SZENT ISTVÁN EGYETEMGÉPÉSZMÉRNÖKI KAR

Témavezető:

DR. PÁLINKÁS ISTVÁNegyetemi docens

FÉMSZÓRT FELÜLET ÉS MŰANYAG KAPCSOLATOKTRIBOLÓGIÁJA

DOKTORI (Ph.D.) ÉRTEKEZÉS

Készítette:

SZŰCS SÁNDOR Dr. univ.főiskolai docens

egyéni Ph.D. hallgató

Gögöllő2003.

A doktori iskola

1

megnevezése: Műszaki Tudományi Doktori Iskola

tudományága: agrár-műszaki

vezetője: Dr. Szendrő Péterrektor, egyetemi tanára mezőgazdasági tudomány doktoraSzent István Egyetem, Gépészmérnöki KarMezőgazdasági Géptani IntézetGödöllő

Témavezető: Dr. Pálinkás Istvánegyetemi docensSzent István Egyetem, Gépészmérnöki KarGépgyártás és Javítástechnológia TanszékGödöllő

...................................................Az iskolavezető jóváhagyása

..............................................A témavezető jóváhagyása

2

TARTALOMJEGYZÉK

BEVEZETÉS 4

1. A TRIBOLÓGIAI RENDSZER FELÉPÍTÉSE, JELLEMZÉSE 61.1. A tribológiai rendszer elemei és kölcsönhatásuk 61.2. A tribológiai rendszer leírása 8

2. AZ ÉRINTKEZŐ FELÜLET TRIBOLÓGIAI JELLEMZÉSE 102.1. Az elméleti és valós felület eltérései 102.2. A tribológiai igénybevételnek kitett anyag felületi rétegének átalakulása 102.3. A felület morfológiai értékelése 112.4. A felületek érintkezése 14

3. A SÚRLÓDÁS ÉS KOPÁS 183.1. A súrlódás 183.1.1. A külső súrlódás 193.2. A kopás 233.2.1. A kopást előidéző folyamatok 24

4. A SÚRLÓDÓ RENDSZEREK KOPÁSÁT ELSŐDLEGESEN BEFOLYÁSOLÓTÉNYEZŐK 324.1. Anyagpárosítás 324.1.1. Fémek és ötvözeteik súrlódása, kopása 334.1.2. Műanyagok súrlódása, kopása 344.1.3. Kerámiák súrlódása, kopása 424.2. Felületkezelések 434.2.1. Felületbevonó eljárások 444.2.1.1. A felületbevonó eljárások fő jellemzői 464.2.1.2. A beolvasztás nélküli, szórt fémrétegek felépítése, szilárdsági jellemzői 504.3. A kenés szerepe 554.3.1. Kopási állapotok kenés nélküli súrlódó rendszerekben 554.3.2. Az anyagok kopása kent súrlódó rendszerben 564.4. A felület és a kenőanyag kölcsönhatása 58

5. KOPÁS-SÚRLÓDÁS VIZSGÁLATI MÓDSZEREK 62

6. KUTATÁSI CÉLKITŰZÉS ÉS A KÍSÉRLETI PROGRAM KIALAKÍTÁSA 666.1. A kutatási célkitűzés 666.2. A kísérleti program 676.3. Az alaptest kialakítása 706.4. Az ellentest kialakítása 716.5. A vizsgált szórt fémek és műszaki műanyagok 736.6. Köztes anyagok 756.7. Vizsgáló gép kialakítása, megfelelőségének igazolása 756.8. Az alkalmazott mérőeszközök 796.9. Környezeti feltételek 796.10. A mérési eredmények rögzítésének, megadásának módja 79

3

7. A VIZSGÁLATI PROGRAM ISMERTETÉSE ÉS AZ EREDMÉNYEKÉRTÉKELÉSE 827.1. A kiválasztott szóróanyagok kopásállóságának meghatározása

(I. vizsgálat) 827.2. A vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása

(II. vizsgálat) 837.3. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül

(III. vizsgálat) 847.4. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben

(IV. vizsgálat) 857.5. Tömör acél/műanyag súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül

(V. vizsgálat) 867.6. Tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben

(VI. vizsgálat) 877.7. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül, növelt

súrlódási úthosszal(VII. vizsgálat) 88

7.8. Tömör acél/műanyagok súrlódásának, kopásának vizsgálata növelt súrlódásiúthosszal(VIII. vizsgálat) 92

7.9. Az egyszeri kenés hatásának vizsgálata(IX. vizsgálat) 95

7.10. Különböző kenőképességű folyékony kenőanyagok hatásának vizsgálata a szórtacél/POM-C súrlódására, kopására(X. vizsgálat) 97

7.11. Új tudományos eredmények 99

8. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK 100

ÖSSZEFOGLALÁS 103

IRODALOMJEGYZÉK 105

TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 109

ÁBRÁK JEGYZÉKE 111

MELLÉKLETEK JEGYZÉKE 114

MELLÉKLETEK 116

4

BEVEZETÉS

A gépek és a berendezések súrlódó alkatrészeinek veszteségeit a súrlódási ellenállás, a különbözőmechanizmusok útján létrejövő jellemző kopásérték nagysága határozza meg. Amíg az utóbbi 50-60 év intenzív kutatásai megnyugtatóan tisztázták a legtöbb anyagpárosításra a súrlódás szerepét, addiga kopással kapcsolatos kérdések többségét mindezidáig nem sikerült tisztázni, mi több, újabb, nehezenértelmezhető jelenségek kerülnek felszínre. A veszteségek csökkentésének leghatékonyabb módjának akenést tekintettük, amikor is a gépelemek súrlódó felületei közé valamilyen halmazállapotú –folyékony, plasztikus vagy szilárd – kenőanyagot juttatunk és olyan konstrukciós megoldástalkalmazunk, hogy a kenőanyag lehetőleg minden üzemállapotban válassza el egymástól a súrlódófelületeket. Ennek megvalósítása a gyakorlatban nem mindig lehetséges. Az üzemi körülményekszélsőséges megváltozásának hatására bekövetkezhet a kenőfilm összeomlása, vagykörnyezetvédelmi, egészségügyi előírások miatt kenőanyag nem alkalmazható. Ilyen esetekben akenés szerepét az érintkező felületeknek, ill. azok felső adszorpciós rétegének kell átvenni. Ezek akövetelmények előtérbe állították a különböző anyagpárosítások tribológiai vizsgálatát, az„önkenőképesség” megvalósítási lehetőségeinek kutatását.

A szilárd testek súrlódásánál az érintkező felületi részeken nagy helyi igénybevételek alakulhatnakki, amelynek hatására a kopás jellege és intenzitása időben megváltozik. A tapasztalatok aztmutatják, hogy a kopás kialakulásának módja, jellege és intenzitása a különböző anyagpárosítások,és a felületekkel közvetlen érintkező kenőanyagok rendkívül bonyolult kapcsolatának azeredménye. Mivel a gépelemek anyagait elsősorban szilárdságtani és gazdaságossági szempontokalapján felületkezel választjuk, súrlódó felületeik a legtöbb esetben csak korlátozottan képesek atribológiai követelményeknek eleget tenni. Ezen probléma megoldására fejlesztették ki a különböző ési,felületbevonási eljárásokat. Ezek lehetőséget nyújtanak a gépelem anyagától eltérő, a tribológiaikövetelményeknek eleget tevő felületi rétegek előállítására.

A felületbevonásnak egyik módszere a termikus szórás. A termikus szórási eljárásokkal ma már atribológiai bevonatok széles választéka állítható elő. Ezek a bevonatok halmaz szerkezetűek, poró-zusak. A halmaz elemei az alaptesthez és egymáshoz túlnyomórészt adhéziósan és mechanikusankötődnek. Fémes kent súrlódó rendszerekben kiváló kopási és súrlódási tulajdonságokat mutatnak.

A szórt fém/műanyag kapcsolatok tribológiai vizsgálata mindeddig háttérbe szorult. A műanyagokönkenőképességük révén a kis teljesítményű kenés nélküli súrlódó rendszerek fontos elemei.Gyakorlati szempontból fontos feladat az ilyen rendszerek tribológiai kutatása, a nagyobbteljesítményre képes anyagpárosítások megtalálása.

Kísérleti programomban – a lehetőségeim határain belül – különböző anyagpárosítások (tömör fém-műanyagok, porózus fémbevonatok-műanyagok) vizsgálatát végeztem el különböző kenésimódoknál. Kísérleteimben kenőanyagként természetes szorpciós réteget, normál vizet, desztilláltvizet, fehér olajat, fehérolaj+szorpciós adalékolású, fehérolaj+EP/AW adalékolású, fehérolaj+FMadalékolású kenőanyagot, valamint 15W40-es ACEA A5-02 teljesítményszintű motorolajathasználtam. A vizsgálatokat definiált körülmények között, saját tervezésű és kivitelezésű „tárcsa-síklap” próbatest alakokat alkalmazó, kopásvizsgáló gépen végeztem.

A doktori (Ph.D) értekezésem első részében a kutatómunkám tárgykörébe tartozó irodalmattekintem át és kritikai elemzést készítek. A második részben a tervező-fejlesztő és kutatásimunkámról számolok be és tézisekben megfogalmazom a kutatási eredményeimet. Végezetül azeredmények hasznosítási lehetőségét taglalom, rámutatva néhány, még tisztázatlan kérdésre.

5

6

1. A TRIBOLÓGIAI RENDSZER FELÉPÍTÉSE, JELLEMZÉSE

1.1. A tribológiai rendszer elemei és kölcsönhatásuk

Az egymással érintkező és egymáshoz képest elmozduló felületeken mindig ébred egy, a mozgatóerővel ellentétesen ható erő, a súrlódó erő. Az elmozdulás során a felületek kopnak. A kopástúlnyomórészt anyagveszteséggel járó, a felületen és a felületközeli rétegben lejátszódó bonyolultfizikai, kémiai folyamatok eredménye. A kopás jellegét és sebességét nemcsak az érintkezőanyagok kémiai, fizikai tulajdonságai és igénybevételük, hanem a közöttük lévő anyag éskörnyezetük összetétele, állapota is befolyásolja. A súrlódás és kopás nem anyag, hanemrendszerjellemző, ezért tanulmányozásuknál a rendszerelmélet szemléletét és módszereit kellalkalmazni.

A rendszer fogalmán valamilyen ismérv alapján körülhatárolt, egymással kölcsönhatásban, össze-függésben álló elemek komplexumát értjük. Amikor meghatározzuk, hogy melyik elemet tekintjüka rendszerhez tartozónak, azonosítást végzünk. Ami az így kialakult rendszerhatáron kívül esik, az arendszer környezete. A rendszer működése csak környezetével összefüggésben vizsgálható. Akölcsönhatás az ún. rendszerbemeneteken, illetve –kimeneteken keresztül érvényesül.

Általánosságban a rendszer működése éppen azzal jellemezhető, hogy a bemeneteket mikénttranszformálja kimenetekké.

Zavaró hatásoknak nevezzük azokat a környezetből származó hatásokat, amelyek előre nem vagycsak statisztikus jelleggel vehetők figyelembe. A rendszer általános modellje az 1. ábrán látható.

rendszera(t)

környezetz(t)

x(t)bemenetekhalmaza

y(t)kimenetekhalmaza

1. ábra A rendszer általános modellje

A bemenetek valamilyen kiinduló állapotban lévő, energia vagy információ formájában belépnek arendszerbe és a rendszer működése kapcsán valamilyen állapotváltozás-sorozaton mennekkeresztül. Ezt az állapotváltozás-sorozatot folyamatnak nevezzük. A folyamatok tehát a rendszerlényegi alkotóelemei.

Az elemi tribológiai rendszer felépítését a 2. ábra mutatja.

Az elemek igénybevétele nem adható meg csupán a szilárdságtani méretezéshez felhasználtterhelési jellemzőkkel, mivel a súrlódó felületekre ható tribológiai igénybevétel több tényezőegyüttes hatása, amit kollektív igénybevételnek nevezhetünk. Ennek a kollektív igénybevételnekfontos eleme a fellépő ns FF ⋅= µ súrlódóerő, a felületelemek relatív mozgásának jellege,sebessége, a hőmérséklet, az igénybevétel időtartama és a rendszerelemek közötti fizikai és kémiaikölcsönhatások, melyek bonyolult kapcsolatát a 3. ábra szemlélteti.

7

Tribológiai rendszer szerkezete

Komplett igénybevétel

1

2 3

4

1-Alaptest2-Ellentest3-Közbenső anyag4-Környezeti közeg

Felszíni változások(Kopás megjelenési formák)

Anyagveszteség(Kopás-méretnagyság)

Jellemző kopásnagyság

Tribológiai rendszer szerkezete

Komplett igénybevétel

1

2 3

4

1-Alaptest2-Ellentest3-Közbenső anyag4-Környezeti közeg

Felszíni változások(Kopás megjelenési formák)

Anyagveszteség(Kopás-méretnagyság)

Jellemző kopásnagyság

2. ábra Az elemi tribológiai rendszer felépítése (DIN 50320)

Környezetianyag

Szennyezéskémiai reakció

ElgőzölésSzublimáció

Köztes anyag

SzétválasztásKenés

TribooxidációAbrázió

Felületi roncsolódás

AdhézióAbrázióFelületi

roncsolódás

Adszorpció

Kémiai rea

kció

Szublimáci

ó

Adszorpció

Kémiai rea

kció

Feldúsulás

kopási

részec

skékkel

Adszorpció

Kémiai reakcióFeldúsuláskopási

részecskékkel

Adszorpció

Kémiai reakcióSzublimáció

Alaptest Ellendarab

Környezetianyag

Szennyezéskémiai reakció

ElgőzölésSzublimáció

Köztes anyag

SzétválasztásKenés

TribooxidációAbrázió

Felületi roncsolódás

AdhézióAbrázióFelületi

roncsolódás

Adszorpció

Kémiai rea

kció

Szublimáci

óAdszorpció

Kémiai rea

kció

Szublimáci

óAdszorpció

Kémiai rea

kció

Szublimáci

ó

Adszorpció

Kémiai rea

kció

Feldúsulás

kopási

részec

skékkel

Adszorpció

Kémiai rea

kció

Feldúsulás

kopási

részec

skékkel

Adszorpció

Kémiai reakcióFeldúsuláskopási

részecskékkel

Adszorpció

Kémiai reakcióFeldúsuláskopási

részecskékkel

Adszorpció

Kémiai reakcióSzublimáció

Adszorpció

Kémiai reakcióSzublimáció

Adszorpció

Kémiai reakcióSzublimáció

Alaptest Ellendarab

3. ábra A tribológiai rendszer elemei közötti kölcsönhatások (Habig 1980)

A tribológiai igénybevétel csak a felület egy meghatározott részére hat, ezért a felületnekkitüntetett szerepe van a tribológiában.

A súrlódás és a kopás tanulmányozása során az általános rendszerelmélet alapelveit figyelembe kellvenni. Egy dinamikus tribológiai rendszermodell vázlatát a 4. ábra mutatja.

8

4. ábra Dinamikus tribológiai rendszer (Valasek, Szota 2002)

1.2. A tribológiai rendszer leírása

A rendszer vizsgálatához pontosan meg kell határozni azokat az elemeket, melyek a rendszerhez, ésazokat, amelyek a környezetéhez tartoznak. A rendszer csak a környezetével összefüggésbenvizsgálható. A rendszer leírása az alábbi módon lehetséges:

a) Az elemek és a közöttük lévő kapcsolatok leírása, ahol:

− az elemek csoportja iaA =− az elemek lényeges tulajdonságainak csoportja ( )ii aPP ⋅=− az elemek lényeges tulajdonságai közötti kapcsolatok ( )kii a;aRR ⋅=

együttesen képezik a szerkezeti sorozatot . ( )R;P;AfS ⋅=

b) A rendszer leválasztása a környezetétől a rendszerburkolat segítségével.

c) Az összes bemenetek, xp és kimenetek, yp összeállítása.

Ideális esetben az ( )R;P;AfS ⋅= = constans. Egy valós tribológiai rendszerben azonban mindigvan súrlódás és kopás, amelyeket tribológiai operátorokként jellemzünk. A tribológiai operátorokmegváltoztathatják a rendszer szerkezetét (azaz S =f(A, P, R) ≠ állandó), ami nem kívánatoskimeneti veszteségekhez vezet. Ezen kívül zavarok jelentkezhetnek a rendszer funkcionálisbemeneti-kimeneti viszonyaiban. Ennek következményeként az eredmény az egész rendszer zavaralehet. (Valasek, Szota 2002)

Egy összetett gép, illetve folyamat elemei tribológiai szempontból az alábbi rendszer típusokbasorolhatók:

− Elemi tribológiai rendszerFelépítése: alaptest, ellentest, közbenső anyag (harmadik test) és környezete

− Együttműködő tribológiai rendszerek, melyekben egy funkcionális szerkezetben több elemitribológiai rendszer van beépítve, amelyeknek lényeges tulajdonságai nincsenekkölcsönhatásban.

− Magasabb rendű tribológiai rendszerek, melyekben több elemi rendszer működik egyfunkcionális egységen belül úgy, hogy az elemek lényeges tulajdonságai kölcsönhatásbanvannak.

9

− Együttműködő magasabb rendű tribológiai rendszerek, melyekben egy vagy többmagasabb rendű tribológiai rendszer működik egy géprendszerben úgy, hogy lényegestulajdonságaik kölcsönhatásban vannak.

A valós rendszereket, elméleti tanulmányozásukhoz többnyire elemi rendszerekre bontjuk, melyekkörnyezetükbe való kapcsolatát igyekeztünk pontosan kézben tartani. A vizsgálatok célja általábana közvetlen kapcsolatban lévő alaptest, ellentest, közbenső anyag (2. ábra 1., 2., 3.) viselkedésénektanulmányozása, illetve leírása az adott rendszerben.

A közöttük ébredő kölcsönhatások, melyek meghatározzák a rendszer két legfontosabb kimenetét: asúrlódási veszteséget és az alaptest, ellentest kopását, exakt elméleti leírása összetettségük éssztochasztikus jellegük miatt nagyon nehéz. Jellemzésük:

− az érintkezési állapottal,− a kopási, súrlódási állapottal,− a kopási mechanizmussal és− a mozgásviszonyukkal lehetséges.

A rendszer súrlódási állapota szerint lehet:− kenés nélküli (szilárd-test) súrlódású,− határsúrlódású,− vegyes súrlódású,− folyadéksúrlódású (hidrosztatikus, hidrodinamikus, elaszto-

hidrodinamikus).

A súrlódó elemek mozgásformái a gyakorlatban rendkívül változatosak. Ezek egy lehetségesrendszerezését adja a DIN 50320 szabvány.

A mozgásformák öt elemi és ezek kombinációjával képezhető mozgásformára bonthatók. Az ötalapforma: – csúszás,

– fúrás,– gördülés,– lökés,– áramlás.

A komplex igénybevétel hatására a felületek kopnak. A kopást előidéző fizikai, kémiai hatásoknégy, úgynevezett kopási alapmechanizmusba sorolhatók. Ezek együttes működése további kopásimechanizmusokat alkot. A négy alapmechanizmus:

− adhéziós,− abráziós,− fáradásos,− kémiai

Az ezek kombinációjaként kezelt mechanizmusok:− eróziós,− kavitációs,− fretting.

10

2. AZ ÉRINTKEZŐ FELÜLET TRIBOLÓGIAI JELLEMZÉSE

2.1. Az elméleti és valós felület eltérései

Az alaptest és ellentest érintkező felületei nem tökéletesen simák, az érintkezési felület nagyságanem számolható a geometriai alakból.

A valós és az elméleti felület eltérései nagyságrendjük szerint csoportosítva:

1. Makrogeometriai eltérés (alakhiba) – a felület szabálytalan eltérése az ideális geometriaiformától (ovalitás, kúposság, hordósság, síktól való eltérés, stb.).

2. Hullámosság – az alkatrész felületének többé-kevésbé szabályos periodikus eltérése amakrogeometriai alaktól. A hullámhosszúság rendszerint 1-10 mm, a hullámmagasság pedig0,0005...0,5 mm.

3. Érdesség – a hullámos felület mikroeltérése a hullámos felület geometriai alakjától. Azérdességcsúcsok távolsága és magassága sokkal kisebb, mint a hullámhossz és ahullámmagasság.

4. Szubmikro érdesség – a felületi érdesség felszínén megjelenő igen kis méretű egyenetlenség.

A makrogeometriai eltéréseket és a hullámosságot a megmunkáló szerszám és gép hibái, valamintkis ciklusszámú lengései idézik elő. A felületi érdességet a megmunkáló szerszám alakja, kopása, amegmunkálási paraméterek, a megmunkált anyag tulajdonságai és a megmunkáló rendszer rezgéseihozzák létre. A szubmikro érdességet elsősorban a súrlódó felületek anyagának szerkezete, belsőhibái, a kristályok egyenetlen alakváltozása stb. alakítja ki. A felületi érdesség és a szubmikroérdesség nem csak a megmunkálás, hanem a súrlódási kölcsönhatás (a működés) közben is alakul.A súrlódó elemek működésének kezdeti szakaszában (a bejáratás alatt) a felületi érdességekjellemzői lényegesen megváltoznak. Állandósult üzemállapotban is állandóan újraformálódik afelületi érdesség, de jellemzői statisztikus átlagban változatlanok maradnak. A szubmikro érdességkialakulására jelentős hatást gyakorol a környező közeg (levegő, vízgőz, oxigén, kenőanyag stb.) is.

2.2. A tribológiai igénybevételnek kitett anyag felületi rétegének átalakulása

A szilárd testek felületén elhelyezkedő atomok, molekulák energia állapota, reakcióképességenagyobb, mint az anyagon belülieké. A környezettel, a köztes anyaggal érintkezve gázokat,folyékony és szilárd részecskéket adszorbeálnak. A mechanikai igénybevétel hatására azérdességcsúcsok és a felszínhez közeli rétegek plasztikusan, viszkoelasztikusan és elasztikusandeformálódnak, a felületről kopási részecskék válnak le. Ezek együttes hatásaként a felületi rétegátalakul. Ezt szemléleti az 5. ábra.

A működő felületek folyamatosan és fokozatosan módosulnak. A felületről porladás útján eltávozóoxigénben dús, finom kopásrészecskék és a felületről leszakadó kopadék nem távozik el rögtön arendszerből, így az érintkezés alakulása ezektől a kopásrészektől függ, amit a „harmadik test”problémájaként emlegetünk. Ez a probléma rendkívül összetett és nehezen kezelhető, mivel az igennagy darabszámú (1020 db/m3), rendkívül aktív, nagy fajlagos felületű (20...600 m2/g) részecskékkémiai reakcióképessége nagy.

11

5. ábra Légköri viszonyok között, tribológiai igénybevételnek kitett ötvözetlen acélhatárfelületének felépítése

Ez a reakcióképesség azonban csak akkor jut érvényre, ha az adott mechanizmusban olyan külsőfeltételek adódnak, amelyekben a reakció beindulhat. A környezet és a részecskék közöttiátalakulásokat az érintkezés nyílásai, a mechanizmus holtjátéki helyzetei, a felületi egyenetlenségés az érintkezési kapcsolat pillanatnyi helyi nyomásváltozásai segíthetik elő.

A harmadik test mechanikusan és fizikai-kémiai úton kötődik az alaptesthez és/vagy ellendarabhoz,ami kohézióban és adhézióban nyilvánul meg. Ebből adódóan a tribológiai anyagforgalomáramlásai a különféle periódusokban megváltoznak. Ennél a jelenségnél a mechanikai jellemzőkfejlődési kinetikájának és a harmadik test áramlásának a problémájáról van szó.

A harmadik test az elsődleges testekhez viszonyítva relatív sebességgel mozog. Mind száraz, mindkent felületeken keletkezhet, és egyben mindkét felület módosulásának forrása is. A harmadik testkeletkezését a kopás fogalmával összetéveszteni nagy hiba lenne, ugyanúgy, mint az, hogy aharmadik testet csak az olajfilm szállítja. Minden kétséget kizáróan a harmadik testproblematikájával olyan tribológiai jelenségek hozhatók összefüggésbe, mint a felületmódosulás,felületi energiaszint változás, kohézió, adhézió, fémátvitel, abrazív erózió, oxidáció, kenéstechnikaikorrózió, stick-slip jelenség, olajbesűrűsödés, viszkozitás változás, súrlódási és áramlásiveszteségek növekedése. (Valasek, Szota 2002)

2.3. A felület morfológiai értékelése

A felületi érdesség: a felület mértani jellegű egyenetlenségeinek – általában a megmunkálásbóleredő jellegzetes mintázatot mutató – viszonylag kis térközű része.

Az egyenetlenség magasság irányú méretével kapcsolatos érdességi jellemzők egy részét a 6. ábraszemléleti. Ezek közül a műszaki dokumentációkban általában az Ra – átlagos érdesség és az Rz –egyenletlenségmagasság előírt értékét adják meg.

12

6. ábra Egyenetlenségmagassággal kapcsolatos érdességi jellemzők

Tribológiai szempontból a felület fontos kiegészítő jellemzője a profilteljesség tényező (Kh), amelyaz alaphosszon belül az észlelt profilszelvény és a fenékvonal közötti, anyaggal kitöltött terület,valamint a tetővonal és fenékvonal által bezárt terület aránya.

A profilteljességi tényezőnek valamennyi gépelem érintkező felületén kialakuló súrlódás és kenésvonatkozásában jelentős szerepe van, de a nagyterhelésű kapcsolatokban (fogfelületek,gördülőcsapágyak, stb.) szerepük döntő, kerámia alkatrészeknél pedig kizárólagos.

A profil hosszirányú egyenetlenségeivel kapcsolatos érdességi jellemzők közül a profilviszonylagos hordozógöbéjének van kiemelt tribológiai jelentősége. (7. ábra)

13

7. ábra A hordozóhossz és a viszonylagos hordozóhossz értelmezése

A felületi érdesség szerepe az olajtárolásban

A felületi struktúra az ABOTT-féle hordfelületi diagrammal jellemezhető, amelyet ma már mindenfelületi érdességmérő műszerrel meg lehet határozni (8. ábra).

Profildiagram Abott-diagramProfilteljességi tényező (Kh)

Ra - átlagos érdesség, µmRm - max. egyenetlenség, µmKh - profilteljességi tényező, %

Olajtároló-térfogat ( )( )2

3

0 2000100

cmmmACBV −−

=

8. ábra Abott-féle felületi olajtároló térfogat (Valasek, Szota 2002)

A profilteljességi tényező (Kh) köszörült felület esetén 80% felett van, kerámia felületeké 96%. Azolajtároló térfogat szükséges nagysága miatt van jelentősége a megmunkálási nyomoknak és

14

szögállásának. Még elfogadhatónak mondható a felületi érdesség, ha Ra = 0,25…0,4 µm, Rz =1,1…1,8 µm és Rm = 3…6 µm, és ha a honolási szög 40o…60o, a Kh pedig 80% között van. Ebbenaz esetben a felület olajtároló térfogata: 23

0 /026,0...016,0 cmcmV ≅ , ami még megfelelő (Valasek,Szota 2002).

2.4. A felületek érintkezése

Két kapcsolatban lévő gépelem érintkezésének elemzésekor nem lehet figyelmen kívül hagyni,hogy felszínük egyenetlen és az egyenetlenségek eltérő nagyságúak és szabálytalanok, eloszlásuksztochasztikus, a rajtuk lévő elsőrendű szorpciós réteg inhomogén és egyenetlen, továbbá, hogyelasztikusan és plasztikusan deformálódnak normál terhelés hatására.

Az érintkező érdességcsúcsok – mikrokapcsolatok – összessége alkotja a tényleges érintkezésifelületet (At), amely rendszerint csak egy kisebb hányada a geometriai felszínnek (An) (9. ábra).

9. ábra A geometriai és a tényleges érintkezési felületbaAn ⋅= - geometriai felület; ∑= it AA - tényleges érintkezési felület

A felület hullámossága miatt nem minden érdesség csúcs, hanem csak a kiemelkedő hullámtetőkönlévő érdességcsúcsok vesznek részt a tényleges érintkezési felület kialakításában. A kiemelkedőhullámdombok a felületet terhelő normális irányú erők hatására deformálódnak, belapulnak, és azígy kialakuló Ac kontúr érintkezési felületen találhatók azok az érdességcsúcsok, amelyekmeghatározzák a tényleges érintkezési felület nagyságát.

A tényleges érintkezési felületen kialakuló alakváltozási és feszültségi állapot (amely külsősúrlódásnál meghatározza a szilárd testek kölcsönhatását) nagymértékben függ a testek érintkezésifelületeinek geometriai jellemzőitől.

Dinamikus körülmények között, nagy nyomásokon, megfelelő kenőanyag jelenlétében azérintkezési felületek deformációja, – nem illeszkedő geometriai alakok esetében is –, lehetővé tesziegy kvázi-folyadékkenés (EHD) kialakulását.

15

A tényleges érintkezési felület a normál terhelőerővel arányosan változik. Ez a változási folyamat afelületek közeledésének függvényében két szakaszra bontható. A kezdeti telítetlen érintkezésiszakaszban, amikor a felületek relatív közeledésének értéke (0<ε<εH) az ε relatív közeledésnövekedésével az érintkezésben résztvevő felületi csúcsok száma és azok érintkezési felületenövekszik addig, amíg (ε=εH helyen) az utolsó érdességcsúcs is érintkezésbe nem lép. A terheléstovábbi növelésével a relatív közeledés a telített érintkezés szakaszába kerül (ε>εH), ahol azegyedi érintkezési csúcsok száma már nem növekszik: a tényleges érintkezési felület növekedésétaz egyedi csúcsok alakváltozási területének növekedése okozza.

A tényleges (At) érintkezési felület nagysága a felületi és szilárdságtani jellemzők ismeretébenszámítással is meghatározható (Kragelszkij-Mihin 1987; Kozma 1994).

Az érdességi csúcsok deformációjának jellegét a plaszticitási indexszel (Ψ ) definiálhatjuk(Valasek, Szota 2002)

2/1

⋅

=Ψ

βσ

yRE

ahol: E - a rugalmassági modulus (N/mm2)Ry - a folyás megindulásához tartozó feszültség (N/mm2)σ - az érdesség magasság közepes eltérése (mm)β - az érdesség csúcsának átlagos görbületi sugara (mm).

Az első tag a szilárd anyag mechanikai tulajdonságaira jellemző, a második pedig a felületitopográfiát azonosítja.

Ψ>0,6 esetén a felületi érdességi csúcsok deformációja elasztikus, és a helyi érintkezési nyomás( ) 2/1/3,0 βσEp ⋅≈ nagyságú.

Ψ<1 esetén az érintkezésben lévő összes érdességi csúcs plasztikusan deformálódik, és a helyinyomás yRp ⋅≈ 4,0 . Az érdességi csúcsok terhelés (megmunkálás) alatt keményednek, és ez akomplett folyamat független az érdességi csúcsok alakjától és a feszültségmentesítés állapotától.Egy átlagos helyi nyomás yRp ⋅≈ 6,0 körüli érték, amelynél a tényleges érintkezési felület:

yR0,6 ⋅

=terhelésnormálAt

A technikai felületek kielégítő leírására általában nem elegendő egyetlen mérőszám. Az Rmax-onkívül célszerű megadni – ha ismert – az Rz, Ra, Rq és Kh értékek valamelyikét.

