CÍLENÉ MODIFIKACE TOPOGRAFIE TŘECÍCH POVRCHŮ SNIŽUJÍCÍ TŘENÍ A OPOTŘEBENÍ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE DESIGN CÍLENÉ MODIFIKACE TOPOGRAFIE TŘECÍCH POVRCHŮ SNIŽUJÍCÍ TŘENÍ A OPOTŘEBENÍ FRICTION AND WEAR REDUCITON BY LASER SURFACE TEXTURING OF RUBBING SURFACES BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Jana Pokorná doc. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. BRNO 2007

2 ABSTAKT Modifikace topografie třecích povrchů bylo v posledním desetiletí využito ke zlepšení mazacích vlastností strojních součástí. Experimenty ukázaly, že u součástí s uměle vytvořenou texturou došlo k významnému snížení tření a opotřebení. Dosud nejpokročilejší technikou je vytváření mikrostruktury laserem. Tato technika byla úspěšně aplikována u konformních povrchů jako jsou pístní kroužky, vložky válců, mechanická těsnění apod. U nekonformních povrchů jako jsou kuličková ložiska, ozubená kola apod. se výzkum zabývá hlavně vlivem textury na EHD mazání. Tato práce má za úkol shrnout současný stav cílené modifikace a objasnit její přínos. KLÍČOVÁ SLOVA Třecí povrch, modifikace topografie, tření, mazání. ABSTRACT Modification of topography of rubbing surfaces has been used in the last decade to improve tribological performance of tribological mechanical components. It was shown that textured surface significantly reduce friction and wear. The most advanced is laser surface texturing so far. This technique has been succesfully applied for conformal contacts like piston rings, cylinder liners, mechanical seals etc. Research of nonconformal contacts like thurst bearings, gears etc. mainly deal with influence of microstucture on EHD lubrication. The purpose of this work is to review state of art in surface texturing and its benefit in tribological aplications. KEYWORDS Surface texturing, friction, lubrication. BIBLIOGRAFICKÁ CITACE POKORNÁ, J., Cílené modifikace třecích povrchů snižující tření a opotřebení. Brno, VUT-FSI., 2007, 30 s.

3

4 PROHLÁŠENÍ O PŮVODNOSTI Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Cílené modifikace třecích povrchů snižující tření a opotřebení vypracovala samostatně pod vedením doc. Ing. Ivana Křupky, Ph.D. a použitou odbornou literaturu a prameny jsem uvedla v seznamu literatury Jana Pokorná

5

6 OBSAH ÚVOD 12 1 CÍLENÉ MODIFIKACE TŘECÍCH POVRCHŮ Laserem vytvářené textury na třecích površích 13 2 CÍLENÉ MODIFIKACE KONFORMNÍCH POVRCHŮ Mechanická těsnění Pístní kroužky 19 3 CÍLENÉ MODIFIKACE NEKONFORMNÍCH POVRCHŮ 22 4 ZÁVĚR 26 5 LITERATURA 27 6 SEZNAMY Seznam obrázků 30

7 ÚVOD Topografie třecích povrchů významně ovlivňuje chování mazaných kontaktů mezi velmi zatíženými prvky strojních soustav. Modifikace třecích povrchů byla aplikována v minulém desetiletí jako prostředek ke zlepšení vlastností povrchů strojních součástí mající za následek významné zvýšení jejich dovoleného zatížení, odolnosti proti opotřebení, snížení koeficientu tření atd. Výzkum různých forem a tvarů textur třecích povrchů pro mazané aplikace je uskutečňovaný různými výzkumnými skupinami po celém světě, které používají různé techniky modifikace topografie včetně obrábění, vytváření textury svazkem iontů, leptáním a vytváření textury laserem, která je pravděpodobně dosud nejpokročilejší a jak je zřejmé ze vzrůstajícího počtu publikací, začíná si získávat více pozornosti. Většina prací je experimentálního charakteru, což je způsobeno tím, že tento jev je velmi složitý a pouze v omezených případech ho lze vysvětlit analyticky. Optimální rozměry textury jsou obvykle zjišťovány metodou pokusů a omylů. Díky rozsáhlému teoretickému testování a optimalizaci rozměrů textury byly zaznamenány významná zlepšení třecích podmínek a snížení opotřebení. Tato práce má za úkol zhodnotit současný stav cílené modifikace topografie třecích povrchů, především vytváření textury laserem, a objasnit přínos těchto úprav při snižování tření a opotřebení v různých tribologických aplikacích.

