background image

 

 

Wersja 1.0  (2003-12-08)  

WICZENIE  LABORATORYJNE  NR 5  

 

Opracowali: Dymitry Capanidis, Wojciech Wieleba 

Temat:  Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych 

1.  Wprowadzenie 

Produkcja  coraz  to  nowszych  konstrukcyjnych  tworzyw  sztucznych  o  wybranych  własno-

ciach i wła ciwo ciach u ytkowych polepszonych w okre lonych kierunkach, powoduje wzrost 

wykorzystania tych materiałów na odpowiedzialne elementy maszyn i urz dze , m.in. w w złach 

lizgowych (panewki ło ysk  lizgowych, koła z bate, krzywki, prowadnice, uszczelnienia itp.). 

Tworzywa  sztuczne  znajduj   zastosowanie  przede  wszystkim  tam,  gdzie  jest  utrudnione  lub 
wr cz  niemo liwe  smarowanie  sposobami  konwencjonalnymi.  W  takich w złach  lizgowych z 
niedostatecznym smarowaniem, b d  te  bez smarowania, wyst puje tarcie mieszane lub suche, 
a  o  jako ci  współpracy  elementów  decyduj   wówczas  głównie  wła ciwo ci  lizgowe  (tribolo-
giczne) tworzywa. 

W zły  lizgowe stanowi ce ruchowe ogniwa wi kszo ci maszyn i urz dze  maj  zasadniczy 

wpływ na trwało  i niezawodno  eksploatacyjn  całej maszyny. W przypadku nieprawidłowe-
go ich funkcjonowania, mog  by  one dodatkowo  ródłem znacznych strat energii wskutek za-
chodz cego w nich tarcia. Szczególnie wa ne jest to wła nie w warunkach tarcia mieszanego i 
suchego, w których nast puje przy pieszony proces zu ycia elementów  lizgowych, wzrost war-
to ci współczynnika tarcia i wzrost temperatury w strefie tarcia. Prowadzi to do zmiany geome-
trii współpracuj cych elementów oraz powstawania nadmiernych luzów, a tym samym powoduje 
zakłócenie  prawidłowego  funkcjonowania  w złów  lizgowych.  Poprawne  działanie  takich  w -
złów  lizgowych  zale y  wi c  przede  wszystkim  od  odpowiedniego  doboru  współpracuj cych 
materiałów oraz od poprawnej ich konstrukcji. Współczesna wiedza tribologiczna dotycz ca obu 
wymienionych zagadnie  jest jeszcze niepełna. Nie podaje ona konstruktorom wystarczaj cych 
wytycznych zarówno do optymalizacji konstrukcji w złów  lizgowych, jak te  brakuje pełnych 
informacji w zakresie optymalnego doboru tworzyw sztucznych i ich wła ciwego wykorzystania 
jako materiałów  lizgowych. 

Dobór  materiału  lizgowego  powinien  opiera   si   na  ocenie  jego  własno ci  i  wła ciwo ci 

u ytkowych na tle wymaga , jakie stawiane s  w danym w le  lizgowym. Ocen  cech u ytko-
wych dokonuje si  na podstawie bezwzgl dnych warto ci parametrów opisuj cych poszczegól-
nych  własno ci  (np.  własno ci  fizyczne,  mechaniczne,  chemiczne)  oraz  na  podstawie  wzgl d-
nych parametrów - wska ników okre lanych w badaniach ruchowych, np. w przypadku wła ci-
wo ci  tribologicznych  s   to:  warto   współczynnika  tarcia,  intensywno   zu ycia,  temperatura 
tarcia. Warto ciowanie przydatno ci materiałów  lizgowych opiera si  głównie na: 

•  wynikach bada  własno ci podstawowych materiałów, 
•  wynikach bada  tribologicznych.

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-2- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

Pierwsza grupa bada  le y przede wszystkim w sferze działa  takich nauk jak: fizyka, che-

mia ciała stałego, materiałoznawstwo i wytrzymało  materiałów. Natomiast druga grupa bada  
le y w sferze zainteresowa  tribologii. Odpowiednio do tego podziału nale y poszukiwa   ródeł 
informacji o poszczególnych własno ciach i wła ciwo ciach u ytkowych materiałów  lizgowych. 
Do najistotniejszych własno ci i wła ciwo ci u ytkowych tych materiałów wpływaj cych na ja-
ko  działania zespołów  lizgowych nale y zaliczy : 

•  wytrzymało  na  ciskanie i  cinanie zarówno statyczna jak i zm czeniowa, 
•  moduł spr ysto ci, 
•  rozszerzalno  cieplna, 
•  przewodno  i pojemno  cieplna, 
•  chłonno  wody, 
•  odporno  na zu ycie  lizgowe i nie zu ywanie przeciwelementu, 
•  warto  współczynnika tarcia z przeciwelementem, 
•  odporno  na zatarcie, 
•  odporno  na stosowane oleje, smary, materiały p dne, rozpuszczalniki i inne media. 

