növelése csak akkor csökkenti a kopást, ha ugyanakkor a szakadási nyúlás jelentősen nem csökken. Az abráziós kopás a műszaki gyakorlatban a leggyakoribb kopásforma. Minden olyan helyen előfordul, ahol poros környezetben dolgozó berendezésekben szilárd szennyeződés juthat a súrlódó felületek közé, nagy a keménységkülönbség a súrlódó felületek között és túlságosan érdes a felület, és akkor is, ha a gép abrazív hatású anyaggal dolgozik. A szerkezet élettartamának növelése érdekében az abráziós hatást lehetőleg meg kell szüntetni (pl. hatékony tömítéssel vagy optimálisan simára munkált felülettel). Amennyiben ez nem lehetséges (pl. erősen szennyezett környezetben dolgozó mezőgazdasági, építőipari gépeknél), nagy szilárdságú, de ugyanakkor szívós anyagokkal vagy bevonatokkal csökkenthető a kopás sebessége. Egyes területeken eredményesen használhatók e célra a nagy alakváltozásokat elviselő, rugalmas elasztomer bevonatok. Fáradásos kopás

A súrlódás folyamán a felületi érdességcsúcsok tényleges érintkezési felületein fellépő kölcsönhatások a felszíni anyagréteget állandóan ismétlődő igénybevétellel terhelik, rugalmas és képlékeny alakváltozásokat idéznek elő, amelyek a kisciklusú kifáradási folyamat következtében anyagrészecske leválásokhoz, fáradásos kopáshoz vezetnek. Az ismétlődő igénybevételek hatására a felszíni anyagréteg a mozgás irányában eltolódik, rétegesen rendeződik, szövetszerkezete széttöredezik, felkeményedik, elridegedik, benne jelentős belső feszültségek alakulnak ki, fizikai és - 18 -


kémiai tulajdonságai lényegesen megváltoznak. Az így kialakult felszíni rétegben, vagy annak határán repedések keletkeznek, amelyek tovaterjedve kopási részecske leváláshoz vezetnek. Ez a fáradásos kopási mechanizmus a súrlódó gépszerkezetek leggyakrabban előforduló normális elhasználódási folyamata száraz és vegyes súrlódási állapotban, és ha más, progresszívebb kopásformával nem párosul, gyors tönkremenetelt nem idéz elő [Kalácska et al.1997]. Oxidációs-korróziós kopás

Az oxidációs kopás a leggyakrabban előforduló kopás, amely a levegővel érintkező súrlódó szerkezetek elhasználódásában uralkodó, vagy kísérő kopás formájában mindig jelen van. Más korróziós kopásformák is megjelennek ott, ahol a kenőanyag, a munkaközeg vagy egyéb, a környezetben előforduló anyag vegyi reakcióba lép a súrlódó felülettel, azon felületi réteget alakít ki, és azt a súrlódási igénybevételek folyamatosan eltávolítják. A korróziós kopási folyamat rendszerint az alábbi négy formában játszódik le [Kalácska et al. 1997]:  tartós kopásálló vékony kenőfilm képződik a súrlódó felületen a korrózió és a súrlódási igénybevétel hatására, amely lassan, fokozatosan kopik, miközben állandóan újra képződik,  gyenge korróziós réteg alakul ki, amely gyorsan lekopik, de újra is képződik. Nagy a kopássebesség, és rendszerint kicsi a súrlódás,  a korrózió ellen kialakított felületi védőréteg a súrlódás során megsérül, a közeg a sérült helyekre behatol, és súlyos korróziós károsodást okoz az alapanyagban,  gyors korrózió, de a felületi réteg gyenge, a súrlódási erő azt könnyen eltávolítja, és ezért nem véd az adhéziós kötések kialakulásával szemben: a korrózió mellett jelentős adhéziós kopás, berágódás alakul ki. Tribológiai szempontból legkedvezőbb az első folyamat, ami optimális esetben, megfelelően hatékony adalékkal (kopásgátló) ellátott kenőanyag jelenlétében a nagyterhelésű súrlódó felületeken játszódik le. A korróziós kopás leggyakoribb változata az oxidációs kopás, amely levegő közegben kenés nélkül működő súrlódó felületek (elsősorban fémfelületek) jellegzetes kopásformája. A fémfelületek gyorsan oxidálódnak, még a nemesfémek felületén is keletkezik vékony átlátszó oxidréteg. Ez azonban nem azonos a súrlódás során kialakuló, a kopást hatékonyan csökkentő, jelentős mennyiségű oxigént tartalmazó felszíni védőréteggel. Súrlódási korrózió (fretting)

A nyugvó súrlódó kapcsolatok érintkezési felületein rezgések vagy ismétlődő terhelés hatására fellépő rugalmas alakváltozások miatt váltakozó irányú, kis amplitúdójú relatív elmozdulások jönnek létre. Ha ezek az elmozdulások elég nagyok, elnyírják az egymáshoz szorított szilárd testek tényleges érintkezési felületén kialakult atomos-molekuláris kapcsolatokat, ledörzsölik a felületet borító adszorpciós és kemiszorpciós védőréteget, tiszta fémfelületeket tesznek szabaddá, amelyek a környező levegő hatására azonnal oxidálódnak. A legújabb kutatások szerint a folyamat két fő szakaszra különíthető el, a kezdeti és a stabil szakaszra. Kezdetben a friss felületen és a mechanikai igénybevételek hatására kialakul egy speciális felületi réteg, a TTS (Tribologically Transformed Structure), mely a későbbiekben védi az alapanyagot a gyors kopástól. A TTS a forrása a fokozatosan leváló részecskéknek, amelyek gyorsan oxidálódnak és részben lemezes formában a TTS felett visszaágyazódnak a felületre, részben pedig vándorolnak, abrazív hatást kifejtve az érintkezési zónában. A fretting folyamat stabil szakaszán a leváló részecskék miatt a TTS fokozatosan és lassulva fogy, mert kialakulását csak a - 19 -


kezdeti feltételek biztosítják [Fayeulle 1993; Zhou et al. 1997; Sauger et al. 2000]. A károsodás kifejlődésében fontos szerepet játszhat az adhézió is, mivel egy idő után a TTS elfogy, és a szabaddá való tiszta fémfelületek könnyen összehegedhetnek, nagyfokú anyagátvitel, erős berágódás alakulhat ki. A fenti négy hatás (a mechanikai dörzsölés, az oxidáció, az abrázió és az adhézió) következtében kialakuló felületi károsodás a súrlódási korrózió, közismerten a fretting. Eróziós kopás

Az eróziós kopást nem a súrlódás idézi elő, hanem a szilárd testhez ütköző részecskék által okozott abráziós és fárasztó igénybevétel. Bár az eróziós kopás főleg a szilárd részecskéket tartalmazó közegek (szennyvizek, iszapok, poros gázok, szuszpenziók stb.), szilárd szemcsékből álló ömlesztett anyagok (pl. cement, szén, kőzúzalék, szemes termény) szállításakor csővezetékekben, surrantókon, szállító eszközökben jelentkezik, de előfordulhat áramlástechnikai gépekben és a kenőrendszerekben is. Az eróziós kopás sebességére hatást gyakorol a koptató részecskék mérete és keménysége. A szívós anyagok eróziós kopássebessége a részecske méret növelésével bizonyos határig növekszik, majd állandósul. A nagy rugalmasságú anyagok (elasztomerek) rugalmas alakváltozással veszik fel a részecskék ütközési energiáját, és nagymértékben ellenállnak az eróziós hatásokkal szemben, elsősorban szobahőmérsékleten. Az elasztomer ugyanis ütközéskor belapul, majd gyakorlatilag sértetlenül visszarugózik, és kilöki a becsapódó részecskét. Az állandóan ismétlődő igénybevétel azonban fárasztja az elasztomer felületét és lassú eróziós kopást okoz [Kalácska et al. 1997]. Kavitációs kopás

A kavitációs kopás szilárd testek áramló folyadékkal érintkező felületein alakulhat ki, ahol a kedvezőtlen áramlási viszonyok (elsősorban leválások) miatt a folyadékban oldott gázok buborékok alakjában kiválnak, ezek a buborékok azután összeomlanak, és erős folyadékütközéseket idéznek elő a szilárd test felületén. Az ütközés hatására repedések, majd lyukszerű kráterek alakulnak ki [Clark 1993]. Ha nem túl erős a kavitációs kopás, az elasztomerek megakadályozzák a kopást. Intenzív kavitációval szemben csak a homogén szerkezetű, nagyszilárdságú, de ugyanakkor szívós anyagok képesek bizonyos mértékig ellenállni. Kedvezőek a martenzites rozsdamentes acélok, de legjobb az ausztenites szerkezetű mangánacél.

2.2. Tribológiai vizsgálatok A tribológiai vizsgálatok célja a súrlódó rendszerek optimális működését biztosító paraméterek kutatása. Ez a feladat háromféleképpen érhető el: – A súrlódó rendszer működési körülményeinek javításával. – A szerkezeti kialakítás és az igénybevételek megváltoztatásával. – Az anyagok (súrlódó anyagpár és kenőanyag) optimális kiválasztásával. A súrlódási kopási folyamatok rendkívüli összetettsége korlátozza, és nagymértékben nehezíti a tisztán elméleti vizsgálatokat. Ezért a tribológia leghatékonyabb eszközének a kísérleti vizsgálatokat tekinthetjük, amelyek segítségével feltérképezhetjük az adott körülmények között működő súrlódó szerkezetek súrlódási-kopási jellemzőit, teherbírásukat, élettartamukat és megbízhatóságukat. - 20 -


A tribológiai vizsgálatok céljait többféleképpen csoportosíthatjuk. Bushan [2001] a következőkben foglalja össze a tribológiai vizsgálatok céljait: 1. anyagok minősítése egy létező szerkezethez 2. anyagkiválasztás egy új konstrukcióhoz, 3. adott anyag kopási súrlódási jellemzőinek, viselkedésének feltárása 4. súrlódás, kopási jelenségek tanulmányozása Kozma [2001] részletesebb célmeghatározást ad: 1. A hosszú élettartam szempontjából optimális szerkezet kialakítása. 2. A működés szempontjából optimális szerkezet kialakítása. 3. A karbantartási, felújítási időszakok megállapításához szükséges adatok meghatározása. 4. A gép működési állapotának figyelemmel kísérése. 5. Az alkatrészek kopásának szimulálása modellvizsgálatokkal. 6. A tribológiai rendszer viselkedését befolyásoló tényezők megállapítása. 7. Adott súrlódó szerkezet elkészítéséhez és működtetéséhez szükséges anyagpár és kenőanyag kiválasztása. 8. Az anyagok és a kenőanyagok minőségének ellenőrzése. A felsorolt vizsgálati célok értékelhető, hatékony és gazdaságos megvalósításához eltérő vizsgálati módok vezetnek. Ezeket a vizsgálatokat a szerkezet bonyolultságától függően különböző csoportba sorolják, amelyeket összefoglalóan a 3. táblázat mutat be [Kozma 2001]. 3. táblázat. Tribológiai vizsgálatok csoportosítása [Kozma 2001]

A felsorolt célok közül az első négy megvalósított szerkezetekkel érhető el, azonban ezek időigényesek, drágák, az egyes tényezők hatását egymástól nehezen választják szét, és nem biztosítják az állandó vizsgálati feltételeket. Az üzemi kísérletek eredményei a legtöbb esetben nem vihetők át más körülmények között üzemelő szerkezetekre. Ezért előszeretettel vizsgálják a súrlódási rendszereket helyettesítő rendszereken, laboratóriumi berendezéseken és modellkísérletekkel. Ugyanakkor fel kell hívni a figyelmet arra is, hogy nem minden vizsgálati körülmény és tényező vihető át megfelelőképpen (arányos hatással) a helyettesítő rendszerekre, ezért az eredmények nehezen helyezhetők át a gyakorlatba. Vámos [1969] rámutat arra, hogy nincs egységesen minden vonatkozásban elfogadott kopásvizsgáló berendezés. Gyakori, hogy a témával foglalkozó kutatók minden esetben saját maguk külön gépet szerkesztenek, ezért még egymás között is problematikus az eredmények összehasonlítása. - 21 -


Ezeknek a hátrányoknak a csökkentésére Kalácska [1997] lehetséges megoldásnak tartja több különböző modell vizsgálat elvégzését azonos csoportokba tartozó egyszerű próbatesteken, az adott szerkezet tribológiai viszonyainak mind jobb modellezésére, viszonylag kis anyagi ráfordítás mellett. 2.2.1. Tribológiai modellvizsgálatok A próbatestek mérete alapvetően meghatározza a vizsgálóberendezések felépítését is. Beszélhetünk kisméretű próbatestekkel (small-scale) és nagyméretű próbatestekkel (large-scale) végzett modell vizsgálatokról. A kisméretű próbatest vizsgálatok gazdaságosságuk, sokrétű használhatóságuk mellett nem utolsósorban az ezeket a vizsgáló berendezéseket gyártó és forgalmazó cégek növekvő száma miatt lényegesen elterjedtebbek, mint a többnyire egyedileg, sokszor intézeten belül, konkrét problémák megoldására, jelentős beruházással készített nagyméretű próbatest vizsgáló berendezések. Ilyen egyedi, nagyméretű próbatest vizsgáló berendezésre mutat példát a 5. ábra.

5. ábra. Nagyméretű próbadarabok vizsgálatára szolgáló egyedi építésű, berendezés (University of Gent, Laboratory of Machines and Machine Construction) [De Baets 1995]

A berendezés előállítását nagyterhelésű csúszó támaszok vizsgálatára hozták létre. Jellemzői közül kiemelendő a nagy függőleges „V, B” (max. 6500 kN) és vízszintes „H, E” (max. 2500 kN) erő, amit hidraulikus munkahengerek hoznak létre. A befogható próbatestek „A, B” méretei elérik a Ø 220mm-t. A maximális csúszási sebesség 6 mm/s, a csúszási úthossz 350 mm-es [De Baets 1994; De Baets 1995]. Miután a leggazdaságosabb az egyszerű kisméretű próbatesteken végzett kísérlet, a különböző tribológiai rendszerek modellezésére számos ilyen módszert dolgoztak ki. Ezek rendszerint könnyen, gazdaságosan és pontosan gyártható sík, henger, kúp, vagy gömbfelületű próbatesteket érintkeztetnek egymással, csúszó, gördülő, csúszva gördülő, állandó vagy váltakozó irányú mozgás - 22 -


mellett, esetleg különböző közegek hatásának kitett állapotban. Zalai [1970] a kenőanyagok gépi vizsgálatainak bemutatásánál három fokozatot különböztet meg: a) laboratóriumi, ún. modell vizsgálatokat, b) fékpadi vizsgálatokat, c) üzemi vizsgálatokat. Meghatározása szerint a laboratóriumi modell vizsgálatok a gyakorlati élettől eléggé eltérő körülmények között, ugyanakkor az egymást követő meghatározásoknál viszonylag jól reprodukálható módon végzik a vizsgálatot. Előszelektáló vagy ellenőrző vizsgálatokra alkalmasak. A szerző ugyanitt csoportosítja is a modell vizsgálatokhoz használt készülékeket, ezt a 4. táblázatban láthatjuk, a mérési elvek pedig az 6. ábrán vannak feltüntetve. A táblázat tartalmazza a forgó és álló próbadarabok alakját és az érintkezést a kísérlet elején és a kísérlet alatt. Az itt bemutatott néhány példa a laboratóriumi gépi modell vizsgálatokra ma már szabványos vizsgálatnak számít.

6. ábra. a) SAE gép, b) Berendezés keresztbe fektetett hengerekkel, c) Reichert-kopásvizsgáló berendezés, d) IFE-készülék, e) Almen-Wieland gép, f) Falex-vizsgálóberendezés, g) Timken-gép, Alpha kenőolajvizsgáló, h) Tű-korong készülék, i) Shell-négygolyós készülék [Zalai 1970]

4. táblázat. Kopásvizsgáló modellberendezések csoportosítása [Zalai 1970]

- 23 -


Jól összefogja és csoportosítja a tribológiai modellvizsgálatokban legelterjedtebb próbatest párosításokat és ezek mozgásviszonyait az 5. táblázat, amelyet az egyik vezető tribológiai berendezéseket gyártó és forgalmazó cég [Plint 2001] által kínált modellezési lehetőségek alapján állítottam össze, a teljesség igénye nélkül. 5. táblázat. Széleskörben elterjedt tribológiai modellvizsgálati rendszerek egy lehetséges csoportosítása [Plint 2001] alapján (próbatest geometriák és mozgásviszonyaik)

A kisméretű próbatest vizsgálatok többsége geometriai kialakításukból és méreteikből kifolyólag ún. helybennjáró rendszerek, vagyis a vizsgálatok során végig azonos felületen vagy felületeken, azonos vagy váltakozó irányban megy végbe a súrlódás. Ez meg is felel az általános műszaki gyakorlatnak, gondoljunk a csapágysúrlódásra. Bizonyos esetekben azonban fontos lehet a folyamatosan friss kopási felület biztosítása, vagy a próbadarabok egyenes vonalú, egyirányú - 24 -


elmozdulásának a létrehozása ugyanazon a felületen. Ezekre láthatunk példát a 7. ábrának az a és b részében.

a.) b.) 7. ábra. Speciális vizsgálati rendszerek a) HASÁB-HENGER friss kopási felület biztosítása b) HASÁB-SÍK azonos mozgási irányhoz, ugyanazon kopási nyomban [Mergler et al. 2003]

2.3. Korszerű műszaki polimerek A “műszaki polimer” kifejezést elterjedten használják azokra a polimerekre, amelyekre helytálló a következő meghatározás [Kalácska et al. 1997]: A műszaki polimerek széles hőmérséklet tartományban kitűnő műszaki tulajdonságokkal (nagy statikus és kifáradási szilárdság, kúszásállóság, ütésállóság, kopásállóság) rendelkeznek. Kiváló mechanikai jellemzőik mellett jó a kémiai ellenálló képességük, és jó elektromos szigetelők, ezért sok konstrukcióban szerkezeti anyagként is használhatók.

A hőállóság, a mechanikai tulajdonságok és a kémiai stabilitás szempontjából megkülönböztetnek általános rendeltetésű és nagyteljesítményű (HPM = High Performance Materials) anyagokat. Az 8. ábrán látható ,,anyagpiramis” jól szemlélteti a közönséges, az általános rendeltetésű műszaki és a nagyteljesítményű anyagok főbb típusait és azok műszaki színvonalát.

8. ábra. Anyagpiramis a műszaki polimerek értelmezéséhez [Kalácska et al. 1997]

Ugyanakkor nem minden esetben fogadható el az ábra által felkínált anyagcsoportosítás, hiszen közönséges polimerek (PVC, PE stb.) is használatosak lehetnek, mint műszaki polimerek. Nem beszélve arról, hogy különféle tulajdonságjavító eljárásokkal az általános műszaki polimerek is felruházhatók olyan tulajdonságokkal, amelyek megközelítik a HPM polimerek jellemzőit. - 25 -


A műszaki polimerek a kereskedelemben beszerezhetők por vagy granulátum formában, félkész termékként (rudak, csövek, fóliák, stb.,) és késztermékként (öntött, fröccsöntött, extrudált, préselt, forgácsolt, stb.,). 2.3.1. A polimerekről általában A polimerek a különböző alkalmazásokhoz és igényekhez igazodnak, széles típus választékukból kifolyólag ma már megtalálhatóak az ipar és a háztartás minden területén, szerkezeti felépítésükkel, tulajdonságaikkal, előállításukkal, különböző szempontok szerinti csoportosításukkal kiterjedt szakirodalom foglalkozik. Először az irodalom [Bodor, Vas 2001; Füzes, Kelemen 1989; Macskási 1996; Pék 1993] alapján röviden foglaljuk össze alapvető szerkezeti jellemzőiket, főbb csoportosítási módjaikon keresztül. A polimerek a közismert definíció szerint makromolekuláris, szerves, szintetikus, összetett anyagok, amelyeknek elsődleges összetevője a szén (C), a hidrogén (H), de esetenként megtalálható bennük a nitrogén (N), az oxigén (O), a klór (Cl), a fluor (F) és a kén (S) is. Anyagszerkezetük óriásmolekulákból áll, amelyek molekulánként több ezer atomot tartalmaznak. A természetben közvetlenül nem fordulnak elő, de előállíthatók pl. természetes anyagok átalakításával, elsősorban kőolaj, földgáz és szén származékok szintézisével. A polimerek csoportosítása a molekula szerkezet szerint

A polimerek tulajdonságait - hasonlóan más anyagokhoz - elsősorban molekula szerkezetük határozza meg. Ezért tulajdonságaik függnek: – a primer molekula szerkezettől, vagyis a monomereken belüli vegyi kötésektől, – a szekunder szerkezettől, azaz a makromolekula térbeli struktúrájától valamint – a tercier szerkezettől, a polimer molekulák közötti kapcsolattól. Ha a monomereknek két reakcióképes csoportja van, akkor lineáris polimer, ha ennél több, hálószerű térbeli óriásmolekula keletkezhet. A lineáris molekulákon belül is kialakulhatnak elágazások, amelyek az anyag tulajdonságait jelentősen befolyásolhatják. A makromolekulák láncának hossza mentén az atom(csoport)ok elrendeződése szerint megkülönböztetünk izotaktikus, szindiotaktikus és ataktikus polimereket aszerint, hogy az oldalcsoportok hogyan helyezkednek el: az egyik oldalon, váltakozva vagy statisztikusan rendezetlenül. Az egy fajta monomerből felépülő polimer a homopolimer, a több fajta monomerből álló polimerekben az egyes monomerek elhelyezkedhetnek véletlenszerűen, ezek a statisztikus kopolimerek. Más anyagoknál a monomerek kisebb csoportokba rendeződhetnek. Ez megvalósulhat úgy, hogy a két fajta alapmolekula felváltva követi egymást, ezt hívják alternáló kopolimernek. Amennyiben az egy fajta monomerek kisebb csoportokat alkotnak, amelyek periodikusan ismétlődve követik egymást, blokk kopolimerről beszélünk. Ha a polimerláncot egy fajta monomer alkotja, és ehhez kapcsolódik (elágazásként) a másik fajta monomer (vagy monomercsoport), akkor oltott kopolimert kapunk. Ezek a változatok tervezhetően állíthatók elő, és eltérő anyagjellemzőket eredményeznek. A polimerek tulajdonságai a fentiek közül leginkább a molekulák térbeli szerkezetétől függnek, és ez egyben meghatározza az anyagok termomechanikai viselkedését is. Ezek szerint az alábbi típusokat különböztetjük meg: – lineáris vagy elágazó molekulájú anyagok (hőre lágyuló anyagok, termoplasztok) – gyengén térhálós, nagy rugalmasságú anyagok (elasztomerek) – térhálós molekulájú anyagok (hőre keményedő anyagok, duromerek) A polimereket különböző módokon osztályozhatjuk. Az egyik legelterjedtebb mód az - 26 -


alapszerkezet szerinti osztályozás, amely szerint megkülönböztetünk: 1. Hőre lágyuló (Termoplasztikus anyagok) polimerek: Lineáris vagy elágazó molekulaláncú polimerek, ahol nincs keresztkapcsolat az egyes molekulaláncok között (9. ábra a része), így azok viszonylag szabadon mozognak, pl. hőenergia hatására. A hőmérséklet növelésekor ezek az anyagok lágyulnak, majd megolvadnak, a hőre lágyuló polimerek többször is megolvaszthatók és megszilárdíthatók a hőmérséklet változtatásával. Szerkezetük lehet amorf vagy részben kristályos.  Amorf, hőre lágyuló anyagok Szerkezetük a 9. ábra b részében látható. A molekulák között semmiféle rendezettség nem figyelhető meg. Színük áttetsző, ha nem tartalmaznak idegen anyagokat, pl. festéket. Hőre lágyuló, amorf anyagok p1. a sztirol származékok (PS, BS, ABS, SAN), a PVC és a plexiüveg (PMMA). Ezek egy része a közel homogén és izotróp szerkezet miatt üvegszerűen átlátszó (plexi, polisztirol).  Részben kristályos, hőre lágyuló anyagok Anyagszerkezetükben amorf részekbe ágyazott kristályos területek (szabályosan, egymáshoz közel, párhuzamosan rendeződött molekulahalmazok) találhatók. Ennek vázlata a 9. ábra c részében látható. Ezekben a polimerekben - kétfázisú szerkezetüknek megfelelően - kombinálódnak a kristályos és amorf tartományok tulajdonságai. Tipikusan ilyen polimerek a poliolefinek (PE, PP), a poliamidok (PA) és a poliészterek családjai, valamint a poliformaldehidek (POM, polioximetilén), a teflon (PTFE), de ilyenek az utólagosan térhálósított kristályos polimerek (p1. a térhálós PE) is.

9. ábra. Különböző molekulalánc szerkezetek [Kalácska et al. 1997]

2. Nagy rugalmasságú polimerek (elasztomerek): Ezekben a polimerekben a molekulaláncokat kevés kémiai kötés kapcsolja egymáshoz, ezért laza, háromdimenziós hálószerű molekulaszerkezetük van, amely az igénybevételek hatására erősen változtatja alakját, de a terhelés megszűnése után visszatér eredeti állapotába. Ennek köszönhető a gumiszerű viselkedés. Tipikus elasztomerek az 1-10 % kéntartalmú kaucsukok, a gyengén térhálós PUR és a szilikongumi. Termoelasztomereknek vagy termoplasztikus elasztomereknek nevezik azokat a gyengén térhálós anyagokat, amelyeknél az üvegesedési hőmérséklet (meghatározását lásd. a 2.4.3. fejezet 13. ábrájában), a Tg>20 °C (elasztomereknél a Tg<0 °C), de felette gumiszerűen viselkednek. Termoelasztomer például a 10 %-nál több ként tartalmazó kaucsuk, a gyengén térhálósított PE, a nagyon nagy polimerizációs fokú, mechanikusan térhálósított PMMA és a termoplasztikus anyagok módjára feldolgozható, gumirugalmas poliuretánok (PUR) családja. 3. Térhálós anyagok (duromerek): A duromerek - amelyeket hőre keményedő műanyagoknak is neveznek - sűrűn térhálós anyagok, amelyek kiinduló anyaga kis polimerizációs fokú oligomer. Ezekben a polimerekben a makromolekulákat sokféle erős kémiai keresztkötés - 27 -


kapcsolja egymáshoz (9. ábra d részében). A térhálósodás után a felhasználás hőmérsékletén is üvegszerű állapotban vannak (Tg > 50 °C), így meglehetősen rideg, gyantaszerű anyagok (műgyanták). Tipikus duromerek a telítetlen poliésztergyanták (UP), az epoxigyanták (EP), a fenol-formaldehid (PF), a melaminformaldehid (MF) és a szilikongyanták. Az előállítás során a makromolekulákat ún. monomerekből építik fel, polimerizáció, polikondenzáció vagy poliaddíció segítségével. A monomerek egyszerű, kis molekulatömegű vegyületek (leggyakrabban kőolajból vagy földgázból állítják elő), amelyek kettős kötéssel (kötésekkel) vagy más aktív csoporttal rendelkeznek. Ezek az aktív csoportok kémiai reakció folytán átrendeződnek, szabad gyökök alakulnak ki, melyek révén a molekulák hosszú láncokká vagy hálós szerkezetű makromolekulákká kapcsolódnak össze. Tulajdonság módosító eljárások

Általánosságban igaz, hogy a polimerek nem mindig helyettesíthetik közvetlenül a fémeket, de sok területen előnyösebbek is lehetnek azoknál, amint ezt néhány - fémekkel szembeni - előnyös tulajdonságukból láthatjuk: – kis sűrűség, nagy fajlagos szilárdság (szilárdság/sűrűség viszony) – korrózióállóság, vegyszerállóság – kiváló hő- és elektromos szigetelőképesség – nagy tervezési rugalmasság (több különböző fém funkciója egyesíthető egyetlen polimerben) – alakos késztermékek könnyen gyárthatók (p1. fröccsöntéssel) – korlátlan színezési lehetőségek, másodlagos felületkezelés (festés, lakkozás) nem szükséges – az energiaköltségek csökkenthetők. A műanyagoknak viszont az alábbi hátrányos tulajdonságaival is számolni kell: – viszonylag kis hőállóság, a hőmérséklet jelentősen befolyásolja a mechanikai tulajdonságokat – mérsékelt kúszásállóság és kis fajlagos merevség (merevség/sűrűség arány) – gyúlékonyság – rossz hővezető képesség A hátrányos jellemzők visszaszorítására és/vagy új tulajdonságú termékek létrehozására dolgozták ki a különböző anyagok bekeverésén alapuló polimer előállítási módokat. Röviden tekintsük át a legelterjedtebben használt terminológia szerint, az alkalmazott módszereket: – blendek: különböző polimerek száraz keverékei, amelyek a feldolgozó gépben együttesen megolvadnak, és mikroszkópikus szinten többfázisú rendszerként homogenizálódnak. Jó példa erre a lineáris kissűrűségű polietilén és a közönséges kissűrűségű polietilén keveréke. – keverékek vagy ötvözetek: azok az anyagok, amelyeket valamilyen módon már a gyártónál összekevertek (kompatibilizálva), és ezt az egységes jellegű anyagot, mint kész alapanyagot hozzák forgalomba. – módosított polimerek: ahol az adalékanyag mennyisége csekély, szinte mindig 10 % alatt marad. Példa erre az elasztomertartalmú PA vagy PP. – kompozitok: két vagy több különböző anyag egyesítésével állítják elő. Alapanyagból (mátrix) és az abba ágyazódó töltő-adalék vagy erősítő anyagból áll. Jellegzetes típusaik morfológiáját a 10. ábra szemlélteti.

- 28 -


Részecske erősítésű kompozitok

Szálerősítésű kompozit

(0,1-10μm méretű szemcsék, pl. üvegpor, kenőanyag)

(mechanikai jellemzők növelésére, pl. aramid, karbon- vagy üvegszál)

Rétegelt (laminált) kompozitok Felületi réteges és bevont kompozitok (erősítő „szendvics szerkezet” pl. papír, textil- (a felülettel szembeni különleges vagy üvegszövet rétegekkel) elvárásoknál, pl. jó siklás, keménység)

10. ábra. Társított anyagok (kompozitok) típusai, [Forányi 2002] alapján

2.4. A vizsgált műszaki polimer csoportok eddig feltárt tribológiai jellemzői Disszertációm e fejezetében szakirodalmi forrásokra támaszkodva mutatom be a műszaki polimerek tribológiai jellemzőit és azok sajátosságait, elsősorban a vizsgálataimban szereplő polimerek (poliamidok-PA 6, poliacetálok- POM, polietiléntereftalát-PETP) csúszósúrlódására vonatkozóan, különös tekintettel az adott anyag fém (többnyire acéI) ellenfelületen mérhető súrlódási tényezőjére és kopására. Az anyag jellemzésén túl előtérbe helyezem a közelmúlt velük kapcsolatos tribológiai eredményeit (súrlódási tényező, fajlagos kopás), törekedve a bemutatott mérési eredményekhez tartozó vizsgálati körülmények (modell rendszer, terhelés, csúszási sebesség, páratartalom, hőmérséklet) rövid ismertetésére is. A vizsgált, konkrét polimer típusok tribológiai jellemzése előtt tekintsük át az általában a polimerek súrlódását, kopási mechanizmusát leíró elméleteket és összefüggéseket. 2.4.1. Polimerek súrlódási és kopási mechanizmusai A polimerek szerkezeti felépítése, molekulaszerkezete rendkívül változatos, ezért nem meglepő, hogy adhéziós hajlamuk is nagymértékben eltér egymástól, ami igen jelentős hatást gyakorol súrlódásukra. A kis adhéziós munkával rendelkező PTFE és HDPE súrlódási tényezője PA ellenfelületen mérve kicsi (µ = 0,1 - 0,15), míg PA - PA anyagpár esetén elérheti a µ = 1,2 értéket is (ehhez a poliamid ,,letapadási” hajlamán kívül hozzájárul az azonos, vagy nagyon hasonló szerkezetű anyagok közötti erős adhéziós kapcsolat is). Kisebb terhelési tartományban a súrlódási tényező még ennél is lényegesen nagyobb lehet. Amint az a 2.1.2. fejezetben az abráziós kopásnál már tárgyalásra került, a polimerek abráziós kopásakor a felszíni anyagréteg alakváltozása majdnem teljes mértékben rugalmas marad. A fémeknél jelentkező forgácsoló hatással szemben előtérbe kerülnek a tépő-morzsoló, valamint az ismételt igénybevételből származó kifáradási folyamatok. Gong, Xue és Wang [1991] ötvözetlen acél felületen csúszó politetrafluoretilén (PTFE) és kompozitjának (Zn-PTFE) kopását és a keletkezett kopadék filmet vizsgálták, pásztázó elektron mikroszkóp segítségével. Eredményeikben az anyagátvitel többrétegűségéről (egymásra épülő rétegek) számolnak be. Leírják, hogy a kopadék film minden esetben kisméretű kopási - 29 -


részecskékből áll, amelyek szintén többrétegűek. Vizsgálataikban egy acéltárcsát előzetesen PTFE filmmel vontak be, de az eredmények azt mutatták, hogy az előzetesen kialakított PTFE filmnek nincs hatása a PTFE adhéziós viselkedésére. Ugyanakkor megállapították, hogy az adhéziós kopási viselkedést elsősorban az átvitt kopadék film szerkezete befolyásolja. Felhívják a figyelmet arra, hogy az adhéziós viselkedés erősen függ az ellendarab felületi energiájától és kémiai aktivitásától. Az ellendarab felületi energiájától függően elméleti adhéziós kopási modelleket dolgoztak ki, amelyek a 11. ábrán láthatók.

11. ábra. Adhéziós kopási modellek a.) nagy felületi energia esetén, b.) kis felületi energia esetén [Gong et al. 1991]

A 11. ábra a része mutatja, hogy nagy felületi energiával rendelkező ellendarab esetén a kopadék film első rétege és az ellendarab felülete között erősebb kapcsolat alakul ki, mint a film egyes rétegei között. Ezért a kopás, elsősorban nem a teljes kopadék film leválásának, hanem csak az egyes rétegek közötti szétválásnak az eredménye. Amíg nagy felületi energiánál a kopadék leválása után is marad letapadt réteg a felületen, addig kisebb felületi energia esetén ez nem biztosított (11. ábra b rész). Ovaert és Ramachandra [1997] polimerek csúszósúrlódását vizsgálta acél ellenfelülettel szemben. Vizsgálataik célja az volt, hogy bizonyítsák: az alapvető kopási folyamatok kifáradás hatására jönnek létre. Feltevésüket a súrlódás során, a polimer felszínén ismétlődő jelleggel végigcsúszó érdességcsúcsok által okozott, felszíni és felszín alatti feszültségekre alapozták. Leírták az érintkezési síkkal párhuzamosan elhelyezkedő repedésre ható igénybevételeket, (csúsztató feszültségek, függőleges húzó-nyomó feszültségek), amelyek attól függően, hogy a repedés éppen a csúszó érdességcsúcs előtt vagy mögött helyezkedik el, hol zárják, hol nyitják a repedéseket, amint az a 12. ábra a és b részében látható. A maximális feszültségű helyeken az ismétlődő igénybevételek hatására repedések jelennek meg, amelyek fokozatosan terjedve kopási részecskéket hoznak létre. A 12. ábra c része azokat a feszültségi összetevőket mutatja be, amelyek szerepet játszanak a repedések kialakulásában, és terjedésében. Vizsgálataikban a próbatest felszínén és a felszín alatt ≈3-4,5 µm-es mélységben elhelyezkedő, nagy Mises-féle egyenértékű feszültség maximumokkal hozták kapcsolatba a csúszási irányra merőlegesen, és a felszín alatt kialakult repedéseket.