8 1 CÍLENÁ MODIFIKACE TŘECÍCH POVRCHŮ 1 Různé techniky vytváření textury na třecích površích ve významu zvyšování mazacích vlastností mechanických komponentů jsou dobře známy po mnoho let. Snad nejznámější a nejdřívější komerční aplikace je honování vložek válců. Hamilton a kol. [1] presentovali v roce 1966 vytváření textury ve formě mikronerovností, které fungují jako mikrohydrodynamická ložiska. Tato myšlenka byla aplikována hlavně na paralelní klouzné povrchy, jako v případě mechanických těsnění. Textura byla vytvořena leptáním a byly provedeny teoretické i experimentální práce k dosažení jejích optimálních rozměrů. V roce 1984 vyvinul Schneider metodu [2], která spočívá ve vytváření mělkých drážek pomocí tvrdého indentoru. Ve stejné době Suh a kol. [3] prezentovali myšlenku modulovaného povrchu pro odstranění úlomků vzniklých opotřebením na rozhraní elektrických kontaktů. Původně k vytvoření drážek použili techniku leptáním, která byla následně nahrazena broušením. Funkce zvlněného povrchu je zachycovat úlomky vzniklé opotřebením a tím zredukovat komponenty deformované třením a opotřebením. Skupina vědců vedená Katem v Japonsku zkoumala účinky iontového reaktivního leptání ve formě mikrodůlků na paralelně klouzných površích z SiC ve vodě [4 6]. Rozsáhlé zkušenosti laserem vytvářených textur byly shromážděny v roce Etsion a Burstein [7] představili model mechanického těsnění s pravidelnou mikrostrukturou povrchu, který ukazoval zlepšení vlastností těsnění, když na jednom ze spoluzabírajících povrchů byly rovnoměrně rozmístěny polosférické mikrodůlky. V experimentální studii, která následovala po této práci, byly těsnící kroužky s texturou vytvořenou laserem testovány v oleji a ukázalo se, že sférický tvar důlku může být optimalizován a optimální poměr hloubky jamky a jejího průměru může být takový, že únosnost mazacího filmu a faktor zahrnující rychlost a tlak je maximální. Dnes jsou obvykle vytvářeny textury na površích moderních magnetických pamětí a vytvořené textury jsou také považovány za prostředek k překonání adhezních sil u MEMS (mikro-elektro mechanických systémů). 1.1 Laserem vytvářené textury na třecích površích 1.1 Pravděpodobně dosud nejslibnější a nejpokročilejší technikou modifikace topografie třecích povrchů je vytváření textury laserem (Lasere Surface Texturing = LST) a to proto, že laser je extrémně rychlý, výrobní časy jsou krátké, je šetrný k životnímu prostředí a umožňuje excelentní kontrolu tvaru a velikosti vytvářené mikrostruktury. Kontrolou energie může laser zpracovávat kalenou ocel, keramiku a polymery jakož i krystalické struktury. Laser na třecím povrchu vytváří velké množství mikrodůlků a každá z nich může sloužit buď jako mikrohydrodynamické ložisko v případě úplného nebo smíšeného mazání, nebo jako mikronádrž sloužící k mazání v případě nedostatečného mazání, nebo jako mikrokapsy sloužící k zachycování drobných částic vzniklých opotřebením při mazaném nebo suchém kluzném pohybu součástí. Na obr. 1 a 2 můžeme vidět pravidelné uspořádání laserem vytvořené mikrostruktury a tvar mikrodůlků dvou různých materiálů.

9 Obr. 1 Kobalt-chrom s laserem vytvořenou texturou [8] Obr. 2 Titan s laserem vytvořenou texturou [8] Velké množství prací o vytváření textury laserem na třecích površích bylo vytvořeno v Německu v průběhu posledních deseti let. Bohužel většina z nich je psána německy, z tohoto důvodu není o tomto problému zmínka v archivech anglicky psaných deníků. Výjimkou je několik článků skupiny vedené Geigrem z University of Erlangen-Nuremberg [9,10]. Tato skupina použila laser, kde maska je osvětlená laserovým paprskem a jeho geometrie je promítnuta na povrch, kde má být vytvořena textura. Tato metoda byla aplikována na průtlačníku používaném u zpětného protlačování na výrobu nýtů. V diskuzích týkajících se kombinace a uspořádání tvrdého povlakování a vytváření textury na povrchu bylo dospěno k závěru, že ve zvláštních případech je vhodnější u ručních povrchových úprav použít povrch s texturou. V jiném článku [11] byly shrnuty metody vytváření textury povrchů v Německu u mechanických těsnění a vložek válců u spalovacích motorů. V tomto článku byly také vysvětleny různé laserové systémy používané k vytváření textur zejména CO 2 a Nd:YAG lasery. CO 2 laser byl použit v Japonsku na Tohoku University [12] k vytvoření textury na SiC povrchu, která sloužila ke studiu účinku laserem vytvořené textury na přechod od hydrodynamického ke smíšenému mazání. Experimenty byly provedeny u uspořádání disk a válec, které bylo zatěžováno axiálně ve vodě. Povrch s texturou ve

10 formě mikropórů o průměru 150 μm a hloubce 8-10 μm byl testován a porovnáván se vzorky bez textury. Rozsáhlý výzkum je prováděn také ve Švýcarsku na institutu aplikované fyziky University v Bernu využívající převážně femtosekundových Nd:YAG laserů [13 17]. Výzkum je zaměřen na proces vytváření textury jako takový, nicméně základní tribologické testy jsou prováděny ve spolupráci s jinými výzkumnými týmy např. CSEM v Neuchateli a dalšími. V jedné studii [14] je například vysvětlen test u uspořádání koule-deska, kde je při malém množství mazací kapaliny monitorován koeficient tření a tloušťka mazacího filmu. Podstatný výzkum laserem vytvářené textury na třecích površích byl proveden v Argone National Laboratory v USA [18]. Efekt této techniky na přechod od mezného k hydrodynamickému mazání byl experimentálně vyšetřován měřením velikosti tření a elektrického kontaktního odporu konformního kontaktu hrot-disk u jednosměrného kluzného pohybu. Bylo pozorováno rozšíření rozsahu režimu hydrodynamického mazání a podstatné snížení koeficientu tření ve srovnání s povrchy bez textury.