Különböző anyagpárosításoknál más-más egyenetlenségi mérőszámnak van jelentősége. Ezen kívülmeg kell adni, hogy a mérést milyen profilirányban végeztük el. Általában célszerű a megmunkálásiirányra merőleges profilt mérni.

A terhelés makroméretekben is deformációt okoz. Ez a deformáció nem illeszkedő alakúalkatrészeknél megnöveli a tényleges érintkezési felületet.

16

Az érintkezési felület alakját és méretét a testek alakja, szilárdságtani jellemzői és a terheléshatározzák meg. A 10. ábra henger-sík érintkezésénél mutatja a terhelés átvitel formáit a hengerrugalmas (a), képlékeny (b) deformációjánál és a henger-súrlódásánál (c).

10. ábra A terhelés átvitel modelljei henger/sík érintkezésekor (Werner 1986)a) rugalmas érintkezés, b) plasztikus érintkezés, c) súrlódási nyírófeszültség

FN – normál terhelőerő, po – maximális nyomófeszültség, τR – súrlódási nyírófeszültség

Fémeknél makroméretekben az esetek többségében az érintkezés rugalmas, a felületi nyomás(normálfeszültség) eloszlása elliptikus. Értékei a Hertz elmélet alapján számíthatóak. A felületen asúrlódásból adódó nyírófeszültség nagysága τR = p · µ, ahol p – a felületi nyomás, µ - a súrlódásitényező.

A sík érintkezési felülete alatti anyagrészek igénybevételét a terhelés és a súrlódó erő együttesenhatározzák meg. A két terhelés szuperponálódása révén kialakuló feszültségeloszlás matematikaileírását Karas (1941) oldotta meg először.

Az anyagokban ébredő feszültségeloszlás matematikai vizsgálata segít a kopási folyamatokmegértésében, de önmagában nem képes annak pontos leírására.

A maximális nyírófeszültség annál közelebb helyezkedik el a felszínhez, minél nagyobb a felületekközötti súrlódási tényező (11. ábra). A repedések kis súrlódási tényezőnél a felszín alatt,nagyobbnál a felszíni rétegből indulnak ki.

A kopási részecskék képződése szempontjából nagyon lényeges az érintkezési felület széleinébredő húzófeszültség csúcsa, mivel a terhelés ingadozásának hatására létrejövő fáradási repedésekkiindulási helye lehet.

17

11. ábra A max. csúsztató feszültség alakulása különböző súrlódási tényezőknél, a felszíntőltávolodva, amikor henger csúszik sík felületen (y=0) (Werner 1986)

Nagy µ>0,3 súrlódási tényezőknél (száraz, illetve határsúrlódás) mind a húzó, mind anyírófeszültségek maximuma a felület közelében az érintkezés szélein, illetve közelében van.

Szórt fémrétegek esetében az előzőekben leírt feszültségeloszlás csak makroméretekben fogadhatóel, a halmaz elemei (szemcsék) jelentősen eltérő igénybevételt szenvedhetnek. Mivel ez az eltérésközel azonos valószínűséggel lehet pozitív és negatív, a szórt rétegek egyes szemcséi, illetve ezekrészei a tömör fémeknél számítottnál jelentősen nagyobb igénybevételt szenvednek. Ebből adódóana feszültségfüggő kopási összetevők súlya várhatóan nagyobb.

Erősítés nélküli termoplasztoknál az előzőek szerint számított feszültségek a kúszás, illetve arelaxáció miatt időben változnak, ezért csak kezdeti, pillanatnyi értékeknek tekinthetők. A kopáselőrehaladásával nő a felfekvési felület mérete, csökken a nyomás, csökken az érintkező felületekmechanikai igénybevétele. Acél henger/műanyag síklap érintkezésekor a henger deformációja, két-három nagyságrenddel nagyobb rugalmassági modulusa miatt elhanyagolható. Szinte a teljesdeformáció a műanyagban jön létre.

18

3. A SÚRLÓDÁS ÉS KOPÁS

A műszaki gyakorlatban a gépek és a berendezések alkatrészeinek jelentős része mozgást végez,csatlakozó felületeik csúsznak vagy gördülnek egymáson, illetve ezek együttese révén kombináltmozgást végeznek.

Az egymáson elmozduló felületeket a súrlódás és kopás csökkentése érdekében rendszerintkenéssel látják el, de műszaki, konstrukciós vagy gazdasági okokból számos esetben működnekgépelemek kenés nélkül. A súrlódó, csúszó felületek kopását ezért mindkét súrlódási állapotbanvizsgálni kell. A kenéssel ellátott rendszerek is kerülhetnek a határsúrlódás vagy a szilárd-testsúrlódás állapotába, ha igénybevételük (terhelés, csúszási sebesség, hőmérséklet) szélsőségesenmegváltozik. Ezért a felületek kopási viselkedésének ismerete a szilárd-test súrlódás állapotában akenéssel ellátott rendszerek tervezésénél is szükséges.

A kenés nélküli csúszó felületek kopását gyakran azonosítják az adhéziós kopási mechanizmussal.Ha a valós folyamatot vizsgáljuk ez nem így van, hiszen az adhéziós kopással együtt mindig fellépa felületek oxidációja, a felületi egyenetlenségek ciklikus mechanikai terhelése, fárasztóigénybevétele. Az érintkező felületi csúcsokon létrejövő atomos és molekuláris kötésekelszakításakor kopási részecskék kerülnek a felületek közé, amelyek abráziós jellegű kopástidézhetnek elő, külső szilárd szennyezőanyag nélkül is. Az, hogy melyik kopási forma kerüldomináns helyzetbe, a rendszer pillanatnyi állapotától függ. A koptató hatás szempontjábólbizonyos esetekben egy vagy több alapmechanizmus hatása olyan kicsi, hogy az elméletitanulmányozás egyszerűsítése érdekében figyelmen kívül hagyható. Arra azonban mindigfigyelemmel kell lenni, hogy a tribológiai rendszer bármely elemének, illetve paraméterénekmegváltozása jelentősen megváltoztathatja a kopás intenzitását, jellegét.

3.1. A súrlódás

A terhelés alatt egymással kölcsönhatásban lévő, relatív mozgást végző gépszerkezetek, ill.anyagok érintkező felületén súrlódás keletkezik. A súrlódás az elmozdulást vagy mozgástakadályozó hatás, amely kifejezhető az érintkező felületek mentén a mozgással vagy az elmozdulásikényszerrel párhuzamos, velük ellentétes értelmű súrlódási erővel.

A súrlódás csoportosítása

A súrlódásokat alapvetően a megjelenésük szerint csoportosítjuk. Így lehet:

Külső súrlódás: az egymással kölcsönhatásban lévő szilárd testek felszínén vagy annak közvetlenközelében kialakuló mozgást (elmozdulást) akadályozó hatás.

Környező közeg által okozott súrlódás: kis viszkozitású közegben (pl. levegő) haladó testsúrlódása.

Belső súrlódás: a folyadékban lévő szilárd részecskék, illetve atomok, molekulák elmozdulása általkeletkező ellenállás. Folyadék- vagy kvázi folyadéksúrlódása van az áramló halmazoknak is(homok, liszt, gabona, stb.).

Technikai szinten valamennyi súrlódás dinamikus jellegű, ezért a rendszeranalízis során tovább kelltagolni a következők szerint:

19

− kezdeti állapot,− lefolyás,− végállapot.

3.1.1.A külső súrlódás

A külső súrlódás vizsgálatánál az alábbi speciális eseteket különböztetjük meg:

− Tapadó súrlódás, pl. csavarkötés, gép áll a talapzaton, stb.− Csúszó súrlódás, pl. csap forog a perselyben.− Gördülő súrlódás, pl. gördülőcsapágy forog, vasúti kerék a sínen gördül.

A súrlódási állapotokat csoportosíthatjuk a kenésállapot szerint: száraz, határ-, átmeneti és folyadéksúrlódás.

A kent tribológiai rendszerekben a külső és belső súrlódás egymással kölcsönhatásban jelen van, dea gépelem-pár konstrukciós kialakításától és a komplett igénybevételtől függően csak az egyiknekvan a rendszerre meghatározó szerepe.

Külső súrlódásnál a normál terhelőerő (FN) és a súrlódóerő között a kapcsolatot az Ns FF ⋅= µkifejezés adja meg, ahol µ - a súrlódási állapotra jellemző tényező.

A tapadó és a csúszó súrlódás

Ha az egymással érintkező szilárd testek valamelyikére az érintkezési síkkal párhuzamosan hatóerőt nulláról folyamatosan növeljük, az elmozdulás csak egy adott határérték elérése, ill. túllépéseesetén indul meg. A mozgás fenntartásához szükséges erő ennél általában kisebb. Ez azt mutatja,hogy a nyugalmi és mozgás közbeni (dinamikus) súrlódási ellenállás, azaz a súrlódási tényező nemazonos.

A nyugalmi (tapadó) súrlódási tényező maximális értékét az Nss FF ⋅= µmax szorzat adja, ahol µs-a tapadó súrlódási tényező. (Segner János András (1704-1777) elsőként definiálja a nyugvó(tapadó) és a mozgó (csúszó) súrlódási tényezőt.)

A nyugalmi és a mozgásbeli súrlódási tényezők közötti különbség a felületi egyenetlenségekhatásával magyarázható. A súrlódási tényező is rendszerfüggő paraméter, értékeit a rendszerkülönböző állapotaiban kísérleti úton határozzák meg.

Az akadozó súrlódás (Stick Slip)

A gyakorlatból ismert, hogy kis sebességű mozgásnál a csúszás nem egyenletes, hanem akadozó.Kedvezőtlen esetben gerjesztett lengés jön létre, amely nagy mozgó tömeg esetén jelentősdinamikus igénybevételt okoz a csatlakozó gépelemekben. Ez a fajta akadozó mozgás minden olyansúrlódópárnál felléphet, ahol legalább az egyik elem bizonyos fokú elasztikus szabadsággalrendelkezik.

Az akadozó csúszás folyamatát a 12. ábra mutatja. A jelenség oka a µs statikus és a µk kinematikaisúrlódási tényező közötti különbség. A vizsgálatok szerint létezik a rendszertől függőhatársebesség, amely felett a csúszás monotonná vagy kvázi monotonná válik.

20

12. ábra A „stick-slip” csúszás folyamata (Valasek, szerk. 1996)

A kritikus sebesség az alábbi összefüggéssel számolható:

( )mc

FV ksN

krit⋅

−=

µµ

ahol

c - a mozgató rendszer rugó állandója, (N/m)m - a mozgatott rendszer tömege, (kg)

Akadozó mozgásnál a súrlódási erő és a hajtó sebesség közötti kapcsolat megszűnik. A mozgásbelisúrlódási tényező úgynevezett statikus jelleggörbéjét a

)(vfk =µösszefüggés írja le. (13. ábra)

21

13. ábra A súrlódási tényezők változása a csúszási sebesség függvényében (Valasek, Szota 2002)

Az akadozó csúszás elkerülésének lehetőségei:

− a hajtás rendszer megfelelő merevsége,− a rendszer megfelelő mértékű csillapítása,− a csúszófelületek megfelelő párosítása,

− a súrlódó felülethez jól tapadó, 8,0k

s ≤µµ

hányadost adó, gyakorlatilag a csúszási sebességtől

független kinematikai súrlódási tényezővel (µk) rendelkező kenőanyag használata.

A súrlódás – mivel energiát emészt fel –, szinte teljes egészében hővé alakul. Hajtórendszerekbenértékét az érintkező felületek közé vitt kenőanyaggal lehet a leghatékonyabban csökkenteni.

A súrlódási ellenállást befolyásoló tényezők

A súrlódási ellenállás is rendszerjellemző, ezért a befolyásoló tényezők száma a rendszerbehatárolás módjától is függ. Kenés nélkül, száraz súrlódásnál az alábbi tényezők hatása alegjelentősebb:

− a felület morfológiája (felületi érdesség, érdességcsúcsok magasságeloszlása, alakhibák, stb.),− a felület szabadenergiáját meghatározó jellemzők (adszorpciós réteg vastagsága, kémiai

összetétele, az alaptest anyaga, keménysége, atomos vagy molekuláris szerkezete,kristályszerkezete, stb.),

− a felületek hőmérséklete, terhelése, mozgási sebessége,− az érintkező testek merevsége, rugalmassági modulusa és ezek egymáshoz való viszonya.

Mivel a mozgás során a felület átalakul, károsodik, a fenti tényezők jelentős része időben változikés egymással is kölcsönhatásban van.

A gördülő súrlódás

Dolgozatom nem tartalmazza a gördülő kapcslat tribológiai vizsgálatát de a súrlódás általánosértelmezése megköveteli a gördülő súrlódás fogalmának definiálását.Ha egy r sugarú FG súlyerőt kifejtő, kör keresztmetszetű test (kerék, henger) mozog, akkor agördülő test és az alap, amelyen gördül, merevségüktől függően deformálódnak. Az alakváltozásokmiatt az FG támasztó erő támadáspontja nem a nyomóerő hatásvonalán van, hanem a mozgásirányában előre f távolsággal eltolódik, ami járulékos (F) erőt igényel (14. ábra).

22

14. ábra Alakváltozás gördülésnél

A gördülési ellenállás arányos az f távolsággal. Az F értékét az egyensúlyi egyenletekből kifejezve

kapjuk fFxF G ⋅=⋅ ; ebből GGg FrfF

xfFF ⋅≈⋅== . Az

rf viszony helyébe µ-t írva a Coulomb-

féle súrlódási törvényhez jutunk Gg FF µ= .

Az f értéke függ az érintkező felületek merevségétől (deformációjától) és a haladási sebességtől.Meghatározása a gördülő test haladási ellenállásának (F) mérése alapján végezhető el.

A környezeti közeg által okozott súrlódás

Ha egy szilárd testet folyadék vagy gáz vesz körül, akkor elmozdulásakor ellenállást kell legyőznie.Ez az ellenállás a felületi és a környező anyag kölcsönhatásából, súrlódásából adódik. Ez a súrlódásspeciális esete, csúszó gépelemek súrlódásánál nem játszik szerepet.

3.1.2. Belső súrlódás

Belső súrlódás a folyékony és gáznemű anyagok részecskéi között alakul ki és fejt ki ellenállást afolyadék vagy gázrészecskék, ill. rétegek elmozdulásával szemben.

A belső súrlódás legyőzésére fordított munka is veszteség, hiszen döntő részben hővé alakul, amitnem tudunk hasznosítani.

A súrlódó felületek kenésére általában cseppfolyós kenőanyagokat, kenőolajokat használnak. Akenőolajok belső súrlódásának, viszkozitásának döntő szerepe van a hidrodinamikus és elaszto-hidrodinamikus kenésállapot kialakulásában.

A folyadékok nyírófeszültség hatására megváltoztatják alakjukat. Alakváltozási viselkedésükalapján az alábbi csoportokba sorolhatók:

− Newtoni folyadék− nem Newtoni folyadék.

23

Ez utóbbiak lehetnek:− nem lineáris viszkózis− lineáris viszkoelasztikus− nem lineáris viszkoelasztikus.

A Newtoni folyadékra érvényes a csúsztatófeszültség és az áramlás irányára merőleges sebesség-

gradiens közötti egyenes arányosság, amelyet a dydvητ = összefüggés fejez ki

η - a folyadék dinamikai viszkozitása ( )sPa ⋅

dydv - sebességváltozás az áramlás irányára merőlegesen (1/s)

τ - a folyadékréteg határfelületén ébredő csúsztató feszültség (Pa).

A nem Newtoni folyadékoknál a τ feszültség és a sebességgradiens közötti kapcsolat nem lineárisés/vagy a folyási folyamat reverzibilis és nem reverzibilis részből áll.

Egyes anyagoknál megfigyelhető a viszkozitás feszültség-függése a tixotrópia és a reopercia.

A kenőanyagok reológiai viselkedését jól szemléltetik a folyás- és viszkozitásgörbék, amelyekre a15. ábra mutat példákat.

dydvD = - sebességgradiens (1/s), τ - nyírófeszültség (Pa)

15. ábra Tipikus folyásgörbék (fent) és tipikus viszkozitási görbék (lent) (Valasek, Szota 2002)

3.2. A kopás

Az érintkező felületek relatív mozgása együtt jár a súrlódással és a kopással. Mindkét folyamatkomplex, ezért általános érvényű rendszerezésük eddig még nem történt meg.

A kopás a rendszer anyagvesztesége, bár ez az anyagveszteség sok esetben a kopáshoz viszonyítvakésleltetve jelentkezik.

24

A kopásformák felosztása a gyakorlatban az igénybevételi körülmények és az elemi kopásifolyamatok (mechanizmusok) alapján történik. Az elemi kopási mechanizmusok általánosanelfogadott felosztása: adhézív, abrázív, fáradásos és kémiai, ill. tribokémiai. Ezek kombinációjakénttovábbi mechanizmusok értelmezhetők, mint a kavitációs és az eróziós.

Az elemi mechanizmusok a valóságban legtöbbször együtt, egymást is kölcsönösen befolyásolvahatnak, de a rendszer állapotától függően hol az egyik, hol a másik kerül domináns helyzetbe. Akopás a súrlódó rendszerek jellemzője, teljesen megszüntetni nem lehet. Ha a felületek károsodásalassú, normál kopásról, ha elfogadhatatlanul gyors, akkor rendellenes kopásról beszélünk. Normálkopásnál csak a felület adszorpciós rétege sérül, míg rendellenesnél maga az alaptest is.

A kopás intenzitása időben változhat, gyorsulhat ill. lassulhat. Az anyagátvitel miatt negatív kopásis előfordulhat, de tartósan nem marad meg.

A kopássebesség alakulásának jellegzetes típusait a 16. ábra mutatja.

16. ábra A kopás jellegének és nagyságának változása (Valasek, szerk. 1996)a – pozitív kopás; b – negatív és pozitív kopás

3.2.1.A kopást előidéző folyamatok

Adhézív kopás

A valós felületek érintkezésekor nem a teljes geometriai méretekből számítható felületek, hanemcsak az érdességcsúcsok érintkeznek. Az érintkezési felületek között mechanikai, kémiai atomos ésmolekuláris kölcsönhatások jönnek létre.

Az atomos molekuláris erők az érintkezési felületeken adhéziós kötéseket hoznak létre. A kötésekelnyírásakor anyagátvitel történik, általában a kisebb keménységű anyagról a keményebbre.

Az átvitt részecskék idővel eltávoznak a felületek közül és a rendszer kopását okozzák. A kötésekerőssége függ az anyag minőségétől és a felületek tisztaságától. Normál atmoszférában a legtöbbfém felületén oxidréteg alakul ki. Ennek vastagsága, nyíró- és tapadószilárdsága jelentős befolyástgyakorol a kopásra. Ha az oxidréteg vagy annak tapadószilárdsága kisebb az adhéziós kötésnyírószilárdságánál, az elnyíródás az oxidrétegben vagy a határfelületen jön létre. Ha a terhelésnagy, a felületek érdesek, az oxidréteg felszakad és a nyers, nagy energiájú felületek kerülnekérintkezésbe.

25

Az így kialakuló adhéziós kötések erőssége akár egy nagyságrenddel is megnövekedhet. Eztigazolták a vákuumban végzett vizsgálatok.

Az adhéziós együttható, amely n

A

FFa = összefüggéssel definiálható (ahol FA – az adhéziós kötés

elnyírásához szükséges erő), szoros kapcsolatban van a fémek atomos szerkezetével és Vickers-keménységével.

Az oxidréteg kialakulásával, illetve sérülésével magyarázható a fémek enyhe és erős kopásiállapota. Ezt szemléleti a 17. ábra szénacél csap és szerszámacél gyűrű súrlódásánál.

A vizsgálat szerint kis terheléseknél az oxidréteg nem szakad át, a kopás sebessége kicsi, döntően oxidokleválása történik. A terhelés kritikus értékénél ∼ 3...4 N (lásd 19. ábra) az oxidréteg átszakad, azenyhe kopás drasztikusan megnő, a rendszer átkerül az erős kopási állapotba. A kopási tényező többmint 100-szorosára nő. A kopási részek fémes felületűek.

A hőmérséklet emelkedésével az oxidáció sebessége megnő, a réteg vastagabb lesz, ismét kialakul(17. ábra, T2) az oxidációs kopás. Tovább növelve a terhelést eljuthatunk az érintkezési felületekmegolvadásához, ami ismét erős kopást eredményez. Az erős kopás tartományában az érdességekmindig plasztikusan is deformálódnak.

p(

p(

Terhelés (N)

17. ábra A kopási tényező változása a terhelés függvényében 0,5 % C-tartalmúacél csap és szerszámacél gyűrű súrlódásánál normál környezetben (Hutchings 1992)

A kialakuló kopási intenzitás a terhelésen kívül függ a felületek állapotától, az adhézióskapcsolatok erősségétől, az érintkező anyagok ill. oxidjaik nyírószilárdságától.

Kop

ási t

énye

ző (m

m3 m

-1)

26

Az adhézív kopás elméletét Hohn és Archard dolgozta ki először. Elméletük és az általuk bevezetettegyszerűsített kopásszámítási összefüggés ma is széles körben alkalmazható. Az Archard féleképlet szerint a kopás egyenesen arányos a normál terhelőerővel, az elmozdulással és fordítottan alágyabb anyag keménységével.

[ ]3 mmH

sFkV n ⋅⋅

=

ahol: V – térfogati kopás/elmozdulás egység (mm3/m)Fn – normál terhelőerő (N)H – lágyabb anyag keménysége (N/mm2)k – dimenzió nélküli kopási tényezős – elmozdulás (m).

Ezzel azonos összefüggést kaptak más kutatók eltérő elméleti modellek esetén is.

Az Archard féle összefüggést más módon felírva:

[ ]3mm sFKV n ⋅⋅=

ahol: K – kopási tényező

Nm

mm 3

s – súrlódási út (m).

A fenti összefüggések nem minden esetben írják le pontosan a kopási folyamatot, nem veszikfigyelembe a bekopási szakaszt és a kopás nem lineáris jellegét.

Más szerzők az összefüggés általánosításával érvényességét más kopási formákra és olyan esetekreis kiterjesztették, melyeknél több kopási mechanizmus együttesen működik.

nmn SFKV ⋅⋅= (mm3)

Az m,n kitevők értékei a tribológiai rendszer állapotától, elemeitől függenek. Adhéziósmechanizmusnál általában m=n= 1, de a kitevők ilyen értékeinél sem zárható ki az abráziós és afáradásos mechanizmus működése. Fáradásos kopásnál m>1 (2, 3 ritkán 5) és n<1 értékek ajellemzők (Bayern 1994).

Abrázív kopás

Az abrázív kopás akkor keletkezik, ha a két kölcsönhatásban lévő felszín keménysége eltéregymástól vagy a felületek között egy harmadik test van jelen. Ez utóbbi származhat a felületekről,pl. fáradásos vagy adhézív kopás révén, vagy bekerülhet kívülről a környezetből.

A terhelés hatására a keményebb anyag benyomódik a lágyabb felületbe, a relatív elmozdulás soránpedig barázdát képez az ellendarabon plasztikus deformáció és/vagy forgácsolás révén.

Az érintkező felületek elmozdulásakor az adhéziós kötések kialakulása mellett rendszerint abrázióskoptató hatás is létrejön. Ennek során mindkét felületen, csak a kisebb keménységűn anyagleválasztás vagy deformálás történik a felületek közötti kemény szemcsék, illetve a keményebbanyag felületi érdessége által.

27

Az abráziós koptató mechanizmusnak alapvetően három formáját különböztetjük meg (18. ábra).

A szakirodalomban az abráziós kopási mechanizmusok tárgyalásánál további megkülönböztetésekettesznek a koptató szemcsék alakja, mérete, keménysége, az anyagleválasztás módja szerint(Landsdown, Price 1983). Az abrázió alapvető törvényszerűségeinek megértéséhez, illetvetárgyalásához azonban elegendő a 18. ábra szerinti hármas felosztás.

Két-testes abrázió

Három-testes abrázió

Erózió

Két-testes abrázió

Három-testes abrázió

Erózió

18. ábra Az abráziós formák sematikus ábrázolása (Bayern 1992)

Kéttestes abrázióról akkor beszélünk, ha a két egymáson elcsúszó felület között nincs harmadik,szabadon elmozdítható szilárd részecske.

A koptató hatást a keményebb felület kidudorodásai vagy a lágyabb felületbe beágyazódott keményszemcsék okozzák. Az előbbi a reszelő, míg a másik a csiszolóvászon vagy csiszolókő ésmunkadarab közötti kölcsönhatással szemléltethető.

A háromtestes abráziónál a környezetből bekerült vagy a súrlódó anyagok felületéről levált keményrészecskék az elmozduló felületek között csúszó és gördülő mozgást végezve koptatják a felületet.

A szakirodalomban gyakran az eróziót az abráziós kopási formák közé sorolják. Ennél a koptatóhatást a felületre csapódó szilárd részecskék okozzák, melyeket rendszerint áramló folyadék vagylevegő szállít.

Abráziós kopásnál a felület rugalmas és képlékeny deformációja és forgácsolása történik, azérintkező anyagok mechanika jellemzőitől (keménység, rugalmassági modulus, folyáshatár) ésalakjától függően.

28

A felület jelentős plasztikus deformációja akkor következik be, ha a felületi nyomás legalábbháromszorosa az anyag egytengelyű folyáshatárának. A vizsgálatok szerint ez akkor következhetbe, ha a részecske keménysége legalább 1,2-szerese az ellendarabénak, illetve alaptestnek.Ellenkező esetben a részecske rugalmasan deformálódik és a felület képlékeny deformációja

elhanyagolható. Ennek megfelelően beszélünk enyhe HaHr <1,2 és erős

HaHr > 1,2 abrázióról, ahol Hr

a részecske, Ha a felület keménysége (Hutchings 1992).

Ásványi anyagok koptató hatásának megítéléséhez jól felhasználható Mohs (1824) skálája, amelytíz ásványi anyag keménységi sorrendjét határozza meg. A sorban elől lévő anyagok képesekplasztikusan deformálni (megkarcolni) az utánuk következőket.

A szomszédos ásványok keménységének aránya (kivéve a gyémántot) közel állandó, kb. 1,6, ami azelőzőekben említett 1,2 értéknél jelentősen nagyobb.

Abráziós szempontból a szilíciumoxidnak van a legnagyobb jelentősége, mivel a környezetbenszinte mindenütt előfordul. A föld kérgének közel 60%-át képezi, Vickers keménysége HV=800. Amartenzites acél keménysége csak 0,8-szorosa ennek, ezért kopásvédelem szempontjából nagyjelentőségük van a kemény vegyület kristályokat tartalmazó ötvözeteknek és nem fémesfelületbevonó anyagoknak.

Az előzőek alapján megállapítható, hogy a két- és háromtestes abráziónál a felületek kopásaelsősorban keménységüktől függ. Az abrázió során – jellegéből adódóan – oxidmentes, nyersfelületrészek jönnek létre, így az adhéziós kopási mechanizmus is működik. Az eltávolítottoxidréteg újraképződése majd lehordása folyamatos, ezért kis keménységű és nyírószilárdságúoxidréteg képződése esetén az abráziós kopás intenzitása magas.

A műszaki anyagok kopásállóságát keménységük függvényében a 19. ábra mutatja,szilíciumkarbid koptató szemcse alkalmazásánál.

A 19. ábra olyan esetekre vonatkozik, amikor a koptató anyag keményebb, mint a koptatott felület.Látható, hogy a keménység és kopásállóság között szoros korreláció csak az azonosanyagcsoportokon belül állapítható meg. A szürke és gömbgrafitos öntöttvas és a kerámia azonoskeménységnél jelentősen eltérő kopásállóságot mutat. Ez a kerámiák alacsony E/H (húzó rug.modulus/keménység) arányaival magyarázható. Ilyen esetekben a plasztikusan deformáltanyagtérfogaton belül nagy a forgácsolással eltávolított anyagrész aránya, erősebb az abrazívkoptató hatás.

A műanyagoknál nincs olyan szoros korreláció a kopásállóság és keménység között, mint akopásállóság és a szakítószilárdság vagy szakadási nyúlás között. (Hutchigs 1992)

29

Csap abráziós teszt, szilíciumkarbid

I. k.k

. tisz

tafém

ek és

t.k.k.

keze

letlen

acélo

k

Martenzit+maradék ausztenit

Magas Cr-Mo tartalmú ac.

Fehér nyersvasMartenzitesHőkezelt acélok

Növekvő széntartalom

Gömbgrafitos öntvénySzürke öntvény

Hideg képlékeny alakítással felkeményített

fémek

Nemesített fémek

Műanyagok Kerámiák

Keménység

Ausztenites

Csap abráziós teszt, szilíciumkarbid

I. k.k

. tisz

tafém

ek és

t.k.k.

keze

letlen

acélo

k

Martenzit+maradék ausztenit

Magas Cr-Mo tartalmú ac.

Fehér nyersvasMartenzitesHőkezelt acélok

Növekvő széntartalom

Gömbgrafitos öntvénySzürke öntvény

Hideg képlékeny alakítással felkeményített

fémek

Nemesített fémek

Műanyagok Kerámiák

Keménység

Ausztenites

19. ábra A tömör anyagok kopásállósága keménységük függvényében (Hutchings 1992)

Az abrázív térfogati kopás számítására számos összefüggést határoztak meg. Ezek között van,

amely a rendszer kopásállóságát az Archard formulának megfelelően egy

NmmmK

3 kopási

tényezővel fejezi ki. Mivel a kopást befolyásoló összes rendszerparaméter hatását ez a K tényezőfoglalja magába, általánosítása más rendszerállapotokra nagy pontatlansághoz vezet. A K – értékétkísérleti úton kell meghatározni.

Sokkal pontosabbak azok az összefüggések, melyekben a rendszerparaméterek, elsősorban az alap-,az ellentest, ill. a harmadik test jellemzői mint önálló tényezők jelennek meg (Valasek, Szota 2002):

LHK

FEPnV 2/32

lc

2/3n2,0p2 ⋅

⋅⋅=

ahol:E - rugalmassági modulus (MN/m2)H - keménységKlc - törésszívóssági érték (MN/m3/2)L - az elmozdulás (m)n - hidegalakítási keményedési tényezőRp0,2 - folyáshatár (N/m2).

Ez a kifejezés a kisebb keménységű anyag térfogati kopását adja meg, a kísérleti útonmeghatározott anyagjellemzők, az elmozdulás és a normál terhelőerő függvényében.

