4.1. PROBLEMATYKA BADAŃ
Polioksymetylen (POM) jest polimerem konstrukcyjnym, który został szeroko wy-korzystany w budowie elementów ślizgowych [149, 216, 237, 240–243, 260]. Wła-ściwości tribologiczne tego polimeru w stanie niemodyfikowanym zostały stosunkowo dobrze poznane (pkt 3.2), [59, 68, 293–296]. Jednak, jak już przedstawiono w punkcie 2.1, niemodyfikowane gatunki polimerów mają obecnie w technice znacznie mniejszy zakres wykorzystania. W specjalnych zastosowaniach, w tym w tribotechnice (np. w odpowiedzialnych węzłach ślizgowych), praktycznie nie stosuje się również poliok-symetylenu niemodyfikowanego. Wynika to z dążenia do optymalizacji konstrukcji węzłów ślizgowych zarówno pod względem nośności, oszczędności energii, trwałości, jak i ich niezawodności eksploatacyjnej. Węzły ślizgowe pracując przy coraz więk-szych wartościach wymuszeń zewnętrznych tarcia, wynikających z miniaturyzacji nowoczesnych urządzeń, jednocześnie powinny w pełni zachować swoje funkcje użytkowe i niezawodność eksploatacyjną.
Obecnie na świecie i w kraju są produkowane różne modyfikowane odmiany POM. Obok odmian standardowych, dostępne są odmiany: wzmocnione, o podwyż-szonej udarności, antystatyczne, stabilizowane na światło, ze specjalnymi dodatka-mi, jak również odmiany tzw. tribologiczne [304–309]. Odmiany ślizgowe POM są jednak stosunkowo skromnie reprezentowane i nie wyczerpują możliwości dalszego polepszania ich właściwości tribologicznych. Najczęściej są to ślizgowe kompozyty POM dwuskładnikowe, a niektóre tylko trzyskładnikowe, najczęściej POM z napeł-niaczem włóknistym i proszkiem PTFE. Natomiast nie jest w pełni poznany wpływ oddziaływania innych napełniaczy wprowadzanych łącznie do POM w różnych ze-stawieniach na właściwości tribologiczne takich kompozytów. Również zagadnienie ilościowego udziału poszczególnych napełniaczy w ślizgowych wieloskładnikowych kompozytach na osnowie POM nie jest poznane. Kolejnym zagadnieniem, jak się wydaje jeszcze ważniejszym, jest poznanie mechanizmu procesu tarcia i zużywania wieloskładnikowych kompozytów ślizgowych POM, które jak wynika z
przytoczo-nej literatury w punkcie 2 i 3, jest bardzo złożone i jeszcze nie w pełni rozpoznane. Wobec tego, poznanie mechanizmu procesów zachodzących podczas tarcia tech-nicznie suchego ze stalą kompozytów ślizgowych tworzonych na osnowie POM, a także zależności między poszczególnymi czynnikami decydującymi o tarciowej współpracy takich par ślizgowych wydaje się ważnym i aktualnym zagadnieniem zarówno w ujęciu naukowym, jak i utylitarnym. Można przypuszczać, że pozyskana wiedza w tym zakresie będzie przydatna zarówno do modyfikowania tribologicz-nych właściwości POM, jak i przede wszystkim do poprawnego projektowania wę-złów ślizgowych z jego udziałem.
4.2. HIPOTEZA BADAŃ
Na podstawie przeprowadzonej analizy literatury przedmiotu (pkt 2.1 i 3.7) oraz ogólnej wiedzy z zakresu tribologii, w szczególności tribologii materiałów polimero-wych (pkt 2.2), można stwierdzić, że:
Fizyczna modyfikacja POM powoduje polepszenie jego właściwości tribologicz-nych tylko w przypadku odpowiednio dobratribologicz-nych napełniaczy.
Wieloskładnikowe kompozyty dają o wiele większe możliwości polepszania wła-ściwości w wyniku ich synergii, niż napełniacze stosowane pojedynczo.