Badania tribologiczne, stanowi ce podstaw  wnioskowania o zwi zkach pomi dzy własno-

ciami  materiałów  i  ich  wła ciwo ciami  lizgowymi  w  danych  warunkach  ruchowych,  mo na 

ogólnie  podzieli   na  podstawowe  i  modelowe. Badania  podstawowe,  prowadzone zwykle  przy 
u yciu  prostego  modelu  tribologicznego  na  próbkach  materiałowych,  daj   przede  wszystkim 
podstawy do oceny przebiegu zjawisk tarcia i zu ycia w okre lonych warunkach ruchowych. Na-
tomiast w badaniach modelowych, prowadzonych na modelu fizycznym danego zespołu  lizgo-
wego, odwzorowuje si  w odpowiednim stopniu cechy geometryczne, kinematyczne i dynamicz-
ne zespołu. 

wiczenie obejmowa  b dzie pomiary laboratoryjne z zakresu bada  podstawowych, wyko-

nywane dla skojarzenia  lizgowego polimer-stal lub kompozyt polimerowy-stal współpracuj ce-
go w układzie „sworze -tarcza” (tzw. „pin-on-disc”), opisanym dokładniej w dalszej cz ci in-
strukcji.  W  badaniach  tych  mo na  zmienia   warunki  tarcia  (nacisk  powierzchniowy,  pr dko  

lizgania,  temperatur   tarcia,  twardo   i  chropowato   powierzchni  lizgowej  stalowego  prze-

ciwelementu),  co  umo liwia  ocen   cech  u ytkowych  materiału  w  ró nych  warunkach  tarcia. 
Mo liwe jest równie  badanie wpływu innych czynników na wła ciwo ci  lizgowe niezale ne od 
zewn trznych  warunków  tarcia.  S   to  najcz ciej  czynniki  zwi zane  z  budow   tworzywa.  W 
przypadku  polimerów  krystalicznych  mo e  to  by   wpływ  budowy  nadcz steczkowej,  stopie  
krystaliczno ci,  zorientowanie  struktury  warstwy  wierzchniej  itp. Natomiast w przypadku poli-
merów modyfikowanych (np. napełnianych ró nymi napełniaczami), kopolimerów czy kompozy-
tów na osnowie polimerów, najcz ciej bada si  wpływ poszczególnych komponentów, a wi c 
ich rodzaj, posta  strukturaln  w jakiej wyst puj  i wpływ procentowego udziału poszczególnych 
składników na wła ciwo ci tribologiczne badanego skojarzenia  lizgowego. 

Badania  podstawowe  s   fenomenologiczn   podstaw   tworzenia  hipotez  tribologicznych. 

Wyniki tych bada  mog  by  przydatne do oceny materiałów przeznaczonych na okre lone w -
zły, lecz pod warunkiem weryfikacji w badaniach modelowych. W przypadku bada  ró nych ma-
teriałów w podobnych warunków tarcia, mog  one słu y  za podstaw  ogólnej klasyfikacji two-
rzyw  lizgowych. 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-3- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

2.  Wpływ budowy polimeru na wła ciwo ci  lizgowe 

Na wła ciwo ci  lizgowe polimerów w znacznym stopniu rzutuje budowa ich makrocz ste-

czek  (ła cuchów),  z  których  s   zbudowane.  W  polimerach  o  budowie  liniowej,  nie  maj cych 
podstawników  lub  wi kszej  liczby  rozgał zie   (PTFE,  PE-HD  polietylen  wysokiej  g sto ci, 
POM, PA i inne), warto ci współczynnika tarcia s  mniejsze ni  w przypadku polimerów z pod-
stawnikami lub wi ksz  liczba rozgał zie  (PE-LD polietylen niskiej g sto ci, PMMA, PVC, PC 
i inne) [7]. W grupie polimerów o budowie liniowej warto  współczynnika tarcia istotnie zale y 
od g sto ci mi dzycz steczkowej energii kohezji, natomiast w drugiej grupie polimerów czynni-
kiem decyduj cym o warto ci współczynnika tarcia jest rozmiar podstawników i liczba rozgał -
zie . Wynika z tego,  e mał  warto ci  współczynnika tarcia charakteryzuj  si  przede wszyst-
kim polimery o liniowej budowie ła cucha i o niedu ej warto ci oddziaływa  III-rz du mi dzy 
makrocz steczkami polimeru. 