11 2 CÍLENÁ MODIFIKACE KONFORMNÍCH POVRCHŮ Konformní povrchy (obr. 3) do sebe zapadají s velkou geometrickou přesností, takže jejich zatížení je přenášeno po relativně velké ploše. Zatížení bývají poměrně malá a nezpůsobují podstatné zvětšování kontaktní plochy. Typickým příkladem jsou kluzná ložiska. Obr. 3 Konformní povrchy [19] Vytvořením textury, která má optimální parametry, lze tribologické vlastnosti těchto součástí zlepšit. U většiny součástí neexistuje teoretický model, který by určoval optimální rozměry textury, určují se experimentálně metodou pokusů a omylů. Rozsáhlý výzkum a vývoj v této oblasti je prováděn v Izraeli na Technion-Israel Institute of Technology, jehož výsledkem je několik optimalizovaných textur pro různé aplikace [20]. Vytváření textury laserem je v současné době úspěšně aplikováno na vložky válců a na mechanická těsnění a má za následek trojnásobný nárůst životnosti těsnění v čerpadlech. Tento úspěch lze připsat teoretickému modelování laserem vytvářených textur na třecích površích za přítomnosti plného kapalinového filmu, které se velmi dobře shoduje s laboratorními testy a zvolenou optimalizací parametrů textury. Na 14. mezinárodním tribologickém kolokviu v Esslingenu bylo prezentováno užití vytváření textury ve formě mikrorýh na vložkách válců uvnitř spalovacích motorů a bylo ukázáno, že došlo k nižší spotřebě paliva a opotřebení [21]. Tato technika nazývaná laserové honování je komerčně dostupná od firmy Gehring Company v Německu. Potenciální výhody aplikování laserem vytvářené textury na pístní kroužky byly demonstrovány teoretickými i experimentálními laboratorními testy. Pro kroužky s texturou na celém jejich povrchu a za podmínek úplného mazání byly nalezeny optimální parametry takové, že možná redukce třecích sil oproti vzorkům bez textury byla asi 30%, což se shodovalo i s výsledky jiných experimentů. Kromě toho bylo shledáno, že užití pístních kroužků s texturou je také výhodné v případě nedostatečného mazání, kdy mikrodůlky slouží jako zásobníky maziva.

12 Analýza laserem vytvářené textury v hydrodynamických axiálních ložiscích [22] v nejjednodušší formě dvou po sobě klouzajících disků ukazuje potenciál u této aplikace. Bylo pozorováno, že částečná textura značně zlepšuje přenášené dovolené zatížení těchto ložisek a tím jsou jejich vlastnosti srovnatelnější např. s kuželíkovými ložisky. Část ložiska, kde je textura, poskytuje účinnou větší vůli než část bez textury. Výsledky testu ve vodě při 1500 a 3000 otáčkách za minutu ukázaly, že v průběhu celého rozsahu zatížení ložiska s texturou je vůle asi třikrát větší a tření asi třikrát menší. Vytváření textury laserem na třecích površích je četně používáno také při tváření kovů jako sekundární hydrodynamické mazání mechanismů, které se nazývá mikroplastické hydrodynamické mazání [23]. 2.1 Mechanická těsnění Úvodní jednoduché modelování a experimenty s laserem vytvářenou texturou u mechanických těsnění (obr. 4) byly následovány podrobnými studiemi. Texturu charakterizují tři rozměry a to jsou průměr a hloubka mikrodůlků a jejich hustota [20]. 2.1 Obr. 4 Model mechanického těsnění [20]

13 Ukázalo se, že celkový tvar mikrodůlků není podstatný a že nejpodstatnější parametr pro optimální dovolené zatížení je podíl hloubky důlku a jeho průměru. Modelování je založeno na řešení Reynoldsovy rovnice pro stanovení hydrodynamického tlaku a nalezení průměrného tlaku v těsnění pro různé provozní podmínky. Byla prokázána vysoká tuhost kapalinového filmu při vůli o velikosti 1 μm a velmi dobrá shoda mezi teorií a experimenty [24]. Pozdější testování skutečného těsnění ve vodě ukázalo dramatické snížení momentu tření a teploty povrchu až na 65%. K podobným výsledkům dospěli vědci z University of Science and Technology ve východní Číně [25], když testovali SiC kroužek s texturou oproti uhlíkovým kroužkům v oleji. Jiný test mechanických těsnění v oleji, který provedli vědci z Fraunhofer Institute for Production Technology v Německu, ukázal snížení třecího momentu o 40% a téměř dvojnásobnou životnost [11]. Z výsledků výzkumů vyplývá, že třecí moment se postupně snižuje s klesajícím tlakem v těsnění, který odpovídá jednotkovému zatížení. K překonání nedostatečné funkce při vysokých tlacích byl vyvinut speciální postup, který zvyšuje hydrostatický účinek vysoce namáhaných těsnění [26]. Tento postup spočívá v aplikování větší hustoty textury na části kroužku přiléhající k vysoce namáhané straně. Při jednom pokusu bylo testováno těsnění, pro které výrobce předepsal maximální provozní tlak 12 barů [20]. Ve skutečnosti test s těsněními bez textury skončil na 12 barech v důsledku příliš vysokého třecího momentu o velikosti 5 Nm, který udával počátek kontaktu povrchů. Třecí moment u těsnění s texturou při 12 barech byl pouze 0,16 Nm. Z toho vyplývá, že tření kleslo o více než 90%. Těsnění s texturou může být snadno navrhnuto na provozní tlak 23 barů limit srovnávacího testu, a při tomto relativně vysokém tlaku byl třecí moment jen 0,5Nm. Hodnota, které můžeme dosáhnout u těsnění bez textury je pouze 11 barů. Z tohoto vyplývá, že způsobilost vysoce namáhaných těsnění je značně větší u těsnění s texturou. Jiná studie ve spolupráci s Western Michigan University ukázala možný pozitivní efekt mikrotextur u těsnění s texturou úplnou nebo částečnou na obou třecích plochách [27]. Ukázalo se, že u těsnění s karbon-grafitovými povrchy došlo ke snížení záběrného momentu. Výhody laserem vytvářené textury na třecích površích se netýkají jen kapalinového mazání, ale i suchých vzduchem mazaných těsnění [28]. Hlavní rozdíl mezi nimi je v optimálním poměru hloubky jamek a jejich průměru, který je u vzduchem mazaných aplikací mnohem menší. Výhoda laserem vytvářené textury u vzduchem mazaných těsnění oproti základním těsněním bez textury vyplynuly z testu kdy počet otáček za minutu byl 12 a jednotkové zatížení vzrůstalo. U těsnění s laserem vytvořenou texturou došlo ke snížení třecího momentu a teploty třecího povrchu. Zajímavá je studie [11], která ukazuje výhody a nevýhody spolu zabírajících povrchů s texturou na jednom nebo obou površích. Textura právě na jednom ze spoluzabírajících povrchů snižuje tření o 40%. Bude-li textura na obou površích dojde naopak ke výšení tření o 100%. Gadiv Petrochemical Industrie Ltd. [20], jedna z největších Izraelských petrochemických společností, začala s testováním mechanických těsněních v roce 1998 za účelem zlepšení jejich spolehlivosti. Vyhodnotili výhody těsnění s laserem vytvářenou texturou porovnáváním vlastností identických čerpadel, které čerpaly uhlovodíkové kapaliny. Jedno bylo vybaveno zušlechtěným těsněním s texturou a

