PźL�T CHN�Kę WRźCA
ęW Kę
PźL�T CHN�Kę WRźCA
ęW Kę
W DZ�ęA
M CHęN�CZN
W DZ�ęA
M CHęN�CZN
T RZ � SZT CZN
ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 5
Opracowali: Dymitry Capanidis, Wojciech Wieleba
Temat: Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
1. Wprowadzenie
Produkcja coraz to nowszych konstrukcyjnych tworzyw sztucznych o wybranych własno-
ściach i właściwościach użytkowych polepszonych w określonych kierunkach, powoduje wzrost
wykorzystania tych materiałów na odpowiedzialne elementy maszyn i urządzeń, m.in. w węzłach
ślizgowych (panewki łożysk ślizgowych, koła zębate, krzywki, prowadnice, uszczelnienia itp.).
Tworzywa sztuczne znajdują zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie jest utrudnione lub
wręcz niemożliwe smarowanie sposobami konwencjonalnymi. W takich węzłach ślizgowych z
niedostatecznym smarowaniem, bądz
też bez smarowania, występuje tarcie mieszane lub suche,
a o jakości współpracy elementów decydują wówczas głównie właściwości ślizgowe (tribolo-
giczne) tworzywa.
Węzły ślizgowe stanowiące ruchowe ogniwa większości maszyn i urządzeń mają zasadniczy
wpływ na trwałość i niezawodność eksploatacyjną całej maszyny. W przypadku nieprawidłowe-
go ich funkcjonowania, mogą być one dodatkowo z
ródłem znacznych strat energii wskutek za-
chodzącego w nich tarcia. Szczególnie ważne jest to właśnie w warunkach tarcia mieszanego i
suchego, w których następuje przyśpieszony proces zużycia elementów ślizgowych, wzrost war-
tości współczynnika tarcia i wzrost temperatury w strefie tarcia. Prowadzi to do zmiany geome-
trii współpracujących elementów oraz powstawania nadmiernych luzów, a tym samym powoduje
zakłócenie prawidłowego funkcjonowania węzłów ślizgowych. Poprawne działanie takich wę-
złów ślizgowych zależy więc przede wszystkim od odpowiedniego doboru współpracujących
materiałów oraz od poprawnej ich konstrukcji. Współczesna wiedza tribologiczna dotycząca obu
wymienionych zagadnień jest jeszcze niepełna. Nie podaje ona konstruktorom wystarczających
wytycznych zarówno do optymalizacji konstrukcji węzłów ślizgowych, jak też brakuje pełnych
informacji w zakresie optymalnego doboru tworzyw sztucznych i ich właściwego wykorzystania
jako materiałów ślizgowych.
Dobór materiału ślizgowego powinien opierać się na ocenie jego własności i właściwości
użytkowych na tle wymagań, jakie stawiane są w danym węz
le ślizgowym. Ocenę cech użytko-
wych dokonuje się na podstawie bezwzględnych wartości parametrów opisujących poszczegól-
nych własności (np. własności fizyczne, mechaniczne, chemiczne) oraz na podstawie względ-
nych parametrów - wskaz
ników określanych w badaniach ruchowych, np. w przypadku właści-
wości tribologicznych są to: wartość współczynnika tarcia, intensywność zużycia, temperatura
tarcia. Wartościowanie przydatności materiałów ślizgowych opiera się głównie na:
" wynikach badań własności podstawowych materiałów,
" wynikach badań tribologicznych.
Wersja 1.0 (2003-12-08)
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -2-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
Pierwsza grupa badań leży przede wszystkim w sferze działań takich nauk jak: fizyka, che-
mia ciała stałego, materiałoznawstwo i wytrzymałość materiałów. Natomiast druga grupa badań
leży w sferze zainteresowań tribologii. Odpowiednio do tego podziału należy poszukiwać z
ródeł
informacji o poszczególnych własnościach i właściwościach użytkowych materiałów ślizgowych.
Do najistotniejszych własności i właściwości użytkowych tych materiałów wpływających na ja-
kość działania zespołów ślizgowych należy zaliczyć:
" wytrzymałość na ściskanie i ścinanie zarówno statyczna jak i zmęczeniowa,
" moduł sprężystości,
" rozszerzalność cieplna,
" przewodność i pojemność cieplna,
" chłonność wody,
" odporność na zużycie ślizgowe i nie zużywanie przeciwelementu,
" wartość współczynnika tarcia z przeciwelementem,
" odporność na zatarcie,
" odporność na stosowane oleje, smary, materiały pędne, rozpuszczalniki i inne media.
Badania tribologiczne, stanowiące podstawę wnioskowania o związkach pomiędzy własno-
ściami materiałów i ich właściwościami ślizgowymi w danych warunkach ruchowych, można
ogólnie podzielić na podstawowe i modelowe. Badania podstawowe, prowadzone zwykle przy
użyciu prostego modelu tribologicznego na próbkach materiałowych, dają przede wszystkim
podstawy do oceny przebiegu zjawisk tarcia i zużycia w określonych warunkach ruchowych. Na-
tomiast w badaniach modelowych, prowadzonych na modelu fizycznym danego zespołu ślizgo-
wego, odwzorowuje się w odpowiednim stopniu cechy geometryczne, kinematyczne i dynamicz-
ne zespołu.
Ćwiczenie obejmować będzie pomiary laboratoryjne z zakresu badań podstawowych, wyko-
nywane dla skojarzenia ślizgowego polimer-stal lub kompozyt polimerowy-stal współpracujące-
go w układzie  sworzeń-tarcza (tzw.  pin-on-disc ), opisanym dokładniej w dalszej części in-
strukcji. W badaniach tych można zmieniać warunki tarcia (nacisk powierzchniowy, prędkość
ślizgania, temperaturę tarcia, twardość i chropowatość powierzchni ślizgowej stalowego prze-
ciwelementu), co umożliwia ocenę cech użytkowych materiału w różnych warunkach tarcia.
Możliwe jest również badanie wpływu innych czynników na właściwości ślizgowe niezależne od
zewnętrznych warunków tarcia. Są to najczęściej czynniki związane z budową tworzywa. W
przypadku polimerów krystalicznych może to być wpływ budowy nadcząsteczkowej, stopień
krystaliczności, zorientowanie struktury warstwy wierzchniej itp. Natomiast w przypadku poli-
merów modyfikowanych (np. napełnianych różnymi napełniaczami), kopolimerów czy kompozy-
tów na osnowie polimerów, najczęściej bada się wpływ poszczególnych komponentów, a więc
ich rodzaj, postać strukturalną w jakiej występują i wpływ procentowego udziału poszczególnych
składników na właściwości tribologiczne badanego skojarzenia ślizgowego.
Badania podstawowe są fenomenologiczną podstawą tworzenia hipotez tribologicznych.
Wyniki tych badań mogą być przydatne do oceny materiałów przeznaczonych na określone wę-
zły, lecz pod warunkiem weryfikacji w badaniach modelowych. W przypadku badań różnych ma-
teriałów w podobnych warunków tarcia, mogą one służyć za podstawę ogólnej klasyfikacji two-
rzyw ślizgowych.