Polimery  o  budowie  liniowej  w  zale no ci  od  stopnia  uporz dkowania  makrocz steczek 

ró ni   si   struktur .  Wyró nia  si   struktury  bezpostaciowe  (nieuporz dkowane)  i  krystaliczne 
(uporz dkowane),  a  wła ciwie  semikrystaliczne,  tzn.  takie  w których  obszary  krystaliczne  roz-
mieszczone s  w o rodku bezpostaciowym. Stosunek obj to ci fazy krystalicznej do całkowitej 
obj to ci polimeru okre lany jest stopniem krystaliczno ci, przy czym praktycznie nie wyst puj  
polimery o 100% krystaliczno ci. 

Własno ci  polimerów  w  zdecydowanym  stopniu  zale   od  ich  stanu  fazowego.  Polimery 

krystaliczne  odznaczaj   si   w  porównaniu  z  polimerami  o  strukturze  bezpostaciowej  wi ksz  
twardo ci ,  wi ksz   wytrzymało ci   mechaniczn ,  mniejsz   udarno ci ,  s   bardziej  kruche  i 
mi kn  w wy szej temperaturze. Dla materiałów  lizgowych wa ne jest, aby charakteryzowały si  
odpowiedni   spr ysto ci ,  udarno ci   itp.,  a  wi c  odpowiednim  stosunkiem  obj to ci  fazy krysta-
licznej do fazy bezpostaciowej. Poszczególne polimery wykazuj  ró ne warto ci tego stosunku, przy 
którym wyst puj  najkorzystniejsze wła ciwo ci  lizgowe, mo na zatem mówi  o optymalnym stop-
niu krystaliczno ci dla ka dego z polimerów w okre lonych warunkach procesu tarcia. 

Wi kszo  polimerów krystalicznych w zale no ci od warunków krystalizacji mo e tworzy  

du  ró norodno  nadcz steczkowych struktur morfologicznych, wi

cych si  z kinetyk  pro-

cesu krystalizacji, a tym samym zwi zanych z technologi  przetwórstwa polimerów. Zmiana cha-
rakteru budowy struktury nadcz steczkowej wywołuje zmian  wła ciwo ci  lizgowych polimeru. 
Bardziej równomiernej strukturze odpowiada mniejsza warto  współczynnika tarcia. W najcz -

ciej spotykanych strukturach - sferolitycznych, ni sze warto ci współczynnika tarcia i wi ksz  

odporno  na zu ycie zapewnia struktura drobnosferolityczna, ni  struktura o wi kszych rozmia-
rach  sferolitów.  Tak e  orientacja  struktury  nadcz steczkowej,  mog ca  zachodzi   równie   pod-
czas procesu tarcia (w warstwie wierzchniej polimeru bior cej udział w tarciu), powoduje znaczn  
anizotropi  zarówno własno ci mechanicznych, jak i własno ci  lizgowych polimeru. W rezulta-
cie  orientacji  struktury  nast puje  zwi kszenie  wytrzymało ci  mechanicznej  w  kierunku  zorien-
towania. Próby powi zania wła ciwo ci tribologicznych polimerów (i innych materiałów) z wy-
trzymało ci  warstwy wierzchniej wykazały,  e im wy sza jest ta wytrzymało , tym wi ksza jest 
warto  współczynnika tarcia i tym mniejsze jest zu ycie podczas tarcia (intensywno  zu ycia). 

Nale y  zaznaczy ,  e  wpływ  poszczególnych  czynników  zwi zanych  z  nadcz steczkow  

budow  polimeru, a wi c ze stopniem krystaliczno ci, struktur  III-rz dow  i jej orientacj  nie 
jest jeszcze w pełni poznany i jest przedmiotem ci głych bada . Podczas tarcia zachodzi bowiem 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-4- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

kompleksowe oddziaływanie obci enia, temperatury i innych czynników utrudniaj cych analiz  
zachodz cych zjawisk. Z tego powodu ka dorazowo podaj c warto ci wska ników charakteryzu-
j cych wła ciwo ci  lizgowe tworzywa sztucznego obok danych o warunkach ruchowych tarcia, 
nale y podawa  szczegółowe informacje dotycz ce technologii otrzymania tworzywa oraz spo-
sobu  przygotowania  próbek  i  przeciwpróbek  (przeciwelementu  lizgowego)  do  bada   tribolo-
gicznych. 

