Hodnocení tribologických vlastností procesních kapalin Totka Bakalova 1, Petr Louda 1,2, Lukáš Voleský 1,2 1 Ing. Totka Bakalova, PhD., Technická univerzita v Liberci, Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace, Studentská 2, 461 17 Liberec, tel.: 485 353 818, e-mail: totka.bakalova@tul.cz 1, 2 prof. Ing. Petr Louda, CSc., Technická univerzita v Liberci, Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace, Studentská 2, 461 17 Liberec; Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, katedra materiálu, tel.: 485 353 116, e-mail: petr.louda@tul.cz 1, 2 Ing. Lukáš Voleský, Technická univerzita v Liberci, Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace, Studentská 2, 461 17 Liberec; Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, katedra materiálu, tel.: 485 353 128; 728 478 433, e-mail: lukas.volesky@tul.cz Abstrakt Příspěvek prezentuje možnosti hodnocení tribologických vlastností třecí dvojice v odlišném prostředí. Vedle technologických vlastnosti procesních kapalin je významné také jejich tribologické a antiadhezní chování. Hlavním úkolem tribologie je zajistit, aby vzájemný pohyb dvou povrchů probíhal s co nejmenší ztrátou energie a materiálů. Klíčová slova: tribologie, třecí dvojice, součinitel tření 1. Úvod Vývoj moderních vysokopevnostních materiálů, modernizace měřicích metod v oblasti materiálových věd a dlouhodobá zkušenost s provozem vyspělých technologických celků ukazují, že povrchové vrstvy významně ovlivňují jejich životnost a spolehlivost [1, 2]. Tribologie hodnotí vlastnosti, které ovlivňují vzájemné působení povrchu, prostředí a tělesa při jejich vzájemném pohybu. Zahrnuje procesy vzájemného působení na rozhraní mezi pevnými, kapalnými a plynnými tělesy. Hlavním úkolem tribologie je zajistit, aby vzájemný pohyb dvou povrchů probíhal s co nejmenší ztrátou energie a materiálů. Tribologické vlastnosti popisují především koeficient tření a opotřebení, které závisí především na typu tření a mechanizmu opotřebení. [3, 4 a 5]. Při zkoumání třecích projevů a účinků pohlížíme na soustavu tvořenou dvěma tělesy a jejich stykovými plochami a látkou, která je mezi stykovými plochami a blízkým okolím, jako na tribologický systém. 2. Mechanismus tření Tření je definováno jako odpor proti vzájemnému pohybu dvou těles v oblasti jejich styku. Třecí síla F závisí na koeficientu tření μ a zátěžné síle L [3]. Z hlediska přítomnosti maziva lze tření rozdělit na: fyzikální suché tření mezi povrchy není plyn, ani kapalina a nejsou pokryty nějakou chemickou sloučeninou (tření ve vakuu); technické suché tření povrch může být pokryt vrstvou oxidů, plynů nebo par; smíšené tření - dochází k občasným dotykům mikronerovností, mezi povrchy je přítomno mazivo; kapalinné tření povrchy jsou za pohybu zcela odděleny souvislou vrstvou kapalného maziva, nebo jiného kapalného média. [4] 2.1 Kluzné tření Kluzné tření vzniká, jestliže dvě tělesa se dostanou do vzájemného kontaktu a dochází k jejich pohybu vůči sobě. Skutečný kontakt mezi nimi se vyskytuje jen v omezeném počtu malých oblastí (Obr. 1). 1
Obr. 1 Schematické znázornění dotyku při kluzném tření, a) kontakt tělesa s ideálně rovným povrchem rozložení napětí, b) reálný kontakt: 1 ideální povrch, 2 reálný povrch, 3 oblast elastické deformace, 4 oblast plastické deformace [4] Velikost plochy dotyku se zvyšuje se zvyšující se zátěží. Na vrcholcích může docházet ke vzniku spojení a vzniká tak odpor vůči vzájemnému pohybu. V případě kluzného tření je možné pozorovat tři základní komponenty. Poměr jednotlivých komponent závisí na typu materiálové dvojice, podmínkách tření (vlastnostech materiálových dvojic, způsobu pohybu, drsnosti povrchu, přítomnosti lubrikantu atd.) a na časovém stádiu vzájemného pohybu [6, 7]. Při tření se uplatňují tyto mechanismy (Obr. 2): Obr. 2 Tři komponenty kluzného tření [6, 8] tření vlivem adheze mezi nerovnostmi povrchu; tření vlivem rýhování, způsobené přítomností jemných částic vzniklých při opotřebování povrchu tření vlivem deformace nerovností povrchu; tření vlivem deformace nerovností povrchu. [6, 8] 2