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -3-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
2. Wpływ budowy polimeru na właściwości ślizgowe
Na właściwości ślizgowe polimerów w znacznym stopniu rzutuje budowa ich makrocząste-
czek (łańcuchów), z których są zbudowane. W polimerach o budowie liniowej, nie mających
podstawników lub większej liczby rozgałęzień (PTFE, PE-HD polietylen wysokiej gęstości,
POM, PA i inne), wartości współczynnika tarcia są mniejsze niż w przypadku polimerów z pod-
stawnikami lub większą liczba rozgałęzień (PE-LD polietylen niskiej gęstości, PMMA, PVC, PC
i inne) [7]. W grupie polimerów o budowie liniowej wartość współczynnika tarcia istotnie zależy
od gęstości międzycząsteczkowej energii kohezji, natomiast w drugiej grupie polimerów czynni-
kiem decydującym o wartości współczynnika tarcia jest rozmiar podstawników i liczba rozgałę-
zień. Wynika z tego, że małą wartością współczynnika tarcia charakteryzują się przede wszyst-
kim polimery o liniowej budowie łańcucha i o niedużej wartości oddziaływań III-rzędu między
makrocząsteczkami polimeru.
Polimery o budowie liniowej w zależności od stopnia uporządkowania makrocząsteczek
różnią się strukturą. Wyróżnia się struktury bezpostaciowe (nieuporządkowane) i krystaliczne
(uporządkowane), a właściwie semikrystaliczne, tzn. takie w których obszary krystaliczne roz-
mieszczone są w ośrodku bezpostaciowym. Stosunek objętości fazy krystalicznej do całkowitej
objętości polimeru określany jest stopniem krystaliczności, przy czym praktycznie nie występują
polimery o 100% krystaliczności.
Własności polimerów w zdecydowanym stopniu zależą od ich stanu fazowego. Polimery
krystaliczne odznaczają się w porównaniu z polimerami o strukturze bezpostaciowej większą
twardością, większą wytrzymałością mechaniczną, mniejszą udarnością, są bardziej kruche i
miękną w wyższej temperaturze. Dla materiałów ślizgowych ważne jest, aby charakteryzowały się
odpowiednią sprężystością, udarnością itp., a więc odpowiednim stosunkiem objętości fazy krysta-
licznej do fazy bezpostaciowej. Poszczególne polimery wykazują różne wartości tego stosunku, przy
którym występują najkorzystniejsze właściwości ślizgowe, można zatem mówić o optymalnym stop-
niu krystaliczności dla każdego z polimerów w określonych warunkach procesu tarcia.
Większość polimerów krystalicznych w zależności od warunków krystalizacji może tworzyć
dużą różnorodność nadcząsteczkowych struktur morfologicznych, wiążących się z kinetyką pro-
cesu krystalizacji, a tym samym związanych z technologią przetwórstwa polimerów. Zmiana cha-
rakteru budowy struktury nadcząsteczkowej wywołuje zmianę właściwości ślizgowych polimeru.
Bardziej równomiernej strukturze odpowiada mniejsza wartość współczynnika tarcia. W najczę-
ściej spotykanych strukturach - sferolitycznych, niższe wartości współczynnika tarcia i większą
odporność na zużycie zapewnia struktura drobnosferolityczna, niż struktura o większych rozmia-
rach sferolitów. Także orientacja struktury nadcząsteczkowej, mogąca zachodzić również pod-
czas procesu tarcia (w warstwie wierzchniej polimeru biorącej udział w tarciu), powoduje znaczną
anizotropię zarówno własności mechanicznych, jak i własności ślizgowych polimeru. W rezulta-
cie orientacji struktury następuje zwiększenie wytrzymałości mechanicznej w kierunku zorien-
towania. Próby powiązania właściwości tribologicznych polimerów (i innych materiałów) z wy-
trzymałością warstwy wierzchniej wykazały, że im wyższa jest ta wytrzymałość, tym większa jest
wartość współczynnika tarcia i tym mniejsze jest zużycie podczas tarcia (intensywność zużycia).
Należy zaznaczyć, że wpływ poszczególnych czynników związanych z nadcząsteczkową
budową polimeru, a więc ze stopniem krystaliczności, strukturą III-rzędową i jej orientacją nie
jest jeszcze w pełni poznany i jest przedmiotem ciągłych badań. Podczas tarcia zachodzi bowiem
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -4-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
kompleksowe oddziaływanie obciążenia, temperatury i innych czynników utrudniających analizę
zachodzących zjawisk. Z tego powodu każdorazowo podając wartości wskaz
ników charakteryzu-
jących właściwości ślizgowe tworzywa sztucznego obok danych o warunkach ruchowych tarcia,
należy podawać szczegółowe informacje dotyczące technologii otrzymania tworzywa oraz spo-
sobu przygotowania próbek i przeciwpróbek (przeciwelementu ślizgowego) do badań tribolo-
gicznych.
3. Tworzywa sztuczne stosowane na elementy ślizgowe
Ze względu na charakterystyczne różnice zasadniczych własności tworzyw wielkocząstecz-
kowych dzieli się je na elastomery (tworzywa o wysokiej sprężystości, np. guma) oraz na plasto-
mery (tworzywa o dużej plastyczności). Najczęściej tworzywa stosowane na elementy ślizgowe
należą do grupy plastomerów i dzieli się je na: termoplastyczne, termoutwardzalne i chemoutwar-
dzalne. Elastomery najczęściej znajdują zastosowanie na elementy uszczelnień technicznych.
Tworzywa termoplastyczne charakteryzują się mięknieniem i przechodzeniem w stan pla-
styczny wraz z podwyższeniem temperatury oraz z reguły są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach
organicznych. Natomiast tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne są nieczułe na zmiany
temperatury, tzn. po utwardzeniu wraz ze wzrostem temperatury nie miękną i nie uplastyczniają
się oraz są nierozpuszczalne.
Tworzywa termoplastyczne ulegają bardzo łatwo krystalizacji (jakkolwiek występują rów-
nież termoplasty niekrystalizujące), co w dużej mierze wpływa na ich własności fizyczne i wła-
ściwości użytkowe. Spójność między łańcuchami utrzymywana jest przez działanie słabych sił
międzycząsteczkowych. Uporządkowanie łańcuchów następuje albo pod wpływem stosunkowo
niewysokich temperatur albo pod wpływem niewielkich sił zewnętrznych.
Tworzywa utwardzalne zawsze występują w stanie bezpostaciowym. Uporządkowanie łań-
cuchów jest niemożliwe, gdyż pomiędzy nimi występują wiązania chemiczne (usieciowanie), a
zerwania tych wiązań potrzebne do uporządkowania przez zastosowanie wysokiej temperatury
bądz
sił zewnętrznych prowadzi do zniszczenia polimeru.
Do grupy tworzyw termoplastycznych najczęściej stosowanych w konstrukcji ślizgowych
elementów maszyn zalicza się między innymi:
" poliamid (PA),
" polioksymetylen (POM) inaczej nazywane też jako: poliacetal lub poliformaldehyd,
" politetrafluoroetylen (PTFE),
" polichlorotrójfluoroetylen (PCTFE),
" polietylen wysokiej gęstości (PE-HD),
" poliestry termoplastyczne:
- poli(tereftalan etylenu) (PET),
- poli(tereftalan butylenu) (PBT)
" polieteroketony (PEEK).
Do grupy tworzyw utwardzalnych (duroplastów) stosowanych również w konstrukcji ele-
mentów ślizgowych należą:
" kompozyty na osnowie tworzyw fenolowych (PF),
" kompozyty na osnowie tworzyw epoksydowych (EP).
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -5-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
4. Modyfikacja tworzyw sztucznych
Dążenie do podwyższania niezawodności i trwałości węzłów ślizgowych prowadzi do po-
szukiwania coraz lepszych materiałów ślizgowych, w tym również materiałów polimerowych.