3.  Tworzywa sztuczne stosowane na elementy  lizgowe 

Ze wzgl du na charakterystyczne ró nice zasadniczych własno ci tworzyw wielkocz stecz-

kowych dzieli si  je na elastomery (tworzywa o wysokiej spr ysto ci, np. guma) oraz na plasto-
mery (tworzywa o du ej plastyczno ci). Najcz ciej tworzywa stosowane na elementy  lizgowe 
nale  do grupy plastomerów i dzieli si  je na: termoplastyczne, termoutwardzalne i chemoutwar-
dzalne. Elastomery najcz ciej znajduj  zastosowanie na elementy uszczelnie  technicznych. 

Tworzywa  termoplastyczne  charakteryzuj   si   mi knieniem  i  przechodzeniem  w  stan  pla-

styczny wraz z podwy szeniem temperatury oraz z reguły s  rozpuszczalne w rozpuszczalnikach 
organicznych. Natomiast tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne s  nieczułe na zmiany 
temperatury, tzn. po utwardzeniu wraz ze wzrostem temperatury nie mi kn  i nie uplastyczniaj  
si  oraz s  nierozpuszczalne. 

Tworzywa  termoplastyczne  ulegaj   bardzo  łatwo  krystalizacji  (jakkolwiek  wyst puj   rów-

nie  termoplasty niekrystalizuj ce), co w du ej mierze wpływa na ich własno ci fizyczne i wła-

ciwo ci  u ytkowe.  Spójno  mi dzy  ła cuchami  utrzymywana jest  przez  działanie  słabych sił 

mi dzycz steczkowych. Uporz dkowanie ła cuchów nast puje albo pod wpływem stosunkowo 
niewysokich temperatur albo pod wpływem niewielkich sił zewn trznych. 

Tworzywa utwardzalne zawsze wyst puj  w stanie bezpostaciowym. Uporz dkowanie ła -

cuchów jest niemo liwe, gdy  pomi dzy nimi wyst puj  wi zania chemiczne (usieciowanie), a 
zerwania  tych  wi za   potrzebne  do  uporz dkowania  przez  zastosowanie  wysokiej  temperatury 
b d  sił zewn trznych prowadzi do zniszczenia polimeru. 

Do  grupy  tworzyw  termoplastycznych  najcz ciej  stosowanych  w  konstrukcji  lizgowych 

elementów maszyn zalicza si  mi dzy innymi: 

•  poliamid (PA), 
•  polioksymetylen (POM) inaczej nazywane te  jako: poliacetal lub poliformaldehyd, 
•  politetrafluoroetylen (PTFE), 
•  polichlorotrójfluoroetylen (PCTFE), 
•  polietylen wysokiej g sto ci (PE-HD), 
•  poliestry termoplastyczne: 

- poli(tereftalan etylenu) (PET),  
- poli(tereftalan butylenu) (PBT) 

•  polieteroketony (PEEK). 

Do  grupy  tworzyw  utwardzalnych  (duroplastów)  stosowanych  równie   w  konstrukcji  ele-

mentów  lizgowych nale : 

•  kompozyty na osnowie tworzyw fenolowych (PF), 
•  kompozyty na osnowie tworzyw epoksydowych (EP). 
 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-5- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

4.  Modyfikacja tworzyw sztucznych 

D enie  do  podwy szania  niezawodno ci  i  trwało ci  w złów  lizgowych prowadzi  do  po-

szukiwania  coraz  lepszych  materiałów  lizgowych,  w  tym  równie   materiałów  polimerowych. 
Opracowywanie nowych tworzyw sztucznych jest jednak niezwykle kosztowne i czasochłonne, 
dlatego najcz ciej do tworzenia nowych materiałów  lizgowych stosuje si  modyfikacj  ju  ist-
niej cych tworzyw. Sam proces modyfikacji mo e by  prowadzony w ró nych fazach przetwór-
stwa, tzn. podczas produkcji tworzywa bazowego, na etapie półfabrykatu lub po wykonaniu go-
towego wyrobu. Niekiedy proces ten mo e zachodzi  samoistnie np. podczas docierania w mate-
riałach  lizgowych  tworzy  si   warstwa  wierzchnia o polepszonych wła ciwo ciach tribologicz-
nych. Do najcz ciej spotykanych sposobów modyfikacji nale : 