- 30 -


12. ábra. A felszín alatti repedések és az őket létrehozó igénybevételek kapcsolata (a) és (b) Felszín alatti érintkezési síkkal párhuzamos repedésekre ható igénybevételek az érdességcsúcs helyzetétől függően (c) Felszíni és felszín alatti repedések kialakulása és terjedése [Ovaert, Ramachandra 1997]

Az előzőhöz hasonló, a csúszófelület alatti repedésekkel kapcsolatos vizsgálatokat végeztek Dally és munkatársai [1990]. Kimutatták, hogy a felszín alatti repedések közvetlen környezetében az érdességcsúcs közeledésével függőleges nyomó és csúsztató feszültségek ébrednek, ahol a repedésterjedést kizárólag a csúsztató feszültségek okozhatják, mivel a nyomó feszültségek zárják a repedéseket. Ugyanakkor az érdességcsúcs áthaladásával a repedés fölött a korábban függőleges nyomó feszültségek húzóvá alakulnak át, így mind a húzó, mind a csúsztató feszültségek repedésterjedést okoznak. 2.4.2. Polimerek kopását leíró összefüggések A polimerek kopási folyamatainak a leírásához a kifáradási jelenséget használta fel Jain és Bahadur [1982]. Kopási egyenletük felírásához a polimerek fáradási jellemzőit méréssel, a csúszósúrlódás ellendarabjaként szolgáló acél ellenfelület érdességét statisztikai úton meghatározott félgömbökkel helyettesítették. Megállapították, hogy a súrlódási folyamat elején, amikor a kopás még kiindulási fázisban van, az átvitt film nem éri el azt a vastagságot, ami hatással van a kopás mértékére. Ugyanakkor állandósult állapotban a fém ellendarab felületén már állandó vastagságú polimer film található, ami jelentősen csökkenti a kopás mértékét. További eredményként bemutatták, hogy a csúszási sebesség növekedésével a súrlódási tényező értéke nem változott, viszont a kopás mértéke nőtt. A dimenzió analízis módszerét használta fel Kar és Bahadur [1974], egy a natúr és a 20 % PTFE-vel adalékolt POM-ra vonatkozó tapasztalati kopás egyenlet felállításához. Az egyenlethez a polimerek adhéziós kopását vizsgálták. A kapott kopási eredményeket alapul véve a kopadék mértékét az alábbi mennyiségektől tették függővé: V - kopás térfogat, [mm3] FN - Normálerő, [N] t - vizsgálati időtartam, [s] cp - állandó nyomáson mért fajhő, [Jkg-1K-1]

γ - a súrlódó elemek fel. energiája, [mN/m] E - rugalmassági modulus, [MPa] v - csúszási sebesség, [m/s] λ - hővezetési tényező [Wm-1K-1]

Szintén a dimenzió analízist felhasználva Viswanath és Bellow [1995] kiegészítette az előbb tárgyalt POM-ra vonatkozó kopásegyenletben szereplő változókat az ellenfelület felületi - 31 -


érdességével (Ra [m]). Az egyenlet felállításához POM, HMW PE, PVC, és PTFE polimerek kopását eltérő felületi érdességű acél tárcsákon vizsgálták, TŰ-TÁRCSA modell rendszerben. Megállapították, hogy a fenti változók közötti nemlineáris függvénykapcsolattal jobban közelíthető a polimerek valóságos kopása, mint a lineáris függvénykapcsolattal. 2.4.3. Részben kristályos polimerek A vizsgált polimerek mindegyike részben kristályos polimer, ezért a tribológiai jellemzők ismertetése előtt tekintsük át e polimerek általános jellemzőit. A 2.3.1 fejezetben röviden már olvashattunk a részbenkristályos polimerek kétfázisú szerkezetéről, most nézzük meg bővebben hő- és mechanikai jellemzőiket, amelyek alapvető fontossággal bírnak későbbi tribológiai jellemzésükben. A 13. ábra a hőrelágyuló kristályos polimerek (RTP) legáltalánosabb esetére (Tm
E' és E" -E (komplex) rugalmassági modulus dinamikus és veszteségi összetevő G' és G" -G (komplex) csúsztató rug. modulus dinamikus és veszteségi összetevő -adott erő, és terhelési idő mellett mért alakváltozás, [%] -szakítószilárdsághoz tartozó fajlagos nyúlás, [%] Rm -szakítószilárdság m ; mkrit -eredő és a kistályos tömeg xv% -tömeg szerinti kristályossági % TKS -térhálókötés sűrűség Átmeneti hőmérsékletek jelölései, [°C]: Tr - ridegedési hőmérséklet (alatta az anyag ridegen törik) Tg - üvegesedési hőmérséklet (alatta a molekulaláncok és a főágak befagyottak, jellemzője a kis deformabilitás) Tm - kristályolvadási hőmérséklet (a kristályok megolvadása és amorf fázisba kerülése) Tf - folyási hőmérséklet (fölötte viszkózusan folyós állapot kialakulása, a molekulaláncok makro-Brown mozgást is végeznek) Tb - bomlási hőmérséklet (olvadás helyett a láncágak fővegyérték kötései szakadnak „bomlanak” fel)

13. ábra. Részben kristályos hőre lágyuló polimerek DMA (a), TMA (b), TSZV (c) típusú termomechanikai görbéi Tm
- 32 -


A 13. ábra a részében a hőre lágyuló amorf anyagok - amelyekkel most részletesen nem foglalkozom - görbéje szaggatott vonallal van jelölve. Ehhez képest, ugyanezen az ábrán a részben kristályos polimerek görbéjében, a Tm kristályolvadási átmenet révén, még egy lépcső jelentkezik, melynek magassága a kristályossági fokkal áll összefüggésben. A kristályosság hatása kettős: a krisztallitok egyrészt térháló csomópontokként működnek, másrészt modulusuk lényegesen nagyobb, mint az amorf részeké, ezért merev töltőanyagokként viselkednek [Varga 1984; Halász, Zrínyi 1974]. A Tg itt csak az amorf részekre jelent átalakulást. Tg alatt - de Tr felett - a részben kristályos anyag kevésbé rideg az amorf anyaghoz viszonyítva, míg a Tg és Tm között szívósrugalmas viselkedésű. A kristályos polimerek egy része a felhasználás hőmérsékletén szívósrugalmas (Tg<20C0), más része az amorf tartományok üvegállapota miatt (Tg >20C0) ridegszívós jellegű viselkedést mutat. Az előbbiekre nézve a Tg a hidegállóságot, az utóbbiaknál az alakíthatóságot (pl. szálnyújtás) jelzi. A 13. ábra a, b és c része szerinti viselkedést (Tm
Tg

Tm

Tf

Tb

40…60 69...80 -85

215…220 250…280 178…198

-

310…380 283…306 -

2.4.4. Poliamidok (PA) A poliamidok egyes fajtái különböző diaminok és dikarbonsavak, illetve különböző aminokarbonsavak és laktámok kondenzációja révén nyerhetők. Laboratóriumi szinten nagyon sokféle poliamidot sikerült már előállítani, gazdasági megfontolások miatt azonban ezek közül eddig csak a 6-os, a 66-os, a 11-es és a 12-es típusok terjedtek el ipari méretekben (a dolgozat csak a vizsgálatokban szereplő 6-os változatot tárgyalja részletesen). A számok azt jelzik, hogy a polimer lánc egy- (PA 6,11,12) vagy kétféle (p1. PA 66) monomerből épül fel, illetve az amidkötések között hány szénatom helyezkedik el. A monomerek keverékével vagy oltással kopolimereket, a homopolimerek fizikai összekeverése útján pedig keverékeket, blendeket állíthatunk elő, bár ezek ipari jelentősége csekély. A poliamidok túlnyomó többsége részben kristályos szerkezetű, hőre lágyuló anyag. Előfordulnak teljes mértékben amorf változatok is. A poliamid egyik jellegzetes tulajdonsága a többi műszaki polimerhez képest a nagy vízfelvétel. A száraz anyag a levegő nedvességtartalmából vizet vesz fel egészen az adott körülményeknek megfelelő egyensúlyi állapot beálltáig. Ez az egyensúlyi vízmennyiség függ az anyag típusától (általánosságban a tárgyalt poliamidfajták sorrendjében csökken), a hőmérséklettől, a levegő relatív páratartalmától, valamint az esetleges adalékanyagok mennyiségétől és fajtájától. A víz lágyítóként viselkedik, erősen hat a polimer mechanikai, villamos és más tulajdonságaira. A száraz környezetben tárolt poliamid törékeny, ezért a belőle készült termékeket gyakran vízbe merítéssel kondicionálják, közvetlenül a gyártás után. A poliamid az egyik legfontosabb műszaki polimer, ami kitűnő tulajdonságai mellett viszonylag - 33 -


alacsony árfekvésével magyarázható. Siklócsapágyak, csúszóvezetékek és más, hasonló jellegű gépelemek készítésére a polimerek közül ezt az anyagcsaládot alkalmazzák a leggyakrabban. Fontossága, valamint a rendelkezésre álló típusok és minőségek nagy száma indokolja a többi műanyaghoz képest nagyobb terjedelmű tárgyalását. Poliamid 6

Ezt a típust 1938. körül Németországban fejlesztették ki, alapanyaga kaprolaktám, molekulaszerkezetét az (5)-képletben láthatjuk. (5) A Poliamid 6 kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, könnyen feldolgozható, jók a súrlódási jellemzői és a kopásállósága. A vegyszerek jelentős részével szemben ellenálló, a forró víz azonban a legtöbb esetben, nagymértékben megváltoztatja a tulajdonságait. A PA 6 hőállósága egyébként kifejezetten jónak mondható. Hátrányos sajátossága a környezet nedvességétől függő vízfelvétel, és az ebből következő viszonylag gyenge méretstabilitás. A 6-os poliamidok másik negatív tulajdonsága az oxidációra való érzékenység [Kalácska et al 1997]. Poliamid 6 típusok tribológiai jellemzői

Seabra és Baptista [2002] többek között PA 6, PETP, PTFE és POM C (30 mm hosszú és 10 mm széles hasábok) súrlódását és kopását vizsgálja HASÁB-TÁRCSA kisméretű próbatest vizsgáló rendszerben, Ø 120 mm átmérőjű és 30 mm széles, rozsdamentes acél gyűrű ellenfelületen. Vizsgálataik két fő kategóriában zajlanak, az elsőben száraz csúszósúrlódáshoz, a másodikban élelmiszeripari alkalmazásokhoz végeznek abrazív vizsgálatokat, cukorszemcsék súrlódási felületre juttatásával. Mindkét kategóriában két eltérő 270 N és 470 N terhelésen, 0,314 m/s és 0,63 m/s sebességen végeznek vizsgálatokat. A száraz csúszósúrlódási esetben a következő eredményekre jutottak (14. ábra és 15. ábra.).

14. ábra. Élelmiszeripari alkalmazású polimerek rozsdamentes acél felületen mért súrlódási tényezői, három eltérő vizsgálati kategóriában: (a) FN=270 N, v=0,314 m/s; (b) FN=470 N, v=0,314 m/s; (c) FN=270 N, v=0,63 m/s [Seabra, Baptista 2002]

- 34 -


15. ábra. Élelmiszeripari alkalmazású polimerek rozsdamentes acél felületen mért fajlagos kopás értékei, három eltérő vizsgálati kategóriában: (a) FN=270 N, v=0,314 m/s; (b) FN=470 N, v=0,314 m/s; (c) FN=270 N, v=0,63 m/s [Seabra, Baptista 2002]

Minden terhelési kategóriában (még cukor abráziós hatása mellett is) a legmagasabb súrlódási tényezőt a PA 6 mutatta (0,45-0,7), a PETP súrlódási tényezője pedig csak kismértékben alacsonyabb, mint a POM-C-nek. Az UHMW PE után a legalacsonyabb és közel minden kategóriában azonos súrlódással (0,18-0,19) a PTFE rendelkezik. Ugyanakkor a szerzők vizsgálataikban arra is rámutatnak, hogy a PTFE fajlagos kopása (kopási ráta) közel 400-szorosa a PETP fajlagos kopásának, míg a PA 6-os kopása ugyan jelentősen nagyobb a PETP-étől, de csak kevéssel marad el a POM-C kopásától. Az előbbiekkel ellentétben De Baets [1995] 270 kN-os (p=12 MPa) nagy terhelésen végez nagyméretű próbatest vizsgálatokat (a berendezés az 5. ábrán látható) polimerek és acél ellenfelület között. A súrlódás vizsgálatok eredményeként a PA 6 kopását (0,109 mm/km) kedvezőbbnek találta a PETP kopásával (0,144 mm/km) szemben. A Taber-féle [Yamaguchi 1990] abráziós vizsgálatoknál szintén a poliamid 6 mutatta a legjobb kopásállóságot a többi vizsgált polimerhez képest (PF, MF, UP, PF, PVC, PMMA, PC és POM). Műanyagokkal történt csúszósúrlódás hatására az acél ellenfelület kopásáról számol be Ludema [1992]. Mikroszkópikus úton végzett megfigyeléseivel a nagy súrlódási értékkel rendelkező PA 6-ot nevezi meg, mint a fémre az egyik legnagyobb koptató hatást gyakorló műanyagot (a gyakorlatban már felfigyeltek az acél tengely lágy PTFE által okozott nagy mérvű kopására is). Yamaguchi [1990] összefoglaló munkájában többek között beszámol a Toyo Rayon gyártmányú CM 1031 jelzésű extrudált poliamid súrlódásának vizsgálatáról, alumínium és acél ellenfelületen. A PA alumíniumon mért súrlódás tényezője 0,596 volt, ezzel szemben acél ellenfelületen csak 0,192-es csúszó súrlódási tényezőt mértek. Ugyanitt olvashatunk az Ube 1022B jelű PA vizsgálati eredményeiről, ahol viszont három csúszási sebességet (0,1; 0,3 és 0,5 m/s) és 0,4 MPa felületi terhelést használtak, mérve a súrlódási tényezőt valamint a felületi hőmérséklet változását. Az eredményeket a 16. ábra mutatja.

- 35 -


16. ábra. Poliamid 6 súrlódási tényezője, () és a keletkezett hőmérséklet, (T) különböző csúszási sebességeken [Yamaguchi 1990]

A vizsgált anyag súrlódási tényezője kis sebességen (0,1 m/s) a teljes vizsgálati időtartam alatt viszonylag alacsony, 0,4-es érték alatt maradt, a felületi hőmérséklet szintén alacsony, ≈50 °C. Az előbbiekkel szemben 0,3 és 0,5 m/s-nál jelentős poliamid film letapadást tapasztaltak a fém felületén, ami jóval 1 fölötti súrlódást eredményez, miközben a hőmérséklet kb. 160 °C-ra emelkedik, jóval meghaladva a PA hőterhelhetőségét. Átfogó munkájában Uetz és Wiedemayer [1985] is beszámolt a PA 6 különböző társított változataira vonatkozó kísérleti eredményekről, amelyeket KÉT-GYŰRŰ (homlokfelületen érintkeznek) vizsgálattal nyertek. A vizsgálatok eredményei a 7. táblázatban láthatók. 7. táblázat. PA 6 kompozitok KÉT-GYŰRŰ vizsgálati eredményei [Uetz, Wiedemeyer 1985] Töltő-, ill. erősítő anyag natúr 20 % PTFE 2 % SIL 18 % PTFE + 2 % SIL 30 % GF 15 % PTFE + 30 % GF 13 % PTFE + 2 % SIL +30 % GF 30 % CF 10 % grafit <5 % MoS2 <5 % MoS2 + 30 % GF <5 % MoS2 + 40 % GF

Súrl tényező, statikus

Súrl tényező, dinamikus

Fajlagos kopás 10-7 [mm3/(Nm)]

0,26 0,19 0,12 0,11 0,32 0,25

0,22 0,10 0,10 0,09 0,26 0,20

40,3 3,0 10,1 2,2 18,1 3,4

0,05 m/s 0,082 0,409 0,114 0,409 0,327 0,572

0,5 m/s 0,065 0,670 0,131 0,801 0,278 0,654

5 m/s <0,065 0,212 0,245 0,343 0,196 0,425

0,20

0,17

2,0

0,654

0,507

0,490

0,21 0,19 0,30 0,32 0,34

0,18 0,16 0,28 0,26 0,28

6,0 12,1 32,2 16,1 15,1

0,558

0,719

0,245

   

   

   

Max. pv érték [MPa (m/s)], ha v =

Az eredmények alapján megállapítható, hogy a PTFE és a szilikonolaj (SIL) jelentősen csökkenti az anyagok súrlódási tényezőjét és kopását. Ugyanakkor a MoS2 hatása nem ilyen kedvező, mivel a súrlódási tényező növekedése mellett a kopástényező nem csökkent olyan mértékben, mint a PTFE adalék esetében. Az üvegszál (GF) erősítés teherbírásra gyakorolt kedvező hatása a sebesség növelésével egyre inkább növekszik. A dinamikus (mozgó) súrlódási tényező értéke minden anyagminőségnél nagyobb, mint a statikus (nyugvó) súrlódási tényező értéke, amit a fémfelületre tapadt műanyagréteg okoz. Nem derül ki az értékelésből, hogy a nyugvó és mozgó súrlódás közötti eltérés mennyire helyezi előtérbe az akadozó-csúszás “stick-slip” veszélyét. - 36 -


Kozma és Kislinder [1999], [Kislinder, Kozma 2000] a BME Gépelemek Tanszéken HASÁB-HENGER érintkezési viszonyok között vizsgálták többek között poliamidok és acél ellenfelület között a súrlódási tényezőt, Amsler-féle tribométeren, amelynél a próbadarabok elrendezésének vázlata és fő méreteik a 17. ábrán láthatók. A csúszási sebesség 0,32 m/s, az acélfelület érdessége Ra = 0,3-0,35 μm, a terhelő erő FN= 100 N (ez w = 10 N/mm vonalmenti terhelést jelentett). Az állandósult állapotban mért súrlódási tényező és a (síkba vetített) kopási felület nagyságát a 18. ábra szemlélteti. Az értékek két mérés (tiszta, illetve már használt acélfelületen) átlagából adódtak; a második mérésnél - gyorsabb felfutás után - kb. 5-10 %-kal volt magasabb a súrlódási tényező értéke az elsőhöz képest. A vizsgált anyagok fontosabb mechanikai és fizikai jellemzőiről a 8. táblázat ad áttekintést. 17. ábra. HASÁB-HENGER elrendezésben működő Amsler féle tribométer vázlata, a próbadarabok méretei mm-ben (1-acél henger, 2- műanyag hasáb, 3-rögzítő csavar, 4-erőkar)

a) b) 18. ábra. HASÁB-HENGER érintkezési viszonyok közötti vizsgálatok eredményei poliamidok és acél ellenfelület között a) PA 6 anyagok súrlódási tényezői Amsler-féIe berendezésen mérve b) PA 6 minőségek kopása Amsler-féIe vizsgálatnál [Kislinder 1999]

A vizsgálatok tapasztalatai szerint a belsőleg, részecskék formájában adalékolt kenőanyag (ásványolaj) jelentősen csökkentette az Ertalon LFX súrlódási tényezőjét a többi minőséghez viszonyítva. A legnagyobb érték a natúr, extrudált anyagnál (Ertalon 6 PLA) (μ = 0,95) adódott. A vonalmenti érintkezés és a kis tárcsa átmérő egyébként a legtöbb poliamid anyag számára nagyon kedvezőtlen, igen nagy súrlódási tényezőt jelent. Kopás tekintetében az öntött anyag előnyösebb az extrudáltnál, és az is látható, hogy a bevitt kenőanyag ezt a tulajdonságot rontja, de az extrudált anyaghoz képest még így is jobbnak bizonyul. - 37 -


8. táblázat. PA 6 polimer Ertalon és Teramid típusainak jellemzői [Kalácska et al. 1997]

Láthattuk, hogy belső kenéssel a polimerek, köztük a poliamidok súrlódási tényezője látványosan csökkenthető. E célra gyakran szilárd kenőanyagokat, például MoS2-ot alkalmaznak. A Veszprémi Egyetem Ásványolaj- és Széntechnológia Tanszékén új típusú, molibdén-diszulfidot tartalmazó adalékanyag-családot fejlesztettek ki, eredetileg kenőolajok számára [Kis et al. 2002]. Intézetünkben a Gépgyártás- és Javítástechnológia Tanszéken is folynak vizsgálatok hagyományos, nátriumos katalizálású poliamidok (natúr és kenőolajjal adalékolt, öntött Ertalon termékek) tulajdonságainak magnéziumos katalizálású anyagokkal (natúr, kenőanyag és kenőanyag detergens adagolású változatok) történő kísérleti összehasonlítására. Ezen kutatások keretében Keresztes és Kalácska [2001] TŰ-TÁRCSÁN végzett vizsgálatai kimutatták, hogy a kenőanyag a kopási jellemzőket nem rontja. Ez az eredmény megfelel az irodalmi adatoknak [Kozma, Kislinder 2001], amelyek szerint a súrlódási úthosszra vonatkoztatott kopás kent állapotban a töredékére csökken és kis sebességen, még nagy (10 MPa) felületi terhelésnél, is igen alacsony marad. 2.4.5. Polioximetilén (POM) A polioximetilén - monomerje a (6) képletben látható - vagy formaldehid, vagy nagyobb szénatomszámú aldehidek homo- és kopolimerje (a poliformaldehid vagy poliacetál név is ebbe a csoportba tartozó polimereket jelöl). (6)

A homopolimerek (POM-H) egyenes lánca oxi-metilén egységekből áll, a kopolimereké (POM-C) emellett statisztikus eloszlásban szén-szén kötéseket is tartalmaz. A homopolimer kristályossági foka nagyobb, ez a kopolimerekhez képest valamivel nagyobb keménységet és merevséget, valamint kúszási ellenállást eredményez. Ugyanakkor a kopolimer ellenállóbb hidrolízissel, erős lúgokkal és hőoxidációs erózióval szemben. A POM sok tekintetben - külső megjelenés, mechanikai tulajdonságok, hőállóság, stb. - a poliamidokhoz hasonló, azonban lényeges különbségek is vannak. Az egyik ilyen eltérés a csekély vízfelvétel és az ebből adódó nagyfokú méretstabilitás. A poliacetál tribológiai jellemzőit összehasonlítva a poliamidokéval, kisebb súrlódást, de - mint azt majd látni fogjuk - nagyobb abráziós kopást tapasztalunk. A következő, 9. táblázat a DuPont cég közismert Delrin márkanevű, és a vizsgálataimban is - 38 -


szereplő Quadrant EPP által előállított Ertacetal termékek jellemző tulajdonságait mutatja be. Megjegyzés: az Ertacetal H és H-TF típusok Delrin alapanyagból készülnek.

Fajl. ütőmunka, 20C, hornyolt [J/m2]

Tartós hőállóság [C]

Súrlódási tényező acélon 4

Max. p-v érték [MPa ms-1] 0,095

3100  6200 3000

13 37 12(2) (2) 15

8000  3500 

80-100 85-105 85-105 85-105

   0,263

80

3300

30(2)

10000

105/90(3)

70

3000

30

(2)

8000

115/100

(2)

 

80 80

0,20 0,14 0,34 0,19 0,250,45 0,250,45 0,25 0,20 0,250,35 0,250,35 0,150,25

Nyúlás folyáshatáron (%)

0,30

Húzó rug. modulus [MPa]

85-105

Folyáshatár [MPa]

8000

3100

1,42 1,34 1,56 1,50

66 45 59 55

-

1,43

-

1,41

Adalék

Mátrix

(2)

69

POM-C

GP NS

11/30

1,42

C

500 CL 100 ST 570 AF

0,095

11/30

POM-H

POM-H

0,30

3100

H

507

85-105

69

POM-H POM-H POM-H POM-H

POM-H

12000

1,42

UVstabilizátor UVstabilizátor kenőanyag elasztomer 20 % GF PTFE-szál

107

(2)

Sűrűség 3 [kg/dm ]

Acetron Ertacetal

(Belgium)

Erta

Polypenco

Delrin

DuPont (USA)

Gyártó

Márkanév és típus

9. táblázat. POM anyagok mechanikai jellemzői [DSM 2000; De Bruyne 1996; Forányi 2002]

POM-C POM-C kenőanyag

1,41 1,44

66 52

2750 3100

30 (2) 10

H

POM-H

-

1,43

78

3600

35

C

POM-C

-

1,41

68

3100

H-TF

POM-H

PTFE-szál

1,50

55(1)

3200

(3)

(2)

10000

105/90

(3)

35

(2)

7000

115/100

10(2)

3000

105/90(3)

(3)

  0,095 0,263 (5)

0,16

(5)

0,16

0,26(5)

Megjegyzések : (1) Szakítószilárdság (2) Szakadási nyúlás (3) Az első adat 5000, a második 20000 órás tartós igénybevételre érvényes (4) A Delrin anyagoknál ASTM-D 1894, az ERTA minőségeknél száraz csúszósúrlódásra vonatkoztatva, gyártó által mérve (lásd 3.2.3. fejezetben 17. táblázat), az Acetron anyagok esetében a forrás nem közli a vizsgálat paramétereit (5) Kenés nélküli v=0,1 m/s csúszási sebességen értendő

A polioximetilén tribológiai jellemzői

A következőkben a poliamidhoz hasonlóan tekintsük át a POM tribológiai jellemzőit a szakirodalomban fellelhető kutatási eredmények alapján. Odi-Owei és Schipper [1991] töltetlen POM-C és ennek üvegszállal, valamint teflonnal adalékolt kompozitjainak tribológiai jellemzőiről számolt be, amiket száraz csúszósúrlódásban acél ellenfelületen mértek. Adataikat TŰ-TÁRCSÁN modell rendszerben mérték, 2,5 MPa-os felületi terhelésnél, 0,1, 0,3 és 1 m/s csúszási sebességen, 21 °C-on, 70%-85% relatív páratartalom mellett. Megállapították, hogy a töltetlen POM-C nem hoz létre polimer filmet az acél ellenfelületen, szemben a kompozitjaival. A legkedvezőbb súrlódási és kopási jellemzőket 5% PTFE-vel adalékolt POM esetében tapasztalták. Friedrich és szerzőtársai [1995], szintén adnak áttekintést a POM-ba adalékolt PTFE kenőanyag és rövid üvegszál erősítés hatásáról. Kurokawa és munkatársai [2000] különböző POM kompozitok tribológiai jellemzőit vizsgálja TŰ-TÁRCSA rendszerben. A kompozitok eltérő PTFE tartalommal rendelkeznek, a rozsdamentes acél tárcsa ellenfelület érdessége pedig Ra=0,45 μm. Eredményeikben kimutatták, hogy a fajlagos kopás és a súrlódási tényező 25% PTFE hozzáadásával drasztikusan csökken, a töltetlen POM-al szemben. - 39 -


Benabdallah [2003] natúr (D-100 P) és különböző adalékkal ellátott - 20 % üvegszállal erősített (D-570), nagy viszkozitású szilikon olajjal (D-500 SC), vagy 20 % PTFE-vel töltött (D-500 AF; D-500 MP) - POM-H anyagot vizsgál váltakozó irányú elmozdulásnál HENGER-SÍK (nem illeszkedő) modell rendszerben. A rendszer vázlatát és a próbatestek kialakítását a 19. ábrában láthatjuk.

19. ábra. HENGER-SÍK vizsgálati modell vázlata, próbatestek kialakítása, méretei (a méretek mm-ben értendőek) (a) próbatestek elhelyezkedése, elmozdulásuk; (b) bevonatos acél ellendarab méretei; (c) hengeres csúszófelületű polimer próbatest méretei [Benabdallah 2003]

A vizsgálati rendszerben ellendarabként eltérő bevonatolású (galvanizált, vagy epoxi rétegek elektrokatódos lerakásával létrehozott, úgynevezett E-bevonattal ellátott) acél lapok szolgáltak. Vizsgálataiban a szerző kimutatta (20. és 21. ábra), hogy a töltetlen POM-H súrlódási tényezője a sebesség növelésével nagymértékben nő, ugyanakkor a terhelésnövekedéssel nagymértékben csökken. Az olaj adalék hatására viszont a sebesség és a terhelésnövekedés csak kismértékben befolyásolja a súrlódási tényezőt.

20. ábra. Csúszási sebesség hatása POM-H és kompozitjai súrlódási tényezőjére FN=10 N terhelésnél [Benabdallah 2003]

21. ábra. Terhelés hatása POM-H és kompozitjai súrlódási tényezőjére v=0,1 m/s csúszási sebességen [Benabdallah 2003]

Yamaguchi [1990] a DuPont Delrin anyag tribológiai jellemzőiről közölt adatokat. Tapadási súrlódási tényezője alumíniumon 0,246 (tehát a poliamid 0,596-os értékénél jóval alacsonyabb), a - 40 -


dinamikus súrlódási tényezője ötvözetlen acélon 0,129 volt (a 2.4.4 fejezetben ismertetett paraméterekkel mérve). A különböző paraméterekkel végzett adhéziós kopás meghatározására vonatkozó vizsgálatok a poliacetál kopását kisebbnek mutatták, szemben a polikarbonát, ABS és textilbakelit polimerekkel összehasonlítva. Ugyanakkor az abráziós tesztek eredményei szerint a POM kopása a poliamidhoz képest nagyobbnak bizonyult. Uetz és Wiedemeyer [1985] különféle natúr és társított POM homo- es kopolimerekkel végzett kutatásainak súrlódási és kopási eredményeit láthatjuk a 10. táblázatban. 10. táblázat. POM-C és POM-H kompozitok súrlódása és kopása KÉT-GYŰRŰ vizsgálatnál [Uetz, Wiedemeyer 1985] Töltő-, ill. erősítő anyag

Súrl. tényező, statikus

Súrl. tényező, dinamikus

Fajlagos kopás -7 3 10 [mm /(Nm)]

natúr 5 % PTFE 10 % PTFE 15 % PTFE 20 % PTFE 20 % PTFE * 25 % PTFE 2 % SIL 2 % SIL * 18 % PTFE + 2 % SIL 18 % PTFE + 2 % SIL* 30 % GF 15 % PTFE + 30 % GF 13 % PTFE+2% SIL +30% GF 20 % GF 10 % grafit

0,21 0,18 0,17 0,16 0,15 0,12 0,13 0,12 0,11 0,11 0,10 0,34 0,28 0,25 0,14 0,22

0,14 0,12 0,10 0,08 0,07 0,07 0,06 0,09 0,08 0,06 0,06 0,25 0,20 0,18 0,11 0,16

13,1 8,1 6,0 4,0 2,8 2,6 4,2 5,4 4,0 1,8 1,4 49,3 40,3 36,3 8,1 12,1

Max. pv érték [MPa ms-1], ha v = 0,05 m/s

0,5 m/s

5 m/s

0,131    0,327 0,392  0,196 0,229 0,262 0,294  0,490 0,392  

0,114    0,409 0,523  0,294 0,392 0,490 0,588  0,572 0,621  

0,082    0,229 0,229  0,131 0,163 0,392 0,458  0,409 0,49  

Megjegyzés: a csillaggal jelölt (szürke háttér) összetételek mátrixa homopolimer, a többieké kopolimer

A vizsgálatok a korábban közölt KÉT-GYŰRŰ vizsgálatoknak (7. táblázat) megfelelően készültek, annak poliamidra vonatkozó eredményeivel összehasonlítható formában. A poliamidok adataival összevetve megállapítható, hogy a poliacetálok adhéziós kopás szempontjából kedvezőbbek, a natúr anyag teherbírása is nagyobb, de utóbbit az erősítő anyagok nem emelik olyan nagymértékben, sőt az üvegszálerősítés jelentősen meg is növelte a kopást. A grafit - meglepő módon - nem javította szignifikánsan a kopástényezőt, a súrlódási tényezőt pedig kissé rontotta is. A 10. táblázatban észrevehetjük, hogy az azonos adalékokat tartalmazó homo- és kopolimerek közül az előbbiek kopásállósága valamivel nagyobb. Kislinder és Kozma [2000] mind adhéziós, mind abráziós rendszerekben vizsgálták a POM-ot (Ertacetal POM-C). Amsler tribométerrel végzett adhéziós, HASÁB-HENGER súrlódási modell rendszerben végzett vizsgálataik (lásd 17. ábra) eredményeit a 22. ábra mutatja be. A vizsgálatokból kitűnik, hogy a POM súrlódási tényezője kicsi maradt, itt nem jelentkezett a poliamidnál tapasztalt erős adhéziós tapadás. Ezzel párhuzamosan a kopás mértéke is jóval kisebb volt. Az abráziós vizsgálatokat a 2.2.1. fejezetben a 7. ábra a részében bemutatott, folyamatosan friss súrlódási felületet biztosító HASÁB-HENGER modell rendszerben végezték.

- 41 -


22. ábra. POM és PA anyagok súrlódási tényezői, és kopási rangsora acél ellenfelületen mérve HASÁB-HENGER rendszerben [Kislinder, Kozma 2000]

Eredményeikben, amelyeket a 23. ábrában láthatunk, a POM mutatta a leggyengébb abráziós kopási ellenállást. Az abráziós hatást 150 mm átmérőjű koptató hengerre helyezett 100-as (~137 μm), 80-as (~200 μm) és 60-as (~273 μm szemcseméret) szemcsefinomságú csiszolóvászonnal érték el, 10 N terhelésen, 40 1/min-es fordulatszámnál.

23. ábra. POM és PA abráziós kopásának összehasonlítása [Kozma, Kislinder 1999] 2.4.6. Polietilén-tereftalát (PETP) Ez a polimer (hasonlóan a poli (butilén-tereftalát) PBTP-hez) hőre lágyuló telített poliészter, amit tereftalátsav és etilénglikol polikondenzációjával hoznak létre ((7) egyenlet). (7) A PETP részben kristályos szerkezetű, azonban megfelelő komonomerek beépítésével amorf változata is előállítható. A PETP legfontosabb alkalmazási területe a palackgyártás és a műszálipar, ugyanakkor kisebb mennyiségben műszaki célokra is (pl. fogaskerekek, csúszkák) felhasználják. Előnyös tulajdonsága többek között a nagy hőállóság (lásd. 6. táblázat, ez alól kivételek az amorf típusok), a viszonylag nagy mechanikai szilárdság, kiváló méretstabilitás, jó optikai jellemzők (amorf PETP), valamint a karc- és kopásállóság. Hátránya az éghetőség. A vizsgálataimban szereplő PETP (Ertalyte TX) fontosabb jellemzőin túl néhány elterjedt PETP termék tulajdonságait láthatjuk a 11. táblázatban. - 42 -


11. táblázat. PETP és kompozitjainak jellemzői [DSM 2000; Forányi 2002] Gyártó Márkanév és típusjelzés

Akzo Plastics

DuPont

(Hollandia)

(Fr.)

Arnite A 04 102

A 05 102

Mátrix PETP PETP Adalék 3 Sűrűség [kg/dm ] 1,34 1,375 Folyáshatár [MPa] 55 81 Húzó rug. modulus [MPa] 2200 2800 Szakadási nyúlás [%] 3,5 4 Nyomószilárdság [MPa] 77 102 Fajl. ütőmunka, 2500 3000 23 C, hornyolt [J/m2] Tartós hőállóság[C]   Súrl. tényező (DIN 53375) 0,25 0,21 Megjegyzések 1 5000 és 20000 órás tartós igénybevételnél 2 A vizsgálati módszer nem ismert

4

Erta (Belgium)

Rynite FR 530

Novatron

Ertalyte (16)

Ertalyte TX

PETP 33 % GF 1,73 165 11500 2 150

PETP 30 % GF 1,67 152 10300 2 172

PETP 1,39 90 3400 15(3) -

PETP 1,39 90 3700 15(3) -

PETP PTFE 1,44 76(4) 3450 7(3) -

7500

8000

3400

AV2 360 S

125-130 0,2 3

Polypenco

150 (2) 0,19

2000 (1)

115/110 (2) 0,2-0,3

2500 (1)

115/100 -

115/100(1) -

Száraz állapotban, és 23 °C / 50 % RH telítettségnél Szakítószilárdság

Polietilén-tereftalát tribológiai jellemzői

Uetz és Wiedermayer [1985] többek között PETP-ről is közöl súrlódási eredményeket. A 2.1.1.-es fejezetben (2. ábra) már bemutatásra került a PETP felületi érdesség függvényében meghatározott súrlódási tényezője, a vizsgálati jellemzőkkel együtt. Ott azonban nem emeltük ki külön, hogy a PTFE mellett a PETP legalacsonyabb (optimum szint) súrlódási értékéhez (0,25-0,27) tartozik a legkisebb felületi érdesség Rz=0,2-0,4 μm-es érték, szemben pl. a PA-hoz tartozó Rz=2-3 μm-es értékkel. A 2. ábrán ugyanakkor az is látható, hogy a súrlódási tényező változásának az iránya legélesebben ezeknél a polimereknél vált irányt. Ez felhívja a figyelmet a PETP és a PTFE érzékenységére a felületi érdességgel szemben, vagyis az optimális érdesség fontosságára. A szerzők szintén közölnek adatokat az átlagos csapágynyomás és a dinamikus súrlódási tényező közötti összefüggésről, amit a 24. ábrán láthatunk.

24. ábra. Dinamikus súrlódási tényező az átlagos nyomás függvényében (Rz acél ellenfelület érdessége, a megmunkálási barázdákra merőlegesen mérve) [Uetz, Wiedemayer 1985]

- 43 -


A 24. ábrán látható, hogy a terhelésre legkevésbé érzékeny polimerek között szerepel a PETP is. Ez a jellemző lehetővé teszi, hogy a PETP ingadozó terhelésű (kisebb dinamikus erőhatásokat felvevő) csapágyazásokban és csúszóvezetékekben is közel állandó súrlódást biztosítson. A BME Gépelemek Tanszékén a már említett Amsler-féle vizsgálattal (lásd PA és POM anyagoknál) a poliamidok és a poliacetál sajátosságaival két Ertalyte PETP minőség (natúr és kenőanyag adalékot tartalmazó) tribológiai viselkedését is összehasonlították [Kislinder, Kozma 2000]. A vizsgálat szerint a PETP súrlódási tényezője bizonyult a legjobbnak, és kopás tekintetében is igen kedvező értéket mutatott. Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy a bevitt kenőanyag nem a súrlódási tényezőre volt kedvező hatással, hanem a kopást csökkentette, amint ez a 25. ábrán látható. A PETP szintén szerepelt a már említett abráziós vizsgálatokban [Kozma, Kislinder 1999] is, ahol a natúr kivitelű PETP anyag kopásállósága közepesnek minősíthető, míg a kenőanyagot tartalmazó változat anyagvesztesége - az előzetes várakozásoknak megfelelően - viszonylag nagy volt (26. ábra).