Opracowywanie nowych tworzyw sztucznych jest jednak niezwykle kosztowne i czasochłonne,
dlatego najczęściej do tworzenia nowych materiałów ślizgowych stosuje się modyfikację już ist-
niejących tworzyw. Sam proces modyfikacji może być prowadzony w różnych fazach przetwór-
stwa, tzn. podczas produkcji tworzywa bazowego, na etapie półfabrykatu lub po wykonaniu go-
towego wyrobu. Niekiedy proces ten może zachodzić samoistnie np. podczas docierania w mate-
riałach ślizgowych tworzy się warstwa wierzchnia o polepszonych właściwościach tribologicz-
nych. Do najczęściej spotykanych sposobów modyfikacji należą:
" modyfikacja chemiczna,
" obróbka cieplna,
" modyfikacja samej warstwy wierzchniej elementu z tworzywa za pomocą np. inplantacji jo-
nowej, różnego rodzaju napromieniowaniem, wykorzystując środki chemicznie aktywne, a
także poprzez odkształcenia mechaniczne (np. obróbka plastyczna),
" modyfikacja przez napełnianie polimeru bazowego napełniaczami (modyfikatorami).
Stosunkowo szeroko rozpowszechniona jest ostatnia z wymienionych metod modyfikacji
tworzyw sztucznych, polegająca na napełnianiu polimerów różnymi napełniaczami. Tworzy się
w ten sposób kompozyty polimerowe. Stosowane napełniacze powinny zmniejszać wartość
współczynnika tarcia, a przede wszystkim powinny zmniejszać intensywność zużycia modyfiko-
wanego polimeru w warunkach tarcia bez smarowania lub ograniczonego smarowania (np. mon-
tażowego) z przeciwelementem (najczęściej stalowym). Bardzo ważne jest przy tym również to,
by zużycie współpartnera ślizgowego było możliwie najmniejsze, a praca skojarzenia ślizgowego
była stabilna w szerokim zakresie zmienności warunków zewnętrznych procesu tarcia.
4.1. Rodzaje stosowanych napełniaczy
Do fizycznej modyfikacji polimerów stosowane są różnego typu napełniacze, które można
klasyfikować na podstawie wielorakich kryteriów. Jednym ze sposobów klasyfikacji może być
ich podział np. ze względu na rodzaj materiału. Innym sposobem klasyfikacji może być ich po-
dział ze względu na kształt cząstek napełniacza [7].
Ze względu na pierwsze z wymienionych kryteriów klasyfikacji rozróżnia się podział na dwa
zasadnicze rodzaje napełniaczy: metaliczne oraz niemetaliczne. Spośród najczęściej stosowanych
napełniaczy metalicznych - zwykle o postaci proszkowej - można wymienić: niektóre metale (np.
cyna, miedz
, ołów), stopy łożyskowe (np. brązy, mosiądze), tlenki niektórych metali (jak: Al2O3,
MgO, Cu2O, TiO2). Z napełniaczy niemetalicznych najczęściej stosowane są: inne polimery (np.
PTFE, PE, różne żywice), napełniacze mineralne (np. kreda, mika) oraz inne substancje, jak:
MoS2, sadza, grafit, włókno węglowe, włókno szklane itp. Inną klasyfikacją napełniaczy, także
ze względu na rodzaj materiału, jest ich podział oparty na kryterium składu chemicznego związ-
ku, według którego dzieli się je na: organiczne i nieorganiczne.
Według kryterium kształtu, napełniacze zasadniczo dzieli się na: dyspersyjne - nazywane
również proszkowymi (o postaci granulek, blaszek lub drobnych włókienek) i włókniste (włókna
długie i włókna krótkie - cięte).
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -6-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
Napełniacze wprowadza się do polimerów w różnych celach. Mogą one poprawiać wybrane
własności fizyczne, ułatwiać przetwórstwo polimeru bądz
mogą obniżać cenę, albo też spełniać
jednocześnie (kompromisowo) wybrane lub wszystkie te cele. Dobór liczby napełniaczy, ich ro-
dzaju i postaci oraz ich ilościowego udziału zależy od tego, jakie mają być docelowe właściwości
kompozytu.
Możliwości znacznego polepszenia właściwości tribologicznych polimerów poprzez ich fi-
zyczną modyfikację zilustrowano na przykładzie polioksymetylenu (POM) [3] współpracującego
ślizgowo ze stalą w warunkach tarcia technicznie suchego. Badania tribologiczne prowadzono
przy ustalonych wartościach parametrów ruchowych (p = 1,24 MPa, v = 1 m/s). W tych warun-
kach tarcia POM niemodyfikowany wykazywał intensywność zużycia liniowego Izl = 26 �m/km
oraz wartość współczynnika tarcia �=0,30�0,35 natomiast kompozyty utworzone na jego osno-
�
�
�
wie wykazały znacznie lepsze właściwości tribologiczne:
" POM+20% obj. proszku PTFE+15% obj. proszku brązu (Izl =1�1,6 �m/km, �=0,18�0,20),
�
�
�
" POM+20% obj. proszku PTFE+6% obj. wypełniacza szklanego (Izl =1�1,5 �m/km,
�=0,18),
�
�
�
" POM+18% obj. proszku PTFE+6% obj. proszku brązu+6% obj. wypełniacza szklanego
(Izl < 1 �m/km , �=0,18).
�
�
�
5. Podstawowe teorie tarcia i zużywania
Tarcie zewnętrzne jest procesem rozpraszania energii na styku przemieszczających się
względem siebie ciał. Mimo intensywnych od wielu lat badań, nauka o tarciu opiera się na szere-
gu hipotez obejmujących jedynie poszczególne oddziaływania zachodzące pomiędzy współpra-
cującymi ciałami. Wynika to ze złożoności tego zagadnienia, ponieważ w systemie tribologicz-
nym występują równoczesne różnorodne oddziaływania, zarówno mechaniczne jak i fizyczne a
także chemiczne, związane z budową warstwy wierzchniej elementów biorących udział w proce-
sie tarcia. Większość powstałych teorii dotyczących tego zjawiska została opracowana dla meta-
li. Tworzywa sztuczne, a zwłaszcza polimery termoplastyczne, są o wiele bardziej wrażliwe na
warunki otoczenia (np. temperaturę) niż metale. Jednak ogólne postulaty teorii tarcia można
również przyjąć dla materiałów polimerowych. w tym wypadku analiza zjawisk jest trudniejsza i
wymaga pewnych uproszczeń. Poniżej wymieniono najważniejsze teorie tarcia ciał stałych.
Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zakłada, że styk ciał nie zachodzi
na nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówności znajdujące się na powierzchni ule-
gają deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której poja-
wiają się tzw. "mostki zwarcia". Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów adhezyjnych.
Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zakłada, że w
wypadku powierzchni gładkich tarcie zachodzi w obszarze sił międzycząsteczkowych tj. sił po-
między powłokami elektronowymi atomów stykających się ciał. Oznacza to, że siły przylegania
lub przyciągania międzycząsteczkowego powinny być uwzględniane w teoriach tarcia.
Adhezyjno-odkształceniowa (mechaniczna) teoria tarcia (Kragielski 1949, 1957, 1965).
Teoria ta próbuje połączyć oddziaływanie mechaniczne trących ciał oraz oddziaływanie przycią-
gania molekularnego. Uwzględnia się w niej zarówno zaczepianie nierówności powierzchni trą-
cych ciał jak i siły adhezyjne spowodowane oddziaływaniem sił molekularnych. Bierze się rów-
nież pod uwagę rzeczywistą powierzchnię styku.
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -7-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927, Kostecki 1970). Według tej teorii istnieje bi-
lans energetyczny procesów tarcia zewnętrznego. Zjawiska cieplne, akustyczne i elektryczne a
także procesy zużywania powodują straty energetyczne. Pracę sił tarcia można określić zatem
sumą składowych energetycznych. Według Kosteckiego praca tarcia zewnętrznego składa się z
energii przetworzonej na ciepło oraz energii rozproszonej.