•  modyfikacja chemiczna, 
•  obróbka cieplna,  
•  modyfikacja samej warstwy wierzchniej elementu z tworzywa za pomoc  np. inplantacji jo-

nowej, ró nego rodzaju napromieniowaniem, wykorzystuj c  rodki chemicznie aktywne, a 
tak e poprzez odkształcenia mechaniczne (np. obróbka plastyczna),  

•  modyfikacja przez napełnianie polimeru bazowego napełniaczami (modyfikatorami). 

Stosunkowo  szeroko  rozpowszechniona  jest  ostatnia  z  wymienionych  metod  modyfikacji 

tworzyw sztucznych, polegaj ca na napełnianiu polimerów ró nymi napełniaczami. Tworzy si  
w  ten  sposób  kompozyty  polimerowe.  Stosowane  napełniacze  powinny  zmniejsza   warto  
współczynnika tarcia, a przede wszystkim powinny zmniejsza  intensywno  zu ycia modyfiko-
wanego polimeru w warunkach tarcia bez smarowania lub ograniczonego smarowania (np. mon-
ta owego) z przeciwelementem (najcz ciej stalowym). Bardzo wa ne jest przy tym równie  to, 
by zu ycie współpartnera  lizgowego było mo liwie najmniejsze, a praca skojarzenia  lizgowego 
była stabilna w szerokim zakresie zmienno ci warunków zewn trznych procesu tarcia. 

4.1.  Rodzaje stosowanych napełniaczy 

Do  fizycznej  modyfikacji  polimerów  stosowane  s   ró nego  typu  napełniacze,  które  mo na 

klasyfikowa   na  podstawie  wielorakich  kryteriów.  Jednym  ze  sposobów klasyfikacji mo e  by  
ich podział np. ze wzgl du na rodzaj materiału. Innym sposobem klasyfikacji mo e by  ich po-
dział ze wzgl du na kształt cz stek napełniacza [7]. 

Ze wzgl du na pierwsze z wymienionych kryteriów klasyfikacji rozró nia si  podział na dwa 

zasadnicze rodzaje napełniaczy: metaliczne oraz niemetaliczne. Spo ród najcz ciej stosowanych 
napełniaczy metalicznych - zwykle o postaci proszkowej - mo na wymieni : niektóre metale (np. 
cyna, mied , ołów), stopy ło yskowe (np. br zy, mosi dze), tlenki niektórych metali (jak: Al

2

O

3

MgO, Cu

2

O, TiO

2

). Z napełniaczy niemetalicznych najcz ciej stosowane s : inne polimery (np. 

PTFE,  PE,  ró ne  ywice),  napełniacze  mineralne  (np.  kreda,  mika)  oraz  inne  substancje,  jak: 
MoS

2

, sadza, grafit, włókno w glowe, włókno szklane itp. Inn  klasyfikacj  napełniaczy, tak e 

ze wzgl du na rodzaj materiału, jest ich podział oparty na kryterium składu chemicznego zwi z-
ku, według którego dzieli si  je na: organiczne i nieorganiczne. 

Według  kryterium  kształtu,  napełniacze  zasadniczo  dzieli  si   na:  dyspersyjne  -  nazywane 

równie  proszkowymi (o postaci granulek, blaszek lub drobnych włókienek) i włókniste (włókna 
długie i włókna krótkie - ci te).  

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-6- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

Napełniacze wprowadza si  do polimerów w ró nych celach. Mog  one poprawia  wybrane 

własno ci fizyczne, ułatwia  przetwórstwo polimeru b d  mog  obni a  cen , albo te  spełnia  
jednocze nie (kompromisowo) wybrane lub wszystkie te cele. Dobór liczby napełniaczy, ich ro-
dzaju i postaci oraz ich ilo ciowego udziału zale y od tego, jakie maj  by  docelowe wła ciwo ci 
kompozytu. 