14 druhé standardním těsněním. Těsnění s texturou bylo v provozu po více než hodin a bylo vyměněno až po 38 měsících a to kvůli selhání jiné části těsnění, které se pokus netýkal. Během stejné doby bylo těsnění bez textury vyměněno čtyřikrát. Na obr. 5 můžeme vidět strukturu povrchů dvou druhů kroužků, které jsou součástí mechanických těsnění, které byly testovány během provozu vodních čerpadel. Vlevo jsou kroužky bez textury po 400 hodinách provozu a vpravo jsou kroužky s laserem vytvořenou texturou po 550 hodinách provozu. Je patrné, že u kroužků bez textury došlo ke značnému opotřebení. Obr. 5 Povrchy součásti bez textury a s laserem vytvořenou texturou [29] 2.2 Pístní kroužky 2.2 Mnoho výzkumných prací pojednává o problému třecích sil u motorů a konkrétně tření pístních kroužků. To proto, že většina třecích sil asi 50-60% pochází se skupiny píst-válec. Aby se zjistilo, jak je možné užít vytvořenou texturu na třecích površích ke snížení tření mezi pístním kroužkem a vložkou válce, byl vyvinut analytický model [30]. Rozložení hydrodynamického tlaku a časově závislá vůle mezi pístním kroužkem a vložkou válce jsou získány ze společného řešení Reynoldsovy rovnice a pohybové rovnice pístního kroužku v radiálním směru. Velikost tření v čase je vypočítána ze smykového napětí ve viskózním kapalinovém filmu a z časově závislé vůle. Intenzivní výzkum je zaměřen na zjišťování hlavních parametrů tohoto problému. Vyhodnocovány jsou optimální rozměry laserem vytvářené textury jako je hloubka

15 jamky, hustota textury a velikost plochy s texturou jmenovitého kontaktního povrchu pístního kroužku. Ronen a kol. [31] představili systém píst-válec s pístním kroužkem s laserem vytvořenou texturou na třecím povrchu. Autoři studovali možné užití pístního kroužku s mikrostrukturou ve formě mikrodůlků, které umožnili snížit tření mezi kroužkem a vložkou válce kde celý povrch kroužku v kontaktu s vložkou válce byl opatřen texturou. Ukázalo se, že laserem vytvořená textura může mít významný hydrodynamický vliv na paralelně přilehlé povrchy. Časový průběh vůle mezi pístním kroužkem a vložkou válce a třecí síly za určitých provozních podmínek byly získány řešením Reynoldsovy rovnice a dynamické rovnice. Byly určeny hlavní parametry textury, což jsou hustota jamek, jejich průměr a hloubka. Byla nalezena optimální hodnota poměru mezi hloubkou a průměrem mikrodůlků, při které je třecí síla minimální. Bylo shledáno, že u povrchů s laserem vytvořenou texturou lze snížit tření o více než 30%. V následné experimentální práci Ryka a kol. [32] byl tento teoretický závěr potvrzen. Jsou dva režimy, které snižují ztráty třením a zlepšují mazací vlastnosti strojních součástí. První z nich je laserem vytvořená textura po celé šířce pístního kroužku (obr. 6a), která je založena na individuálním efektu jamek (v každé z nich dochází k lokální kavitaci). Druhý režim je částečná laserem vytvořená textura (obr. 6b), jejíž princip je založen na tzv. kolektivním efektu jamek, které poskytují ekvivalentní sbíhavou střední vůli mezi nominálními paralelními přilehlými povrchy. Tento kolektivní efekt byl demonstrován Etsionem a Halperinem [26] pro vysokotlaká hydrostatická mechanická těsnění a Brizmerem [22] pro paralelní axiální ložiska. Ukázalo se, částečná textura v porovnání s úplnou významně zvyšuje dovolené zatížení strojních komponentů. Obr. 6 Segmenty třecích povrchů s texturou: a) segment kroužku s úplnou texturou, b) segment kroužku s částečnou texturou [30] Na obr. 7a je segment pístního kroužku s částečnou laserem vytvořenou texturou, kde textura je ve střední části šířky kroužku. Textura může být také umístěna jinak, jak ukazuje obr. 7, kde W* je šířka pístního kroužku, BBp je šířka textury, x je axiální osa a z je směr tečný k obvodu pístního kroužku. Na obr. 7a je textura symetricky