W praktyce podczas procesu tarcia oprócz sczepiania się nierówności powierzchni, występu-
je zawsze odkształcenie warstwy wierzchniej. W wypadku miękkich tworzyw, jakimi jest więk-
szość polimerów, większą rolę odgrywa oddziaływanie molekularne niż czysto mechaniczne za-
czepianie mikronierówności powierzchni i ślizganie wzajemne po sobie i dlatego do mikrosko-
powego opisu procesu tarcia najczęściej wykorzystuje się teorię adhezyjno-odkształceniową.
Z procesem tarcia związany jest ściśle proces zużywania materiału. Proces ten powodowany
jest ścieraniem, pękaniem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją powierzchni współpra-
cujących elementów i reakcjami tribochemicznymi zachodzącymi na powierzchni tarcia. W wy-
padku współpracy tworzyw sztucznych z metalami najczęściej spotykanymi rodzajami zużywa-
nia są:
" Zużywanie adhezyjne. Związane jest z adhezją powierzchni trących. Powoduje ona lokal-
ne sczepienia tych powierzchni i co się z tym wiąże odkształcenie materiału, pękanie wią-
zań kohezyjnych i przenoszenie polimeru na powierzchnię przeciwelementu. W dalszej fa-
zie ruchu następuje odrywanie się przeniesionego materiału od przeciwelementu i usunięcie
go ze strefy tarcia w postaci produktów zużycia. Proces ten odbywa się cyklicznie i powo-
duje zużywanie przede wszystkim materiału polimerowego. Istotny wpływ na wartość ad-
hezji ma energia powierzchniowa materiału polimerowego, a także chropowatość przeciwe-
lementu metalowego.
" Zużywanie ścierne. Występuje przy współpracy materiału polimerowego z powierzchnią
metalową, zwłaszcza, gdy ma ona dużą chropowatość. Wówczas wystające nierówności
twardszego materiału spełniają rolę mikroostrzy. Ubytek materiału spowodowany jest mi-
kroskrawaniem, rysowaniem lub bruzdowaniem. Proces ten zachodzi również, gdy w ob-
szarze tarcia współpracujących elementów znajdują się luz
ne lub utwierdzone cząstki ścier-
niwa. Zużywanie ścierne w wypadku par ślizgowych polimer-metal może dotyczyć zarówno
polimeru jak i metalu. Ten drugi przypadek zachodzi, gdy polimer jest wypełniony twardy-
mi cząstkami np. włóknem szklanym, proszkiem kwarcu itp. Wówczas twarde cząstki wy-
pełniacza mogą skrawać powierzchnię metalu powodując jej zużywanie. Zużywanie ścierne
charakteryzuje się dużą intensywnością i często powoduje silne rozgrzewanie materiału po-
limerowego. Dlatego towarzyszą mu - poza mechanicznymi - również cieplne i chemiczne
procesy zużywania.
" Zużywanie zmęczeniowe. Przyczyną tego typu zużywania jest cykliczne, zmienne od-
kształcanie warstwy wierzchniej. Z tego powodu na powierzchni pojawiają się mikropęk-
nięcia, których dalszy rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału. Zużywanie to
rośnie szybko gdy odkształcenia materiału polimerowego mają charakter plastyczny. W
wypadku polimerów zużywanie zmęczeniowe powoduje pękanie łańcuchów makrocząste-
czek. Przyczynia się to do zmniejszenia masy cząsteczkowej polimeru w warstwie wierzch-
niej i zmniejszenie stopnia krystaliczności polimeru. W kompozytach zawierających np.
włókno szklane lub węglowe występuje zużywanie związane z rozwojem dyslokacji zwią-
zanych z nieciągłością materiału wokół włókien. Wskutek tego następują mikropęknięcia
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -8-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
pod powierzchnią a cząstki materiału polimerowego są usuwane z powierzchni w wyniku
oddziaływań mechanicznych lub zjawiska adhezji.
" Zużywanie erozyjne. Zużywanie to powstaje w wyniku uderzania drobnych cząstek o po-
wierzchnię materiału. Powoduje to ubytek materiału zwany erozją. Proces ten jest mało zna-
ny i zakłada się, że dla materiałów polimerowych może być traktowany jako zużywanie
zmęczeniowe.
" Zużywanie chemiczne. Zużywanie to występuje wskutek reakcji chemicznych zachodzą-
cych pomiędzy współpracującymi materiałami. Może być również związane z reakcjami
pomiędzy materiałem a środowiskiem (np. utlenianie), w którym zachodzi proces tarcia.
Procesy degradacji mają duży wpływ na intensywność przenoszenia materiału. Zużywanie
chemiczne towarzyszy zwykle innym rodzajom zużywania.
" Zużywanie cieplne. Zużywanie to zachodzi w wyniku wydzielania się dużej ilości ciepła,
które powoduje zmiękczenie materiału w warstwach wierzchnich. Następnie zachodzi na-
mazywanie a nawet sklejanie trących powierzchni powodując zatarcie. Dlatego zwykle zu-
żywanie to nazywane jest zużywaniem awaryjnym.
6. Czynniki wpływające na przebieg procesu tarcia i zużywania polimerów
6.1. Wpływ stanu powierzchni metalowego współpartnera ślizgowego na tarcie tworzyw
sztucznych
Do głównych czynników związanych ze stanem powierzchni metalowego współpartnera śli-
zgowego tworzyw sztucznych, które mają wpływ na rodzaj zachodzącego tarcia i mechanizmy
zużycia, należy zaliczyć chropowatość i twardość powierzchni ślizgowej. Oczywiście i inne
czynniki związane ze stanem powierzchni metalowego elementu także wpływają na proces tarcia
tworzyw sztucznych, jak na przykład skład chemiczny warstwy wierzchniej, czy kierunek struk-
tury powierzchni (śladów obróbczych) po obróbce wykańczającej. Niemniej jednak, ze względu
na technologię wykonywania takich elementów, mają one dość ograniczony zakres dowolności i
najczęściej konstruktor nie ma na te czynniki wpływu. Przykładem tego może być czop wału,
który po szlifowaniu ma zwykle obwodowe ślady obróbki.
6.1.1 Chropowatość metalowej powierzchni ślizgowej
Chropowatość metalowej powierzchni ślizgowej ma zasadnicze znaczenie jeśli chodzi o ro-
dzaj występującego tarcia przy współpracy z polimerem. W przypadku bardzo gładkich po-
wierzchni, dominującą rolę w procesie tarcia odgrywa adhezja powierzchni tworzywa do po-
wierzchni metalowego przeciwelementu. Rezultatem tego jest stosunkowo duża wartość współ-
czynnika tarcia, przeciętnie 1,5 do 2 razy większa, niż przy tarciu po powierzchniach bardziej
chropowatych. Występowanie silnej adhezji także niekorzystnie wpływa na intensywność zuży-
cia. Zjawisko adhezji podczas tarcia tworzyw sztucznych po gładkich metalowych powierzch-
niach przejawia się jeszcze bardziej ze wzrostem nacisku, powodującego wzrost rzeczywistej
powierzchni styku i zbliżenie cząstek współpracujących powierzchni na odległość zasięgu od-
działywań II rzędu. W miarę wzrostu chropowatości wartość współczynnika tarcia zmniejsza się
osiągając minimum (zmniejsza się adhezja), a następnie znowu wzrasta (rys. 1).
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -9-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
PE-LD
PE-HD
PE-LD
PE-HD
a) b)
Rys. 1. Zmiana wartości współczynnika tarcia � (rys. a) oraz współczynnika zużycia Ksl [mm3/Nm] (rys.
