CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI

MATERIAŁÓW METALOWYCH, A TARCIE KINETYCZNE

Chropowatość metalowej powierzchni ślizgowej ma zasadnicze znaczenie, jeśli chodzi o rodzaj występującego tarcia we współpracy z polimerem. Ogólny przebieg zależności współczynnika tarcia od chropowatości przedstawiono na rysunku 4.59.

W przypadku bardzo gładkich powierzchni, dominującą rolę w procesie tarcia odgrywa adhezja powierzchni tworzywa do powierzchni metalowego elementu. Re-zultatem tego jest stosunkowo duża wartość współczynnika tarcia, przeciętnie 1,5 do 2 razy większa, niż przy tarciu po powierzchniach bardziej chropowatych. Wy-stępowanie silnej adhezji także niekorzystnie wpływa na intensywność zużycia. Zjawisko adhezji podczas tarcia materiałów polimerowych po gładkich metalowych powierzchniach przejawia się jeszcze bardziej ze wzrostem nacisku, powodującego wzrost rzeczywistej powierzchni styku i zbliżenie cząstek współpracujących po-wierzchni na odległość zasięgu oddziaływań II rzędu. W miarę wzrostu chropowa-tości wartość współczynnika tarcia zmniejsza się osiągając minimum (zmniejsza się adhezja), a następnie znowu wzrasta (rys. 4.58). Przyczyną tego wzrostu jest przej-ście przy dużych chropowatościach powierzchni do innego rodzaju tarcia, w którym dominującą rolę odgrywają zjawiska dekohezyjne związane z rysowaniem,

bruz-dowaniem i mikroskrawaniem powierzchni ślizgowej polimeru. Skutkiem tego jest między innymi wzrost oporów tarcia.

Rys. 4.58. Ogólny wpływ chropowatości Ra współpracującego elementu stalowego

na wartość współczynnika tarcia µ (µ_a – składowa oddziaływań adhezyjnych,

µm – składowa oddziaływań mechanicznych) [158]

Rys. 4.59. Ogólny wpływ chropowatości Ra stalowego elementu współpracującego na intensywność zużywania materiału polimerowego [126]

Z przedstawionego opisu oddziaływań zachodzących podczas tarcia pomiędzy wierzchniami materiałów metalowych i polimerowych wynika, że chropowatość po-wierzchni elementu metalowego wpływa w podobny sposób na intensywność zużywania materiału polimerowego. W tym przypadku zużywanie materiału polimerowego można interpretować jako efekt sumowania się skutków trzech rodzajów zużywania: ściernego, adhezyjnego i zmęczeniowego (rys. 4.59) [126]. Przy małej chropowatości wpływ na

zu-Wspó

łcz

ynnik tar

cia

Chropowatość powierzchni metalowej Ra

Chropowatość powierzchni Ra Intensywno ść zu życ ia

życie ma występowanie silnych sczepień adhezyjnych pomiędzy współpracującymi po-wierzchniami. Z kolei przy dużych chropowatościach, podobnie jak w przypadku oporów tarcia, wzrasta udział zjawisk dekohezyjnych (bruzdowanie, mikroskrawanie, rysowanie) w materiale polimerowym, typowych dla zużywania ściernego. Przyczynia się to zwykle do gwałtownego wzrostu zużycia materiału polimerowego.

PE-LD

PE-HD

Rys. 4.60. Zmiana wartości współczynnika tarcia μ w zależności

od chropowatości Ra elementu stalowego dla różnych polimerów [178]

Rys. 4.61. Zmiana wartości współczynnika zużycia K_w [mm3/N⋅m] w zależności

od chropowatości Ra elementu stalowego dla różnych polimerów [178]

Wspó łcz ynnik tar cia μ Ra [μm] Ra [μm] Wspó łcz ynnik zu życ ia K^w [mm 3 /Nm]

Przebieg omawianych charakterystyk dla różnych skojarzeń ślizgowych materia-łów polimerowych z metalowymi ze względu na odmienne własności różnych polime-rów może się nieco różnić od przedstawionych na rysunkach 4.58 oraz 4.59. Przykła-dowe zależności właściwości tribologicznych wybranych materiałów polimerowych od chropowatości powierzchni elementu metalowego otrzymane w badaniach przed-stawiono na rysunkach 4.60, 4.61, 4.64, 4.65. Wynika z nich, że praktycznie dla każ-dej pary ślizgowej można określić optymalną wartość chropowatości metalowego elementu, przy której opory tarcia będą małe, a jednocześnie odporność na zużycie współpracującej pary ślizgowej jak największa. Należy zauważyć, że różne tworzywa sztuczne wymagają innych optymalnych wartości chropowatości powierzchni ele-mentu współpracującego (tab. 4.5).

