TRIBOLOGICZNE SKOJARZEŃ METAL–POLIMER
4.1. WARUNKI DOCIERANIA
4.2.2. RODZAJ ATMOSFERY PROCESU TARCIA PAR POLIMER–METAL Większość par ślizgowych polimer–metal występujących w elementach maszyn
pracuje w atmosferze powietrza. Tlen występujący w powietrzu jest czynnikiem
Temperatura T [°C]
Wspó
łczynnik tarcia kinetycznego
wpływającym istotnie na właściwości tribologiczne par polimer–metal. Przede wszystkim bierze udział w utlenianiu polimerów, powodując zwiększenie adhezji po-wierzchni trących. Dzięki temu możliwe jest między innymi wytwarzanie polimero-wej warstewki na powierzchni metalowego elementu. Zjawisko to opisano w rozdziale 3.1.1. Warstewka ta ułatwia ślizganie materiału polimerowego po metalu oraz zwykle ogranicza szybkość jego zużywania, wpływając tym samym na właściwości tribolo-giczne współpracujących materiałów.
Rys. 4.19. Chłonność wilgoci [%] (z powietrza w temp. 23 °C, 50% wilgotności względnej, po 24 godzinach) dla wybranych polimerów termoplastycznych [69], [179] [196]
Dodatkowym czynnikiem wpływającym na procesy tarcia zachodzące w otoczeniu powietrza jest woda, która występuje w powietrzu w postaci pary. Gromadzące się na powierzchni ślizgowej cząsteczki pary wodnej pełnią rolę środka smarującego. Rów-nież absorpcja wody przez warstwę wierzchnią polimeru, która zmienia adhezję, może wpłynąć na opory tarcia [18], [126], [138]. Z drugiej strony niektóre z polimerów (np. poliamidy) mają zdolność wchłaniania wilgoci z otoczenia, co przyczynia się do zmiany ich cech materiałowych, w tym również właściwości tribologicznych. Chłon-ność wilgoci przez materiały polimerowe zależy od ich budowy strukturalnej, a także od porowatości, jaka może się pojawić w wyniku powstawania wolnych przestrzeni pomiędzy składnikami w przypadku materiałów kompozytowych. Chłonność wilgoci przez wybrane polimery przedstawiono na rysunku 4.19 oraz podczas omawiania wła-sności polimerów w rozdziale 1.
W literaturze dotyczącej zagadnień tarcia polimerów prezentowane są przykłady wpływu wilgotności powietrza na charakterystyki tribologiczne materiałów
polimero-Ch
łonno
ść
wilgoci [%
wych współpracujących ślizgowo ze stalą [126]. Dotyczy to przede wszystkim polia-midów, dla których zależności intensywności zużycia w funkcji wilgotności względ-nej powietrza przedstawiono na rysunku 4.20.
Rys. 4.20. Intensywność zużycia poliamidów PA6 i PA6.6 w funkcji wilgotności bezwzględnej
powietrza RH [%] (p = 1 MPa, v = 0,5 m/s, stalowy element współpracujący Rz = 2,4 µm) [126]
Rys. 4.21. Wpływ wilgotności względnej RH na wartość współczynnika tarcia statycznego μ0
w temperaturze powietrza T0 = 50 °C dla PEEK, POM oraz PTFE
Intensywno ść zu życ ia Ih [μ m/km] Wilgotność względna RH [%] Wspó
łczynnik tarcia statycznego
μ0
Woda zawarta w powietrzu wpływa nie tylko na intensywność zużywania poli-merów, ale również na wartość oporów tarcia. Z tego powodu przeprowadzono ba-dania tribologiczne [115], których celem była analiza wpływu poziomu wilgotności względnej na charakterystyki tribologiczne trzech wybranych materiałów polime-rowych: PEEK, POM oraz PTFE. Materiały te są obecnie jednymi z częściej wyko-rzystywanych na panewki polimerowych łożysk ślizgowych. Wynikiem badań były
charakterystyki (rys. 4.21, 4.22) współczynnika tarcia statycznego μs oraz
kinetycz-nego μk w zależności od wilgotności względnej RH w zakresie 35–95%. Badania
przeprowadzono w komorze klimatycznej na tribotesterze typu pin-on-disc w
usta-lonej temperaturze otoczenia T0 = 50 °C.