�
�
�
b) w zależności od chropowatości elementu Ra stalowego dla różnych polimerów
Przyczyną tego wzrostu jest przejście przy dużych chropowatościach powierzchni do innego
rodzaju tarcia, w którym dominującą rolę odgrywają zjawiska dekohezyjne związane z rysowa-
niem, bruzdowaniem i mikroskrawaniem powierzchni ślizgowej polimeru (rys.2). Powoduje to
wzrost oporów tarcia i gwałtowny wzrost zużycia tworzywa, w którym zasadniczy udział ma zu-
życie ścierne.
Rys. 2. Wpływ chropowatości Ra stalowego elementu wartości współczynnika tarcia �
�
�
�
Można zatem określić optymalną wartość chropowatości metalowego przeciwelementu, przy
której opory tarcia będą małe a jednocześnie odporność na zużycie współpracującej pary ślizgo-
wej jest jak największa. Należy zauważyć, że różne tworzywa sztuczne wymagają innych opty-
malnych wartości chropowatości powierzchni stalowego przeciwelementu (tabela 1).
Tabela 1
Optymalne chropowatości powierzchni przeciwelementu
stalowego dla wybranych polimerów
Optymalna chropowatość
Tworzywo sztuczne
Ra [�m]
PA6, PA6.6, PI 1,5 3,0
PA/grafit, PA/MoS2 , PA6.6/PE 1,0 2,0
PA11, PA12 0,5 1,0
POM 0,7 0,9
PTFE 0,2
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -10-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
6.1.2 Twardość metalowego elementu
Twardość metalowego elementu podobnie jak chropowatość ma istotny, chociaż mniej in-
tensywny, wpływ na rodzaj zachodzących na powierzchni ślizgowej oddziaływań. Ze wzrostem
twardości powierzchni metalu, będącej miarą stanu umocnienia warstwy wierzchniej, następuje
wzrost energii powierzchniowej. Z tribologicznego punktu widzenia, występowanie na po-
wierzchni metalowej energii swobodnej powoduje wzbudzenie atomów warstwy powierzchnio-
wej, a tym samym zwiększenie ich aktywności chemicznej. Wywiera to określony wpływ na
wzajemne oddziaływanie powierzchni będących w styku (polimer-metal), inicjując dyfuzję,
sorpcję i adhezję. Wzrost temperatury wywołany tarciem, którego nie da się uniknąć, dodatkowo
zwiększa udział zjawisk adhezyjnych. Związane jest to z kolei ze wzrostem energii powierzchni,
w odróżnieniu jednak od energii powierzchniowej (napięcia powierzchniowego), która maleje ze
wzrostem temperatury. Wzrost energii powierzchni powoduje wzrost amplitudy drgań atomów
na powierzchni metalu w kierunku prostopadłym do powierzchni, co sprzyja powstawaniu więzi
z atomami obcymi na powierzchni tworzywa (adhezja, sorpcja).
Wobec podanych zależności wpływu stanu powierzchni metalowego elementu, najkorzyst-
niejsze właściwości tribologiczne skojarzenia polimer-metal (w danych warunkach ruchowych
tarcia) powinny występować przy pewnych optymalnych wartościach obu wymienionych czynni-
ków, co zostało potwierdzone w wielu pracach badawczych. W wypadku twardości powierzchni
stalowego przeciwelementu nie można podać jej optymalnej wartości. W łagodnych warunkach
tarcia (małe naciski) lepsze właściwości tribologiczne uzyskuje się przy małych wartościach
twardości (30-40 HRC). Jednak w zakresie dużych wartości nacisku, przy małej twardości stalo-
wego przeciwelementu, następuje zwiększone zużycie powierzchni stalowej ze względu na
mniejszą wytrzymałość zmęczeniową stalowych mikronierówności, ścinanych na skutek wielo-
krotnych oddziaływań z powierzchnią polimeru. W takich przypadkach zaleca się by twardość
powierzchni stalowego przeciwelementu była większa od 50 HRC. Jest to uzasadnione także
tym, że w skojarzeniach ślizgowych polimer-metal elementem wymiennym na skutek zużycia
jest element polimerowy, co wynika głównie z racji ekonomicznych.
6.1.3 Tworzenie polimerowej warstewki na powierzchni stalowego przeciwelementu
Zjawisko powstawania filmu polimerowego (warstewki przeniesionego podczas tarcia mate-
riału) polega na tworzeniu się na powierzchniach polimeru i metalu warstwy ślizgowej zbudo-
wanej z materiału polimerowego. Warstewka ta powoduje między innymi to, że tarcie zachodzi
pomiędzy powierzchniami polimerowymi, a nie bezpośrednio pomiędzy polimerem a metalem.
Zdjęcie mikroskopowe przeniesionej warstewki PTFE na powierzchnię stalowego przeciwele-
mentu przedstawiono na rys. 3.
Wyjaśnieniem oraz rolą tego zjawiska w procesie tarcia i zużywania zajmuje się szereg ba-
daczy. Niektórzy z nich (Tabor, Briscoe, Lee) uważali, że przenoszona warstewka PTFE
wykazuje bardzo słabą adhezję do podłoża, w związku z czym jest ona łatwa do usunięcia
podczas powtórnego ślizgania się po niej elementu z tworzywa. Jednocześnie warstewka ta po
usunięciu jest ciągle odnawiana. Badacze ci sugerowali, że siły adhezyjne mają naturę sił
coulombowskich i oddziaływań Van der Waalsa. Czynnikiem mającym istotne znaczenie w
procesie zużywania pary polimer-metal jest energia powierzchniowa polimeru. Im większa jest
wartość tej energii tym mocniej warstwa polimeru przylega do przeciwelementu metalowego.
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -11-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
Mocno przylegająca warstewka chroni powierzchnię metalu przed niszczącym działaniem
twardych cząstek ściernych, które mogą znajdować się w obszarze tarcia. Materiały charaktery-
zujące się dużą wartością energii powierzchniowej tworzą film o większej spójności cząstek lub
warstw, z których został on zbudowany podczas procesu tarcia. Takie warstwy są bardziej od-
porne na zużycie. Jednocześnie jednak silne oddziaływania adhezyjne powodują, że polimerowe
cząstki są łatwiej wyciągane bądz
wyrywane powierzchni ślizgowej materiału polimerowego.
Warstewka
przeniesionego
PTFE
Ścieżka tarcia
a) b)
Rys. 3. Zdjęcia mikroskopowe powierzchni elementu stalowego z widoczną warstewką przeniesionego
PTFE po ślizgowej współpracy z kompozytem PTFE+15% grafitu w warunkach tarcia suchego
6.2. Wpływ parametrów ruchowych na tarcie pary ślizgowej polimer-metal
Spośród wielu parametrów ruchowych mających wpływ na właściwości tribologiczne skoja-
rzeń ślizgowych polimer-metal, do najbardziej istotnych - najczęściej uwzględnianych oraz ma-
jących praktyczne wykorzystanie w projektowaniu i eksploatacji węzłów ślizgowych - należą:
temperatura tarcia, nacisk powierzchniowy i prędkość ślizgania. Wpływ tych czynników na za-
chowanie się tworzywa w procesie tarcia został już wcześniej częściowo opisany w odniesieniu
do występujących mechanizmów zużycia, dlatego w tym rozdziale ograniczono się do podania
zależności zmian wartości współczynnika tarcia od wymienionych parametrów ruchowych.
