Badania mikroskopowe powierzchni œlizgowej kompozytów PTFEkompozytów PTFE

Badania mikroskopowe przeprowadzono na elektronowym mikroskopie skaningo-wym JSM-5800 LV firmy JEOL (Japonia) z wbudowanym mikroanalizatorem promie-niowania rentgenowskiego. Spoœród uzyskanych zdjêæ wybrano zestaw ukazuj¹cy ty-powe procesy zachodz¹ce podczas tarcia na powierzchniach œlizgowych kompozytów PTFE.

Zdjêcia przedstawione na rysunku 8.1 ukazuj¹ ró¿nice w przemianach, jakie zacho-dz¹ w warstwie wierzchniej kompozytów w zale¿noœci od chropowatoœci powierzchni wspó³pracuj¹cych œlizgowo elementów stalowych. Wiêksze przemiany s¹ wyraŸnie widoczne na powierzchni kompozytu, gdy wspó³pracuje on ze stal¹ o ma³ej chropowa-toœci powierzchni. Wynika to z silnych oddzia³ywañ adhezyjnych miêdzy stalowym przeciwelementem a sk³adnikami badanych kompozytów. Oddzia³ywania te powoduj¹ w tym wypadku wystêpowanie znacznych deformacji polimerowej osnowy (rys.8.1a, 8.1c), rozprzestrzenianie siê mikropêkniêæ w polimerowej osnowie (rys. 8.1c) zgodnie z kierunkiem œlizgania, a tak¿e deformacjê oraz rozmazywanie ziaren wype³niaczy (rys. 8.1e). Poniewa¿ podczas tarcia w tych warunkach zu¿ywanie kompozytu PTFE nie by³o zbyt intensywne, wiêc zdeformowana warstwa d³u¿ej utrzymuje siê na powierzchni œli-zgowej polimerowego kompozytu w przeciwieñstwie do kompozytów wspó³pracuj¹-cych z powierzchniami o du¿ej chropowatoœci (rys. 8.1b, d).

Na przyk³adzie zdjêæ przedstawiaj¹cych powierzchniê kompozytu Tarflen TK25 (PTFE + 27% obj. koksu), (rys. 8.1c, d), na których widaæ fragment powierzchni

prób-a) Tarflen TG25 b) Tarflen TG25

c) Tarflen TK25 d) Tarflen TK25

e) Tarflen TSt-40 f) Tarflen TSt-40

Rys. 8.1. Powierzchnie œlizgowe kompozytów PTFE po wspó³pracy w ustalonych warunkach tarcia technicznie suchego (p = 2 MPa, v = 3 m/s) ze stalowymi przeciwelementami o ró¿nej

chropowatoœci: (a, c, e – R_3z = 0,4 µm, b, d, f – R_3z = 6 µm)

Fig. 8.1. SEM micrographs of surface of PTFE composites after sliding against steel counterface with different surface roughness (a, c, e – R_3z = 0,4 µm, b, d, f – R_3z = 6 µm) under

ki po zdjêciu warstwy wierzchniej (prawa strona fotografii) mo¿na stwierdziæ, ¿e na powierzchni œlizgowej wystêpuje znacznie wiêcej cz¹stek wype³niacza ni¿ wewn¹trz tego materia³u.

Kolejne zdjêcia mikroskopowe (rys. 8.2, 8.3, 8.4) ukazuj¹ typowe procesy tribolo-gicznego zu¿ywania zachodz¹ce na powierzchni œlizgowej kompozytów PTFE. Dla Tarflenu TG25 (PTFE + 24% obj. grafitu) procesami zwi¹zanymi ze zu¿ywaniem s¹ przede wszystkim mikropêkniêcia polimerowej osnowy na granicy ziaren grafitu (rys. 8.2c,d). Mikropêkniêcia te rozprzestrzeniaj¹ siê pod wp³ywem si³ tarcia w kierunku œlizgania (rys. 8.2a). Proces ten ³¹czy siê równie¿ z pêkaniem i wykruszaniem ziaren grafitu (rys. 8.2b). Wykruszone cz¹steczki usadawiaj¹ siê na powierzchni œlizgowej w polimerowej osnowie (rys 8.2e), która po rozgrzaniu w wyniku tarcia jest plastycz-na, zw³aszcza w obszarze warstwy wierzchniej. Miêkka osnowa polimerowa ³atwo roz-mazuje siê na powierzchni ziarna grafitu b¹dŸ jest wyci¹gana w postaci wstêg polime-rowych (rys. 8.2f).