Mo liwo ci znacznego polepszenia wła ciwo ci tribologicznych polimerów poprzez ich fi-

zyczn  modyfikacj  zilustrowano na przykładzie polioksymetylenu (POM) [3] współpracuj cego 

lizgowo  ze  stal   w  warunkach  tarcia  technicznie  suchego.  Badania  tribologiczne  prowadzono 

przy ustalonych warto ciach parametrów ruchowych (

p = 1,24 MPa, 

v = 1 m/s). W tych warun-

kach tarcia POM niemodyfikowany wykazywał intensywno  zu ycia liniowego 

I

zl 

= 26 

µm/km 

oraz warto  współczynnika tarcia 

µµµµ

=0,30÷0,35 natomiast kompozyty utworzone na jego osno-

wie wykazały znacznie lepsze wła ciwo ci tribologiczne: 

•  POM+20% obj. proszku PTFE+15% obj. proszku br zu (I

zl 

=1÷1,6 

µm/km, 

µµµµ

=0,18÷0,20), 

•  POM+20%  obj.  proszku  PTFE+6%  obj.  wypełniacza  szklanego  (I

zl 

=1÷1,5 

µm/km, 

µµµµ

=0,18),  

•  POM+18% obj. proszku PTFE+6% obj. proszku br zu+6% obj. wypełniacza szklanego  

(

I

zl

 < 1 µm/km , 

µµµµ

=0,18). 

5.  Podstawowe teorie tarcia i zu ywania 

Tarcie  zewn trzne  jest  procesem  rozpraszania  energii  na  styku  przemieszczaj cych  si  

wzgl dem siebie ciał. Mimo intensywnych od wielu lat bada , nauka o tarciu opiera si  na szere-
gu hipotez obejmuj cych jedynie poszczególne oddziaływania zachodz ce pomi dzy współpra-
cuj cymi ciałami. Wynika to ze zło ono ci tego zagadnienia, poniewa  w systemie tribologicz-
nym wyst puj  równoczesne ró norodne oddziaływania, zarówno mechaniczne jak i fizyczne a 
tak e chemiczne, zwi zane z budow  warstwy wierzchniej elementów bior cych udział w proce-
sie tarcia. Wi kszo  powstałych teorii dotycz cych tego zjawiska została opracowana dla meta-
li. Tworzywa sztuczne, a zwłaszcza polimery termoplastyczne, s  o wiele bardziej wra liwe na 
warunki  otoczenia  (np.  temperatur )  ni   metale.  Jednak  ogólne  postulaty  teorii  tarcia  mo na 
równie  przyj  dla materiałów polimerowych. w tym wypadku analiza zjawisk jest trudniejsza i 
wymaga pewnych uproszcze . Poni ej wymieniono najwa niejsze teorie tarcia ciał stałych.  

Adhezyjna teoria tarcia (Bowden, Tabor 1954). Teoria ta zakłada,  e styk ciał nie zachodzi 

na nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówno ci znajduj ce si  na powierzchni ule-
gaj  deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której poja-
wiaj  si  tzw. "mostki zwarcia". Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów adhezyjnych.  

Molekularna teoria tarcia (Tomlinson 1929, Deriagin 1933, 1952). Teoria ta zakłada,  e w 

wypadku powierzchni gładkich tarcie zachodzi w obszarze sił mi dzycz steczkowych tj. sił po-
mi dzy powłokami elektronowymi atomów stykaj cych si  ciał. Oznacza to,  e siły przylegania 
lub przyci gania mi dzycz steczkowego powinny by  uwzgl dniane w teoriach tarcia.  

Adhezyjno-odkształceniowa  (mechaniczna)  teoria  tarcia  (Kragielski  1949,  1957,  1965). 

Teoria ta próbuje poł czy  oddziaływanie mechaniczne tr cych ciał oraz oddziaływanie przyci -
gania molekularnego. Uwzgl dnia si  w niej zarówno zaczepianie nierówno ci powierzchni tr -
cych ciał jak i siły adhezyjne spowodowane oddziaływaniem sił molekularnych. Bierze si  rów-
nie  pod uwag  rzeczywist  powierzchni  styku.  

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-7- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

Energetyczna teoria tarcia (Kuzniecov 1927, Kostecki 1970). Według tej teorii istnieje bi-

lans  energetyczny  procesów  tarcia  zewn trznego.  Zjawiska  cieplne,  akustyczne  i  elektryczne  a 
tak e  procesy  zu ywania  powoduj   straty  energetyczne.  Prac   sił  tarcia  mo na  okre li   zatem 
sum  składowych energetycznych. Według Kosteckiego praca tarcia zewn trznego składa si  z 
energii przetworzonej na ciepło oraz energii rozproszonej.  