6.2.1 Wpływ temperatury
Właściwości tribologiczne, podobnie jak inne właściwości materiałów polimerowych, ulega-
ją zmianie wraz z temperaturą. Ogólny przebieg wartości współczynnika tarcia w funkcji tempe-
ratury przedstawiono na rysunku 4. Widoczne są trzy obszary odpowiadające stanom fizycznym
w jakich może znajdować się rozpatrywany materiał polimerowy podczas tarcia. Obszar I odpo-
wiada stanowi wysokoelastycznemu, obszar II - wymuszonej elastyczności natomiast obszar III
odpowiada stanowi szklistemu. Wraz ze zmianą stanu fizycznego polimeru zmienia się mecha-
nizm jego tarcia W obszarze stanu szklistego (III) duże znaczenie mają straty mechaniczne pod-
czas objętościowego przeformowania warstw wierzchnich polimeru. Udział składowej mecha-
nicznej w pobliżu temperatury zeszklenia Tg jest porównywalny udziałem sił adhezyjnych. W
pobliżu tej temperatury występuje minimum wartości współczynnika tarcia. Wraz z dalszym
wzrostem temperatury coraz większą rolę odgrywają oddziaływania adhezyjne polimeru do
współpracującej powierzchni (składowa adhezyjna siły tarcia). Wartość współczynnika tarcia ro-
śnie, aż do osiągnięcia maksimum w pobliżu temperatury mięknienia Tm.
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -12-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
Rys. 4. Ogólna zależność współczynnika tarcia od temperatury dla polimerowych materiałów termopla-
stycznych (Tg - temperatura zeszklenia, Tm - temperatura mięknienia, obszar I - stan wysokoela-
stycznemu, obszar II - stan wymuszonej elastyczności, obszar III - stan szklisty)
Najbardziej wrażliwymi na zmianę temperatury materiałami polimerowymi pod względem
właściwości tribologicznych są termoplasty. Zmiana właściwości tribologicznych wybranych po-
limerów termoplastycznych w funkcji temperatury została przedstawiona na rysunku 5. Jak wy-
nika z przedstawionych zależności wartość współczynnika tarcia � dla większości polimerów (z
�
�
�
wyjątkiem PTFE) maleje natomiast intensywność zużywania Iz ulega zwiększeniu wraz ze wzro-
stem temperatury.
a) b)
Rys. 5. Wpływ temperatury na wartość współczynnika tarcia � (rys. a) oraz intensywność zużywania Iz
�
�
�
(rys. b) dla wybranych polimerów współpracujących ze stalą
6.2.2 Wpływ prędkości ślizgania
Wpływ prędkości ślizgania w badaniach tribologicznych jest trudny do rozróżnienia od
wpływu temperatury tarcia wobec małej przewodności cieplnej polimerów i związanej z tym
nieuniknionym nagrzewaniem się powierzchni ślizgowej podczas tarcia. Szczególnie wyraz
nie
przejawia się to przy większych prędkościach ślizgania. Nawet jeśli uniknie się nagrzewania po-
wierzchni ślizgowej, to wpływ prędkości ślizgania na wartość współczynnika tarcia i na inten-
sywność zużycia jest istotny, jakkolwiek w ramach znanych teorii tarcia nie można przytoczyć
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -13-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
ogólnych praw charakteryzujących ten wpływ. Zależność prędkości ślizgania na proces tarcia łą-
czy się z dynamiką oddziaływań zachodzących na powierzchni ślizgowej i z czasem styku trą-
cych się materiałów, w którym cząsteczki obu powierzchni mogą z sobą oddziaływać. Świadczy
o tym przebieg wartości współczynnika tarcia niektórych polimerów, gdzie ze wzrostem prędko-
ści ślizgania tarcie maleje (rys. 6). Zależności zużycia niektórych polimerów w funkcji prędkości
ślizgania przedstawiono na rys. 7, gdzie można znalez
ć podobieństwo do przebiegu zużycia w
funkcji temperatury, co wynika z nagrzewania się powierzchni ślizgowej przy dużych
prędkościach ślizgania.
�
�
�
�
�
�
�
�
Rys. 7. Współczynnik zużycia Kw (patrz wzór 9.3)
Rys. 6. Wartość współczynnika tarcia niektórych
niektórych polimerów w zależności od
polimerów w zależności od prędkości
prędkości ślizgania v
ślizgania v
6.2.3 Wpływ nacisku powierzchniowego
Wpływ nacisku powierzchniowego na właściwości ślizgowe można ustalić tylko w krót-
kim przedziale czasu, gdyż takie czynniki, jak nagrzewanie się i zmiana profilu powierzchni śli-
zgowych w czasie tarcia zmieniają właściwe wyniki. Praktycznie nie daje się wykluczyć tych
czynników i wówczas podaje się zależność wartości współczynnika tarcia od nacisku dla ustalo-
nego stanu. W ogólnym przypadku charakter przebiegu wartości współczynnika tarcia od obcią-
żenia dla tworzyw sztucznych współpra-
cujących z elementem metalowym ma
wygląd jak na rys. 8.
Podczas tarcia tworzyw sztucznych
styk jest częściowo sprężysty i częściowo
plastyczny z przewagą pierwszego przy
małych obciążeniach, a drugiego przy
większych wartościach obciążenia (naci-
sku). W przedziale A wartość współczyn-
nika tarcia zmniejsza się w miarę wzrostu
obciążenia wskutek wzrostu rzeczywistej
Rys. 8. Ogólny przebieg zmian wartości współczynnika
powierzchni styku przy sprężystym kon-
tarcia � w zależności od obciążenia FN
�
�
�
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -14-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
takcie. Po osiągnięciu minimum (przedział B) wartość współczynnika tarcia zwiększa się (prze-
dział C), co spowodowane jest wzrostem udziału styku plastycznego z jednoczesnym wzrostem
sił mikroskrawania. Przy dalszym wzroście obciążenia (przedział D) następuje nieznaczny
wzrost wartości współczynnika tarcia, a następnie jego zmniejszenie w wyniku podwyższenia się
temperatury w strefie styku i mniejszej wytrzymałości na ścinanie materiału polimerowego.
7. Cel ćwiczenia i zakres badań
Celem ćwiczenia jest określenie wpływu rodzaju badanych materiałów polimerowych (kom-
pozytów polimerowych i ewentualnie ich składu) na ich właściwości tribologiczne podczas
współpracy ze stalą w ustalonych warunkach tarcia (p - nacisk powierzchniowy, v - prędkość śli-
zgania lub T0 - temperatura otoczenia. Ponadto w ramach ćwiczenia przeprowadzone zostaną ob-
serwacje mikroskopowe powierzchni ślizgowej badanych materiałów. Na podstawie uzyskanych
wyników badań tribologicznych i mikroskopowych przeprowadzona zostanie identyfikacja wy-
stępujących procesów zużycia.
8. Badania tribologiczne kompozytów polimerowych
8.1. Opis stanowiska badawczego
Badania tribologiczne prowadzone są na tribometrze T-01 M produkcji MCNEMT w Rado-
miu (stanowisko badawcze typu  sworzeń tarcza ). Schemat pary ślizgowej przedstawiono na
rysunku 8.1, natomiast widok stanowiska na rysunku 8.2. Stanowisko jest napędzane silnikiem
elektrycznym prądu przemiennego. Jego prędkość obrotową reguluje się przy pomocy falownika.