Az erózió az abrázió egy speciális esete, gyakran egy önálló kopási mechanizmusként tárgyalják. Akopás mértéke és jellege a keménységi arányokon túl függ az anyagok ridegségétől, a szemcsékméretétől, tömegétől, becsapódási szögétől és sebességétől. Ez utóbbiaktól függően a kopásifolyamaton belül a forgácsoló, fáradásos, deformációs koptató hatások súlya változó.Fáradásos kopás

30

A fáradásos kopás a felszínközeli rétegekben az ismétlődő igénybevétel hatására jön létre szinteminden mozgásformánál. Míg a hagyományos kifáradásra történő méretezésnél megadhatómakrométerekben egy olyan feszültségérték, amely alatt fáradásos repedés, illetve törés nemkövetkezik be, addig mikroméretekben ez nem lehetséges. Ennek az a magyarázata, hogy a súrlódóerő és a normál terhelés az érintkezési felületen nem egyenletesen oszlik meg. Előfordulhat olyaneset, amikor csak „néhány” egyenetlenség veszi fel a teljes terhelést. Az így kialakulófeszültségértékek többszörösei a teljes érintkezési felület alapján számítottnál.

A fáradásos kopás kialakulásának fázisait a 22. ábra szemlélteti.

20. ábra A felületek fáradásos kopásának modellje (Hutchings 1992)I. felületi réteg periodikus feszültségváltozása; II. repedéscsirák kialakulása; III. repedés tovaterjedés;IV. repedések összekapcsolódása; V. repedések felszínre jutása; VI. kiszakadó részecskék képződése

A fáradásos kopás a gördülő és ütközéses (eróziós) mozgásformáknál és a frettingnél játszikdomináns szerepet, de csúszó mozgásformáknál is kialakul, összekapcsolódva a domináns adhéziósés abráziós mechanizmusokkal.

A repedések kiindulási helyei a feszültségek eloszlásától függően lehetnek: rácshibák,szennyeződések, kristályhatárok. Csúszó súrlódásnál nagy µ súrlódási tényezőnél a felszínről,kisebb µ értékeknél a felszín alatt indulnak ki. A roncsolt felület metszetében és a kopásirészecskék mikroszkópos vizsgálatával a felszín alatti repedések felismerhetők.

A fáradásos kopás számításához gyakran használnak az adhéziós és abráziós kopásnál alkalmazottlineáris összefüggéseket, melyben a rendszerfüggő hatásokat a K kopási tényező tartalmazza. Ezcsak közelítő számításhoz alkalmas, mivel a vizsgálatok szerint a fáradásos kopás számos esetbennincs egyenes arányban a terheléssel.

A fáradásos kopás az adhéziós és abráziós kopáshoz képest általában kisebb anyagveszteséggel jár,és a műszaki gyakorlatban a gépszerkezetek leggyakrabban előforduló normális elhasználódásifolyamata száraz és vegyes súrlódási állapotokban.

Kémiai kopás

Az egymáson elcsúszó felületek felszíne szoros kölcsönhatásban van a környezet, illetve köztesanyag gáz vagy folyadék halmazállapotú elemeivel. A felületen lecsapódó, fizikai szorpcióvalkötődő elemek egy része vegyi reakcióba lép az alaptesttel és kemiszoprciós réteget képez.

31

Atmoszférikus környezetben a felületeken kialakuló kemiszorpciós réteget fémoxidok, és ezekalapfémmel alkotott szilárd oldatai képezik. Ha ezen réteg keménysége nagyobb mint aszubsztrátumé és nyírószilárdsága kisebb mint tapadó szilárdsága az elmozdulás során, azelőzőekben tárgyalt kopási mechanizmusok ebben a rétegben fejtik ki roncsoló hatásukat. Az ígykialakuló kopást oxidációs kopásnak is nevezzük.

Ha a terhelőerő, a relatív elmozdulás sebessége viszonylag alacsony és az oxidréteg újraképződésisebessége nagyobb mint a felületi kiemelkedések érintkezési gyakorisága, a lehordott felületfolyamatosan újraképződik és egy lassú, a gyakorlati felhasználás számára is elfogadható kopásiintenzitás stabilizálódhat. A kemiszoprciós rétegben létrejövő kopást enyhe kopásnak nevezzük.

Ha a felület elektrolittal, pl. oldott kéndioxidot, széndioxidot tartalmazó folyadékkal érintkezik, afelületek relatív elmozdulása nélkül is létrejöhet anyagveszteség. A legtöbb fém folyadékkalérintkezve oldódik, mindaddig, amíg az anyagra és a folyadékra jellemző egyensúlyi elektromospotenciálkülönbség (elektród potenciál) létre nem jön. Az anyagok nem tökéletesen homogénszerkezetűek, a szemcsék eltérő összetétele és feszültségállapota miatt eltérő elektródpotenciálúak.Elektrolittal érintkezve ezek a helyek galvánelemet képeznek. A galvánelem katódját képezőszemcse atomjai oldatba mennek és mint oxidációs termék a felületen lecsapódnak. Ha az ígykialakuló bevonat nem tömör, nem akadályozza meg az atomok diffúzióját és/vagy az előző kopásimechanizmusok az elmozdulás során lehordják, a folyamat tartósan fennmarad és intenzív, nagyanyagveszteséget okozó kopást eredményez.

A tribokémiai reakciók megindulását, a folyamat sebességét számos tényező befolyásolja:

− Súrlódási hő hatására a réteg hőmérséklete megemelkedik, a kémiai reakciók sebességeexponenciálisan megnő.

− A súrlódás eltávolítja a védőrétegeket, friss, nagy energiájú felületek jönnek létre.− Megnövekszik a hatásos felület.− Megnövekszik az elemek mozgási energiája.− A plasztikus deformáció hatására rácshibák képződnek, illetve halmozódnak fel.

A súrlódás során képződő oxidok kémiai felépítése sok esetben eltérő a normál oxidokétól.

A tribokémiai reakciók minden kopási folyamat kísérői, egyes esetekben (illesztési korrózió) akopás fő meghatározói. Hatásuk a kopásra az igénybevételek mellett a tribológiai rendszerszerkezetétől is függ.

32

4. A SÚRLÓDÓ RENDSZEREK KOPÁSÁT ELSŐDLEGESENBEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK

A tribológiai rendszerek, a kopás és a súrlódás fő jellemzőinek meghatározását követően a súrlódórendszerek tribológiai viselkedését meghatározó három, az általam vizsgált témához kapcsolódótényező vizsgálatával foglalkozom. Ezek a következők:

− Az anyagpárosítás, az alkalmazott felületkezelés.− A kenési mód és a kenőanyagok.− A kenőanyag és a felület kölcsönhatása.

Ezen három tényező helyes megválasztásával és rendszerbe illesztésével a kopást és a súrlódásiveszteséget az adott igénybevételi és környezeti feltételek között a felhasználási célnak megfelelően„optimalizálhatjuk”.

4.1. Anyagpárosítás

A súrlódó rendszerek anyagpárjait a terhelési, kenési és környezeti viszonyok függvényében kellmegválasztani. A rendszerben kölcsönhatásban lévő anyagok szinte minden fizikai és kémiai,metallurgiai jellemzője hatással van a kialakuló kopásra és súrlódási veszteségre. Ez különösen afelszíni, illetve felszín közeli rétegekre igaz. Ezen tulajdonságok közül a legfontosabbak:

− A felületek topográfiája (hullámosság, érdesség, porozitás).− A felület anyagának rács- és szemcseszerkezete, feszültség állapota, kémiai összetétele,

mindazok, amelyek meghatározzák felületi energiáját, vegyi reakcióképességét.− Makro- és mikrokeménység.− Merevség (rugalmassági modulus).− Szilárdságtani jellemzők (húzó- és nyírószilárdság, folyáshatár).− Az összetevők kölcsönös oldhatósága, szilárd oldatképződés lehetősége.− Mechanikai hiszterézis-veszteség (rezgéscsillapító képesség).− Elektromos és hővezető képesség.− Mechanikai és fizikai jellemzők hőmérséklet és időfüggése.− Korróziós hajlam (elektródpotenciál, kémiai affinitás).− Fémeknél és kerámiáknál a kialakuló oxidréteg keménysége, nyíró- és tapadószilárdsága.

Az alaptest és ellendarab kiválasztásánál mindig figyelembe kell venni a feltételezett kenésiállapotot, illetve állapotokat, az alkalmazható kenőanyagok tulajdonságait és a környezetihatásokat.

Az előző tulajdonságokon kívül vizsgálni kell az adott rendszerben:

− Az anyagok kopási és súrlódási viselkedését.− Az adhéziós kapcsolatok erősségét.− A felületi szorpciós filmek jelenlétét, szerepét, viselkedését.− A felületi hőmérséklet eltérését az átlaghőmérséklettől, a lehetséges max. értéket és ezek

gyakoriságát.

A kopási mechanizmusok tárgyalásánál már utaltam bizonyos anyagjellemzők szerepére.Tribológiai szempontból jó vagy kevésbé jó anyagokról csak adott rendszer, illetve állapottérben

33

van értelme beszélni. Sok esetben a hőmérséklet, a terhelés kis változása ugrásszerű változástidézhet elő a rendszer kopásában, súrlódási veszteségében.

Az anyagválasztásra egyetlen szabályt nem lehet megadni. Alapszabályok vannak, melyekbetartásával a durva hibákat elkerülhetjük. Ilyen szabályok:

− Az azonos anyagok kölcsönös adhéziója nagy. A felületen szorbeált réteg felszakadása vagyleválása esetén az érintkező nyers felületrészek közötti tapadóerő olyan nagy lehet, hogyszétválasztásukkor az egyik vagy mindkét felületből anyagrészek válhatnak le. Fémeknélúgynevezett „hideghegedések” jönnek létre, amely erős kopáshoz, berágódáshoz vezet.

− Kerülni kell az olyan anyagpárosításokat, melyeknél az egyik vagy mindkét anyag oldja amásik atomjait. A létrejövő szilárd oldat az adhéziós kapcsolatok erősségét, ezzel az adhézióskopást megnöveli.

4.1.1.Fémek és ötvözeteik súrlódása, kopása

A fémek és ötvözeteik súrlódása és kopása kenés nélküli rendszerben döntően a felületükönadszorbeált réteg fizikai, kémiai tulajdonságaitól, tapadási szilárdságától függ. Tiszta fémesérintkezés csak vákuumban, vagy olyan igénybevételeknél jön létre, melyeknél az adszorpciós rétegfelszakad és az érdességcsúcsok ismételt találkozásáig nem képes újraképződni.

Fémek esetében a legfontosabb adszorpciós réteg az alaptesthez kemiszorpcióval kötődő oxidréteg.Ennek vastagsága, nyíró- és húzószilárdsága, tapadószilárdsága, keménysége, felületiszabadenergiája határozza meg súrlódási tényezőjét, kopási viselkedését az adott rendszerben.

Ha az érintkező felületek elmozdulása során anyagtranszport csak az oxidrétegekben történik és azoxidréteg újraképződési sebessége egyenlő vagy nagyobb mint a lehordási, oxidációs „enyhe”kopásról beszélünk.

A mechanikai terhelés és/vagy a csúszási sebesség növekedésével ez az egyensúly felborul, azoxidréteg elvékonyodik vagy átszakad, és a tiszta felületek kerülnek érintkezésre. Az ezek közöttiadhéziós kapcsolatok jóval erősebbek, elérhetik a tiszta fém adott hőmérsékleten mérhetőnyírószilárdságát. Az elnyíródásuk által felemésztett külső munka (adhéziós munka) megnő, amelyszinte teljes egészében hővé alakulva felborítja a rendszer statikus-termikus egyensúlyát, a rendszerhőmérséklete megnő. A folyamatot a kopási tényező és rendszerint a súrlódási tényező növekedésekíséri (erős kopás, berágódás).

A fémek és ötvözeteik kopásállósági jellemzése vagy rangsora csak adott tribológiai rendszerben ésdomináns kopási mechanizmusra adható meg. Általános szabályként elfogadható:

− A keménység növekedésével az adhéziós, abráziós és fáradásos kopási ellenállás nő.− Alacsony felületi hőmérsékleteken martenzites acélok, ledeburitos fehér öntvények, míg

magasabb hőmérsékleten a stabilabb kemény karbidokat vagy más keményvegyületkristályokat tartalmazó acélok, öntvények és keményfémek adnak megfelelőkopásállóságot.

− Ahol a felület igénybevétele dinamikus, fárasztó, fontos az anyag szívóssága, kifáradásiszilárdsága (erózió, kavitáció).

− Korrozív környezetben (savas vagy lúgos) a keménység mellett a korrózióállóság is fontosanyagjellemző.

34

− Az ötvözők, mint pl. a C, Cr, V, Nb, W, Mo növelik a vas keménységét, kopásállóságát. Akopásállóság növekedése kapcsolatban van az ötvözők karbidképző hajlamával. Hatásukalapján az ötvözők sorrendje: V > Mo > W > Cr.

− Ha lágy fémet párosítunk keményebbel

⟩ 2,1

b

a

HH

, akkor a keményebb felületi érdességet

kicsire kell készíteni Ra<0,2 µm.− A terhelést úgy kell megválasztani, hogy az adott tribológiai rendszerben az enyhe/erős kopás

közötti átmenethez tartozó változási pont alatt maradjon (nyomás, sebesség, hőmérséklet).− Az inhomogén szövetszerkezet, kivéve az elektrokémiai korróziós igénybevételt, a

kopásállóság szempontjából előnyösebb, mint a homogén.− A felület szabad energiájának csökkentése pl. kéreg- és betétedzéssel, a felület képlékeny

alakításával (pl. görgőzés, ütőtestes megmunkálás) csökkenti az adhézió erősségét, ezzel azadhéziós kopást, de rontja a felület nedvesíthetőségét.

− Az oxidok felületi energiája alacsonyabb a tiszta fémekénél, így nedvesíthetőségük isrosszabb. Ez egyes anyagoknál, pl. króm, nikkel és ötvözeteik, kenési problémákat okozhat.

4.1.2. Műanyagok súrlódása, kopása

A műanyagok súrlódási tényezője és kopása önmagukkal vagy más anyagokkal párosítvaviszonylag alacsony, ezért gyakran alkalmazzák őket kenés nélküli súrlódó rendszerekben,elsősorban kemény acél ellendarabbal párosítva.

A 2. fejezetben tárgyalt kopási mechanizmusok a műanyagok súrlódásánál is működnek.

A műanyagok fizikai, kémiai tulajdonságaikban a fémektől jelentősen eltérnek. Jóval kisebbmerevségűek, rugalmassági modulusuk töltőanyag vagy szálerősítés nélkül két- háromnagyságrenddel kisebb, hővezető képességük alacsonyabb. A hőre lágyuló műanyagoknál tartósterhelésnél fellép a kúszás, illetve relaxáció, a bennük ébredő feszültség és alakváltozás időfüggő.Fizikai tulajdonságaikban már alacsony üzemi hőmérsékleteknél gyors változások jöhetnek létre,alapanyaguktól és gyártási módjuktól függően.

Az anyagok súrlódó kapcsolatánál gyakorlati szempontból a súrlódási tényezőnek és a kopásnak -mint rendszerjellemzőknek - kiemelt fontosságú szerepük van. Ezek határozzák meg alkalmazásiterületeiket, terhelhetőségüket. Mindkét jellemzőt számos paraméter befolyásolja. Nem tekinthetőkkonstans anyag vagy rendszerjellemzőknek. Sokváltozós függvények, melyek adott értékekei arendszer paraméterei által meghatározott állapotát jellemzik. Ezen állapotfüggvényekmeghatározása a paraméterek nagy száma és többnyire sztochasztikus jellege miatt rendkívül nehézés költséges feladat lenne, ezért a gyakorlatban megelégszünk korlátozott megadásukkal, amikorcsak a rendszer úgynevezett kulcsparamétereit tekintjük független változónak, a többi értékétrögzítjük. Kulcsparaméterek azok a paraméterek, melyek a súrlódási tényezővel és a kopássalszoros korrelációban vannak. Ilyeneknek tekinthetők: a hőmérséklet, a terhelőerő ill. nyomás, asúrlódási sebesség, a felületi érdesség, a páratartalom, az atmoszféra összetétele, a gázok parciálisnyomása.

35

A probléma matematikai kezelését nehezíti, hogy az egyes paraméterek egymásra is hatnak Aterhelés vagy a csúszási sebesség változása pl. módosítja a felületek, ill. a rendszer hőmérsékletét,az érintkező egyenetlenségek deformációját, a feszültség állapotát, a lejátszódó tribokémiaifolyamatokat, stb.

A felületek egymáson való gördülésekor és/vagy csúszásakor mindig hat egy, a mozgást akadályozóerő, melynek munkája gyakorlatilag teljes egészében hővé alakul. Ez felépítésétől függőenmegemeli a rendszer hőmérsékletét. Amennyiben sugárzás és vezetés révén képes leadni ezt ateljesítményt egy, az elemek által meghatározott, elfogadható hőmérsékleten, tartós egyensúlybakerül. Ha nem, túlmelegszik, elemei károsodnak. A hőmérséklet hat a súrlódási tényező és a kopásértékére is. A 21. ábra 18 különböző natúr és töltött műanyag típus súrlódási tényezőjénekváltozását mutatja a rendszer egyensúlyi hőmérsékletének függvényében. (Mens, de Gee 1991)

Mivel a műanyagok mechanikai, tribológiai tulajdonságai már a szokásos üzemi hőmérséklettartományában is nagyobb arányban változnak mint a fémeké, a műanyag/műanyag, ill.műanyag/fém súrlódó kapcsolatoknál a hőmérséklet kézbentartása fontos.

A terhelés növelése egyidejűleg növeli az érintkező felületek mechanikai igénybevételét,deformációját és a hővé alakuló súrlódási veszteséget. Így, ha a rendszer hűtése nem szabályozott,minden egyes terhelési értékhez más-más egyensúlyi hőmérséklet tartozik. A modell vizsgálatoksorán az adott terhelési szinten mért súrlódási tényező és kopás a mechanikai igénybevétel és ahőmérséklet együttes hatásának eredménye.

A normál terhelőerő hatása a súrlódási tényezőre műanyag-típusonként eltérő. Az esetektöbbségében növekvő terheléshez közel azonos vagy enyhén növekvő súrlódási tényező tartozik, devannak kivételek, pl. PTFE és UHMWPE. A csúszási sebesség - hasonlóan a normál terhelőerőhöz- egyenesen arányos a súrlódási teljesítményveszteséggel, így növelésével nő a rendszerhőmérséklete. A kenés nélküli siklócsapágyazások méretezésénél a terhelési határ megadásához jólalkalmazható a két paraméter szorzata: p⋅v [Nm/m2sec]. Ez a felületegységre jutó súrlódásiteljesítményveszteséget mutatja Watt/m2 egységben, így a súrlódó felületek hőterhelését is jellemzi.

A gyakorlat számára a műanyag/acél párosítások tribológiai jellemzőinek ismerete kiemeltenfontos. Mivel a súrlódási tényező nagysága meghatározza a súrlódási veszteséget, ezzel a súrlódórendszer üzemi hőmérsékletét, a kutatások jelentős része irányul a műanyagok súrlódási tényezőjétmeghatározó terhelési, technológiai, környezeti hatások vizsgálatára. (Tanaka 1980, Gao 1977,Carlos et al. 1999, Mens 1991, Lancester 1990, Kozma 1978)

Az érintkező felületek hőmérsékletének növekedése hatással van az érintkező anyagok mechanikaijellemzőire, a végbemenő tribokémiai folyamatokra, a kialakuló adszorpciós réteg összetételére,vastagságára, a súrlódási tényező és a kopás nagyságára.

A súrlódás egy energiaátalakítási folyamat, melynek törvényszerűsége az egyszerűsített súrlódásielméletekkel nem magyarázható. Szükség lenne egy dinamikus modellre, amely a nem statikusállapotokat is képes kezelni. Számos kutatás irányul a súrlódási, kopási folyamatok energetikaitörvényszerűségeinek feltárására, a súrlódási állapotban bekövetkezett változások energetikaimagyarázatára. (Rimuza 1996)

A hőmérséklet hatásának vizsgálatát nehezíti, hogy valós értékeit csak makroméretekben tudjukközvetlenül mérni, a kontakt érintkezés pontok pillanatnyi hőmérséklete - amely a vizsgálatokszerint elérheti az érintkezési felületek olvadási hőmérsékletét - csak becsülhető.

36

21. ábra A súrlódási tényező változása a hőmérséklet függvényében 18 műanyagnál(Mens, de Gee 1991)

FN =150 N, p = 1,5 Mpa, v = 0,1 m/s, dTc/dt = 15 oC/óra

Acél/műanyag súrlódásánál az acél abszolút merevnek tekinthető. A terhelés és az elmozdulásokozta deformációk szinte teljes egészében a műanyagban jönnek létre. Mivel a deformációnagysága erősen függ az acél felületi érdességétől, az egyenetlenségek alakjától, a műanyagoksúrlódásában és kopásában az ellendarab felületi érdességének kiemelt fontossága van. Ha azellendarab felülete sima, a domináns kopási forma adhéziós, ha durva, akkor túlnyomórésztabráziós és fáradásos. A két kopási forma közötti átmenethez tartozó felületi érdességnél a kopásitényezőnek minimuma van. Ez az érték anyagonként eltérő, de jellemzően Ra = 0,01…1 µm közötthelyezkedik el. Ezt szemlélteti a 22. ábra.

37

22. ábra A kopási tényező értéke az ellendarab felületi érdességének a függvényében, különbözőműanyagoknál. ∆- a kopási tényező érdességfüggését mutatja Kragelsky elmélete szerint

(súrl. sebesség v = 0.01 m/s) (Tanaka 1995)

A súrlódás során rendszerint anyagátvitel történik, először a lágyabb (kisebb kohéziós energiájú)anyagról a keményebbre (nagyobb kohéziós energiájú). Később ez a folyamat az átvitt réteg és alágyabb felület között mindkét irányban lejátszódik. Az anyagátvitel kezdeti irányát különbözőanyagpároknál a 23. ábra szemlélteti.

23. ábra Az anyagátvitel iránya súrlódásnál, különböző kohéziós energiájú anyagpároknál(Sviridonok 1994)

A vizsgálatok szerint műanyag/fém súrlódásakor a fém felületén így létrejövő átvitt réteg határozzameg a kialakuló súrlódási tényezőt és kopást. Az átvitt réteg kitöltve az érdességárkokat csökkenti afémfelület abrázív, forgácsoló hatását, ezzel a műanyag kopását. Kedvező feltételek esetén akezdetben műanyag/fém súrlódás műanyag/műanyag súrlódásba megy át, ami igen alacsony kopásitényezőt biztosít.

Ezt a folyamatot szemlélteti a 24. ábra.

38

Acél felület

Műanyag réteg

Idő

Műa

nyag

kop

ási r

átáj

a

Acél felület

Műanyag réteg

Idő

Műa

nyag

kop

ási r

átáj

a

24. ábra Az ellendarab felületén kialakuló műanyag réteg hatása az abráziós kopásra(Bayern 1994)

Az átvitt műanyagfilm kialakulásakor változik a súrlódási tényező is, melynek jellegzetes lefutásátszáraz súrlódásnál a 25. ábra mutatja.

25. ábra A súrlódási tényező változásának jellegzetes formája a súrlódási út függvényében(Zsidai et al. 2002)

A kialakuló film vastagsága, összetétele, stabilitása, tapadása az ellendarab felületéhezmeghatározza a súrlódási tényező és a kopás nagyságát, időbeli alakulását. Ezért minden tényező,amely hatással van a műanyagfilm kialakulására, állapotára, a műanyag súrlódását és kopását isbefolyásolja.

A műanyagátvitelt bonyolult tribokémiai folyamatok kísérik, melyek meghatározzák a filmösszetételét, mechanikai, tribológiai jellemzőit. A lejátszódó folyamatok és a film összetételénekpontos meghatározása nehéz. A legtöbb, ezzel kapcsolatos irodalmi adat az acél/PTFE súrlódásávalkapcsolatos. (Makinson et al. 1964, Tanaka 1980, Tanaka 1977, McNicol 1993)

A teljes filmképződést alapvetően befolyásolja a műanyag molekula szerkezete, kristályosodásifoka, a molekulaláncok rendezettsége, az alkalmazott töltő és erősítő adalékok, a felületekenadszorbeálódott szennyezők, mindaz, amely szilárdságát, adhéziós energiáját, reakcióképességétmeghatározza.

39

A kopási termékek röntgen-fotoelektron spektroszkópos vizsgálata igazolta, hogy a műanyag/acélsúrlódásánál az oxidációs folyamatokon kívül polimerizáció, vegyületképződés is létrejön. Ezekdinamikus egyensúlya határozza meg a kialakuló film tulajdonságait (Gao 1997).

A kezdetben egyirányú anyagátvitel később ellenkező irányban is megindul. A kétirányú folyamategyensúlya esetén a kopás minimális. A súrlódó rendszer kulcsparamétereinek megváltozása ezt azegyensúlyt megbonthatja, sőt az átvitt réteg vékonyodásához vagy eltűnéséhez vezethet. Ilyenhatása lehet a terhelés, a csúszási sebesség jelentős növelésének, a rezgésnek, a kopás okoztafelületi mikrotopográfia megváltozásának, vagy a felületek közé kerülő külső szennyezőanyagoknál.

Ha az átvitt réteg mindkét felület részecskéiből tevődik össze, harmadik rétegnek (third body layer)nevezik. Ez a jelenség nemcsak műanyag/fém súrlódásánál, hanem más anyagpárosításoknál ismegfigyelhető.

Az átvitt réteget egy bizonyos lappangási idő után jelentkező fáradásos kopás is módosíthatja. Afelszín alatti, majd a felületre futó fáradásos repedések hatására leváló részecskék fellazítják aműanyag réteget, megváltoztatják a fém felületének topográfiáját.

Az elvégzett számos vizsgálat (Bely 1982, Macinson 1964, Tanaka 1977, Vishvanath et al. 1993,Sviridonok 1991) azt mutatja, hogy a legtöbb befolyásoló paraméternek van optimuma, amelynél akopás és/vagy a súrlódási tényező minimális. Ez a kopás előrehaladásával módosulhat, az egyeskopási mechanizmusok súlya idővel megváltozhat.

A műanyagok abráziós kopásállósága szoros korrelációban van szakítószilárdságuk és szakadásinyúlásuk szorzatának reciprokával (Rathner-Lancaster korreláció).

E szerint a kis rugalmassági modulusú műanyagoknál még durva ellendarab felületnél is a fáradásoskopás dominál, hasonlóan a merevebb műanyagok sima ellendarabon való súrlódásához. Enneksematikus ábrázolását mutatja a 26. ábra.

Elasztomerek Termoplasztok Erősített műanyag

% K

opás

i rés

zará

ny

Durva felület

Abrázió

Sima felület

Kifáradás

Elasztomerek Termoplasztok Erősített műanyag

% K

opás

i rés

zará

ny

Durva felület

Abrázió

Sima felület

Kifáradás

26. ábra A fáradásos és abráziós kopás arányának változása a műanyagrugalmassági modulusának és a fém ellendarab felületi érdességének

függvényében (Hutchings 1992)

A műanyagok súrlódási-kopási tulajdonságait a műanyag és környezete közötti fizikai és kémiaifolyamatok jelentősen befolyásolják. A levegőben lévő gázok és nedvességtartalomadszorbeálódnak és/vagy abszorbeálódnak a műanyag felületén, ezzel módosítva annak fizikai,

40

kémiai tulajdonságait. Számos kutató vizsgálta a környezet relatív páratartalmának és a víznek,mint kenőanyagnak a súrlódásra, a kopásra gyakorolt hatását. A műanyagok hidrofób tulajdonságamiatt a páratartalom hatása műanyag/műanyag súrlódásánál nem jelentős, de műanyag/fémpárosítás esetén már jelentős lehet.

Általános szabály nem fogalmazható meg, mivel a páratartalom hatását az érintkező felületekanyagi tulajdonságai, a vizsgálati körülmények és a tribológiai rendszer paraméterei isbefolyásolják.

Egyes kenőanyagok behatolva a műanyag felszíni rétegébe annak szerkezetét fellazítják, roncsolják,ezzel csökkentik mechanikai szilárdságukat, növelik kopásukat. Elősegíthetik a műanyagöregedését. Ezt felismerve a gyártók a műanyagok kenésére kenőanyagokat fejlesztettek ki éshoznak forgalomba (Kozma 2001).

A vizsgálatok szerint a műanyag kopására és súrlódási tényezőjére a folyékony kenőanyagviszkozitásának van a legnagyobb hatása.(27. ábra)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Nem kent 120 mm2/s 260 mm2/s 1000 mm2/s

Kenőanyag viszkozitása (mm2/sec)

Súrl

ódás

i tén

yező

µ

27. ábra A kenőanyag viszkozitásának hatása a POM/PDM műanyagpár súrlódási tényezőjére(Winkler 1999)

A gyártók gyakran élnek a „belső kenés” lehetőségével. A műanyag belsejébe folyékony vagyszilárd kenőanyagot építenek be már a gyártás során. Ezzel kismértékben csökkentik a műanyagszilárdsági jellemzőit, de csökkentik a súrlódási tényezőt és a kopást.

A leggyakrabban alkalmazott szilárd kenőanyagok a MoSi, grafit, PTFE.

A 28. és 29. ábrák a 20% PTFE tartalom hatását mutatják különböző műanyagok súrlódási éskopási tényezőjére.

POM/POM párF = 6,3 Nv = 0,01 m/s

41

PA

PA+2

0 %

PTF

E

PPS

PPS+

20 %

PTF

E

PC

PC+2

0 %

PTF

E

POM

POM

+20

% P

TFE

PTB

P

PBTP

+20

% P

TFE

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

Súrló

dási

tény

ező

28. ábra 20% PTFE tartalom hatása néhány műanyag súrlódási tényezőjére (Kozma 2001)

PA

PA+2

0 %

PTF

E

PPS

PPS+

20 %

PTF

E

PC

PC+2

0 %

PTF

E

POM

POM

+20

% P

TFE

PTB

P

PBTP

+20

% P

TFE

0

100

200

300

400

500

600

Kop

ás té

nyező

10-4

, mm

3 /km

N

29. ábra 20% PTFE tartalom hatása néhány műanyag kopására (Kozma 2001)

A műagyag termékek jelentős részét a szilárdsági és a tribológiai tulajdonságaik javítása érdekébentöltő- és erősítő anyagokkal adalékolják. Az adalékok mennyisége és minősége a műanyagtribológiai jellemzőit megváltoztatja. A változások irányára és mértékére vonatkozóan általánosszabály nem adható meg, de bizonyos hatások prognosztizálhatók. Így pl. az erősen abrázív hatásútöltőanyagok - mint például az üveggyöngy és az üvegszál - a súrlódás során megváltoztatják a fémellendarab felületi topográfiáját, ezzel akadályozva vagy teljesen meggátolva az átvitt műanyagfilmkialakulását (Marcus 1994).

A különböző töltő és erősítő adalékokról és mennyiségük hatásáról a műanyag súrlódására éskopására számos publikáció jelent meg (Kislinger, Kozma 2000, Kozma, Kislinger 2001, Mens etal. 1991).