16 umístěna v prostředku kroužku, na obr. 7b je symetricky po obou stranách a na obr. 7c je střed textury ve vzdálenosti d od středu kroužku. Obr. 7 Různá umístění textury [30] Dobrým měřítkem účinku laserem vytvářené textury je stanovení průměrné třecí síly v závislosti na čase. Kligerman a kol. [30] provedli parametrickou analýzu účinnosti laserem vytvářené textury v závislosti třecí síly na různých parametrech jako např. průměru důlků, jejich hloubce a hustotě, šířce pístního kroužku a externím tlaku. Hlavními cíly této analýzy bylo získání optimálních parametrů textury pro určení konstrukčních parametrů motoru a provozních podmínek a jejich vliv na ztráty třením mezi pístním kroužkem a vložkou válce. Ukázalo se, že umístění části s texturou má jen velmi malý efekt na třecí sílu, proto jsou obvykle diskutovány pouze výsledky centrální textury (obr. 7a) jako typického zástupce částečné laserem vytvářené textury. Dále bylo zjištěno, že třecí síla není ovlivněna průměrem jamek, ale klesá se vzrůstající hustotou textury, tudíž se doporučuje vytvářet texturu s co největší hustotou. Také byla nalezena optimální velikost části s texturou pro široký rozsah parametrů simulace systému. K obdobným výsledků došel Brizmer a kol. [22] u axiálních ložisek s částečnou texturou. Vliv šířky kroužku a provozních podmínek na průměrnou třecí sílu u kroužků s částečnou texturou je podobný jako u kroužků s texturou úplnou. Třecí síla je menší pro menší vnější tlak a větší šířky kroužků. Minimální průměrná třecí síla u kroužků s částečnou texturou optimálních parametrů je jednoznačně nižší než u kroužků s optimální úplnou texturou. Redukce se pohybuje okolo 30% u úzkých kroužků a asi 55% u kroužků širších.

17 3 CÍLENÁ MODIFIKACE NEKONFORMNÍCH POVRCHŮ Nekonformní povrchy se stýkají ve velmi malé ploše, která je až o tři řády menší než v případě konformních povrchů. Přenášená zatížení bývají relativně velká a se zvětšováním zatížení roste i kontaktní plocha. Příkladem jsou valivá ložiska, ozubené převody a vačky. Obr. 8 Nekonformní povrchy [19] Většina těchto strojních prvků pracuje za podmínek elastohydrodynamického (EHD) mazání, kdy jsou třecí povrchy elasticky deformovány a viskozita maziva v kontaktní oblasti se výrazně zvyšuje vlivem kontaktního tlaku. Při relativním pohybu kontaktních těles dochází k vytváření homogenního mazacího filmu, oddělujícího třecí povrchy. Avšak ve skutečnosti nejsou provozní podmínky (zatížení, rychlosti třecích povrchů a jejich geometrie) konstantní, ale dochází k jejich významných změnám v čase. Za této situace již mazací film není často schopen zajistit úplné oddělení třecích povrchů a tak dochází k jejich styku, opotřebení a následnému zadření. Cílem výzkumu je zajištění funkce mazaných kontaktů i v kritických fázích provozu tj. při rozběhu a doběhu, náhlých změnách rychlosti a zatížení třecích povrchů [33]. Topografie třecích povrchů významně ovlivňuje chování mazaných kontaktů mezi velmi zatíženými prvky strojních soustav. Nicméně vytváření textury na třecích površích kontaktů mezi nekonformními povrchy je stále ve stádiu zrodu. To je hlavně způsobeno faktem, že přítomnost mikrokapes uvnitř kontaktů může mít významný vliv na rozložení tlaku uvnitř kontaktů. Přesto bylo v současných studiích ukázáno, že textura na třecích površích může mít i prospěšný účinek, jestliže je hloubka mikrokapes vhodně navržená [34]. Wedeven a Cusano [35,36] provedli sérii experimentů, které zkoumaly efekt uměle vytvořených důlků a rýh na tloušťku mazacího EHD filmu. Došli k závěru, že v mazaných kluzných kontaktech by mohlo maximum tlaku být na okraji vtisku ve směru kluzu. To bylo později potvrzeno numerickou simulací, kterou provedl Ai a Cheng [37]. Kaneta [38,39] studoval vliv prokluzu na rozdělení tloušťky mazacího filmu v nejbližším okolí důlků. Bylo zpozorováno, že důlky umístěny uvnitř mazaného