25. ábra. PETP súrlódása és kopása Amsler vizsgálatnál [Kislinder, Kozma 2000]

26. ábra. PETP (natúr és kenőanyaggal töltött kivitel) abráziós kopása [Kozma, Kislinder 1999]

2.5. DLN bevonatok, mint a polimereken súrlódó felületek új lehetősége 2.5.1.

Gyémánt-szerű nanokompozit (DLN), mint a DLC bevonatok új családja

A DLC bevonatok alacsony energiájú szénion sugárral létrehozott kemény széntartalmú réteget jelentenek. A „gyémánt-szerű” meghatározást S. Aisenberg [Aisenberg, Chabot 1972] vezette be a köztudatba, amelyet azóta is használnak a különböző amorf C-bázisú bevonatok jelölésére. Az elnevezéssel ellentétben a gyémántszerű elnevezés nem kristályos, hanem amorf bevonatot takar. Amíg a kristályos gyémánt bevonatok kristályszerkezete nem különbözik a természetes gyémántétól (köbös szerkezet, sp3-al kötött C-atomokkal), addig az amorf szerkezetekben a C-atomok különböző kötési állapotokban lehetnek (sp3, sp2, és sp1) [Vercammen et al. 2000]. A felrakási eljárástól függően eltérő fázisok alakíthatók ki, így a bevonat tulajdonságai széles tartományban módosíthatók. A fejlődő lerakási technológiák más anyagok bevitelét is (co-deposition) lehetővé teszik (Ti, Si, W stb…), így a bevonat tulajdonságai javíthatók (súrlódási tényező függését a páratartalomtól, bevonat és ellendarab közötti adhéziót). Ennek hatására az utóbbi időben a DLC bevonatok számos új típusa jelent meg. Amorf karbon filmek készülnek szilikon [Tamor et al. 1999], oxigén [Venkatraman 1996], fluor [Müller et al. 1999], nitrogén, bór [Dekempeneer et al. 1997], és fémek hozzáadásával [Lobiondo 1997]. A folyamatos fejlesztés eredménye a gyémántszerű (a-C:H) és kvarcszerű (a-Si:O) hálót tartalmazó gyémántszerű nanokompozit (DLN vagy Dylyn ®) is. A DLN ma már a DLC-k új - 44 -


családját alkotja, elterjedésüket elősegíti különleges atomi szerkezetük, amely előnyös mehanikai, optikai, kémiai, hő és elektromos jellemzőkkel ruházza fel őket [Venkatraman 1996]. A DLC bevonatok tribológiai jellemzőit már többen vizsgálták. Beszámoltak nagy keménységükről és rugalmasságukról, kis kopásukról és súrlódásukról. Ugyanakkor nyomószilárdságuk nagy, eléri a néhány GPa-t. Ez a nagy szilárdság korlátozza az adhéziót. A súrlódási vizsgálatok eredményeinek felhasználásával már sikerült numerikus eljárásokkal (FEM) az acél/DLC felületek közötti nyírófeszültség alakulását is modellezni [Eleőd et al. 2000]. 2.5.2. A DLN bevonatok eddig feltárt tribológiai jellemzői

Kester és munkatársai [1999] DLN bevonatok száraz súrlódását és kopását vizsgálták csúszósúrlódás esetén. Vizsgálataikban GOLYÓ-TÁRCSA elrendezést használtak, acél és wolfram-karbid (WC) golyók csúsztak DLN bevonaton (golyó átmérő 6,4 mm, terhelés 10 N acél és 5 N a wolfram-karbid golyónál, csúszási sebesség 0,2-0,4 m/s, szobahőmérséklet, 30-50% relatív páratartalom). Mérési eredményeiket a 27. ábra mutatja be.

27. ábra. Súrlódási tényező görbék és a hozzájuk tartozó kopásnyom a golyókon DLN-el végzett csúszósúrlódást követően a) acél golyó b) wolfrám-karbid golyó [Kester et al. 1999]

Mindkét golyó esetében a súrlódási tényező 0,04-0,06, a kopás jellemzők azonban már jelentősen eltértek. A 28. ábrán a DLN felületen acél golyó és wolfrám-karbid golyó által okozott kopásnyom keresztmetszete látható. Az acél golyó okozta kopás mélység 2-4 μm, a wolfrám-karbid golyónál 1,7 μm. A szerzők az acél nagyobb mértékű koptató hatását abráziós jellegűnek tekintik. Ezt az acél golyónak a wolfrám-karbidnál nagyobb kopása miatt keletkező kopási részecskék (mint abrazív anyagok) nagyobb mennyiségével, és a súrlódási görbe erős ingadozásával magyarázzák.

- 45 -


28. ábra. DLN felületen kialakult kopásnyomok érdességmérő műszerrel felrajzolt keresztmetszete. A bal oldali két nyomot acél, a jobb oldali kettőt wolfrám-karbid golyó okozta [Kester et al. 1999]

Harris és munkatársai [1997] hasonló eredményekre jutottak a Ti tartalmú DLC-vel bevont acéltárcsákkal és wolfram-karbid golyókkal végzett vizsgálataikban. Venkatraman és munkatársai [1999] különböző hőmérsékleteken (20-500 °C-ig) vizsgálták a DLN bevonat mechanikai (nano keménységmérés) és tribológiai jellemzőit GOLYÓ-TÁRCSA elrendezésben. A DLN bevonattal ellátott tárcsával 6,4 mm átmérőjű wolfram-karbid golyót párosítottak (terhelés FN=5 N és 10 N; sebesség v=0,19 m/s és 0,22 m/s, relatív páratartalom 39 %). Eredményeik közül a keménységmérés értékeit és a mért fajlagos kopás változásait láthatjuk, a hőmérséklet függvényében a 29. ábrán.

a) b) 29. ábra. Eltérő vastagságú DLN film (a) keménységének és (b) fajlagos kopásának változása a hőmérséklet függvényében ( levegőben, 2 óra alatt) [Venkatraman et al. 1999]

A 29. ábra a része mutatja, hogy a DLN keménysége 400 °C felett hirtelen lecsökken, ami a fajlagos kopás növekedésével jár együtt (29. ábra b része). Yang és munkatársai [Yang et al. 2003] szintén a hőmérsékletnek DLN bevonat mechanikai jellemzőire gyakorolt hatását vizsgálták DLC bevonattal összehasonlítva (200-600°C). Az előző vizsgálatokhoz hasonló eredményre jutottak, a keménység 300-400 °C-on nagymértékben csökkent. Ugyanakkor a szerzők vizsgálták a bevonat rétegvastagságának hőmérséklettől való függését is. Vizsgálataikban azt találták, hogy a DLC vastagsága 200°C-körül, a DLN-é pedig 400°C körül nagymértékben csökken. Vercammen és munkatársai [2000] DLC bevonatok és acél felületsúrlódási jellemzőit vizsgálták különböző műanyagokkal szemben. A vizsgálatokat TŰ-TÁRCSA (5 mm polimer tű átmérővel) és GOLYÓ-TÁRCSA elrendezésben (6,14 mm polimer golyó átmérővel, eltérő - 46 -


r=10 és 14 mm-es súrlódási sugarakon), 10N terhelésen és 0,5 m/s csúszási sebességen, szobahőmérsékleten, 50±10% relatív páratartalom mellett végezték. Eredményeik a 30. ábrán láthatók.

a) b) 30. ábra. Különböző polimerek DLC és acél felülettel szembeni átlagos súrlódási tényezői (a) TŰ-TÁRCSA elrendezésben (b) Teflon és polipropilén DLC-én és acélon mért súrlódási tényezői GOLYÓ-TÁRCSA elrendezésben, eltérő súrlódási sugarakon [Vercammen et al. 2000]

2.6. A szakirodalom kritikai összefoglalása A szakirodalomban nagy számban találunk polimerekkel kapcsolatos tribológiai modell vizsgálatokat. Az eddigi kutatási eredményekből - amelyek többnyire általánosan elterjedt modell rendszerekhez kötődnek - láthattuk, hogy rendszerfüggően mérsékelt súrlódási tényezőt és kis kopást prognosztizálnak a PA anyagoknál, összehasonlítva pl. szárazon sikló bronzhoz vagy bakelithez képest. Ugyanakkor bizonyos (a polimer fémfelületre való feltapadását elősegítő) körülmények között a súrlódási tényező szélsőségesen nagy értéket is felvehet. A bevitt kenőanyag a súrlódási tényezőt többnyire jelentősen csökkenti, viszont ekkor nagyobb kopással kell számolni. Az üvegszálerősítés jelentősen növeli az anyag szilárdságát, de ennek nagyobb súrlódási tényező, és esetleg nagyobb kopás az ára. A poliamidoknál ismert, hogy a kopás növekszik a páratartalom emelkedésével, ami a megnövekedett vízfelvétel miatti lágyulással is magyarázható, az összetett fiziko-kémiai felületi folyamatok mellett. A polimer filmképzésre való hajlama (már a súrlódás kezdeti stádiumában is) nagy súrlódási tényezőt eredményezhet. A poliacetáloknak a kristályosodási képessége nagyobb, mint a poliamidoké, ami szorosan összefügg molekulaszerkezetükkel, ezért nagyon jó a méretstabilitásuk. Mindezek alapján kedvezőbb tribológiai viselkedés várható ezektől az anyagoktól. A PETP nagymértékű ridegsége és magas olvadáspontja szintén összefügg molekula szerkezetükkel, ebből kifolyólag elsősorban ott alkalmazzák, ahol elvárás a jó adhéziós kopásellenállás. A PTFE adalékolás a PETP-hez alacsonyabb súrlódási tényezőt eredményez, és jelentősen csökkenti az akadozó csúszás (stick-slip) veszélyét. Az általánosan alkalmazott vizsgálatok többnyire normál üzemi körülményeket modelleznek, viszonylag szűk vizsgálati jellemző tartományokban. A dolgozatban szereplő szakirodalmi adatok is behatárolható sebesség- és terhelés értékek mellett elvégzett vizsgálatokból adódnak. Ez elsősorban a hőre lágyuló polimerek teherbírási határát jelző pv (felületi nyomás [N/mm2] x csúszási sebesség [m/s]) értékekből adódik. Ennek tájékoztató értékei néhány - a kutatásaimban is szereplő polimernél száraz csúszó súrlódás esetére a 12. táblázatban láthatók. - 47 -


12. táblázat. Néhány polimer pv értéke kenés nélküli csúszósúrlódásnál, eltérő sebességen [De Bruyne 1996] Kenés nélküli csúszósúrlódásnál Tájékoztató v=0,1m/s v=1 m/s pv értékek

PA 6G

PA 6G k

POM-H

PETP k

(ERTALON PLA) (ERTALON LFX) (ERTACETAL H) (ERTALYTE TX)

0,13 0,08

0,23 0,15

0,16 0,1

0,26 0,17

Ha megnézzük a tárgyalt vizsgálatokat, a legkisebb csúszási sebesség v=0,05 m/s [Benabdallah 2003], a legnagyobb v=5 m/s [Uetz, Wiedemayer 1985], volt, de a vizsgálatok többsége v=0,3-0,5 m/s volt. Hasonlóan korlátozott tartományban mozognak a felületi terhelések, amelyek egészen kicsi p=0,05 MPa [Uetz, Wiedemayer 1985] -2,5 MPa terheléstől, még nagyméretű próbatest vizsgálatok mellett is csak p=12 MPa-ig [De Baets 1995] terjednek. Nagyon kevés adat áll rendelkezésünkre nagy terhelés alatti súrlódási jellemzőkről. 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. Ilyen vizsgáló berendezés pl. a 17. ábrán látható Amsler féle HASÁB-HENGER vizsgáló berendezés [Kislinder 1999] is, amelynél, ha a Hertz elmélet segítségével (5.1.4) a méretek és a normál terhelés ismeretében meghatározzuk a felületi nyomást, a próbadarabok kicsi mérete ellenére is elég nagy p≈16 MPa nyomás értéket kapunk. A HASÁB-HENGER rendszerben létrehozható felületi terhelést az korlátozza, hogy a forgó (acél) henger átmérőjét a súrlódó palást görbületének növekedése miatt nem célszerű adott érték alá csökkenteni, mivel így nagymértékben növekszik a súrlódási felület, és problémák jelentkezhetnek a henger megfogásánál is (belső furatos, tengelyhez rögzítés). 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-SÍKON elrendezés, amelyre Benabdallah [2003] vizsgálataiban láthattunk példát. A tárgyalt vizsgálatokra és vizsgálóberendezésekre (lásd.2.2.1. fejezet) 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 (μdin) értékeket 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) [Oláh et al. 2004] vizsgálat. Ide vonatkozó példát keveset találtam [Benabdallah 2003] 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 [Kling, Lemmer 2004], - 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 [Kester et al. 1999; Harris et al. 1997] és mechanikai jellemzőinek hőmérséklet függését (<500°C) [Venkatraman 1996; Yang et al. 2003] kutatják. Ettől lényegesen kevesebb a DLC-polimer súrlódó párok tribológai kutatásával foglalkozó szakirodalmak száma. Felmerülhet a kérdés, hogy ha a DLC vagy DLN bevonatú anyagokat a - 48 -


gyakorlatban polimerekkel párosítjuk, a gépelempár tönkremenetelét a polimer - mint alaptest határozza meg, így a jobb mechanikai jellemzőkkel bíró, drága ellendarab tényleges használati értéke nem érvényesül. Erre próbálnak választ adni K. Vercammen és szerzőtársai [Vercammen et al. 2000] amikor eredményeikben felhívják a figyelmet arra, hogy a DLC bevonatok (kis felületi adhéziója miatt) egyik legjelentősebb alkalmazási területe lehet a polimer fröccsöntő berendezések nem-tapadó felületeinek a kialakítása. Ugyanakkor arra is rámutatnak, hogy a súrlódási tényező mértéke nagymértékben függ a polimer típusától, ami lehetőséget adhat a DLCpolimer súrlódó párok gazdaságos felhasználásának is. Hasznosnak és korszerűnek tartanám az eltérő acél és DLC 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.

2.7. Polimerek tribológiai célú alkalmazása a mezőgazdaságban A polimerek általános és ipari alkalmazásának témája már több helyen feldolgozásra került, és az ezzel a témával kapcsolatos irodalom is igen bőséges. Ezért dolgozatom keretében nem kívánok foglalkozni a polimerek általában vett gépészeti alkalmazására. Ehelyett azonban egy eddig kevésbé tárgyalt részalkalmazási területre koncentrálok, a polimerek mezőgazdaságban történő alkalmazására. Nem titkolt szándékom ezzel az alfejezettel az sem, hogy tisztelettel adózzak intézményem, és a doktori iskola által képviselt agrárműszaki tudományterület felé. Az új anyagok, pl. műtrágyák, növényvédő és gyomirtó szerek, antibiotikumok, stb. közül különösen jelentősek azok, amelyeket munkaeszközökhöz, gépekhez alkalmazunk, és amelyeket általában műanyagoknak nevezünk. A polimerek mezőgazdasági felhasználása aránylag rövid múltra tekint vissza. Az első alkalmazási kísérletek a fejlett ipari országokban az 1950-es évek elején indultak meg. Hazánkban az első polimerfelhasználási kísérletek az 1956-57-es években kezdődtek a kertészeti növények termesztésével. Ezeket a kísérleteket részben a hazai műanyagipar termékeivel, részben külföldről importált polimer fóliákkal végezték [Horánszky et al. 1979]. Gyorsan kialakultak a jellegzetes polimeralkalmazási területek, többek között a fóliaborítású növényházak különböző típusai, amelyek így akár váznélküli kivitelben is készülhetnek. A fóliát alagutakhoz, sátrakhoz, silókhoz, de a talaj közvetlen takarására és termények, gépek védelmére is használják. Az öntözés és a vízgazdálkodás területén tömlőket és csöveket készítenek belőlük, de használják azokat csomagolási célra, valamint a talajjavításban, a mezőgazdasági építészetben és a mezőgazdasági gépgyártásban is. Az alkalmazási területek bemutatására állítottam össze a 31. ábrát. Disszertációm jelen fejezetében röviden áttekintem a polimerek mezőgazdasági alkalmazását, néhány konkrét példát is bemutatva. Külön kitérek a polimerek néhány mezőgazdasági célú tribológiai alkalmazására is, különösen a hagyományos (acél) és a polimer kormánylemezek tribológiai összehasonlítására.

- 49 -

Szakirodalmi áttekintés MŰANYAGOK A MEZŐGAZDASÁGBAN

Gépelemek (szabványos): -

Szerkezeti elemek

nyugvó géprész tömítések lineáris (munkahenger) tömítések forgó géprész tömítések siklócsapágyak (gördülőcsapágyak) elektromos szerelvények egyéb

Gépüzemfenntartási segédenyagok: -

rögzítő ragasztók rögzítő-tömítő ragasztók felület tömítő anyagok fémjavító anyagok egyéb

KERTÉSZET MEZŐGAZDASÁGI ÉPÍTÉSZET (TÁROLÁS) ÖNTÖZÉS

VEGYSZERKEZELÉS

ÉLELMISZER KEZELÉS

ERŐGÉPEK-MUNKAGÉPEK -

-

siklócsapágyak munkavégző elemek o kormánylemezek o trágyaleforgatók o gumiujjak o vető-adagoló elemek… járószerkezeti elemek tartóelemek burkolatok elektromos és kényelmi berendezések egyéb

31. ábra. Mezőgazdaságban alkalmazott polimerek egy lehetséges csoportosítása az alkalmazás szerint [Zsidai, Pálinkás 2002]

2.7.1. A mezőgazdaságban és az élelmiszeriparban leginkább elterjedt műanyagtípusok Hőre lágyuló polimerek  Polietilén: A polimer kormánylemezek jellegzetes anyaga, de igen elterjedt a fóliagyártásban is. A legtöbb élelmiszercsomagoló fólia polietilénből készül, mivel nem engedi át a vízgőzt, viszont a szén-dioxidot és az oxigént kismértékben igen. A mezőgazdaság nagy mennyiségű polietilén fóliát használ a termesztő berendezések befedésére, valamint a szabadban tárolt mezőgazdasági gépek takarására, a takarmányok, termények borítására, talajtakarásra, üvegházak belső szigetelésére, a növények fólia alatti termesztésére, a víztárolók szigetelésére, silók készítésére. Ezen kívül igen nagy mennyiségben lágy és kemény polietilén csövet is használnak a

- 50 -










mezőgazdaságban. A lágy polietilén csövek könnyen szállíthatók, hajlékonyak és –40°C-ig hidegállók. Mivel belső lerakódásokra nem hajlamosak, biztonságosan üzemeltethetők [Beer 1984]. Poliamid: fogaskerekek, csúszócsapágyak, ventillátor járókerekek, görgők és tengelykapcsolók jellegzetes anyaga. Különösen előnyös a poliamidból készített csapágyak alkalmazása olyan gépekben, amelyek szennyezett vagy fokozottan korrózió veszélyes környezetben üzemelnek. Az apró szilárd részecskék a poliamidba ágyazódnak, ezáltal kevésbé befolyásolják a szerkezet élettartamát. Kopott gépalkatrészek felújítására és korrózió elleni védelemre ráolvasztott poliamid (pl. PA 11) bevonatokat használnak a mezőgazdasági gépészetben [Pék 2000]. PVC (polivinil-klorid):  A „kemény” PVC-ből lemezeket és vegyszerálló béléseket készítenek, fém- és betontartályokhoz, silókhoz és permetlevek tárolására szolgáló kádakhoz. Ezen kívül ventillátorokat, szellőző- és elszívóberendezéseket, külső téri falburkoló elemeket, tetőfedő hullámlemezeket, esőcsatorna-elemeket is állítanak elő PVC-ből. A 130-180 °C-on jól hajlítható és alakítható csöveket 2; 5; 6 és 10 bar nyomásnak ellenálló fokozatban gyártják. Elterjedten használják a PVC csöveket az ivóvíz vezetésére is. Ütésálló adalékkal keverve a PVC jól záró, nem vetemedő ablakkeretek készítésére alkalmas [Beer 1984].  A „lágy” PVC megfelelő töltőanyaggal különféle színű padlóburkoló lemezek készítésére is alkalmas. Szintén ebből az anyagból készülnek a különféle műbőrök is, melyeket gépjárművek ülésborítására, valamint kárpitozására alkalmaznak Polisztirol: a belőle készült tárgyak szobahőmérsékleten ridegek, törékenyek. Gyártáskor gyakran butadiénnel polimerizálják. Így állítják elő az ütésálló polisztirolt. Nagyobb mechanikai igénybevételt szenvedő alkatrészek, pl. gép- és készülékburkolatok, permetező szórófejek készítésére is alkalmas. Különleges fajtája a habosítható polisztirol, amely habképző anyagot is tartalmaz. Jelenleg a kereskedelemben HUNGAROCELL néven ismeretes, amely hő és hangszigetelésre, valamint csomagolásokhoz alkalmazható. Szendvicsszerkezetekben válaszfalakat is építenek belőle [Beer 1984]. Polimetakrilát: Mint „szerves üveg”, víztisztán átlátszó. Lemezek formájában, az építőiparban használatos, pl. felületvilágítók készítésére. Közismert elnevezése „Plexi üveg”.

Hőre keményedő polimerek  Fenoplasztok: Összefoglaló néven, mint bakelitgyanták ismeretesek. Általában töltő- és vázanyagokkal (papír, textil, üvegszövet) erősítve sajtolóanyagokként, illetve mint rétegelt termékek alkalmazhatók. A textilbakelitből csapágyak, fogaskerekek, a papírbakelitből szigetelőlemezek, tekercstartók készülnek. Idővel fény hatására kis mennyiségű fenol szabaddá válik, emiatt elszíneződnek. Nem szagtalanok, ezért élelmiszerekkel érintkező tárgyak készítésére nem alkalmasak.  Aminoplasztok: Faforgácslapok, farostlemezek, pozdorjalapok töltő- és kötőanyagaként használják (járműiparban fautánzatként is alkalmazzák). Színtelen, szagtalan, így élelmiszerek csomagolásához, háztartási cikkekhez is alkalmazható.  Poliészterek: Lakk, ragasztó, öntőgyanta sajtolóanyag készíthető belőlük. Üvegszál erősítéssel előszeretettel alkalmazzák bevonatok készítésére is. Nagy jelentőségük a félkész termékekben van (hullám-sík lemezek), tetőfedésre mezőgazdasági épületek térelválasztására és hajtható ágyak fedésére használhatók.  Epoxigyanták: Lakkipari termékek, ragasztók, sajtolóanyagok előállítására használhatók, de kitűnő minőségű, nagy kopásállóságú polimer betonok is készíthetők belőlük. Az epoxi-szerszámkiöntő gyantákból fémmegmunkáló, sajtoló, vákuumformázó és lemezalakító szerszámok készíthetők [Beer 1984].

- 51 -


 

A hidegen kötő ragasztók kétkomponensűek. Az egyik komponens az alapgyanta, a másik a térhálósító (EPOKIT, EPORAPID, METALLIT). A METALLIT elsősorban fémöntvények javítására szolgál. A hőre keményedő, nagy hőállóságú epoxigyanta alapú ragasztók szilárd halmazállapotúak, porszerűek, egykomponensűek (EPORESIT K5). A hőre keményedő ragasztók kötésszilárdsága jobb, mint a hidegen kötőké.

2.7.2. Konkrét alkalmazási (vizsgálati) példák – Gyümölcsök zsugorfóliás csomagolására használják a különféle fóliákat [Szabó 1966]:  S fólia (vinilidénklorid-vinilklorid kopolimer)  L és XL fólia (polietilén fólia)  Y fólia (polipropilén fólia) – Korrózióvédelemre: Mezőgazdasági gépek korrózióvédelmére a szintetikus (polimer) lakkok viharállósága, vegyszer és korrózióállósága folytán előnyösen alkamazhatók. Katepox és Novolin kátránytartalmú epoxigyanták fekete színű, vagy ezüstös fekete alumínium pigmentálással készülnek, és a felületre felvitt állapotban is tovább festhetők. Resistan festék Wash Primer alapozással tetszés szerinti színben alkalmazható [Szabó 1966]. Korrózióvédő bevonatnak megfelel a klórszulfonált polietilén (Hypalon) is, de ennek a vegyszerállósága csekély, így permetlétartályok esetében az üvegszál erősítésű poliészter alkalmasabb (PC-180S). – Fémalkatrészek bevonása szinterezéssel gyümölcsbetakarító gépeknél kiemelten fontos. Az így elérhető puha vastag réteg a gyümölcsökkel érintkező géprészeken védelmet jelent a gyümölcs sérülése ellen. Itt hőre lágyuló polimereket (polietilén, polipropilén és poliamid) meleg ráolvasztással (szinterezéssel), 2-3 mm vastag rétegben visznek föl a felületre [Szabó 1966]. – Cefreszivattyú szelepének műanyaggal történő kiváltását az indokolta, hogy szőlészeti gépek esetében a borban lévő kemikáliák agresszív hatása nagy, ugyanakkor a bort is védeni kell a vasalkatrészektől. Értékelésként elmondható, hogy az elsőként kipróbált epoxi-gyanta bevonat nem bizonyult ellenállónak, a réteg elvált az alapfémtől. Azonban a klórszulfonált polietilénnel készített bevonat nagyon jó eredményt mutatott, mivel a polimer bevonat rétegben létrejött súlyváltozás tíz ezrelékben volt mérhető a 6 hetes vizsgálat során. További polimer típusokat is bevontak a vizsgálatokba, amelyeket két csoportba soroltak a kapott eredmények alapján [Szabó 1966]:  Korróziós vizsgálati idő alatt súlynövekedést mutatott a poliamid-6. Mivel ennek az anyagnak a vízfelvétele jelentős (8-10 %), nem zárható ki teljesen bizonyos mértékű kioldódás.  Korróziós idő alatt súlycsökkenést mutatott a poliamid-11 (vízfelvétele alacsony 2 %), a legnagyobb mérvű kioldódást a PVC mutatta, a legnagyobb súlycsökkenés a 6 hetes vizsgálat során a poliészternél volt tapasztalható (0,64 %), de még ez is olyan csekély, hogy a felhasználást nem befolyásolta. – Csávázódob kialakítása polimer hullámlemezből (1000 mm-es dobátmérő). Elsőként poliésztert alkalmaztak, de ez nem bizonyult tartósnak a búzaszemek intenzív koptató hatásával szemben. Ezt követően klórszulfonált polietilén mázzal vonták be a dobot (6 rétegben és 8 napos száradási periódust hagyva). Itt a koptatás (354 óra) során már kedvezőbb, 0-10 % közötti mért kopási értékek születtek (mérések zöme 1 % körüli kopást mutatott) [Szabó 1966]. – Csúszógyűrűk kialakítása poliolefin örvényszivattyúknál történt. Több különböző párosításból a legjobb eredményt az eredeti műszén-gyűrűk polietilénnel történő telítése adta. Az új eljárással kialakított csúszógyűrűk 354 órás üzemeltetése során semmi rendellenesség nem volt tapasztalható, pedig 20 % szuszpenzióval végezték az üzemeltetést. A csúszógyűrűk kopása - 52 -


kismértékű, eredeti vastagságukhoz képest 10 %-os (ez igazából csak a becsiszolódástösszecsiszolódást jelenti). Így a legnagyobb igénybevételnek kitett alkatrész bevonása (korábban bronzból készült) tömbpolimerizált poliamid 6-al (Metamid) történt. Ez tökéletesen bírta a 20 %-os szuszpenziót [Szabó 1966]. – Adagológarat burkolása nagy molekulasúlyú polietilén segítségével. A szemes termény darálására alkalmazott őrlő berendezés eredeti acéllemez adagológaratának felületén boltozódás alakult ki. Erre a problémára megoldás volt a CESTILINE (HMW-PE) lemezekkel végrehajtott burkolás, ami megfelelő kopásállóság mellett kedvező csúszási viszonyokat teremtve megszüntette a boltozódást is [Takarmányszervíz Kft. 2002]. 2.7.3. Polimer kormánylemezek a szántóföldi növénytermesztésben Az ekék vontatási ellenállását nagymértékben befolyásolja a kormánylemezek alakja és anyaga. Az acél kormánylemez feltalálása óta számtalan próbálkozás ismert, amely új anyagok (pl. disznóbőr bevonat, olajjal átitatott fa, gumigörgő, teflon, kerámia) felhasználásával kívánta a súrlódási ellenállást csökkenteni. Az ekék kormánylemezének kopáscsökkentésére, valamint a vonóerőszükséglet csökkentésére szerte a világon kísérletek folynak. A vizsgálatok egyik része a fémek különböző hőkezelési eljárásával kívánja a célt elérni, míg másik részük a célnak legjobban megfelelő polimer kiválasztását tűzte ki célul. A polimerek egy része ugyanis nagyon jó csúszási, kopásállósági tulajdonságokkal rendelkezik. Cooper és Mc Creery [1962] teflonnal végeztek kísérleteket az U.S.A.-ban Hawaii szigetén, SiO2 mentes, agyagos földön. Beszámolójukban a teflonnal (Kelon-C) végzett kísérleteket eredményesnek minősítik, de kiemelik a kvarcmentes talaj jelentőségét. Hazánkban is már az 1960-as évek közepétől folynak vizsgálatok polimer kormánylemezek súrlódási és kopási jellemzőinek feltárására. Szabó [1966] kísérleteiben polietilén és polipropilén lemez, valamint polipropilén bevonattal ellátott kormánylemez kopás vizsgálatát végezte el, ahol a legjobb eredményt a polietilén lemeznél érte el. Németországban szintén polietilén és polipropilén lemezekkel folytattak eredményes kísérleteket [Landtechnische 1962]. Bánházi, Jóri és Salamon [1983] vizsgálta az ekék műanyaggal bevont kormánylemezét. Szántóföldi és labormérések mellett tartós üzemi (szántóföldi) vizsgálatokat is végeztek. Laborvizsgálataikban a WORBLEX-PE 7473 jelű polimer, valamint a hagyományos (triplex) kormánylemezanyag és a homoktalaj súrlódási tulajdonságait elemezték (súrlódó felületek nagysága A=238…250 cm2, a felületre ható nyomóerő FN=65-76 N). A laboratóriumi mérések eredményeit a 13. táblázat tartalmazza. 13. táblázat. Homoktalaj és különböző anyagú próbatestek súrlódási együtthatói (20 mérés átlagadatai) [Bánházi et al. 1983] Próbatest Polírozott kormánylemez Rozsdás kormánylemez WORBLEX-PE 7473

Felületi terhelés [N cm-2] 0,31 0,30 0,27

Súrlódási tényező 3,96 % nedv. talaj porszáraz talaj

0,38 0,46 0,32

0,44 0,62 0,41

A szántóföldi mérések és a tartós üzemi vizsgálatok alapján a következőket állapították meg:  A szántóföldi mérések alapján mind a polimer, mind az acél kormánylemezes változatok megfelelő munkát végeztek. Bizonyították ezt a forgatásra, porhanyításra és a barázdaképzésre kapott kedvező eredmények. A mérések során rögzített egy-két százalékos különbségek (egyes - 53 -


mutatóknál a hagyományos, más jellemzőknél a polimer kormánylemez javára) a mérési hibahatáron belül maradtak, így egyértelműen állítható, hogy az adott körülmények között a polimer kormánylemezes eke a hagyományossal egyenértékű munkát végez.  A mérési adatokból és a gyakorlati megfigyelésekből egyértelműen megállapítható, hogy a kormánylemez intenzív kopása a talajáram be- és kilépésénél jelentkezik. Ez a megfigyelés arra enged következtetni, hogy az erősen kopó kormánylemez mellsőrész jelenlegi kialakítása nem előnyös, azon változtatni szükséges, függetlenül a kormánylemez anyagától.  A tartós üzemi vizsgálatok alapján úgy ítélhető meg, hogy a kormánylemezek átlagos várható élettartama polimereknél 100 hektár, acélnál minimum 250 hektár, bár az acél (triplex) kormánylemezekkel korábban végzett vizsgálataiknál 350-400 hektár élettartamokat is megfigyeltek. A vizsgálatok eredményeit és tapasztalatait összefoglalva megállapítható, hogy a polimer kormánylemezek széleskörű bevezetése - a feltárt üzemeltetési előnyök ellenére - csak a gyártási pontosság növelése és a szerelhetőségi kérdések egyértelmű, a gyakorlat számára közvetlenül alkalmas megoldása után javasolható. Jóri [1985] további vizsgálataiban eltérő kormánylemez anyagok (polimer kormánylemez, élfelrakott szántóvas RÁBA-IH ekékhez, porszórással éltartósított szántóvas RÁBA-IH ekékhez, élfelrakott szántóvas Rabewerk ekékhez) kopási jellemzőit határozta meg, 140 órás koptatási időtartammal. Vizsgálataiban klórszulfonált polietilén védőrétegű triplex és tömbpolimerizált poliamid 6-ból készült kormánylemezt alkalmazott. A kapott kopási eredményeket a 14. táblázat tartalmazza. A kormánylemezek laboratóriumi vizsgálata a kész kormánylemezekből kivágott minták összehasonlító jellegű koptatásával történt. Megállapították, hogy az újabb polimer kormánylemezek (Agra-7475, Agra-GS-7476) kopása csökkent, de még mindig többszörösen meghaladja a triplex acél kormánylemezét. 14. táblázat. Kormánylemezek 140 órás koptatási eredményei [Jóri 1985] Kezelés módja: Hypalon bevonat Metamid Szilárd Na2S Poliszulfid (12 órás) Poliszulfid (6 órás) Poliszulfid (glicerinben oldott) Kezeletlen

kopás mélység [mm] 0,004 0,039 0,08 0,009 0,005 0,002 0,002

(A táblázatban feltüntetett kopási értékek a kormánylemez kijelölt pontjain mért kopások átlagértéke)

Összegezve elmondható, hogy az általánosan használt acél (triplex) kormánylemezek, a polimer (fehér színű PE-7473 polietilén), az újabb fejlesztésű fekete színű (Worblex Agra-7475 és GS-7476) kormánylemezek összehasonlításában a polimer kormánylemezek vontatási ellenállása (erőgépen jelentkező vonóerő igény) kisebb, élettartama azonban rövidebb, mint a (triplex) acélé. Mindezek miatt a gyakorlatban lassan terjednek, mert a megtakarítások a felhasználóknál nehezen kimutathatók, ugyanakkor a gyakoribb kormánylemez cserével járó szerelési és a sérülékenységből fakadó gondosabb kezelési ráfordítások közvetlenül az üzemeltetőknél jelentkeznek. Kedvező tendenciának minősíthető a mind újabb és mind kedvezőbb tulajdonságokkal (mechanikai) rendelkező polimerek megjelenése. Néhány különleges alkalmazásban kifejezetten előnyösebb a polimer kormánylemez, ilyen például Japánban a víz alatti rizsföld művelés technológiája is. - 54 -

Kísérleti módszerek, eszközök

3. 3.1.

KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÉS ESZKÖZÖK

A kísérletek helyszíne

Az 1.1. fejezetben 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. Az itt kapott eredményeket a 5.1. fejezetben láthatjuk. Az 5.1.4. fejezet és a 9. melléklet kitér a polimer próbatestek HENGER-SÍK modell rendszerben kialakult rugalmas alakváltozására és annak vizsgálatára, mivel az érintkezési zónában kialakult alakváltozás lényeges hatást gyakorol a mért kopási eredményekre. Az itt látható kiegészítő vizsgálatok egy részét (kúszás, statikus alakváltozás vizsgálat) Magyarországon, a SZIE Gödöllő, Gépgyártás és Javítástechnológia Tanszék dinamikus tribológiai vizsgáló berendezésén [Keresztes, Kalácska 2001] végeztem el. Az 5.2. fejezet ismerteti a másik kísérleti módszert, ahol TŰ-TÁRCSA modell rendszerben vizsgáltam az öt eltérő polimer típust. Az 5.2. fejezet fontos része a DLN felület-polimerek súrlódására gyakorolt hatásának elemzése. 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.

3.2.

Kisméretű próbatest vizsgálatok HENGER-SÍK modell rendszerben

A jelen vizsgálatok fő célja acélon csúszó kisméretű polimer próbatestek súrlódási jellemzőinek a meghatározása. A laboratóriumi vizsgálatokat váltakozó irányú csúszó súrlódást létrehozó HENGER-SÍK rendszerben végeztem el. Az érintkezési geometria lehetővé teszi a próbatest kis méretei mellett a nagy érintkezési nyomás létrehozását, ezért a vizsgálatoktól a nagy terhelésű polimerek súrlódási jellemzőiről várunk eredményeket. További eredményként a vizsgált polimerek súrlódás és kopás szerinti rangsorolását kívánom elvégezni. 3.2.1. Berendezés A kísérleti berendezés, amit a 32. ábra mutat be, kis amplitúdójú rezgő vizsgálatra alkalmas széles körben használt PLINT tribometer (TE 77 High Frequency Tribotest) [Plint 1995]. 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 - 55 -


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 a 32. ábrán. A hengeres polimer próbatest átmérője, 6 mm, hossza l=12 mm, az acél lap méretei 58384 mm.

32. 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) piezo-elektromos erőmérő cella; (14) távolságérzékelő kopásmérő; (15) légkondícionáló szekrény [Zsidai et al. 2002]

3.2.2. 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 (32. ábra -15. egység). A kisméretű próbatest vizsgálatok jellemzőit a 15. táblázatban láthatjuk.