A vizsgálatok szerint - bár eltérő módon - a műanyag kompozitoknál a levegő páratartalmánakváltozása vagy vízkenés alkalmazása szélsőségesebb változásokat okoz a súrlódási tényező és akopás alakulásában, mint natúr állapotukban (Tanaka 1980).

42

A műanyagok tribológiai jellemzőit jelentősen befolyásolhatja öregedési hajlamuk. A környezetihatások - pl. tartósan magas hőmérséklet, elektromágneses sugárzás, savas és lúgos kémhatásúfolyadékok, gázok - hosszabb-rövidebb idő alatt befolyásolhatják a műanyag kémiai szerkezetét éstribológiai tulajdonságait. Ilyen körülmények között tartós, ill. gyorsított öregedési vizsgálatokat isel kell végezni.

Ezek ismételten azt a szabályt igazolják, hogy bármilyen súrlódási, kopási érték csak a rendszer jóldefiniált állapotában fogadható el tribológiai jellemzőnek.

4.1.3.Kerámiák súrlódása, kopása

Kerámiák a fémek szénnel, nitrogénnel, bórral alkotott vegyületei, illetve oxidjai. Ezeket fém,illetve oxidkerámiáknak is nevezzük.

A kerámiák kemény, merev, rideg anyagok. Ezen tulajdonságaikat széles hőmérséklettartománybanmegőrzik. Tribológiai tulajdonságaik révén különösen alkalmasak kenés nélküli súrlódórendszerekben, különösen magas hőmérsékleten kis súrlódási tényezőjű kopásálló felületekkialakítására. Felhasználhatók szinterelt alkatrészként vagy bevonatként. Kerámia bevonatokszámos bevonó eljárással, pl. CVD, PVD, Sol-gel, termikus szórások, stb. felvihetők.

Az úgynevezett műszaki kerámiák, pl. TiN, TiC, Si3N4, SiC, Al2O3, stb. ionos vagy kovalenskötésűek. Ezeknél a kötéseknél kevés diszlokáció jön létre, így a képlékeny alakváltozásukhoz nagyfeszültségre van szükség és a plasztikus alakváltozási képességük csekély.

A kerámiák hajlamosak tribokémiai reakciókra. A nem oxidkerámiák felületükön súrlódáskorreakcióba lépnek a levegő vagy a vízgőz oxigénjével. Az oxidkerámiák felülete a vízzel vagyvízgőzzel reakcióba lépve hidratálódik. Az így létrejövő rétegek jelentősen befolyásolják súrlódásitényezőjüket és kopásukat, ezért az irodalmi adatok ingadozása a környezeti hatások eltérése miattnagy. A gyémánt és TiN súrlódási tényezője vákuumban ∼ 1, míg levegőben 0,05…0,15.

Nagy a hasonlóság a sértetlen oxidrétegű fémek és a tömör oxidkerámiák súrlódása között.Kerámia/kerámia pár súrlódási tényezője 0,25…0,8 közé esik.

A kerámiák hajlamosak a repedésre. A repedések megjelenésével kopásuk ugrásszerűen megnő,ezért alkalmazásuknál figyelembe kell venni az átmenethez tartozó kritikus terhelési értéket és akörnyezeti hatásokat. A ZrO2-nél, Al2O3-nál a víz (gőz) 10-szeresre növeli a kopást a szárazsúrlódáshoz viszonyítva. Ezzel ellentétesen viselkedik a Si3N4, amelynél a víz (gőz) csökkenti akopást (Woydt 1997).

Kenésre kerámiáknál is szükség lehet. A kenőanyagok hatása a műanyagokhoz hasonlóan kerámiatípusonként eltérő. Al2O3-nál hatásos kenőanyag a sztearin sav. Csökkenti a µ-t, viszont növeli akopást.

A kerámiák alkalmazása magas üzemi hőmérsékletű súrlódó rendszerekben szinte nélkülözhetetlen.A folyékony kenőanyagok tartósan T=200 oC üzemi hőmérsékleten képesek a felületeket védeni.Kerámia súrlódó felületek ma már az üzemi gyakorlatban is működnek T=600…1000 oC között.

Ilyen alkalmazásokra mutat példát az 1. táblázat.

43

1. táblázat Nagyhőmérsékletű kenés nélküli súrlódó rendszerek gyakorlati alkalmazása(Woydt 1997)

Termék Tribológiai rendszerAlkatrész

hőmérséklet(oC)

Légkörösszetétele

Kerámiaanyaga

Adiabatikusdízelmotor

Dugattyúgyűrű/hengerpersely ≈ 700

CO, HCx,korom, NO2,

CO2, N2

ZrO2, SiC, Si3,N4, Ps 2000

Gázturbina hőcserélő Tömítőperem/coredicritkerék

≈ 600…90időlegesen 1200 CO2, CO, W2

Cordierit, N2O-CaF2

grafit, PbO-SiO2

Stirlingmotor Dugattyúgyűrű/hengerpersely 600…1000 H2, He (Co3C2-Ag-BaF2/

CaF2-NiAl), SiCGázkenésűcsúszótömítés Gyűrű/gyűrű < 900 Chx, gázok,

folyadékokTiC, Si3N4, SiC,

Ps 2000Olajmentes turbinagördülőcsapágyazás Golyó/gyűrű 600 Levegő Ga/In/WSe2/Si3N4,

M50

A fémekhez képest a kerámiák rossz hővezető képességűek. Tartós üzemnél az elérhető max.súrlódási teljesítménysűrűség 20 Watt/mm2. Ez a műanyagokhoz képest magas, hiszen aműanyagoknál határesetként az 1…2 W/mm2 fogadható el. Egyes kerámiapárok terhelhetősége elériaz 50…100 MPa-t.

A kerámiák súrlódási tényezője és kopása is függ a csúszási sebességtől, a terheléstől és ahőmérséklettől. Ezekre mutat példát a 30. ábra.

30. ábra Az enyhe és erős kopási állapotok közötti átmenethez tartozó kritikus felületi nyomás ésteljesítménysűrűség értékek azonos anyagú súrlódópároknál, kenés nélkül (Woyat 1997)

4.2. Felületkezelések

Mivel a tribológiai igénybevétel a felületet és a felületközeli réteget károsítja, ma már afelületkezelési eljárások számos változatát alkalmazzák a kopás és a súrlódás irányítására. Ezekkela szilárdságtani és gazdaságossági követelmények alapján megválasztott munkadarab felületén atribológiai igénybevételnek megfelelő bevonat vagy réteg alakítható ki.

Ezen eljárások egy lehetséges csoportosítását a 31. ábra mutatja.

44

Felületkezelés Alkalmazott eljárás Felületkezelés Alkalmazott eljárásFeltöltőhegesztésTermikus szórásLecsapatás gőzfázisból (PVD, CVD, PACVD, PA PVD, IAC)

Összetételt nemváltoztató hőkezelések

Indukciós edzésLángedzésLézeres,Elektronsugaras átolvasztás

Felület bevonásGalvanizálásKémiai bevonásMűanyag ráolvasztás:− szinterezés− elektrosztatikus szórás+beolvasztás− kiöntés− kittelés

Mechanikaimegmunkálások

Esztergálás negatív homlokszögűszerszámmalVasalás, görgőzés, ütőtestes megmunkálásSzemcseszórás

Összetételt változtatóhőkezelések

BetétedzésAlitálásBoridálásNitridálásCementálásNitro-cementálás és ezekplazma változataiOxidálásIonimplantáció

31. ábra Fontosabb felületkezelési eljárások

Az egyes felületkezelési eljárások közül a választást az alábbi tényezők mérlegelése alapján lehetelvégezni:

− A munkadarab alakja, mérete.− A munkadarab megengedett hőterhelése, a kezelés során bekövetkező deformáció,

szövetszerkezet és mechanikai tulajdonságok változása.− A réteg vastagsága, egyenletessége, terhelhetősége.− A kezelt felület megmunkálhatósága.− Bevonásnál a felvihető anyagok (kerámia, cement, tiszta fém, fémötvözet, műanyag).− A technológia reprodukálhatósága.− A kezelés költsége.

4.2.1.Felületbevonó eljárások

Témámhoz kapcsolódóan a felületkezelések közül a bevonási eljárásokkal foglalkozomrészletesebben.

A súrlódó felület tribológiai viselkedésének módosítására a felületbevonó eljárások tág teretbiztosítanak. Az egyes eljárásokon belül számos technológiát fejlesztettek ki, melyek az igényekszéles körét képesek kielégíteni. A 2. táblázat a különböző felületbevonó eljárások fő jellemzőit,jellegzetes alkalmazási területeit mutatja.

Bevonásnál az alaptestre rendszerint attól eltérő összetételű vagy anyagú réteget vagy rétegeketviszünk. A felvitel során a réteg és az alaptest közötti fizikai-kémiai kölcsönhatások révén egyköztes, átmeneti övezet jön létre, amely pl. ömlesztő hegesztéseknél több milliméter vastagságú islehet. A bevonat tribológiai tulajdonságait, terhelhetőségét az alaptest, az átmeneti övezet és azalaptest tulajdonságai együttesen határozzák meg.

45

2. táblázat Felületbevonó technológiák jellemzőinek összehasonlítása

46

4.2.1.1. A felületbevonó eljárások fő jellemzői

Feltöltő hegesztések

A feltöltő hegesztésekkel az alaptest anyagával megegyező vagy attól eltérő fémek és fémötvözetekvihetők fel a tribológiai igénybevételnek kitett felületre. A felvitt bevonat tömör és kohéziósankapcsolódik az alaptesthez.

A hegesztési eljárástól függően a felületi réteg olvadási hőmérséklete fölé vagy annak közelébe, amunkadarab vagy annak jelentős része pedig acéloknál 200…1500 oC közötti hőmérsékletremelegszik. A felmelegedés nem egyenletes, így elhúzódásokat okozhat és a hőntartás idejétől, alehűlési sebességtől függően szövetszerkezeti, szilárdsági változások következhetnek be. Ezutóbbiak behatárolják az egyes eljárások alkalmazási lehetőségét.

A feltöltő hegesztéseket alapvetően két területen alkalmazzák:− Erős koptató, sok esetben ezzel együtt hő- és korróziós igénybevételnek kitett, nagy, több

milliméteres kopási ráhagyással készülő új munkadarabok gyártása.− Kopott felületek névleges méretre történő felújítása.

A hegesztési eljárások és az alkalmazható hegesztőanyagok választéka rendkívül nagy. Az eljárásokközül az alábbi jellemzők figyelembevételével lehet választani:

• A munkadarab mérete, alakja.• A szükséges bevonat vastagsága, egyenletessége.• A munkadarab megengedett deformációja, hőterhelhetősége.• A szükséges hegesztési teljesítmény (kg/óra).• A bevonóanyag típusa.

A felrakó hegesztőanyagok közüli választást segíti az IIW (International Institut of Welding) általelfogadott csoportba sorolás, amely az 1. mellékletben látható. Ez a felrakó hegesztőanyagokat 12ötvözetcsoportba (típus) sorolja, megadva a jellemző felhasználási területeket. (Udvardi 1989)

Feltöltő hegesztéseknél a bevonatban és a felületközeli rétegben jelentős feszültségek maradnak,melyek a bevonat repedését okozhatják. Nagy zsugorodású, rideg bevonatoknál szívós, többnyireausztenites Cr-Ni acél hozaganyaggal, úgynevezett párnaréteg készítése javasolt a bevonat alá.

Termikus szórások

A termikus szórás gyűjtőfogalom, melybe különböző hőforrást, szóróanyag formát alkalmazóeljárás tartozik.

A hőforrás lehet:− éghető gázkeverék (kis- és nagysebességű, lángszórás, deformációs szórás),− elektromos áram (ívszórás, indukciós, stb. szórás),− plazma (levegő, vákuum, védőgázas, stb. plazmaszórás).

A szóróanyag formája lehet: porhuzalömledék.

Ha a felvitt réteget nem olvasztjuk meg, akkor az porózus, tapadása az alaptesthez adhéziós ésmechanikus. Ebből adódóan mechanikus, koncentrált pont. és vonalmenti terhelhetőségekorlátozott. Ezen eljárások előnye, hogy az alaptest hőmérséklete a felszórás során 200…250 oC

47

alatt tartható, így szövetszerkezeti, szilárdsági jellemzői nem változnak, elhúzódása, deformációja alegtöbb esetben elhanyagolható.

Fő alkalmazási területei: hidraulikus munkahengerek dugattyúinak, dugattyúszárainak javítása,kopóhüvelyek, siklócsapágy csapok kopásvédelme, súrlódáscsökkentő, korrózióálló bevonatokkészítése.

Ha a felvitt réteget utólagosan megolvasztjuk, akkor az tömör, öntött szerkezetű lesz, tapadása azalaptesthez diffúzióssá válik, így az dinamikus, a koncentrált pont és vonalmenti terhelést is jólbírja. Hátránya, hogy az alaptest hőterhelése nagy. A szóróanyagok olvadási hőmérséklete1100…1300 oC közötti, így megolvasztásukkor az alaptest nem olvad meg, de akár teljestömegében 800…900 oC fölé melegedhet.

Fő alkalmazási területei: vágó, sajtoló szerszámok éleinek feltöltése, támasztó és vezető görgők,vezetőlapok, motorszelepek, szelepülések, vezérlőbütykök, kapcsoló villák, stb. javítása,kopásvédelme.

A szórható anyagok választéka nagyobb, mint a hegesztőanyagoké. A fémeken és ötvözeteikenkívül cermetek, kerámiák, sőt műanyagok is szórhatók.

Utólagos átolvasztás nélkül a szórt réteg porózus. Porozitása alapvetően a szórási sebességtől függ.Értéke eljárástól függően 1,5…15% között változik. Az alacsonyabb értékek a kissebességű, anagyobbak a nagysebességű szórásokra érvényesek.

A különböző szórási eljárásokkal tribológiai igénybevételű felületekre felvitt jellemzőanyagcsoportokat mutat a 32. ábra.

Szórási eljárás Szórt anyagokLáng és elektromos ívszórás Színacélok, alacsonyan ötvözött acélok,

martenzites krómacélok, NiCrBSi, WC/NiCrBSi,Al2O3/TiO2, MgO/ZrO2

Nagysebességű szórás (detonációs, Jet-Cote,stb.)

NiCrMoW, CoCrW, CoCrNiW, WC/Co,Cr2C3/NiCr(80/20)., Al2O3/TiO2, Al2O3, Cr2O3

Plazma (levegő, vákuum, víz) W, Ta, Mo, Ti, Ni/grafit, Al2O3/TiO2, BaTiO3,CeO2, Cr2O3, Hfc, WC/Co, TiC, ZrC, AlN, BN,

ZrN, TiN

32. ábra Különböző termikus szórási eljárásokkal tribológiai igénybevételnek kitett felületekrefelvihető anyagok

Gáz (gőz) - fázisból történő bevonás

Ebbe a csoportba tartoznak azok az eljárások, melyeknél a bevonatot gázok, illetve gőzök kémiaireakciótermékei, vagy fizikai úton elgázosított, illetve ionizált anyagok felületre történőleválasztásával hoznak létre szilárd bevonatot. Az egyes eljárások a leválasztási folyamathőmérsékletében, a bevonóanyag elgőzölögtetésének módjában különböznek egymástól.A gázok reakciótermékeiből bevonatot létrehozó eljárásokat (CVD) kémiai, a szilárd anyagokelgőzölése, majd a gőzök lecsapatásával történő bevonó eljárásokat (PVD) fizikai eljárásoknaknevezzük.

A gőzök atomjainak ionizálásával (plazma állapotba hozásával) a leválasztási folyamathőmérséklete csökkenthető, hatásfoka javítható (PA CDV, PA PVD). Ha a PVD folyamatot

48

ionimplantációval (ionbombázással) egészítjük ki (IAC), nagyobb tapadási szilárdságú és jobbtulajdonságú bevonatok hozhatók létre.

Ezekkel az eljárásokkal vékony, legfeljebb pár száz mikrométer vastagságú rétegek állíthatók elő.Fő gépipari felhasználásuk a forgácsoló, húzó, sajtoló szerszámok bevonása, a kopás és az adhéziócsökkentése, de ma már a gépipar más területein is, pl. a jármű- és műszeriparban, egyre szélesebbkörben alkalmazzák.

Alkalmazásukat korlátozza, hogy a bevonási folyamat vákuum kamrában történik, melynek méretebehatárolja a munkadarab méretét. A bevonás hőmérsékleti eljárástól függően 200…1200 oC (PACVD és CVD), illetve 180…600 oC (PA PVD, PVD).

A felvitt anyagok választéka egyre bővül. A tribológiai bevonatokhoz alkalmazott legfontosabbanyagok: TiN, TiCN, TiAlN, CrC, TiAl/N, BN, TiZr/N, SiC, Si3N4, WC, WB, BHC, Cr3C2.

A felvitt réteg eloxálásával további, kis súrlódási tényezőjű, kis adhéziójú rétegek állíthatók elő, pl.TiN, TiCN+oxidálás.

Ezek a rétegek ridegek és kemények ezért, hogy nagyobb terheléseknél ne szakadjanak át (tojáshéjeffektus), merev alaptestet vagy köztes réteget kell alkalmazni. Forgácsoló és alakító szerszámoknálaz alaptest anyaga rendszert gyorsacél vagy keményfém, esetleg ötvözött szerszámacél.

A 3. táblázat a forgácsoló szerszámoknál alkalmazott fontosabb bevonat-típusokalkalmazástechnikai jellemzőjét tartalmazza.

3. táblázat Iparilag használatos korszerű bevonat-típusok és jellemző tulajdonságaik

Bevonattípusa

Sebességnm/s

HőmérsékletoC

MikrokeménységHV 0,01

Max. alkalmazási hőoC

Kritikus terhelésN

TiN 3,5 400-500 2500-2800 550 35-75TiC 4,0 450-550 2800-3700 400 …

TiC0,3N0,7 4,0 350-400 3500-4500 450 …(Ti,Al)N 4,0 400-500 2200-2300 700 45-60

Cr 0,0 100-150 500-700 600 80CrN 4,0 200-350 2000-2200 650 35

Cr/CrN 4,0 200-350 2000-2200 650 50

Galvanizálás

Galvanizálással a korrózióálló, dekoratív célú bevonatok mellett kedvező tribológiai tulajdonságúrétegek is felvihetők. Ilyenek a keménykróm és lágy ón-ólom, inidium-ólom bevonatok. Akeménykróm rétegek kis felületi energiával rendelkeznek, így pl. műanyagokkal párosítva kisadhéziójú, kedvező súrlódási tényezőjű súrlódópárt képeznek.

49

A kis felületi feszültség kent rendszerben problémát okozhat, mivel a folyékony kenőanyag nemképes a felületet nedvesíteni, a kenőanyag gyöngyöződik. Anódikus maratással a felületen akenőanyag befogadására és megtartására alkalmas üregek hozhatók létre, ezzel a gyöngyöződéselkerülhető.

A lágy bevonatokat a többrétegű motorcsapágyak futófelületének kialakítására használják. Agalvanizálással bár jól tapadó, sok esetben utómegmunkálást nem igénylő sima, közel egyenletesvastagságú rétegek hozhatók létre, de csak fémek és azok egyes ötvözeteinek leválasztására alkalmas.

Kémiai bevonás

Kémiai bevonással elektromos áram felhasználása nélkül lehet sófürdőben anyagokat fémekfelületére lecsapatni. Előnye a galvanizálással szemben, hogy nem kell hozzá energiaforrás,bonyolult alakú alkatrészek közel azonos vastagságú réteggel vonhatók be. Legjelentősebbalkalmazása a kopásálló foszfor vagy bór tartalmú nikkel rétegek felvitele. Ezt a réteget utólag 200oC fölé hevítve keménysége 1000 HV érték fölé emelkedhet (600 oC -on 10 perces hevítés).

Ez a bevonat kopásállóbb, mint a galvanikus keménykróm, vastagsága elérheti a 25 µm-t. Mivelsokkal drágább, mint a galvanizálás, elterjedése korlátozott.

Műanyag ráolvasztás

A hőre lágyuló és egyes hőre keményedő műanyagokat gyakran alkalmazzák súrlódó fémfelületekbevonására. A gyakorlatban elsősorban a kopott csapok, ritkábban perselyek javításánálalkalmazzák. A bevonás történhet:

− forgatópadban felszórással− termikus (láng) szórással− lebegtetett műanyagporba mártással (szinterezés)− elektrosztatikus szórással− kiöntéssel− kitteléssel.

A tribológiai célú ráolvasztásnál a leggyakrabban alkalmazott műanyagfajták: poliamid,polikarbonát, poliuretén, politetrafluóretilén, epoxi.

A ráolvasztás előnye, hogy vékony, néhány tized milliméter vastagságú rétegek vihetők fel afémfelületre, így a műanyag hő- és mechanikai terhelhetősége a vastag rétegekhez képest nő. Arétegbe szilárd kenőanyag, pl. MoS2, grafit építhető be, ezzel a kopási és súrlódási tulajdonságokjavíthatók.

Kittelés

A kittelés előnye, hogy környezeti hőmérsékleten akár több milliméter vastagságú rétegekfelvitelére alkalmas. A felvitel szórással vagy kézi úton történhet.

A kittek rendszerint két komponensből állnak (műanyag+edző/kikeményítő), melyeket akétkomponenses ragasztókhoz hasonlóan a felhasználás előtt kell megfelelő arányban összekeverni,és az úgynevezett „fazékidőn belül” fel kell használni. A műanyagba töltőanyagok, pl. MoS2, grafit,üveggyöngy, fémporok, stb. keverhetők, melyekkel a műanyag hővezetési, súrlódási, kopásitulajdonságai javíthatók. Az alkalmazott műanyag általában epoxigyanta.

50

4.2.1.2. A beolvasztás nélküli, szórt fémrétegek felépítése, szilárdsági jellemzői

A termikus szórások a felületbevonó eljárások közé tartoznak. Schoop (1910) szabadalma ótavégzett kutatás, fejlesztés eredményeképpen a technológia piacéretté, a tömeggyártás technológiaielemévé vált.

A termikus szórások olyan felületbevonó eljárások, amelyek a bevonatot úgy hozzák létre, hogy aszóróanyagot elektromos ívvel, plazma ívvel vagy nagy hőmérsékletű gázközegben a szolidusz éslikvidusz közé, vagy olvadási hőmérséklete fölé hevítik, majd nagy sebességgel az előkészítettfelületre repítik. A becsapódó részecskék a felülethez adhéziósan és mechanikusan kötődnek,porózus, halmaz szerkezetű réteget képezve. Ezt a porózus réteget egyes eljárásoknál utólag vagy aszórással párhuzamosan megolvasztva, a kötés diffúzióssá, a réteg tömör öntött szerkezetűvéalakítható. Ez utóbbit a szakirodalomban gyakran „meleg”, az előzőt „hideg” eljárásnak is nevezik.A beolvasztás nélküli termikus szórási eljárásoknál az alaptest megengedett max. hőmérséklete nemhaladhatja meg a 250 oC-t, így a szórt alkatrész szilárdságát befolyásoló szövetszerkezeti változásvagy jelentős elhúzódás nem következik be. Ez különösen olyan munkadaraboknál jelent előnyt,amelyek egyes megmunkált felületeinél szigorú alak- és helyzetpontossági tűrések vannak előírva.

A szórt réteg és az alapfém közötti tapadás javítása érdekében a legtöbb szóróanyagnál ún. alapozóréteget visznek fel. A felvihető rétegvastagság anyagonként eltérő. Maximális értékét a szórt fémzsugorodási hajlama, szívóssága befolyásolja. Acélok hengeres csapra történő szórásánál a max.rétegvastagság gyakorlati értéke 2-4 mm.

A korrózióvédelem, az alkatrészgyártás és a felújítás területén a relatíve alacsony költségek és aszéles körű alkalmazhatóság miatt a láng és az elektromos ívszóró berendezések alegelterjedtebbek.

A beolvasztás nélküli szórt rétegek porózus, halmaz szerkezetűek, a szemcsék legfeljebb pontokbankötődnek egymáshoz kohéziósan (Bruchard et al. 1987). A szórt réteg felületre merőlegesmetszetének csiszolatán a tömör részecskék és a közöttük lévő pórusok jól felismerhetők (33.ábra).

33. ábra Három rétegű, szórt hővédő gát felépítése Kötő réteg (világos terület), közbenső cermetréteg (ZrO2/Y2O3 és kötőréteg keveréke), 0,4 mm vastag fedőréteg (ZrO2/Y2O3) (Woydt 1998)

51

A termikusan szórt rétegek szilárdságtani jellemzőit a hagyományos, tömör forgácsolássalmegmunkálható anyagoknál alkalmazott szakító próbatesten nem lehet mérni. A 34. ábralángolvasztásos huzalszórással, hengeres csapra felszórt, majd a csap kiforgácsolása után kapott csőalakú próbatest szakítógépen felvett feszültség-nyúlás diagramját mutatja.

34. ábra Ötvözetlen (Sprasteel 80) és ötvözött szórt acél (Metcoloy 1, Mectcoloy 2)feszültség-nyúlás diagramja (Ingham, Shepard 1969)

A diagram kezdeti szakasza közelítően egyenes, így Hooke-törvénye érvényesnek tekinthető. Amaradó belső feszültségek és a réteg porozitása, inhomogén összetétele miatt a szakadás jelentősmaradó alakváltozás nélkül következik be. A szakadási nyúlás értéke a tömör acélokhozviszonyítva kicsi, 0,27...0,5% között változik, ami elsősorban a szórás utáni nagy maradózsugorodási feszültség következménye.

Ebből adódik, hogy a szórható rétegvastagság felső határát a réteg zsugorodásából adódó, azátmérővel és a rétegvastagsággal növekvő zsugorodási feszültségek korlátozzák.

A porozitás aránya a szórási eljárástól, szórt anyagtól függően 1,5...15%. Az alacsonyabb értékek anagy sebességű és a vákuumban történő plazmaszórásoknál, a magasabbak a hagyományos láng- ésívszórásoknál mérhetők (Ingham, Shepard 1969). A pórusok a mérések szerint (Kreisel et al. 1987)csak egy viszonylag kis rétegvastagságig összefüggőek. Ennek figyelembevételére a korrózióvédőZn, Al, Cu bevonatok esetében van szükség.

52

A korrózióvédő bevonatok folyadék-átjárhatóságát folyadékpenetrációs jelzőfestékes módszerrelvizsgálták. A tömör zárást biztosító rétegvastagságok minimális értékei réznél 0,8 mm, cinknél 0,4mm, alumíniumnál 0,8 mm. Korrózióvédő bevonatoknál a felszíni pórusok műgyantával telíthetők.

A porozitás bizonyos mértékű kenőanyag abszorpciót biztosít, ami kent rendszereknélkenéskimaradás vagy a folyadékfilm felszakadása esetén egy bizonyos ideig megakadályozhatja azerős kopás, illetve berágódás kialakulását. Erre vonatkozóan közöl üzemi tapasztalatot Nádasi, 1971„A fémszórás korszerű módszerei” című könyvében.

A gyakorlati tapasztalatok szerint a szórt csapágyfémek kopásállósága kent rendszerekben kétszer,háromszor nagyobb, mint a hasonló ötvözöttségű, tömör fémeké.

A porozitás száraz, súrlódó kopásra gyakorolt hatását szinterfémeknél vizsgálva (Dubrujeand 1994)megállapították, hogy a porozitás arányának és a pórusok méretének növelésével (9,6...21%) akopás csökkent. A pórusok befogadva az apró kopási törmeléket megakadályozzák azokcsomósodását, nagyobb méretű szemcsékké való összeállását. A megtelt pórusok csökkentikkörnyezetük terhelés hatására bekövetkező plasztikus deformációját, a szélek letöredezését. Amérések szerint a szórt rétegek terhelhetőségét a pórusokból kiinduló repedések kialakulása ésterjedése korlátozza. A pórusok közötti gátakat elvágó repedések következményeként nagyobbszemcsék fordulnak ki a felületből, amik abrázív hatásuknál fogva a kopás intenzitását továbbnövelik. Szórt fém/tömör fém súrlódásánál és nagy terhelésnél az adhéziós kopás háromtestesabrázióba megy át (Mohanty et. al 1996).

A porozitás hatását a szórt réteg kopására több kutató is vizsgálta (Gui et. al 2001, Mohanty et al.1996) Mohanty Al-6Cu-Mn/SiCr kompozitok súrlódási és kopási jellemzőit vizsgálta szórt ésutólagosan képlékenyen alakított (húzott) állapotban. A szórt réteg porozitása 4,6%, a húzotté 0,8%volt. A vizsgálat eredményét a 35. ábra mutatja.

35. ábra A kopási tényező és változása a terhelés függvényében szórt és utólag képlékenyenalakított (húzott) csap és edzett acéltárcsa (730 HV) súrlódásánál (Mohanty et al. 1996)

v =0,8 m/s, FN=5…400 NKis terheléseknél FN<200 N a kopás a súrlódási úttal lineárisan változott. A szórt és alakítottanyagok kopása között kis terheléseknél FN<100 N alig van különbség, a porozitás hatásaelhanyagolható (I. szakasz).

53

A terhelés növelésével (II. szakasz) a kopás intenzitása a szórt anyagnál kezdetben lassan, majdFN<225 N terhelés fölött (III. szakasz) ugrásszerűen megnőtt. A FN<225 N mint kritikushatárterhelés adható meg a vizsgált kompozitnál.

A publikált vizsgálati eredmények alapján megállapítható, hogy addig a terhelési határig, ameddig afelszín alatti pórusok stabilak, a közöttük lévő gát nem szakad át, csúszó súrlódásnál a szórt fémekkopási jellemzői fémes súrlódásnál közel azonosak a tömör fémekével. A kritikus terhelés fölöttazonban kopásuk ugrásszerűen megnő.

A szórt réteg pórusai sok esetben a felszínen nem kapcsolódnak össze, úgynevezett zártüresfelületeket hoznak létre, melyek között a folyékony kenőanyag nem áramlik, így a felületekközül nem tud kiszorulni még nagy terheléseknél sem.

Egy szórt réteg érdességprofilját a 36. ábra, 3D-s ábráját a 37. ábra mutatja.

36. ábra Szórt réteg érdességprofilja

37. ábra Szórt réteg 3D-s ábrája

A szinterelt fémek struktúrája (38. ábra) nagyon hasonló a szórt fémekéhez. Mint a 33. és 38.ábrákon látható, a 21%-os pórustérfogattal rendelkező szinterfém és a termikusan szórt ZrO2/Y2O5réteg metszetében a pórusok eloszlása nagyon hasonló.

54

38. ábra A szinterezett fémötvözet mikroszerkezete 21,1%-os porozitásnál(Dubrujeand et al. 1994)

A láng és ív huzalszórásoknál, ahol a megolvasztott huzalvéget 5...6 bar nyomású sűrített levegőporlasztja el és röpíti a munkadarab felületére, a fémoxid mennyisége a rétegben viszonylag magas.Az oxidok csökkentik a réteg szabad energiáját, így adhéziós hajlamát, kiszélesítik az oxidációskopás tartományát.