18 kontaktu vypouští olej po proudu, když jsou důlky na pomaleji se pohybujícím povrchu, a proti proudu, když jsou důlky na rychleji se pohybujícím povrchu. Současné numerické studie ukázaly, že povrchové nerovnosti na třecích površích nemají za následek pouze nárůst tlaku a podpovrchového napětí, ale také mohou zlepšit mazací schopnosti tenkých mazacích filmů. Dumont a kol. [40] studovali vývoj tloušťky filmu v kruhovém hladovějícím kontaktu za přítomnosti jednoho a více důlků. Došli k závěru, že textura na povrchu může mít prospěšný vliv na mazání. Zhao a Sadeghi [41] pozorovali stacionární důlek na povrchu liniového EHD kontaktu během rozběhu a ukázalo se, že chování při rozběhu je určené množstvím maziva zachyceného uvnitř důlku. Akamatsu a kol. [42] zjistili laboratorními testy životnosti, že únavová životnost válečkových valivých ložisek může být významně zlepšena uměle vytvořenými důlky na povrchu válečků. Tyto výsledky byly diskutovány Zahiem a kol. [43], kteří došli k závěru, že vliv textury na únavovou životnost valivých kontaktů může záviset na režimu mazání, ve kterém kontakt pracuje. Příznivě u málo mazaných kontaktů a nepříznivě za dobrých mazacích podmínek. Nakatsuji a Mori [44] použili válečky s malým počtem mikrodůlků, aby mohli zhodnotit vliv mikrokapes na mazání a únavovou životnost třecích povrchů. Bylo shledáno, že mikrodůlky předchází zadírání při vysokém zatížení a minimalizují kontakt kov na kov, čímž se předchází pittingové životnosti, což bylo přisuzováno vlivu oleje v mikrodůlcích, který zlepšil mazací schopnosti liniového kontaktu. Tyto výsledky prokázaly, že povrchy s texturou mohou zlepšovat mazací vlastnosti koncentrovaných kontaktů mezi nekonformními mazacími povrchy. Velmi nedávno Mourier a kol. [45] studovali chování jednotlivých mikrodutin vytvořených na třecích površích femtosekundovým pulzním laserem (obr. 9). Shledali, že jejich vliv na mazací film silně závisí na hloubce mikrodutin. Významný nárůst tloušťky filmu byl pozorován u mělkých mikrodutin, zatímco hluboké mikrodutiny způsobily lokální snížení tloušťky filmu. Výsledky jsou shodné s výsledky Kanety a kol. [39], kteří pozorovali lokální redukci tloušťky filmu v závislosti na velikosti mikrodůlků. Obr. 9 Laserem vytvořený mikrodůlek [45]

19 Pokročilé měřící techniky založené na principu analýzy obrazu chromatických interferogramů umožnily získat detailní rozložení tloušťky filmu v případě velmi tenkých mazacích filmů. Tyto techniky založené na vyhodnocování chromatických nebo monochromatických interferogramů (obr. 10) poskytují cenné informace, díky kterým můžeme lépe porozumět chování uměle vytvořených nerovností povrchu. Mourier a kol. [45] prezentovali výsledky získané za podmínek velmi tenkých mazacích filmů s jedním mikrodůlkem umístěním ve středu kontaktu a ukazují, že tento mikrodůlek může působit jako mikronádrž za valivých/kluzných podmínek. Nicméně jak už bylo zmíněno dříve, přítomnost textury uvnitř kontaktu může způsobit významný vzrůst kontaktního tlaku a podpovrchových napětí. Navíc je tento efekt doprovázen redukcí tloušťky filmu, která může mít za následek selhání mazacího filmu. To je důvod, proč jsou současné studie věnované experimentálnímu výzkumu vlivu mikrodůlků různých hloubek na velmi tenký mazací film. Tento výzkum by měl poskytnout experimentální důkaz o možné mezní hloubce mikrodůlků, které jsou vytvořeny na površích vysoce zatížených součástí, pracujících za podmínek mazání velmi tenkým mazacím filmem. Takovýto výzkum je realizován i na Ústavu konstruování Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně [33]. Obr. 10 Interferogramy ukazující mikrodůlek procházející EHD kontaktem [45] K modelování podmínek vyskytujících se v reálných tribologických soustavách je zde používán simulátor (obr. 11), ve kterém je tenký mazací film vytvářen ve styku mezi rotujícím skleněným kotoučem a otáčející se ocelovou kuličkou, přičemž osy rotace obou třecích povrchů jsou vzájemně kolmé. Horní strana kotouče je pokryta protiodrazovou vrstvou, spodní pak vrstvou chrómu. Kontakt je zatěžován přes skleněný kotouč, který je společně s pohyblivým závažím umístěn na dvojzvratné páce. Oba třecí povrchy mohou být nezávisle poháněny servomotory, které jsou řízeny programovatelnými měniči frekvence. To umožňuje experimentální modelování provozních podmínek vyskytujících se ve strojních uzlech.

20 Obr. 11 Experimentální zařízení na ÚK FSI [33] Tvar mazacího filmu je stanovován kolorimetrickou interferometrií. Ta umožňuje studovat vliv modifikací třecích povrchů na rozložení tloušťky mazacího filmu při zohlednění velikosti a rozmístění mikrodutin i u mazaných kontaktů mezi nekonformně zakřivenými třecími povrchy. Současně je studován i vliv takovéto cílené modifikace topografie třecího povrchu na zvýšení nebezpečí únavového poškozování třecích povrchů. Získané výsledky jsou používány k ověření teoretických modelů a numerických řešení používaných při návrhu exponovaných strojních součástí.