W kompozytach PTFE wype³nianych koksem zachodz¹ procesy podobne do wcze-œniej opisanych. Na zdjêciach przedstawiaj¹cych powierzchniê œlizgow¹ Tarflenu TK25 (PTFE +27% obj. koksu) widoczne s¹ mikropêkniêcia polimerowej osnowy, które roz-przestrzeniaj¹ siê zgodnie z kierunkiem œlizgania (rys. 8.3e, f). Pêkniêcia te pojawiaj¹ siê przede wszystkim na granicy ziaren koksu (rys. 8.2b, c). Ziarna koksu ulegaj¹ wy-kruszaniu (rys. 8.3a) chocia¿ proces ten nie zachodzi tak intensywnie, jak w wypadku ziaren grafitu w kompozycie Tarflen TG25. Polimerowa osnowa jest rozmazywana na powierzchni ziaren koksu (rys. 8.3e) oraz wyci¹gana na powierzchniê w postaci poli-merowych wstêg (rys. 8.3d).

W Tarflenie TSt-40 (PTFE + 16% obj. stali) zawieraj¹cym w sk³adzie proszek stali stopowej, oprócz wykruszania ziaren wype³niacza (rys. 8.4b) w wyniku oddzia³ywania si³ tarcia, zachodzi równie¿ ich deformacja oraz rozmazywanie na powierzchni œlizgo-wej (rys. 8.4a, b). W przeciwieñstwie do wczeœniej omawianych kompozytów, na wierzchni œlizgowej Tarflenu TSt-40 obserwuje siê wyraŸne zarysowania zarówno po-limerowej osnowy, jak i powierzchni stalowych ziaren. Zarysowania te wystêpuj¹ niezale¿nie od chropowatoœci powierzchni wspó³pracuj¹cej podczas tarcia przeciwprób-ki. Mo¿e to œwiadczyæ o wystêpowaniu w obszarze tarcia twardych cz¹steczek pocho-dz¹cych z produktów zu¿ycia, które zarysowuj¹ œlizgow¹ powierzchniê materia³u poli-merowego.

Przedstawione procesy zachodz¹ce na powierzchni œlizgowej kompozytów PTFE podczas ich wspó³pracy ze stal¹ œwiadcz¹ o du¿ych przemianach w warstwie wierzch-niej tych materia³ów. Jak wykaza³y badania ciep³a generowanego w wyniku procesu tarcia (rozdz. 5.3) podczas tarcia kompozytów PTFE po powierzchni stali o ma³ej chro-powatoœci (R_3z < 0,5 mm) udzia³ ciep³a tarcia w ca³kowitej energii tarcia jest ma³y (K ≈ 0,5). Oznacza to, ¿e nie tylko ciep³o, ale równie¿ inne formy rozpraszania energii (np. modyfikacja struktury warstwy wierzchniej kompozytu) maj¹ znaczny udzia³ w ca³kowitej energii tarcia. Zwrócono uwagê, ¿e podczas wspó³pracy kompozytu PTFE z powierzchni¹ stali o ma³ej chropowatoœci jego zu¿ywanie nie jest intensywne i

zwi¹-a) b)

c) d)

e) f)

Rys. 8.2. Powierzchnia œlizgowa Tarflenu TG25 (PTFE + 24% obj. grafitu) po wspó³pracy ze stal¹ w warunkach tarcia technicznie suchego (p = 2 MPa, v = 3 m/s)

Fig. 8.2. SEM micrographs of surface of composite Tarflen TG25 (PTFE + 24 vol.% graphite) after sliding against steel counterface under dry friction conditions (p = 2 MPa, v = 3 m/s)

a) b)

c) d)

e) f)

Rys. 8.3. Powierzchnia œlizgowa Tarflenu TK25 (PTFE + 27% koksu) po wspó³pracy ze stal¹ w warunkach tarcia technicznie suchego (p = 2 MPa, v = 3 m/s)