- 56 -


15. táblázat.Vizsgálati paraméterek Vizsgálati paraméterek Acél ellendarab felületi érdessége, Rz [m] Vizsgálat időtartama, t [óra] Terhelés, FN [N] Elmozdulás frekvenciája, f [Hz] Sebesség, v [m/s] Lökethossz, s [mm] Relatív páratartalom, RH [%] Környezeti hőmérséklet, T [C]

I. kategória 0,1-0,4 0,6-1,6 2 100

II. kategória 0,1-0,4 0,6-1,6 1 200

30 0,27 4,62 50 30

A vizsgálatokat két terhelés szinten végeztem el: FN=100 N és FN=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. A bemutatásra kerülő mérési eredmények három azonos paraméterrel végzett mérés átlagértékei. Az 1. mellékletben az M1/1. ábrában láthatjuk a mérési folyamat lépéseinek logikai sorrendjét, amelyet a vizsgálatok elvégzése során követtem. 3.2.3. A próbatestek anyaga és előkészítésük Acél síklap próbatest

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 modulusa E=210 GPa; és hővezetési tényezője (20°C-on) =30 W/(mK) [Böhler 1999]. Az acél lap méretei 58384mm. Az acél lapok felületének előkészítésére kétféle módot alkalmaztam. A próbatestek felét finoman köszörülték, (Ra=0,1-0,3 m  Rz=0,6-1,6 m) (továbbiakban ezt a felületet „D” betűvel jelölöm) a többi felületet köszörülés után políroztam. A felületek polírozását (GRIT 400-as és GRIT 600-as) szemcsefinomságú SiC-csiszoló vászonnal, DP-U Struers forgótányéros polírozó géppel végeztem a kívánt finom felületi érdesség eléréséig (Ra=0,02-0,08 m  Rz=0,1-0,4 m), (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. Hengeres polimer próbatest

A továbbiakban a 33. ábra alapján a vizsgált polimer anyagok megnevezésére a 16. táblázatban látható, saját rövidített jelöléseket használom. A hengeres polimer próbatest forgácsolással készült, átmérője Ø6 mm, hossza 12 mm. A 33. ábra szemlélteti a vizsgálatban szereplő műszaki polimerek színét és a gyári jelöléseket, a 34. ábra és a 17. táblázat pedig jó összehasonlítást ad fontosabb fizikai és mechanikai jellemzőikről, a gyártó katalógusaiban szereplő adatok [DSM 2000], vizsgálati jegyzőkönyvek [De Bruyne 1996], és a szakirodalom [Kalácska et al. 1997] alapján. (További adatok találhatók az 10. mellékletben is.)

- 57 -


33. ábra. A vizsgált anyagok külső megjelenése (forgalmazói mintadarabok)

16. 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

A 34. ábrából kitűnik, hogy a PETP k és POM-H nagy szakítószilárdsága mellett a szakadási nyúlása kicsi, ezért nevezhetjük ezeket „ridegebb” anyagoknak a többi vizsgálatban szereplő polimerhez képest. Ugyanakkor a 17. táblázatban látható, hogy a PETP k és a POM-H keménysége is nagyobb, ami alacsonyabb felületi energiára enged következtetni. Ezért várhatóan kisebb lesz a tapadás (adhézió) és a súrlódási tényező a poliamidokhoz képest.

34. ábra. A vizsgált polimerek fontosabb mechanikai és fizikai jellemzőinek az összehasonlítása

- 58 -


17. táblázat. A vizsgált polimerek további jellemzői Anyag jel PETP k POM-H PA 6G k PA 6G PA 6G-Mg (1) (2) (3)

Sűrűség Rugalmassági Vízfelvétel [g/cm3] modulus [MPa] (1) [%] (1) 1,44 3450 0,23 1,43 3600 0,2 1,135 1450 2 1,15 1700 2,2 1,15 2000 -

Keménység [Rockwell M] (2) M 94 M 88 M 82 M 88 M 83

-súrlódási tényező(3) 0,15-0,25 0,25-0,35 0,15-0,25 0,25-0,5 -

az anyag normál környezeti jellemzők melletti 23C/50% RH egyensúlyi állapotában értendő száraz anyagra értendő gyártó által végzett vizsgálatok, TŰ-TÁRCSA rendszerben, 6 mm tű átmérő, FN=86 N, v= 0,33 m/s, ellentárcsa felülete C 35 acél Ra=0,7-0,9 m, 24 órás vizsgálati időtartam

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 olajt (ondina minőség) tartalmaz (egyenletesen diszpergált 2-6 m átmérőjű olaj gömbök formájában), a 10. ábra részecske erősítésű kompozit szerkezetének megfelelően. Az olaj kis mértékű hatása megfigyelhető a mechanikai jellemzőkön (34. ábra és 17. táblázat). A polimer mátrixban elhelyezkedő olajcseppek gyengítő hatása a nátriumos PA 6G esetében a keménység és rugalmassági modulus csökkenésében nyilvánul meg. 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 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.

3.3.

Kisméretű próbatest vizsgálatok TŰ-TÁRCSA modell rendszerben

A polimer/acél csúszópárok tribológiai jellemzői nagymértékben változnak az fém ellen felület felületi megmunkálása - keménység, érdesség - függvényében. Bevonatok alkalmazásával növelhető a keménység, ami csökkentheti a súrlódási tényezőt és a stick-slip-et, mivel az adhézió lágyabb anyagoknál nagyobb mértékű, mint keményebbeknél. Továbbá növelhető a kémiai és oxidációs ellenállás is. Mivel a polimerek hővezetése alacsony, az ellenfelület hővezetési jellemzői alapvetők az érintkezési hőmérséklet nagyságának kialakulására nézve. A szakirodalomból több munkát is bemutattam, amelyek az adott polimerek (három poliamid típus: polioximetilén, polietilén tereftalát) acéllal szembeni csúszó súrlódását tárgyalja, azonban bevonatokkal szembeni viselkedésükről kevés adat áll rendelkezésre. A jelen vizsgálatok fő célja a kisméretű polimer próbatestek acéllal és DLN (gyémántszerű karbon bevonat) bevonattal szembeni csúszó súrlódási jellemzőinek a meghatározása. A laboratóriumi vizsgálatokat szabványos elvű folyamatos csúszó súrlódással működő TŰ-TÁRCSA rendszerben végeztem, az ellenfelületen bekövetkező változásokat optikai úton figyeltem meg. A kapott eredmények hozzájárulhatnak a DLN bevonat alkalmazási lehetőségeinek optimalizálásához, kibővítéséhez is. 3.3.1. Berendezés A polimer/acél és polimer/DLN csúszópárok száraz csúszósúrlódási tényezőjének mérése - 59 -


szabványosított TŰ-TÁRCSA (ASTM 699-95a) vizsgáló gépen történt. A vizsgálati modell vázlata, a hengeres polimer próbatest és a fém ellentárcsa méreteivel a 35. ábrában látható.

35. ábra. A próbatestek elhelyezkedése és mérete a TŰ-TÁRCSA vizsgálati rendszerben

Az 36. ábra mutatja a laboratóriumi mérőberendezés (WAZAU TRM 1000 tribometer) vázlatát a fő elemekkel, ezek elrendezésével, a terhelésátvivő 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.

36. ábra. 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 [WAZAU 1999; Zsidai et al. 2004]

- 60 -


A vizsgálatok alatt a fém ellentárcsa adott pontján mértem a súrlódó tárcsa hőmérsékletét, amit a későbbiekben tárcsa hőmérsékletnek nevezek (36. 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). 3.3.2. Zavaró hatások csökkentése

A mérés pontosságának növelése, a zavaró hatások kiküszöbölése érdekében módosításokat végeztem a meglévő vizsgáló berendezésen. A mérőberendezés nem megfelelő elhelyezése rezgést okozott a mérések során. A mérőberendezés megfelelően kialakított, nagy stabilitású gránit mérőasztalra helyezésével és megfelelő pozícionálásával sikerült a rezgéseket a minimálisra csökkenteni. Mivel a vizsgáló berendezés befogói nem tették lehetővé a próbatestek egymáshoz viszonyított beállását a mozgás során, ezért a fém/DLN tárcsákat a mérés előtt szintbe kellett állítani, amit vékony alumínium lapok segítségével végeztem, ügyelve arra, hogy azonos hőátadás legyen a tárcsa és a berendezés fém teste között. Az eredeti, hasáb alakú próbatestek megfogására szolgáló párhuzamszorítós próbatest megfogó nem volt alkalmas a vizsgálataimban szereplő tárcsa próbatestek megfogására a kilazulás veszélye nélkül, ezért prizmás szorítópofákat készítettem az eredetiek helyett, ami a 37. ábrán látható.

37. ábra. Befogókészülék tárcsa próbatesthez új és régi befogóelemekkel

A vizsgálatok előtt a próbatesteket propanollal (CH3CH(OH)CH3) átitatott törlőkendő segítségével kézi úton tisztítottam meg a felületi szennyeződésektől. 3.3.3. Vizsgálati paraméterek Előzetesen próbaméréseket végeztem a kedvező vizsgálati beállítások meghatározására, a következő szempontok figyelembe vételével: a vizsgálati adatok alkalmazhatók legyenek minden polimer típusra, a polimer túlzott megolvadása nélkül, a megengedett pv érték figyelembe vételével; a terhelés feleljen meg a mérő berendezés lehetőségeinek, és legyen összhangban a gyakorlati alkalmazással. Az előkészítő vizsgálatok eredményeinek kiértékelése a 38. ábrán látható, ahol törekedtem a zavaró hatások minimalizálására a megolvadással, rezgésekkel és a túlzott alakváltozással járó vizsgálati beállítások elkerülésével. Az előbbi szempontok alapján kedvező, kékkel jelölt és kedvezőtlen, szürkével jelölt területeknek megfelelően a vizsgálati terhelést 0-50 N tartományban, a sebességet pedig 0-1 m/s tartományban választottam. - 61 -


38. ábra. Vizsgálati rendszerünkben legalkalmasabban használható vizsgálati sebesség és terhelés beállítási párok

A konkrét vizsgálati paraméterek alapján két mérési kategóriát állítottam fel, amelyek jellemzői a 18. táblázatban láthatók. A vizsgálati időt úgy határoztam meg, hogy minden anyagtípusnál a súrlódás a stabil szakaszba érhessen és kialakulhassanak az értékelhető anyagátviteli folyamatok. 18. táblázat. TŰ-TÁRCSA vizsgálati paraméterek VIZSGÁLATI PARAMÉTEREK Lemez/tárcsa Rz felületi érdessége, [m] Vizsgálat időtartama, t [óra] Terhelés, FN [N] Sebesség, v [m/s] Relatív páratartalom, RH [%] Környezeti hőmérséklet, T [C] Súrlódási sugár, r [mm]

I. kategória

II. kategória

0,04 - 0,08 1 10 (0,5 MPa) 35 (1,78 MPa) 1 0,5 50 20-25 14, 21

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. 3.3.4. Próbatestek anyaga és előkészítésük A polimer próbatestek anyaga megegyezik az előző, HENGER-SÍK rendszerben ismertetett öt polimer anyagával, kialakításuk azonban eltér, amint ez a 35. ábrán látható. A fém sík tárcsa próbatest (ellentárcsa)

A mérések során 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 (3.2.3. fejezet). Változott a kialakítás: 51 mm átmérőjű, 6 mm vastag tárcsát használtam. - 62 -


DLN 180 bevonat jellemzői

A DLC bevonat jellemzőit Si hozzáadásával javítják. A Si-ot tartalmazó bevonat ugyan magasabb súrlódási tényezővel rendelkezik, mint a DLC száraz körülmények között, de alacsonyabbal nagyobb páratartalom mellett. Feltételezhető, hogy ez az eltérés a súrlódásban a bevonat típusok között összefügg a súrlódási felületeken képződő átvitt rétegek közötti eltéréssel. Az amorf anyagok újabban kifejlesztett csoportját gyémántszerű nanokompozitoknak hívják (DLN). A DLN bevonat C, H, Si-ot és O tartalmaz. Ezek az anyagok egy amorf a-C:H gyémántszerű hálót és egy másodlagos, amorf Si:O atomi hálót tartalmaznak, az eltérő hálók között pedig minimális kötés (gyenge kémiai erő) van jelen. Ez az atomi szerkezet kisebb belső feszültséget jelent, mint ami a DLC-nél fennáll. A kis belső feszültség jó adhéziós tapadást ad a DLN filmnek a legtöbb alapanyaghoz, és így csökken az adhéziós határréteg kialakulásának a veszélye. A súrlódási tényező még 90%-os páratartalom mellett, de egyes vizsgálatok alapján víz alatt is alacsony értéken (<0,1) marad. Ezen kívül a DLN film hőstabilitása nagy, ami lehetővé teszi, hogy védőrétegként alkalmazzák nagy hőterhelésű szerkezeti elemeken [Vercammen et al. 2000]. A 39. ábra mutatja be a DLN bevonat és az acél tárcsa főbb jellemzőit:

Felület típusa

DLN

Sűrűség, [gcm-3] Fajlagos kopás, 10-7 [m3N-1m-1] (acéllal szemben) Súrlódási tényező (acéllal szemben)

1,8-2,1 20-40 0,05-0,1

acél DIN 12738

7,85 >50 0,7

39. ábra. A tárcsa próbatestek mechanikai és tribológiai tulajdonságainak az összehasonlítása, metszeti kép a vizsgált DLN bevonat acél felületen való elhelyezkedésének a bemutatására [Neerinck 1998; Zsidai et al. 2004]

A DLN 180 az oxigént tartalmazó DLC bevonatok széles típusválasztékának Si hozzáadásával készített változata 2 m vastagsággal és 1500 HV keménységgel (szemben az alap acél 300 HV keménységével). A szilícium gátolja a keresztkötésű struktúra kialakulását, így alacsonyabb felületi energiával rendelkezik (közelítőleg 35mN/m), mint a DLC [Neerinck 1998]. Ez alacsonyabb adhéziót és súrlódást eredményez, de a mechanikai jellemzők kismértékben romlanak, a DLC-hez képest. A DLN bevonatot kopásálló gépelemek bevonására használják az orvosi műszerek, elektronika, irodatechnika, katonai berendezések, stb. területén. A DLN bevonattal ellátott acél tárcsákat a Bekaert Dymonics (Belgium) szolgáltatta a vizsgálatokhoz. - 63 -


3.4.

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) vizsgálatára vonatkoznak. 3.4.1. Felületi energia vizsgálata folyadékcsepp érintkezési szög (Drop test) vizsgálatával A felületi energia vizsgálatának számos változata alakult ki. Megkülönböztetünk folyadékokhoz (Du Nouy gyűrű-, Wilhelmy lemez-, Forgó csepp módszer stb.) és szilárd testekhez (folyadék csepp érintkezési szög mérése, elemi szállal mért Wilhelmy módszer stb.) alkalmazható módszereket. Számomra elérhető és alkalmas módszernek a felületre tapadt folyadék csepp érintkezési szögének mérése szolgált, amelyet közismerten Sessile Drop (SD) eljárásként neveznek. Ez az eljárás kifejezetten szilárd felületek vizsgálatára szolgál. A vizsgálatokat a TŰ-TÁRCSA mérések helyszíneként szolgáló VITO kutatási központ (lásd.3.1. fejezet) CMA2 megnevezésű anyagvizsgálati laboratóriumában, az ott dolgozók segítségével, automatikus számítógéppel vezérelt mérő- és kiértékelő-rendszerű peremszögmérővel (Goniométer) végeztem el. A vizsgálatok jegyzőkönyveiből láthatunk hármat az 5. mellékletben. A vizsgálat lényege az, hogy meghatározzuk a vizsgálandó szilárd felületre cseppentett folyadék csepp pereméhez húzott érintő és a nedvesített felület közötti Θ peremszöget (40. ábra), és kiegészítő szögét, az α kontakt (vagy érintkezési) szöget (f, l, sz a jelen lévő szilárd-, folyadék- és gázfázisra utal). A kialakuló csepp formája a nedvesítés mértékével arányos.

40. ábra. Peremszög ( értelmezése folyadékcsepp részleges szétterülése esetén [Farkas 1997]

Az ábra jelöléseivel: γlsz γfsz γlf

- szilárd test és levegő közötti határfelületi feszültség, - folyadék és levegő közötti határfelületi feszültség, - levegő és folyadék közötti határfelületi feszültség,

[mN/m] [mN/m] [mN/m]

A felületi feszültség, illetve a felületi energia megadásánál használatos mértékegységek: [10 mN/m = 1µJ/cm2] A 40. ábrán az egyes határfelületi feszültségeket - lévén erő jellegű mennyiségek - megfelelő nagyságú és irányú vektorokkal ábrázoltuk. Egyensúly - amikor a folyadékcsepp helyzete és alakja már nem változik - akkor lehetséges, ha a szilárd felületen a γlsz erő, illetve a neki megfelelő vektor hossza ellenkező előjellel egyenlő lesz a γfsz és a γlf erők összegzése útján kapott eredő vektor γ’ vetületének nagyságával. Ezt a folyadékfelvitel után beálló egyensúlyt a Young-egyenlet (8) írja le [Berecz 1998]: [mN/m] (8)  lsz   '   fsz   lf  cos 

- 64 -


ahol a Θ az ún. peremszög, amelynek értéke teljes nedvesítéskor 0°, ha viszont nincs nedvesítés, 180° (a gyakorlatban a 34 mN/m felületi feszültség értéket általánosan elfogadott határértéknek tekintik: nem nedvesíthető a felület, ha γ<34, ill jól nedvesíthető, ha γ>34.). A szilárd anyagok felületi energiája két különböző, ismert felületi feszültségű folyadék sorozattal határozható meg részletesen. Az anyagok (teljes) felületi energiájának a diszperziós (γd), [mN/m] és poláros (γp), [mN/m] komponensek összegét tekintik:

γ=γd+ γp

[mN/m]

(9)

Vizsgálataim során két eltérő folyadékot, vizet és diodometánt (CH2I2) 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 módszer elméletének pontos leírásával kiterjedt szakirodalom foglalkozik [Farkas 1997], bővebben nem térek ki rá. 3.4.2. A felületeken keletkezett súrlódási nyomok mikroszkópikus vizsgálata A súrlódás vizsgálatokat követően a csúszó 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. Ugyanakkor az éppen aktuális vizsgálati helyszín adta lehetőségeknek megfelelően két eltérő nagyítási tartománnyal és mélység-élességgel rendelkező felületfotózási eljárás állt rendelkezésemre. A HENGER-SÍKON vizsgálatokkal létrehozott súrlódási felületekről a Genti egyetem közreműködésével JEOL JSM-6340F típusú pásztázó elektron mikroszkóppal (SEM) készültek felvételek 25 - 500-szoros nagyításban. Az így nyert felvételeket az 57. ábrán és az 59. - 61. ábrákon láthatjuk. Az elektronmikroszkópos vizsgálatok a polimerek optikai szintű vizsgálatának rendkívül hathatós módszerei. A SEM vizsgálatokhoz nincs szükség metszetkészítésre, akár több cm2 nagyságú minta felületéről készíthetők nagy mélység-élességű felvételek. A pásztázó elektronmikroszkóp mélységélessége 300-szor nagyobb a fénymikroszkópokénál, így viszonylag kis nagyításoknál is sokkal jobban értékelhető képet ad [Bodor, Vas 2001]. A felvételeken látható súrlódási nyomokban kép analizáló szoftver segítségével meghatározásra került a polimer fázisok %-os aránya is (az elemzés csak az FN=100 N terhelési kategóriában az S felületeket érinti). A módszer a felvételen látható eltérő fázisok kontrasztja közötti eltéréseket veszi alapul, ahol a polimer lerakódást sötét fázisként érzékeli. Hasonló tónus vagy színképelemzésen alapuló módszerek leírása, más vizsgálatok értékelésénél is magtalálhatók [Oláh et al. 2004]. Az elemzés eredményei a 22. táblázatban, láthatók. A TŰ-TÁRCSÁN vizsgálatok súrlódási felületéről, az előbbitől eltérő módon optikai mikroszkópra (Nikon MM-11) szerelt digitális fényképezőgép segítségével volt módom felvételeket készíteni a VITO kutatási központban. Az alkalmazott nagyítás mértéke 25-szörös volt. A felvételek a 79. - 83. ábrákon, összesítve pedig a 6. mellékletben láthatók. 3.4.3. A lerakódott polimer film vastagságának vizsgálata A súrlódás során lerakódott (polimer) rétegek vastagság vizsgálatának és összehasonlításának egyszerű, gyors módja a felületi érdességmérés. A vizsgálatok helyszínétől függően két eltérő módon végeztem el a réteg vastagságok vizsgálatát. - 65 -


A polimer filmek rétegvastagságának öszzehasonlítása, az Rz mérésével, a HENGER-SÍK vizsgálatoknál

Tribológiai vizsgálatoknál az átlagos egyenetlenség magasság (Rz), a szakirodalom által elfogadott és javasolt mérőszám a felületi érdesség jellemzésére [Valasek, Szota 2002]. Az (Rz) meghatározását egy FEINPRÜF, PERTHOMETER 510 típusú, számítógépes adatfeldolgozás nélküli, tűs felületi érdességmérővel végeztem. Az alkalmazott mérőeszköz a DIN 4768 szerint a 41. ábra alapján a következő összefüggéssel (10) határozza meg az Rz értékét [Feinprüf 1991]: R z  R zDIN 

1 Z1  Z 2  .......  Z n  [m] n

(10)

ahol, le n Zi lm Rz RzDIN Rmax

-mintavétel hossza [mm] -mintavételek száma (5 mintavétel) -az le hosszon mért legmagasabb és legmélyebb profil pont közötti függőleges távolság [μm] -teljes vizsgálati hossz, általában az le ötszöröse [mm] -átlagos egyenetlenség magasság, az egymást követő mintavételi hosszakban mért Zi étékek átlaga [μm] -azonos az Rz-vel, de a mintavétel hossza a DIN 4672 alapján kiválasztott érték [μm] -maximális érdesség a legnagyobb Zi érték a teljes lm vizsgálati hosszon [μm]

41. ábra. Az Rz értelmezése és a meghatározásához szükséges jellemzők [Feinprüf 1991] Kutatásaim során a súrlódás vizsgálatok előtt a fém ellendarabon, és azt követően ugyanazon a helyen, de már a súrlódási nyomban mértem a felület Rz érdességét. A mérés vázlata és főbb jellemzői a 42. ábrán láthatók. Minden helyen három (I.-II.-III.) ismételt mérést végeztem, az ábrán feltüntetett pozíciókban, egymástól 5 mm távolságban, lm=12,5 mm vizsgálati hosszban. Az értékek átlagolásával meghatároztam a súrlódás előtti, Rz1 és az azt követő, ugyanazon a helyen mért Rz2 értékét. Ezek után a két érdesség érték különbségét (11) képeztem: Rv  R z 2  R z1

[μm]

- 66 -

(11)


42. ábra. Rétegvastagság vizsgálat vázlata, a henger-síkon rendszerben, és a mérések mm-ben megadott helyezési méretei Mivel a polimer réteg nem egyenletes a fém felületen, az így kapott Rv érték nem alkalmas konkrét vastagság érték megadására a különböző műanyagok estében, de jól összehasonlíthatóvá teszi azokat. A mért Rz1 és Rz2 értékek a 7. mellékletben, az összehasonlításuk pedig az 58. ábrában láthatók. A rétegvastagságok összehasonlítása az érdesség profil kirajzolásával, a tű-tárcsán vizsgálatoknál A DLN és acél felületek műanyagok súrlódására gyakorolt hatásának kutatásakor a vizsgálatok helyszínén (VITO) lehetőségem volt korszerű lézeres felületi érdesség vizsgálatokra az UBM 3 D Laser típusú berendezés segítségével. A módszer lehetővé teszi a mechanikai érintkezés nélküli, roncsolásmentes érdességmérést, amely kifejezetten előnyös lágy műanyag rétegek vizsgálatánál.

43. ábra. Polimer film az ellendarab felületén, az érdességi profil kirajzolásával (PA 6G k, I. Kategória, v=1 m/s; F=10 N, acél felület, r=14 mm súrlódási sugár) - 67 -


A vizsgálatok részletes leírását mellőzve, példaként a 43. ábrán bemutatok egy konkrét mérési eredményt, amelyen a vizsgálati hossz és a mérési pontok száma is fel van tüntetve. A kapott profil görbéket léptékhelyesen egymás mellé rendezve a 8. mellékletben láthatjuk. Ebben a formában jól összehasonlíthatjuk a letapadt filmek nagyságát, polimertől, ellenfelülettől és vizsgálati jellemzőtől függően.

- 68 -

Eredmények kiértékelése

4.

A MÉRÉSI EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE

Az eltérő modellek alapján kialakított rendszerekben kapott eredmények feldogozása, a számítások elvégzése személyi számítógépen, Windows rendszer alatt működő Microsoft EXCEL 5.0 adatkezelő program segítségével történt.

4.1.

A HENGER-SÍK modell vizsgálatok kiértékelése

A PLINT TE vizsgálóberendezéshez alkalmazott számítógépes DAPview mérőprogram „.log” kiterjesztésű fájlformátumban rögzítette a mért adatokat, amelyeket átkonvertáltam az EXCEL program számára olvasható „.xls” fájlformátumba. 4.1.1. A súrlódási erők ciklusonkénti meghatározása Példaként az alternáló csúszósúrlódás során keletkező súrlódási erő változására nézzünk meg egyetlen kiragadott ciklust a teljes mérésből (a példa ciklus PA 6G-Mg 1órás 200 N-os vizsgálatából lett kiemelve). A súrlódási erőt minden ciklusban az irányváltási helyek között 29 mérési ponttal határoztam meg. A 44. ábrán láthatók a súrlódási erő mért értekei a vizsgálati idő függvényében, ahol a súrlódási erő ellentétes előjele az eltérő irányú (4,62 mm lökethosszal oda, majd vissza) mozgásból adódik. Egyetlen elmozdulási ciklus időtartamát a TC-ciklus idővel (0,033 s) jelöltem. A görbe elején mindkét irányú elmozdulásnál erőcsúcsok jelennek meg, amelyek jelzik a mozgás megindulásához szükséges lényegesen nagyobb erőt (statikus súrlódási erő). Később az erő lecsökken és bizonyos ingadozásokkal behatárolható értékek között marad (dinamikus súrlódási erő).

44. ábra. A súrlódási erő 1 ciklus változó irányú elmozdulásának függvényében (PA 6G-MG, 1óra-200N) A 44. ábrában látható mért súrlódási erőből, a statikus (Fstat) és a dinamikus (Fdin) súrlódási erők meghatározása az F  Fmin Fstat  max [N] (12) 2 - 69 -


és az T

Fdin 

1 C  F (t )  dt TC 0

[N]

(13)

alakban adhatók meg, ahol a TC az egy ciklus megtételéhez szükséges időt jelöli. Ezekből pedig a normál terhelés (FN) segítségével a statikus és a dinamikus súrlódási tényezők meghatározhatók: F  stat  stat (14) FN

 din 

Fdin FN

(15)

A számításokat az alkalmazott mérőprogramba illesztettem, így már közvetlenül a mérés ideje alatt folyamatosan meghatározásra kerültek a statikus és a dinamikus súrlódási tényező értékek. A folyamatosan meghatározott értékekből a teljes mérés időtartamára kirajzolhatóvá vált a statikus és a dinamikus súrlódási tényezők görbéje, erre láthatunk példát a 45. ábrán. Az értékelés következő lépéseként a görbékből meghatároztam a statikus és dinamikus súrlódási tényezők maximális és állandósult értékét.

45. ábra. Példa a ciklusonként folyamatosan számított és diagramban ábrázolt statikus és dinamikus súrlódási tényező értékének változására a teljes mérési időtartamban A továbbiakban, a könnyebb áttekinthetőség érdekében a dinamikus max jelölés helyett a max,a dinamikus stabil helyett a stabil jelöléseket használom. Megkülönböztetéssel csak a statikus súrlódási tényező jelölésénél járok el. A súrlódási tényezők állandósult (μstabil) értékét az EXCEL program MÓDUSZ függvényével határoztam meg, amely megadja az adathalmazban leggyakrabban előforduló értéket. Ez az esetek többségében jó közelítéssel megadja azt az értéket, amely mentén a súrlódási tényező állandósul a súrlódás felfutási szakaszát követően. Az így kapott értékeket a három ismételt mérésnél átlagoltam, és az átlagokat ábrázoltam az - 70 -


51. és 54. ábra oszlopdiagramjaiban. Az ismételt mérésekből meghatározott konkrét értékeket, ezek szórását (s) és az átlagértékek szórását a 3. melléklet M3/11. és M3/12. ábrájában találjuk. Az átlagértékek szórását (sa) a (16) összefüggés alapján határoztam meg, sa  

ts n

(16)

ahol: t=f(P,n) paraméter a Student eloszlás táblázatból, adott megbízhatósági szintnek (P=95 %) és mintanagyságnak (n=3) megfelelően kiválasztható értéke (t=4,3). 4.1.2. A kopás térfogat és a fajlagos kopás meghatározása A kopás mélységét a próbatest magassági (itt sugár irányú) méretének csökkenése jellemzi, melynek értékét a mérések során a 3.2.1. részben már említett légrés mérővel folyamatosan rögzítettem. Az alakváltozás és a súrlódási hőfejlődésből származó lineáris hőtágulás azonban zavaró hatást gyakorol a terhelés és csúszás folyamán végzett kopásmérésre. A probléma megismerésére vizsgálatokat végeztem, ezek részletesen a 9. mellékletben láthatók. A folyamatos kopásmérés hibái A vizsgálatok során folyamatosan végzett kopásméréseket helyesen elmozdulásmérésnek kell tekinteni. A kapott elmozdulás eredmények a kopás valódi értékén túl egyéb, a pontosságot befolyásoló tényezők is szerepelnek. Ezekről ad áttekintést a 46. ábra. A pontosságot befolyásoló tényezők teljes kopásgörbére vonatkoztatott pontos értékét és meghatározásukra vonatkozó törvényszerűséget nem határoztam meg, de a következőkben röviden áttekintem az elfordulásmentes HENGER-SÍKON érintkezés alakváltozási problémáinak az eredetét, és méréseimben betöltött szerepét. Elsőként kopás nélküli próbadarabokon statikus terhelés mellett vizsgáltam a polimerek alakváltozását az idő függvényében. Ezt követően kétféle módon: 1. az eredetiekkel megegyező (FN=200 N, D felületi minőség) mérések során a mérések megszakításakor (a dolgozatomban szereplő próbatestek közül három PETP k; PA 6G k; PA 6G-Mg polimerre), 2. valamint előre elkészített adott mélységig csiszolóvászonnal lelapolt, majd leterhelt próbadarabokon (minden vizsgált polimernél) mértem a vizsgálati terheléseken fellépő alakváltozást. Mindkét alakváltozási vizsgálat és a kúszás mérés eredményei is a 9. mellékletben láthatók. Megállapítható, hogy az adott vizsgálati rendszerben a HENGER-SÍK érintkezésnél az elmozdulás mérésével meghatározott kopás pontossága jelentős mértékben függ az alakváltozástól, elsősorban a súrlódás kezdeti szakaszában. Kis kopásállóságú anyagoknál, a terhelés hatására létrejött nyugalmi állapotban fellépő (kezdeti) rugalmas alakváltozás értéke, a növekvő kopási felülettel együtt gyorsan lecsökken.

- 71 -


46. ábra. A kopás folyamatos (súrlódás közbeni) mérésének zavaró tényezői HENGER-SÍK érintkezésben

- 72 -


A 9. mellékletben bemutatott vizsgálatok alapján a polimer próbatestek alakváltozásának hatását - ha csak a normál terhelés okozta rugalmas alakváltozást vesszük figyelembe - a mért kopásra a 47. ábra szemlélteti. Az ábrán látható, hogy a csúszó súrlódás megindulásakor a kopás növekedésével az érintkezési felület folyamatosan növekszik, és jelentősen lecsökken a felületi nyomás és a rugalmas alakváltozás is. E miatt a kopás korai szakaszában a mért kopásgörbe kisimul, 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.

47. ábra. A mért elmozdulás értékének rugalmas alakváltozási és kopás összetevői a súrlódás megindulásakor A fajlagos kopás meghatározása A feltárt hibák ellenére a folyamatos elmozdulás mérés alkalmas az egyes löketek alatti fajlagos kopás változásának a meghatározására, mivel a löketek között az alakváltozás és a hőtágulás állandónak tekinthető. A kapott eredményeket a 67. a 86. és a 87. ábrában, valamint a 9. mellékletben láthatjuk. A mérés során felvett elmozdulás görbékből a löketenkénti kopási térfogatot az elmozdulásból és a mintadarab méreteiből határoztam meg, a 48. ábra alapján. Az előbbiekből azonban világosan kitűnik, hogy 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 módszer a kismértékű kopások miatt nem járt kielégítő eredménnyel). Az átmérő méréseket mérőmikroszkóp (Zeiss típus) segítségével, 1m-es pontossággal végeztem. A méréseim polimer kopási eredményeit a vizsgálati kategóriák szerinti csoportosításban a 19. táblázat és 20. táblázat tartalmazza. Az ismételt mérésekből meghatározott kopás értékeket, ezek szórását (s) és az átlagértékek szórását a 4. melléklet M4/1. és M4/2. ábrájában találjuk. A kopást, mint relatív fogalmat többféleképpen definiálja a szakirodalom. Lényege, hogy az abszolút mért kopást (pl. mm, mm3, vagy gramm) vonatkoztatja egy meghatározó rendszerjellemzőre. Méréseimnél a kopást mm3/Nm-ben definiálom, ami egységnyi normálterhelés és 1m siklási útra vonatkoztatott próbatest térfogat vesztesége. - 73 -


A kopástérfogat meghatározására a 48. ábra alapján a következő összefüggések szolgálnak [Kismarty 1972]:

-kopás térfogata, [mm3] -műanyag henger sugara, [mm] -henger hossza, [mm] -húrhossz, [mm] -húrhosszhoz tartozó központi szög, [°] -kopás magasság, [mm]

Vkopadék R L a



A

48. ábra. Vázlat hengeres próbadarab kopási térfogat számításához és az alkalmazott jelölések -A számítás alapja a körszelet területe: R 2     A   sin   2  180 

[mm2]

(17)

-Ebből a térfogat kifejezése az (a) húrhosszal: V

kopadék

  1    R 2   2     

  a   2   arcsin  2R   180

      a   sin  2   arcsin   2R    

     L   

[mm3]

(18)

a  2   A  (2  R   A )

(19)

-ahol:

  2  arcsin

a 2R

és

A fajlagos kopás meghatározása: -csúszási úthossz (L): -fajlagos kopás (k): ahol: -lökethossz -frekvencia -idő -kopási térfogat -csúszási úthossz -normálerő

Lcsusz=2 s f t k=Vkopadék/(Lcsusz FN)

s=4,64 mm==4,64 10-3 m f =30 Hz t =3600 s; 7200 s; Vkopadék, [mm3] Lcsúszási, [m] FN =100 N; 200 N

- 74 -

[m]

(20)

[mm3/N m]

(21)


4.2.