21 4 ZÁVĚR Vytváření textury na třecích površích obecně a konkrétně vytváření textury laserem bylo zavedeno v posledních letech jako prostředek ke zlepšování mazacích vlastností strojních součástí. Experimentální výzkum využívá různých technik vytváření textury, aby byly prozkoumány všechny výhody povrchů s texturou a optimalizovány formy textury a jejich rozměry za různých podmínek. Ze všech metod je nejpoužívanější vytváření textur laserem, protože tento způsob je extrémně rychlý, šetrný k životnímu prostředí a můžeme snadno optimalizovat tvar mikrostruktury, který má významný vliv na mazací vlastnosti součástí. Vytváření textury na třecích površích bylo užito u konformních povrchů v mnoha aplikacích např. pro vložky válců, mechanická těsnění, pístní kroužky atd. za účelem snížení tření a opotřebení. Nicméně použití těchto modifikací je stále ve stádiu zrodu, což se týká zejména velmi zatížených kontaktům mezi nekonformními povrchy. Nicméně se ukazuje že mikrotextura může zlepšit mazací vlastnosti i u vysoce zatížených EHD kontaktů, přičemž důležitým parametrem je hloubka mikrodůlků. Jedná se zejména provozní podmínky při rozběhu či reverzaci pohybu, kdy je mazací film velmi tenký, takže pozitivní vliv mikrotextury může pomoci zvýšit životnost vysoce zatížených strojních součástí. Lze předpokládat, že v následujících letech bude z vlastností laserem vytvářených textur těžit daleko více strojírenských komponentů.

22 5 LITERATURA 5 [1] Hamilton, D. B., Walowit, J. A., and Allen, C. M. A Theory of Lubrication by Microasperities. ASME J. Basic Eng., 88(1), 1966, s [2] Schneider, Y. G. Formation of Surfaces with Uniform Micropatterns on Precision Machine and Instrument Parts. Precis. Eng., 6, 1984, s [3] Saka, A., Lio, M. J., and Suh, N. P. The Role of Tribology in Electrical Contact Phenomena. Wear, 100, 1984, s [4] Wang, X., Kato, K., and Adachi, K. The Lubrication Effect of Micro-Pits on Parallel Sliding Faces of SiC in Water. Tribology Transactions, 45(3), 2002, s [5] Wang, X., and Kato, K. Improving the Anti-Seizure Ability of SiC Seal in Water with RIE Texturing. Tribology Letters, 14(4), 2003, s [6] Wang, X., Kato, K., Adachi, K., and Aizawa, K. Loads Carrying Capacity Map for the Surface Texture Design of SiC Thrust Bearing Sliding in Water. Tribology International, 36(3), 2003, s [7] Etsion, I., and Burstein, L. A Model for Mechanical Seals with Regular Microsurface Structure. Tribology Transactions, 39(3), 1996, s [8] Mound Laser & Photonics Center, Inc. [9] Geiger, M., Roth, S., and Becker, W. Influence of Laser-Produced Microstructures on the Tribological Behavior of Ceramics. Surf. Coat. Technol., , 1998, s [10] Geiger, M., Popp, U., and Engel, U. Eximer Laser Micro Texturing of Cold Forging Tool Surface-Influence on Tool Life. Ann. CIRP, 51, 2002, s [11] Hoppermann, A., and Kordt, M. Tribological Optimisation Using Laser- Structured Contact Surfaces. O + P Oelhydraulik und Pneumatik, 46(4), Vereinigte Fachverlage Mainz, 2002, ISSN [12] Wang, X., Kato, K., Adachi, K., and Aizawa, K. The Effect of Laser Texturing of SiC Surface on the Critical Load for the Transition of Water Lubrication Mode from Hydrodynamic to Mixed. Tribology International, 34(10), 2001, s [13] Kononenko, T. V., Garnov, S. V., Pimenov, S. M., Konov, V. I., Romano, V., Borsos, B., and Weber, H. P. Laser Ablation and Micropatterning of Thin TiN Coatings. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., 71, 2000, s [14] Dumitru, G., Romano, V., Weber, H. P., Haefke, H., Gerbig, Y., and Pflüger, E. Laser Microstructuring of Steel Surfaces for Tribological Applications. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., 70, 2000, s [15] Dumitru, G., Romano, V., Weber, H. P., Sentis, M., and Marine, W. Femtosecond Ablation of Ulrahard Materiále. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., 74, 2002, s [16] Dumitru, G., Romano, V., Weber, H. P., Pimenov, S., Kononenko, T., Hermann, J., Bruneau, S., Gerbig, Y., and Shupegin, M. Laser Treatment of Tribological DLC Films. Diamond Relat. Mater., 12, 2003, s [17] Dumitru, G., Romano, V., Weber, H. P., Sentis, M., and Marine, W. Ablation of Carbide Materials with Femtosecond Pulses. Appl. Surf. Sci., 205, 2003, s [18] Kovalchenko, A., Ajayi, O., Erdemir, A., Fenske, G., and Etsion, I. The Effect of Laser Texturing of Steel Surfaces and Speed-Load Parameters on the