W praktyce podczas procesu tarcia oprócz sczepiania si  nierówno ci powierzchni, wyst pu-

je zawsze odkształcenie warstwy wierzchniej. W wypadku mi kkich tworzyw, jakimi jest wi k-
szo  polimerów, wi ksz  rol  odgrywa oddziaływanie molekularne ni  czysto mechaniczne za-
czepianie mikronierówno ci powierzchni i  lizganie wzajemne po sobie i dlatego do mikrosko-
powego opisu procesu tarcia najcz ciej wykorzystuje si  teori  adhezyjno-odkształceniow . 

Z procesem tarcia zwi zany jest  ci le proces zu ywania materiału. Proces ten powodowany 

jest  cieraniem, p kaniem i wykruszaniem cz stek materiału oraz adhezj  powierzchni współpra-
cuj cych elementów i reakcjami tribochemicznymi zachodz cymi na powierzchni tarcia. W wy-
padku współpracy tworzyw sztucznych z metalami najcz ciej spotykanymi rodzajami zu ywa-
nia s :  

•  Zu ywanie adhezyjne. Zwi zane jest z adhezj  powierzchni tr cych. Powoduje ona lokal-

ne sczepienia tych powierzchni i co si  z tym wi e odkształcenie materiału, p kanie wi -
za  kohezyjnych i przenoszenie polimeru na powierzchni  przeciwelementu. W dalszej fa-
zie ruchu nast puje odrywanie si  przeniesionego materiału od przeciwelementu i usuni cie 
go ze strefy tarcia w postaci produktów zu ycia. Proces ten odbywa si  cyklicznie i powo-
duje zu ywanie przede wszystkim materiału polimerowego. Istotny wpływ na warto  ad-
hezji ma energia powierzchniowa materiału polimerowego, a tak e chropowato  przeciwe-
lementu metalowego.  

•  Zu ywanie  cierne. Wyst puje przy współpracy materiału polimerowego z powierzchni  

metalow ,  zwłaszcza,  gdy  ma  ona  du   chropowato .  Wówczas  wystaj ce  nierówno ci 
twardszego materiału spełniaj  rol  mikroostrzy. Ubytek materiału spowodowany jest mi-
kroskrawaniem,  rysowaniem lub bruzdowaniem. Proces ten zachodzi równie , gdy w ob-
szarze tarcia współpracuj cych elementów znajduj  si  lu ne lub utwierdzone cz stki  cier-
niwa. Zu ywanie  cierne w wypadku par  lizgowych polimer-metal mo e dotyczy  zarówno 
polimeru jak i metalu. Ten drugi przypadek zachodzi, gdy polimer jest wypełniony twardy-
mi cz stkami np. włóknem szklanym, proszkiem kwarcu itp. Wówczas twarde cz stki wy-
pełniacza mog  skrawa  powierzchni  metalu powoduj c jej zu ywanie. Zu ywanie  cierne 
charakteryzuje si  du  intensywno ci  i cz sto powoduje silne rozgrzewanie materiału po-
limerowego. Dlatego towarzysz  mu - poza mechanicznymi - równie  cieplne i chemiczne 
procesy zu ywania.  

•  Zu ywanie  zm czeniowe.  Przyczyn   tego  typu  zu ywania  jest  cykliczne,  zmienne  od-

kształcanie warstwy wierzchniej. Z tego powodu na powierzchni pojawiaj  si  mikrop k-
ni cia, których dalszy rozwój i ł czenie powoduje wykruszanie si  materiału. Zu ywanie to 
ro nie  szybko  gdy  odkształcenia  materiału  polimerowego  maj   charakter  plastyczny.  W 
wypadku polimerów zu ywanie zm czeniowe powoduje p kanie ła cuchów makrocz ste-
czek. Przyczynia si  to do zmniejszenia masy cz steczkowej polimeru w warstwie wierzch-
niej  i  zmniejszenie  stopnia  krystaliczno ci  polimeru.  W  kompozytach  zawieraj cych  np. 
włókno szklane lub w glowe wyst puje zu ywanie zwi zane z rozwojem dyslokacji zwi -
zanych  z  nieci gło ci   materiału  wokół włókien.  Wskutek  tego nast puj   mikrop kni cia 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-8- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

pod powierzchni  a cz stki materiału polimerowego s  usuwane z powierzchni w wyniku 
oddziaływa  mechanicznych lub zjawiska adhezji.  

