Tarcie i zużycie polimerów

*Wstęp teoretyczny.

Tarcie to proces przeciwdziałający ruchowi względnemu ciał trących po sobie. Wywołuje on stratę energii, zużywanie powierzchni części współpracujących ruchowo oraz wzrost temperatury w miejscu zetknięcia podczas pracy, a także drgania i efekty akustyczne. Podział tarcia:

Tarcie płynne jest najkorzystniejszym rodzajem tarcia, ponieważ rozdziela współpracujące powierzchnie. Tarcie mieszane wymaga minimalnej ilości smaru, mimo to zapewnia nieprzebijalną powłokę zabezpieczając przed tarciem suchym. Współczynnik tarcia określa procent energii traconej.

Tarcie posuwiste, zwane ślizgowym charakteryzuje współczynnik tarcia wyra-żany stosunkiem oporu tarcia T do obciążenia P (prawo Coulomba).

Tarcie posuwiste powstające przy wzajemnym przesuwaniu się dwu ciał bezpośrednio po sobie, czyli tarcie suche wynika z ciągłego

ścinania złącz nieustannie powstających na nierównościach tych ciał. Tak więc tarcie posuwiste jest to opór na ścinanie złącz i może być przedstawione wzorem:

T= FR

F-powierzchnia styku

R-wytrzymałość na ścinanie

Wynika z tego, że przy grubościennym łożysku tworzywowym, bez względu na jego twardość, występuje zawsze duże tarcie. W łożysku miękkim wytrzymałość na ścinanie R jest mała, ale za to powierzchnia styku F duża. Przy twardym łożysku powierzchnia F jest mała, ale wytrzymałość R duża. Małe tarcie występuje jedynie przy cienkościennym łożysku tworzywowym o małej twardości, spoczywającym na twardym podłożu.

*Wpływ chropowatości powierzchni na współczynnik tarcia

Wartość współczynnika tarcia zależy w dużym stopniu od szorstkości powie-rzchni poślizgu. Zaznacza się ona szczególnie podczas współpracy tworzywa ze stalą. Nadmierna szorstkość lub chropowatość nie jest korzystna. Dla każdego tworzywa istnieje więc optymalna chropowatość podłoża.

*Wpływ temperatury

Wraz ze wzrostem temperatury współczynnik tarcia posuwistego początkowo wzrasta, a następnie maleje. Maksymalna wartość tarcia przy dużych prędkościach poślizgu występuje w temperaturze wyższej do T_g , a przy małych prędkościach poś-lizgu w temperaturze niższej od T_g. Tłumaczy się to zachodzącym przy wzroście temperatury poniżej T_g bardzo wyraźnym zwiększeniem się powierzchni styku F przy małym spadku wytrzymałości na ścięcie R , a przy wzroście temperatury powyżej T_g bardzo dużym spadkiem wytrzymałości R przy małym zwiększaniu powierzchni F. Na ogół zmiany temperatury w zakresie zbliżonych do pokojowych wywołują tylko nieznaczne zmiany współczynnika tarcia.

*Wpływ prędkości poślizgu

Wpływ na siłę tarcia ma także prędkość poślizgu. Wraz ze wzrostem prędkości poślizgu współczynnik tarcia początkowo rośnie, a następnie maleje. Jest to spowodowane zwiększeniem sprężystości trących się tworzyw wraz ze wzrostem prędkości ślizgania. Wskutek tego do pewnej granicznej prędkości ślizgania wytrzymałość R wzrasta, a następnie maleje.

Współczynniki tarcia ślizgowego:

Stal-żeliwo	*=0,16
Stal-stal	*=0,1
Stal-miedź	*=0,15
Miedź-grafit	*=0,08
Stal-poliamid	*=0,08-0,2
Stal-tekstolit	*=0,12-0,35

Tarcie toczenia się ciała w postaci kuli lub walca na podłożu, jest następstwem odkształcania się ciała i podłoża, zachodzącego pod wpływem obciążenia. Współ-czynnik tarcia tocznego f, określany jest stosunkiem siły tarcia T do obciążenia P, a zależy od odkształcalności (twardości) toczącego się ciała i podłoża. Obecność środków smarujących nie wpływa na wartość współczynnika tarcia tocznego, co świadczy o braku poślizgu przy toczeniu się kul lub walców.

Zużycie ścierne to efekt niszczenia części maszyn w wyniku działania czynni-ków takich jak tarcie, zmęczenie, korozja, erozja. Rodzaje zużycia:

• utlenienie

• cieplne

• ścierne

• adhezyjne

Tarciu towarzyszy zwykle zjawisko wydzielania ciepła. Tarcie metali w porów-naniu z tarciem polimerów ma lepsze odprowadzenie ciepła i tym samym większą odporność na zużycie cieplne.

Zjawisko przenoszenia materiału (polimeru) zachodzi w przypadku tarcia, w którym została przekroczona miejscowa temperatura płynięcia tworzywa. Polega ono na transporcie stopionego tworzywa na powierzchnię chłodnego metalu i zastygnięciu tam.

Ścierność materiałów zależy od szorstkości powierzchni, po której ślizga się tworzywo oraz od nacisku jednostkowego. Ścierność wzrasta wraz ze wzrostem szorstkości i nacisku. Ścieralność wzrasta natomiast ze spadkiem prędkości poślizgu. Wyjątkowo duża ścierność występuje przy małej prędkości poślizgu, gdy zachodzi „piszczenie” łożyska.

*Przebieg ćwiczenia.

Ćwiczenie przeprowadzono dla próbki polimerowej P 66 C6, dla parametrów wejściowych:

temperaturze T=160 [*C]

sile nacisku F=45 [N]

prędkości V=0,5 [m/s]

Urządzenie, na którym wykonywane było doświadczenie podłączone było do komputera, który na bieżąco obrazował zmianę parametrów doświadczenia oraz umożliwiał ich zapis. Na tej podstawie wykonaliśmy wykresy zależności:

• współczynnika tarcia od drogi tarcia.

• współczynnika tarcia od temperatury.

• wspólczynnika intensywności zużycia od temperatury.

• zużycia liniowego próbki od drogi tarcia.

*Wnioski

Z wykresu zależności współczynnika tarcia od drogi wynika, że współczynnik tarcia na drodze do 180 m gwałtownie rośnie, a następnie stabilizuje się i w stanie ustalonym utrzymuje się średnio na poziomie wartości *=0,6406 .

Zużycie liniowe próbki przy stałej temperaturze 100*C rośnie do 270m, następnie gwałtownie spada, od 390m do stabilizacji przy 640m gwałtownie rośnie. Po aproksymacji wykresu otrzymujemy prostą o równaniu y = 0,019x + 62,147.

Zależności zostały przedstawione graficznie korzystając z programu EXEL.

Negatywne

Tarcie

Pozytywne

Technicznie

Fizycznie

Suche

Rodzaj styku

Ruchowe

Spoczynkowe

Rodzaj ruchu

Toczne

Ślizgowe

Cechy ruchu

Mieszane

Półpłynne

Wiertne

Faza ciekła

Faza stała

Płynne

Graniczne

---