Analiza uzyskanych wyników badań potwierdziła wpływ wilgotności względnej
powietrza na współczynnik tarcia statycznego μs oraz współczynnik tarcia
kine-tycznego μk. Dla PEEK oba współczynniki w całym zakresie badanej wilgotności
względnej maleją. Dla pozostałych dwóch materiałów współczynniki tarcia sta-tycznego oraz kinesta-tycznego mają największą wartość dla wilgotności względnej powietrza RH = 65%. Przy mniejszej wilgotności względnej współczynniki te ma-leją wraz ze zmniejszaniem wilgotności względnej, natomiast w wilgotności powy-żej 65% rosną wraz z jej zwiększaniem.
Rys. 4.22. Wpływ wilgotności względnej RH na wartość współczynnika tarcia kinetycznego μk
w temperaturze powietrza T0 = 50 °C dla PEEK, POM oraz PTFE
Ponieważ ilość pary wodnej w powietrzu dla danej wilgotności względnej zale-ży od temperatury powietrza, w dalszej części przeprowadzono badania w celu
określenia zmian współczynnika tarcia statycznego μs oraz współczynnika tarcia
kinetycznego μk w funkcji temperatury T [°C] oraz wilgotności względnej RH [%].
Wilgotność względna [%]
Wspó
łczynnik tarcia kinetycznego
Pomiary wykonano w zakresie wilgotności względnej 35–95%. Po osiągnięciu za-danych parametrów (temperatury T oraz wilgotności względnej RH) próbka prze-bywała w stabilnych warunkach co najmniej pół godziny. Podczas badań przyjęto stałą wartość nacisku jednostkowego p = 1 MPa. Na podstawie uzyskanych wyni-ków wyznaczono funkcje regresji w postaci wielomianów drugiego stopnia. Funkcje te posłużyły następnie do wykreślenia wykresów przestrzennych i warstwicowych
przedstawiających zmiany współczynnika tarcia statycznego μs oraz współczynnika
tarcia kinetycznego μk w zależności od zmian wartości T oraz RH. Zostały one
przedstawione na rysunkach 4.23–4.28.
Rys. 4.23. Wartość współczynnika tarcia statycznego μ0 w zależności od zmian temperatury T [°C]
oraz wilgotności względnej RH [%] podczas tarcia suchego PEEK po stali
Wyniki badań potwierdziły wpływ zarówno wilgotności względnej, jak i tem-peratury powietrza na opory tarcia. Należy jednak zwrócić uwagę, że największy wpływ wilgotności zaobserwowano w niższej temperaturze powietrza niezależnie od badanego materiału. Ponadto widoczne jest nieco odmienne zachowanie PEEK, w którego przypadku zwiększenie wilgotności powietrza przyczyniło się do obniżenia współczynnika tarcia zwłaszcza w dolnym zakresie rozpatrywanej temperatury. Dla pozostałych materiałów, tj. PTFE i POM, zwiększanie wilgotno-ści powodowało początkowy wzrost, a następnie nieznaczne zmniejszenie współ-czynnika tarcia. Można to tłumaczyć zwilżalnością powierzchni polimerów przez wodę, która jest związana ze swobodną energią powierzchniową materiału poli-merowego. T0 [°C] T0 [°C] μ0 RH [%] RH [%]
Rys. 4.24. Wartość współczynnika tarcia kinetycznego μk w zależności od zmian temperatury T [°C] oraz wilgotności względnej RH [%] podczas tarcia suchego PEEK po stali
Rys. 4.25. Wartość współczynnika tarcia statycznego μ0 w zależności od zmian temperatury T [°C]
oraz wilgotności względnej RH [%] podczas tarcia suchego POM po stali
Jak wykazały badania energii swobodnej przedstawione w tabeli 4.2, spośród ba-danych materiałów największą swobodną energię powierzchniową wykazuje PEEK. Oznacza to, że jego powierzchnia jest gorzej zwilżana przez wodę niż w przypadku POM i PTFE. Osadzające się zatem na powierzchni ślizgowej PEEK cząsteczki wody w odmienny sposób wpływają na oddziaływania adhezyjne związane z siłą tarcia niż w przypadku PTFE i POM.