23 Transition of Lubrication Regime from Boundary to Hydrodynamic. Tribology Transactions, 47(2), 2004, s [19] Ústav konstruování, Fakulta strojního inženýrství VUT Brno přednáška předmětu Konstruování strojů strojní součásti Tření, mazání, opotřebení [20] Etsion, I. State of the art in laser surface texturing. Journal of Tribology, Trans. of the ASME, 127, 2005, s [21] Golloch, R., Merker, G. P., Kessen, U., and Brinkmann, S. Benefits of Laser- Structured Cylinder Liners for Internal Combustion Engines. in Proceedings of the 14th International Colloquium Tribology, January Esslingen, 2004, s [22] Brizmer, V., Kligerman, Y., and Etsion, I. A Laser Surface Textured Parallel Thrust Bearing. Tribology Transactions, 46(3), 2003, s [23] Lo, S. W., and Wilson, W. R. D. A Theoretical Model of Micro-Pool Lubrication in Metal Forming. Journal of Tribology, Trans. of the ASME, 121(4), 1999, s [24] Etsion, I., Kligerman, Y., and Halperin, G. Analytical and Experimental Investigation of Laser-Textured Mechanical Seal Faces. Tribology Transactions, 42, 1999, s [25] Yu, X. Q., He, S., and Cai, R. L. Frictional Characteristics of Mechanical Seals with a Laser-Textured Seal Face. J. Mater. Process. Technol., 129, 2002, s [26] Etsion, I., and Halperin, G. A Laser Surface Textured Hydrostatic Mechanical Seal. Tribology Transactions, 45(3), 2002, s [27] Pride, S., Folkert, K., Guichelaar, P., and Etsion, I. Effect of Micro-Surface Texturing on Breakaway Torque and Blister Formation on Carbon-Graphite Faces in a Mechanical Seal. Lubr. Eng., 58, 2002, s [28] Kligerman, Y., and Etsion, I. Analysis of the Hydrodynamic Effects in a Surface Textured Circumferential Gas Seal. Tribology Transactions, 44(3), 2001, s [29] Surface Technologies Ltd. [30] Kligerman, Y., Etsion, I., Shinkarenko, A. Improving Tribological Performance of Piston Rings by Partial Surface Texturing. Journal of Tribology, Trans. of the ASME, 127, 2005, s [31] Ronen, A., Etsion, I., and Kligerman, Y. Friction Reducing Surface Texturing in Reciprocating Automotive Components. STLE Tribology Transactions, 44, 2001, s [32] Ryk, G., Kligerman, Y., and Etsion, I. Experimental Investigation of Laser Surface Texturing for Reciprocating Automotive Components. STLE Tribology Transactions, 45(4), 2002, s [33] Ústav konstruování, Fakulta strojního inženýrství VUT Brno výzkum tribologie profil [34] Křupka, I., Hartl, M. The Effect of SurfaceTtexturing on Thin EHD Lubrication Films. Tribology International, 40, 2007, s [35] Wedeven, L.D., Cusano, C. Elastohydrodynamic Film Thickness Measurements of Artificially Produced Surface Dents and Grooves. ASLE Trans., 22, 1979, s

24 [36] Cusano, C., Wedeven, L.D. The Effects of Artificially-Produced Defects on the Film Thickness Distribution in Sliding EHD Point Contacts. Journal of Tribology, Trans. of the ASME, 104, 1982, s [37] Kaneta, M., Nishikawa, H. Experimental Study on Microelastohydrodynamic Lubrication. I Proc. Instn. Mech. Engrs. Part J: J. Eng. Tribol., 213, 1979, s [38] Ai, X., Cheng, H.S. The Influence of Moving Dent on Point EHL Contacts. Tribology Transactions, 37, 1994, s [39] Kaneta, M., Kanada, T., Nishikawa, H. Optical Interferometric Observations of the Effects of a Moving Dent on Point Contact EHL. In: Elastohydrodynamics 96 Fundamentals and Applications in Lubrication and Traction. Tribology Series 32. Elsevier, 1997, s [40] Dumont, M., Lugt, P.M., Tripp, J.H. Surface Feature Effects in Starved Circular EHL Contacts. Journal Tribology, Trans. of the ASME, 124, 2002, s [41] Zhao, J.X., Sadeghi, F. The Effects of a Stationary Surface Pocket on EHL Line Contact Start-up. Journal Tribology, Trans. of the ASME, 126, 2004, s [42] Akamatsu a kol. Influence of Surface Roughness Skewness on Rolling Contact Fatigue Life. Tribology Transactions, 35, 1992, s [43] Zhai, X. a kol. On Mechanisms of Fatigue Life Enhancement by Surface Dents in Heavily Loaded Rolling Line Contacts. Tribology Transactions, 40, 1997, s [44] Nakatsuji, T., Mori, A. The Tribological Effect of Mechanically Produced Micro-dents by a Micro Diamond Pyramid on Medium Karbon Steel Surfaces in Rolling-sliding Contact. Meccanica, 36, 2001, s [45] Mourier, L., Mazuyer, D., Lubrecht, A.A., Donnet, C. Transient Increase of Film Thickness in Micro-textured EHL Contacts. Tribology International, 39, 2006, s

25 6 SEZNAM 6.1 Seznam obrázků Obr. 1 Kobalt-chrom s laserem vytvořenou texturou 14 Obr. 2 Titan s laserem vytvořenou texturou 14 Obr. 3 Konformní povrchy 16 Obr. 4 Model mechanického těsnění 17 Obr. 5 Povrchy součástí bez textury a s laserem vytvořenou texturou 19 Obr. 6 Segmenty třecích povrchů s texturou 20 Obr. 7 Různá umístění textury 21 Obr. 8 Nekonformní povrchy 22 Obr. 9 Laserem vytvořený mikrodůlek 23 Obr. 10 Interferogramy ukazující mikrodůlek procházející EHD kontaktem 24 Obr. 11 Experimentální zařízení na ÚK FSI 25