Wybór odpowiednich napełniaczy wynika z celu, jaki powinien być osiągnięty: wzmocnienie POM (zwiększenie sztywności, twardości i wytrzymałości me-chanicznej) – w celu zwiększenia odporności na zużywanie tribologiczne,
zmniejszenie oddziaływań adhezyjnych i wytrzymałości na ścinanie – w celu zmniejszenia wartości współczynnika tarcia,
polepszenie przewodności cieplnej – w celu lepszego odprowadzenia ciepła tarcia i obniżenia temperatury węzła ślizgowego.
Duże znaczenie dla właściwości tribologicznych POM ma zarówno odpowiednie zestawienie napełniaczy w kompozycie, jak również odpowiednia ilościowa zawartość poszczególnych składników.
Odpowiednie warunki współpracy tarciowej kompozytu i elementu współpracu-jącego – w celu zapewnienia wymaganej trwałości, energooszczędności i niezawodno-ści eksploatacyjnej.
Przedstawione fakty umożliwiły postawienie następującej hipotezy: tylko odpo-wiednio dobrane zestawienia napełniaczy i w odpowiedniej zawartości wywołują synergizm ich oddziaływania na właściwości tribologiczne ślizgowych kompozy-tów na osnowie polioksymetylenu.
Na podstawie dokonanej analizy wpływu poszczególnych napełniaczy na polep-szenie tribologicznych właściwości POM i innych termoplastycznych materiałów po-limerowych przyjęto do modyfikacji POM trzy rodzaje napełniaczy:
proszek PTFE, zmniejszający oddziaływania adhezyjne i przez to zmniejszający wartość współczynnika tarcia kompozytu,
proszek brązu, zwiększający przewodność cieplną i twardość kompozytu,
hybrydowy napełniacz szklany (cięte włókna szklane łącznie z mikrokulkami szklanymi), zwiększający wytrzymałość mechaniczną, sztywność i twardość kompo-zytu; włókna szklane o bardzo małych rozmiarach poprzecznych wprowadzają naprę-żenia wewnętrzne w matrycy kompozytu, które z kolei częściowo zmniejszają mikro-kulki szklane o znacznie większych rozmiarach niż rozmiar włókien.
W celu sprawdzenia postawionej hipotezy zaproponowano trzy fizyczne modele mechanizmu tarcia i zużywania kompozytów POM o różnych konfiguracjach stoso-wanych napełniaczy, które przedstawiono na rysunkach 4.1–4.3.
Kompozyty dwuskładnikowe
Kompozyty dwuskładnikowe, zawierające tylko jeden rodzaj napełniacza, przed-stawiono na rysunku 4.1.
a) b) c)
Rys. 4.1. Model tarcia dwuskładnikowych kompozytów POM: a) POM + PTFE, b) POM + proszek brązu, c) POM + GBF (GBF – hybrydowy napełniacz szklany, włókna szklane i mikrokulki szklane);
objaśnienia umieszczono na rysunku 4.3
Kompozyt POM + PTFE. Podczas tarcia na powierzchni stalowego elementu i na powierzchni ślizgowej tego kompozytu tworzą się cienkie warstewki PTFE, które zmniejszają zarówno tarcie, jak i zużywanie kompozytu oraz współpracującego z nim elementu (rys. 4.1a). Mechanizm ten wynika ze zmniejszenia adhezji POM ze stalą w wyniku oddziaływania PTFE.
Kompozyt POM + brąz. Podczas tarcia występuje lokalne rozmazywanie brązu na powierzchni ślizgowej kompozytu oraz tworzy się wytrzymała cienka metaliczna warstewka przeniesionej miedzi na stalowej powierzchni (rys. 4.1b). Możliwe jest również przenoszenie materiału matrycy POM na naniesioną wcześniej warstewkę Cu. Metaliczna warstewka miedzi na powierzchni ślizgowej kompozytu lepiej odprowadza ciepło tarcia, co powoduje obniżenie temperatury węzła ślizgowego i zmniejszenie zużywania kompozytu na skutek ograniczenia termicznej degradacji i destrukcji POM.
