Badania ciep³a tarcia

Pomiary ciep³a tarcia przeprowadzono dla materia³ów kompozytowych na osnowie PTFE charakteryzuj¹cych siê stosunkowo du¿¹ wartoœci¹ wspó³czynnika tarcia mie-szanego. Umo¿liwi³o to zminimalizowanie wp³ywu b³êdów pomiarowych na wyniki badañ, a zw³aszcza na przebieg zmian wartoœci wspó³czynnika udzia³u ciep³a K. Do badañ wytypowano dwa kompozyty o ró¿nej przewodnoœci cieplnej produkowane przez Zak³ady Azotowe SA w Tarnowie, w których objêtoœciowe udzia³y wype³niaczy wy-nosz¹ odpowiednio:

• PTFE +27% koksu – Tarflen TK25, • PTFE + 16% stali – Tarflen TSt-40.

Pierwszy z kompozytów zosta³ opisany podczas badañ tribologicznych (patrz rozdz. 4.2.1). Kompozyt Tarflen TSt-40 jest nowym materia³em œlizgowym, w którym jako wype³niacz zastosowano proszek stali nierdzewnej gatunku 316L produkcji firmy AMIL (odpowiednik stali X2CrNiMo17.12.2 PN-EN10088-1) w iloœci 16% objêtoœciowo (40% wagowo). Proszek stalowy ma postaæ nieregularnych ziarenek (o ziarnistoœci ok. 80 µm) i charakteryzuje siê wiêksz¹ odpornoœci¹ chemiczn¹ od br¹zu cynowego stosowanego alternatywnie jako metaliczny wype³niacz w kompozytach na osnowie PTFE.

Wszystkie pomiary ciep³a tarcia prowadzono w jednakowych warunkach wymiany ciep³a z otoczeniem, tj. w ustalonej temperaturze oleju T_ol = 60± 0,1 °C, w temperatu-rze otoczenia T_o = 24 °C oraz dla sta³ej prêdkoœci obrotowej tarczy stalowej mieszaj¹-cej olej n = 285 obr/min, co odpowiada³o prêdkoœci œlizgania v = 3 m/s.

W pierwszym etapie badañ przeprowadzono pomiary ciep³a tarcia dla ró¿nych na-cisków jednostkowych p, uzyskuj¹c dziêki temu ró¿ne wartoœci mocy tarcia P_Ft. War-toœci œrednie wyników badañ przedstawiono w tabeli 5.1.

Z przedstawionego na wykresie (rys. 5.2) przebiegu zale¿noœci strumienia ciep³a Q·_t od mocy tarcia P_Ft mo¿na s¹dziæ, ¿e strumieñ ciep³a tarcia jest proporcjonalny do mocy tarcia niezale¿nie od badanego kompozytu i chropowatoœci. Jednak¿e na rysunku 5.3, przedstawiaj¹cym zale¿noœæ wspó³czynnika udzia³u ciep³a K od mocy tarcia P_Ft, mo¿-na zauwa¿yæ zwi¹zek miêdzy wartoœci¹ wspó³czynnika K i moc¹ tarcia P_Ft. Oznacza to, ¿e udzia³ strumienia ciep³a tarcia w mocy tarcia jest zale¿ny od mocy tarcia. Im mniej-sza moc tarcia, tym mniejszy w niej udzia³ strumienia ciep³a. Wyjaœniæ mo¿na to tym, ¿e istnieje pewna iloœæ rozpraszanej energii, która nie jest zamieniana w ciep³o, a

wi¹-Tabela 5.1. Zestawienie œrednich wartoœci pomiarów strumienia ciep³a tarcia Q·_t i mocy tarcia P_Ft dla kompozytów PTFE wspó³pracuj¹cych ze stal¹ o ró¿nej chropowatoœci (R_3z) w warunkach tarcia mieszanego, dla ró¿nych wartoœci nacisku jednostkowego p i ustalonej prêdkoœci œlizgania v = 3 m/s Table 5.1. The average values of the heat flux Q·_t of friction and friction power P_Ft for PTFE

composi-tes sliding against steel with different surface roughness (parameter R_3z) in mixed lubrication (different contact pressure p and constant sliding velocity v = 3 m/s)

Tarflen TK25 Tarflen TSt-40 p [MPa] P_Ft [W] Q·_t [W] K p [MPa] P_Ft [W] Q·_t [W] K R_3z = 4,5 µm 1,0 17,8 13,1 0,74 1,5 10,0 6,2 0,610 1,5 26,9 18,9 0,70 2,0 15,1 10,3 0,683 2,0 26,4 18,8 0,71 2,5 21,2 16,9 0,800 2,5 51,3 42,1 0,82 3,0 29,5 23,8 0,807 3,0 56,1 44,6 0,79 – – – – R_3z = 6,2 µm 1,6 23,6 16,6 0,70 1,6 21,5 14,1 0,65 2,0 30,6 25,4 0,80 2,1 29,7 22,8 0,77 3,0 51,2 41,8 0,77 3,0 45,3 34,6 0,77