Napęd z silnika jest przekazywany przez układ przekładni na wrzeciono (4), do którego mocuje
metalową tarczę (3) spełniającą rolę przeciwelementu w badanym skojarzeniu ślizgowym
(rys.8.2 b). Drugim elementem tego skojarzenia jest próbka (1) wykonana z materiału polimero-
wego. Próbka ma kształt sworznia o średnicy 8 mm i wysokości ok. 8 mm. Współpracuje ona
podczas badań z płaską powierzchnią przeciwelementu (3) na promieniu r [m] (rys.8.1). Jeżeli
prędkość obrotowa tarczy wynosi n [obr/min] to prędkość ślizgania v [m/s] próbki względem
tarczy określa zależność:
v = � �" r = Ą �" r �" n / 30 [m/s] (8.1)
�
�
�
Próbka jest osadzona w metalowej
oprawce (2), która zabezpiecza ją przed
odkształceniem podczas mocowania w
specjalnym zacisku znajdującym się na
końcu ramienia (7). Układ łożysk (11)
umożliwia obrót ramienia zarówno w
płaszczyz
nie poziomej jak i pionowej.
Ciężar próbki z oprawką oraz ciężar
własny ramienia są równoważone przy
pomocy specjalnych nakrętek stanowią-
Rys. 8.1. Schemat pary ślizgowej typu sworzeń  tarcza
cych przeciwwagę (8). Obciążenie
(1  próbka polimerowa, 3  przeciwelement
próbki siłą nacisku FN dokonuje się
stalowy)
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -15-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
przy pomocy zestawu obciążników (9) mocowanych w uchwycie na ramieniu (7) bezpośrednio
nad próbką. Wartość siły FN określa się na podstawie wymaganego nacisku jednostkowego oraz
powierzchni styku próbki z przeciwelementem. Reguluje się ją poprzez zmianę ilości odważni-
ków stanowiących obciążenie.
Siła tarcia Ft, która powstaje podczas współpracy pary ślizgowej, oddziałuje poprzez próbkę
na ramię (7). Powoduje to pojawienie się momentu, który próbuje obrócić ramię wokół jego osi
pionowej. Obrotowi przeciwdziała czujnik siły (10), zamocowany do obudowy stanowiska, który
został umieszczony wzdłuż kierunku działania siły tarcia. W ten sposób wartość siły naporu ra-
mienia (7) na czujnik jest równa wartości siły tarcia. Czujnik siły połączony jest z układem po-
miarowym, w którego skład wchodzą: rejestrator sygnału MC 201 i komputer IBM PC.
a)
b)
Rys. 8.2. Stanowisko do badań tribologicznych  tribotester T-01M (a - widok ogólny, b - widok
szczegółowy) 1  próbka polimerowa, 2  oprawka, 3  przeciwelement stalowy, 4  wrzeciono,
5  śruba mocująca, 6  nakrętka zacisku, 7  ramię, 8  przeciwwaga, 9  obciążniki, 10  czuj-
nik siły, 11  łożyska umożliwiające obrót ramienia
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -16-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
8.1.1 Wyznaczanie wartości współczynnika tarcia
Podczas badań tribologicznych prowadzonych na omawianym stanowisku badawczym siła
tarcia Ft jest rejestrowana w ustalonych odstępach czasu (np. co 2 sekundy) w postaci sygnału
napięciowego. Wyniki zapisywane są przy wykorzystaniu komputera połączonego z rejestrato-
rem sygnałów MC-201. Na ich podstawie oraz przeprowadzonego wcześniej cechowania stano-
wiska, polegającego na określeniu zależności pomiędzy obserwowanym przyrostem napięcia a
ustalonym przyrostem siły obciążającej czujnik siły, można obliczyć chwilowe wartości siły tar-
cia Ft (t) z następującej zależności:
Ft = CF � "U . (8.2)
"
"
"
gdzie: "U [mV]  przyrost napięcia U w stosunku do napięcia offsetowego U0
"
"
"
"U = U - U0 ,
"
"
"
CF [N/mV]  współczynnik proporcjonalności wynikający z cechowania czujnika siły.
Wartość współczynnika tarcia �
� (t) w funkcji czasu określa wzór:
�
�
Ft (t)
�(t)= . (8.3)
�
�
�
FN
8.1.2 Pomiar zużycia
Spośród wielu metod najczęściej stosowanymi miarami zużywania tribologicznego materia-
łów polimerowych są:
" zużycie wagowe  określa się je ważąc próbkę polimerową przed i po procesie tarcia. Uby-
tek masy traktuje się jako miarę zużycia materiału.
" zużycie objętościowe  określa się jako różnicę objętości próbki przed i po procesie tarcia
przy pomocy specjalnych przyrządów np. piktometru. Zużycie objętościowe można wyzna-
czyć na podstawie zużycia wagowego uwzględniając gęstość badanego materiału. Można je
również określić na podstawie zmiany wymiarów próbki w wyniku procesu tarcia.
" zużycie liniowe  określa się jako różnicę wymiarów próbki przed i po procesie tarcia, mie-
rzonych zwykle w kierunku działania siły nacisku FN (prostopadle do kierunku tarcia).
Należy zauważyć, że w literaturze [1], [2], [6] spotykane są także inne współczynniki okre-
ślające odporność na zużywanie materiałów, które np. określają ubytek materiału (wagowy lub
objętościowy) podczas procesu tarcia w stosunku do pracy siły tarcia czyli energii rozpraszanej w
wyniku tarcia współpracujących materiałów. Przykładem może być stała zużycia Kw podawana
przez producentów tworzyw sztucznych, która służy do określenia objętości VZ usuniętego w
wyniku tarcia materiału po upływie czasu t według wzoru:
VZ = Kw p v t , (8.4)
lub
VZ = Kw pm vn t , (8.4a)
gdzie: p nacisk jednostkowy, v  prędkość ślizgania, t - czas ślizgania, m, n  współczynniki
wyznaczone doświadczalnie.
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -17-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
Wartość zużycia w przeliczeniu na jednostkę przebytej drogi tarcia jest wielkością nazywaną
intensywnością zużycia. Wielkość ta może być wykorzystana jako miara odporności na zużywa-
nie materiału. Im mniejsza wartość intensywności zużycia tym materiał jest bardziej odporny na
zużywanie w danych warunkach tarcia. Ze względu na łatwość pomiaru oraz jego stosunkowo
dużą dokładność do wyznaczania odporności na zużywanie materiałów polimerowych badanych
w ramach omawianego ćwiczenia przyjęto intensywność zużycia liniowego.
8.1.3 Przygotowanie próbek do badań tribologicznych
Próbka materiału powinna przylegać podczas badań tribologicznych całą powierzchnią do
współpracującego przeciwelementu. Powierzchnia styku nie powinna zmieniać się w trakcie ba-
dań, gdyż spowodowałoby to zmianę warunków tarcia (zmiana nacisku jednostkowego). Przed
właściwymi pomiarami należy odpowiednio przygotować powierzchnię ślizgową próbki prowa-
dząc wstępne i właściwe docieranie bezpośrednio na stanowisku badawczym. W celu przygoto-
wania (dotarcia) powierzchni ślizgowej próbki należy:
a) W miejsce przeciwelementu (3) zamontować tarczę z naklejonym (na powierzchnię płaską)
drobnoziarnistym papierem ściernym.
b) Próbkę (1) wcisnąć do oprawki (2) a następnie zamontować ją w uchwycie znajdującym się
na końcu ramienia (7). Należy zwrócić uwagę na odpowiednie ustawienie znaczników
znajdujących się na oprawce i ramieniu tak, aby próbka po zdemontowaniu ze stanowiska
mogła być powtórnie zamontowana w takim samym położeniu.
c) Obciążyć nieznacznie próbkę (p<0,1MPa), a następnie uruchomić stanowisko. Prędkość
ślizgania próbki nie powinna przekraczać 0,5 m/s.
d) Po upływie 2 do 3 minut sprawdzić wizualnie czy na całej powierzchni styku próbki z prze-
ciwelementem widoczne są ślady współpracy z papierem ściernym. Jeżeli cała powierzchnia
ślizgowa miała kontakt z papierem to docieranie wstępne można zakończyć. W przeciwnym
razie należy ponownie przeprowadzić docieranie na nowym papierze ściernym.
e) Po dotarciu wstępnym próbka powinna być dalej docierana współpracując z właściwym
przeciwelementem. Proces ten odbywa się to przy mniejszym od przewidywanego obcią-
żeniu i z mniejszą prędkością ślizgania. W zależności od odporności na zużycie badanego
materiału docieranie właściwe zachodzi na drodze od 1 do 30 km (dla materiałów bardzo
odpornych na zużycie).
f) Prawidłowo przygotowana do badań powierzchnia polimerowej próbki powinna być gładka
a ślady (zarysowania) pochodzące od papieru ściernego powinny być niewidoczne.