A TŰ-TÁRCSA modell vizsgálati eredmények kiértékelése

A folyamatos csúszósúrlódás mérés során megjelenő súrlódási tényező és fém tárcsa testhőmérsékletének ábrázolására a 2. mellékletben láthatunk példát (a példamérés: PETP k; sebesség-0,5 m/s; terhelés-35 N). A vizsgáló berendezés a súrlódási erőből és a megadott függőleges terhelés értékből folyamatosan számította ki a súrlódási tényező értékét, amit mérés közben megjelenített a számítógép monitorján (erre láthatunk példát a 2. melléklet M2/1. ábráján). A berendezés lehetővé tette a közvetlen ".xls" fájlformátumba mentést, átkonvertálások nélkül. A súrlódási tényező maximális (max) és állandósult (stabil) értékeinek meghatározása a HENGER-SÍK vizsgálatoknál megismert módon történt, természetesen csak a dinamikus súrlódási tényezőre értelmezve. Egyes polimerek jellegzetes súrlódási viselkedésének a leírására konkrét mérési görbéket is bemutatok, amelyek a jobb összehasonlíthatóság végett együtt tartalmazzák az acél és DLN felületen mért eredményeket. A TŰ-TÁRCSA rendszerben, eltérően a korábbi HENGER SÍKON rendszertől, ugyanazon anyagpárosítással, sebesség és terhelésjellemzőkkel az ismételt mérések száma minden esetben kettő volt. Elsősorban a korlátozott számú DLN próbadarabok miatt a két ismételt mérést is eltérő súrlódási sugáron mértem, ezért az ábrázolt eredményeket egyik esetben sem átlagoltam, mind egy-egy mérés konkrét eredménye. Az eltérő súrlódási sugarakon végzett, de más jellemzőkben megegyező mérési eredményeket is külön jelölöm a diagrammokban és a görbéken. Az értékelt eredmények:  az eltérő felületeken mért súrlódási tényezők állandósult és maximális értékei,  a fém tárcsán mért hőmérséklet legnagyobb értékei a tárcsa adott pontján (tárcsa hőmérséklet), lásd a 3.3.1-es részben a 36. ábrán *-al jelölve.  az egyes futás nyomokban a vizsgálat befejezésének időpontjában mért felületi hőmérséklet, amit a hőérzékelő-tapintó segítségével határoztam meg (nem minden esetben került meghatározásra, és csak tájékoztató jellegű adat)

- 75 -


- 76 -

Vizsgálati eredmények a HENGER-SÍK laboratóriumi modell rendszerben

5. VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK 5.1.

Műszaki polimerek acél felületen vizsgált súrlódási és kopási eredményei, HENGER-SÍK laboratóriumi modell rendszerben

A vizsgálatok során mind a statikus, mind a dinamikus súrlódási tényező értékek meghatározásra kerültek (lásd. 3. melléklet). 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. 5.1.1. Súrlódási és kopási eredmények 2 óra/100 N-nál (I. mérési kategória)

Dinamikus súrlódási tényező, 

A 49. és 50. ábra ábrázolja az I. kategóriában vizsgált műszaki polimerek dinamikus súrlódási jellemzőit, a 19. táblázat és a 20. táblázat pedig ugyanezen kategória fajlagos kopás értékeit mutatja. Mielőtt az eredmények konkrét tárgyalásába kezdenék, szükségesnek tartom az eredményeket bemutató grafikonok értelmezéséhez az alábbiak ismertetését: A görbék csoportosítása adott normál terhelés és felületi érdesség alapján történt, ami az ábra címekből is kiderül. Minden műanyaghoz a három azonos mérés egyik tipikus görbéje van kiemelve, ami lehetővé teszi az eltérő anyagok azonos terhelésen és felületi érdességen tapasztalt súrlódási viselkedésének összehasonlítását, mind a súrlódás kezdeti (running-in stage), mind stabilizálódott szakaszában (steady-state). A csúszási úthossz függvényében a konkrét, ismételt súrlódási görbék a 3. mellékletben láthatók. Elsőként nézzük meg a 49. ábra alapján a 100 N terhelés mellett végzett vizsgálatok S (Rz=0,1-0,4 m) felületen mért súrlódási eredményeit. A közölt értékeket a következő formában láthatjuk a szövegben:

1

PA 6G-Mg

0.9 0.8

PA 6G

0.7 0.6

PA 6G k

0.5 0.4

PETP k

0.3 0.2

POM-H

0.1

PA 6G k kenő hatása

0 0

250

500

750

1000 1250 1500 1750 2000

Csúszási úthossz [m]

49. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői S acélfelületen 100 N terhelésen mérve (minden anyagnál három mérésből kiemelt egy-egy példa)  A POM-H gyorsan eléri az állandósult súrlódási tényezőt (stabil=0,23/0,29) és ezt az értéket tartja a teljes mérés során. A súrlódás maximális értéke (max=0,25/0,35) nem sokkal tér el a stabil - 77 -


értéktől, de itt már nagyobb eltérések tapasztalhatók a három ismételt mérés között. A súrlódási görbe a teljes csúszási úthosszon kilengésektől mentes, sima vízszintes lefutású (3. melléklet M3/3. ábra).  A PETP k súrlódási görbéje egy hosszú felfutási „running in stage” periódus után (közel 850 méter) éri el a maximális értékét (max=0,33/0,33). Ezt követően a görbe egyenletesen halad stabil=0,32/0,32; de kismértékben csökken (vég=0,295/0,295) a mérés végéig. A mérési eredmények mindhárom ismételt mérésnél közel azonos értéket vettek fel. (3. melléklet M3/1. ábra)  A PA 6G k esetében kis értékű súrlódási tényezőt (stabil=0,16/0,22) láthatunk a vizsgálat első felében. Ezt követően tanúi lehetünk egy lényegesen nagyobb értékbe való meredek átmenetnek. Az átmenetet követő szakaszban lassú stabilizálódás mellett a súrlódási görbe egymást sűrűn követő lengései is tapasztalhatók. Végül a görbe kismértékű folyamatos emelkedést követően (max=0,56/0,5) értéken állandósul (3. melléklet M3/5. ábra).  A PA 6G-nek rezgésektől mentes, gyors, egyenletes felfutású súrlódása (max=0,75/0,815) értéken éri el a maximumát. Ezt követően nem beszélhetünk határozott stabilizálódási szakaszról, mivel kisebb mértékű, de hosszabb úthosszra kiterjedő hullámok tapasztalhatók az egész súrlódási úthosszon. A görbe folyamatos hullámzása miatt kismértékű eltérések láthatók a három ismételt mérés eredményei (stabil=0,66/0,73) között is (3. melléklet M3/7. ábra). A PA 6G-Mg határozott felfutási szakaszt követően éri el maximális (max=0,9/0,91) étéket,  amelyet egy közel 700 méter hosszú egyenletesen csökkenő szakasz követ. Ezt követően nagymértékű kilengésekkel halad a görbe. A kilengések egyes esetekben a kezdeti maximumot is meghaladhatják (max2=0,94), amint ez a példa görbén látható (3. melléklet M3/9. ábra).


A következőkben az 50. ábra alapján a100 N terhelés mellett végzett vizsgálatok D (Rz=0,6-1,6 m) felületen mért súrlódási eredményeit értékeljük. 0.8 0.7

PA 6G-Mg PA 6G

0.6 0.5 0.4

PA 6G k

0.3

POM-H

0.2

PETP k

0.1

kenőhatás PA 6G k-nál

0 0

250

500

750

1000 1250 1500 1750 2000


50. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői D acélfelületen 100 N terhelésen mérve (minden anyagnál három mérésből kiemelt egy-egy példa) A PETP k gyorsan eléri az állandósult súrlódási tényezőt (stabil=0,22/0,22) és ezt az értéket  tartja a teljes mérés során. A súrlódás maximális értéke (max=0,22/0,22) nem sokkal tér el a stabil értéktől, de itt már nagyobb eltérések tapasztalhatók a három ismételt mérés között. A súrlódási görbe a teljes csúszási úthosszon kilengésektől mentes, sima, vízszintes lefutású (3. melléklet M3/1. ábra). - 78 -


A POM-H súrlódási görbéje egy rövid felfutási periódus után (közel 100 méter) éri el a  maximális értéket (max=0,27/0,29). Ezt követően a görbe kismértékben csökken, majd stabilizálódik (stabil=0,24/0,25) értéken, a továbbiakban egyenletesen halad a mérés végéig. A mérési eredmények mindhárom ismételt mérésnél jól közelítik egymást (3. melléklet M3/3. ábra).  A PA 6G k esetében kevesebb, mint 200m-ig tartó kis értékű súrlódási tényezőt egy rövid intenzíven emelkedő szakasz követi, ami (max=0,45/0,48) értékig emelkedik. Ezt követően, a maximális értékhez közeli kiegyensúlyozott súrlódási tényezőt (stabil=0,425/0,42) láthatunk a maradék úthosszon, ami közel azonos mindhárom ismételt mérésnél (3. melléklet M3/5. ábra).  A PA 6G-nek gyors felfutású súrlódása (max=0,63/0,63) értéken éri el a maximumát. Ezt követően erős kilengésekkel halad tovább, amelyek mindhárom mérésnél jelentősen eltérnek egymástól, és bizonyos esetekben a kezdeti maximumot is meghaladhatják, amint ez a példa görbén látható (max2=0,69). Az állandósult súrlódásra nincs más megbízható adat, csak a súrlódási út végső szakasza, ahol a lengések csökkennek. Ez alapján (stabil=0,375/0,44) értékű (3. melléklet M3/7. ábra). A PA 6G-Mg gyorsan, kevesebb, mint 80 méter után éri el súrlódási maximumát  (max=0,72/0,77). Ezt követően a görbe mindhárom mérésnél hasonló módon, hosszabb kilengésekkel halad tovább, (stabil=0,6/0,67) érték körül (3. melléklet M3/9. ábra). Kopási eredmények 2 óra/100 N-nál 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 19. táblázatban láthatók. (Az összes mérés értéke, ezek átlagai, és az értékek szórása megtalálható a 4. mellékletben az M4/1. és az M4/2. ábrában.) 19. táblázat. A teljes méretcsökkenésből számított fajlagos kopás 2000 m csúszási úton 100 N terhelésen Fajlagos kopás, (mm3 N-1 m-1)

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

Kopás, (m)

Kopás, (m)

Fajlagos kopás, (mm3 N-1 m-1)


PA 6G-Mg

Kopás, (m)

PA 6G


PA 6G k

S

Kopás, (m)


POM-H Kopás, (m)

100

Felületi minőség

Normál terhelés, (N)

PETP k

A 19. táblázat alapján a kopási eredményeket három nagyságrendbe 10-7, 10-6 és 10-5 (mm3 N-1m-1) sorolhatjuk, mindkét felületi érdességnél. Ezek szerint a polimerek rangsora a kedvezőbb kopásértéktől a kedvezőtlenebb felé a következő: Rangsor S felületen D felületen

1 POM-H POM-H

2 PETP k PETP k

3 PA 6G k PA 6G-Mg

4 PA 6G-Mg PA 6G

5 PA 6G PA 6G k

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. - 79 -


A súrlódási és kopási eredmények összehasonlítása és értékelése a 2 órán át, 100 N terhelésen (I. kategória) végzett vizsgálatban Az I. kategóriában mért dinamikus súrlódási tényezők értékeit a 51. 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, és nem a kiemelt példa görbék konkrét értékeit.

51. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői eltérő érdességnél a I. Kategóriában mérve (csúszási úthossz 2000 m, FN =100 N, felület: „S” (Rz=0,1-0,4 μm) és “D”(Rz=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 stabil=0,29 - D felületen 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.  A PETP k esetében kicsi, a felületi érdességtől függő súrlódási tényezők (S felületen stabil=0,31 - D felületen 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10-6mm3 N-1m-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 - 80 -


alacsony értékű súrlódási tényezőből egy lényegesen magasabb értékbe való meredek átmenet tapasztalható. 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 kban 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 49. és az 50. ábrákban 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 kopása növekedni kezd, amint ezt a 67. és a 87. 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. 5.1.2. Súrlódási és kopási eredmények 1 óra/200 N-nál (II. mérési kategória) A nagyobb normál terhelésnek a polimerek súrlódási tényezőjére és fajlagos kopására gyakorolt hatását az 52. és az 53. ábrák, valamint a 20. táblázat. alapján követhetjük nyomon. Elsőként nézzük meg az 52. ábra alapján a 200 N terhelés mellett végzett vizsgálatok S (Rz=0,1-0,4 m) felületen mért súrlódási eredményeit. A közölt értékek az 5.1.1. fejezetben megismert módon láthatók ebben a mérési kategóriában is. Dinamikus súrlódási tényező, 

0.7 PA 6G-Mg

0.6 0.5 PA 6G

0.4 PA 6G k

0.3 POM-H

0.2 PETP k

0.1 0 0

125

250

375

500

625

750

875

1000


52. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői S acélfelületen 200 N terhelésen mérve (minden anyagnál három mérésből kiemelt egy-egy példa)  A PETP k súrlódási görbéje egy közel 600 m hosszú, egyenletes felfutási periódus után éri el a stabilizálódott (stabil=0,19/0,19) értéket. Kezdeti maximumról nem beszélhetünk, hiszen a - 81 -


maximális súrlódás (max=0,2/0,2) lényegében egybeesik a stabil értékével. Lényeges eltérést az ismételt mérésekben nem tapasztaltam (3. melléklet, M3/2. ábra.).  A POM-H gyorsan elér egy kezdeti stabil súrlódási állapotot (stabil=0,19/0,215), amit közelítőleg 350 m úthosszig tart, majd ezt követően lassú, de egyenletes emelkedésbe kezd. A vizsgálat végére (max=0,23/0,34) értéket ér el a dinamikus súrlódási tényező. Mindhárom ismételt mérés jól egyező hasonlóságot mutat a lassú egyenletes növekedés terén. Némi eltérés a növekedés mértékében tapasztalható, ami az átlagolt és a példa görbe maximális értékei közötti nagyobb eltérésben nyilvánul meg (3. melléklet, M3/4. ábra).  A PA 6G k esetében az első 450-500 m-en a görbe állandósulni látszik (stabil=0,19/0,22) értéken. Ezt követően azonban egyre intenzívebb folyamatos növekedésbe kezd, ami a vizsgálat végére (max=0,33/0,31) értéket ér el. Az ismételt mérések jól fedik egymást, mindhárom esetben tapasztalható a kezdeti stabilizálódás, majd az egyenletes emelkedés (3. melléklet, M3/6. ábra).  A PA 6G az első 80-150 méteren egyenletes felfutást mutat, de ezt követően lépcsősen, csökkenő intenzitással emelkedik tovább. A lefutás többi részében az ismételt mérésekben jelentős eltérések, folyamatos emelkedés vagy hullámzás tapasztalható. A súrlódási tényező leggyakoribb értéke (stabil=0,59/0,53). A görbe mindhárom mérésnél máshol (200, 900, 1000 m) éri el a maximumát (max=0,625/0,59), (3. melléklet, M3/8. ábra). A PA 6G-Mg határozott felfutása az első 100-150 m-t követően egyenletesen lassul le, és így  éri el a maximális (max=0,62/0,65) értéket, majd kismértékű csökkenés után enyhe hullámokkal (stabil=0,57/0,627) értéke körül halad a vizsgálat végéig. Az említett tendencia mindhárom ismételt mérésnél felfedezhető volt (3. melléklet, M3/10. ábra).


A következőkben az 53. ábra alapján a 200 N terhelés mellett végzett vizsgálatok D (Rz=0,6-1,6 m) felületen mért súrlódási eredményeit értékeljük. 0.8 PA 6G-Mg

0.7 0.6 0.5

PA 6G

tranziens pont

0.4

PA 6G k

0.3

POM-H

0.2

PETP k

0.1 0 0

125

250

375

500

625

750

875

1000


53. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői D acélfelületen 200 N terhelésen mérve (minden anyagnál három mérésből kiemelt egy-egy példa)  A PETP k gyorsan eléri az állandósult súrlódási tényezőt (stabil=0,19/0,18), és ezt az értéket tartja a teljes mérés során. Kezdeti maximumról nem beszélhetünk, hiszen a maximális súrlódási tényező (max=0,19/0,19) lényegében egybeesik a stabil értékével. A súrlódási görbe a teljes csúszási - 82 -


úthosszon kilengésektől mentes sima vízszintes lefutású. Lényeges eltérést az ismételt mérésekben nem tapasztaltam (3. melléklet, M3/2. ábra). A POM-H súrlódási görbéje egy rövid felfutási periódus után (közel 100 méter) éri el a  maximális értéket (max=0,22/0,235). A maximális érték közelében a görbe (stabil=0,21/0,21) stabilizálódik, majd a továbbiakban egyenletesen halad a mérés végéig. A mérési eredmények mindhárom ismételt mérésnél jól közelítik egymást, bár két mérésnél a súrlódás minimális emelkedése volt tapasztalható, ami a max értékek kismértékű eltérését okozza (3. melléklet, M3/4. ábra). A PA 6G k esetében az első 100 m-en látható felfutási szakaszt követően rövid ideig  megtorpanni látszik a súrlódás további emelkedése. Ezt követően újra növekedésnek indulnak a görbe értékei és 200, 250 m-nél érik el a maximumot (max=0,33/0,35). Lényegében a maximális értéken (stabil=0,32/0,33) stabilizálódik is. Az ismételt mérések jól követik egymás tendenciáit és értékeit (3. melléklet, M3/6. ábra). A PA 6G súrlódási görbéje az első 80, 100 m-en gyors felfutás után hirtelen megtorpan és az  ezt követő 150, 200 m-en kis amplitúdójú rezgésekkel közel állandó ≈0,5 érték körül halad. Ezt követően az ismételt mérések közül kettő esetében a súrlódási tényező egyre erősödő, a csúszási út jelentős hosszát kitevő ingadozásba kezd. Az ingadozás maximális értéke max=0,59/0,57-t ér el. A görbe további részén a súrlódás mindkét mérésnél jól láthatóan hirtelen megtörik és egy mélypontot (≈0,4) követően kisimulva (stabil=0,43/0,49) folytatja útját a vizsgálat végéig. Az ismételt mérések súrlódás értékei jól közelítik egymást, de az említett tendencia csak két esetben alakul ki (3. melléklet, M3/8. ábra). A PA 6G-Mg gyors felfutása kevesebb, mint 40 métert igényel. Ezt követően az emelkedés  sebessége erősen lecsökken, de kismértékben vissza is eshet, ahogyan az 53. ábrán is láthatjuk. A továbbiakban a súrlódási görbe erősödő rezgésbe kezd, aminek az amplitúdója elérheti a 0,1-0,15-t is, és maximuma a max=0,69/0,72 értékét. A rezgések középvonala egyenletesnek mondható és enyhe lejtés után stabil=0,625/0,63 értéken stabilizálódik. Az ismételt mérések mind a leírt tendenciában, mind az értékekben jól fedik egymást (3. melléklet, M3/10. ábra). A 3. mellékletben látható 21. és 61. mérések görbéin látható kiugrások, nem a súrlódásból adódnak, hanem a mérés megszakításából. Ezt a polimer túlzott kopása tette szükségessé, amely meghaladta a berendezés által megengedett határértéket, amit mérés közben módosítanom kellett. Kopási eredmények 1 óra/200 N-nál A 20. táblázatban szereplő fajlagos kopás értéke három mérés teljes átmérőcsökkenésének átlagolt értéke.

3.02x10-7 4.72x10-7

64 141

3.3x10-6 1.04x10-5

65 294

- 83 -

3.33x10-6 177 3.29x10-5 706


13 18

PA 6G-Mg Kopás, (m)

Kopás, (m)

6.54x10-7 8.21x10-7



PA 6G

Kopás, (m)

PA 6G k


S 22 D 25

POM-H Kopás, (m)

Kopás, (m)

PETP k Fajlagos kopás, (mm3 N-1 m-1)

200

Felületi minőség

Normál terhelés, (N)

20. táblázat. A teljes méretcsökkenésből számított fajlagos kopás1000 m csúszási útra, 200 N terhelésen

1.45x10-5 0.000113


A 20. táblázat alapján a kopási eredmények között itt is nagyságrendi eltérések vannak mindkét felületi érdességnél. Ezek szerint a polimerek rangsora a kedvezőbb kopásértéktől a kedvezőtlenebb felé a következő: Rangsor S felületen D felületen

1 POM-H POM-H

2 PETP k PETP k

3 PA 6G k PA 6G k

4 PA 6G PA 6G

5 PA 6G-Mg PA 6G-Mg

A rangsorból látható, hogy 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. A súrlódási és kopási eredmények összehasonlítása és értékelése 1 óránál 200 N terhelésen (II. kategória) A II. kategóriában kapott dinamikus súrlódási tényezők összegyűjtött értékeit az 54. ábra mutatja be.

54. ábra. Eltérő polimerek dinamikus súrlódási tényezői eltérő érdességnél a II. Kategóriában mérve (csúszási úthossz 1000 m, FN =200 N, felület: „S” (Rz=0,1-0,4 μm) és “D”(Rz=0,6-1,6 μm) Összehasonlítva az 51. és az 54. 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 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 - 84 -


magasabb értékű, mint az I. kategóriában, de közel azonos (310-7-4,710-7 mm3N-1m-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 mm3N-1m-1). Ha a PA 6G kopási térfogatának növekedését összevetjük a dinamikus súrlódási tényezőjével, az 53. és az 55. ábra segítségével láthatjuk, hogy 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 (stabil=0,62), de jelentős eltérés tapasztalható a kopásban, mivel a kopás érdes felületen lényegesen nagyobb értéket ér el (110-4 mm3N-1m-1). PA 6G, 1óra/200N, D felület (teszt 291)

Kopás térfogat, [mm³]

12 10 8 6 4 2 0 0

200

400

600

800

1000

Csúszási úthossz, [m]

55. ábra. PA 6G kopás térfogatának növekedése 1órás FN=200 N terhelés melletti csúszósúrlódásnál D felületen 5.1.3. A súrlódási eredmények elemzése Az általánosan elfogadott súrlódási modell szerint a hőre lágyuló anyag és az acél között létrejövő súrlódási erő két mechanizmusból tevődik össze: az érintkezési zónában fellépő adhézióból, és a polimer deformációjából [Hutchings 1992]. Egymás közötti tényleges arányuk a terhelés mellett függ az anyagok kémiai, mechanikai, és deformációs jellemzőitől. Érdes felületen a deformációs komponens jelentősége növekszik, míg sima felületen az adhéziós. Az adhézióból eredő súrlódási összetevő függ a valós érintkezési felület nagyságától és a polimer (lágyabb anyag) szilárdságától [Bowden, Tabor 1950]. Adhézió hatása Az érintkezési felület érdessége mellett az eltérő polimerek adhéziós adottságai is jelentős mértékben különböznek egymástól az anyagok sajátos felületi karakterisztikája miatt, amit a felületi - 85 -


energiával jellemezhetünk. Lee [1974] szerint a felületi energia fontos szerepet játszik a polimerek súrlódásában. A szakirodalomból ismert, hogy a PTFE teljes felületi energiája alacsony, míg a PA-é magasabb. A POM szintén a nagyobb felületi energiával rendelkező polimerek közé tartozik [Kalácska et al. 1997]. Ezek összefüggnek a PETP k-acél súrlódó kapcsolatok kis, a PA-acél párosítás nagy adhéziós munkájával. A súrlódási vizsgálatokban szereplő polimerek felületi energiája a POM és a PA 6G-Mg kivételével az általánosan használt, felületre helyezett folyadékcsepp érintkezési szögének mérésével (lásd 3.4.1. fejezet) került meghatározásra, az eredmények a 21. táblázatban láthatók. A POM értékei irodalmi adatok [Briscoe 1980]. A PA 6G-Mg felületi energiáját az adott módszerrel nem sikerült meghatározni, mivel a folyadékcsepp több ismételt mérésnél sem érte el stabilizálódott állapotát. 21. táblázat. A vizsgált polimerek felületi energia értékei [mN/m] Vizsgált polimer Poláris komponens, (p) Diszperziós komponens, (d) Teljes felületi energia, () 1

POM(1) 6,1 36,0 42,1

PETP k 3,94 35,67 39,61

PA 6G k 6,86 30,69 37,55

PA 6G 11,17 34,39 46,16

Irodalmi adat

A 21. táblázat értékeiből látszik, hogy a natúr kivitelű PA esetében beszélhetünk a legnagyobb teljes felületi energiáról, és ennél a műanyagnál a legnagyobb a felületi energia poláris komponense is. A molekula csoportok polaritása nagy, és ezért erős kapcsolatok (hidrogénkötések) lépnek fel az egymással határos polimer láncok között. Az olaj adalékolása a poliamidhoz (PA 6G k) hatékonyan csökkentette a polaritást és így a teljes felületi energiát is. Ugyanakkor, ha a polioximetilént (POM-H) összehasonlítjuk a többi vizsgált műanyaggal, láthatjuk, hogy a POM-H alacsonynak tekinthető poláris energia komponenséhez magas teljes felületi energia tartozik. Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy itt a molekula láncok kevésbé polárisak, úgynevezett dipoláris közbenső kötések helyezkednek el a molekula láncok között. A PETP k alacsony felületi energiája a vizsgált polimerek között a legalacsonyabb poláris energiával társul. A mérések eredményeként kapott dinamikus súrlódási jellemzőket a poláris felületi energia komponens függvényében ábrázoltam az 56. ábrában.

PA 6G k

0.7 0.6 0.5 0.4

PA 6G

PETP k

0.3 0.2

POM-H*


0.8

0.1 0 3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Felületi energia poláris komponense, [mN/m] I. kat. "S" I. kat. "S"

I. kat. "D" I. kat. "D"

II. kat. "S" II. kat. "S"

II. kat. "D II. kat. "D"

56. ábra. A vizsgált polimerek súrlódási tényezői a felületi energia poláris komponensének [mN/m] függvényében - 86 -


Az összetartozó pontokat összekötő trend vonalak alapján a következő megállapításokat tehetjük:  

A súrlódás egyértelműen, növekszik minden mérési kategóriában a poláris felületi energia komponens értékének növekedésével. Az adhézió súrlódásra gyakorolt hatása nagymértékben függ a terheléstől és a felületi érdességtől. Ezt jól szemlélteti az egyenesek meredekségének csökkenése a terhelés és felületi érdesség növekedésével.

Ahogyan más szerzők munkáiból is kitűnik [Rymuza 1991], a poláris felületi energiakomponens szerepe még nagyobb az azonos műanyagból készült súrlódó párok esetén. Ebből következik a súrlódás során a fém ellendarabra tapadó polimer rétegek (filmek) vizsgálatának fontossága, mivel ezek létrejötte az azonos (polimer-polimer) súrlódópárok kialakulásához vezet. Az acél felületre tapadt polimer rétegek Az eddig bemutatott súrlódási diagrammokon általánosan megfigyelhető, hogy a kezdetben alacsony értékről induló súrlódási tényezők magasabb értékű szakaszba mennek át, majd ezen az értéken többé-kevésbé stabilizálódnak. A súrlódási tényező ugrásszerű változása a súrlódó párok felületének megváltozásával magyarázható. A vizsgálat indításakor adszorpciós réteg borítja a fém felületét, ami a súrlódás megindulását követően lekopik és lényegében polimer/fém érintkezés alakul ki. A megtett csúszási út hosszának növekedésével mind kiterjedtebb lesz a polimer réteg, amit a polimer képlékeny alakváltozása tesz lehetővé, mert segíti a beágyazódást a fémfelület mikrogeometriájába [Pooley, Tabor 1972]. A létrejövő vékony „transfer” film nagymértékben növeli a súrlódás adhéziós komponensét, a részben vagy teljesen megegyező (azonos atomi összetevők és molekula struktúra) polimer - polimer súrlódó felületeken keresztül. Vizsgálataimban az acél „S” és „D” felületén F=100 N terhelésen kialakult súrlódó felületeket a 3.4.2. fejezetben bemutatott SEM módszerrel tanulmányoztam. Az így nyert felvételeket az 57. 59. és a 60. ábra mutatja be. A nagyítás értéke 25-, 130- és 500-szoros volt. Az 57. ábrán látható felvételek alapján meghatározásra került a polimerrel bevont acél felület kiterjedése (lásd 3.4.2. fejezetet). A fotókon látható sötét fázisok (amik a polimer réteget jelölik) aránya az egyes műanyag rétegek kiterjedését jelenti, %-os értékeik a 22. táblázatban találhatók. 22. táblázat. A kopási nyomokban található polimer fázisok SEM analízissel kapott eredményei “S” ellenfelületnél, FN=100N terhelésen Vizsgált polimer Polimer százalék, [%] Megjegyzés

PA 6G k 1% -c

POM-H 8% -c

PA 6G-Mg 20% +bd

PETP k 60% +a

- Nincs letapadás; + Letapadás; ++ Vastag latapadt réteg a Összefüggő réteg; bNem összefüggő réteg; cKorrózíó; dirányváltásnál vastag

- 87 -

PA 6G 67% ++d


a)

b)

c)

d)

e) 57. ábra. Különböző műanyagokból kialakult filmek a csúszás irányváltásának a helyén az acél ”S” felületén, F=100 N terhelésen (nagyítás mértéke 25-szörös) (a)- PETP k (b)- POM-H (c)- PA 6G (d)- PA 6G k és (e)- PA 6G-Mg súrlódását követően A 3.4.3. fejezetben bemutatott érdességmérések: a fémlapon a vizsgálat után (Rz2 ) és előtt (Rz1) ugyanazon a helyén mért átlagos egyenetlenség magasságok különbsége lehetővé teszi a polimer film vastagságok összehasonlítását is. A kapott eredmények az 58. ábrában láthatók. Az alapkivitelű PA 6G esetében a fém súrlódó felületének jelentős részét (67 % lefedés), borítja polimer réteg, amelynek képződése általánosnak tekinthető poliamidok súrlódásánál [Bahadur 2000]. Ez összefügg a PA 6G nagy alakváltozási képességével, mivel lágyabb anyagoknál a polimer láncok flexibilitása lényegesen könnyebben alakít ki transfer filmet, mint a keményebb anyagok esetében. - 88 -

Vizsgálati eredmények a HENGER-SÍK laboratóriumi modell rendszerben Polimer rétegek összehasonlítása az Rz2-Rz1 különbségével 2.50

Rz2-Rz1 [m]

2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 S -0.50

D

PETP k

S

D

POM H

S

D

PA 6G k

FN=100 N

S

D

PA 6G

S

D

PA 6G Mg

FN=200N

58. ábra. Polimer filmek összehasonlítása az Rz2-Rz1 különbségével A 59. ábra a részében és az 58. ábrán is jól látható, hogy a vizsgált műanyagok közül a PA 6G képezi a legvastagabb és a legösszefüggőbb polimer réteget az F=100 N-os terhelésen, és szintén vastag az F=200 N-nál is. Ez a durva lerakódás a súrlódás és kopás megnövekedésével jár. Ezzel szemben PA 6G k esetében az olaj jelenléte mellett nem figyelhető meg számottevő (1%) polimer film, sem az „S” , sem a „D” ellendarab felületén, amint ez az 57. ábra d és a 60. ábra a részén látható. Ugyanígy nem mutatható ki jelentős eltérés egyik terhelési kategóriában sem az Rz értékekben, az 58. ábrán.

a) b) 59. ábra. PA 6G (a) 500-szoros és a PETP k (b)-ból származó lerakódás130-szoros nagyításban az acél "S" felületén, F=100 N terhelésnél PETP k esetében az F=100 N-os terhelésen összefüggő (60%-os homogén) polimer film figyelhető meg a fém ellendarab S felületén, eltérő nagyításokban az 57. ábra a és az 59. ábra b részében. Ugyanakkor, a D felületen, a PA 6G-Mg-hoz hasonló vastag (58. ábra), de kevésbé - 89 -


összefüggő réteg (60. ábra b része) alakult ki. Nagy terhelésen mindkét felületi minőségnél elenyésző a rétegvastagság. A PETP k-nál megfigyelt polimer rétegek feltételezhetően többnyire PTFE-ből épülnek fel. Ezt a megállapítást erre vonatkozó vizsgálatok nélkül csak a szakirodalomra alapozhatom, ahol már beszámoltak a PTFE jelentős transzfer film képző hajlamáról [Wheeler 1991]. A PETP k által létrehozott réteg azért is vékony, mert a polimer láncok lényegesen nehezebben tapadnak meg a felszínen, illetve válnak le a polimer tömbről.

b) a) 60. ábra. Különböző műanyagokból kialakult filmek a csúszás irányváltási helyén, ”D” acél felületen, F=100 N terhelésnél (nagyítás mértéke 25-szörös) (a)- PA 6G k (b)- PETP k súrlódását követően Kicsi, 8%-os sötét fázis (57. ábra b része) és - szabad szemmel is látható - vizsgálatoktól független korróziós „szennyeződésre” utaló fehér foltok (61. ábra a része) figyelhetők meg POM-Hnál. A POM H-hoz tartozó, letapadási rétegvastagságok minden mérési kategóriában kicsik, amint azt az 58. ábra mutatja. Eredményeimet jól alátámasztják Odi-Owei és Schipper [1991] vizsgálatai is, akik szintén nem tudtak POM és edzett acél közötti súrlódásnál letapadt polimer rétegeket kimutatni. A 61. ábra b részében látható, hogy F=100 N terhelésen a fém S felületén a PA 6G-Mg polimer filmje kisebb kiterjedésű (20%) és kevésbé összefüggő, mint a normál kivitelű PA 6G-ből származó film (67%), ezzel szemben a PA 6G-Mg súrlódása mégis nagyobb. Hasonlóság csak az irányváltási pontoknál lévő film megvastagodásban (57. ábra c és e része), és az F=200 N terhelés melletti D felületen tapasztalt rétegvastagságban van (58. ábra). Az eddigiek alapján megállapítható, hogy a polimer filmek kiterjedése, vastagsága és a súrlódás között összefüggés van. Például a POM-H polimer filmje elenyésző, ezért súrlódási értékei kedvezőek. A PA 6G jelentős letapadása viszont nagy súrlódást idéz elő. A poliamidok súrlódásának drasztikus növekedése a megtett út során jelentősen összefügg nagy felületi energiájukkal és erősen poláris jellegükkel. Ugyanezen műanyagokhoz olajt adva, a súrlódás során az olaj a felszínre jut, és lényegesen csökkenti a műanyag film képződését. A vizsgált anyagpárosítások mindegyikénél a terhelésnövekedés és a durvább ellenfelület hatására a letapadt réteg felülete kisebb, ami a megnövekedett felületi nyomás erőteljes „réteg leválasztó” hatásának tulajdonítható. A polimer film letapadásának csökkenését a terhelés növekedés hatására, más korábbi vizsgálatokban is megfigyelték [Bahadur 2000].

- 90 -


a) b) 61. ábra. POM-H (a) 500-szoros és PA 6G-Mg (b) -ból származó lerakódás 130-szoros nagyításban az acél "S" felületén, F=100 N terhelésen 5.1.4. A henger alakú polimer próbatestek rugalmas alakváltozása Az 56. ábrán láthattuk, hogy az adhézió súrlódásra gyakorolt relatív hatása csökkent a növekvő terheléssel és felületi érdességgel, ugyanakkor egyre inkább az alakváltozási komponens került előtérbe. Természetesen a polimerek alakváltozása közvetlenül hat az adhézió nagyságára is, hiszen a súrlódás adhéziós komponense arányos a valós érintkezési felülettel [Kalácska et al. 1997]. A polimer próbatestek nyugalmi rugalmas alakváltozásának meghatározása A polimerek alakváltozásának mértékét mechanikai tulajdonságaik szabják meg, amelyek a 3.2.3. fejezetben tárgyalásra kerültek. A vizsgált polimerek eltérő rugalmas alakváltozását (nem illeszkedő) elméleti vonali érintkezés esetében a Hertz elmélet alapján, a 62. ábra jelöléseivel a következő módon határoztam meg [Hamrock et al. 1999]: R FN L E1 és E2

ν1 és ν2

pmax b* o1 és o2

max

- az egyenértékű görbületi sugár, (esetemben a hengeres polimer próbatest sugara) [m] - merőleges terhelő erő, [N] - henger hossz, [m] - az eltérő súrlódó anyagok rugalmassági modulusza, [Pa] - az eltérő súrlódó anyagok Poisson tényezője - maximális nyomófeszültség, [Pa] - érintkezés félszélessége, [m] - henger középpontok a belapulás előtt és után - maximális belapulás, [m]

62. ábra. Rugalmas alakváltozási modell vázlata HENGER - SÍK érintkezésben, a felhasznált mennyiségek megnevezése és jelölése - 91 -


A maximális belapulás:

 max 

2  W 'R   2      ln   1    W'  

[m]

(22)

Ahol a dimenzió nélküli terhelés: W '

FN E 'R  L

(23)

és a látszólagos rugalmassági modulus: Elátsz 

2 1  1   22  E1 E2 2 1

[Pa]

(24)

Továbbá meghatározható az érintkezés félszélessége: 1

 8W '  2 b  R      *

[m]

(25)

[Pa]

(26)

 W ' 2  E '  [Pa]  2 

(27)

és az átlagos érintkezési nyomás: pátlag 

 4

 p max

ahol: 1

pmax

A vizsgált polimerek számított nyugalmi alakváltozásának értékei a 23. táblázatban láthatók. 23. táblázat.A polimerek (Ø6 mm, L=12 mm) számított kezdeti alakváltozása és érintkezőfelülete Számított értékek Normál terhelés, [N] POM-H PETP k PA 6G-Mg PA 6G PA 6G k

Normál elmozdulás [mm] 100 200 0,006 0,01 0,006 0,011 0,009 0,017 0,011 0,02 0,012 0,02

Érintkező felület [mm2] 100 200 2,09 2,96 2,13 3,02 2,8 3,95 3,03 4,29 3,3 4,64

Ha összehasonlítjuk a vizsgált polimerek rugalmassági modulusait a 17. táblázat segítségével láthatjuk, hogy növekedésével az érintkezési felület csökken. Ha ugyanitt megnézzük a PETP k anyag jellemzőit, látható, hogy a szakítószilárdság meglehetősen nagy, de a szakadási nyúlás erősen

- 92 -


korlátozott, így a PETP k úgy tekinthető, mint egy alacsony deformációs képességgel rendelkező polimer. A kicsi valós érintkezési felület összefügg a PETP k viszonylag alacsony súrlódásával. Ugyanakkor poliamidok (PA) esetében nagyobb súrlódásról és alakváltozásról beszélhetünk. A rugalmassági modulus értéke csökken a hőmérséklet növekedésével, ami az anyag lágyulásához és a műanyagnak a fém érdességi csúcsok közé való mélyebb behatolásához vezet. Irodalmi adatok [Van De Velde, De Baets1997] már korábban beszámoltak a rugalmassági modulus mellett a nyíró szilárdság hőmérséklet függéséről is, amelyek ellentétes hatással vannak a súrlódási erő nagyságának alakulására mind adhéziónál, mind alakváltozásnál. A hőmérséklet növekedés a súrlódási erő növekedését segíti a valós érintkezési felület növekedésével, de csökkenti is a nyíró szilárdság csökkenésén keresztül. Az előbbiekből kitűnik, hogy a polimerek alakváltozása függ a terheléstől és az ellendarab felületi érdességétől, ezért fontos a valós érintkezési felületre gyakorolt hatásuknak megállapítása. 5.1.5. A terhelés és az acél síklap érdességének hatása a súrlódásra Az 51. és az 54. ábrából kitűnik, hogy a sima és az érdes felületen mért dinamikus súrlódási tényező értékei eltérnek, ami különösen igaz kisebb terhelésen. PETP k és POM-H esetében az eltérés kisebb (nagy terhelésnél közel azonosak), szemben a poliamidokkal, amelyeknél a súrlódási tényező jóval kisebb az érdes felületen, mint sima felületen. A 2.1.1. fejezetben bemutatott 2. ábrán látható, hogy korábbi vizsgálatok eredményei is alátámasztják ezeket a megállapításokat, vagyis, hogy a PETP-hez és a PTFE-hez tartozó súrlódási tényező minimum lényegesen kisebb felületi érdességen található, alacsony felületi energia szintjüknek köszönhetően. A 63. ábra az eltérő felületi érdességek dinamikus súrlódási tényezőre gyakorolt hatását mutatja, a vizsgálati terhelés tartományokban.