A gyakorlati tapasztalatok alapján súrlódó rendszerekben számolni kell a megmunkált felületbőlkiváló szemcsék abrázív koptató hatásával. Ez különösen szórt csap és lágy csapágyfémpárosításnál okozhat gyors kopást, a lágy csapágyfém lehordását. Ennek megakadályozására, pl.főtengelycsapok felszórásánál a megmunkált csapfelületeket 180...200 bar nyomású olajsugárrallemossák, a megmunkáláskor kilazult, de helyén maradó szemcsék eltávolítása céljából. Alehetséges alkalmazási területek meghatározásánál további fontos paraméter a szórt rétegzsugorodása és tapadószilárdsága az alaptesthez.

A plazmaszórással felvitt WC-Co cermet réteg tesztvizsgálatánál szoros korrelációt állapítottak meg

a kopás és a vp ⋅

sec2mNm szorzat között. A kopási térfogat vpKV ⋅⋅= összefüggésében a K a

rendszertől függő állandó (Canedas et al. 1997).

A réteg nyírószilárdságának vizsgálata azt mutatta, hogy jól előkészített felületeknél a szakadásnem a határfelületen, hanem a szórt rétegben következett be. Ezért a tapadási nyírószilárdságközelítően a szórt réteg nyírószilárdságának tekinthető. (Szűcs 1993)

A termikus felületbevonási eljárások alkalmazásának területei a következők:

− a kopott felületek feltöltése névleges méretre az alapanyaggal megegyező vagy közel azonosösszetételű anyaggal,

− a súrlódás, kopás csökkentése az adott súrlódó rendszerben jó kopásállóságot biztosítóanyaggal,

− korrózióvédelem,− elektromos és hőárnyékolás,− többrétegű bevonatoknál a rétegek közötti elektromos és hőszigetelés, a diffúzió csökkentése,

illetve megakadályozása,− a leválasztható forma készítése műanyagalakító szerszámok gyártásához,− dekoráció.

55

4.3. A kenés szerepe

4.3.1.Kopási állapotok kenés nélküli súrlódó rendszerekben

Az előző fejezetben ismertetett kopási formák és mechanizmusok a súrlódó rendszer különbözőállapotaiban eltérő súllyal vannak jelen. A vizsgálatok szerint a kopási mechanizmus jellegealapvetően az érintkezési felületelemek feszültségi állapotától, hőmérsékletétől és a végbemenőtribokémiai reakcióktól függ.

A kopási folyamat leírását nehezíti, hogy ezek a faktorok összefüggnek egymással. Számosvizsgálat igazolta, hogy a terhelés és a csúszási sebesség változásával a kopási folyamat jellegében,a kopás intenzitásában jelentős és gyors változások jöhetnek létre. A kopás tervezésénél ezeknek aváltozási pontoknak az ismerete nagyon fontos, hiszen egy elfogadható kopási sebességű üzemiállapotról a gépelem gyors tönkremenetelét okozó erős kopási állapotba kerülhet a rendszer. Ezt akét súrlódási állapotot enyhe, illetve erős jelzővel különböztetjük meg. A szakirodalom a kopásiállapot jellemzésére gyakran használja az „enyhe” és „erős” jelzőket. Az enyhe kopási állapototkisebb kopási ráta, a viszonylag sima kopási felület, műanyagoknál a köztes műanyag filmkialakulása jellemzik. Az érintkezési felületek deformációja túlnyomórészt elasztikus. Ilyen állapotcsak relatíve kis terheléseknél jöhet létre. Ebben a súrlódási állapotban a keményebb test kopásitényezője sok esetben olyan alacsony, amely már a gyakorlatban is elfogadható élettartamotbiztosít. Fémeknél K=10-6...10-7 , műanyagoknál 10-7 …10-8 mm3/Nm értékek jellemzők (Woydt1997).

Az erős kopás állapotában fémeknél a nagy felületi nyomás (feszültség) és a kontakt hőmérséklethatására hideghegedés jön létre, amely a felületek elmozdulásakor elnyíródik. Az elnyíródás helyeegybeesik a maximális nyírófeszültség helyével. Műanyagoknál az erős kopási állapotot a durvafelület abrázív koptató hatása és a magas kontakt hőmérséklet idézheti elő.

A fémeknél a súrlódási tényező µ=0,3...0,5, esetleg magasabb értékre nő, ami megnöveli a bevitthőmennyiséget. A rendszer hőmérséklete többnyire nem tud stabilizálódni egy alacsony szinten, ún.adiabatikus állapotba kerül. Egyes esetekben az érintkezési csúcsok pillanatnyi hőmérsékleteolvadási pontjuk fölé kerülhet. A kopási tényező értéke megnövekszik akár 100 vagy 1000-szeresére(K=10-5...10-2 mm3/Nm).

Az egyes kopási állapotok terhelés-függését nagyon jól szemlélteti a kopási térkép. A 39. ábraacél/acél súrlódópár kopási térképét mutatja száraz súrlódásnál csap-tárcsa vizsgálati módszernél.

A kopási térkép jól érzékelteti a tribológiai rendszer változási tartományait, de viszonylag sokegyszerűsítő feltételezésen alapszik, így gyakorlati használhatósága korlátozott.

A kopás a tribológiai rendszer sajátossága, hogy megszüntetni nem lehet, de célszerű konstrukciós,technológiai és üzemeltetési intézkedésekkel a gyakorlat számára elfogadható szintre csökkenteni.

56

39. ábra Az acél/acél súrlódópár kopási térképe száraz súrlódásnál (Hutchings 1992)

Az utóbbi időben egyre erőteljesebb az igény az olyan anyagok, illetve anyagpárok alkalmazására,melyek kenés nélkül vagy csökkentett adalékolású, környezetbarát alapolajokkal is üzemeltethetők,kopási tényezőjük kisebb, mint 10-7…10-8 mm3/Nm. Ezt az alsó határt ma már kis terhelésű ésalacsony T<200 oC hőmérsékletű tribológiai rendszerekben a nagyteljesítményű műszakiműanyagokkal és kerámiákkal el lehet érni, illetve túl lehet teljesíteni.

A nagy terhelésű rendszerek azonban a műszaki és gazdaságossági követelményeknek csakkenéssel képesek megfelelni.

4.3.2. Az anyagok kopása kent súrlódó rendszerben

A kopás csökkentése érdekében a súrlódó rendszerbe, ha azt üzemeltetési, környezetvédelmi, stb.feltételek lehetővé teszik, kenőanyagot viszünk. A kenőanyag feladata sokrétű. Ezek közül alegfontosabbak:

− Tegye lehetővé a felületek relatív elmozdulását alacsony súrlódási veszteséggel.− Vezesse el a belső és külső súrlódás által fejlesztett hőt.− Akadályozza meg az érintkező felületek közötti erős adhéziós kapcsolatok kialakulását,

fémeknél a berágódást.− Távolítsa el a felületek közül a kopási törmeléket (harmadik test).− Akadályozza meg a külső szennyeződések rendszerbe kerülését.− Nyújtson védelmet a korrózió ellen, stb.

Mindezeken túl számos, a gazdaságos üzemeltetéssel, környezet- és egészségvédelemmelkapcsolatos követelménynek is meg kell felelnie.

Ma már a folyadékkenésű rendszerekkel, hidrodinamikus és hidrosztatikus súrlódási állapotbanelérhető a K=10-15…10-18 mm3/Nm kopási tényező.

A folyadékkenésű rendszereknek négy súrlódási állapotát különböztetjük meg, amelyeketterhelésüktől, felépítésüktől és paramétereiktől függően vehetnek fel. (1. fejezet)

A rendszerek tervezésénél ezért mérlegelni kell ezen változások lehetőségét és az igénybevételnek(terhelés, csúszási sebesség, hőmérséklet), a kívánt súrlódási állapotnak megfelelő kenőanyagot éskenési rendszert kell alkalmazni.

57

A 40. ábra folyadékkenésű súrlódó rendszer állapotait mutatja acél/acél súrlódópárnál a normálterhelőerő és a csúszási sebesség függvényében. Ez az úgynevezett IRG változási diagram a kenésnélküli súrlódó rendszereknél bemutatott kopási térképhez hasonlóan arra a veszélyre hívja fel afigyelmet. A rendszer egy enyhe kopási állapotból, pl. részleges elasztohidrodinamikus súrlódásiállapotból, a terhelés megváltozásakor – egy a gyakorlat számára már elfogadhatatlan kopásiintenzitást eredményező – vegyes vagy száraz súrlódás állapotba kerülhet.

Az I. zónában, (40. ábra) egy kezdeti bejáródási szakasz után, amely során a felületiegyenetlenségek magassága csökken, a súrlódási tényező értéke egy igen alacsony µ=0,1...0,02értékre csökken.

Ha a normál terhelőerő és/vagy a csúszási sebesség nő, a rendszer a határsúrlódás állapotába kerül.A súrlódási tényező értéke 0,3...0,4-re emelkedik. Ez a változás a terhelőerő és a felületihőmérséklet emelkedéséből adódó viszkozitáscsökkenés hatására elvékonyodó olajfilmvastagsággal magyarázható. Tovább növelve a terhelést és a sebességet, a rendszer a száraz(adhéziós) súrlódási állapotba kerül. A súrlódási tényező értéke 0,5...0,8-ra nő és a kopásintenzitása katasztrofálisan megnő.

Csúszási sebesség (m s-1)

Nor

mál

terh

elés

I.Részleges

elasztohidro-dinamikus

kenési állapot

II.Határkenésiállapot III.

Kenés nélküliállapot

Csúszási sebesség (m s-1)

Nor

mál

terh

elés

I.Részleges

elasztohidro-dinamikus

kenési állapot

II.Határkenésiállapot III.

Kenés nélküliállapot

40. ábra Az olajfürdőbe merülő, nem illeszkedő alakú acél/acél próbatestekkelállandó hőmérsékleten felvett IRG változási diagram (Hutching 1992)

Ebben a súrlódási állapotban a kopás már alapvetően nem a kenőanyag viszkozitásától és afelületek kezdeti érdességétől, hanem a kenőanyag kémiai tulajdonságaitól, a felületekmikrostruktúrájától és kémiai összetételétől függ.

Illeszkedő felületű súrlódópároknál bizonyos feltételek között (megfelelő nagyságú kerületisebesség, kenőanyagviszkozitás, felületi érdesség, terhelés) kialakulhat a tiszta folyadéksúrlódás ahidrodinamikus kenési állapot. Nagy nyomású olajat a felületek közé juttatva kis relatívelmozdulási sebességeknél is létrehozható ez az állapot.

58

4.4. A felület és a kenőanyag kölcsönhatása

A kenőanyag kopás- és súrlódáscsökkentő hatása akkor a leghatásosabb, ha képes a két szilárdfelület között egy védőréteget képezve megakadályozni azok közvetlen érintkezését. Akenőanyagnak egy olyan jól tapadó védőréteget kell képeznie a felületeken, amely képes ellenállniaz elmozduló érdességcsúcsok mechanikai dörzsölő hatásának a felületi nyomás és a hőmérsékletszéles tartományában.

A gázok, folyadékok, szilárd részecskék megtapadását a szilárd test felületén adszorpciónaknevezik, a kialakult réteget pedig adszorpciós rétegnek. Az adszorpció alapja a felületekszabadenergiája (szabadentalpiája), illetve kémiai reaktivitása.

A felületi atomok, molekulák energiaállapota nem azonos a test belsejében levőkével. Ennekmegnyilvánulása a felületi feszültség és az adhézió. Az adhézió nagyságának meghatározása nehéz,a gyakorlatban a felületre cseppentett folyadék nedvesítési szögének a mérésével, a Dupré egyenletsegítségével számolható.

Ha szilárd test felületére folyadékot cseppentünk, az a felületi feszültségek nagyságától függőengömbtől eltérő alakot vesz fel. A csepp az érintkezési vonalára ható erők egyensúlyi helyzeténekeléréséig változtatja alakját.

Az α érintkezési szög alapján számolható a szilárd test szabad felületi energiája, valamint ennekpoláros, indukciós és diszperzív részaránya. Az adhézió számos mechanizmus eredője, átfogóelmélete még nem alakult ki.

Az adhézió egyik megnyilvánulási formája a szorpció. A szorpció révén szekunder felületek, pl.orientált vagy diffúz szorpciós rétegek keletkeznek.

A kenőanyagok kapcsolódását a felületekhez a szorpciós mechanizmusok és a kémiai reakciókbiztosítják. Ezt szemlélteti a 41. ábra.

41. ábra A kenőanyag szorpciója és kémiai reakció útján képződő rétegek fémes felületeken(Valasek, Szota 2002)

59

A kenőanyagok és adalékok a hőmérséklet és nyomás függvényében eltérő módon kapcsolódnak afelülethez, és bizonyos típusú jelenségnek meghatározott hőmérséklet és nyomás tartományban vanmeghatározó szerepe (42. ábra).

42. ábra A különböző adalékok hatékonysága a hőmérséklet és nyomás függvényében (Valasek,Szota 2002)

Ennek alapján jól behatárolható azoknak a kenőanyag-komponenseknek, illetve kenőanyag-adalékoknak a köre, amelyek a különböző hőmérsékleti és nyomástartományokban hatékonyan mű-ködnek (43. ábra).

0 200 400 600 800 1000 2000

Poláros-, P- és S adalékok kombinációi

Kén-vegyületek

Foszfor-vegyületek

Klórtartalmú adalékok

Fémszappanok

Poláros adalékok (észterek, alkoholok, stb.)

Ásványolaj

Hőmérséklet [oC]

0 200 400 600 800 1000 2000

Poláros-, P- és S adalékok kombinációi

Kén-vegyületek

Foszfor-vegyületek

Klórtartalmú adalékok

Fémszappanok

Poláros adalékok (észterek, alkoholok, stb.)

Ásványolaj

Hőmérséklet [oC]

43. ábra Kenőanyag-komponensek hatékonysága a hőmérséklet függvényében (Valasek, Szota2002)

60

Ahhoz, hogy a felületén a kenőanyag védőréteget képezhessen, nedvesítenie kell a felületet. Azelőzőekből látható, hogy ez nemcsak a kenőanyagtól, hanem a kent felület fizikai-kémiaijellemzőitől is függ.

A vizsgálatok szerint a nedvesítés mértéke az olajok és a felületek adhéziójának poláros ésdiszperziós összetevőjének az arányától függ. A fémfelületeken képződött oxidréteg a fémekötvözőinek felületi szegregációja erősen befolyásolja felületi energiáját, így a kenőanyagadszorpcióját.

A felület anyaga, állapota hatással van a kenőanyag öregedésére, kémiai, hidraulikus stabilitására.A kenőanyagok változása, pl. öregedése befolyásolja a fém korrózióját. Ebből is látható, hogy egykent tribológiai rendszer tervezése nemcsak kenéstechnikai, hanem anyagválasztási, metallurgiaifeladatot is jelent.

Felületmódosító adalékok

A felületmódosító adalékok alkalmazásának célja a felszín energetika állapotának célirányosmegváltoztatása, aminek következtében csökken a súrlódási ellenállás, a kopás és a hőfejlődés.

A különböző adalékok egész arzenálja alakult ki az elmúlt fél évszázadban, s ahatásmechanizmusukat tárgyaló szakirodalom ma már könyvtárnyi. Új, bonyolult gyártásitechnológiák születtek, és az adalékok gyártására speciális ipar jött létre. A különböző típusú éscélú kenőanyagok receptúrájának kidolgozása, a különböző adalékkombinációk optimális ésharmonikus összeváltogatása már a szakma „művészetévé” vált.

Az alkalmazott adalékolási rendszer hiányosságainak felismerése után új fejlesztések indultak,amelyek még ma is folynak.

Az új fejlesztési irányok fő modellje az emberi és állati izület: ahol a kemény csonthoz – mintteherhordozóhoz – erősen kötődő rugalmas porcréteg kapcsolódik, amelyet jól tapadó, nagyviszkozitású izületi folyadék fed. Az izületi folyadék reopektikus viselkedésű, vagyis nyíráshatására a sűrűsége nő, és a nyírás időtartamával a viszkozitása is kismértékben növekszik.

Felületmódosító adalék-fejlesztők rendszerszemlélettel kezelik a felszíni súrlódás optimálás és akopáscsökkentés kérdését.

Ezeket az adalékokat a működési folyamat szempontjából felületmódosító, súrlódáscsökkentőadalékoknak nevezhetjük, a végeredmény tekintetében pedig fémkondicionálónak, ugyanis atribológiai környezetben végbemenő kvázi ionimplantációval a felszíni réteget „kondicionálja”,vagyis kedvező súrlódási és kopási viszonyokat eredményező, módosított szövetszerkezetet alakítki.

Üvegszerű polifoszfát réteg

Van olyan átmeneti felszíni reakcióréteg, amely megolvad és lehűlés közben kristályosodás nélkülszilárdul meg. Ezt nevezzük üvegállapotnak, pl. fémfoszfátok ilyen üvegszerű, vékony bevonatotképeznek a szilárd felületeken. Ez az üvegszerű kenőfilm a terhelt érintkező szakaszban szuperelasztikus viselkedésével ugyancsak megakadályozza az oxidokban gazdag felszíni réteg porladásoskopását. Ez a kenőfilm folyamatosan regenerálja magát. E jelenség kémiailag úgy magyarázható,hogy a fémoxidok atomos szinten beépülnek a foszfátüveg hálós szerkezetébe.

61

A súrlódó felületen kialakuló, helyben maradó szerves réteg vasszulfidot és vasoxidot tartalmaz. Eréteg felett helyezkedik el az ugyancsak mozdulatlan, üvegszerű szuper elasztikus polifoszfát rétegZnO (zink-oxid) és ZnS (cink-szulfid) tartalommal, majd az egyre mobilisabb fluidrétegkövetkezik.

Kedvező adalékkombinációban a ZnDDP-ból felépülő kenőfilm modelljét a 44. ábra szemlélteti.

44. ábra A ZnDDP-ből felépülő kenőfilm modellje kedvező adalékkombináció esetén(Valasek, Szota 2002)

62

5. KOPÁS-SÚRLÓDÁS VIZSGÁLATI MÓDSZEREK

Mivel a kopás rendszerjellemző, ezért nem egyszerűen anyagok, illetve anyagpárosításokvizsgálatáról van szó. A rendszert kell modellezni, amelyben az anyagok, illetve anyagpárosításokkopási jellemzőit kívánjuk meghatározni.

A valós tribológiai rendszerek exakt, pontos leírása nehéz, mivel igen nagy számú és többnyireidőben sztochasztikusan változó paramétert kell figyelembe venni. Ez bár elméletileg és műszakilagmegoldható, a vizsgálatok költség- és időigénye a gyakorlati megvalósítást nem teszi lehetővé. Agyakorlatban megelégszünk azoknak az úgynevezett kulcsparamétereknek a figyelembevételével,amelyek a kopási folyamattal szoros korrelációban vannak, és hatásuk a vizsgált változásitartományon belül a legnagyobb. Ezek a paraméterek általában a terhelés, a csúszási sebesség, akörnyezeti és a kontakt hőmérséklet, az anyagok fizikai, kémiai tulajdonságai.

A kopásvizsgálati módszerek a rendszer szimulációjának szintje alapján három csoportbasorolhatók:

1. A vizsgálat többnyire szabványos kialakítású próbatestekkel történik, amelyek elrendezéseigazodik a vizsgálni kívánt mozgásformához, a kopási formához, pl. gördülés, csúszás,ütközés, súrlódás kenéssel, kenés nélkül, stb. A rendszer összes lényeges paramétereszabályozott. Célja az adott kopási mechanizmus természetének, működésének megértése,törvényszerűségének meghatározása. Általánosítható információk nyújtása a kopásifolyamatok természetéről, a fő befolyásoló tényezők hatásairól. Alkalmasak az elméletieredmények igazolására, az anyagok durva rangsorolására.

2. Többnyire egyedi kialakítású, a valós gépelemet modellező, nem szabványos vizsgálóeszközökkel történik a vizsgálat. Csak a tribológiai rendszer kulcsparamétereinek értékeitállítják be, illetve vizsgálják. Meghatározzák a paraméterek lehetséges változásitartományait (sebesség, terhelés, hőmérséklet, feszültség, felületi jellemzők, a rendszerbekerülő részecskék természete, stb.). A teszt feltételezi az egyes tényezőkhatásmechanizmusának ismeretét. Az utóbbiakat az 1. szintű szimulációval előre meg kellhatározni.

3. A valóságos kopási helyzetet reprodukálja. Az összes paraméter és kopási forma azonosvagy hasonló a valóságos (gyakorlati) esettel. Az eszközök nagyon hasonlóak vagyazonosak az ipari, üzemi kivitellel, a teljes gép vagy mechanizmus másolatai. Ezeket kopásirobotoknak is nevezik. A valós berendezésektől alapvetően az ellenőrzöttségben(műszerezettségben, vezéreltségben) és a mérések pontosságában térnek el. Ennél a szintnéla legerősebb a korreláció a teszt és a valóságos eredmények között.

A vizsgálatok tervezésénél figyelembe kell venni, hogy a terhelés azonosságán túl a méretek ishatással vannak a kopási folyamatra. A vizsgálati idő csökkentése, a terhelő erő vagy a csúszásisebesség növelése azzal a veszéllyel jár, hogy megváltozik a kopási mechanizmus súlya, aránya, arendszer egy másik állapotát veszi fel.

A vizsgálatok gyorsítása a terhelés, a sebesség, a hőmérséklet vagy a terhelési ciklusok számánaknövelésével csak akkor fogadható el, ha a kopási részecskék, a kopott felület morfológiájánakelemzése alapján igazolható, hogy a domináns kopási mechanizmus azonos, a kopási állapot nemváltozott meg.

63

Egy kopási állapot jellemzőit hét csoportba lehet sorolni.

1. Anyagok − összetétel, gyártási körülmények, tisztaság, hőkezelés, stb.

2. Geometria − vonal, pont, felületi érintkezés, méret, érdesség

3. Mozgás − gördülés, csúszás, ütközés, egyirányú, illetve váltakozóirányú mozgás, sebesség, sebesség időbeli változása

4. Terhelés − statikus, dinamikus jelleg, nagyság, feszültségeloszlás, max.húzó és nyíró feszültség nagysága

5. Kenés − kenés nélküli, szilárd, folyékony kenőanyag, súrlódásiállapot (hidrodinamikus, hidrosztatikus, stb.)

6. Környezet − hőmérséklet, relatív páratartalom, gázok összetétele,szennyezőanyagok jellege, stb.

7. Termikusjellemzők

− bevitt teljesítmény, hővezetés, sugárzás, hűtés, hőmérsékleteloszlás, stb.

A vizsgálatok célja igen sokrétű, de számos esetben a kopást leíró összefüggések rendszerfüggő

paramétereinek meghatározása a cél. Ezek a paraméterek (pl. a K

Nm

3mm – kopási tényező)

tartalmazzák mindazon befolyásoló tényezők hatását, melyek a terhelő erő és a csúszási út mellett akopás intenzitását befolyásolják, és a vizsgálat során értéküket rögzítettük. Talán még ennél isfontosabb a kulcsparaméterek azon értékeinek meghatározása, amelyek túllépése megváltoztatja adomináns kopási mechanizmust, a rendszer súrlódási állapotát. Ezen változási határok ismerete agyakorlati követelmények szempontjából elfogadhatatlan károsodások elkerülése érdekében atervező és az üzemeltető szempontjából nagyon fontosak.

A csúszó kopás tesztvizsgálatára (1. modellezési szint) számos különböző berendezést fejlesztettekki, amelyek elsősorban a próbatestek alakjában és mozgásformáiban különböznek. Ezek közülnéhány szabványosított. A módszerek megítélésének egyik kritériuma a reprodukálhatóság, amegismételhetőség. A nagy számú, nehezen kézbentartható befolyásoló tényező miatt – pl. a légkörösszetétele, szennyezőanyag tartalma stb. – a kopásvizsgálatok eredményeinek reprodukálhatóságaviszonylag alacsony. Pl. a ASTM G77 szabvány szerinti gyűrű/hasáb próbatesteket alkalmazóvizsgálatoknál fémek esetében a laboron belüli reprodukálhatósági szórás 20%, a laborok közötti30%. Ezek az értékek műanyagoknál nagyobbak, 40, illetve 60% (ASTM G77 1992).

A próbatestek (próbatest és ellendarab) alakja befolyással van az érintkezési felületen létrejövőfeszültség eloszlására és a max. feszültség értékére. Ha az érintkező felületek illeszkedő alakúak, pl.sík-sík, hengerpalást-hengerpalást, a terhelés eloszlása viszonylag egyenletes és időben állandó. Akopás jellege a terhelés és az idő függvényében sok esetben lineáris.

64

Nem illeszkedő felületnél az érintkezés pontszerű vagy vonalmenti. Viszonylag kis terhelőerőknélis magas felületi nyomás és feszültség jön létre. A kopás előrehaladásával a felületek fokozatosanilleszkedővé válnak, a feszültségeloszlás időben változik. A kopási görbe kezdeti szakasza sokesetben nem lineáris.

Mindkét elrendezési forma elterjedt a gyakorlatban, bár a műanyagok vizsgálatánál az illeszkedőérintkezési felületű próbatest alakok a gyakoribbak. Ezt a műanyag alakváltozásának erősfeszültségfüggése (kúszás) indokolja. A 45. ábra a gyakori elrendezési formákat mutatja.

A vizsgálatokkal kapcsolatosan általános szabályként megadható: annyi paraméternek az értékétkell mérni, amennyit csak lehetséges, a többiét pedig állandó értéken kell tartani. A dominánskopási mechanizmus meghatározásához a súrlódási tényező, a hőmérséklet, a kopás mérése mellettszükség van a kopott felületek és a kopási törmelék mikroszkópos, esetleg röntgendifrakciósvizsgálatára.

gyűrű/gyűrű(palástfelület)

gyűrű/gyűrű(homlokfelület)

csap/tárcsa csap/gyűrű

gyűrű/hasáb csap/síklap

gyűrű/gyűrű(palástfelület)

gyűrű/gyűrű(homlokfelület)

csap/tárcsa csap/gyűrű

gyűrű/hasáb csap/síklap

45. ábra A csúszó súrlódás vizsgálatánál alkalmazott próbatest-alak párosítások

A gyakorlati kopásvizsgálatok tervezése és végrehajtása során az alábbi feladatokat kell elvégezni(Hutchings 1992):

− A tribológiai rendszerrel szembeni követelmények tisztázása (funkció, funkció paraméterek).− A teljes igénybevételi rendszer (várható érték, változási tartomány, stb.) megadása.− A tribológiai rendszer szerkezetének leírása (elemek és kölcsönhatásaik, jellemzőik).− Kopásjellemzők megadása.

Az eredmények összehasonlíthatósága érdekében célszerű szabványos vizsgálati módszereket ésgyári berendezéseket alkalmazni. Az 2. mellékletben hat szabványosított vizsgálati módszer elvétés néhány – csak részben szabványosított – modellberendezés adatait adtam meg.

A gyakorlatban széles körűen elterjedt – többnyire szabványosított – vizsgálatok hat alapelvreépülnek, számuk nem haladja meg a 20-at, és általában kent súrlódó rendszerek

65

kopásviselkedésének meghatározására szolgálnak. Kutatási célokra csak mérsékelten alkalmazzák,ezért kb. 100 kopásvizsgáló berendezés található még a világon, amelyek személyekhez, intézethez,stb. kötődnek. Se szeri, se száma azoknak az úgynevezett súrlódó és kopásvizsgálóberendezéseknek, amelyek gyakran a szabványosítottaktól eltérő elven működnek, egyedikialakításúak, így az ezekkel mért eredmények egymással nem összehasonlíthatók,keresztmérésekhez nem alkalmasak. Kutatási célra a tribológiai rendszer egyes elemeikölcsönhatásának, törvényszerűségéinek meghatározására, ha reprodukáló képességük megfelelő,alkalmasak lehetnek.

66

6. KUTATÁSI CÉLKITŰZÉS ÉS A KÍSÉRLETI PROGRAMKIALAKÍTÁSA

6.1. A kutatási célkitűzés

Kutatási célkitűzésem olyan elemi tribológiai rendszer súrlódási-kopási viselkedésénekmeghatározása, amelyben az alaptest műanyag, az ellentest tömör, illetve porózus felszórt felületűgyűrű. A köztes anyag levegő és – a hagyományos fogalmak szerint – rossz, illetve különbözősúrlódású és kopáscsökkentésű folyékony kenőanyag.

A kísérleti modellem egy többrétegű rendszer, amely felépítésében hasonlít a gerincesekcsontvázának egyik alkotóeleméhez, a cartilagóhoz. Ennek felépítését szemlélteti elölnézetben a 46.ábra.

1 – combcsont, 2 – sípcsont, 3 – szárkapocscsont, 4 – a combcsont porcos ízületi felszíne,5 – meniscusok, 6 – ízületi szalagok, 7 – ízületi folyadék

46. ábra A térdízület porcai elölnézetben

Az egymással ízesülő csontok ízfelszínén található porcok és az ízületi folyadék csökkentik asúrlódást, csökkentik a merevebb csontok által közvetített dinamikus igénybevételi csúcsokat. Azízületi folyadék jól tapad a porcokhoz, így nagy terheléseknél nem szakad meg a kenőfilm.

Modellemben a szórt fém a porc szerepét tölti be. A tömör acélokhoz képest kisebb – közel fele –rugalmassági modulusánál fogva csökkenti a műanyag deformációját, dinamikus igénybevételét.

A műanyag bizonyos rendszerállapotokban képes egy köztes adszorpciós réteget létrehozni azellendarab felületén, ezzel bizonyos funkciókat a kenőanyagtól átvenni, illetve azt részbenhelyettesíteni. A feladat összetettsége miatt az elvégzett kísérletek célzottan csak a modellviselkedését meghatározó néhány alapvető tényező hatásának meghatározására irányulnak, így azeredmények is csak ezekre vonatkoztathatók.

67

6.2. A kísérleti program

A kísérleti programot úgy állítottam össze, hogy választ kapjak az alábbi kérdésekre:

− A halmaz szerkezetű, egymáshoz és az alapfémhez adhéziósan és mechanikusan kötődő szórtszemcsék képesek-e ellenállni a műanyagok koptató hatásának?

− Hogyan befolyásolja a tömör acél felületére felvitt kisebb rugalmassági modulusú és porózusréteg a műanyag kopását kenés nélküli és vízben?

− Hogyan befolyásolják a különböző kenőanyagok a műanyag súrlódását és kopását,mennyiben gátolják a szorpciós átvitt műanyag réteg kialakulását és súrlódás-kopáscsökkentőhatását?

− Szórt acél/műanyag párosításnál milyen hatékonyságú a fém/fém, többnyire acél/csapágyfémsúrlódópárokhoz kifejlesztett néhány súrlódás és kopáscsökkentő adalék?

Ezekre a kérdésekre kerestem a választ és szerény lehetőségeimet és a rendelkezésemre állóidőkeretet figyelembe véve a 4. táblázatban bemutatott kísérleti programot állítottam össze.