T0 [°C] RH [%] μk T0 [°C] RH [%] μ0 RH [%] RH [%] T0 [°C] T0 [°C]
Rys. 4.26. Wartość współczynnika tarcia kinetycznego μk w zależności od zmian temperatury T [°C] oraz wilgotności względnej RH [%] podczas tarcia suchego POM po stali
Rys. 4.27. Wartość współczynnika tarcia statycznego μ0 w zależności od zmian temperatury T [°C]
oraz wilgotności względnej RH [%] podczas tarcia suchego PTFE po stali
Obok najczęściej występującej sytuacji pracy polimerowych łożysk ślizgowych w atmosferze powietrza możliwe są również sytuacje, w których tego typu łożysko pracuje w urządzeniach (instalacje przemysłu chemicznego, farmaceutycznego itp.), w których bądź nie ma dostępu powietrza, bądź występuje próżnia. W tej sytuacji będą występowały nieco odmienne procesy i zjawiska związane z tarciem i
zużywa-μk T0 [°C] RH [%] RH [%] T0 [°C] μ0 RH [%] RH [%] T0 [°C] T0 [°C]
niem materiałów współpracujących ze sobą w ślizgowych węzłach maszyn. Tarcie w atmosferze gazów obojętnych, np. argonie, uniemożliwia zaistnienie procesów chemicznych z udziałem tlenu. Brak reakcji z tlenem nie zawsze jest korzystny. Przy-kładem może być współpraca kompozytu PTFE ze stalą w atmosferze argonu, w tem-peraturze 150 °C [126]. Podczas tarcia w takich warunkach kompozyt PTFE wykazał wielokrotnie większe zużycie niż w atmosferze powietrza, przy podobnej wartości współczynnika tarcia. Przyczyną był brak tlenu jako katalizatora reakcji pomiędzy uwalniającym się z PTFE fluorem a żelazem. Reakcja taka umożliwia wytworzenie na powierzchni stali polimerowej warstewki, która między innymi redukuje szybkość zużywania PTFE. Również podczas tarcia w próżni par polimer–metal z powodu braku tlenu nie zachodzą procesy utleniania. Jednak występują inne efekty związane z bra-kiem ciśnienia i szybszym w takich warunkach odparowywaniem składników polimeru.
Rys. 4.28. Wartość współczynnika tarcia kinetycznego μk w zależności od zmian temperatury T [°C]
oraz wilgotności względnej RH [%] podczas tarcia suchego PTFE po stali
Tabela 4.2. Wyniki badań swobodnej energii powierzchniowej warstwy wierzchniej polimerów [105] Swobodna energia powierzchniowa Składowa dyspersyjna Składowa polarna
Praca adhezji dla skojarzenia ze stalą C45 (40 HRC) Badany materiał γs [mJ/m2] γs,d [mJ/m2] γs,p [mJ/m2] Wab [mJ/m2] Polietylen PE-UHMW 39,4 39,0 0,5 85,3 Polieteroeteroketon PEEK 45,8 40,6 5,2 96,2 Polioksymetylen POM 43,0 36,1 6,9 93,5 Politetrafluoroetylen PTFE 22,3 18,6 3,7 67,3 T0 [°C] RH [%] μk T0 [°C] RH [%]
Dodatkowo występuje gorsze odprowadzanie ciepła ze strefy tarcia. Dobrymi materia-łami w aspekcie cieplnym do pracy w warunkach próżni są politetrafluoroetylen PTFE oraz poliimidy PI, a zwłaszcza kompozyty utworzone na ich osnowie [62], [126], [133].
4.2.3. TARCIE I ZUŻYWANIE PAR ŚLIZGOWYCH