F=100 N

F=200 N 0.9 Dinamikus súrlódási tényező

Dinamikus súrlódási tényező

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0,1-0,4

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0,6-1,6

0,1-0,4

Felületi érdesség [um] PETP k

POM-H

PA 6G k

PA 6G

0,6-1,6

Felületi érdesség [um] PA 6G-Mg

PETP k

POM -H

PA 6G k

PA 6G

PA 6G-M g

a) b) 63. ábra. Az eltérő Rz felületi érdességek hatása a dinamikus súrlódási tényező értékére a) FN=100 N és b) FN=200 N terheléseken Az ábrából látható, hogy F=100 N-nál minden polimer dinamikus súrlódási tényezője érzékenyebb az ellenfelület érdességének változására, mint nagyobb terhelésen. Ez különösen igaz a poliamidokra. A 64. ábra mutatja, hogyan változik a normál terhelés függvényében a súrlódás külön az “S” és külön a ”D” felületen. - 93 -


„S” felületen

„D” felületen 0.9 Dinamikus súrlódási tényező


0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 100

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 100

200

Terhelés [N]

Terhelés [N] PETP k

POM -H

PA 6G k

PA 6G

200

PA 6G-M g

PETP k

POM -H

PA 6G k

PA 6G

PA 6G-M g

b) a) 64. ábra. Az eltérő FN terhelés hatása a dinamikus súrlódási tényezőre (a) "S" és (b)"D" felületi érdesség mellett Látható, hogy az “S” felületen minden polimernél csökken a dinamikus súrlódási tényező a terhelés növekedésével, a "D" felületen a változás sokkal kisebb sőt a PA 6G-nél súrlódási tényező növekedés figyelhető meg.

5.1.6. A kopási mechanizmusok elemzése Különbséget kell tenni a polimerek és a fémek kopás mechanizmusai között. A polimerek fémek felületén történő csúszása során a polimer kopása lényegében az ismétlődő tépő-szakító hatások által létrejövő és tovahaladó repedések, által jön létre (lásd 2.4.1. fejezet), amíg fém/fém párosításnál általában a vágó hatás a döntő. Az előbbi gondolatmenetet folytatva megállapítható, hogy a polimerek kopásállósága deformációs képességüktől és a molekula láncok merevségétől (rugalmassági modulus) függ. A19. és 20. táblázatokból világosan látható, hogy minden kategóriában két nagy csoportra oszthatók a vizsgált polimerek: a POM-H és a PETP k kedvezőbb kopási értékekkel rendelkezik, mint a poliamidok. Az előbbi osztályba sorolás összefüggésben van a rugalmassági modulus hőmérséklet függésével. A PETP rugalmassági modulusa az üvegesedési hőmérsékletig (Tg=69-80°C) nem változik számottevően, ugyanakkor a poliamidoké folyamatosan csökken, már a Tg (PA 6 esetében Tg=40-50 °C) elérését megelőzőleg is [Kalácska et al. 1997]. A fajlagos kopás és az anyagjellemzők közötti kapcsolat a 65. és 66. ábrákon látható, ahol az anyagjellemzőket a Ratner [1964] nyomán a 2.1.2. fejezet 4. ábráján bemutatott Rm szakító szilárdság és az A5 szakadási nyúlás szorzata (szakadási munka) képviseli.

- 94 -


65. ábra. A PETP k és POM-H fajlagos kopása az RmA5 paraméter függvényében PETP k és POM-H esetében a kopásállóság növekszik a szakadási munka növekedésével. A 65. ábra tendencia vonalaiból látható, hogy az anyagjellemzők a kis terhelésen sima felületen hatnak legerősebben a kopás mértékére. A „ridegebb” PETP k fajlagos kopása nagyobb, mint a „szívósabb” POM H-é. Érdes felületek esetében a szívósságnak - függetlenül az alkalmazott terhelés mértékétől kisebb hatása van a kopásra, mint simább felületen.

66. ábra. Poliamidok fajlagos kopása az RmA5 paraméter függvényében Poliamidok esetében a 66. ábrából a következők állapíthatók meg. Sima felületen a fajlagos kopás független a szakadási munkától és a terheléstől. Kis terhelésen a kopás elsősorban a súrlódás adhéziós komponensétől függ, amíg nagyobb terhelésen az egyenesek meredeksége kissé megnő, - 95 -


ami a deformációs hatás közreműködésére utal. A felületi érdesség nagyobb értékénél, és nagyobb terhelésnél a nagy RmA5 értékkel rendelkező, „szívós” PA 6G-Mg súrlódása erősen növekszik, a súrlódási hő növekedésével csökken a rugalmassági modulus, és leolvadások jelennek meg, erősen megnő a kopás. Az 5.1.3. fejezet is bemutatta, hogy jelentős leolvadás volt megfigyelhető PA 6G és PA 6G-Mg esetében nagy terhelés mellett érdes felületen. A leolvadási jelenségek a polimerek túlterhelésére utalnak. A fajlagos kopás értékét a mérések során kialakult átmérő csökkenésből állapítottam meg. Ez a kopás alkalmas a különböző polimerek kopásállóságának összehasonlítására, de a polimerek egyedi viselkedésének a tanulmányozásához meg kell ismerni a fajlagos kopás ciklusonkénti (egy oda-vissza mozgási ciklus, amint a 4.1. fejezetben bemutattam) változását is a súrlódás során. A 67. ábrán látható a vizsgálatban szereplő poliamidok löketenkénti fajlagos kopásának változása a teljes mérés folyamán. A görbék a vizsgálatok során, a dinamikus súrlódási tényező mellett, folyamatosan mért függőleges elmozdulásból kerültek meghatározásra. Az érintkezési felületek változnak a mérések alatt. Ez a változás elsősorban a kopásból származik, de értékét befolyásolja a próbatest geometriai kialakítása, a polimerek deformációs képessége, a rugalmas visszarugózás, a hőtágulás és a polimerek kúszása is. Poliamidoknál, ahol más műanyagokhoz képest nagyobb kopásokkal találkozhatunk, ez a változás igen jelentős is lehet.

67. ábra. A fajlagos kopás változása a csúszási idő függvényében Az ábrából látható, hogy a fajlagos kopás értéke élesen megemelkedik, amikor a belső olaj kenés hatása lecsökken (megszűnik) PA 6G k esetében. A natúr PA 6G nagy fajlagos kopással rendelkezik a vizsgálat első részében, majd a tranziens töréspontot követően - ami a súrlódásban is megfigyelhető volt az 53. ábrán - erősen lecsökken, és a továbbiakban közel állandó szinten marad a vizsgálat végéig. A fajlagos kopás erős ingadozást mutat PA 6G-Mg esetében, ami feltételezhetően a periodikus megolvadások és megszilárdulások váltakozásával magyarázható. 5.1.7. Az eltérő terhelési kategóriák összehasonlítása A vizsgálatokban a polimer és fém felület közötti súrlódásban egyértelműen kimutatható volt az adhézió szerepe. Ugyanakkor világos, hogy az adhézió szerepe csökken a növekvő terheléssel és - 96 -


a növekvő felületi érdességgel. A vizsgálatok eredményeire és az ismertetett elemzésekre alapozva a következő megállapítások tehetők: – Kisebb értékű súrlódást kaptam az 1 órás/200 N-os teszt kategóriában, szemben a 2 órás/100 N-os mérésekkel, változatlan csúszási sebesség mellett, elsősorban az alacsony felületi érdességű „sima” felületek esetében. Ez igazolja a szakirodalmi eredményeket, amelyek szerint a dinamikus súrlódási tényező értéke csökken a növekvő érintkezési nyomással [Yamaguchi 1990]. – A poliamidok súrlódási tényezője minden esetben nagyobb, mint a POM-H és a PETP k esetében. – A PETP k és a POM-H súrlódási tényezője hasonlóan kicsi. Nem állapítható meg biztosan a PTFE hatása a PETP k súrlódására. Más vizsgálatokban, amelyeket HASÁB-HENGER modell rendszerben végeztek (a vizsgálati paraméterek megfeleltek az általam végzett vizsgálatok I. kategóriájának), szintén nem volt kimutatható a PTFE hatása. [Kozma, Kalácska 1998]. Ugyanakkor a vizsgálataimmal párhuzamosan (más helyszínen más program keretében) folyó nagyméretű próbatest vizsgálatok a PETP-ben lévő PTFE kedvező hatásáról számoltak be. De itt lényegesen nagyobb terhelésen zajlottak a mérések [De Baets et al. 2002]. – A PA 6G k sokkal jobb súrlódási eredményeket mutatott a súrlódás kezdeti szakaszában, mint az alapkivitelű PA 6G. Azonban az olaj hatása fokozatosan megszűnt, és a súrlódás közel ugyanakkora értéket ért el, mint a PA 6G-nél (alacsony terhelésnél, sima felületnél volt a legközelebb egymáshoz a két érték). Érdes felületnél az olaj hatása már a súrlódási út korai szakaszában lecsökken. Nagy terhelésnél a kenés hatása sima felületen jobban érvényesül (µstabil≈0,3-0,35), mint érdes felületnél. A kopásra ugyanakkor hatást gyakorol az olaj tartalom. Alacsony terhelésen sima felület mellett, valamint nagy terhelésen, érdes felületnél, lényegesen kedvezőbb fajlagos kopással rendelkezik a PA 6G k, mint a PA 6G. – Minden mérési kategóriában a PA 6G-Mg súrlódási tényezője a legnagyobb, de kopásállósága az alacsony terheléshez tartozó mindkét felületi érdességnél 40-50%-kal jobb, mint a PA 6G-é. A nagy terhelésen mért kopása azonban a PA 6G kopásánál lényegesen nagyobb, érdes felületen a megolvadások miatt értékelhetetlenné vált. – Az adott vizsgálati paraméterek mellett a POM-H és a PA 6G k nem alakított ki értékelhető polimer filmet a fém felületén. A PETP k transzfer filmje kiterjedt, de nem összefüggő, feltételezhetően túlnyomórészt a jó siklási és gyenge mechanikai jellemzőkkel rendelkező PTFE-ből képződött. A legvastagabb és legösszefüggőbb polimer filmet a PA 6G szolgáltatta, amelynek hatására a súrlódási tényező jelentősen megnövekedett, a tranziens pont után azonban a fajlagos kopás erősen lecsökkent. – A POM-H kopása és súrlódási tényezője előnyösebb, mint a poliamidoké. Vizsgálataimban a POM-H mutatta a legkisebb kopást minden kategóriában, ugyanakkor mások abráziós vizsgálatai ugyanezt a műanyagot sokkal előnytelenebb kopási ellenállással jellemzik [Kozma, Kalácska1998]. Vizsgálataimban az adhéziónak tulajdonítottam a fontosabb szerepet, és az abrázió csökkentésére törekedtem. A POM-H a poliamidokhoz képest alacsonyabb súrlódási tényezője új lehetőségeket nyithat a gyakorlati alkalmazások területén. 5.1.8. Következtetések a HENGER-SÍK vizsgálatokból A kutatási eredmények az alábbiakra engednek következtetni: 1. A felületek kialakítása és a felületi érdesség lényeges hatással van a kopásra és a súrlódásra. A felületi érdességek és a súrlódási tényezők feltételeznek egy optimális felületi érdességet, mely kisebb PETP k és POM-H esetében, mint PA-nál. A fajlagos kopás poliamidok esetében nagyobb érdesebb felület mellett. - 97 -


2. A poliamidok belső olajkenésének hatékonysága eltér a PETP k szilárd PTFE tartalmának hatékonyságától. A kenés hatékonysága PA 6G k esetében erősen függ a terheléstől és a felületi érdességtől, végső esetben meg is szűnhet. Az olajjal szemben a PTFE szilárd kenőanyag súrlódásra gyakorolt hatása sokkal stabilabb. Feltehetően a szilárd kenőanyag felszínre jutásával PTFE film képződik, amely lényegesen csökkenti a súrlódást és a stickslip hatást. 3. PETP k és POM-H esetében, ahol a szakítószilárdság közel azonos, a kopásállóság növekszik a szakadási nyúlás növekedésével. Ugyanez nem mondható el a poliamidokra, mivel a PA szakadási munkája kis hatást gyakorol a sima felületen mért fajlagos kopásra, függetlenül a terheléstől.

- 98 -

Vizsgálati eredmények a TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben

5.2.

Műszaki polimerek eltérő felületeken vizsgált súrlódási és kopási eredményei, TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben

A következőkben nézzük meg a TŰ-TÁRCSA rendszerben nyert kisméretű próbatest vizsgálatok súrlódási és hőmérsékleti eredményeit acél, valamint DLN bevonaton mérve a terhelési kategóriáknak megfelelően. 5.2.1. Eredmények 1 m/s sebességen, 10 N terhelésen (I. mérési kategória) A közölt értékeket a következő formában láthatjuk a szövegben:

–

A PETP k mindkét felület esetében gyors felfutást követően éri el a maximális súrlódási értékeit max=0,52/0,77 (acél felületen nagyobb) (68. ábra a része). Ezt követően eltérő jelleggel halad a két görbe a stabilizálódási állapot stabil=0,39/0,5 felé. Acél felületen sokkal egyenletesebb a súrlódás, mint DLN felületen, ugyanakkor a DLN-en mért súrlódás - néhány csúcstól eltekintve - a teljes vizsgálat során, az acélon mért érték alatt maradt. A hőmérséklet értékek eleinte (első 200 m) közel azonos mértékben emelkednek. Ezt követően viszont szétválnak, és eltérésükben jól követik a súrlódási tényezők értékeinek alakulását ttárcsa=21,8/22,6 °C.

–

A POM-H (68. ábra b része) mindkét felületnél elnyújtott, egyre csökkenő emelkedéssel közelít a súrlódás állandósult értékéhez, stabil=0,92/1,1-hez. A POM-H súrlódása a teljes mérési úthosszon kisebb DLN-en, mint az acélon (eltekintve a kezdeti ingadozásoktól). A DLN-en mért súrlódási tényező itt is erősebben ingadozik, mint az acél tárcsán. A tárcsa hőmérsékletek az első 1200 m-en lényegében együtt haladnak, majd ezt követően az acél tárcsa hőmérséklete kicsit nagyobb, mint a DLN tárcsáé ttárcsa=24,2/25 °C. Az azonos jellemzőkkel, 14 mm-es súrlódási sugáron végzett mérések is hasonló viselkedést mutattak valamivel kisebb, stabil=0,87/0,96 súrlódási tényezővel.

–

A PA 6G k (69. ábra a része) esetében erős ingadozás tapasztalható mindkét felületen, és a vizsgálat végére jelentős eltérés alakul ki a folyamatosan emelkedő acél és a stabilizálódó DLN felületen mért súrlódás között (stabil DLN=0,88 és max ACÉL=2,85). A hőmérséklet értékek igazodnak a súrlódási tényezőkhöz, jelentős eltéréseket mutatva (ttárcsa=23,3/35,8 °C).

- 99 -


PETP k súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 21 mm súrlódási sugáron, 1 m/s sebességen 10 N terhelésen 1.4

0.8

Din. súrlódási tényező, 


0.9 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

POM-H súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 21 mm súrlódási sugáron, 1 m/s sebességen 10 N terhelésen

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

4000

500

1000

súrlódási tényező DLN bevonaton

súrlódási tényező acél felületen

2000


2500

3000

3500

4000


A fémtárcsa testhőmérsékletének a változása

A fémtárcsa test hőmérsékletének a változása 27.5

Tárcsa hőmérséklet, [°C]

25


1500


csúszási úthossz, [m]

22.5

20

17.5

15

25

22.5

20

17.5

15

01

51 500

101 1000

151 1500

201 2000

251 2500

301 3000

351 3500

10

4000

DLN bevonatos tárcsa hőmérséklet

51 500

101 1000

151 1500

201 2000

251 2500

301 3000

351 3500

4000


csúszási úthossz, [m] acél tárcsa hőmérséklet


a)

acél tárcsa hőmérséklet

b)

68. ábra. PETP k és POM-H acél felületen és DLN bevonaton mért súrlódási tényezője és a tárcsák hőmérséklete 1 m/s sebességen, 10 N terhelésen és 21 mm súrlódási sugáron –

A PA 6G (69. ábra b része) 21 mm-es sugarú pályán futva alacsonyabb súrlódási tényezővel indít DLN felületen, mint acélon, majd hirtelen (450 m-nél) gyors növekedésbe kezd és a stabilizálódó szakaszban, jelentősen meghaladja az acélon mért értéket (stabil=2,42/1,34). Egyik felület súrlódási görbéje sem nevezhető egyenletesnek, kivéve a felfutási szakaszt. A DLN felületen a súrlódási tényező sűrű változó amplitúdójú rezgésekkel halad, amíg az acélon az elnyújtottabb tört hullámok a jellemzőek. A hőmérsékletekben is jelentős eltérések tapasztalhatók a mérés során, de a vizsgálatot közel azonos értéken fejezik be (ttárcsa=30,2 °C), °C) is azonos és a felületen mért véghőmérséklet (tfelület=46,5 (tfelület - a 73. ábra oszlopdiagramjában jelölve).

–

A PA 6G-Mg (72. ábra a része) DLN felületen 14 mm-en hasonló viselkedést mutatott (stabil=2,4/1,52), mint a PA 6G. Lényeges eltérés az acél felületen mért súrlódási tényező nagy ingadozásában van. A súrlódási tényező 21mm-es súrlódási sugáron DLN-en mérve elérte a max =4,96-os értéket, és itt a hőmérséklet értékekben is nagyobb eltéréseket találunk az eltérő felületeken (ttárcsa=40,4/32 °C, és tfelület=63/51 °C).

- 100 -


PA 6G súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 21 mm súrlódási sugáron, 1 m/s sebességen 10 N terhelésen

3.5



3

PA 6G k súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 14 mm súrlódási sugáron, 1 m/s sebességen 10 N terhelésen

2.5 2 1.5 1 0.5

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

4000

1000

1500


2000

2500

3000

3500

4000



A fémtárcsa testhőmérsékletének a változása 37.5

32.5

35

30



500


Csúszási úthossz, [m] súrlódási tényező DLN bevonaton súrlódási tényező acél felületen

32.5 30 27.5 25 22.5 20

27.5 25 22.5 20 17.5

17.5

15

15 10

500 51

1000 101

1500 151

2000 201

2500 251

3000 301

3500 351

4000

Csúszási úthossz, [m] DLN bevonatos tárcsa hőmérséklet

01

51 500

101 1000

151 1500

201 2000



251 2500


301 3000

351 3500

4000


b) a) 69. ábra. PA 6G k és PA 6G acél felületen és DLN bevonaton mért súrlódási tényezője és a tárcsák hőmérséklete 1 m/s sebességen 10 N terhelésen 14 és 21mm súrlódási sugáron

5.2.2. Eredmények 0,5 m/s sebességen, 35 N terhelésen (II. mérési kategória) A közölt értékeket az előbbi, I. mérési kategóriánál megismert formában láthatjuk a szövegben. A PETP k (70. ábra a része) esetében rövid felfutás után a súrlódás mindkét felületen eléri a – maximum értéket (max=0,3/0,34). Ezt követően lassú, egyenletesnek mondható stabilizálódás jellemző mindkét felületen. A súrlódás stabil=0,26/0,28 és a hőmérséklet ttárcsa=25,4/25,6 °C értékekben sincs számottevő eltérés. –

A POM-H (70. ábra b része) súrlódásában lassú 400 m-ig tartó emelkedést követően a görbék ellaposodnak, stabil=0,52/0,76 értékek körül. A DLN-en mért súrlódási tényező közel vízszintes mentén halad, de az acél felületnél mért további enyhe emelkedést tapasztalhatunk, ami a vizsgálat végéig max=0,84 értéket ér el. A DLN felületen mindvégig kisebb a súrlódás, ami a hőmérséklet értékeken is látható (ttárcsa=30/34,8 °C).

- 101 -


POM-H súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 21 mm súrlódási sugáron, 0.5 m/s sebességen 35 N terhelésen

0.9

0.35



0.4

PETP k súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 21 mm súrlódási sugáron, 0.5 m/s sebességen 35 N terhelésen

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

500

1000

1500

2000

0


500

1000

1500

2000




27.5



35 25

22.5

20

17.5

32.5 30 27.5 25 22.5 20 17.5

15

10

51

500 101

151

1000 201

251

1500 301

351

2000

Csúszási úthossz, [m] DLN bevonatos tárcsa hőmérséklet


15

01

51

101 500

151

201 1000

251



301 1500

351

2000


a) b) 70. ábra. PETP k és POM-H acél felületen és DLN bevonaton mért súrlódási tényezője és súrlódási hőmérséklete 0,5 m/s sebességen és 35 N terhelésen, 21mm súrlódási sugáron

–

A PA 6G k (71. ábra a része) esetében a rövid felfutást mindkét felületen a súrlódási tényező csökkenése követi. Ezt követően acél felületen lassú emelkedést követően a max ACÉL=0,57 elérése után lassú csökkenés látható, és végül állandósuló jelleggel stabil=0,48 értéken fejeződik be a vizsgálat. A DLN felületen szintén tapasztalunk egy „második” emelkedést és süllyedést, de ez határozottabb és rövidebb idejű, mint acélon volt. DLN felületen a vizsgálat végére szintén stabilizálódási hajlam figyelhető meg, stabil=0,27 értéken ami kisebb, mint az acélon volt. A tárcsa hőmérsékletek értékei a vizsgálat végén ttárcsa=25,5/30 °C jelentősen eltérnek egymástól.

–

A PA 6G súrlódási tényezője jelentős eltéréseket mutatott nemcsak a különböző felületeken, hanem a két különböző súrlódási sugáron is: 14 mm sugárnál (72. ábra b részében) stabil=1,193/1,05; 21 mm-es sugáron stabil=1,49/0,67. Mindkét esetben a DLN felületen nagyobb a súrlódás. A DLN felületen mért tárcsa hőmérsékletek szintén nagyobbak mindkét súrlódási sugáron: 14 mm-en ttárcsa=42,6/38,1 °C; 21 mm-en ttárcsa=49/37 °C.

- 102 -


PA 6G k súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 14 mm súrlódási sugáron, 0.5 m/s sebességen 35 N terhelésen

1.8



0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

PA 6G-Mg súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 14 mm súrlódási sugáron, 0.5 m/s sebességen 35 N terhelésen

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0 0

500

1000 Csúszási úthossz, [m]


1500

0

2000

1000

1500

2000





50

30

45



500

27.5 25 22.5 20 17.5

40 35 30 25 20

15

01

51

101 500

151 201 251 1000 Csúszási úthossz, [m]


301 1500

351

15

2000

10

51

500 101

151

1000 201

251

1500 301

351

2000

Csúszási úthossz, [m] DLN bevonatonos tárcsa hőmérséklet acél tárcsa hőmérséklet


b) a) 71. ábra. PA 6G k és PA 6G-Mg acél felületen és DLN bevonaton mért súrlódási tényezője és súrlódási hőmérséklete 0,51 m/s sebességen és 35 N terhelésen

–

A PA 6G-Mg (71. ábra b része) hasonló viselkedést mutat, mint az előbbi, PA 6G. A vizsgálat első felében a DLN nagyobb súrlódást mutat, mint az acél felület, stabil=1,35/0,83. Azonban a vizsgálat második felében az acél súrlódási tényezője erőteljesen növekedni kezd, és a vizsgálat végére túl is halad a DLN egyenletes, közel vízszintes görbéjén. Ezt a maximális súrlódási tényezők is jól mutatják, max=1,4/1,6. A tárcsa hőmérsékletek ugyanazt a tendenciát írják le, mint a súrlódás görbék, a vizsgálat végére itt is erősen közelítenek egymáshoz, ttárcsa=47,2/45,4°C. A vizsgálatok során ennél az anyagnál sikerült a legmagasabb egyenlő nagyságú felületi vég hőmérsékletet mérni (tfelület=82/81,1°C), mindkét felületen.

- 103 -


PA 6G súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 14 mm súrlódási sugáron, 0.5 m/s sebességen 35 N terhelésen

1.6

2.5

Din. súrlódási tényező,

Din. súrlódási tényező,

3

PA 6G-Mg súrlódási tényezője DLN és acél felületen mérve 14 mm súrlódási sugáron, 1 m/s sebességen 10 N terhelésen

2 1.5 1 0.5

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

4000

500




1500

2000


A fémtárcsa blokk hőmérsékletének a változása

A fémtárcsa blokk hőmérsékletének a változása 45


40


1000



35

30

25

20

40 35 30 25 20 15

15 01

51 500

101 1 000

151 1500

201 2000

251 2500

301 3000

351 3500

4000



10

51

500 101

151

blokk hőmérséklet DLN bevonaton


1000 201

251

1500 301

351

Csúszási úthossz, [m] blokk hőmérséklet acél felületen

a) b) 72. ábra. PA 6G-Mg 1 m/s sebességen, 10 N terhelésen és PA 6G 0,51 m/s sebességen és 35 N terhelésen acél felületen és DLN bevonaton mért súrlódási tényezője és súrlódási hőmérséklete

5.3.3

A súrlódási és hőmérsékleti eredmények összehasonlítása és értékelése

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, 3.3.1. részben a 36. ábrán) mért tárcsa hőmérséklet által elért maximális értéket. Az oszlopok felett látható ponttal a mérés megállítását követően azonnal a súrlódási nyomban (felületen) mért hőmérséklet értékeket ábrázoltam. Az 73. ábrán összegzem az 1 m/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 ugyanezen felületeknek és mérési kategóriáknak megfelelően mutatja a tárcsa és a súrlódó felület véghőmérsékletét.

- 104 -


Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői acél felületen eltérő súrlódási sugáron, v=1 m/s; F=10 N(pv=0,5 N/mm2×m/s)

5

5

4.5

4.5 4 3.5

PA 6 G

PA 6G-M g

PET P k

maximum súrlódási érték

POM -H

jellemző súrlódási érték

60

60

50

50

PA 6G k

PA 6 G

PA 6G-M g

PET P k

POM -H

tárcsa blokk hőmérséklete

súrlódó felület vég hőmérséklete

PA 6G k

PA 6 G

21mm

14mm

21mm

14mm

14mm

21mm

14mm

21mm

14mm

21mm

14mm

21mm

0 14mm

10

0

21mm

20

10

21mm

21mm

30

14mm

20

40

21mm

30

14mm

40

21mm

Hőmérséklet; (°C)

70

14mm


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 )

70

POM -H

PA 6G-M g

b)

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 )

PET P k

PA 6 G


a)


PA 6G k

14mm

14mm

21mm

14mm

21mm

14mm

21mm

14mm

PA 6G k

21mm

POM -H


14mm

PET P k

21mm

0

14mm

0 21mm

0.5 21mm

1

0.5

14mm

1

2 1.5

21mm

2 1.5

3 2.5

14mm

3 2.5

21mm

Súrlódási tényező

4 3.5

14mm


Vizsgált műanyagok súrlódási tényezői DLN bevonaton eltérő súrlódási sugáron, v=1 m/s; F=10 N (pv=0,5 N/mm2×m/s)

PA 6G-M g


c) d) 73. ábra. Eltérő polimerek 1m/s csúszási sebességen, 10 N terhelésen, 14 vagy 21 mm súrl. sugáron mért din. súrl. tényezője és hőmérsékletei Rz=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 hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (tárcsa hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet, d) acél tárcsában keletkező hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (tárcsa hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet

A 74. ábrában láthatjuk a 0,5 m/s-35 N terhelésen (II. kategória) vizsgált műszaki polimerek dinamikus súrlódási és hőmérsékleti jellemzőit az előbbiek szerint tárgyalt módon.

- 105 -


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

PA 6 G

PET P k

PA 6G-M g

POM -H

80

70

70

PA 6G k

PA 6 G

PA 6G-M g

PET P k


POM -H


PA 6G k

PA 6 G

21mm

21mm

14mm

21mm

14mm

21mm

14mm

21mm

14mm

0

21mm

10

0 14mm

14mm

20

10 21mm

21mm

30

14mm

20

40

21mm

30

50

14mm

40

60

21mm

50

14mm

60


PA 6G-M g

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 )

21mm


90

80

14mm


90

POM -H

PA 6 G


b)

a) 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 )

PET P k

PA 6G k



14mm

14mm

21mm

14mm

21mm

14mm

21mm

PA 6G k

21mm

POM -H


14mm

PET P k

14mm

0

21mm

0 14mm

0.5

21mm

0.5

21mm

1

14mm

1

1.5

21mm

1.5

2

14mm

2

21mm


3

14mm


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

PA 6G-M g


d) c) 74. ábra. Eltérő polimerek 0,5 m/s csúszási sebességen, 35 N terhelésen, 14 vagy 21mm súrl sugáron mért din. súrl. tényezője és hőmérsékletei Rz=0,04-0,08 μm felületi érdességnél (II. kat.) 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 (tárcsa hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet, d) acél tárcsában keletkező hőmérséklet maximális értékei a tárcsa adott pontján mérve (tárcsa hőmérséklet) és a súrlódási nyomokban mért felületi véghőmérséklet Ha megnézzük a 73. és a 74. ábra oszlopdiagramjait, láthatjuk azt az általános tendenciát, hogy a súrlódási tényező magasabb értékű az I. Kategóriában (1 m/s, 10 N) mint a II. Kategóriában (0,5 m/s, 35 N). Ez összhangban van korábbi irodalmi adatokkal, amelyek szerint a dinamikus súrlódási tényező csökken a növekvő érintkezési nyomással [Viswanath, Bellow 1995]. Az ábrákból világosan látszik, hogy PETP k, POM-H és PA 6G k súrlódása minden kategóriában alacsonyabb DLN ellenfelületen, mint acél ellenfelületen mérve. Kisebb terhelésen, az eltérő súrlódási - 106 -


sugaraknak nem volt lényeges hatása az anyagok súrlódási tényezőjére, míg nagyobb terhelésen a nagyobb súrlódási sugáron alacsonyabb súrlódási tényező értékek voltak 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 kitűnik, hogy előnyösebb súrlódási tényezővel rendelkezik mindkét polimer a nagyobb súrlódási sugáron mérve, acél felület esetében. 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 test 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 jelentett. Ez indokolja a súrlódási sugárral meghatározott eltérő felületek hőeloszlásának és a tárcsa hőelvezető képességének vizsgálatát. 5.2.3. Súrlódási és hőfejlődési mechanizmusok elemzése Ahogyan azt a HENGER-SÍK mérések értékelésénél már elmondtuk, a súrlódási erő két fő összetevője az adhéziós és a deformációs komponens. A választott vizsgálati jellemzők mellett a kis felületi érdességen (Rz=0,04-0,08 μm) és kis terheléseken végzett vizsgálatoknál feltehetőleg az adhézió játssza a fő szerepet a súrlódási folyamatban. Az előbbiek miatt különös figyelmet kell fordítani az eltérő felületi hőmérsékletekre, és az ellenfelületek felületi energia értékeiben tapasztalható különbségekre. Az ellenfelület hővezetése A polimerek súrlódási jellemzőit befolyásoló érintkezési hőmérséklet nagymértékben függ az ellentárcsa hővezetési jellemzőitől. Mivel jelentősen eltérő hőmérsékleti értékeket kaptam a DLN bevonattal ellátott tárcsán és az acél tárcsán végzett súrlódási vizsgálatok között, ezért következtettem a két eltérő ellenfelület hővezetési viszonyaiban fennálló különbségekre. Ahhoz, hogy feltevésemet igazolhassam, egy egyszerű vizsgálatnak vetettem alá a különböző tárcsákat annak érdekében, hogy megállapíthassam, valóban nehezebben távozik-e el a súrlódási hő a felületről DLN bevonat esetében, mint acél tárcsánál. A vizsgálat vázlata a 75. ábrán látható.

75. ábra. Gyorsvizsgálati módszer annak meghatározására, hogy mely tárcsának rosszabb a hővezetése (Tmax - maximális hőmérséklet a hőbevitel helyén, T(2) - hőbevitelhez közelebb mért hőmérséklet, T(1) - hőbeviteltől távolabb mért hőmérséklet) A 75. ábrán látható módon egy elektronikusan szabályozható ipari hőlégfúvó pisztollyal állandó hőbevitelt hoztam létre. A hőbevezetés melegítő hatását mindig azonos pontban, egymástól - 107 -


azonos “D” távolságban elhelyezett hőérzékelő párokkal (számítógépes kiértékeléssel) folyamatosan mérve kaptam az eltérő melegedési görbéket. A 76. ábra segítségével szemléltetem a DLN bevonat és az acél felület eltérő hővezetését, a felületek hőmérsékletének az időbeli változásával. A fenti görbék Tmax = 95-100°C, a lentiek Tmax = 63°C hőlégfúvó beállítással kerültek felvételre. Mindkét ábrasoron látható, hogy DLN felületen rövidebb idő (t97,DLN=40 s; t63,DLN=35 s) szükséges ugyanazon maximális felületi hőmérséklet eléréséhez ugyanabban a T(2)-es mérési pontban, mint acél felületnél (t97,acél=120 s; t63,DLN=200 s). Ugyanakkor az eltérés a T(2)max és T(1) DLN mérési pont hőmérséklete között lényegesen nagyobb, mint acél felület esetében T(2)max és T(1) acél mérési pontoknál.

76. ábra. Az eltérő hővezetés vizsgálatának eredményei DLN bevonattal ellátott és bevonat nélküli acél tárcsa esetében Mindkét megfigyelés a hővezetés bizonyos akadályoztatására utal DLN felület esetében, ami rosszabb hővezetést, magasabb hőmérséklet kialakulását jelenti, az érintkező felületek között. Azonban a felületek felmelegedése, nemcsak az ellenfelület jellemzőitől függ, hanem a polimerek súrlódási tényezőjétől is. PETP k, POM-H, és PA 6G k esetében a súrlódás és ezzel együtt a keletkezett súrlódási hő, lényegesen alacsonyabb, mint a többi poliamidnál, ami ezeknek a - 108 -


műanyagoknak az esetében csökkenti az ellenfelületek hővezetésének a súrlódásra kifejtett hatását. 5.2.4. Az adhézió hatása A hőmérséklet hatásán kívül az anyagjellemzők és az anyagok adhéziós tulajdonságai határozzák meg a súrlódási jellemzőket. A HENGER-SÍK vizsgálati rendszerben már beszéltünk arról, hogy az adhéziós hajlam az érintkező anyagok felületi energia nagyságával jellemezhető. Ennek vizsgálata a TŰ-TÁRCSA rendszerben is elengedhetetlen a súrlódás további értékeléséhez. A polimerek felületi energiája A vizsgált polimerek felületi energiájának a meghatározását és a kapott értékeket a 3.4.1. fejezetben részletesen tárgyaltuk, itt külön erre nem térek ki. Ugyanakkor, hasonlóan a HENGER-SÍK kategóriához, érdemes itt is elemezni a polimerek dinamikus súrlódási tényezőjét felületi energiájuk függvényében, amit a 77. ábrán láthatunk.

77. ábra. A vizsgált polimerek felületi energiájának poláris komponensei (mN/m) ugyanazon polimerek eltérő acél/DLN felületen mért súrlódási tényezőinek a függvényében Összehasonlítva az egyes polimerek felületi energia értékeit (elsősorban a poláris komponens értékeit) és súrlódásuk nagyságát, könnyen párhuzamot vonhatunk a PETP k és a PA 6G k alacsony felületi energiája és kismértékű súrlódása között; és ez a párhuzam a poliamidok magasabb vizsgálati eredményeinél is megmarad. Az ellentárcsák felületi energiája A súrlódó ellenfelületként szolgáló fém tárcsák esetében is hasonló módon jártunk el a felületi energiák meghatározásánál, az eredményeket a 78. ábra mutatja be. A felületek tisztítása két szakaszban történt, 7 percig dichlorometánnal és metanollal, majd ezt eltávolítva 5 percig etanollal borítottam a felületet, végül szárazra töröltem.

- 109 -


Felületi energia,  [mN/m]

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 DLN 180 *

DLN 180 (1.mérés)

DLN 180 DLN 180 (2.mérés) (3. mérés)

acél (kezdeti érték)

acél (végérték)

Teljes felületi energia,  [mN/m] Diszperziós felületi energia komponens, d [mN/m] Poláris felületi energia komponens, p [mN/m]

78. ábra. Acél és DLN bevonaton mért teljes, poláris és diszperziós felületi energia értékek (* -jelölt érték irodalmi adat [Neerinck et al. 1998]; 1.-2.-3. ismételt mérések; kezdeti- és végérték instabil mérés) A bevonat nélküli és a DLN bevonattal ellátott acél tárcsák felületi energia értékei közötti eltérés nem olyan tisztán rajzolódik ki, mint polimerek esetében. Itt kiemelt jelentősége volt a felület tisztaságának (oxid rétegek, tisztítási eljárás), a környezeti jellemzőknek és a vizsgálati időnek. Jelentős eltérések láthatók acél felület esetében a felületi energiák kezdeti és stabilizálódott állapota között, mivel a folyadékcseppek érintkezési szöge lassan állt be állandó értékre. A DLN felületnél mindhárom mérés jól közelíti egymást, és az érintkezési szög is gyorsan stabilizálódik (vizsgálati jegyzőkönyvekből az 5. mellékletben láthatunk példákat). A vizsgálatok végén létrejött egyensúlyi állapotban a DLN felület teljes felületi energiája kicsi, poláris felületi energiája jelentősen kisebb, mint az acélé. Más szakirodalmi forrás [Neerinck et al. 1998] határozottan kedvezőbbnek ítéli a DLN felületi energiáját (34 mN/m) az acéléval szemben, azonban a poláris és a diszperziós komponensek itt nem ismertek. Grischke és munkatársai [1998] vizsgálataikban a natúr gyémántszerű karbon bevonat (a-C:H) felületi energiáját mN/m ben határozta meg, azonban az oxigén hozzáadásával készült bevonaton nagyobb (mN/m), Si hozzáadásával kisebb (mN/m) értékeket találtak. Az előbbiek alapján megállapítható, hogy a DLN bevonat alacsonyabb (poláris) felületi energiája valóban kedvezőbbé teheti a PETP k, POM-H és PA 6G k súrlódását szemben ugyanezen polimerek nagyobb felületi energiájú acél felületen mért súrlódásánál. 5.2.5. Súrlódási hőmérséklet és anyagátvitel A súrlódási tényező és a súrlódási hő fejlődés közötti kapcsolatok A PETP k és a POM-H mért súrlódási tényezőinek az értékeléséhez kanyarodjunk vissza a 70. ábrához. 