Az elvégzett vizsgálatok

I. Szórt acélok kopásállóságának összehasonlítása

II. Vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása

III. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül

IV. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata csapvízben

V. Tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül

VI. Tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata csapvízben

VII. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata növelt súrlódási úttal

VIII. Tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata növelt súrlódási úttal

IX. Egyszeri kenés hatásának vizsgálata

X. Különböző kenőképességű folyékony kenőanyagok hatásának vizsgálata a szórt acél/POM-C súrlódására, kopására

68

4. táblázat A vizsgálati program

69

4. táblázat folytatása

70

6.3. Az alaptest kialakítása

Az alaptest az ASTM G77-1992 szabvány ajánlásának megfelelően 10x16x6,7 mm élhosszúságúhasáb.

A szórt fémek összehasonlító kopásvizsgálatához a hasábok C40 jelű acélból készültek, egyiklapjukon 0,7 mm vastagságban a vizsgált ötvözettel felszórva.

A szórt hasábok szórás előtti, felszórt és megmunkált formáját a 47. ábra mutatja.

47. ábra A szórt hasáb próbatestek gyártási fázisai

A műanyagok vizsgálatánál a hasáb 25 mm átmérőjű öntött műanyag rúdból készült, martfelületekkel. Súrlódófelületük a rúd tengelyére merőleges. Mivel a szálerősítésű műanyagoknál[PPS(t), PETP (t)] a szálirányt nem lehetett pontosan megállapítani, a próbatestek azonos helyzetűlapjai meg lettek jelölve.

A fém próbatestek súrlódó felületei a súrlódási irányban síkba lettek köszörülve, majd nagyhatásúzsírtalanító spray-vel lettek lemosva.

A műanyag hasábok ellendarabbal érintkező lapját a vizsgálat előtt 400-as, majd 1000-es csiszolóvászonnal síkba csiszoltam. Mivel a forgácsolás hűtő-kenő folyadék nélkül történt, zsírtalanítástnem végeztem.

A hasáboknál (48. ábra b.) ∅ 1,5 mm-es furatot készítettem a lap szimmetria síkjában a termoelemszámára.

71

a. b.

48. ábra A próbatestek kialakítása, méreteia. – tömör és szórt palástfelületű gyűrű; b. – szórt és tömör felületű hasáb

6.4. Az ellentest kialakítása

Az ellentest ∅ 38x12 mm méretű gyűrű kúpos furattal (48. ábra a.). A tömör felületű gyűrűk C60-as ötvözetlen nemesíthető acélból készültek 61±1,5 HRC keménységgel.

A C60-as gyűrűk hőkezelési adatai:

EdzésHevítési hőmérséklet T = 830 oCHőntartási idő T = 25 percHűtés 20 oC –os vízben T = 80 oC-ig

MegeresztésHevítési hőmérséklet T = 200 oCHőntartási idő T = 20 percHűtés levegőn T ≅ 25 oCEdzés utáni keménység 65...67 HRCMegeresztés utáni keménység 61 ± 1,5 HRC

A szórt felületű gyűrűk anyaga St 375-ös ötvözetlen szerkezeti acél, palásfelületükön megmunkálásután 1 mm vastagságú szórt réteggel.

A gyűrűk súrlódó felülete és az edzett C60-as gyűrűk kúpos furata köszörült. Felhasználás előtt agyűrűket nagyhatású zsírtalanító spray-vel lemosással zsírtalanítottam. Az egyes méréseknélmegadom a fém súrlódó felületek átlagos érdesség értékeit, melyeket a gyártott 20-as próbatestsorozatokból vett 5 db-os minták mérési átlaga alapján számoltam. A próbatest tartó tengelyéreszerelt gyűrűk radiális ütése minden esetben 0,01 mm alatt volt tartható. A vizsgálatok során kétfelületi érdesség csoport került alkalmazásra. Az azonos köszörülési paraméterek ellenére a felületiérdességi értékek szórása az egyes csoportokon belül 0,031 µm.

A szórt és tömör köszörült felületek Ra – átlagos érdesség adatai eltérnek egymástól, ennek ellenérea két felület profilogramjai vizuálisan értékelve közel azonosak. Ezt mutatják a két felülethordozóhossz eloszlás görbéi is.

72

49. ábra A köszörült, szórt és tömör felület érdesség profiljai, hordozóhossz eloszlás görbéi ésérdességi mérőszámai

A mérési eredmények táblázatainál megadott felületi érdességek a tömör C60-as acélfelületen mértátlagos értékek.

A 49. ábra azonos technológiai paraméterekkel megmunkált szórt és tömör acélfelület érdességprofiljait és néhány érdességi mérőszámát mutatja.

73

6.5. A vizsgált szórt fémek és műszaki műanyagok

A szórt fém/műanyag súrlódópár tribológiai jellemzőinek vizsgálatához olyan szóróanyagotkívántam felhasználni, mely a hagyományosnak tekinthető lángszórással (por vagy huzalhozaganyaggal) felvihető és száraz fémes súrlódásnál kopásállósága eléri vagy megközelíti ahagyományosan alkalmazott HRC > 50 keménységű ötvözetlen nemesíthető acélét. Köszörüléssel amegfelelő felületminőség elérhető. Az előző szempontok alapján hat szóróanyagot jelöltem meg,melyek közül v kopásállóságuk alapján választottam a 13%-os martenzites krómacélt (M2).

A vizsgált szóróanyagok

Fémporok: 1. Duro Tec 19910 Cr-Ni matrisban keményfázis2. Hard Tec. 19400 erősen ötvözött martenzites krómacél

Szóróhuzalok: 1. KFD 99 Tiszta molibdén2. KLD 60 Krómacél Cr = 13% (Kasamas)3. Metcoloy 2 (M2)Krómacél Cr ≈ 13% (Metco)4. KLD 31 Ötvözetlen szénacél C < 0,2%

A porokat kis teljesítményű ejtőtartályos Roto-Tec szórópisztollyal, a huzalokat Metco 12 E jelűlángszóró pisztollyal szórtuk fel. A szórási paraméterek megegyeztek a gyártók előírásával.

A felszórt rétegek makrokeménység értékeit az 5. táblázat tartalmazza.

5. táblázat A vizsgált szórt rétegek makrokeménység értékei

Típus Keménység*(szórási paraméterektől függően)

Duro Tec 19910Hard Tec 19400KFD 99KLD 60Metcoloy 2KLD 31

300...360 HV370...450 HV400...600 HV380...450 HV330...400 HV210...230 HV

* Gyártók tájékoztató adatai

74

A vizsgált műanyagok

A vizsgálatba öt közepes teljesítményű műszaki műanyagot vontam be. Kettő közülük natúr, töltőés erősítő anyag nélkül, egy üvegszállal erősített, egy üvegszállal erősített és szilárd kenőanyaggaltöltött, egy pedig erősítés nélküli politetrafluoretilénnel töltött.

Alkalmazástechnikai szempontból fontosabb jellemzőik:

1. Polioximetilén kopolimer (POM-C) – Magas kifáradási szilárdságú, kemény, szívós,nedvesség hatására nem duzzad, mechanikai tulajdonságai vízzel érintkezve alig változnak.Jól forgácsolható, acéllal párosítva kenés nélküli súrlódó rendszerben alacsony kopásitényezőjű.

2. 30% üvegszálat tartalmazó erősített, öntött poliamid (66PA GF30) – viszonylag magassúrlódási tényezőjű, kopásálló, nagy szilárdságú és merevségű, szívós. Nedves légkörben,illetve vízben erősen duzzad, mechanikai tulajdonságai romlanak.

3. Szilárd kenőanyaggal töltött Polietilén terephtalate (PETP+PTFE) – alacsony súrlódásitényezőjű, kopásálló kompozit, nedvességfelvétele, duzzadása minimális.

4. Üvegszál erősítésű, komplex, szilárd kenőanyaggal töltött polifenilénszulfid (PPS) – kissúrlódási tényezőjű, kopás és kúszásálló, magas hőmérsékleten is megőrzi mechanikaiszilárdságát, kopásállóságát. Nedvességfelvétele, duzzadása minimális.

5. Ultranagy molekulatömegű polietilén (UHMWPE) – kis szilárdságú és merevségű műanyag.Súrlódási tényezője alacsony, abrázív kopásállósága jó.

A fenti műanyagok későbbiek során alkalmazott azonosító jelét és néhány szilárdságtani jellemzőjéta 6. táblázat tartalmazza.

6. táblázat A vizsgált műanyagok fontosabb szilárdságtani jellemzői

Sor-szám Megnevezés Azonosító

jele E (Mpa) ν Rm(Mpa) mε (%)

1. Polioximetilén kopolimer POM-C 3100 0,4 70 30

2. Polietilénterephtalate+PTFE PETP (t) 3450 0,4 76 8

3. Poliamid 66+30% üvegszál PAGF30 5900 0,3 100 15

4. Polifenilénszulfid+üvegszál+szilárd kenőanyag PPS(t). 4400 0,4 75 5

5. Ultranagy molekulatömegűpolietilén UHMWPE 750 0,45

75

6.6. Köztes anyagok

A vizsgálatokat kenés nélkül és kenéssel végeztem. A kenés nélküli vizsgálatoknál a köztes anyag anormál labor atmoszféra. Kenéshez az alábbi anyagokat alkalmaztam:

− Kommunális csapvíz kémiai vizsgálati adatait a 4. melléklet tartalmazza.− Desztillált víz− Motorolaj (15 W-40, ACEA A5-02)− Gyógyászati fehérolaj (5. melléklet)− Gyógyászati fehérolaj+FM adalék (6. melléklet)− Gyógyászati fehérolaj+AW/EP adalék (7. melléklet)− Gyógyászati fehérolaj+EP/AW+FM adalék (8. melléklet)

6.7. Vizsgáló gép kialakítása, megfelelőségének igazolása

A kifejlesztett és alkalmazott vizsgálóberendezés kialakítása

Mivel gyári kopásvizsgáló gép nem állt rendelkezésemre, a Ph.D program keretében egy kétmérőhelyes, gyűrű/hasáb próbatest párosítást alkalmazó koptatógépet készítettünk. A géphajtásvázlatát az 50. ábra, az elkészült gépet az 51. ábra mutatja.

Rugalmastengelykapcsoló

VillanymotorRugalmastengelykapcsoló

Villanymotor

50. ábra A koptatógép hajtásvázlata

76

51. ábra Az alkalmazott koptatógép

A próbatest befogó, illetve a terhelőkar kialakítása lehetővé teszi a folyadékba merülő súrlódófelületekkel végzett mérést. A terhelést karáttételen keresztül súlyok adják. A megvalósított áttételi=9,75. A hasáb befogási módja és a kopásmérés elvi vázlata az 52. ábrán látható.

52. ábra A kopásvizsgálat elvi vázlata1. Gyűrű, 2. Hasáb, 3. Bölcső, 4. Bölcsőtartó, 5. Terhelőkar, 6. Támasztóék,

7. Termoelem furata, 8. Erőmérő, 9. Tartály

77

A terhelőkar egyik vége ék alakban végződő gyorsacél hasábra támaszkodik, így a kar súrlódóerőirányú szabad elmozdulása biztosított. A kar másik végét a súrlódó erő egy csapágyazott görgőnekszorítja. A görgő egy karáttételen keresztül adja át a terhelést az erőmérő cellának. Ennél amegoldásnál a gyűrűtartó tengely csapágysúrlódása, illetve annak változása a terhelés és ahőmérséklet függvényében a súrlódóerő mértértékét nem befolyásolja, mérési hibát nem okoz.Ezzel a megoldással a hasáb (52. ábra 2) elmozdulása, – amely a cella deformációjából adódik –0,01 mm alatt marad az egész terhelési tartományban. A másik mérőállásban a súrlódó erő közvetettmérése nyomatékmérő cellával történik. A nyomatékmérő az I. vizsgálat mérései soránmeghibásodott, kalibrálhatatlanná vált. A javítását, illetve cseréjét nem tudtam megoldani, ezért atovábbiakban az 1-es állásban végzett méréseknél súrlódóerőt nem adtam meg. A továbbivizsgálatokat – a növelt úthosszúakat kivéve – kizárólag a 2-es mérőálláson végeztem, ahol asúrlódóerőt közvetlenül erőmérő cellával mértem.

A próbatesttartó csapágyazott tengelyét egy váltakozó áramú asszinkron motor kettős ékszíjáttételen keresztül hajtja. A program szerinti súrlódási út (próbatest fordulatszám) beállítása egyfordulatszámszámláló és kapcsolóegységgel lehetséges, amely a beállított értéknél a hajtástlekapcsolja.

A próbatest fordulatszáma csak a fix áttétel módosításával vagy inverterrel lehetséges. Afém/műanyag súrlódópárok vizsgálatánál állandó n=194 l/perc fordulatszámot alkalmaztam. Ez a∅38 mm-es gyűrűátmérőnél v=0,39 m/sec csúszási sebességet jelent.

A terhelési rendszer merevsége – felépítéséből adódóan – kisebb, mint a hasonló elven működőgyári berendezéseké. Ez a súrlódó felületeknek a gyűrű ütéséből adódó, dinamikus terhelésingadozását a gyári berendezésekhez képest csökkenti. (A gyűrűk ütése a vizsgálatok soránsohasem haladta meg a 0,01 mm-t.) A berendezés terhelhetősége a jelenlegi felépítésében:

− megengedett max. súrlódási teljesítmény PS< 0,5 KW− megengedett max. normál terhelőerő FN=500 N (A mérlegkar még elfogadható, a gyűrű

tengelyére merőleges síkban mért α = 0,2o-os szögdeformációját figyelembe véve).

A mérések során alkalmazott maximális terhelések: PS ≤ 0,05 KW; FN ≤ 100 N.

A hasáb befogása (53.ábra.) lehetővé teszi a „beállást”, így a hasáb súrlódó felületének a terheléseteljes szélességében azonos.

A hasáb hőmérsékletének mérését a hasábba, közvetlenül az érintkezési vonal alatt elhelyezetttermoelemmel mértem. (52. ábra 7)

53. ábra A hasáb befogása

78

A berendezés megfelelőségének igazolása

Egy vizsgáló berendezés megfelelőségét alapvetően a mért mennyiségek rendszeres és véletlenhibája, ismételhetőségi és reprodukálhatósági szórása, állékonysága, stabilitása, kalibrálhatósága, ésaz előírt funkciókra való alkalmassága dönti el. Mindezek teljes körű pontos, egzakt meghatározásaköltséges, időigényes, ezért többnyire csak a hitelesített, illetve hitelesíttetni kívánt műszereknélvégzik el.

Az alkalmazott saját fejlesztésű eszköz alkalmasságát a konstrukciós kialakításból adódó,számítással és beméréssel megadott rendszeres hibája, egy mérési sorozat szórásával becsültmegismételhetőségi szórása és az egyes mérési sorozatok relatív szórása, valamint az elvártfunkciókra való alkalmassága alapján ítéltem meg. Mivel etalon próbatestek nem álltakrendelkezésemre, a kapott szórás a próbatestek, elsősorban a műanyag alaptest minőségének, apróbatestek gyártási technológiájának, illetve a környezeti hatások ingadozását is tartalmazza, ígynem tekinthető kizárólagosan berendezés jellemzőnek, sokkal inkább jellemzi a vizsgálatikörülményeket, az egész módszert.

A súrlódóerő mérés és a normál terhelőerő rendszeres hibájának meghatározási módját és azerőmérő cella kalibrálását, karakterisztikájának meghatározását a 3. melléklet tartalmazza.

Az FN – normál terhelőerő relatív hibája [(FNnévl – FNvalós)/FNnévl] az elvégzett kalibrálás és ellenőrzőszámítás alapján a névleges terheléstől független, értéke ≈4,3x10-4, azaz 0,043%, ami a súrlódásiellenállás és kopásértékekben érzékelhető hibát nem okoz.

A súrlódási ellenállás (Fs) mérésének rendszeres hibája a próbatestek és a terhelő, illetvemérőrendszer geometriai méreteitől függ. Értéke az erőmérő rendszer kalibrálásávalmeghatározható.

Mivel a terhelő és erőmérő rendszer elemeinek geometriai méretei (a terhelésből adódódeformációkat elhanyagolva) állandónak tekinthetők, a rendszeres hiba változását a próbatestekkalibrálásnál alkalmazott méreteitől való eltérése okozhatja. Ilyen esetekben a hiba számítássalmeghatározható és korrekcióként figyelembe vehető, vagy a kalibrálást az adott próbatestméretekkel meg kell ismételni. A hiba számítással történő meghatározását, illetve a kalibrálásmenetét a 3.melléklet tartalmazza.

A módszer ismétlési szórását egy tíz mérésből álló minta alapján becsültem szórt acél/POMCanyagpárosítással (9.melléklet). A kapott szórásértékek: A térfogati kopás szórása sv=0,0386 mm3,a súrlódóerő szórása SFs= 2,85 N.

A relatív szórások

145,02656,00386,0

===átl

vv V

ss ==

sátl

FsFs F

Ss

05,1985,2 = 0,149

Az elvégzett mérési sorozatok kopás- és súrlódóerő értékeinek relatív szórása az S ≥ 2400 vizsgálatiúthosszaknál egyik esetben sem haladja meg a műanyagok vizsgálatánál, a laborokon belül végzettfelmérések szerinti 0,4 (40%) értéket (ASTM G77-1992).

A forgó elemek kiegyensúlyozatlansága és az ékszíjprofil hosszirányú eltéréséből adódó rezgések(terheletlen próbatesteknél) elhanyagolhatók. A tapasztalat szerint ha az élére állított pénzérme (pl.kétforintos) nem dől el a működő gép vázára állítva, akkor a gép kiegyensúlyozottnak tekinthető. Aberendezés ennek a feltételnek megfelel.

79

Mivel a berendezés alkalmas a terhelési értékek beállítására [FN(N); vs (m/s); s (m)] és az alapvetőtribológiai jellemzők mérésére [FS (N); térfogati kopás (mm2), alaptest hőmérséklet (oC)] a kitűzöttmérési feladatok elvégzésére megfelelőnek ítélem.

6.8. Az alkalmazott mérőeszközök

A vizsgálatokhoz az alábbi mérőeszközöket használtam:

1. Lapmérlegcella, tipusa: PW6C3 (Hottinger)2. Tízcsatornás mérőhelyválasztó, tipusa: MHV 04/A (Kaliber)3. Mérőjel átalakító, kijelző, tipusa: DDAP-06/A (Kaliber)4. Digitális hőmérő, típusa: NI CR-NI5. Fordulatszám számláló, kapcsoló: saját készítés6. Digitális hő- és relatív páratartalom mérő, tipusa: ALMEMO 2290-37. Optikai hosszmérő, típusa: Gamma 601738. Labor mérleg, típusa: LB-8029. Keménységmérő, tipusa: KV-110. Érdességmérő, tipusa: Pertometer Perphen Concept (Taylor Hobson)11. Fémmikroszkóp, típusa: Ephitip-2 (Carl Zeiss Jena)

Részletes adataikat a 22. melléklet tartalmazza

6.9. Környezeti feltételek

A méréseket nem klimatizált laboratóriumi körülmények között végeztem. Az egyes méréseknélminden esetben rögzítésre került a kezdeti és befejező környezeti hőmérséklet és páratartalom,hosszabb méréseknél az időszakosan mért közbenső értékek is. A 6.2 fejezet 4. táblázatában mindenegyes vizsgálatnál megadom a vizsgálatok során mért környezeti hőmérséklet és relatívpáratartalom átlagértékeit és változási tartományát.

A páratartalmat szabályozni nem tudtam, így ingadozása, különösen a hosszú idejű (több napos)méréseknél akár a ±15%-ot is elérte. Ezért a kenőanyag nélküli vizsgálatoknál megadom apáratartalom határokat. Az ingadozás ellenére a relatív páratartalom a mérések során a 45…75%-osértékhatáron belül maradt. Szakirodalmi adatok szerint (Lancaster 1990, Cartos 1999) apáratartalom hatása a kopásra csak a szélső RH<20% és vagy RH>80%-os értékeknél jelentős.

6.10. A mérési eredmények rögzítésének, megadásának módja

Minden egyes mérés során adatlapot töltöttem ki, melynek formátumát a 10.melléklet mutatja. Azadatlapokon az alábbi adatokat rögzítettem:

1. A jegyzőkönyv sorszáma2. A mérés dátuma3. A hasáb anyaga4. A gyűrű anyaga (keménysége)5. A fém alaptest és ellendarabok felületi érdessége (minta alapján)6. A kenési állapot, köztes anyag7. A környezet jellemzői: hőmérséklet, relatív páratartalom8. A normál terhelőerő

80

9. A csúszási sebesség (fordulatszám)10. A vizsgálati úthossz (fordulatszám)11. A hasáb hőmérséklete12. A súrlódási ellenállás.

Kiegészítő információként (megjegyzés):

1. A gyűrű felületének elszíneződése, az anyagátvitel látható jele.2. A kopási nyom alakja, a kopott felület képe (sima, barázdált, szakadozott).

Irodalmi minta alapján elkészítettem a saját fejlesztésű súrlódás- és kopásvizsgáló gépen végzettmérések rendszerszemléletű mérési jegyzőkönyvét (11. melléklet).

Az erő, a nyomaték, a hőmérséklet, a fordulatszám-érzékelők jeleit a technikai eszközök hiányamiatt nem tudtam számítógépre vinni, így folyamatosan rögzíteni és kiértékelni. Az egyes értékeketelőre felvett súrlódási úthosszaknál a jegyzőkönyvben rögzítettem.

Mivel az alkalmazott vizsgálati módszernél a kopás mérése csak a vizsgálat megszakításávallehetséges, a hosszú idejű vizsgálatoknál ez a súrlódási-kopási folyamat többszöri megszakítását,újraindítását tette szükségessé. Ez feltehetően változást idézett elő a próbatestek kölcsönöshelyzetében és a folyamatot alacsonyabb próbatest hőmérsékletekről kellett újraindítani.

Ezek hatása megmutatkozott a súrlódóerő értékében, amely rendszerint csak 500…1500 fordulat(s=60…180 m) után tért vissza a megszakítás előtt mért értékre, illetve annak közelébe.

A mérési pontok alapján szerkesztett pont diagramok lefutásából úgy ítélhető meg, hogy ez asúrlódási-kopási folyamatot a töltetlen műanyagoknál nem módosította észrevehetően. Aszálerősítésűeknél, különösen tömör felületű gyűrűkkel párosítva ez már nem minden esetbenfogadható el. Egyes méréseknél az átvitt műanyag réteg stabilitása romlott (elszíneződés változás,súrlódóerő és hasáb hőmérséklet növekedés volt megfigyelhető), a súrlódási, kopási folyamatbanváltozás következett be. Mivel a hasábhőmérsékletek egy viszonylag alacsony T ≤ 40 oC –oshőmérsékleten stabilizálódtak, a megszakítások hatása a kopási és súrlódási folyamatra inkábbvoltak kedvezőtlen hatásúak, mint kedvezők. Ezért a kapott mérési adatok a valós értékeket felülrőlközelítik. A kapott eredmények kiterjesztésénél ezt figyelembe kell venni.

A kopás nagyságát a hasábon mérhető kopási nyom szélessége alapján számoltam az alábbiösszefüggések felhasználásával. A jelölések értelmezése az 54. ábrán látható.

54. ábra A kopási nyom méretének adatai

81

[ ]mmbd2/sin Θ

=

ahol:Θ - középponti szög (rad)b - kopási nyom szélessége (mm)v - kopási térfogat (mm3)

( )[ ]

[ ]radahol

mmtDV

Dbsin arc2

sin8

32

⋅=Θ

Θ−Θ⋅

=

A b és V értékeit t=10 mm, D=38 mm próbatest méreteknél a 12. melléklet tartalmazza.

A szabvány előírása szerint b értékét három helyen, középen és a szélektől 1 mm távolságban kellmérni. Ha a három érték terjedelme az átlag 10%-nál nagyobb, a mérés nem vehető figyelembe. Akopási nyom térfogatát a három mérés számtani átlaga alapján határoztam meg. A szórásnégyzetet

az s2 = ∑=

−−

n

ixx

n 1

2)(1

1 összefüggéssel számoltam. Az átlagértékek szórása sa = ±nst ⋅ ,

Ahol: t = f(P, n) paraméter a Student eloszlás táblázatából vehető ki adott megbízhatósági szintnek(P) és mintanagyságnak (n) megfelelően. A nyom szélességét (b) egy 0,05 mm osztásértékű optikaihosszmérővel végeztem. A mért értékeket 0,05 mm pontossággal adtam meg.

A rövid úthosszú méréseknél a kopási térfogatot, a 2400 m vagy az ennél hosszabb úthosszúaknál a

kopási tényezőt K

⋅ mNmm3

is megadtam. A kopási adatok a megismételt mérések átlagai. 2400 m-

es vizsgálati úthosszig 4, a hosszabbaknál 3, néhány esetben 2 mérést végeztem. A súrlódóerőt avizsgálat befejezésekor mérhető középértékkel adtam meg.

A próbatestek alakjából adódóan az érintkezésük vonalmenti. A gyűrű és a hasáb rugalmasdeformációja miatt a valóságban ez egy téglalap alakú sáv, melynek szélessége és a nyomáseloszlás(feszültségeloszlás) tiszta, rugalmas deformációt feltételezve a Hertz-elmélet alapján számolható ki.A rövid idejű vizsgálatoknál a próbatestek deformációja hibát okoz, mivel a benyomódás szélességemár néhány próbatest-fordulat után mint kopási nyom jelenik meg. Az érintkező felületek a kopáselőrehaladásával fokozatosan illeszkedővé válnak, a deformáció okozta relatív hiba egyre csökken.Közelítésként elfogadva, hogy a rugalmasan deformált térfogat állandó terhelésnél a vizsgálat soránazonos, a relatív hiba becsült értéke b>1 mm kopási nyomszélesség esetén < 0,1%.

A termoplasztok esetében a kúszás és a relaxáció tartós terhelésnél szintén hibát okoz, de annaknagysága – az eredmények szórását és az általam végzett vizsgálatok időhosszát figyelembe véve –elhanyagolható.

82

7. A VIZSGÁLATI PROGRAM ISMERTETÉSE ÉS AZ EREDMÉNYEKÉRTÉKELÉSE

7.1. A kiválasztott szóróanyagok kopásállóságának meghatározása(I. vizsgálat)

A szórt fém/műanyag párosítás tribológiai jellemzőinek vizsgálatához a szórt fém kiválasztásánálaz egyik szempontnak a relatív kopásállóságot vettem.

A méréseket Ra=0,5 µm érdességű, edzett C60-as gyűrűkkel és Ra=0,35 µm érdességű, szórtfelületű hasábokkal végeztem. A felületeket közvetlenül a mérés előtt zsírtalanító spray-vellemostam. A kopási értékeket négy mérés átlagával adtam meg.

Az alkalmazott terhelési adatok:

− Normál terhelőerő Fn = 100 N− Csúszási sebesség Vs = 0,30m/s− Vizsgálati úthossz s = 600 m.

A Hertz-elmélet alapján számított kezdeti felületi nyomások:

Pmax = 123 MpaPátl = 96,5 Mpa.

A számításnál felhasznált E-rugalmassági modulus értékét a Metcoloy 2 szóróanyagnál a gyártóáltal megadott szakítódiagram alapján (34. ábra) számoltam. A ν tényező értéke a tömör fémeknélmegadott értékek alapján becsült. Mivel a többi szóróanyagra vonatkozóan nincs adat, azoknál isezeket az értékeket vettem figyelembe.

A vizsgálat eredményét a 7. táblázat és az 55. ábra, az egyes mérések eredményeit a 13. mellékletmutatja. 7. táblázat Szórt acélok kopása edzett acélgyűrűn csúszva

FN=100 N; v=0,30 m/sec; Ra,gy=0,5 µm; Ra,h=0,35 µm

Típus Kopás(x 10-2mm3)

KFD 99 10,52KLD 60 5,33Metc.2 6,13KLD 31 88619910 30,3319400 16,75

KLD 31** 10,85K1 33,48

**Olajban kifőzött és zsírtalanított

83

1,525,33

6,3

886

30,316,4 10,45 33,5

0100200300400500600700800900

Kop

ás

x 1

0-2 m

m3

KFD

99

KLD

60

Met

c. 2

KLD

31

1991

0

1940

0

KLD

31*

*

K1

Anyag típus

55. ábra A szórt acélok kopása C60 (61 ± 1,5 HRC) ellendarabbal(FN=100 N, s = 600 m, v=0,3 m/sec, Ragy=0,5 µm, Rah=0,35 µm)

Az eredmények értékelése:

• A vizsgált, ötvözött, korrózióálló szóróanyagok kenés nélküli súrlódó rendszerben közelazonos kopásállóságot mutatnak.

• A vizsgálatok során berágódás, lemorzsolódás egyik szórt felületnél sem következett be. Akis kopási ráta és a kopási nyom vizsgálata alapján feltételezhető, hogy a domináns kopásifolyamat a vizsgált igénybevételeknél adhéziós és oxidációs.

• A szórt rétegek keménysége és kopásállósága alapján a tiszta molibdén (KFD 99) és a két13%-os krómacél szóróanyag (KLD 60, Metcoloy 2) látszanak a legmegfelelőbbnek atovábbi vizsgálatokhoz. Az előzőekben már ismertetett indokokat figyelembe véve a szórtfém/műanyag súrlódópárok vizsgálatára a Metcoloy 2 szóróanyagot választottam.

• A tömör K1 jelű szerszámacélnál, amely vizsgálatát a szórt 13%-os krómacélokhozközelálló, majdnem azonos összetétele miatt végeztem el, minden mérésnél megindult aberágódás. Ez indokolja a relatíve magas kopási értéket a hasonló összetételű, 13%-os szórtkrómacélokhoz képest.

7.2. A vizsgálóberendezés ismétlési szórásának meghatározása(II. vizsgálat)

A vizsgálatok megismételhetőségi szórásának statisztikai szempontból exakt meghatározásáraidőhiány miatt nem volt módom, de ennek közelítő becslésére egy tíz mérésből álló mérésisorozatot végeztem szórt acél/POM-C anyagpárosítással.A méréseket azonos mérési, környezeti és technológiai paraméterekkel hajtottam végre. A vizsgálateredményét a 9. melléklet tartalmazza. A térfogati kopás és súrlódóerő mérések szórását a „Avizsgálóberendezés megfelelőségének igazolása” fejezetben adtam meg.

A későbbi, különböző anyagpárosításokkal és úthosszakkal elvégzett mérések szórásait isfigyelembe véve a vizsgálati eredmények relatív szórása elfogadható, a hosszabb úthosszúvizsgálatoknál sehol sem nem haladja meg a 20%-ot. Ez a szakirodalomban közölt, szabványosítottASTM G-jelű tesztberendezésekre vonatkozó felmérés szerinti 20…40 %-os határon belül van.(Blau,Budinski 1999)

84

7.3. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül(III. vizsgálat)

A méréseket az M2-jelű, szórt krómacél felületű gyűrűkkel és öt különböző műszaki műanyaggalvégeztem. A mérések célja a különböző töltő- és erősítő anyagok hatásának vizsgálata az átvittműanyagfilm felépülésére, ezáltal a súrlódásukra és a kopásukra. Ugyanezt a mérési sorozatotelvégeztem a 7.5. pontban leírtak szerint, tömör, edzett szénacél ellentest alkalmazásával.