3. Experimentální část V tomto článku jsou popsané experimenty, jejichž cílem bylo vyhodnocení povrchů z tribologického hlediska. 3.1 Experimentální uspořádaní Základem tribologických měření je testování metodou Ball on disc. Měření spočívá ve vtlačování pevně uchyceného zkušebního tělíska ( Ball ) ve tvaru kuličky ze zvoleného materiálu předem definovanou silou do disku (zkušebního vzorku). Nezbytnou součástí je i třecí snímač. Koeficient tření mezi tělískem a diskem je určován během testu měřením. Koeficient tření byl stanoven použitím tribometru CETR UMI Multi-Specimen Test System firmy Bruker (Obr. 3). Obr. 3 CETR UMI Multi-Specimen Test Systém Obr. 4 Mechanický profilometr Dektak XT Povrch vzorku po Ball on disc testu při použití procesních kapalin (PK) byl pozorován optickým mikroskopem Carl ZEISS Axio Imager M2 a drážka profilu po tribologickém testu byla vyhodnocena mechanickým profilometrem Dektak XT (Obr. 4) firmy Bruker. Test byl prováděn za použití kuličku z materiálu Si 3 N 4 o průměru 6,350 mm, při konstantním zatížení 10 N a při pokojové teplotě. Použitý materiál disku (zkušebního vzorku) byla ocel 14 220 s vyleštěním povrchem o drsnosti R a 1,7 nm. Poloměr kružnice, po které se Ball tělísko pohybovalo, byl 13 mm (Obr. 6 a 7) a měření koeficientu tření se provádělo při použití 5% roztoku procesní kapaliny o objemu 100ml. Obr. 5 Umístění disku z oceli 14 220 na dno vaničky Obr. 6 Drážka profilu při použití PK 1 Obr. 7 Drážka profilu při použití PK 1(Universal) 3
Koeficient tření 3.2 Výsledky měření Na obrázcích 8 a) a b) jsou znázorněny drážky profilu po tribologii při použití PK 1 vyhodnocení optickým mikroskopem a mechanickým profilometrem. a) b) Obr. 8 Hodnocení drážky po tribologii při použití PK 1 a) optickým mikroskopem, b) mechanickým profilometrem Na Obr. 9 je znázorněno opotřebeni Ball tělíska Si 3 N 4 při použití PK 1 a na Obr. 10 časový průběh změny koeficientu tření. PROCESNÍ KAPALINA 1 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 100 200 300 400 500 Dráha [m] Obr. 9 Opotřebeni Ball tělíska Si 3 N 4, PK 1 Obr. 10 Časový průběh změny koeficientu tření, PK 1 Na obrázcích 11 a) a b) jsou znázorněny drážky profilu po tribologii při použití PK 2 vyhodnocení optickým mikroskopem a mechanickým profilometrem. 4
Koeficient tření a) b) Obr. 11 Hodnocení drážky po tribologii při použití PK 2 a) optickým mikroskopem, b) mechanickým profilometrem Na Obr. 12 je znázorněno opotřebeni Ball tělíska Si 3 N 4 při použití PK 1 a na Obr. 13 časový průběh změny koeficientu tření. PROCESNÍ KAPALINA 2 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 100 200 300 400 500 Dráha [m] Obr. 12 Opotřebeni Ball tělíska Si 3 N 4, PK 2 Obr. 13 Časový průběh změny koeficientu tření, PK 2 Srovnání součinitele tření mezi ocelí a kuličkou při použití PK 1, PK 2, tření na sucho a pod vodou je znázorněno na Obr. 14. 5
Koeficient tření 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 PRŮBĚH SOUČINITELE TŘENÍ V ČASE PK 1 PK 2 Tření na sucho Tření pod vodou 0 100 200 300 400 500 Dráha [m] 4. Závěr Průběh experimentu popisuje mechanizmus procesu vzájemného působení třecích elementů a jejich opotřebení. Experiment modeluje procesy při třískovém obrábění a umožňuje predikci chování procesních kapalin při jejich praktickém nasazení. Použití procesních kapalin při obrábění eliminuje etapu nárůstu koeficientu tření (Obr. 14) na začátku procesu a vede ke snížení opotřebení řezných nástrojů. Poděkování: Článek vznikl za podpory projektu OP VaVpI Inovativní výrobky a environmentální technologie, reg. č. projektu CZ.1.05/3.1.00/14.0306. Článek byl podpořen projektem OP VaVpI Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace CZ.1.05/2.1.00/01.0005, projektem Rozvoj řešitelských týmů projektů VaV na Technické univerzitě v Liberci CZ.1.07/2.3.00/30.0024 a výsledky projektu LO1201 byly získány za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPUI. Literatura [1] Hauk, V. et al.; Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Elsevier Science B. V., 1997. [2] Kraus, I. Ganev, N.; Technické aplikace difrakční analýzy, Vydavatelství ČVUT, Praha 2004. [3] Holmeg, K., Matthews, A.; Coating tribology properties, techniques and applications in surface engineering, Amsterdam, Elsevier, 1998. [4] Burakowki, T., Wierzchon, T.; Surface engineering of metals, New York, CRC Press LLC, 1999, ISNB 0 8493 8225 4. [5] Karaus, V.; Povrchy a jejich úpravy, ZČU Plzeň, 2000. [6] Hodková, Š.; Hodnocení mechanických vlastností žárových nástřiků, [disertační práce], ZČU Plzeň, 2004. [7] Novotná, K.; Tribologické vlastnosti žárově stříkaných povlaků, [Diplomová práce], ZČU Plzeň, 2004. [8] Tichotová, P.; Hodnocení tenkých otěruvzdorných vrstev deponovaných metodou CVD, [Diplomová práce], ZČU Plzeň, 2004. 6