A PETP k súrlódási tényezője a legkisebb mindkét felületen. A keletkezett hőmérséklet enyhén emelkedik közel azonos értékekre. Nagyobb terhelésen (II. Kategóriában) a súrlódás - 110 -


 

még kisebb a nagyobb súrlódási sugáron mérve. A POM-H súrlódási tényezője a PETP k-énál nagyobb. Ugyanakkor határozottan kisebb DLN felületen mérve, mint acélon. A DLN felületi hőmérséklete is alacsonyabb. A PA 6G (69. ábra b része) súrlódási tényezője rövid ideig kis értéken marad a DLN felületen, de egy idő után megnövekszik, és meghaladja az acél felületen mért értéket. A poliamidok súrlódása általában nagyobb, mint a PETP k, és a POM-H-é, ami összefügg a poliamidok nagyobb alakváltozási képességével, amit a keletkezett súrlódási hő nagyobb értéke is igazolni látszik. Abban az esetben, ha rontjuk a hővezetést a vizsgálati rendszerünkön belül (ez alatt a kisebb súrlódási sugáron (R=14 mm) végzett vizsgálatok értendők) még tovább emelkedik a súrlódás értéke (lásd 73. és 74. ábrák).

Kapcsolatok a súrlódási tényező, a polimer film és a kopás között Ahogyan azt a 3.3.1. fejezetben már említettem a polimer próbatest kismértékű kopását nem sikerült pontosan meghatározni. Ugyanakkor közelítő képet kaphatunk a polimer próbatest kopásáról, ha megvizsgálom az ellentárcsán lerakódott polimer film szerkezetét és kiterjedését. Az acél és DLN felületen keletkezett futás nyomokról mikroszkópon nagyított fotókat készítettem. A fém felületén keletkezett polimer filmek közül a 79.-83. ábra mutat be néhányat (az összes fényképfelvétel a 6. mellékletben látható). A polimer hengeres próbatestek csúszófelületéről készített felvételeket a 84. ábrában láthatjuk. A megfelelő összehasonlítás érdekében minden fényképfelvétel azonos nagyítással készült, ami azt eredményezte, hogy a kiterjedtebb kopásnyomokat szélesebb méretű képre kellett helyeznem. DLN bevonat

400 m

Acél felület

400 m

79. ábra. A PETP k-val párosított DLN bevonat és az ACÉL felület képe a vizsgálat után (vizsgálati paraméterek: v=0,5 m/s; FN=35 N; súrlódási sugár:21 mm) DLN bevonat

400 m

Acél felület

400 m

80. ábra. A POM-H-val párosított DLN bevonat és az ACÉL felület képe a vizsgálat után (vizsgálati paraméterek: v= 0,5 m/s; F=35 N; súrlódási sugár:14mm) A 79. ábrán látható, hogy a PETP k nagyobb kiterjedésű, nem összefüggő transzfer filmet képez acél felületen, mint DLN felületen. - 111 -


A POM-H (80. ábra) jelentős kiterjedésű összefüggő polimer filmet képez acél felületen, de alig, vagy csak kismértékben képez filmet DLN felületen. Az előbbieken túl DLN felületen a polimer film lerakódása két irányban is valószínűsíthető, ami azt jelenti, hogy a polimer nemcsak a hengeres próbatestről képes a DLN felületre letapadni, de leválva vissza is tapadhat a polimer tömbhöz. Ez a „back-transfer” szorosan összefügg a polimer periodikus megolvadásával, ami a DLN felület rossz hővezetésével magyarázható. A filmképződés instabilitása, periodikussága nyomon követhető a POM-H súrlódási görbéjének oszcillálásán. DLN bevonat

400 m

Acél felület

400 m

81. ábra. A PA 6 G k –val párosított DLN bevonat és az ACÉL felület képe a vizsgálat után (vizsgálati paraméterek: v= 0,5 m/s; F=35 N; súrlódási sugár:14 mm) PA 6G k esetében kisebb mértékű eltérés tapasztalható a két felületen kialakuló műanyagréteg összehasonlításánál (81. ábra.). Az előzőekben az acél felületen volt erőteljesebb a polimer filmképződés, ami nagyobb súrlódási tényező értékben is tükröződött. A kenés nélküli poliamidok (PA 6G és PA 6G-Mg) esetében az előbbiektől teljesen eltérő filmképződés figyelhető meg (82. és 83. ábra), ezeknél a polimereknél a DLN felületen alakul ki a nagyobb mértékű letapadás. A DLN felület rosszabb hővezetése révén poliamidokkal történő súrlódása magasabb felületi hőmérséklethez vezet, ami elősegíti a polimer láncok könnyebb szétcsúszását és a filmképzést a felületen. A transzfer film hatására a súrlódás polimer/fém párosításából rövid időn belül átvált polimer/polimer felületek közötti súrlódásba. Ezzel együtt az érintkezés azonos atomszerkezetű felületek között áll fenn, ami poliamidok esetében a jelentős polaritás miatt különösen erős molekuláris vonzóerőket jelent. DLN bevonat

400 m

Acél felület

400 m

82. ábra. A PA 6 G-val párosított DLN bevonat és az ACÉL felület képe a vizsgálat után (vizsgálati paraméterek: v=1 m/s; F=10 N; súrlódási sugár:21 mm)

- 112 -


DLN bevonat

400 m

Acél felület

400 m

83. ábra. A PA 6 G-Mg-val párosított DLN bevonat és az ACÉL felület képe a vizsgálat után. (vizsgálati paraméterek: v=0,5 m/s; F=35 N; súrlódási sugár:14 mm) A tárcsák felületén kialakuló polimer filmekhez hasonlóan fontos megfigyeléseket tehetünk a polimer hengerek súrlódási felületének a vizsgálata során is. A DLN és acél POM-H-val való súrlódását követően a POM-H felületén látható visszatapadt polimer filmet a 84. ábra mutatja be. DLN bevonaton való csúszást követően

Acél felületen való csúszást követően

84. ábra. A POM-H hengeres próbatest csúszófelülete A DLN bevonat és az ACÉL felületen végzett súrlódásvizsgálatot követően. (vizsgálati paraméterek: 0,5 m/s; 35 N; súrlódási sugár - 21 mm) Világosan látszik, hogy DLN felülettel szemben kisebb az érintkező felület, ami egybeesik az előzőekben már megfigyelt csekély műanyagátvitellel is. Acél felületnél jelentős összefüggő visszatapadás figyelhető meg a polimer felületén, ami a súrlódásban részt vevő teljes érintkezési felület nagyságának növekedését is jelenti. 5.2.6. A súrlódási felület hűtésének a hatása A DLN bevonat felületi hőmérsékletének gyors növekedése már az előzőekben tárgyalásra került, most nézzük meg, mi történik, ha külső hűtéssel csökkentjük a DLN felület súrlódás közbeni felmelegedését. A hűtést adott légáram felületre irányításával végeztem, miközben folyamatosan rögzítettem a hőmérsékleti és súrlódási értékeket, amelyek a 85. ábrán láthatók. A hűtéshez szükséges légáramot a vizsgálat helyszínén kiépített nagy tisztaságú (aktív szén szűrővel ellátott Ingersoll-Rand rendszer, az ISO 85731 szerint) laboratóriumi levegőrendszerből nyertem. A rendszer 4-5 bar nyomással szolgáltatta a levegőt, a rendszer hőmérséklete 20 °C volt. A vizsgálati beállítások megfeleltek a II. mérési kategória már ismertetett értékeinek. - 113 -


A 85. ábrán láthatjuk, hogy a légáram mindkét felület esetében nagy hatást gyakorolt a súrlódásra. Megállapítható, hogy ha a DLN felület túlmelegedését (pl. poliamidok súrlódásánál) hűtéssel mérsékeljük, a súrlódási tényező jelentősen csökkenhet (vizsgálatomban az alkalmazott hűtés ~ 35 %-al csökkentette a PA 6G-DLN bevonat és közel 25 %-al a PA 6G-acél felület közötti súrlódási tényezőt). A súrlódási tényezők értékének csökkentése a tárcsák hőmérséklet görbéin is megfigyelhető, az azonos módon hűtött eltérő felületű tárcsák hőmérséklete között nincs lényeges eltérés.

85. ábra. Hűtésként alkalmazott levegőáram hatása PA 6 G acél és DLN felületen mért súrlódására és a tárcsa testhőmérsékletére (terhelés FN=35 N, csúsz. sebesség v=0,5 m/s, súrl. sugár r=21mm) 5.2.7. Következtetések Különböző polimerek acél felületen és DLN réteggel bevont acélon kapott súrlódási viselkedéséről átfogó képet kaphattunk az eddigi elemzések segítségével. Most az eddigiekre alapozva értékeljük az eltérő csúszópárok tribológiai viselkedését, különös figyelemmel a hőmérsékleti jellemzőkre és a felületi energia alakulására.  Megállapítható, hogy a gyémántszerű karbon bevonatok előnyösen alkalmazhatók PETP k és POM-H esetében. Ezeknek a műanyagoknak a súrlódása alacsony szinten marad és a keletkezett hő sem ér el akkora mértéket, hogy káros hatással legyen a súrlódás további - 114 -




alakulására, tehát az ellenfelület hőelvezetési jellemzői kisebb szerepet kapnak. Az adott rendszerben a súrlódási jellemzőket elsősorban a felületek adhéziós jellemzői határozzák meg. Megvizsgálva a DLN bevonat felületi energia viszonyait, alacsonyabb értéket kapunk, szemben az acél felületével, ami kedvezőbb adhéziós viszonyokat eredményez a DLN bevonaton. Ez a kedvezőbb adhéziós tulajdonság teszi lehetővé, hogy a PETP k és a POM-H kisebb súrlódást érjen el DLN bevonaton, mint acél felületen. PA 6G k esetében szintén javasolható súrlódási ellenpárként a DLN. Poliamidok súrlódása esetén lényegesen megváltozik a helyzet, mivel ezeknek a műanyagoknak nagyobb az alakváltozási képességük. Az erősebb adhéziós tapadás miatt itt már a folyamat elején magasabb értékű súrlódással számolhatunk, ami fokozott hőfejlődéssel jár együtt. Ez előtérbe helyezi a súrlódásban részt vevő elemek (elsősorban a fém ellenfelületek) hővezetési jellemzőit. A korábbiakban láthattuk, hogy DLN felület hővezetése elmarad az acél mögött, és ez kedvezőtlenül hat a PA 6G és PA6G-Mg súrlódására. A polimer átvitel és a megolvadások mértéke nagyobb hőmérsékleten tovább növekszik, elősegítve az erős adhézióval járó polimer/polimer súrlódópárok kialakulását.

Összefoglalva elmondhatjuk, hogy a DLN bevonatok kedvező tulajdonságai (nagy keménység, jól irányítható felületi érdesség, alacsony felületi energia) még jobban kihasználhatóvá válnak, ha megfelelő hőjellemzőkkel (jó hővezetés) is sikerül felruháznunk. Megoldásként felmerülhet a felület hűtése, és/vagy a DLN bevonat összetételének módosítása olyan ötvözőkkel, amelyek javítják annak hővezetését. A hővezetés megfelelő beépítéssel és konstrukciós kialakítással tovább javítható, ami az egész tribológiai rendszerre kihatással lehet.

- 115 -


6.

- 116 -

Új tudományos eredmények

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 (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, (Rz=0,6-1,6 m) valamint nagyobb terhelésen (FN=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 (Rz=0,1-0,4 m) felületen. Kisebb terhelésen (FN=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. 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, az acél felületen durva, vastag műanyag réteg alakult ki. 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. Az olaj hatékonysága függött a felületi érdességtől. A durvább acél felületen hamarabb kezdett növekedni a súrlódási tényező, mint a simább felületen: kis terhelésen (FN=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. 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 FN-1L-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, FN=100 N) mindig nagyobb, mint a simább felületen csúszóké, ami arra utal, hogy a kis felületi érdességek ellenére is fontos szerepet játszik a kopás - 117 -


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 86. és a 87. 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.

86. 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) 5

0.5

4

0.4 3 0.3 2 0.2 1

0.1 0

Löketenkénti fajlagos kopás


0.6

0 0

200

400

600

800

1000 1200 1400 1600 1800

Csúszási úthossz [m] Dinamikus súrlódási tényező

Löketenkénti fajlagos kopás [mm3/Nm]

87. ábra. PA 6G k dinamikus súrlódási tényezőjének és a löketenkénti fajlagos kopásának változása a csúszási út függvényében F=100 N terhelésen és „S” felületi érdességen (91. számú mérés) - 118 -


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 (86. és 87. ábra). PA 6G-Mg esetében nem állapítható meg szoros összefüggés a kopás és a súrlódás között.

„Műanyag rúd - acél síktárcsa” páron („pin-on-disc”) egyirányú csúszó mozgással végzett kutatásaim alapján a következőket állapítottam meg: 7. tézis A polimerek súrlódási tényezőjére a következők igazak: 7.a A súrlódási tényező függ a polimerrel párosított ellenfelület típusától: a DLN bevonatú acél felületen csúszó műanyag súrlódási tényezője határozottan eltér a tiszta acél felületen csúszó azonos műanyag súrlódási tényezőjétől annak ellenére, hogy a felületek érdessége között nincs jelentős különbség. Kivétel a PTFE adalékolású PETP, ahol mindkét terhelésen (FN=10 és 35 N) közel azonos a súrlódási tényező, amely az ellenfelületeken kialakult vékony polimer-film eredménye. 7.b A polimerek súrlódási ellenállása összefügg az acél és DLN felületeken kialakult polimer-film réteggel. A mérési eredmények és fényképfelvételek tanúsítják, hogy ahol alacsony a súrlódási tényező, ott vékony, szinte elhanyagolható a letapadt polimer-film. Nagyobb súrlódási tényezők esetén vastagabb, durvább letapadt műanyag réteg képződik az ellenfelületen. 8. tézis A felületi energia és a hővezetés hatását a következőkben mutattam ki: 8.a Az acél felületre felvitt DLN bevonat kisebb felületi energiával rendelkezik, ami általában csökkenti a súrlódás adhéziós komponensét. Ezt a hatást az üzemi körülmények - pl. a hővezetési viszonyok - befolyásolják. Az egyes polimerek súrlódási viselkedése a DLN felületen kettős: a POM-H és PTFE adalékolású PETP esetén érvényesül a kisebb felületi energia kedvező hatása, míg a Mg-mal és a Na-mal katalizált öntött poliamid 6 típusok esetében az üzemi körülmények (hővezetés) hatása a meghatározó. 8.b Mérési módszert dolgoztam ki annak igazolására, hogy a kutatási rendszerben használt DLN bevonatú acél tárcsa hőelvezető képessége rosszabb, mint a nem bevont acélé. Ennek hatására a poliamidok súrlódási tényezői magasabbak. 9. tézis A DLN bevonatú acél felületen: – jobban érvényesül a poliamid kenőolaj tartalmának súrlódás csökkentő hatása, mint a tiszta acél felületen – a csúszó POM-H súrlódási tényezője kisebb, mint tiszta acél felületen, különösen a nagyobb terhelési szinten – a kenőanyag adalék nélküli poliamidok (PA6G, PA6G-Mg) súrlódási tényezője és a tárcsa hőmérséklete nagyobb, mint a bevonat nélküli acél felületnek.

- 119 -

- 120 -

Következtetések, javaslatok

7.

KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK

Az elvégzett vizsgálatok alapján röviden tekintsük át a fejezetek végén már megfogalmazott összefüggéseket, amelyek tovább bővítik ismereteinket, és segítséget jelenthetnek a gyakorlati alkalmazások terén: A HENGER-SÍK vizsgálatok az alábbiakra engednek következtetni: – A vizsgált anyagok közül a PTFE adalékolású PETP (PETP k) és a POM-H a legalkalmasabb nagy felületi nyomással szembeni siklócsapágy anyagnak, mivel alacsony súrlódási tényező mellett, kopásállók is. – A felületi érdességek és a súrlódási tényezők feltételeznek egy optimális felületi érdességet, mely kisebb PETP k és POM-H esetében, mint PA-nál. A fajlagos kopás poliamidok esetében nagyobb érdesebb felület mellett. – A poliamidok belső olajkenésének hatékonysága eltér a PETP k szilárd PTFE tartalmának hatékonyságától. A kenés hatékonysága PA 6G k esetében erősen függ a terheléstől és a felületi érdességtől, végső esetben meg is szűnhet. Az olajjal szemben a PTFE szilárd kenőanyag súrlódásra gyakorolt hatása sokkal stabilabb. Feltehetően a szilárd kenőanyag felszínre jutásával PTFE film képződik, amely lényegesen csökkenti a súrlódást és a stick-slip hatást. – PA 6G-Mg és PA 6G esetében leolvadások voltak megfigyelhetők a nagy terhelés alatt érdes felületen végzett méréseknél, ami a műanyag túlterhelésére utal. Ugyanakkor az olaj adalékolású PA 6G k esetében nem tapasztaltam leolvadást. – A kenő hatás megszűnése PA6G k esetében szintén az anyagra értelmezhető túlterhelést jelenti, mivel megszünteti az olaj kenési mechanizmusát. Ugyanakkor a szilárd kenőanyag (vizsgálataimban PTFE) folyamatosan kifejti kedvező hatását, nagy terhelésen is. A TŰ-TÁRCSA vizsgálatok az alábbiakra engednek következtetni: – A vizsgálatokból kiderült, hogy a DLN felület hővezetése elmarad az acél mögött, és ez kedvezőtlenül hat a PA 6G és PA6G-Mg súrlódására. A polimer átvitel és a megolvadások mértéke nagyobb hőmérsékleten tovább növekszik, elősegítve az erős adhézióval járó polimer/polimer súrlódó párok kialakulását. – Megállapítható, hogy a gyémántszerű karbon bevonatok (DLN) előnyösen alkalmazhatók PETP k POM-H, PA 6G k esetében. Ezeknek a műanyagoknak a súrlódása alacsony szinten marad, így az ellenfelület hőelvezetési jellemzői kisebb szerepet kapnak. Az adott rendszerben a súrlódási jellemzőket elsősorban a felületek adhéziós jellemzői határozzák meg. A téma által felvetett, további kutatási területeket érintő javaslatok: – A tribológiai vizsgálatok egyik alapterülete a kopásmérés. Vizsgálataimban felvetettem a nem illeszkedő (counterformal) érintkezésnél végzett kopás mérés problémáit, amelyek a műanyag deformációjára vezethetők vissza. Jövőbeli feladatként megoldási eljárás kidolgozása javasolt, amely lehetővé teszi a mért kopás értékek pontosítását, az anyagtól és a kopásmélységtől függően. – A DLN bevonatok meglévő kedvező tulajdonságainak (nagy keménység, jól irányítható felületi érdesség, alacsony felületi energia) mind szélesebb körű kihasználása érdekében, indokolt lenne javítani a DLN-nel bevont felület hővezetési jellemzőin. Megoldásként felmerülhet a felület hűtése, a megfelelő beépítés és konstrukciós kialakítás, esetleg a DLN bevonat összetételének a módosítása. Ugyanakkor további vizsgálatok szükségesek, a hővezetési probléma okainak pontos meghatározásához. - 121 -

- 122 -

Összefoglalás

8.

ÖSSZEFOGLALÁS

Egyre újabb és újabb példákat láthatunk a gépészeti gyakorlatban a fém alkatrészek polimerekkel történő kiváltására (fogaskerekek, siklócsapágyak, rudazatok…), amelyek között a tribológiai célú alkalmazások is megtalálhatók. További lehetőség a polimerek korszerű bevonatokkal ellátott gépelemekkel történő párosítása. Ilyen bevonat például a gyémántszerű karbon bevonatok (DLC) DLN típusa is. Dolgozatom célja volt az eltérő száraz csúszó súrlódási (laboratóriumi modell) vizsgálatok eredményei alapján a különböző műszaki polimerek tribológiai jellemzőinek az összehasonlítása, valamint a polimerek túlterheléssel szembeni viselkedésének és az eltérő kenőanyag adalékok hatásának a meghatározása. További célként jelöltem meg a korszerű DLN bevonat és a hagyományos bevonat nélküli (acél) felület műszaki polimerek csúszó súrlódására gyakorolt hatásának az összehasonlítását. A szakirodalom áttekintése során több mint nyolcvan, többségében külföldi publikációt dolgoztam fel. Összefoglaltam a témámhoz kapcsolódó alapvető tribológiai ismereteket, a vizsgált területen elért eddigi eredményeket, és értékeltem azokat. A fejezet végén összefoglaló jelleggel utaltam az adott terület hiányosságaira és a megoldásra váró feladatokra. Még a szakirodalom feldolgozáshoz kapcsolódva rövid áttekintést adtam a polimerek mezőgazdasági alkalmazásáról is. A különböző műszaki polimerek (poliamid 6, polietilén tereftalát, polioximetilén) és ezek kompozitjainak jellemző csúszó súrlódási és kopási mechanizmusait HENGER-SÍK, és TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modellvizsgáló berendezések segítségével tanulmányoztam. A súrlódási mechanizmusok vizsgálata során eltérő mozgásviszonyokat, sebesség és terhelés értékeket vettem alapul száraz polimer - acél és polimer - DLN bevonat súrlódó párok alkalmazásával. A modell rendszerek kiválasztásánál indokaim a következők voltak: – A kis lökethosszú alternáló csúszó súrlódás és a kedvezőtlen HENGER-SÍK érintkezés nagy terhelést tett lehetővé kisméretű próbatesteken is. A nagy terhelés előtérbe helyezte a polimerek súrlódásának deformációs összetevőit és ezek súrlódásra, kopásra, valamint a súrlódó párok anyagátvitelére gyakorolt hatását. – A TŰ-TÁRCSA kisméretű próbatest vizsgálatok során folyamatos csúszósúrlódás mellett összehasonlítottam a DLN bevonatok és acél felület polimerek súrlódására gyakorolt hatását. A kedvező sík-síkon érintkezési geometria, a kis terhelések és az alacsony felületi érdesség a polimerek adhéziós hajlamát helyezte előtérbe. A tribológiai jellemzők meghatározására további vizsgálatokat végeztem: – Meghatároztam a vizsgált anyagok felületi energia komponenseinek az értékét, amelyeket szembeállítottam súrlódási kopási jellemzőikkel. Bizonyítottam a DLN bevonat hővezetésre gyakorolt nem várt hatását, amely nagy befolyással volt egyes polimer típusok súrlódására. – Végül rangsoroltam a vizsgált polimereket súrlódási és kopási jellemzőik alapján. Értékeltem a mechanikai és a felületi energiajellemzőket, valamint az eltérő, belsőleg adalékolt kenőanyagok súrlódásra és kopásra gyakorolt hatását. A felületek vizsgálatával bemutattam a súrlódás során lerakódott (transzfer) rétegeket és nagyságukat. Rámutattam a DLN bevonat polimerek súrlódásával szembeni sajátosságaira, összehasonlítottam ezt az acél felülettel. Vizsgálataim alapján megfogalmaztam téziseimet, amelyeket külön tézisfüzetben foglaltam össze. Végezetül javaslatokat tettem az elért eredmények gyakorlati hasznosítására, további vizsgálatok megtételére. - 123 -

Összefoglalás

A műszaki műanyagokon végzett kísérleti kisméretű próbatest vizsgálatok eredményei alapján új információkat szereztünk mind a nagy terhelésen és kedvezőtlen érintkezési geometria mellett, mind a gyémántszerű karbon bevonatokon nyújtott tribológiai viselkedésükről. Az eredmények azon túl, hogy bővítik a polimerekről eddig feltárt tribológiai ismereteket, új alkalmazási lehetőségek felé is utat nyitnak.

- 124 -

Summary

SUMMARY There is an increasing tendency to replace original metal components by engineering plastics (sliding bearings, gears, gateways, etc.) in the tribology applications. There is a new possibility to mate the engineering polymers with up to date coatings, like the DLN coating, which is one of the types of Diamond-like carbon (DLC) coatings. The purpose of my study was to compare the tribological properties of different engineering polymers, based on the results of different laboratory friction modell tests. Also I wanted to investigate the effect of different lubricants additives and behaviours against over-load. Furthermore my aim was to compare the effect of up-to-date DLN coating and surface without coating (steel) on sliding friction against engineering polymers. In reviewing the professional literature, I haved looked through more than eighty publications published mainly in foreign countries. I have prepared a summary on the basic tribological knowledge connected to the subject and on the results achieved in this field so far. In the various chapters I highlighted unsolved problems of the field and the deficiencies of the present-day knowledge. In connection with literature, I gave short review about the agricultural application of polymers. For the investigation of friction of different engineering polymers (polyamide 6, polyethylene, therefthalat, polyoximethilene) I used two types of small-scale experiments: cylinder-on-plate and pin-on-disk. During the examination of friction mechanism I changed the parameters (the type of motion, velocity and load) and used dry polymer-steel or polymer-DLN coating friction pairs. These modell systems gave the next possibilities: – The reciprocating sliding friction, with short stroke, with counter formal cylinder-onplate contact made it possible to model high load on small-scale specimens. The high load caused the deformation of polymer during the friction and the deformation had an effect on the friction, wear and polymer transfer of the sliding pairs. – In the pin-on-disk small-scale tribological system I compared the effect of DLN coatings and steel surface on the friction of polymers. Because of the conformal contact, the low load and the low surface roughness can mainly cause adhesion. In order to determine the tribological characteristics, the following measurements were carried out: – The surface energy of the examined materials was determined and it was contrasted with sliding. Besides this, the effect of DLN coating on heat conduction was showed, which influenced the friction of polymer types. – Finally in both systems I ranked the examined polymers according to friction and wear behaviours. I summarized the characteristics of mechanical and surface energies and the effect of internal lubrication on friction and wear. By examining the surfaces I proved the transfer layer deposits and its extension. I showed the role of DLN coating of polymers on friction and it was contrasted with the steel surface. I evaluated the results of my investigations and prepared my thesis. These are even separately, which are summerised in thesis booklet. Finally, I prepared proposals on how to utilise the achieved results in the practice and on the directions of the further investigations. The small-scale tribological tests with engineering polymers with steel and DLN coating provided new information about their tribological behaviours both under high load and unfavourable contact geometry. These results extend our tribological knowledge about polymers and show new possibilities for practical application. .

- 125 -

Summary

- 126 -

Irodalomjegyzék

IRODALOMJEGYZÉK

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22]

AISENBERG S., CHABOT R. (1972): Deposition of carbon films with diamond properties, Carbon, Vol. 10, Issue 3, 356 p. ARCHARD J. F. (1953): Contact and Rubbing of the flat surfaces, Journal Applied. Physics. Vol. 24, 981-988. p. BAHADUR S. (2000): The development of transfer layers and their role in polymer tribology. Wear Vol. 245 92-99. p. BÁNHÁZI J., JÓRI J. I., SALAMON S. (1983): Polimer és acél (Triplex) kormánylemezes ekék összehasonlító vizsgálata. Gödöllő: MÉM Műszaki Intézet. BEER GY. (Szerk.) (1984): Mezőgazdasági gépek anyagai. Budapest: Mezőgazdasági Kiadó. 352 p. BENABDALLAH H. (2003): Friction and wear of blended polyoxymethylene sliding against coated steel plates. Wear, Vol. 254 1239-1246. p. BERECZ E. (1998): Kémia műszakiaknak. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. 815 p. BODOR G., VAS L. M. (2001): Polimer anyagszerkezettan. Jegyzet azonosító: 45020A, Budapest: Műegyetemi Kiadó. 306 p. BOWDEN F. P., TABOR D. (1950): The friction and lubrication of solids. Oxford: Clarendon Press BÖHLER (1999): Plastic mould steel products: Böhler M238 Ecoplus, Belgium, 9160 Lokeren 13 p. BRISCOE B. J. (1980): The role of adhesion ni the friction, wear and lubrication of polymers, in: K.W. Allen (Ed.), Adhesion, Vol. 5, Applied Science, Burking, UK, 49-80. p. BUSHAN B. (2001): Modern tribology handbook, CRP Press LLC, Boca Raton, London, New York, Washington D.C. CLARK H. McL. (1993): The surface squeeze film in slurry erosion in Proceedings of the Sixth International Congress on Tribology EUROTRIB' 93. COOPER A. W., McCREERY W. F. (1962): Practical power farming. Department of Agriculturels Nationale Tillage Machinary Laboratory in Alabama. DALLY J. W., CHEN Y. M., JAHANMIR S. (1990): Analysis of subsurface crack propagation and implications for wear of elastically deforming materials. Wear, Vol. 141 95114. p. DE BAETS P. (1994): Wear simulation of a sliding system by means of large-scale specimen testing. Wear, Vol. 173 65-74. p. DE BAETS P. (1995): Comparison of the wear behaviour of six bearing materials for a heavily loaded sliding system in seawater. Wear, Vol. 180 61-72. p. DE BAETS P. et al. (2002): The friction and wear of different polymers under high load conditions. J. Synth. Lubr., 19 p. DE BRUYNE F. (1996): Tribologische proeven op onze stift-schijfmachines, ERTA EPEC B8700 TIELT, Belgium (Vizsgálati Jegyzőkönyv) Nr. 005-96 DEKEMPENEER E. et al. (1997) in C. Venkatraman, C. Brodbeck, R. Lei: Tribological properties of diamond-like nanocomposite coatings at high temperatures, Surface and Coatings Technology Vol. 115 (1999) 215-221. p. DOWSON D. (1979): History of tribology, London: Longman Group Limited, 614 p. DSM EPP (jelenleg: Quadrant Engineering Plastic Products): Delivery programme edition 1999-2000, Het Overloon 1-Postbus 6500-6401 JH Heerlen NL. 92 p.

- 127 -

Irodalomjegyzék

[23] ELEŐD A. et al. (2000): Numerical and experimental investigations of diamond/DLC friction under atomic hydrogen. 7th International Conference on Tribology. Budapest, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2000. sept. 4.-5. I. 322-325. p. [24] FARKAS F., FARKAS F. J. (1997): Ragasztási kézikönyv, Budapest: Műszaki Könyvkiadó, 35-43 p. [25] FAYEULLE S., VANNES A. B., VINCENT L. (1993): Mécanique Physique, Department Materiaux-BP 163 69131 ECULLY CEDEX France. 187-191. p. [26] FEINPRÜF Perthen GmbH, Surface texture parameters, Definitions, D-3400 Goettingen P.O.Boksz 1853 [27] FORÁNYI F. (2002): Erősített polimer-fém csúszópárok teherbírásának vizsgálata, Diploma munka, Budapest: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki Kar [28] FRANKLIN S., KRAKER A.(2003): Investigation of counterface surface topography effects on the wear and transfer behaviour of POM-20% PTFE composite. Wear, Vol.255 766-773. p. [29] FÜZES L. KELEMEN A.-né (1989): Műszaki polimerek zsebkönyve. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. [30] GONG D., XUE Q., WANG H. (1991): Physical models of adhesive wear of polytetrafluoroethylene and its composites. 14 p. In: GODA T. (2002): Kompozit-acél csúszópárok kopási mechanizmusai, PhD értekezés, BME Budapest. 112 p. [31] GRISCHKE M. et al. (1998): Variation of the wettability of DLC-coatings by network modification using silicon and oxygen. Diamond and Related Materials, Volume 7, Issues 2-5, 454-458. p. [32] HALÁSZ L., ZRÍNYI M. (1974): Bevezetés a polimerfizikába. Budapest: Műszaki Könyvvkiadó. [33] HAMROCK B. J., JACOBSON B., SCHMID S. R. (1999): Fundamentals of machine elements. WCB McGraw-Hill. [34] HARRIS S. J. et al. (1997) in KESTER D. J., et al., A: Sliding wear behaviour of diamondlike nanocomposit coatings, Surface and Coatings Technology Vol. 113 (1999) 268-273. p. [35] HORÁNSZKY, SZABÓ, TURI (1979): Polimerek a mezőgazdaságban. Budapest: Műszaki Könyvkiadó [36] HUTCHINGS I. M. (1992): Tribology, friction and wear of engineering materials. London: Edward Arnold. 266 p. [37] JAIN V. K., BAHADUR S. (1982): Experimental verification of a fatique wear equation. Wear, Vol. 79 241-253. p. [38] JÓRI J. I. (1982-1985): Zárójelentés a különböző szántóvasakkal és kormánylemezekkel (fém és polimer) szerelt eketestek élettartam növelésére és energiaigény csökkentésére irányuló vizsgálatok, MÜFA. Témaszám: MÉM II. C-81-80-1, MÉMMI 1, 22, 12, 2604-15. p. [39] KALACSKA G. et al. (1997): Műszaki polimerek gépészeti alapjai. Sopron: Minerva-Sop Bt. [40] KAR M. K., BAHADUR S. (1974): The wear equation for unfilled and filled polyoxymethylene. Wear, Vol. 30 337-348. p. [41] KERESZTES R, KALÁCSKA G. (2001): The effect of internal oil lubrication for different cast PA 6G. Workshop, Bilateral Belgian-Hungarian Research Project BIL 98/72 (Tribology of self-lubricating polymers) Gent (Belgium) 30/11/2001 [42] KESTER D. J. et al. (1999): Sliding wear behaviour of diamond-like nanocomposit coatings. Surface and Coatings Technology, Vol. 113 268-273. p. [43] KIS G., BARTHA L., BALADICZ J. (2002): PIB-Polysuccinimide type additives with complementary AF and AW effect. Lubricants, Materials and Lubrication Engineering 13. Int. Colloqium Tribology, january 15-17, 2002 Technische Akademie Esslingen. 1 525-531. p. [44] KISLINDER E. (1999): Polimer súrlódó felületek tribológiai tulajdonságainak vizsgálata. Gép, 50 (11) 50-53. p. - 128 -

Irodalomjegyzék

[45] KISLINDER E., KOZMA M. (2000): Comparative investigation of the tribologicak properties of sliding polymer elements. Gépészet 2000, Budapest. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem,. május 25.-26., 1 210-214. p. [46] KISMARTY L. (1972): Gépipari táblázatok. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 787 p. [47] KLING M., LEMMER. O. (2004): Which coating is capable of what. CemeCon Facts, 20 April. [48] KOZMA M. (2001): Tribológia. Budapest: Műegyetemi Kiadó. Ja: 41084. 171 p. [49] KOZMA M., KALACSKA G. (1998): Abrasive wear of polymers, In: Proceedings of the First Conference on Mechanical Engineering (Gépészet ’98). May 28-29. 157-161. p. [50] KOZMA M., KISLINDER E. (1999): Polimerek abráziós kopásának vizsgálata. Műanyag és Gumi, 36 (10) 326-331. p. [51] KOZMA M., KISLINDER E. (2001): Kenés hatása a súrlódó elemek súrlódására és kopására. Gépgyártás, 41 (7-8) 19-24. p. [52] KUROKAWA M., UCHIYAMA Y., NAGAI S. (2000): Tribological properties and gear performance of polyoxymethylene composites, Journal of Tribology, Transactions of the ASME, Vol. 122. (4) 809-815. p. [53] LANDTECHNISCHE VORSCHUNG, (1962) Aachen II. [54] LEE L. H. (1974) Effect of surface energetic on polymer friction and wear, in: L.H. Lee (Ed.), Advances in polymer friction and wear, Vol. 5 A, Plenum Press, New York, 31 p. [55] LOBIONDO N.E. (1997) in C. Venkatraman, C. Brodbeck, R. Lei.: Tribological properties of diamond-like nanocomposite coatings at high temperatures, Surface and Coatings Technology Vol. 115 (1999) 215-221. p. [56] LUDEMA K. C. (1992): Sliding and adhesive wear, ASM Handbook. Friction, Lubrication, and Wear Technology. ASM. Vol. 18 [57] MACSKÁSI L. (1996): Polimerek előállításának kémiai és műveleti alapjai. s.l.: Abigél Bt. [58] MERGLER Y. J., SCHAAKE R. P., HUIS IN'T VELD A. J. (2003): Material transfer of POM in sliding contact. Wear, Vol. 256 294-301. p. [59] MÜLLER U. et al., (1999): Tribological properties of diamond-like nanocomposite coatings at high temperatures. Surface and Coatings Technology, Vol. 115 215-221. p. [60] NEERINCK D. et al. (1998): Diamond-like nanocomposite coatings (a-C:H/a-Si:O) for tribological applications, Diamond and Related Materials, Vol. 7 468-471. p. [61] ODI-OWEI S., SCHIPPER D .J. (1991): Tribological behaviour of unfilled and composite polyoximethylene. Wear, Vol. 148 363-376. p. [62] OLÁH ZS., SZIRMAI L., RESOFSZKI G. (2004): A new aspect of the evaulation of diesel fuel lubricity properties. 8th International Conference on Tribology. In: Proceedings. 2004. június 3-4. Veszprém 194-197. p. [63] OVAERT T. C., RAMACHANDRA S. (1997): Wear particle formation of polymers against smooth hardened steel counterfaces. 12-13. p. In: GODA T. (2002): Kompozit-acél csúszópárok kopási mechanizmusai, PhD értekezés, BME Budapest. 112 p. [64] PÉK L. (1993): Fémes és nemfémes szerkezeti anyagok. SZIE egyetemi jegyzet, Gödöllő [65] PÉK L. (Szerk.) (2000): Anyagszerkezettan és anyagismeret. Budapest: Dinasztia Kiadó, 399 p. [66] PLINT & PARTNERS LTD. (2001): Delivery programme edition. England: Newburry, Berkshire, RG20 6NB [67] PLINT (1995): Operating instructions TE 77 High Frequency Friction Machine, Workingham, Berkshire [68] POOLEY D. M., TABOR D. (1972): Friction and molecular structure: the behaviour of some thermoplastics. Proc. Roy. Soc. Lond. A. Vol. 329 251.p. [69] RABINOVICZ E. (1965): The friction and wear of materials, John Wiley and Sons, New York - 129 -