A méréseknél alkalmazott műanyagokat, terhelési adatokat és mért jellemzőket a vizsgálati program(4. táblázat) tartalmazza.

A mérési sorozat eredményét a 14. melléklet, az egyes mérések átlagai alapján szerkesztettdiagramot az 56. ábra mutatja.

0

5

10

15

20

25

PPS(t) PAGF30 PETP(t) POM-C UHMWPE

Alaptest anyaga

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Súrló

dási

tény

ező

µ

KopásSúrl. tényező

56. ábra A műanyagok kopása, súrlódási tényezője szórt krómacél felületen csúszva, kenés nélkül(s=1200 m, v=0,39 m/sec, FN=44, N Ragy = 0,5 µm)

Az eredmények értékelése

− A közölt súrlódási tényező értékek a rövid vizsgálati úthossz miatt nem tekinthetők állandósultrendszer-jellemzőknek. A későbbi mérések szerint az állandósult értékek csak S>2400 m-essúrlódási út körül alakulnak ki. Ezért a kopási tényező értékeit sem adtam meg.

− A színezett műanyagoknál jól látható volt az átvitt réteg kialakulása. A gyűrű felületén már párfordulat után megjelent, de a gyűrű teljes szélességében csak néhány száz fordulat után alakultki.

− A szilárd kenőanyag hatása a kopásra alig érvényesül [PETP(t) és PPS(t)]. Az üvegszál erősítéskopáscsökkentő hatása a szilárd kenőanyagot nem tartalmazó 66 PAGF 30 jelű műanyagnálsokkal erőteljesebb, mint a komplex kenőanyagot tartalmazó PPS(t)-nél.

− A kopási nyom felületén – a PAGF 30 kivételével – minden műanyagnál felismerhetők azelmozdulás irányú barázdák. A barázdák között sima felületrészek helyezkednek el. A kopásjellege összetett, részben adhéziós, részben abrázív.

85

− A PPS(t) koptatott felületén jól látható a szilárd kenőanyag egyenlőtlen eloszlása. (Sima ésbarázdált felületrészek változása).

7.4. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben(IV. vizsgálat)

A méréseket kommunális csapvízbe merülő súrlódó felületű próbatestekkel végeztem. A víz szervesés ásványi anyag tartalmát a 4. mellékletben található kémiai vizsgálati lap tartalmazza.

A műanyag hasábokat mérés előtt 48 órával laborhőmérsékletű vízbe helyeztem, hogy a nedvszívóműanyagok a tartós üzemi viszonyoknak megfelelő nedvességtartalommal rendelkezzenek

A kapott mérési eredményeket a 15. melléklet, az átlagértékek alapján szerkesztett diagramot az57.ábra mutatja

05

1015202530354045

PPS(t) 66PAGF30 PETP(t) POM-C UHMWPE

Alaptestek

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Súrló

sási

tény

ező

µ

KopásSúrl. Tényező

57. ábra A műanyagok kopása és súrlódási tényezője szórt acélfelületen csúszva, vízben.(s=1200 m; Ragy = 0,5 µm; FN=44 N; v=0,39 m/sec)

Az eredmények értékelése

− Mindegyik műanyag kopása nőtt a kenés nélküli rendszerben mért értékekhez képest.− A relatív kopásnövekedésük sorrendje, a POM-C kivételével, követi a % telítettségi víztartalmuk

szerinti sorrendet. A telítettségi víztartalom szerinti sorrend: 66PAGF30(5,5%) > POM-C(0,85%)> PETP(t) (0,47%) > PPS(t) (0,09%) > UHMWPE (0,01%).A relatív kopás növekedés szerinti sorrend: 66PAGF30 (5,7 x)>PETP(t) (2,8 x)>PPS(t) (2,3 x)>POM-C (1,5 x) > UHMWPE (1,4 x).

− A súrlódási tényezők a száraz súrlódáshoz képest alig csökkentek, ellentétben egyes irodalmiadatokkal, pl. Mens,de Gee (1991). Ennek valószínűsíthető oka a rövid vizsgálati úthossz és avonalmenti felfekvés, amihez még hozzájárulhat a szórt felület porozitásának a hatása. Ahivatkozott publikációban a próbatestek (gyűrű/hasáb) illeszkedő felületűek, így ahidrodinamikai nyomás kialakulásának a feltételei kedvezőbbek. Az általam alkalmazottvonalmenti érintkezésnél legfeljebb az elasztohidrodinamikai súrlódási állapot kialakulásának a

86

feltételei adottak. Ennek súrlódáscsökkentő hatására vonatkozóan acél/műanyag érintkezésénélirodalmi adatok nincsenek.

− Mivel a kopásnövekedés kis vízfelfevő képességű műanyagoknál is bekövetkezett, arra lehetkövetkeztetni, hogy a kopásnövekedés nem csak a vízfelvétel szilárdságcsökkentő hatásának azeredménye, a víz adszorbeálódva az acél felületén gátolja az abrázív kopást csökkentő, átvittműanyagfílm kialakulását. Ezt támasztja alá a kopási nyom barázdált abrázív jellege.

7.5. Tömör acél/műanyag súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül (V. vizsgálat)

Az elvégzett mérési sorozat célja azt meghatározni, hogy ugyanazon tribológiai rendszerben aporózus szórt acélt tömör acél ellentesttel (gyűrű) helyettesítve, milyen változásokat eredményez aműanyagok súrlódásában és kopásában.

A kapott eredményeket a 16. melléklet, az egyes mérések átlagai alapján szerkesztett diagramot az58. ábra mutatja.

05

1015202530354045

PPS(t) PAGF30 PETP(t) POM-C UHMWPE

Alaptestek anyaga

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás

Súrl. tényező

58. ábra Műanyagok kopása, súrlódási tényezője tömör, edzett acélfelületen csúszva, kenés nélkül(s = 1200 m, Ra,gy=0,5 µm; FN=44 N; v=0,39 m/sec)

Az eredmények értékelése

− Az egyes műanyagok kopásértékeinek sorrendje a PETP(t) kivéve azonos, mint a szórt fémellentestnél.

− Ha a két ellentesttel mért kopási értékeket összevetjük, akkor látható, hogy a tömör ellentestnél aPETP(t) kivételével minden műanyag kopásérték nagyobb. Ezzel teljesen összhangban van az atapasztalat, hogy a tömör ellentestnél a felület elszíneződése, ami az átvitt műanyagfilmkialakulását jelzi, lassabban, sok esetben csak a vizsgálati úthossz második felében jelent meg,és többnyire akkor sem a gyűrű teljes szélességében.

− A PETP(t) PTFE töltetének kopáscsökkentő hatása a tömör felületnél jobban érvényesült. Ezfeltételezhetően a tömör acél nagyobb felületi energiájával van kapcsolatban. A többi műanyagkohéziós energiája (23. ábra) nagyobb a teflonénál, így az átvitt műanyagfilm felépülése

87

lassúbb, és nagyobb szerepet kapnak a pórusok, amelyek befogadva a műanyag kopásirészecskéket, segítik a film felépülését, kiegyenlítve a kisebb felületi energiából adódó hátrányt.A későbbi, hosszú úthosszú vizsgálatoknál ez a különbség a két ellentest között a PETP(t)esetében megszűnik, ami az előző feltételezést támasztja alá.

7.6. Tömör acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata vízben(VI. vizsgálat)

A vizsgálat célja meghatározni, hogy milyen eltérés mutatkozik a szórt, porózus acélon és a tömöracélon csúszó műanyagok súrlódási, kopási viselkedésében, vízkenésnél. A vizsgálat körülményeimegegyeznek a IV. jelű vizsgálatáéval.

A kapott mérési eredményeket a 17. melléklet, az átlagértékek alapján szerkesztett diagramot az59.ábra mutatja.

05

1015202530354045

PPS(t) PAGF30 PETP(t) POM-C UHMWPE

Alaptest anyaga

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás

Súrl. tényező

59. ábra Műanyagok kopási és súrlódási tényezője tömör, edzett acélon súrlódva, vízkenéssel.(s=1200 m; Ragy = 0,29 µm; FN = 44 N; v = 0,39 m/sec)

Az eredmények értékelése

− Mindegyik műanyag kopása nőtt a kenés nélküli rendszerben mért értékekhez képest.− A relatív kopásnövekedés a POM-C kivételével tendenciájában követi a nedvességfelvevő

képességük alakulását. A relatív kopásnövekedés szerinti sorrend: 66PAGF30 (4,8) >PETP(t) (3,5)> POM-C (2,5) = PPS(t) (2,5) > UHMWPE (1,4). Ez megegyezik a szórtacélfelülettel kapott relatív kopási sorrenddel, csak a POM-C relatív kopásnövekedésenagyobb.

− A súrlódási tényezők – a viszonylag nagy szórásokat figyelembe véve – kismértékűcsökkenést mutatnak a kenés nélküliekhez viszonyítva.

88

7.7. Szórt acél/műanyagok súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül, növeltsúrlódási úthosszal(VII. vizsgálat)

A vizsgálat célja meghatározni, hogyan hat a csúszási út növelése a műanyagok kopási, súrlódásijellemzőire, és a szórt fém kopására, felületérdességére. A kopásméréseket rögzített csúszásiúthosszaknál (megtett fordulatoknál) végeztem, a mérés leállításával majd újraindításával. A gyűrűkopását az érdességprofilok képe és átlagos érdessége alapján értékeltem.

A méréseket kisebb szemcseméretű kővel köszörült Ra=0,29 µm felületi érdességű gyűrűkkelvégeztem, növelt FN=100 N terheléssel. A profilok úgy lettek felvéve, hogy azok kezdő 1-1,5 mm-es szakasza a gyűrűk szélein maradó nyers, köszörült felületekre essenek. Ezért az érdességváltozása mellett a középvonal esetleges eltolódása is látszik (60. ábra).

A mért értékeket a 18. mellékletek és a 61, 62, 63, 64. ábrák mutatják

60. ábra Az érdességprofilok változása a különböző párosításoknál és súrlódási úthosszaknála) C60/PPS(t) – 65 km; b) Szórt acél/PPS(t) – 50 kmc) C60/POM-C – 24 km; d) Szórt acél/POM-C – 24 kme) C60/PETP(t) – 24 km;, f) Szórt acél/PETP(t) – 24 kmg) C60/PAGF30 – 33 km; h) Szórt acél/PAGF 30 – 85 km

89

0102030405060708090

100

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Csúszási úthossz (m)

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás Súrl. tény.

61. ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopása és a súrlódási tényező értékei a csúszási útfüggvényében, szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy=0,29 µm)

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000Csúszási úthossz (m)

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Súrló

dási

tény

ező

µ

KopásSúrl. Tényező

62. ábra Teflonnal töltött polietilénterephtalat (PETP (t)) kopása és a súrlódási tényező értékei acsúszási út függvényében, szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy=0,29 µm)

90

05

101520253035404550

0 20 40 60 80 100 x 103 m

Csúszási úthossz

Kop

ás

x 1

0-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Súrló

dási

tnye

ző µ

Kopás Súrl. tényező

63. ábra Üvegszállal erősített, komplex szilárd kenőanyaggal töltött, polifenilénszulfid (PPS (t))kopása és súrlódási tényezőjének értékei a csúszási út függvényében, szórt acélfelületen súrlódva,

szárazon (Ra,gy = 0,29 µm)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 20 40 60 80 100 x 103 m

Csúszási úthossz

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás -2Kopás-1Súrl. tényező-2Súrl. tényező-1

64. ábra Üvegszállal erősített poliamid (PAGF30) kopása és súrlódási tényező értékei a csúszási útfüggvényében,szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy=,29 µm)

Az eredmények értékelése

− A szórt acélfelületek érdességprofiljait vizsgálva (60. ábra) jelentős kopás (profileltolódás) nemészlelhető. A kopott felületek átlagos érdességi mérőszáma, műanyagtípustól és a felület kezdetiérdességétől függően Ra=0,1…0,15 µm-el csökkent. A gyűrű felületi érdességének drasztikuscsökkenése, a felület polírozódása nem következett be az üvegszálerősítésű PPS(t) és PAGF30je-

91

− − lű műanyagoknál, mint ahogy azt üveggyöngy töltésű UHMWPE műanyaggal párosított

acélfelületnél Markus K., Allen C. (1994) tapasztalta.− A gyűrűk felületén az elszíneződés pár fordulat után megjelent, kezdetben sávokban, majd a

gyűrű teljes súrlódó felületén. A színezett műanyagoknál, (PPS(t), 66PAGF30) ennek a szürkés-barnás bevonatnak a tónusa, egyenletessége jól mutatta az átvitt műanyagfilm vastagságát,épségét. Az elszíneződés halványulása, felszakadása a kopás és a súrlódási ellenállásnövekedésével járt. Egy esetben a PAGF30 műanyagnál a szürkés bevonat 48…50 km körülicsúszási útnál kezdett felszakadozni és csomósodni. Foltokban megjelent a fényes fémfelület ésa súrlódási ellenállás a kopással együtt folyamatosan emelkedett, egészen a vizsgálat végéig(s=85 km). A kopásnövekedés és a súrlódási tényező közel azonossá vált a VIII. vizsgálatnál,tömör felületű gyűrűkkel kapott értékekkel.

− A két üvegszálerősítésű műanyagnak a kopása egy viszonylag magas kezdeti érték után lelassult,sőt egy hosszabb súrlódási út alatt gyakorlatilag megállt. Térfogati kopásuk az erősítés nélküliműanyagokhoz képest jelentősen alacsonyabb. Ennek lehetséges magyarázata az, hogy apórusokban befogott üvegszál részecskék mintegy lehorgonyozzák a kialakult műanyag filmet,így az jobban ellenáll az üvegszálak abrázív koptató hatásának. Ezt a feltevést támasztja alá aVIII., tömör acél ellendarabbal végzett vizsgálat, amelynél a műanyag kopása jelentősennagyobb. A gyűrűk felületén nem alakult ki a sötét elszíneződés, sőt pár ezer méteres súrlódásiután a gyűrűfelület kifényesedett.

− Az üvegszállal erősített műanyag/szórt acél súrlódópár súrlódási tényezője a vártnál jóvalalacsonyabb. Ez nem magyarázható csak az átvitt műanyagfilm vastagságával, illetvetapadásával. Bár a rendelkezésemre álló fémmikroszkóppal nem volt egyértelműen felismerhető,de feltételezhető hogy a pórusokban befogott üvegszálcsomók üveg-üveg súrlódása csökkenti lea súrlódási tényezőt. Tény, hogy a film elvékonyodásával, lehámlásával a súrlódási tényező és akopás a tömör gyűrűkkel mért értékekkel közel azonossá vált.

− Erősítés nélküli műanyagoknál (POM-C, PETP(t)) a műanyag hasáb térfogati kopása jól leírhatóa V = a

N sCF ⋅⋅ (mm3) összefüggéssel, ahol FN = 100 N – a normál terhelő erő, s – a csúszásiúthossz (m), C és a – a kopási folyamat jellegétől, az anyagpároktól és a környezeti feltételektőlfüggő állandók. A 10 illetve 11 mérési pontra illesztett logV = log(C NF⋅ ) + sa log⋅ regressziós

egyenes paraméterei: a(POMC) = 0,61 ; C(POMC) = 51008,2 −⋅

⋅ mN

mm3

;

− a(PETP(t)) = 0,52 ; C(PETP(t)) = 51003,6 −⋅

⋅ mN

mm3

. A regressziós tényezők: rPOM= 0,974,

− rPETP(t) = 0,98 .− Az üvegszál erősítésű műanyagok (PPS(t), PAGF30) kopása sPPS(t) ≤ 94 km, sPAGF30≤ 45 km

csúszási úthosszig döntően adhéziós, a kopási nyom sima. A hasáb térfogati kopása az erősítésnélküli műanyagokhoz hasonlóan szintén jól leírható a V = a

N sCF ⋅⋅ (mm3) összefüggéssel. Az

összefüggés paraméterei: C (PPS(t)) = 8,9 510−⋅

⋅ mN

mm3

, a(PPS(t)) = 0,339 ;

− C(PAGF30) = 1,25

−

Nmmm3

610 , a (PAGF30) = 0,274.

− A regressziós tényezők: r(PPS(t)) = 0,968, r(PAGF30) = 0,964.

92

7.8. Tömör acél/műanyagok súrlódásának, kopásának vizsgálata növelt súrlódásiúthosszal (VIII. vizsgálat)

A vizsgálat célja ellenőrizni, hogy a tömör acél/műanyag párosítások, különösen az üvegszállalerősített alaptesteknél, milyen tribológiai eltérést mutatnak a szórt acél/műanyag párosításokhozképest. Közvetve ellenőrizni, van-e szerepe a szórt fém porozitásának az átvitt műanyagfilmkialakulásában, stabilitásában.

A mérés körülményei, a próbatestek megmunkálása, kezelése teljesen azonos a VII. vizsgálatnálalkalmazottal.

A kapott eredményeket a 19. melléklet és a 65, 66, 67, 68. ábrák tartalmazzák. A diagramokonfeltüntettem a szórt felületű gyűrűkkel kapott kopási és súrlódási tényező értékeket is, hogy a kétfelület hatása közötti különbségek illetve azonosságok felismerhetők legyenek.

0102030405060708090

100

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Csúszási úthossz (m)

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás (tömör)Kopás (szórt)Súrl.tény. (tömör)Súrl. tény . (szórt)

65. ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopásának és súrlódási tényezőjének változása acsúszási út függvényében, tömör és szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy = 0,29 µm)

93

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 x 103 m

Csúszási úthossz

Kop

ás

x 10

-2 (m

m3 )

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás szórt/PETP(t)Kopás C60/PETP(t)Súrl. tény.szórt/PETP(t)Súrl. tény.C60/PETP(t)

66. ábra Teflon szilárd kenőanyagot tartalmazó polietilénterephtalat(PETP(t) kopásának éssúrlódási tényezőjének változása a csúszási út függvényében, tömör és szórt acélfelületen súrlódva,

kenés nélkül (Ra,gy = 0,29 µ m)

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100 x 103 m

Csúszási úthossz

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4Sú

rlódá

si té

nyező

µ

Kopás (tömör ac./PPS(t)

Kopás (szórt ac./PPS(t)

Súrl.tény. (tömör ac./PPS(t)

Súrl. tény. (szórt ac./PPS(t)

67. ábra Üvegszállal erősített és komplex szilárd kenőanyagot tartalmazó polifenilénszulfid(PPS(t)) kopásának és súrlódási tényezőjének változása a csúszási út függvényében, tömör és szórt

acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy=0,29 µm)

94

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 20 40 60 80 100 x 103 m

Csúszási úthossz

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás (tömör ac./PAGF30)Kopás-1 (szórt ac./PAGF30)Kopás-2 (szórt ac/PAGF30)Súrl. tény.(tömör ac./PAGF30

68. ábra Üvegszállal erősített poliamid (PAGF30(t)) kopásának és súrlódási tényezőjénekváltozása a csúszási út függvényében, tömör és szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül

(Ra,gy=0,29 µm)

Az eredmények értékelése

- Az erősítés nélküli műanyagoknál, mint ahogy azt a 65. és a 66. ábrák mutatják, a tömör ésszórt acél koptató hatása és súrlódási tényezője közel azonos. A rövid súrlódási útnál tapasztalteltérés nem nő, sőt relatív csökken. Jelentős kopás az egyik gyűrű érdességprofilján sem látható,csupán az érdességcsúcsok tompulnak, ill.csökken a felületek érdessége (60. ábra c), d), e), f)profilok).

- A tömör acélfelületen az üvegszállal erősített két műanyagtípus kopási intenzitása nagyobb,mint az erősítés nélkülieké. A gyűrűk felületén nem alakul ki sötét tónusú egyenleteselszíneződés. A súrlódási út növekedésével a kezdeti elszíneződés megszűnik, a gyűrűfelületekkifényesednek. Beáll egy viszonylag magas súrlódási tényező és kopási intenzitás. s = 8000csúszási út fölött a hasábok koptatott felülete durva, az elmozdulás irányában barázdált.

- A PPS(t) –re jellemző volt, hogy alacsonyabb (2400 m) súrlódási úthossznál a kopási nyom ahasáb szélessége mentén lépcsősen változott. Ezekkel azonos elhelyezkedéssel váltakoztak agyűrűn a világosabb és a sötétebb sávok, jelezve az átvitt műanyagfilm egyenlőtlen kialakulását.Ennek feltételezhető oka a beépített kenőanyag egyenlőtlen eloszlása az érintkezési sáv mentén.Ez a jelenség a nagyobb vizsgálati úthosszaknál megszűnt, a kopási nyom felülete kezdetbenegyenletesen simává, majd fokozatosan durván barázdálttá vált. Ez megmutatkozik a kopásigörbe alakulásában.

- Az ugyancsak üvegszálerősítésű, de szilárd kenőanyagot nem tartalmazó PAGF30 –jelűműanyag a tömör acélfelületen csúszva a PPS(t)-hez hasonlóan viselkedett. A kezdeti szürkésbevonat a gyűrűk felületéről fokozatosan eltűnt, a súrlódási tényező és a hasáb kopása megnőtt.A gyűrűk érdességprofiljain a koptatás befejezésekor már enyhe kopás észlelhető. Afelületérdesség a kezdeti értékhez képest 0,1-0,15 µm-el csökkent, a felületek simábbak lettek(60. ábra) a), b), g), h).

95

- A műanyag hasábok térfogati kopása és a csúszási úthossz közötti kapcsolat FN = 100 Nterhelőerőnél jó közelítéssel megadható a V = C a

N sF ⋅⋅ (mm3) összefüggéssel. A 10 ill. 13mérési pontra illesztett logV = log(C NF⋅ ) + a log⋅ s regressziós egyenes paraméterei:

- aPOMC = 0,536, CPOMC = 4,36

⋅ −

Nmmm3

510 ; aPETP(t) = 0,6, CPETP(t) = 2,9

⋅ −

Nmmm3

510

- aPPS(t) = 1,05, CPPS(t) = 6,9

⋅ −

Nmmm3

710 ; aPAGF30 = 1,4, CPAGF30 = 2,5

⋅ −

Nmmm3

810

- A korrelációs tényezők: rPOM= 0,97, rPETP(t)= 0,99, rPPS(t) = 0,98, rPAGF30 = 0,98.

7.9. Az egyszeri kenés hatásának vizsgálata(IX. vizsgálat)

A vizsgálat célja igazolni, hogy a szórt rétegek pórusai képesek folyékony kenőanyagbefogadására, tárolására, és a súrlódó felületek kenőanyaggal való bevonására.

A vizsgálatot tömör acél (C60)/tömör acél (C40) és szórt acél/tömör acél (C40), ill. szórt acél/POM-C anyagpárokkal szárazon és egyszeri olajkenéssel végeztem. Az egyszeri kenésnél méréselőtt a szórt és tömör felületű gyűrűket 80 oC-os 15W-40 (ACEA 05-02) viszkozitási osztályúmotorolajban kifőztem. Mérés előtt felületüket tiszta pamutruhával letöröltem. Ezzel az azonosérdességű felületeken közel egyforma – a vizsgálatok szerint néhány molekulányi vastagságú –olajfilm maradt. Acél ellendarab esetén mértem a hasáb hőmérsékletét, a súrlódóerőt, a műanyagalaptestnél a kopást is.

A mérési eredményeket a 20. melléklet az átlagértékek alapján szerkesztett diagramokat a 69., 70.,71. ábrák tartalmazzák.

0

25

50

75

100

125

0 0,18 0,36 0,6 2 4 11,3 16 20

x 103 mCsúszási úthossz

Has

áb hőm

érsé

klet

(o C)

0

0,15

0,3

0,45

0,6

0,75

Súrló

dási

tnye

ző µ

Hasáb hőm. (száraz)Hasáb hőm. (olajozott)Súrl.tényező (olajozott)Súrl.tényező (száraz)

96

69. ábra Tömör acél/hasáb (C40) súrlódási tényezőjének és hőmérsékletének változása a csúszásiút függvényében, szórtacél felületű gyűrűn súrlódva kenés nélkül és egyszeri kenéssel

(Ra,gy=0,5 µm; Ra,h=0,35µm; Olaj:15W-40 ACEA A5-02)

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000Csúszási úthossz (m)

Hőm

érsé

klet

(oC

)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Súrló

dási

tény

ező

µ

Hasáb hőm (szárazHasáb hőm. (olajozott)Súrl. tény. (száraz)Súrl.tény.(olajozott)

70. ábra Tömör hasáb (C40) súrlódási tényezőjének és hőmérsékletének változása a csúszási útfüggvényében, tömör acél gyűrűn (C60) súrlódva kenés nélkül és egyszeri kenéssel

(Ra,gy=0,5 µm; Ra,h=0,35 µm; Olaj: 15W-40 ACEA A5-02)

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120

x 103 mCsúszási úthossz

Kop

ás

x 10

-2 m

m3

0

0,05

0,1

0,15

Súrló

dási

tény

ező

µKopásSúrlódási tényező

71. ábra POM-C hasáb kopásának, és súrlódási tényezőjének változása a csúszási úthosszfüggvényében, olajban tartott, majd száraz pamutruhával letörölt, szórt felületű gyűrűn súrlódva

(Ra,gy=0,5 µm; Olaj: 15W-40 ACEA A5-02)

Az eredmények értékelése

97

- A szórt felületű gyűrűkkel elvégzett mérések (69. és 71. ábrák) jól szemléltetik az egyszerikenés kopás- és súrlódáscsökkentő hatását. A pórusokból kiszivárgó olaj folyamatos kenéstképes biztosítani a súrlódó felületeknek. A súrlódási tényező S=20000 m vizsgálati úthosszigalacsony értékű maradt, berágódás a magas hasábhőmérséklet ellenére nem következett be. Avizsgálat megszakításakor az olaj folyamatosan szivárgott a pórusokból, így egy része akopásmérések során kikerült a rendszerből. Nagyobb viszkozitású olajjal a kedvező kenésiállapot hosszabb súrlódási útig fenntartható. Kenés nélkül a tömör hasábfelület berágódása már180…200 méteres csúszási útnál megkezdődött, a hőmérséklet és a súrlódási tényezőmeredeken megemelkedett.

- A 70. ábra egyértelműen igazolja, hogy a tömör fém felületén a ruhával letörlés utánmegmaradó – a vizsgálatok szerint molekulányi vastagságú - olajfilm csak rövid ideig képes aberágódást megakadályozni. Tömör felületeknél az egyszeri olajkenés gyakorlatilag hatástalan.

- A műanyag hasábbal végzett vizsgálat (71. ábra) a tömör hasábbal elvégzett vizsgálattal azonoseredményt adott. Látható, hogy a megfelelő viszkozitású olaj még durva felületű (Ra,gy=0,5µm) gyűrűnél is alacsony kopást és súrlódási tényezőt biztosít. Ez megerősíti a különbözőkenőképességű köztes anyagokkal elvégzett, X. vizsgálat alapján levont következtetést, melyszerint a fém/műanyag súrlódásánál a műanyag kopását alapvetően a folyadék viszkozitásahatározza meg. A hasáb kopási felülete sima, bemaródás, barázda nem látható rajta. A kopásnagysága még 100 km vizsgálati úthossznál sem jelentős, nagysága megegyezik a simább(Ra,gy=0,29 µm), szórt acél ellendarabbal 2,4 km es vizsgálati úthossznál kapott értékkel.

7.10. Különböző kenőképességű folyékony kenőanyagok hatásának vizsgálata a szórt acél/POM-C súrlódására, kopására (X. vizsgálat)

A vizsgálat célja meghatározni, hogyan hat néhány különböző kenőképességű folyadék a szórtacél/POM-C anyagpár kopására és súrlódási tényezőjére.

A méréseket a vizsgálati folyadékba merülő súrlódó felületű próbatestekkel végeztem. Mindenméréshez friss folyadékot használtam.

A műanyag hasábok a mérés megkezdése előtt 48 óráig T=20 ± 1 oC os hőmérsékletű vizsgálatifolyadékban áztak.

A mért kopás és súrlódástényező értékeket a 21. melléklet, az átlagértékeket a 72. ábra mutatja.

98

0

0,3

0,6

0,9

1,2

Fo.+FM

Fo.+EP/A

W

Fo.+EP/A

W+FM

Köztes anyagok

Kop

ás (m

m3 )

0

0,05

0,1

0,15

0,2

Súrló

dási

tény

ező

µ

Kopás

Súrl.tény.

72. ábra Különböző folyékony köztes anyagok hatása a POM-C hasáb kopására és súrlódásitényezőjére szórtacél felületen súrlódva (Ra,gy=0,29 µm )

Az eredmények értékelése

- Minden folyékony köztes anyag a súrlódási tényezőt csökkentette, a kopást a száraz súrlódáshozképest viszont megnövelte.

- A desztillált vízben kapott kopásérték 1,9 szerese a kenés nélkülinek. Ez alacsonyabb, mint adurvább felületi érdességű szórt gyűrűvel, kommunális csapvízben mért érték (1,6 x). Ez aztmutatja, hogy a folyadékban lévő szervetlen anyagok kopáscsökkentő hatásúak, feltehetőenelősegítik a műanyag adszorbcióját a fém felületén.

- A fémekkel erős kémiai affinitást mutató súrlódásmódosító és kopáscsökkentő adalékok(FM,EP/AW) adszorbeálódva az acélgyűrű felületén meggátolják, illetve legyengítik a műanyagkopási részecskék adhézióját. Nem tud létrejönni az acélfelület érdességárkait kitöltőműanyagfilm, így a fém érdességcsúcsai mélyen behatolva a műanyag felületébe erős abrázívkopást okoznak. Ezt igazolja a műanyag koptatott felületének erősen barázdált abrázív jellege.

- A vizsgált adalékok hatása a súrlódási tényezőre csekély. Jelenlétük a folyadékban a műanyagkopását erősen megnöveli. Ez a megállapítás feltételezhetően igaz minden olyan adalékra,amelynek adhéziós energiája az acél felületén nagyobb, mint a műanyag ellendarabé, és kisfelületi energiájú bevonatot képezve megakadályozza a megfelelő tapadási szilárdságúműanyagfilm kialakulását.

99

7.11. Új tudományos eredmények

1. Megterveztem és elkészítettem egy gyűrű/hasáb próbatesteket alkalmazó vizsgálóberendezést,amely alkalmas a különböző anyagpárosítások alapvető tribológiai jellemzőinek vizsgálatára, asúrlódóerő, a kopás és a hasábhőmérséklet közvetlen mérésére kenőanyag nélkül ésfolyadékkenéssel. A terhelőrendszer kialakításánál fogva minimálisra csökkenti a gyűrű gyártásiés beállítási hibáiból adódó terhelés ingadozását.

