podczas wspó³pracy ze stal¹
6. Temperatura elementów pary lizgowej
6.1. Pomiar temperatury podczas wspó³pracy kompozytów PTFE ze stal¹kompozytów PTFE ze stal¹
6.1.5. Chropowatoæ elementu stalowego a temperatura tarcia na powierzchni wspó³pracuj¹cego kompozytu PTFE
O iloci ciep³a rozpraszanego podczas tarcia dwóch materia³ów decyduje miêdzy innymi chropowatoæ ich powierzchni. Potwierdzi³y to badania ciep³a tarcia, których wyniki przedstawiono w poprzednim rozdziale. Chropowatoæ powierzchni wp³ywa zatem na temperaturê, do której rozgrzej¹ siê wspó³pracuj¹ce ze sob¹ lizgowo mate-ria³y [30]. Aby stwierdziæ, jaki jest wp³yw chropowatoci powierzchni elementu stalo-wego na obserwowan¹ temperaturê tarcia, przeprowadzono pomiary, podczas których próbki wykonane z kompozytów PTFE wspó³pracowa³y z przeciwelementami stalowymi o ró¿nej chropowatoci powierzchni lizgowej opisanej parametrem R3z dla dwóch wa-riantów sposobu obci¹¿enia próbki:
okrelony nacisk jednostkowy p = 2 MPa,
sta³a wartoæ si³y tarcia (Ft = 11,3 N) i zmienna si³a nacisku FN.
Prêdkoæ lizgania podczas pomiarów by³a sta³a v = 3 m/s, tak aby warunki wy-miany ciep³a z otoczeniem by³y porównywalne. Nie by³y one jednak do koñca takie same ze wzglêdu na ró¿n¹ temperaturê, do której nagrzewa³y siê próbka i przeciwele-ment podczas wspó³pracy z ró¿nymi tarczami. Wyniki przedstawiono w tabeli 6.1 oraz na wykresach (rys. 6.7, 6.8). Wynika z nich jednoznacznie, ¿e chropowatoæ przeciwe-lementu stalowego ma wyrany wp³yw na wartoæ wspó³czynnika tarcia oraz na iloæ wydzielanego ciep³a tarcia i co siê z tym wi¹¿e na wartoæ temperatury, do której roz-grzewa³y siê wspó³pracuj¹ce elementy. Przemawiaj¹ za tym zw³aszcza pomiary
pro-Tabela 6.1. Wp³yw chropowatoci powierzchni przeciwelementu stalowego na maksymaln¹ temperaturê Tmax powierzchni bocznej próbki oraz na wartoæ wspó³czynnika tarcia µ dla kompozytów PTFE
dla dwóch wariantów warunków tarcia technicznie suchego: a) nacisk jednostkowy p = 2 MPa (zmienna si³a tarcia Ft), prêdkoæ lizgania v = 3 m/s, b) si³a tarcia Ft = const = 11,3 N (zmienna si³a
nacisku FN), prêdkoæ lizgania v = 3 m/s
Table 6.1. The effect of surface roughness (parameter R3z) of steel counterface on the maximal tempera-ture Tmax of specimen surface and on the coefficient of friction µ for PTFE composites sliding against steel under dry friction conditions (two variants of loading): a) contact pressure p = 2 MPa (variation of
friction force Ft), sliding velocity v = 3 m/s, b) friction force Ft = const = 11.3 N (variation of loading FN), sliding velocity v = 3 m/s
Parametr Tarflen TK25 Tarflen TSt-40
chropowatoci a) b) a) b)
p = 2 MPa Ft = 11,3 N p = 2 MPa Ft = 11,3 N R3z Tmax [°C] µ Tmax [°C] µ Tmax [°C] µ Tmax [°C] µ
0,7 107 0,386 82 0,504 102 0,498 82 0,505 1,7 75,5 0,251 60 0,251 104 0,420 83 0,500 4,5 78 0,269 70 0,220 71 0,245 63 0,395 6,0 71 0,209 67 0,201 71 0,225 64 0,216 6,5 75 0,218 70 0,220 60 0,200 58 0,197
0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 Tmax [° C]
Rys. 6.7. Wykres zale¿noci temperatury maksymalnej Tmax powierzchni bocznej próbki z kompozytu PTFE od chropowatoci powierzchni przeciwelementu stalowego R3z w warunkach tarcia technicznie suchego dla dwóch wariantów obci¹¿enia próbki (v = 3 m/s) Fig. 6.7. The effect of surface roughness (parameter R3z) of steel counterface on the maximal
temperature Tmax of specimen surface (PTFE composite) under dry friction conditions (two variants of loading, sliding velocity v = 3 m/s)
wadzone dla ustalonej si³y tarcia. W tym wypadku moc tarcia podczas ka¿dego pomia-ru by³a w przybli¿eniu jednakowa.