Irodalomjegyzék

[70] RATNER J. B. et al. (1964): Connection between wear resistance of plastics and other mechanical properties. Soviet Plastics, Vol. 12 (7) 37, 145 p. [71] RYMUZA Z. (1991): Adhesion and wear in miniature plastic bearings. Wear, Vol. 142 185193. p. [72] SAUGER E. et al. (2000): Tribologically transformed structure in frettig. Wear, Vol. 245 3952. p. [73] SEABRA L. C., BAPTISTA A. M. (2002): Tribological behaviour of grade polymers against stainless steel ni dry sliding and with sugar. Wear, Vol. 253 394-402. p. [74] SZABÓ A. (1966): Polimerek alkalmazása a mezőgazdasági gépgyártásban. Budapest: Mezőgép és Malomgépfejlesztő Intézet (MMFI) jelentésszám: 624 [75] TAKARMÁNYSZERVÍZ KFT. (2002) Műszaki információ [76] TAMOR M. A. et al. (1999): Tribological properties of diamond-like nanocomposite coatings at high temperatures. Surface and Coatings Technology. Vol. 115 215-221. p. [77] UETZ H., WIEDEMEYER J. (1985): Tribologie der Polymere. München, Wien: Carl Hanser Verlag. 378 p. [78] VALASEK I, SZOTA Gy. (2002): A tribológia alapjai. [Budapest: Tribotechnik Kft.] (Tribológia 1) 102 p. [79] VÁMOS E. (1969): Elméleti kenéstechnika (Tribológia I.), szakménöki jegyzet. Budapesti Műszaki Egyetem. Budapest: Tankönyvkiadó. Ve. 146. [80] VAN DE VELDE F., DE BAETS P. (1997): The friction and wear behaviour of polyamide 6 sliding against steel at low velocity under very high contact pressures. Wear, Vol. 209 106114. p. [81] VARGA J. (1984) : Műanyagok fizikája. Kézirat. Budapest: BME-MTI. [82] VENKATRAMAN C. (1996): Diamond-like Nanocomposite Coatings - A New Class of Materials, T.S. Sudarshan, W. Reitz, J.J. Stiglich (Eds.), Surface Modification Technologies IX The Minerals & Materials Society [83] VENKATRAMAN C., BRODBECK C., LEI R. (1999): Tribological properties of diamondlike nanocomposite coatings at high temperatures. Surface and Coatings Technology, Vol. 115 215-221. p. [84] VERCAMMEN K. et al. (2000): Diamond like carbon for wear and anti-sticking applications. 7th International Conference on Tribology. Budapest, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2000. sept. 4.-5., I. 232-233. p. [85] VISWANATH N., BELLOW D. G. (1995): Development of an equation for the wear of polymers. Wear, Vol. 181-183 42-49. p. [86] WAZAU G. (1999): Manual tribometer TYPE TRM 1000. Georg Wazau Mess-und Prüfsysteme GmbH, 10589 Berlin, 42. p. [87] WHEELER D. R. (1991): The transfer of polytetrafluorethylene studied by X-ray photoelectron-spectroscopy. Wear, Vol. 148 363-376. p. [88] Workshop, Bilateral scientific and technological co-operation Belgium-Hungary Contract BIL 98/72: Tribological research of up tu date, environment-friendly self-lubricating bearing materials Vito, Mol (Belgium), 27/10/2000 [89] YAMAGUCHI Y. (1990): Tribology of plastic materials. Amsterdam: Tribology series 16, Elsevier. [90] YANG W. J. et al. (2003): Thermal stability evaluation of diamond-like nanocomposite coatings. Thin Solid Films Vol. 434 49-54. p. [91] ZALAI A. 1970: Kenőanyagok vizsgálata, szakmérnöki jegyzet, Ve. 151. Budapesti Műszaki Egyetem. Budapest: Tankönyvkiadó. [92] ZHOU Z. et al. (1997): Nucleaton and early growth of tribologically transformed structure (TTS) induced by fretting. Wear, Vol. 212 50-58. p. - 130 -

Irodalomjegyzék

[93] ZSIDAI L. et al. (2002): The tribological behaviour of engineering plastics during sliding friction investigated with small-scale specimens, Wear, Vol. 253 673-688. p. [94] ZSIDAI L. et al. (2004): Friction and thermal effects of engineering plastics sliding against steel and DLN-coated counterfaces. Tribology Letters. Vol. 17 No. 2. August 2004, 269-288 p. [95] ZSIDAI L., PÁLINKÁS I. (2002): Korszerű műszaki műanyagok a mezőgazdasági gépiparban. Gépesítési Társaság Jubileumi Országos Gépesítési Tanácskozás, Gyöngyös

- 131 -

Mellékletek jegyzéke

MELLÉKLETEK JEGYZÉKE

1. melléklet 2. melléklet 3. melléklet 4. melléklet 5. 6. 7. 8.

melléklet melléklet melléklet melléklet

9. melléklet 10. melléklet

A mérési folyamat lépéseinek logikai sorrendje A berendezés monitorján látható súrlódási tényező és az acél tárcsa test hőmérséklet görbéje A HENGER-SÍK modell rendszerben mért súrlódási tényezők görbéi és az azokból nyert maximális és állandósult súrlódási tényező értékek és szórásaik A HENGER-SÍK modell rendszerben mért teljes úthosszra vonatkoztatott fajlagos kopás értékek és szórásaik A felületi energia mérésénél készített jegyzőkönyvek Az acél és a DLN felületen kialakult polimer rétegekről készített felvételek Az Rz2-Rz1 érdességmérések eredményei (HENGER-SÍK rendszerben) Polimer filmek érdességi profiljai az ellendarab felületén (TŰ-TÁRCSA rendszerben) A vizsgált polimerek kúszás és rugalmas alakváltozás vizsgálatai A vizsgálatban szereplő anyagok jellemzői

- 132 -

MELLÉKLETEK

- 133 -

1. melléklet

A mérések előkészítése: - mintadarabok előkészítése (tisztítás, méretellenőrzés) - berendezések beállításai („0” pont és a terhelés Mintadarabok kiindulási jellemzőinek megállapítása: - méretek - (súly) - felületi érdesség MÉRÉS (konkrét mérések elvégzése adott terhelés, sebesség, idő, hőmérséklet, páratartalom és felületi érdesség mellett) Mintadarabok jellemzőinek megállapítása, a mérést követően: - méretek - (súly) - felületi érdesség Kiértékelés: - a súrlódási tényezők ábrázolása különböző diagrammokon - a fő súrlódási paraméterek meghatározása - a kopás meghatározása a mert méretekből - folyamatok vizsgálata - a csúszási felületek összehasonlítása, értékelés

M1/1. ábra. A mérési folyamat lépéseinek a sorrendje, és a közöttük lévő kapcsolat

- 134 -

2. melléklet

M2/1. ábra. Példa a vizsgáló berendezés monitorján megjelenített súrlódási tényező és acél tárcsa test hőmérsékleti görbéjére

- 135 -

3. melléklet PETP k 2óra/100N, S felület (teszt 41)

PETP k, 2óra/100N, D felület (teszt 71)

0.5



0.6

0.4 0.3 0.2

--- Statikus súrl. tény. --- Dinamikus súrl. tény.

0.1 0 0

500

1000

1500

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

2000

--- Statikus súrl. tény. --- Dinamikus súrl. tény. 0




0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

1500

2000

0



0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1500

1000

1500

2000


0.6

1000

500


PETP k 2óra/100N, S felület (teszt 61)

500

2000

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0


0

1500


0.6

500

1000


PETP k 2óra/100N, S felület (teszt 51)

0

500

2000


0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

500

1000

1500

2000


M3/1. ábra. PETP k statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer I. kategóriában

- 136 -

3. melléklet PETP k, 1óra/200N, S felület (teszt 11)

PETP k, 1óra/200N, D felület (teszt 21) 0.35

0.3



0.35 0.25 0.2 0.15

--- statikus súrl. tény. --- dinamikus súrl. tény.

0.1 0.05 0

0.3 0.25 0.2 0.15


0.1 0.05 0

0

200

400

600

800

1000

0


600

800

1000


0.4

0.35

0.35

0.3



400


PETP k, 1óra/200N, S felület (teszt 31)

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

0

200

400

600

800

0

1000


200

400

600

800

1000


PETP k, 1óra/200N, S fel. (teszt 111)


0.35

0.4

0.3

0.35



200

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

0

200

400

600

800

1000


0

200

400

600

800

1000


M3/2. ábra. PETP k statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer II. kategóriában

- 137 -

3. melléklet POM-H, 2óra/100N, S felület (teszt 61)

POM-H, 2óra/100N, D felület (teszt 41)



0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2


0.1 0 0

500

1000

1500

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0


2000

POM-H, 2óra/100N, S felület (teszt 91)

1500

2000

POM-H, 2óra/100N, D felület (teszt 51) 0.6


0.6


1000



0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

500

1000

1500

0

2000


500

1000

1500

2000


POM-H, 2óra/100N, S fel. (teszt 111)

POM-H, 2óra/100N, D felület (teszt 101) 0.5

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0



500

0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

500

1000

1500

2000


0

500

1000

1500

2000


M3/3. ábra. POM-H statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer I. kategóriában

- 138 -

3. melléklet POM-H, 1óra/200N, S felület (teszt 121)


0.6



0.7 0.5 0.4 0.3 0.2


0.1 0 0

200

400

600

800

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0


1000




0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400

600

800

1000

0



0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 600

200

400

600

800

1000


0.7

400

1000



200

800

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0


0

600


0.7

200

400



0

200

800

1000

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

200

400

600

800

1000



M3/4. ábra. POM-H statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer II. kategóriában

- 139 -

PA 6G k, 2óra/100N, S felület (teszt 71)

PA 6G k, 2óra/100N, D felület (teszt 81)

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0


0.8



3. melléklet

0.6 0.4 0.2 0 0

500

1000

1500

2000

--- statikus súrl. tény. --- dinamikus súrl. tény. 0




0.8 0.6 0.4 0.2 0 1000

1500

2000

0



0.8 0.6 0.4 0.2 0 1500

1000

1500

2000

PA 6G k, 2óra/100N, D fel. (teszt 121)

1

1000

500


PA 6G k, 2óra/100N, S fel. (teszt 101)

500

2000

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0


0

1500

PA 6G k, 2óra/100N, D fel. (teszt 111)

1

500

1000


PA 6G k, 2óra/100N, S felület (teszt 91)

0

500

2000


0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

500

1000

1500

2000


M3/5. ábra. PA 6G k statikus és din. súrlódási tényezöje HENGER-SÍK rendszer I. kategóriában

- 140 -

3. melléklet PA 6G k, 1óra/200N, D felület (teszt 11)

PA 6G k, 1óra/200N, S felület (test 41)

0.7



0.6 0.5 0.4 0.3 0.2


0.1 0

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2


0.1 0

0

200

400

600

800

1000

0


200

400

600

800

1000






0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0 0

200

400

600

800

0

1000

200

400

600

800

1000





0.6



0.7 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

200

400

600

800

1000


0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

200

400

600

800

1000


M3/6. ábra. PA 6G k statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer II. kategóriában

- 141 -

3. melléklet PA 6G, 2óra/100N, S felület (teszt 351)

PA 6G, 2óra/100N, D felület (teszt 331) 1.2



1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4


0.2 0

1 0.8 0.6 0.4


0.2 0

0

500

1000

1500

2000

0


1500

2000

PA 6G, 2óra/100N, D felület (teszt 341) 1.4


1.4


1000


PA 6G, 2óra/100N, S felület (teszt 371)

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

500

1000

1500

2000

0


500

1000

1500

2000



PA 6G, 2óra/100N, D felület (teszt 361)

1.4

1.4

1.2

1.2



500

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

500

1000

1500

2000


0

500

1000

1500

2000


M3/7. ábra. PA 6G statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer I. kategóriában

- 142 -

3. melléklet PA 6G, 1óra/200N, S felület (teszt 301)

PA 6G, 1óra/200N, D felület (teszt 271) 1



1 0.8 0.6 0.4


0.2 0

0.8 0.6 0.4


0.2 0

0

200

400

600

800

1000

0


600

800

1000



1


400



0.8 0.6 0.4 0.2 0

0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

200

400

600

800

1000

0


200

400

600

800

1000





1


200

0.8 0.6 0.4 0.2 0

0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

200

400

600

800

1000


0

200

400

600

800

1000


M3/8. ábra. PA 6G statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer II. kategóriában

- 143 -

3. melléklet PA 6G-Mg, 2óra/100N, D felület (teszt 41)

1.6

1.6

1.4

1.4



PA 6G-Mg, 2óra/100N, S felület (teszt 51)

1.2 1 0.8 0.6


0.4 0.2 0

1.2 1 0.8 0.6


0.4 0.2 0

0

500

1000

1500

2000

0


1500

2000

PA 6G-Mg, 2óra/100N, D fel. (teszt 101)

1.6

1.6

1.4

1.4



1000



1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

500

1000

1500

0

2000


500

1000

1500

2000




1.6

1.6

1.4

1.4



500

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

500

1000

1500

2000


0

500

1000

1500

2000


M3/9. ábra. PA 6G-Mg statikus és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer I. kategóriában

- 144 -

3. melléklet PA 6G-Mg, 1óra/200N, D felület (teszt 21)

1.2

1.4

1

1.2




0.8 0.6 0.4

--- statikus súrl. tény. --- dinamikus súrl. tény.

0.2 0

1 0.8 0.6 0.4


0.2 0

0

200

400

600

800

1000

0

200


800

1000

PA 6G-Mg, 1óra/200N, D felület (teszt 61)

1.2

1.4

1

1.2



600



0.8 0.6 0.4 0.2 0

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

200

400

600

800

1000

0


200

400

600

800

1000




1.2

1.4

1

1.2



400

0.8 0.6 0.4 0.2

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0 0

200

400

600

800

1000

0

200

400

600

800

1000



M3/10. ábra. PA 6G-Mg stat. és din. súrlódási tényezője HENGER-SÍK rendszer II. kategóriában

- 145 -

100

1.26

PA 6G 200

0.94 S 0.89

0.603

0.92

0.879

100

0.574 0.586 0.035 0.625

0.173

0.545 0.574 0.025

0.523 0.509

0.54

0.447

0.36 0.49 0.121 0.301 0.290 0.336 0.080 S 0.59

0.290

0.53

0.429

0.37 0.37 0.022 0.055 0.312 0.322 0.011

0.314

0.425 0.351 0.089

0.221

0.252 0.266 0.290 0.035 0.274 0.232 0.344 0.098 0.414 0.239 0.235 0.015

0.210

0.247

0.218

0.54

0.022 0.497

0.396

0.028 0.305 0.276

0.29

0.064 0.254

D 0.31 0.31 0.026 0.34

0.036

0.215

0.040 0.099

0.213

0.005 0.011

0.319

0.011

0.218

0.219

0.004

0.189

0.008

0.182

0.013

0.196 0.189

0.189 0.174

0.009

0.223 0.027

0.196 0.198 0.011 0.052

0.218 0.216

0.230 0.210

0.027

0.331 0.019

0.216 0.221 0.008 0.036

0.310 0.317

0.346 0.034

0.290 0.290 0.015

0.31

0.317 0.331 0.331 0.015

0.375 0.380 0.014

0.41 S 0.31 0.32 0.011

0.038

0.519 0.514 0.015

0.33

0.019 0.048

0.261 0.037

0.334

D 0.39 0.4 0.010

0.252

0.196

0.385 0.028

0.189

0.39

0.526

0.079 0.197

0.274 0.243

0.210

0.024 0.370

0.293

0.237

0.331 0.199

0.245

0.218

0.39

0.039 0.096

0.266 0.088

0.319

0.55

0.494

0.230

0.375 0.099

0.382

D 0.34

S 0.55 0.55 0.009

0.370 0.920

0.589 0.063

0.589

0.375

0.513 0.436

0.749

D 0.43

Átlagértékek szórása (sa)

Átlag

0.559

0.86

0.398

0.090 0.223

0.396 0.086

0.450

0.56

0.437

0.540

0.591 0.350

0.375

0.589

0.331

0.072 0.179

0.735 0.127

0.770

S 0.35

Szórás (s)


Szórás (s)

Átlag

Dinamikus súrlódási tényező max

0.692 0.646 0.051

D 0.9

0.42 0.46 0.064 0.160 0.382 0.401 0.040 POM-H

0.730

0.656

0.692

0.86 0.89 0.029 0.072 0.792 0.758 0.141

0.64 0.51 0.149 0.370 0.576 0.435 0.127

200

0.800

0.786 0.404

0.966

0.93 0.9 0.037 0.091 0.879 0.799 0.070

100

0.071

0.656

1.183

1.15 1.04 0.105 0.261 0.677 0.778 0.163

PETP k

0.843 0.815 0.029

1.146

D

200

0.065


1.29 1.27 0.015 0.036 1.197 1.175 1.165 S


Szórás (s)

Átlag

statikus súrlódási tényező


Szórás (s)

Átlag

Vizsgált polimer

Felületi minőség statikus súrlódási tényező max

Normál terhelés, FN [N]

3. melléklet

0.019

0.181 0.028

0.167

0.290 0.278 0.021

0.189 0.186 0.011

0.189

0.290

0.196

0.189

0.032

M3/11. ábra. Az ismételt görbékből meghatározott statikus és dinamikus tényezők maximális és stabilizálódott értékei, ezek szórása, valamint az átlagértékek szórása

- 146 -


Szórás (s)

Átlag



Szórás (s)

Átlag

Dinamikus súrlódási tényező max


Szórás (s)

Átlag

statikus súrlódási tényező


Szórás (s)

Átlag

statikus súrlódási tényező max

Felületi minőség

Vizsgált polimer


3. melléklet

0.670 0.795 0.109 0.270 0.620 0.379 0.209 0.518 0.396 0.507 0.096 0.238 0.360 0.223 0.119 0.295

100

S

0.865

0.266

0.562

0.158

0.851

0.252

0.562

0.151

0.735

0.692

0.454

0.425

0.793

0.721

0.476

0.432

0.501 0.489 0.048 0.120 0.334 0.344 0.009 0.021 0.327 0.307 0.040 0.100 0.189 0.218 0.033 0.082 S

200

PA 6 G k

0.779 0.769 0.030 0.075 0.677 0.697 0.022 0.056 0.497 0.476 0.022 0.053 0.411 0.423 0.011 0.027 D

0.436

0.349

0.261

0.254

0.530

0.349

0.334

0.210

0.581 0.569 0.035 0.086 0.552 0.535 0.036 0.089 0.349 0.346 0.011 0.028 0.342 0.334 0.013 0.032 D

0.530

0.494

0.334

0.319

0.596

0.559

0.356

0.341

1.298 1.356 0.054 0.135 1.211 1.240 0.026 0.065 0.851 0.913 0.054 0.133 0.757 0.829 0.066 0.164

100

S

1.406

1.247

0.944

0.887

1.363

1.262

0.944

0.843

1.197

1.096

0.721

0.605

1.377

1.226

0.822

0.721

1.061 1.025 0.045 0.112 1.018 0.962 0.068 0.168 0.683 0.652 0.033 0.081 0.676 0.627 0.051 0.127 S

0.974 1.039

200

PA 6 G-Mg

1.298 1.291 0.090 0.224 1.211 1.178 0.071 0.177 0.757 0.767 0.051 0.127 0.692 0.673 0.130 0.323 D

0.887

0.618

0.574

0.981

0.654

0.632

1.076 0.022 0.055 1.098 0.981 0.102 0.254 0.749 0.724 0.031 0.076 0.647 0.630 0.015 0.038 D

1.054

0.908

0.690

0.625

1.098

0.938

0.734

0.618

M3/12. ábra. Az ismételt görbékből meghatározott statikus és dinamikus tényezők maximális és stabilizálódott értékei, ezek szórása, valamint az átlagértékek szórása

- 147 -

4. melléklet


Vizsgált polimer

Felületi minőség

S 100 D PETP k S 200 D S 100 D POM-H S 200 D S 100 PA 6G k

D S

200 D

Mért kopás magasság, [mm]

0.036 0.048 0.030 0.024 0.031 0.035 0.029 0.020 0.017 0.024 0.026 0.029 0.007 0.006 0.012 0.025 0.023 0.035 0.012 0.015 0.014 0.017 0.020 0.018 0.024 0.125 0.088 0.496 0.487 0.456 0.071 0.044 0.081 0.137 0.153 0.135

Átlagolt kopás magasság Átlagér Kopás Szórás tékek Átlag terfogat, szórás (s) 3 [mm ] a (sa)

Fajlagos kopás, [mm3/N-1 m-1]

0.038 0.009 0.022

0.292

1.46E-06

0.030 0.006 0.014

0.205

1.02E-06

0.022 0.006 0.016

0.150

6.54E-07

0.026 0.003 0.006

0.165

8.21E-07

0.008 0.004 0.009

0.030

1.51E-07

0.027 0.007 0.017

0.180

8.99E-07

0.013 0.001 0.003

0.049

2.43E-07

0.018 0.002 0.004

0.180

8.99E-07

0.079 0.051 0.126

1.170

4.79E-06

0.479 0.021 0.052 12.724 6.35E-05

0.065 0.019 0.048

0.661

3.30E-06

0.142 0.010 0.024

2.082

1.04E-05

M4/1. ábra. A mért teljes csúszási útra vonatkoztatott fajlagos kopás ismételt értékei és az értékek szórása, valamint az átlagértékek szórása

- 148 -

4. melléklet


Vizsgált polimer

Felületi minőség

S 100 D PA 6G S 200 D S 100 D PA 6G-Mg S 200 D

Mért kopás magasság, [mm]

0.237 0.081 0.170 0.284 0.203 0.316 0.072 0.054 0.071 0.127 0.340 0.416 0.101 0.089 0.114 0.137 0.137 0.114 0.199 0.146 0.187 0.794 0.706 0.620

Átlagolt kopás magasság Átlagér Kopás Szórás tékek Átlag terfogat, szórás (s) [mm3] a (sa)

Fajlagos kopás, [mm3/N-1 m-1]

0.163 0.078 0.194

2.713

1.35E-05

0.268 0.058 0.145

5.453

2.72E-05

0.066 0.010 0.025

0.757

3.33E-06

0.294 0.150 0.371

7.238

3.29E-05

0.101 0.012 0.030

1.260

6.29E-06

0.129 0.013 0.032

1.830

9.13E-06

0.177 0.028 0.069

2.920

1.46E-05

0.707 0.087 0.215 22.627 1.13E-04

M4/2. ábra. A mért teljes csúszási útra vonatkoztatott fajlagos kopás ismételt értékei és az értékek szórása, valamint az átlagértékek szórása

- 149 -

5. melléklet

M5/1. ábra.„CSEPP TESZT” jegyzőkönyv előlap és acél felületi energia eredmények

- 150 -

5. melléklet

M5/2. ábra. Acél felületi energia eredmények

- 151 -

5. melléklet

M5/3. ábra. DLN felületi energia eredmények

- 152 -

5. melléklet

M5/4. ábra. PETP k felületi energia eredmények

- 153 -

6. melléklet

M6/1. ábra. DLN és acél bevonaton letapadt polimer rétegekről készült felületi felvételek TŰTÁRCSA I. vizsgálati kategóriát követően (r=14mm)

- 154 -

6. melléklet

M6/2. ábra. DLN és acél bevonaton letapadt polimer rétegekről készült felületi felvételek TŰTÁRCSA I. vizsgálati kategóriát követően (r=21mm)

- 155 -

6. melléklet

M6/3. ábra. DLN és acél bevonaton letapadt polimer rétegekről készült felületi felvételek TŰTÁRCSA II. vizsgálati kategóriát követően (r=14mm)

- 156 -

6. melléklet

M6/4. ábra. DLN és acél bevonaton letapadt polimer rétegekről készült felületi felvételek TŰTÁRCSA II. vizsgálati kategóriát követően (r=21mm)

- 157 -

7. melléklet Vizsgált polimer

Vizsgálati időtartamterhelés 2h-100N

PETP k 1h-200N

2h-100N POM H 1h-200N

2h-100N PA 6G k 1h-200N

2h-100N PA 6G 1h-200N

2h-100N PA 6G Mg 1h-200N

Felület minőség S D S D

Rz1 átlag [m] 0,49 1,05 0,59 0,87

Rz2 átlag [m] 0,59 1,56 0,59 0,85

Rz2átlag-Rz1átlag [m] 0,1 0,52 0 -0,02

S D S D

0,77 0,8 0,65 0,82

0,69 0,9 0,71 0,85

-0,07 0,1 0,06 0,02

S D S D

0,73 1,36 0,5 -

0,7 1,28 0,61 -

-0,03 -0,08 0,11 -

S D S D

0,83 0,96 0,37 0,9

1,87 3,38 1,85 2,99

1,03 2,42 1,48 2,09

S D S D

0,46 1,09 0,52 1,03

1,04 2,2 2,13 1,05

0,58 1,11 1,61 0,02

M7/1. ábra. Rz2 és Rz1 átlagos egyenetlenség magasságok különbsége, a HENGER-SÍK, laboratóriumi modell rendszerben letapadt polimer rétegek vastagságának összehasonlítására (

- 158 -

8. melléklet PETP k

POM-H

PA 6G k

M8/1. ábra. Polimer filmek az ellendarab felületén az érdességi profil kirajzolásáva, a TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben az I. vizsgálati kategóriában

- 159 -

8. melléklet PA 6G

PA 6G Mg

M8/2. ábra. Polimer filmek az ellendarab felületén az érdességi profil kirajzolásáva, a TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben az I. vizsgálati kategóriában

- 160 -

8. melléklet

PETP k

POM H

PA 6G k

M8/3. ábra. Polimer filmek az ellendarab felületén az érdességi profil kirajzolásáva, a TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben az II. vizsgálati kategóriában

- 161 -

8. melléklet PA 6G

PA 6G Mg

M8/4. ábra. Polimer filmek az ellendarab felületén az érdességi profil kirajzolásáva, a TŰ-TÁRCSA laboratóriumi modell rendszerben az II. vizsgálati kategóriában

- 162 -

9. melléklet Kúszás A vizsgált polimerek alakváltozási képességének a bemutatására nézzük meg a mérések során is alkalmazott legnagyobb terhelés (200 N) alatti kúszási viselkedésüket, az M9/1. ábra segítségével. A kúszás mérések során a mintadarabok mérete és megfogásuk módja megegyezett a kopás vizsgálatoknál megismertekkel, a vizsgálat során csúszósúrlódás nem lépett fel így statikus vizsgálatnak tekinthetők.

M9/1. ábra. A vizsgálatban szereplő polimerek 200 N nyugvó terhelés alatti kúszásgörbéi, 1 óra időtartamban Az M9/1. ábrában látható kúszás görbék megfelelnek a vizsgált polimerek eddig tárgyalt mechanikai jellemzőinek. A kúszás a legkisebb a PETP k-nál, a legnagyobb pedig a PA 6G és PA6G-Mg-nál.

Rugalmas alakváltozás meghatározása az eredeti vizsgálatok során A konkrét (II. mérési kategória érdes felületén történő csúszó súrlódásnak megfelelően) vizsgálatokkal megegyező körülmények között végeztem a méréseket azzal a különbséggel, hogy időközönként a gépet megállítottam, és megmértem a kopás és a deformáció tényleges értékét. A módszer magyarázatához nézzünk példaként egy ezen a módon elemzett kopás görbét, amely az M9/2. ábrán látható. A vizsgálat során adott időközönként megállítottam a mérést, majd teher mentesítettem a vizsgált próbatestet és megmértem visszarugózását (a rugalmas alakváltozást). Ezt követően a korábbi szintre visszaterhelve a rendszert tovább folytattam a vizsgálatot. A terhelés FN=200 N volt, de mindig két lépcsőben terheltem vissza a mozdulatlan próbatestet. Elsőként az FN=100 N terhelést, majd az alakváltozás nagyságának lejegyzése után a 200 N-os terhelést is ráengedtem a próbatestre, és innen (arról a kopás értékről, ahol a megállításkor volt a rendszer) folytattam tovább a vizsgálatot a következő megállításig. A kopás és az alakváltozás a súrlódás megindulását követő rövid időszakban változik leginkább, amint ez a 47. ábrán látható. Ennek megfelelően, az első 150200 m-es csúszási úthosszon a mérési pontokat sűrűbben vettem fel (15Hz), majd ezt követően lecsökkentettem (5Hz) a mintavételek számát. - 163 -

9. melléklet

M9/2. ábra. Példa a deformáció nagyságának ellenőrzésére a mérés adott időnként történő megállításával (példa: PA 6G-Mg, 200N; „D” felület) Az M9/3. az M9/4. és az M9/5. ábra mutatja az előbbiek szerint meghatározott görbéket három vizsgált polimer esetében. A görbékből tisztán látszik a rugalmas alakváltozás jelentős hatása mindhárom polimer kopásánál.

Polimer próbatest normál irányú elmozdulása, [mm]

0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01

Rugalmas alakváltozás 100 N terhelésen

0.005

Rugalmas alakváltozás 100 N terhelésen

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Csúszási úthossz, [m] Vizsgálat közben mért elmozdulás+nyugalmi Hertz alakváltozás Rugalmas alakváltozás 200 N terhelésen Számított (korrigált) kopás 200 N terhelésen

------- mozgó átlag ----

M9/3. ábra. PETP k számított (korrigált) kopása, és ennek összetevői 200 N terhelés mellett, „D” felületen (rugalmas alakváltozás 100 N)

- 164 -

9. melléklet


0.12 0.1 0.08 0.06

0.04 0.02

Rugalmas alakváltozás 100 N terhelésen 0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400



M9/4. PA 6G-Mg számított (korrigált) kopása, és ennek összetevői 200 N terhelés mellett, „D” felületen (rugalmas alakváltozás 100 N)


0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0 0

200

400

600

800

1000

1200



M9/5. ábra. PA 6G k számított (korrigált) kopása, és ennek összetevői 200 N terhelés mellett, „D” felületen

- 165 -

9. melléklet Alakváltozás statikus mérése előre koptatott, majd terhelt próbadarabok segítségével A vizsgált polimereket pontosan mérhető módon, forgácsolással előre koptattam, majd a hengeres próbadarabot statikusan leterheltem F=100 N-nal és F=200 N-nal miközben mértem az alakváltozást (függőleges elmozdulást). A vizsgálat eredményei az M9/6. ábrában láthatók

M9/6. ábra. Alakváltozás mérések eredményei előre elkészített kopásnyommal rendelkező próbadarabokon

- 166 -

10. melléklet Tulajdonságok

Vizsg. elj. ISO/(IEC)

Mértékegység

1183 62

POM-H

PA 6G k

PA 6G

PA 6G-Mg vaj sárga 1,15-1,17

szürke

fehér

s. zöld

1,44

1,43

1,135

csont fehér 1,15

%

0,06/0,13

0,21/0,43

% %

0,23 0,47

0,2 0,85

0,66/1,2 4 2 6,3

0,65/1,2 4 2,2 6,5

°C -1 -1 WK m

255 0,29

175 0,31

220 0,28

220 0,29

Szín Sűrűség Víz felvétel -24/96 órás 23 °C-os vízben tartás után (1) -23 °C/50 % RH levegőn telítve -23 °C-os vízben telítve Hőmérsékleti jellemzők Olvadási hőmérséklet Hővezetési tényező 23 °C-on Lineáris hőtágulási együttható -középérték 23 °C és 60 °C között -középérték 23 °C és 100 °C között Felhasználhatóság maximális határhőmérséklete levegőn -rövid időszakokra (2) -folyamatosan: 5000/20000 h (3) Alsó használhatósági határhőm. (4) Mechanikai jellemzők 23 °C-on (5) Szakító vizsgálat (6) -folyási fesz./szakítószilárdság (7) (+) (++) -szakadási nyúlás (7) (+) (++) -rugalmassági modulus (8) (+) (++) Nyomópróba -1/2/5 % nyomószilárdság (+) Kúszásvizsgálat -1000 h alatt 1 % nyomószil. (+) (++) Ütőszilárdság - Charpy (9) (+) Fajlagos ütőmunka - Charpy (+) Golyó keménység (10) (+) Rockwell keménység (10) (+)

PETP k

gcm

-3

-1

-1

-6

-

mm K -1 -1 mm K

6510 -6 8510

9510 -6 11010

-6

8010 -6 9010

-6

8010 -6 9010

-6

°C °C °C

160 115/100 -20

150 105/90 -50

165 105/90 -20

170 105/90 -30

120 100/-

527 527 527 527 527 527

MPa MPa % % MPa MPa

-/76 -/76 7 7 3450 3450

78/78/35 35 3600 3600

70/45/25 >50 3000 1450

85/55/25 >50 3500 1700

-/95 -/75 60 250 3000 2000

604

MPa

24/47/95

899 899 179/1eU 179/1eU 2039-1 2039-2

MPa MPa -2 kJm -2 kJm MPa

23 23 >30 2,5 160 M 94

22/40/75 22/43/79 26/51/92 15 15 >200 10 160 M 88

18 8 >50 4 145 M 82

22 10 nincs 3,5 165 M 88

32/-/-

7 M 83

+: száraz próbatesten mérve ++: 23 °C / 50 % RH egyensúlyi állapotban mérve (1) 50 mm átmérőjű, 3 mm vastag tárcsán mérve. (2) Csak néhány órás időtartam, mikor az üzemi igénybevétel nulla vagy igen kicsi. (3) Hőállóság 5000 / 20000 órás időtartamra. Ez után az idő után a húzószilárdság megközelítőleg 50 %-kal csökken az eredetihez képest. A táblázati hőmérséklethatárokat a hőbomlás alapján határozták meg, de az üzem közben megengedett felső hőmérséklet jelentősen függ a terhelés nagyságától, időtartamától, változásának amplitúdójától is. (4) Alapvetően az ütőmunka érték szab határt, mivel a csökkenő hőmérséklettel csökken az ütőmunka érték. A megadott hőmérsékleteken igen kedvezőtlen körülmények között is elfogadható az ütőmunka értéke és természetesen azok nem tekinthetők abszolút határnak. (5) Tekintettel a POM és a PETP nagyon kis vízfelvételére, a mechanikai és elektromos tulajdonságok azonosnak vehetők a száraz (+) és nedves (++) környezet esetén. (6) 1. B típusú próbatest (7) Vizsgálati sebesség: 20 mm/min. (8) Vizsgálati sebesség: 1 mm/min. (9) Használt ütőinga: DIN 51222 (10) 10 mm vastag próbatesten mérve

M10/1. ábra. A vizsgálatban szereplő polimerek anyagjellemzői [DSM 2000; Kalácska et al. 1997]

- 167 -

- 168 -

Köszönetnyilvánítás Disszertációm elkészítésére a SZIE Gödöllő, Gépgyártás és Javítástechnológia Tanszékén, a Genti Egyetem Gépszerkezetek és Gépgyártás Tanszékén (Ghent University, Laboratory Soete), valamint a VITO Flamand Anyagvizsgálati Kutatóintézetében (Flemish Institute for Technological Research, Mol) nyílt lehetőségem. Éppen ezért mindenek előtt szeretnék köszönetet mondani témavezetőmnek, Dr. Kalácska Gábor egyetemi docensnek és társ-témavezetőmnek, Prof. Dr. Patrick De Baetsnek a sokéves szakmai támogatásért és a munkámhoz szükséges feltételek megteremtéséért. Külön szeretném köszönetemet kifejezni a Genti Egyetemen és a VITO Kutatóintézetben dolgozó belga kollégáknak a segítségért és a támogatásért. Ugyancsak köszönettel tartozom a tanszéki és tanszéken kívüli kollégáimnak, volt tanáraimnak a sok javaslatért és észrevételért, valamint az építő jellegű kritikákért. A külföldi munkákhoz nyújtott támogatásért ez úton is szeretném köszönetemet kifejezni az OTKA az OMFB TéT és a BIL pályázatokat biztosító szervezeteknek. Végül, de nem utolsósorban köszönöm családomnak, hogy végtelen türelemmel segítették ennek a munkának az elkészültét.

- 169 -

MŰSZAKI POLIMEREK TRIBOLÓGIAI KUTATÁSA KÜLÖNBÖZŐ RENDSZEREKBEN

Recommend Documents