2. A kenés nélkül elvégzett összehasonlító kopásvizsgálat és a műanyagokon csúszó szórtacélfelület érdességének vizsgálata igazolták, hogy a porózus, halmazszerkezetű, szórt, 13%-oskrómacél felület kopásállósága a tömör, edzett acélfelületével közel azonos. FN=100 N terhelésig

(pmax=123 MPa, pátl=96,5MPa érintkezési nyomásig) és µ=0,64 súrlódási tényezőig a felületlemorzsolódása, a szemcsehatárok elnyíródása nem következik be

3. A műanyag hasáb kopása erősítés nélküli műanyagok/szórt és tömör acél súrlódásánál,

FN = 100N-os terhelésnél, leírható aN sFCV ⋅⋅= (mm3)összefüggéssel, ahol: FN (N) – normál

terhelőerő, s (m) – a csúszási út, a C és a a kopási folyamat jellegétől, az anyagpároktól, aterhelési és környezeti feltételektől függő állandók:

a= 0,5…0,6;

⋅= −

NmmmC

35106...2 ; a korrelációs tényező r>0,97.

4. A szórt acél/üvegszállal erősített műanyag (PPS (t); PAGF 30) párosításoknál a műanyagtérfogati kopása az adhéziós kopási tartományban, leírható a a

N sFCV ⋅⋅= (mm3)összefüggésel, ahol: FN (N) – normál terhelőerő, s (m) – a csúszási út, a C és a a kopásifolyamat jellegétől, az anyagpároktól, a terhelési és környezeti feltételektől függő állandók:a(PPS(t))=0,339,

a(PAGF30) = 0,274;

⋅= −

NmmmC tPPS

35

))(( 109,8 ,

⋅

⋅= −

mNmmC PAGF

36

)30( 1025,1

A korrelációs tényező r>0,96. Ugyanezek az állandók tömör acél ellendarabnál: a(PPS(t))= 1,05, a(PAGF30) = 1,4;

⋅= −

NmmmC tPPS

37

))(( 109,6 ,

⋅

⋅= −

mNmmC PAGF

38

)30( 105,2 ; r > 0,97.

5. A szórt porózus acélfelület pórusai olajjal telíthetők. Egyirányú súrlódó kapcsolatban a tároltolaj FN= 100 N terhelésnél, s = 20 kilométeres súrlódási útig képes megakadályozni a súrlódóötvözetlen szénacél berágódását. Folyadékkenésű rendszerekben a szórt felület kenéskimaradásesetén csökkenti a berágódás veszélyét, időszakos kenésnél növeli a kenés hatástartamát.

6. A szárazon és vízben elvégzett mérések azt igazolják, hogy a vízkenésnél mérhető nagyobbkopást nemcsak a műanyag vízfelvételéből adódó szilárdságcsökkenése, hanem az acélfelületenadszorbeálódó víz együttesen okozzák. Az adszorbeálódott víz gátolja az abrázív kopástcsökkentő műanyagfílm felépülését és megtapadását az acél felületén.

7. Az FM (Hostagliss D-E) és az EP/AW (Additin RC 3661) adalékolású fehérolajjal elvégzettméréseim igazolták, hogy a fémfelületen adszorbeálódó kis felületi energiájú adalékok afém/műanyag súrlódó kapcsolatban megakadályozzák a műanyag adszorpcióját, ezzel növelik aműanyag kopását.

100

8. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK

Az elvégzett vizsgálatok alapján több olyan összefüggést állapítottam meg, amelyek nemtekinthetők új tudományos eredménynek, de eddigi ismereteinket kiegészítik, illetve bővítik.

− Az elvégzett vizsgálataim igazolták, hogy a termikusan szórt, halmazszerkezetű felületirétegek alkalmasak műanyag ellendarabbal, kopásálló, súrlódó felületek kialakítására.

− A szórható fémek és ötvözetek széles választéka lehetővé teszi a különböző terhelési éskörnyezeti feltételeket figyelembe vevő „optimális” anyagpárosítások kialakítását.

− A szórt réteg nyomó és nyírószilárdsága elegendő a fém/műanyag súrlódó kapcsolatoknálalkalmazható terhelések károsodások nélküli elviselésére.

− A felvitt réteg porozitása nem gátolja a műanyagok önkenőképességét, a harmadik közbensőréteg kialakulását. Üvegszál erősítésű műanyagokkal párosítva a porozitás jelentősencsökkenti a műanyag kopását, a rendszer súrlódási tényezőjét, ezért alkalmazása ilyenesetekben javasolt.

− A szórt réteg porozitása képes folyékony kenőanyag befogadására, ezért alkalmazásaidőszakosan kent súrlódó kapcsolatokban megnöveli a kenés hatástartamát, folyamatoskenésnél a rendszer élettartamát, megbízhatóságát.

− A fém/műanyag súrlódó kapcsolatokban a fém felületén abszorbeálódó, kis felületi energiájúadalékokat tartalmazó, megfelelő viszkozitású kenőanyag alkalmazásával és a fémfelületpolírotázásával várhatóan kis súrlódási és kopási veszteségű rendszerek alakíthatók ki. Ilyenadalékok durva fémfelületen a műanyag kopását jelentősen megnövelik.

− A termikus szórással felvitt krómacél felület kopása, felületminőségének változása, a tömöracél ellendaraboknál megkövetelt 50 HRC-nél kisebb makrokeménysége ellenére,műanyagokkal párosítva elhanyagolható, a profilogramok alapján közel azonos az edzettHRC = 61 ± 1,5 keménységű, tömör acél felületével.

− A folyékony köztes anyagokkal elvégzett méréseim igazolják, hogy a szórt fém/műanyagsúrlódó kapcsolatban a műanyag kopását és súrlódási tényezőjét a folyadék viszkozitásifunkciója határozza meg. A nagyobb viszkozitású folyadék kisebb kopást és súrlódásitényezőt biztosít.

− A szórt acélfelület erősítés nélküli műanyagoknál az edzett, tömör acélfelülettel azonos, üvegszálerősítésű műanyagoknál jelentősen kisebb kopást és súrlódási tényezőt biztosít.

− Az emberi ízületeket modellező, kis rugalmassági tényezőjű bevonatokkal ellátott súrlódókapcsolatokban kedvezőbbé válik az érintkező felületek terhelés eloszlása, csökkennek aterhelés- ingadozásból adódó feszültség csúcsok. Ez feltételezhetően csökkenti a fáradásoskopás intenzitását, illetve késlelteti annak beindulását.

− Az átvitt műanyag film módosítja az acélfelület felületi szabad energiáját, ezért alkalmas akenés hatékonyságának befolyásolására.

Bármilyen összefüggés a kopás, terhelés és csúszási út között, csak az adott rendszerállapotban, azadott domináns kopási mechanizmus esetében érvényes, ezért a változási pontok meghatározása azösszefüggések alkalmazásához nélkülözhetetlen.

A vizsgált szórt acél/műanyag kapcsolatokban a szórt réteg tribológiai viselkedésének mélyebbismerete további terhelési és tartamvizsgálatokat igényel. A szórt, erősen ötvözött acéloknál a rétegporozitása még finoman megmunkált, polírozott felületeknél is biztosítja a felület megfelelőolajtároló képességét (Abbot-féle felületi olajtároló térfogat), csökkenti a kenőolajbegyöngyöződését. Alkalmazásuk ilyen felületi megmunkálásoknál jelentősen javíthatja a kenéshatékonyságát.

101

102

103

ÖSSZEFOGLALÁS

Dolgozatom célja: az egymáson csúszó porózus, szórt acélfelület és különböző műszaki műanyagokfő tribológiai jellemzőinek meghatározása, gépalkatrészek csúszó, súrlódó felületeihez valóalkalmazásuk tribológiai megalapozása.

A szakirodalom áttekintése során több mint hatvan , többségében külföldi publikációt dolgoztamfel. Összefoglaltam a témámhoz kapcsolódó alapvető tribológiai ismereteket, a vizsgált területenelért eddigi eredményeket. Az egyes fejezetekben utaltam az adott terület még megoldatlanproblémáira, jelenlegi ismereteink hiányosságaira.

Célkitűzésem megvalósításához a szakirodalom feldolgozásra alapozottan tíz (I.,II.,…,X.) vizsgálatbólálló kísérleti programot állítottam össze. A program megvalósításához megterveztem és elkészítettemegy tesztberendezést. A berendezés funkcionálisan alkalmas egyirányú csúszó kapcsolatok főbbtribológiai jellemzőinek mérésére kenés nélkül és folyadékba merülő csúszó felületekkel.

Az alaptest hasáb alakú, melyet a terhelő súly a forgó ellendarabnak (gyűrű) szorít. A súrlódóerőt aberendezés két mérőállása közül az egyikben közvetlenül erőmérő, a másikban közvetve,nyomatékmérő cellával lehet mérni.

Az elvégzett szórásvizsgálat (II. vizsgálat) és a kalibrálás alapján a berendezést alkalmasnak tartomaz egyes tribológiai paraméterek közötti kapcsolatok, a súrlódási, kopási folyamatok elemzésére, azanyagkapcsolatok tribológiai szempontú sorolására.

A rendelkezésemre álló pénzügyi és időkorlátokat figyelembe véve a méréseknél egy szóróanyagotés öt műszaki műanyag típust vizsgáltam. Az alkalmazott szóróanyagot hét típus közül, relatívkopásállóságukat figyelembe véve választottam (I. vizsgálat).

A kísérleti programnak megfelelően minden vizsgálatot két ellendarabbal (szórtacél, tömör, edzettacél) végeztem. Ez módot adott az eddig nem vizsgált porózus, szórt acél/műagyag és a viszonylagjól ismert tömör acél/műanyag – azonos modellel vizsgált – tribológiai jellemzőinek össze-hasonlítására.

A tribológiai jellemzők meghatározásához az alábbi mérési sorozatokat végeztem el:

• Műanyagok/szórt acél súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül és vízkenéssel.• Műanyagok /tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül és vízkenéssel.• Műanyagok/szórt acél súrlódásának, kopásának vizsgálata kenés nélkül, növelt súrlódási

úthosszal.• Műanyagok/tömör acél súrlódásának és kopásának vizsgálata kenés nélkül növelt úthosszal.• Egyszeri olajkenés hatásának vizsgálata.• Különböző kenőképességű folyékony kenőanyagok hatásának vizsgálata szórt acél/POM-C

anyagkapcsolat súrlódására, kopására.

Értékeltem a vizsgálataim eredményeit és megfogalmaztam téziseimet, melyeket különtézisfüzetben foglaltam össze. Végezetül javaslatokat tettem az elért eredmények gyakorlatihasznosítására, további vizsgálatokra, amelyek a megválaszolatlan kérdések tisztázásához –véleményem szerint – szükségesek.

104

105

IRODALOMJEGYZÉK

1. Rickerby D.S.,Matthews A. (1990): Advenced surface coatings: a handbook of surfaceengineering. Glasgow and London:Blackie. 365 p.

2. Norbert,M.(1990):Betriebsverhalten von Radialgleitlagern bei hohen Umfangschwindigkeitund hohen termischen Belastungen-Teoretische Untersuchungen. [Düsseldorf: VDI Verlag.](Fortschritte Berichte, Reie 1.) 275 p.

3. Szűcs S., Pálinkás I. (2002): The comparison of fricton and wearing characteristics of solidand sprayed porous steel/plastic.Hungarian Agricultural Engineering , (15) 71-73 p.

4. Szűcs S., Pálinkás I. (2002): Comparing the tribological properties of proof andflamesprayed steel/plastic material friction pair at the contact surface between ring – shapedand planar surfaces. Scientific Bulletin of The „POLITEHNICA” University of Timisoara.Temesvár (61) 79-84 p.

5. McNicol A., Dowson D., Davies M. (1993): The effect of humidity and electrical fieldsupon the wear of high density polyethylene and polytetrafluoroethylene.Wear, 181 – 183 (2)603 – 612 p.

6. Carlos H. et al.(1999): The effect of load and relative humidity on friction coefficientbetween high density polyethylene on galvanized steel – preliminary results. Wear, (225-229) 339 – 342 p.

7. Rymuza Z. (1996): Energy concept of the coefficient of friction. Wear, (199) 187 – 196 p.8. ERTA Plastics Engineering (1994): ERTA-Vespel Polyimid-Halbzeuge (PI) Belgien9. Nádasi, E.(1971): A fémszórás korszerű módszerei. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 365

p.10. Uvardi T. (1989): Felrakó-hegesztőanyagok kiválasztásának szempontjai.

Gyártástechnológia, XXIX (8) 365-368p.11. Ingham H. S.,Shepard A.P. (1969): Flame spray Handbook Vol.1. Westbury:.METCO INC.12. Palásti K.B., Czifra Á.(2002): Forgácsolt felületek mikrogeometriája és mikrotopográfiája.

Gyártóeszközök, szerszámok, szerszámgépek, (2) 67 – 71 p.13. Bely,V.A. et. al.(1982): Friction and wear in polymer- based materials. Oxford:Pergamon

Press. 460 p.14. .Hutchings I.M.(1992): Tribology: Friction and wear of engineering materials. London:

Edward Arnold. 266 p.15. Makinson K.R. et al.(1964): The friction and transfer of polytetrafluoroethylene. London:

Roy. Soc. (281) 1871 – 1875 p.16. Mens J.W.M., de Gee A.W.J. (1991): Friction and wear behoviour of 18 polymers in contakt

with steel in enviroment of air end watwr. Wear,(149) 255 – 268 p.17. Tanaka K.(1977): Friction and wear of glass and carbon fibre filled thermoplastic polymers.

J. Lubrication Technologie, (99) 408 – 414 p.18. Tanaka K. (1980): Friction and wear of semicrystallinene polymers sliding against steel

under water lubrication.Trans. ASME, J.Lub. Techn., (102) 526 – 533 p.19. Vishwanath B. et al. (1993): Friction and wear of fabric reinforced polymer composites.

Wear, 167 (2) 93 – 99 p.20. Gui M., Kang B.S.,Lee J.M.(2000):Influence of porosity on dry wear behaviour in spray

deposited Al-6Cu-Mn/SiCp composite. Materials science and engineering , 293 (1) 146 –156 p.

21. Szűcs S. (1993).: Karbantartási technológiák vizsgálata és fejlesztése a GATEMezőgazdasági Főiskolai Karon. Gépgyártástechnológia, XXXIII (1-2) 74-76) p.

22. Szűcs S., Pálinkás I. (1999): Kenésnélküli siklócsapágyazások élettartamának tervezése.MTA-AMB K+F Tanácskozás. Gödöllő, Kiadvány 1 267-270 p.

106

23. Landsdown A.R., Price A.L.(1983): Materials to resist wear. A guide to their selection ansuse. Oxford:Pergamon Press.127 p.

24. Bayern, R.(1994): Mechanical wear prediction and prevention. New York: M.Dekker INC.643 p.

25. Marosfalvi J. et al.(1983): Metamid-poliamid 6 sokoldalú szerkezeti anyag. Tervezésisegédlet. Metalloglóbus. Budapest, Műszaki Könyvkiadó.

26. Ingham H. et al.(1964): Metco flame spray handbook. Volume I. Wirw process. New York:Metco INC.220 p.

27. de Gee A.W. J. et. al.(1985): Mixed lubrication and lubricated wear. Proc.Butterworths:(Proc.Hth. Leeds-Lyon Symposium on Tribology) 105-116.p.

28. Antal M.(1989):Műanyagok gépészeti alkalmazása I.-II.GTE, Budapest: GTE. 713 p29. Kozma, M.(1978): Műanyag felületek súrlódása GÉP, 30 (10) 378-381. p.30. Antal, Gy.-et. al.(1997): Műszaki műanyagok gépészeti alapjai. Minerva-Sop Bt. Sopron:

Minerva-Sop Bt 120. p.31. Hirvomen J.P. et.al.(1966): Present progress in the development of low friction coatings.

Surface and Coiatings technologie.(80)139-150.p.32. Wolf, D. S.(1987): Prüfung von thermicsh gespritzten Korrosionschutzschichten aus

metallen und Oxiden. Schweißtechnik, 37 (3) 121-122.p.33. Lancaster J.K. (1990): A review of the influence of enviroumental humidity and water on

friction, lubrication and wear.Tribology International. 23 (6) 371-389 p.34. Dubrujeand B. et. al.(1994): The role of porosity in the dry sliding wear of a sintered ferrous

alloy. Wear,(174) 155-161. p.35. Fusaro R.L. (1985): Self lubricating polymer composites and polymer transfern film

lubrication for space application. Tribol. Int., (18) 21 – 27 p.36. Sviridyonok A. I. (1991): Self-lubrication mechanism in polymer composits. Tibology

International, 24 (1) 37 – 43 p.37. Bell T.(1991): Sequens of steps in designing a tribological component involving surface

engineering. Metals and Materials, (7) 478-485.p.38. Marcus K., Allen C. (1994): Sliding wear of ultrahigh molecular weight polyethylene in an

aqueous environment. Wear,178 (1-2) 17 – 28 p.39. Mohanty M. et al.(1996): Sliding wear behovior of thermally sprayed 75/25 Cr3C2/NiCr

wear resistant coatings. Wear, (198) 251 –266 p.40. Tanaka K. (1995): Some interesting problems that remain unsolved in may work on polymer

tribology. Tribology International, 28 (1) 19 – 22 p.41. Kapoor A., Williams J.A., Johnson K.L. (1994): The steady state sliding of rough surfaces.

Wear, 175 ( ) 81 – 92 p.42. Szűcs S., Pálinkás I. (1998): Súrlódó felületek kopásállóságának növelése bevonatokkal.

Gyártástechnológia, XXXVIII (5) 45-48 p.43. Szűcs S. (1999): Súrlódó felületek tribológiai jellemzőinek optimalizálása. GATE MFK II.

Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Napok, Mezőtúr, 1999. okt 7-8. 4. köt. 84-89 p.44. Szűcs S. (2001): Szórt fémrétegek kopási jellemzőinek vizsgálata. TSF Tudományos

közlemények. No.1 (2) 261 – 271 p.45. Berthold E.A., Sieslo U. (1981): Technische und wirtschaftliche Möglichkeiten des

Flammspritzens. Technische Mitteilungen. 74 (8,9) 464-470 p.46. Pawlowski L.,Fauchais P. (1992):Thermal transport properties of thermally sprayed

coatings. Int. Mat. rev., 37 (6) 271 – 289 p.47. Kreisel K.et al.(1987): Termisches Spritzen im Chemiapparate- und Maschinenbauanlagen

Werkstoffe Anwendungen. Chem. Ind. Techn. Weinheim, . 59 (2) 112-122 p.48. Gao S. (1997): Tribochemical effects of some polymers/stainless steel. Wear, (212) 238 –

243 p.49. Kozma M. (1994): Tribológia. Budapest: Műegyetemi Kiadó. 172 p.

107

50. Szántó, J.(1991, (199) : Tribológia. Budapest: Tankönyvkiadó. 270 p.51. Zsidai L. et al. (2002): Tribological behaviour of engineering plastics during sliding friction

investigated with small scale specimen. Wear, (253) 673-688 p.52. Valasek, I. (Szerk).(2000): Tribológiai kézikönyv. Budapest: Tribotechnik Kft. 562 p.53. Valasek I. (Szerk.) (2002): Tribológia 1. Budapest: Tribetechnik Kft. 102 p.54. Werner W.(1986): Tribophysik. Reibung und Verschleiß von Metallen. Leipzig: VEB

Vachbuchverlag. 200 p.55. Habig K. H.(1980): Verschleiß und Härte von Werkstoffen., München, Wien: Carl Hanser

Verlag. 265 p.56. Jolmer G., Heuser C. (1990): Verschleisschutz durch thermisches Spritzen

wolframkarbidhaltiger Metallschichten. Metalloberfleche, 44 (9) 451-454 p.57. Cadenas M.,et al. (1997): Wear behoviour of laser cladded and plasma sprayed WC-Co

coatings. Wear, (212) 244-253 p.58. Clarke C.G., Allen C. (1991): The water lubricated, sliding wear behaviour of polymeric

materials against steel. Tribology International, 24 (2) 109 – 118 p.59. Woydt M. et. al.(1998): Wear engineering oxides/anti-wear oxides. Wear, 218 84-95.p.60. Woydt M.(1977): Werkstoffkoncepte für Trockenlauf. Tribologie+ Schmiertechnik, 44 (1)

84-95.p.

108

109

TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE

1. táblázat: Nagyhőmérsékletű kenés nélküli súrlódó rendszerek gyakorlati alkalmazása

2. táblázat: Felületbevonó technológiák jellemzőinek összehasonlítása

3. táblázat: Iparilag használatos korszerű bevonattípusok és jellemző tulajdonságaik

4. táblázat: A vizsgálati program

5. táblázat: A vizsgált szórt rétegek makrokeménység értékei

6. táblázat: A vizsgált műanyagok fontosabb szilárdságtani jellemzői

7. táblázat: Szórt acélok kopása edzett acélgyűrűn csúszva

110

111

ÁBRÁK JEGYZÉKE

1. ábra A rendszer általános modellje2. ábra Az elemi tribológiai rendszer felépítése (DIN 50320)3. ábra A tribológiai rendszer elemei közötti kölcsönhatások4. ábra Dinamikus tribológiai rendszer5. ábra Légköri viszonyok között, tribológiai igénybevételnek kitett ötvözetlen acél

határfelületének felépítése6. ábra Egyenetlenségmagassággal kapcsolatos érdességi jellemzők7. ábra A hordozóhossz és a viszonylagos hordozóhossz értelmezése8. ábra Abott-féle felületi olajtároló térfogat9. ábra A geometriai és a tényleges érintkezési felület10. ábra ..................................................A terhelés átvitel modelljei henger/sík érintkezésekor11. ábra A max. csúsztató feszültség alakulása különböző súrlódási tényezőknél, a felszíntől

távolodva, amikor henger csúszik sík felületen (y=0)12. ábra ...................................................................................A „stick-slip” csúszás folyamata13. ábra ..............................A súrlódási tényezők változása a csúszási sebesség függvényében14. ábra .............................................................................................. Alakváltozás gördülésnél15. ábra ................................. Tipikus folyásgörbék (fent) és tipikus viszkozitási görbék (lent)16. ábra ...............................................................A kopás jellegének és nagyságának változása17. ábra .......................A kopási tényező változása a terhelés függvényében 0,5 % C-tartalmú18. ábra .....................................................................Az abráziós formák sematikus ábrázolása19. ábra ..................................... A tömör anyagok kopásállósága keménységük függvényében20. ábra .................................................................... A felületek fáradásos kopásának modellje21. ábra ...............A súrlódási tényező változása a hőmérséklet függvényében 18 műanyagnál22. ábra A kopási tényező értéke az ellendarab felületi érdességének a függvényében,

különböző műanyagoknál. ∆-a kopási tényező érdességfüggését mutatja Kragelskyelmélete szerint

23. ábra ..... Az anyagátvitel iránya súrlódásnál, különböző kohéziós energiájú anyagpároknál24. ábra ..............Az ellendarab felületén kialakuló műanyag réteg hatása az abráziós kopásra25. ábra .... A súrlódási tényező változásának jellegzetes formája a súrlódási út függvényében26. ábra ................................... A fáradásos és abráziós kopás arányának változása a műanyag27. ábra A kenőanyag viszkozitásának hatása a POM/PDM műanyagpár súrlódási tényezőjére28. ábra ............................. 20% PTFE tartalom hatása néhány műanyag súrlódási tényezőjére29. ábra .................................................20% PTFE tartalom hatása néhány műanyag kopására30. ábra Az enyhe és erős kopási állapotok közötti átmenethez tartozó kritikus felületi

nyomás és teljesítménysűrűség értékek azonos anyagú súrlódópároknál, kenés nélkül31. ábra ...............................................................................Fontosabb felületkezelési eljárások32. ábra Különböző termikus szórási eljárásokkal tribológiai igénybevételnek kitett felületekre

felvihető anyagok33. ábra Három rétegű, szórt hővédő gát felépítése Kötő réteg (világos terület), közbenső

cermet réteg (ZrO2/Y2O3 és kötőréteg keveréke), 0,4 mm vastag fedőréteg(ZrO2/Y2O3)

34. ábra ............... Ötvözetlen (Sprasteel 80) és ötvözött szórt acél (Metcoloy 1, Mectcoloy 2)35. ábra A kopási tényező és változása a terhelés függvényében szórt és utólag képlékenyen

alakított (húzott) csap és edzett acéltárcsa (730 HV) súrlódásánál36. ábra ........................................................................................... Szórt réteg érdességprofilja

112

37. ábra .................................................................................................. Szórt réteg 3D-s ábrája38. ábra .............................. A szinterezett fémötvözet mikroszerkezete 21,1%-os porozitásnál39. ábra ...........................................Az acél/acél súrlódópár kopási térképe száraz súrlódásnál40. ábra ........................Az olajfürdőbe merülő, nem illeszkedő alakú acél/acél próbatestekkel41. ábra ..A kenőanyag szorpciója és kémiai reakció útján képződő rétegek fémes felületeken42. ábra ........... A különböző adalékok hatékonysága a hőmérséklet és nyomás függvényében43. ábra ........................Kenőanyag-komponensek hatékonysága a hőmérséklet függvényében44. ábra ............ A ZnDDP-ből felépülő kenőfilm modellje kedvező adalékkombináció esetén45. ábra ......................A csúszó súrlódás vizsgálatánál alkalmazott próbatest-alak párosítások46. ábra ....................................................................................A térdízület porcai elölnézetben47. ábra .....................................................................A szórt hasáb próbatestek gyártási fázisai48. ábra .................................................................................A próbatestek kialakítása, méretei49. ábra A köszörült, szórt és tömör felület érdesség profiljai, hordozóhossz eloszlás görbéi és

érdességi mérőszámai50. ábra ............................................................................................A koptatógép hajtásvázlata51. ábra ............................................................................................Az alkalmazott koptatógép52. ábra ........................................................................................ A kopásvizsgálat elvi vázlata53. ábra A hasáb befogása54. ábra .................................................................................. A kopási nyom méretének adatai55. ábra ...........................................A szórt acélok kopása C60 (61 ± 1,5 HRC) ellendarabbal56. ábra A műanyagok kopása, súrlódási tényezője szórt krómacél felületen csúszva, kenés

nélkül (S=1200 m, v=0,39 m/sec, FN=44, N Ragy = 0,5 µm)57. ábra ....... A műanyagok kopása és súrlódási tényezője szórt acélfelületen csúszva, vízben.58. ábra Műanyagok kopása, súrlódási tényezője tömör, edzett acélfelületen csúszva, kenés

nélkül59. ábra Műanyagok kopási és súrlódási tényezője tömör, edzett acélon súrlódva, vízkenéssel.60. ábra .Az érdességprofilok változása a különböző párosításoknál és súrlódási úthosszaknál61. ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopása és a súrlódási tényező értékei a csúszási

út függvényében, szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy=0,29 µm)62. ábra Teflonnal töltött polietilénterephtalat (PETP (t)) kopása és a súrlódási tényező

értékei a csúszási út függvényében, szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül(Ra,gy=0,29 µm)

63. ábra Üvegszállal erősített, komplex szilárd kenőanyaggal töltött, polifenilénszulfid (PPS(t)) kopása és súrlódási tényezőjének értékei a csúszási út függvényében, szórtacélfelületen súrlódva, szárazon (Ra,gy=0,29 µm)

64. ábra Üvegszállal erősített poliamid (PAGF30) kopása és súrlódási tényező értékei acsúszási út függvényében,szórt acélfelületen súrlódva, kenés nélkül (Ra,gy=,29 µm)

65. ábra Polioximetilén kopolimer (POM-C) kopás és súrlódási tényezőjének változása acsúszási út függvényében, tömör és szórt acélfelületen, kenés nélkül (Ra,gy = 0,29µm)

66. ábra Teflon szilárd kenőanyagot tartalmazó polietilénterephtalat(PETP(t) kopásának éssúrlódási tényezőjének változása a csúszási út függvényében, tömör és szórt acélfelületen,kenés nélkül (Ra,gy=0,29 µm)

67. ábra Üvegszállal erősített és komplex szilárd kenőanyagot tartalmazó polifenilénszulfid(PPS(t)) kopásának és súrlódási tényezőjének változása a csúszási út függvényében,tömör és szórt acélfelületen, kenés nélkül (Ra,gy=0,29 µm; v=0,39 m/sec ; FN=100N)

113

68. ábra Üvegszállal erősített poliamid (PAGF30(t)) kopásának és súrlódási tényezőjénekváltozása a csúszási út függvényében, tömör és szórt acélfelületen, kenés nélkül(Ra,gy=0,29 µm)

69. ábra Tömör acél/hasáb (C40) súrlódási tényezőjének és hőmérsékletének változása acsúszási út függvényében, szórtacél felületű gyűrűn súrlódva kenés nélkül ésegyszeri kenéssel

70. ábra Tömör acél/hasáb (C40) súrlódási tényezőjének és hőmérsékletének változása acsúszási út függvényében, tömör acél gyűrűn (C60) súrlódva kenés nélkül ésegyszeri kenéssel

71. ábra POM-C hasáb kopásának, és súrlódási tényezőjének változása a súrlódási útfüggvényében, olajban tartott, majd száraz pamutruhával letörölt, szórt felületű gyűrűnsúrlódva

72. ábra Különböző folyékony köztes anyagok hatása a POM-C hasáb kopására és súrlódásitényezőjére szórtacél felületen súrlódva (Ra,gy=0,29 µm )

114

MELLÉKLETEK JEGYZÉKE

1. melléklet Felrakó hegesztőanyagok csoportosítása (IIW)

2. melléklet Szabványosított és részben szabványosított modellvizsgálatok

3. melléklet A terhelőrendszer és a súrlódóerő mérés kalibrálása,rendszeres hibájának meghatározása

4. melléklet Kommunális csapvíz kémiai vizsgálati adatai

5. melléklet Gyógyászati fehérolaj vizsgálati

6. melléklet Gyógyászati fehérolaj+FM adalék vizsgálati adatai

7. melléklet adataiGyógyászati fehérolaj+AW/EP adalék vizsgálati adatai

8. melléklet Gyógyászati fehérolaj+AW/EP+FM adalékok vizsgálati adatai

9. melléklet Mérési eredmények (II. vizsgálat)

10. melléklet Mérési adatlap

11. melléklet Mérési eljárás vizsgálati jegyzőkönyve

12. melléklet A b(mm); θ (rad); v(mm3) értékei 38 mm átmérőjű gyűrűnél

13. melléklet Mérési eredmények (I. vizsgálat)

14. melléklet Mérési eredmények (III. vizsgálat)

15. melléklet Mérési eredmények (IV. vizsgálat)

16. melléklet Mérési eredmények (V. vizsgálat)

17. melléklet Mérési eredmények (VI. vizsgálat)

18. melléklet Mérési eredmények (VII. vizsgálat)

19. melléklet Mérési eredmények (VIII. vizsgálat)

20. melléklet Mérési eredmények (IX. vizsgálat)

21. melléklet Mérési eredmények (X. vizsgálat)

22. melléklet A vizsgálatoknál alkalmazott mérőeszközök fontosabb jellemzői

115

116

MELLÉKLETEK