8.2. Przebieg ćwiczenia
Uwaga: Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z poniższą instrukcją
dotyczącą bezpieczeństwa podczas całego toku ćwiczenia.
Falownik zasilany jest napięciem 220 V a silnik 380 V, zatem ingerencja w układy wewnętrzne zarówno fa-
lownika jak i silnika może stanowić zagrożenie dla zdrowia. Podczas pracy stanowiska nie należy dotykać
jakichkolwiek elementów wirujących. Obracająca się tarcza stalowa (przeciwelement), ze względu na moż-
liwość wciągnięcia luz
no zwisającego ubrania czy też włosów, jest również zagrożeniem dla zdrowia
obsługującego stanowisko.
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -18-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
1. Ustalić zestaw materiałów polimerowych (4 5 gatunków), dla których zostaną przeprowadzone
zostaną porównawcze badania tarcia i zużycia. Zapisać dane materiałowe (nazwa handlowa,
oznaczenie , producent itp.) w formularzu sprawozdania.
2. Ustalić program badań zgodnie ze wskazówkami osoby prowadzącej ćwiczenie dotyczącymi
warunków tarcia tj.:
" nacisk jednostkowy p [MPa],
" prędkość ślizgania v [m/s],
" droga tarcia L [km],
" temperatura otoczenia To [oC],
" materiał przeciwelementu oraz jego twardości i chropowatości powierzchni,
3. Na podstawie przyjętych parametrów ruchowych wyznaczyć:
a) siłę nacisku FN [N] obciążającą próbkę ze wzoru
FN = p � A , (8.5)
gdzie: p  nacisk jednostkowy [MPa]
A  powierzchnia styku próbki i przeciwelementu [mm2]
(dla próbki o średnicy d = 8 mm przyjąć A = Ą d 2 /4 H" 50 mm2)
b) prędkość obrotową wrzeciona nwrz [obr/min] wyznaczyć przekształcając wzór 8.1:
30000�" v
nwrz = , (8.6)
Ą �"r
Ą
Ą
Ą
gdzie: v  prędkość ślizgania [m/s]
r  promień ślizgania próbki względem tarczy [mm] (patrz rys. 8.1),
badania przeprowadzić dla r = 30 mm .
c) czas pomiaru tpom [s] ze wzoru:
1000�" L
.
t = (8.7)
pom
v
4. Zmierzyć początkową wysokość Hp polimerowej próbki wraz z oprawką w kierunku działania
siły nacisku FN
a) dla materiałów o małej odporności na zużycie np. PTFE, stosując śrubę mikrometryczną
b) dla materiałów o dużej odporności na zużycie np. POM, PEEK, kompozyty PTFE
stosując pasametr oraz płytki wzorcowe.
5. Polimerową próbkę wraz z oprawką umieścić w zacisku znajdującym się na końcu ramienia (7).
Sprawdzić czy ramię z zamocowaną próbką jest w równowadze statycznej. W razie potrzeby
skorygować równowagę przemieszczając (obracając) przeciwwagę (8).
6. Uruchomić program komputerowy mc201.exe w systemie DOS, rejestrujący napięcie w odpo-
wiednich kanałach pomiarowych rejestratora sygnałów MC-201.
7. Na specjalny uchwyt znajdujący się na ramieniu nad próbką nałożyć odpowiednią ilość obciąż-
ników tak, aby ich ciężar był równy ustalonej wcześniej wartości siły nacisku FN.
8. Uruchomić stanowisko (ustawić przełącznik znajdujący się na obudowie falownika w pozycję
 Start ).
9. Obracając pokrętłem falownika rozpędzić wrzeciono do odpowiedniej prędkości obrotowej nwrz
ustalonej w programie badań i rozpocząć pomiar siły tarcia.
Tworzywa Sztuczne  instrukcja ćwiczeń laboratoryjnych -19-
 Badanie tarcia i zużycia kompozytów polimerowych
10. Po upływie określonego czasu tpom zatrzymać obracające się wrzeciono z przeciwelementem
oraz zakończyć rejestrację sygnału napięciowego odpowiadającego sile tarcia Ft.
11. Korzystając z zarejestrowanego przy pomocy komputera przebiegu napięcia odpowiadającego
zmianom siły tarcia podczas badań określić średnią wartość siły tarcia Ft w końcowym okresie
pomiaru (tj. w ustalonych warunkach wymiany ciepła generowanego podczas tarcia pomiędzy
próbką i otoczeniem).
12. Obliczyć średnią wartość współczynnika tarcia � danego skojarzenia ślizgowego
�
�
�
Ft
� = . (8.8)
�
�
�
FN
13. Po ostudzeniu próbki i oprawki (ok. 10 min) zmierzyć jej wysokość końcową Hk (tak jak w
p.4). Określić wartość zużycia "ZL badanego materiału polimerowego przyjmując, że jest ono
"
"
"
równe różnicy wysokości próbki zmierzonej przed i po procesie tarcia (wymiary oprawki nie
ulegają zmianie)
"ZL = Hp - Hk . (8.9)
"
"
"
14. Obliczyć intensywność zużycia IZL [�m/km] badanego materiału polimerowego wg wzoru
"ZL
"
"
"
IZL = . (8.10)
L
15. Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić w sprawozdaniu
16. Powtórzyć czynności opisane w punktach od 4 do 15 dla kolejnych badanych materiałów.
17. Przeprowadzić obserwacje mikroskopowe powierzchni ślizgowej wskazanego przez osobę
prowadzącą kompozytu polimerowego. Umieścić w sprawozdaniu rysunek przedstawiający wy-
gląd powierzchni ślizgowej.
18. Wnioski, które należy zamieścić w sprawozdaniu powinny zawierać wyjaśnienie otrzymanych
wyników badań oraz opis zachodzących procesów zużywania.
Literatura
[1] Rymuza Z., Trybologia polimerów ślizgowych. Warszawa, WNT, 1986.
[2] Belyj V.A., Sviridenok A.I., Petrokovec M.I., Savkin V.G., Trenie polimerov. Moskva, Izd.
Nauka, 1972.
[3] Capanidis D., Wieleba W., Ziemiański K., Polimerowe łożyska ślizgowe. Praca zbiorowa  Tribo-
logia i tribotechnika . Red. nauk. Marian Szczerek, Marek Wiśniewski. Radom: Instytut Techno-
logii Eksploatacji, 2000, s. 683-699.
[4] Lawrowski Z., Tribologia. Tarcie, zużywanie, smarowanie. Warszawa, PWN, 1993.
[5] A
ączyński B., Niemetalowe elementy maszyn. Warszawa, WNT, 1988.
[6] Wieleba W., Analiza procesów tribologicznych zachodzących podczas współpracy kompozytów
PTFE ze stalą. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2002.
[7] Żuchowska D., Polimery konstrukcyjne. Przetwórstwo i właściwości. Wydawnictwo Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław, 2000.