0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 PFt [W] Q^t [W] TK25 (R3Z=4,5) TSt-40 (R3Z=4,5) TK25 (R3Z=6,2) TSt-40 (R3Z=6,2) (R3Z= 4,5 µm) (R3Z= 4,5 µm) (R3Z= 6,2 µm) (R3Z= 6,2 µm)

Rys. 5.2. Wykres zale¿noœci strumienia ciep³a tarcia Q·_t od mocy tarcia P_Ft dla kompozytów PTFE Tarflen TK25 oraz Tarflen TSt-40 wspó³pracuj¹cych z tarczami stalowymi

o ró¿nych chropowatoœciach okreœlonych parametrem R_3z

Fig. 5.2. The heat flux Q·_t of friction vs. friction power P_Ft for PTFE composites Tarflen TK25 and Tarflen TSt-40 sliding against steel with different roughness parameter R_3z

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 10 20 30 40 50 60 70 PFt [W] K TK25 (R3Z=4,5) TSt-40 (R3Z=4,5) TK25 (R3Z=6,2) TSt-40 (R3Z=6,2) (R_3Z= 4,5µm) (R_3Z= 4,5µm) (R_3Z= 6,2µm) (R_3Z= 6,2µm)

Rys. 5.3. Zale¿noœæ wspó³czynnika K od mocy tarcia P_Ft dla kompozytów PTFE Tarflen TK25 oraz Tarflen TSt-40 wspó³pracuj¹cych z tarczami stalowymi o ró¿nych chropowatoœciach

okreœlonych parametrem R_3z

Fig. 5.3. The effect of friction power P_Ft on coefficient K for PTFE composites Tarflen TK25 and Tarflen TSt-40 sliding against steel with different roughness parameter R_3z

¿e siê z innymi formami dyssypacji energii (np. zu¿ywanie, przebudowa struktury war-stwy wierzchniej, odkszta³cenia plastyczne itp.). Energia ta zale¿y jedynie w niewiel-kim stopniu (b¹dŸ jest ca³kowicie niezale¿na) od energii tarcia.

W kolejnym etapie badañ okreœlono wp³yw chropowatoœci powierzchni elementu stalowego na iloœæ wytwarzanego ciep³a tarcia w powi¹zaniu z w³aœciwoœciami tribo-logicznymi badanych kompozytów PTFE w warunkach tarcia mieszanego. Podczas badañ materia³y polimerowe wspó³pracowa³y ze stalowymi tarczami o ró¿nej chropo-watoœci powierzchni okreœlonej za pomoc¹ parametru R_3z. Parametr ten by³ stosowany do opisu chropowatoœci powierzchni elementu stalowego we wczeœniej prezentowanych badaniach tribologicznych kompozytów PTFE (rozdz. 4). Na wstêpie przeprowadzono cykl pomiarów tribologicznych w warunkach tarcia mieszanego przy sta³ej wartoœci nacisku jednostkowego (p = 2 MPa) i prêdkoœci œlizgania (v = 3 m/s). Mia³y one na celu okreœlenie wp³ywu chropowatoœci na wartoœæ wspó³czynnika tarcia µ oraz inten-sywnoœæ zu¿ywania I_ZL wybranych kompozytów PTFE w warunkach tarcia mieszane-go. Wyniki badañ zamieszczono w tabeli 5.2 oraz w postaci wykresów na rysunku 5.4. Dla ka¿dego badanego materia³u widoczny jest zakres chropowatoœci, przy którym wartoœæ wspó³czynnika tarcia jest najmniejsza. W wypadku Tarflenu TK25 zakres ten wynosi R_3z = 0,5–1,5 µm, dla Tarflenu TSt-40 natomiast R_3z = 1,5–3 µm. Mo¿na s¹dziæ, ¿e podobnie jak podczas tarcia technicznie suchego minimalna wartoœæ wspó³czynnika tarcia w tych zakresach wynika z odpowiedniej relacji miêdzy oddzia³ywaniami adhe-zyjnymi i mechanicznymi zachodz¹cymi miêdzy wspó³pracuj¹cymi powierzchniami polimerowego kompozytu i stalowego przeciwelementu. Intensywnoœæ zu¿ywania ba-danych materia³ów powiêksza siê wraz ze zwiêkszaniem chropowatoœci opisanej

para-Tabela 5.2. Zestawienie œrednich wartoœci pomiarów wspó³czynnika udzia³u ciep³a tarcia K oraz wspó³czynnika tarcia µ w zale¿noœci od parametrów chropowatoœci stalowego przeciwelementu R_3z

dla kompozytów Tarflen TK25 oraz Tarflen TSt-40 pracuj¹cych w warunkach tarcia mieszanego (olej Lotos SAE 5W40, T_o = 60 °C, v = 3 m/s) dla ustalonej wartoœci mocy tarcia P_Ft Table 5.2. The effect of surface roughness (R_3z) of steel counterface on the average values of the coefficient K and coefficient of friction µ for composites Tarflen TK25 and Tarflen TSt-40 sliding

against steel in mixed lubrication (synthetic motor oil Lotos Synthetic SAE 5W40, T_o = 60 °C, v = 3 m/s) under constant friction power P_Ft