Kompozyt POM + hybrydowy napełniacz szklany. Powierzchnia ślizgowa tego kompozytu podczas tarcia ze stalą powinna ulegać silnemu niszczeniu na skutek ścier-nego oddziaływania twardego napełniacza szklaścier-nego oraz jego produktów zużycia – wyrwanych i połamanych włókien (rys. 4.1c). Również niszczeniu przez mikroskra-wanie i rysomikroskra-wanie ulegać może powierzchnia stalowego elementu. Na skutek tarcia twardych cząstek szklanego napełniacza ze stalą, może następować wzrost temperatu-ry kompozytu w jego WW i powodować zwiększoną intensywność procesu degradacji i termicznej destrukcji POM, prowadząc do zwiększonego zużywania kompozytu.
Kompozyty trójskładnikowe
Kompozyty trójskładnikowe, zawierające po dwa rodzaje napełniaczy, przedsta-wiono na rysunku 4.2.
a) b) c)
Rys. 4.2.Model tarcia trójskładnikowych kompozytów POM: a) POM + PTFE + proszek brązu, b) POM + PTFE + GBF, c) POM + proszek brązu + GBF (GBF – hybrydowy napełniacz szklany,
włókna szklane i mikrokulki szklane); objaśnienia umieszczono na rysunku 4.3
Kompozyt POM + PTFE + brąz. Struktura warstwy wierzchniej tego kompozytu łączy w sobie cechy struktur opisanych wcześniej kompozytów POM z PTFE oraz POM z brązem (rys. 4.2a). Ziarna brązu mogą być otoczone lamelami PTFE. Na po-wierzchni ślizgowej kompozytu tworzy się metaliczna warstewka z rozmazanego brą-zu pokryta dodatkowo cienką warstewką przeniesionego na warstewkę brąbrą-zu PTFE. Budowa metalicznej warstewki tworzącej się podczas tarcia na powierzchni ślizgowej
tego kompozytu, pokryta dodatkowo przez PTFE, łatwiej odprowadza ciepło ze strefy tarcia, co powinno wpływać na stabilną pracę węzła ślizgowego, charakteryzującą się małymi oporami tarcia i małą intensywnością zużywania obu współpracujących tar-ciowo elementów.
Kompozyt POM + PTFE + GBF. Struktura jego różni się od poprzednio opisanej struktury kompozytu POM + GBF tym, że włókna i mikrokulki szklane są pokryte pasemkami PTFE (rys. 4.2b). Osłonięte przez PTFE cząstki napełniacza szklanego mogą przemieszczać się podczas tarcia po powierzchni stalowej bez znaczącego udziału oddziaływań ściernych. Podczas tarcia powinno następować także przenosze-nie płatków PTFE z kompozytu na stalowy element, tworząc na jego powierzchni cienką warstewkę ślizgową zbudowaną z lamel PTFE. W strefie tarcia PTFE będzie występować też w postaci luźnych płatków, który w ten sposób dodatkowo będzie rozdzielać współpracujące powierzchnie i może uzupełniać ubytki warstewki PTFE pokrywającej zarówno powierzchnię stalowego elementu, jak i cząsteczki napełniacza szklanego. Dzięki temu powinny zredukować się oddziaływania ścierne podczas tarcia oraz powinna zmniejszać się adhezja tego kompozytu do stali, co w sumie powinno wpływać na korzystne właściwości tribologiczne węzła ślizgowego.