Na podstawie uzyskanych wyników mo¿na stwierdziæ, ¿e im powierzchnia elemen-tu stalowego ma mniejsz¹, w badanym zakresie, chropowatoæ, tym wiêcej ciep³a tar-cia wydziela siê podczas wspó³pracy z polimerowymi kompozytami PTFE. wiadczy o tym wy¿sza temperatura rejestrowana na powierzchni bocznej polimerowych próbek. Nale¿y przy tym dodaæ, ¿e w przeciwieñstwie do pomiarów ciep³a tarcia, które odby-wa³y siê w obecnoci oleju, wykonanie pomiarów dla chropowatoci powierzchni stali mniejszych ni¿ R3z = 0,7 µm by³o praktycznie niemo¿liwe. Twarde cz¹stki wype³nia-czy (zarówno stali, jak i koksu) powodowa³y zarysowanie powierzchni elementu stalo-wego w obszarze cie¿ki tarcia, mimo ¿e element ten mia³ stosunkowo du¿¹ twardoæ (48 HRC). Ju¿ po krótkim okresie wspó³pracy z kompozytami PTFE uzyskana chropo-watoæ eksploatacyjna powierzchni stali wynosi³a R3z≈ 0,7 µm, mimo ¿e pocz¹tkowa chropowatoæ stalowego elementu by³a znacznie mniejsza. Oddzia³ywania adhezyjne miêdzy kompozytem PTFE a stal¹ dla takiej chropowatoci powierzchni stali nie bêd¹ tak du¿e, jak podczas badañ ciep³a tarcia, gdy chropowatoæ powierzchni stali opisana parametrem R3z by³a mniejsza ni¿ 0,4 µm. Z tej, miêdzy innymi, przyczyny wystêpuj¹ ró¿nice w obserwowanym wp³ywie chropowatoci powierzchni stali na iloæ ciep³a tarcia oraz temperaturê, do której rozgrzewaj¹ siê wspó³pracuj¹ce elementy. W wypadku wiêk-szych chropowatoci powierzchni elementów stalowych nie stwierdzono istotnych zmian wartoci parametru R3z po nawet d³u¿szym okresie wspó³pracy z badanymi kompozy-tami PTFE.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 1 2 µ
Rys. 6.8. Wykres wspó³czynnika tarcia µ w zale¿noci od parametru chropowatoci R3z dla kompozytów PTFE wspó³pracuj¹cych z przeciwelementem stalowym w warunkach
tarcia technicznie suchego dla dwóch wariantów obci¹¿enia próbki (v = 3 m/s) Fig. 6.8. The effect of surface roughness (parameter R3z) of steel counterface on the coefficient
of friction µ for PTFE composites sliding against steel under dry friction conditions
(two variants of loading, sliding velocity v = 3 m/s)
Na podstawie wykresów przedstawiaj¹cych zale¿noæ wartoci wspó³czynnika tar-cia (rys. 6.7) oraz temperatury (rys.6.8) od chropowatoci powierzchni stali mo¿na stwierdziæ, ¿e widoczna jest wyrana wzajemna zale¿noæ wspó³czynnika tarcia i tem-peratury podczas wspó³pracy badanych kompozytów PTFE ze stal¹ w warunkach tar-cia technicznie suchego. Zjawisko to, znane z literatury przedmiotu, zosta³o ju¿ wcze-niej potwierdzone podczas badañ tribologicznych kompozytów PTFE wspó³pracuj¹cych ze stal¹ (rozdz. 4.2.3).
Z analizy zarejestrowanych przebiegów wartoci wspó³czynnika tarcia w zale¿no-ci od chropowatozale¿no-ci powierzchni elementu stalowego mo¿na wnioskowaæ, ¿e w wy-padku Tarflenu TK25 wystêpuje pewna graniczna wartoæ parametru R3z, poni¿ej której nastêpuje wyrane zwiêkszenie wartoci wspó³czynnika tarcia i co siê z tym wi¹¿e, rów-nie¿ zwiêkszenie intensywnoci wydzielania ciep³a prowadz¹ca do podwy¿szenia tem-peratury tarcia. Wartoæ graniczna tego parametru, w warunkach przeprowadzonych ba-dañ, wynosi³a 1,7 µm.
Chropowatoæ powierzchni elementu stalowego nie wp³ywa³a jednak tak wyranie na proces tarcia Tarflenu TSt-40. Przede wszystkim nie jest widoczna wyranie war-toæ graniczna parametru R3z opisuj¹cego chropowatoæ przeciwelementu tak jak dla Tarflenu TK25. Jednak wraz ze zmniejszaniem siê chropowatoci przeciwelementu zwiêksza siê wartoæ wspó³czynnika tarcia. Dla ustalonej wartoci si³y nacisku i prêd-koci lizgania prowadzi to do zwiêkszenia wartoci energii tarcia i zwi¹zanej z tym intensywnoci wydzielania siê ciep³a tarcia, w wyniku czego ronie równie¿ tempera-tura rejestrowana na powierzchni pary lizgowej.
Ró¿nicê w przebiegu opisywanej charakterystyki wspó³czynnika tarcia i temperatu-ry dla obu badanych kompozytów mo¿na t³umaczyæ ró¿nymi oddzia³ywaniami obu wy-pe³niaczy (koksu i stali) w badanych kompozytach na wspó³pracuj¹cy przeciwelement stalowy. W wypadku kompozytu zawieraj¹cego proszek stali zmniejszenie chropowa-toci stalowej tarczy prowadzi do zwiêkszania rzeczywistej powierzchni styku miêdzy próbk¹ i przeciwelementem. W rezultacie wiêksza iloæ stalowych ziaren wype³niacza wchodzi w kontakt z bardziej p³askimi mikrowzniesieniami powierzchni stalowego prze-ciwelementu, a zachodz¹ce miêdzy nimi oddzia³ywania adhezyjne wystêpuj¹ na coraz wiêkszej powierzchni. Prowadzi to do stopniowego zwiêkszenia si³y tarcia, a dla sta³ej wartoci si³y nacisku do obserwowanego zwiêkszenia wartoci wspó³czynnika tarcia.
W kompozytach zawieraj¹cych jako wype³niacz proszek koksu oddzia³ywania ad-hezyjne miêdzy ziarnami koksu i przeciwelementem stalowym s¹ mniejsze. Obserwo-wane zwiêkszenie si³y tarcia (wspó³czynnika tarcia) dla mniejszej chropowatoci stali, wynika ze zwiêkszonego udzia³u adhezji miêdzy przeciwelementem stalowym a osno-w¹ polimeroosno-w¹ kompozytu.