Tabela 4.5. Zalecane wartości chropowatości Ra czopa stalowego przy współpracy ślizgowej z wybranymi materiałami

polimerowymi [34], [126], [178]

Lp. Rodzaj polimeru Ra [µm]

1 PA 6, PA 6.6, PI 1,5–3,0

2 PA11, PA12 0,5–1,0

3 Kompozyty PA+grafit, PA+MoS2 1,0–2,0

4 PE-UHMW, PE-HD, PTE, PTB <0,5

5 POM 0,7–0,9

6 PTFE <0,2

7 kompozyty PTFE 0,2–0,5

Rys. 4.62. Schemat pary ślizgowej polimer–metal podczas badań kierunkowości śladów obróbki powierzchni stalowego elementu współpracującego

Oprócz chropowatości również kierunek śladów obróbki na powierzchni elementu metalowego w stosunku do kierunku ślizgania może wpływać na właściwości tribolo-giczne par polimer–metal. Wyniki badań przedstawione między innymi w pracy [44] potwierdzają taką zależność. Podczas badań tribologicznych, które przeprowadzono na stanowisku badawczym typu pin-on-disc, polimerowa próbka współpracowała z obracającą się tarczą ze stali C45 (rys. 4.62).

Powierzchnie walcowe tarcz współpracujących z polimerowymi próbkami były szlifowane tak, aby wartość parametru chropowatości technologicznej warstwy wierzchniej mierzonej w kierunku prostopadłym do tworzącej dla każdej tarczy wy-nosiła Ra ≈ 0,39 ± 0,01 µm. Jednocześnie proces szlifowania prowadzono tak, aby uzyskać różne kąty ukierunkowania śladów obróbki (rys. 4.62). Badania tribologicz-ne prowadzotribologicz-ne były dla kompozytu PTFE+40% wag. proszku brązu przy ustalonych wartościach parametrów (nacisk jednostkowy p = 2,25 MPa, prędkość ślizgania v = 3 m/s) procesu tarcia. Wyniki przedstawiono na wykresie (rys. 4.63).

Rys. 4.63. Wpływ kierunkowości śladów obróbki powierzchni stali na właściwości tribologiczne współpracującego kompozytu PTFE+40% wagowo proszku brązu [44]

Potwierdzają one wpływ kierunkowości śladów obróbki zarówno na wartość współczynnika tarcia, jak i na intensywność zużywania liniowego badanego skojarze-nia. Najmniejszy współczynnik tarcia technicznie suchego µ uzyskano dla śladów ob-róbki powierzchni stali o kącie 90°, który odpowiadał kierunkowi prostopadłemu do tworzącej (ślady obróbki równoległe do kierunku tarcia) i wynosił µ = 0,142. Jedno-cześnie jednak, dla takiego ukierunkowania śladów obróbki, intensywność zużycia

liniowego powierzchni była największa Ih = 0,338 µm/km. Z kolei największą wartość

współczynnika tarcia µ = 0,178 uzyskano w przypadku kierunku śladów obróbki

pro-Wspó

łcz

ynnik tar

cia

μ

Kąt kierunku śladów obróbki β [°]

Intensywno ść zu żywania Ih [μ m/km]

stopadłych do kierunku ślizgania, tj. dla kąta 0°, który odpowiadał kierunkowi rów-noległemu do tworzącej. Dla takiego przypadku ukierunkowania śladów uzyskano możliwie najmniejszą z wyznaczonego przedziału intensywność zużywania liniowego

I_h = 0,286 µm/km. Przedstawione zależności współczynnika tarcia oraz intensywności

zużywania wyjaśniono wpływem kierunkowości na sposób odprowadzania produktów zużycia tribologicznego kompozytu PTFE z obszaru tarcia z uwzględnieniem sił gra-witacji, a także różnicami w zdolności tworzenia na powierzchni elementu współpra-cującego warstewki (filmu) polimerowej dla różnych kątów śladów obróbki.

4.6.3. CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI MATERIAŁÓW