Chropowatoœæ Wspó³czynnik udzia³u Wspó³czynnik tarcia Intensywnoœæ stali ciep³a tarcia K µ (p = 2 MPa) zu¿ywania

liniowego I_ZL [µm/km] (p = 2 MPa) R_3z TK25a) TSt-40a) TSt-40b) TK25 TSt-40 TK25 TSt-40 0,39 0,467 0,391 0,666 0,058 0,087 0,01 0,01 0,71 0,854 0,742 0,758 0,043 0,063 0,04 0,01 1,71 0,801 0,899 0,959 0,049 0,050 0,09 0,03 4,49 0,724 0,812 0,807 0,111 0,058 0,24 0,08 6,00 0,664 0,711 0,795 0,136 0,093 0,36 0,12 6,20 0,705 0,656 0,768 0,108 0,090 0,40 0,15

a) Pomiar dla sta³ej wartoœci mocy tarcia P_Ft = 20 W

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0 0 1 2 3 4 5 6 R3 Z[µm ] K T S t - 4 0 ( P f t = 2 0 W ) T S t - 4 0 ( P f t = 3 0 W ) T K 2 5 ( P f t = 2 0 W ) (PF t= 20W ) (PF t= 20W ) (PF t= 30W ) 0,00 0,05 0,10 0,15 0 1 2 3 4 5 6 R_3Z [µm] µ TK25 TSt 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0 1 2 3 4 5 6 R_3Z[µm] I^ZL [ µ m/km ] TK25 TSt-40

Rys. 5.3. Zestawienie pomiarów ciep³a tarcia i w³aœciwoœci tribologicznych kompozytów PTFE w zale¿noœci od parametru chropowatoœci R_3z przeciwelementu stalowego (v = 3 m/s):

a) wspó³czynnik udzia³u strumienia ciep³a K dla ustalonej wartoœci mocy tarcia PFt, b) wspó³czynnik tarcia µ dla ustalonej wartoœci nacisku jednostkowego p = 2 MPa, c) intensywnoœæ zu¿ywania liniowego I_ZL dla ustalonej wartoœci nacisku jednostkowego p = 2MPa

Fig. 5.4. The effect of roughness surface (parameter R3z) of steel counterface on heat of friction and tribological properties of PTFE composites (v = 3 m/s): a) the coefficient K at constant friction

power P_Ft, b) the coefficient of friction m under constant contact pressure p = 2 MPa, c) the specific linear wear rate I_ZL under constant contact pressure p = 2 MPa a)

b)

metrem R_3z. Przyczyny tego zjawiska mo¿na doszukiwaæ siê w mechanicznym oddzia-³ywaniu mikronierównoœci powierzchni elementu stalowego na materia³ polimerowy. Oddzia³ywania te zwiêkszaj¹ siê wraz ze zwiêkszaniem siê wysokoœci mikrowzniesieñ profilu, powoduj¹c wiêksze zu¿ycie materia³u polimerowego przez bruzdowanie i mi-kroskrawanie.

Aby okreœliæ wp³yw chropowatoœci powierzchni elementu stalowego na iloœæ wy-dzielanego ciep³a tarcia przeprowadzono pomiary dla sta³ej wartoœci mocy tarcia P_Ft. Poniewa¿ prêdkoœæ œlizgania mia³a ustalon¹ z góry wartoœæ (v = 3 m/s), wiêc moc tar-cia P_Ft = F_tv zale¿a³a jedynie od wartoœci si³y tarcia F_t. Jak dowiod³y wczeœniejsze ba-dania, chropowatoœæ powierzchni przeciwelementu wykazuje znaczny wp³yw na war-toœæ wspó³czynnika tarcia µ i co siê z tym wi¹¿e równie¿ na si³ê tarcia. Oznacza to, ¿e aby si³a tarcia F_t mia³a podczas pomiaru ustalon¹ z góry wartoœæ, nale¿a³o odpowie-dnio zmieniaæ si³ê normaln¹ F_N, z jak¹ polimerowa próbka jest dociskana do stalowej tarczy. Dziêki temu wszystkie pomiary prowadzono przy sta³ej wartoœci mocy tarcia P_Ft (P_Ft =20 W lub P_Ft = 30 W), a rezultatem badañ by³o wyznaczenie zmiany wspó³-czynnika K, okreœlaj¹cego udzia³ strumienia ciep³a tarcia w mocy tarcia, w zale¿noœci od chropowatoœci stalowego elementu. Wyniki przedstawiono w tabeli 5.2 oraz na wy-kresie (rys. 5.4a). Wynikaj¹ce z nich spostrze¿enia i wnioski przedstawiono w dalszej czêœci pracy.

5.4. Ciep³o tarcia – Ÿród³o informacji