Kompozyt POM + brąz + GBF. Powinien wykazywać nieco mniejsze oddzia-ływania ścierne podczas tarcia ze stalą niż kompozyt zawierający tylko sam napeł-niacz szklany. Wynikać to powinno z tego, że brąz obecny w kompozycie podczas tarcia będzie przenoszony na powierzchnię stalowego elementu oraz powinien tak-że przez rozmazywanie tworzyć metaliczną warstewkę na powierzchni kompozytu (rys. 4.2c). W ten sposób brąz będzie osłaniał powierzchnie współpracujących ele-mentów oraz lepiej będzie odprowadzane ciepło tarcia. Prawdopodobnie jednak nie uda się całkowicie wyeliminować ściernego oddziaływania napełniacza szklanego, powstałe więc „ochronne” warstewki brązu na powierzchniach ślizgowych współ-pracujących elementów będą mogły być niszczone, co może spowodować zwięk-szenie współczynnika tarcia i intensywności zużywania obu elementów węzła śli-zgowego.
Kompozyty czteroskładnikowe
Kompozyt POM + PTFE + brąz + GBF. Struktura tego kompozytu łączy w so-bie najlepsze cechy omawianych materiałów. Dodatek proszku brązu sprawia, że na powierzchni ślizgowej kompozytu tworzy się (podobnie jak w innych z proszkiem brązu) cienka metaliczna warstewka brązu polepszająca warunki odprowadzania ciepła. W odróżnieniu jednak od kompozytu POM + brąz + GBF, ta metaliczna war-stewka pokryta jest jeszcze warstewką PTFE (rys. 4.3). Podczas tarcia następuje se-lektywne przenoszenie brązu z kompozytu na powierzchnię stalowego elementu, gdzie tworzy się bardzo trwała warstewka brązu pokryta także warstewką PTFE. Nie jest ona niszczona przez cząstki napełniacza szklanego, ponieważ są one, jak również cząstki brązu, osłonięte przez PTFE. Zmodyfikowana podczas tarcia
po-wierzchnia ślizgowa stalowego elementu nie oddziałuje niszcząco na powierzchnię ślizgową współpracującego z nią kompozytu, a lepsze właściwości tribologiczne wynikają z większej wytrzymałości kompozytu, lepszego odprowadzania ciepła tar-cia i słabszych oddziaływań adhezyjnych.
Rys. 4.3. Model tarcia czteroskładnikowego kompozytu: POM + proszek PTFE + proszek brązu + GBF (GBF – hybrydowy napełniacz szklany, włókna szklane i mikrokulki szklane)
4.3. CEL BADAŃ
Cel badań, wynikający z przedstawionej hipotezy i związany z jej weryfikacją, ogólnie można sformułować jako: określenie wpływu fizycznej modyfikacji POM wybranymi napełniaczami (proszkiem PTFE, proszkiem brązu i hybrydowym napełniaczem szklanym – ciętymi włóknami i mikrokulkami) na jego tribolo-giczne właściwości podczas tarcia technicznie suchego ze stalą. Bardziej szcze-gółowo podany cel można określić przez następujące cele cząstkowe:
Cele naukowe:
Określenie wpływu zestawienia rodzajów i ilościowego udziału wybranych napeł-niaczy na nadcząsteczkową strukturę POM,
określenie zmian struktury WW poszczególnych kompozytów POM podczas ich ślizgowej współpracy ze stalą (w zależności od składu kompozytów i wymuszeń ze-wnętrznych procesu tarcia) i związku tych zmian z właściwościami tribologicznymi rozpatrywanych par ślizgowych,
wyjaśnienie zjawisk i procesów zachodzących w procesie tarcia technicznie su-chego kompozytów POM po stali.
Cele utylitarne:
określenie optymalnych składów poszczególnych rodzajów kompozytów POM ze względu na ich właściwości tribologiczne w warunkach tarcia technicznie suchego ze stalą,
wyznaczenie kompleksowych charakterystyk tribologicznych (określenie wpły-wu p, v, Ra na właściwości tribologiczne) dla najlepszego spośród badanych kompo-zytów POM podczas tarcia ze stalą bez smarowania i określenie optymalnych wartości wymuszeń zewnętrznych procesu tarcia tego skojarzenia ślizgowego.
Uszczegółowione informacje dotyczące wymienionych celów cząstkowych oraz zakresu realizowanych badań zawarto w dalszej części pracy (pkt 5).