Fig. 8.3. SEM micrographs of surface of composite Tarflen TK25 (PTFE + 27 vol.% carbon) after sliding against steel counterface under dry friction conditions (p = 2 MPa, v = 3 m/s)

a) b)

Rys. 8.4. Powierzchnia œlizgowa Tarflenu TSt-40 (PTFE + 16% stali) po wspó³pracy ze stal¹ w warunkach tarcia technicznie suchego (p = 2 MPa, v = 3 m/s)

Fig. 8.4. SEM micrographs of surface of composite TSt-40 (PTFE + 16 vol.% steel) after sliding against steel counterface under dry friction conditions (p = 2 MPa, v = 3 m/s)

a) b)

c)

Rys. 8.5. Próbka wykonana z kompozytu Tarflen TK25 po zu¿yciu awaryjnym w warunkach tarcia suchego (p = 5 MPa, v = 6 m/s, L = 20 km): a) przekrój próbki prostopad³y do powierzchni

œlizgowej przed procesem tarcia, b) przekrój próbki prostopad³y do powierzchni œlizgowej po procesie tarcia, c) widok powierzchni œlizgowej

Fig. 8.5. Photo of specimen made of composite Tarflen TK25 after catastrophic wear under dry friction conditions (p = 5 MPa, v = 6 m/s, L = 20 km): a) cross section of polymer specimen perpendicular to the direction of sliding before friction process, b) cross section of polymer specimen perpendicular

zana z tym forma energii dyssypacji mechanicznej nie stanowi znacz¹cego udzia³u w ca³kowitej energii tarcia.

O sposobie wydzielania siê ciep³a mog¹ œwiadczyæ zdjêcia próbki z kompozytu Tarflen TK25 (PTFE+27% obj. koksu), która uleg³a zu¿yciu awaryjnemu (rys. 8.5) pod-czas tarcia przy nacisku jednostkowym p = 5 MPa i prêdkoœci œlizgania v = 6 m/s.

Pracuj¹ca w tych warunkach próbka o kszta³cie w¹skiej p³ytki uleg³a silnej defor-macji na powierzchni œlizgowej. Na przekroju próbki (rys. 8.5b) widoczne jest jej roz-warstwienie, przy czym na podstawie wygl¹du deformacji mo¿na s¹dziæ, ¿e proces ni-szczenia rozpocz¹³ siê wewn¹trz próbki pod powierzchni¹ tarcia. Mo¿e to œwiadczyæ o generowaniu du¿ej iloœci ciep³a wewn¹trz próbki. Przypuszczenie to potwierdza³aby miêdzy innymi symetria rozszczepienia polimerowej p³ytki w obszarze tarcia oraz znacz-na modyfikacja struktury warstwy wierzchniej w œrodkowej czêœci próbki, która jest wyraŸnie widoczna na przekroju przy wiêkszych powiêkszeniach (rys. 8.6c, d, e). W przeciwieñstwie do tego modyfikacja struktury materia³u kompozytowego na brze-gu powierzchni œlizgowej jest nieznaczna i praktycznie struktura materia³u w tym ob-szarze nie ró¿ni siê od struktury w jego wnêtrzu (rys. 8.6a, b). Obszary znajduj¹ce siê na brzegu próbki wspó³pracowa³y z powierzchni¹ stalowego przeciwelementu przede wszystkim w pocz¹tkowym etapie tarcia. O intensywnoœci procesów zachodz¹cych w warstwie wierzchniej œwiadczy rozk³ad fluoru (rys. 8.6f) obserwowany w œrodko-wej czêœci przekroju poprowadzonego przez warstwê wierzchni¹ kompozytu. Brak wi-docznego widma tego pierwiastka bezpoœrednio pod powierzchni¹ œlizgow¹ œwiadczy, ¿e znajduj¹ siê na niej przede wszystkim cz¹steczki wype³niacza powoduj¹ce wzmoc-nienie powierzchni, ale jednoczeœnie równie¿ zwiêkszenie si³y tarcia. Prowadzi to z kolei do zwiêkszonej iloœci wydzielanego ciep³a tarcia i dalszej modyfikacji powierzchni œli-zgowej kompozytu.

8.2. Badania mikroskopowe powierzchni œlizgowej