•  Zu ywanie erozyjne. Zu ywanie to powstaje w wyniku uderzania drobnych cz stek o po-

wierzchni  materiału. Powoduje to ubytek materiału zwany erozj . Proces ten jest mało zna-
ny  i  zakłada  si ,  e  dla  materiałów  polimerowych  mo e  by   traktowany  jako  zu ywanie 
zm czeniowe.  

•  Zu ywanie chemiczne. Zu ywanie to wyst puje wskutek reakcji chemicznych zachodz -

cych  pomi dzy  współpracuj cymi  materiałami.  Mo e  by   równie   zwi zane  z  reakcjami 
pomi dzy  materiałem  a  rodowiskiem  (np.  utlenianie),  w  którym  zachodzi  proces  tarcia. 
Procesy degradacji maj  du y wpływ na intensywno  przenoszenia materiału. Zu ywanie 
chemiczne towarzyszy zwykle innym rodzajom zu ywania.  

•  Zu ywanie cieplne. Zu ywanie to zachodzi w wyniku wydzielania si  du ej ilo ci ciepła, 

które powoduje zmi kczenie materiału w warstwach wierzchnich. Nast pnie zachodzi na-
mazywanie a nawet sklejanie tr cych powierzchni powoduj c zatarcie. Dlatego zwykle zu-

ywanie to nazywane jest zu ywaniem awaryjnym. 

6.  Czynniki wpływaj ce na przebieg procesu tarcia i zu ywania polimerów 

6.1.  Wpływ stanu powierzchni metalowego współpartnera  lizgowego na tarcie tworzyw 

sztucznych 

Do głównych czynników zwi zanych ze stanem powierzchni metalowego współpartnera  li-

zgowego  tworzyw sztucznych, które maj  wpływ na rodzaj zachodz cego tarcia i mechanizmy 
zu ycia,  nale y  zaliczy   chropowato   i  twardo   powierzchni  lizgowej.  Oczywi cie  i  inne 
czynniki zwi zane ze stanem powierzchni metalowego elementu tak e wpływaj  na proces tarcia 
tworzyw sztucznych, jak na przykład skład chemiczny warstwy wierzchniej, czy kierunek struk-
tury powierzchni ( ladów obróbczych) po obróbce wyka czaj cej. Niemniej jednak, ze wzgl du 
na technologi  wykonywania takich elementów, maj  one do  ograniczony zakres dowolno ci i 
najcz ciej  konstruktor  nie  ma  na  te  czynniki  wpływu.  Przykładem  tego  mo e  by  czop  wału, 
który po szlifowaniu ma zwykle obwodowe  lady obróbki. 

6.1.1  Chropowato  metalowej powierzchni  lizgowej 

Chropowato  metalowej powierzchni  lizgowej

 ma zasadnicze znaczenie je li chodzi o ro-

dzaj  wyst puj cego  tarcia  przy  współpracy  z  polimerem.  W  przypadku  bardzo  gładkich  po-
wierzchni,  dominuj c   rol   w  procesie  tarcia  odgrywa  adhezja  powierzchni  tworzywa  do  po-
wierzchni metalowego przeciwelementu. Rezultatem tego jest stosunkowo du a warto  współ-
czynnika  tarcia,  przeci tnie  1,5  do  2  razy wi ksza, ni   przy  tarciu  po  powierzchniach  bardziej 
chropowatych. Wyst powanie silnej adhezji tak e niekorzystnie wpływa na intensywno  zu y-
cia.  Zjawisko  adhezji  podczas  tarcia  tworzyw  sztucznych  po  gładkich  metalowych  powierzch-
niach  przejawia  si   jeszcze  bardziej  ze  wzrostem  nacisku,  powoduj cego  wzrost  rzeczywistej 
powierzchni  styku  i  zbli enie  cz stek  współpracuj cych  powierzchni  na  odległo   zasi gu  od-
działywa  II rz du. W miar  wzrostu chropowato ci warto  współczynnika tarcia zmniejsza si  
osi gaj c minimum (zmniejsza si  adhezja), a nast pnie znowu wzrasta (rys. 1).  

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-9- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

a) 

PE-LD

PE-HD

   b)

PE-LD

PE-HD

 

Rys. 1.  Zmiana warto ci współczynnika tarcia 

µµµµ

 (rys. a) oraz współczynnika zu ycia 

K

sl

 [mm

3

/Nm] (rys. 

b) w zale no ci od chropowato ci elementu 

R

a

 stalowego dla ró nych polimerów  

Przyczyn  tego wzrostu jest przej cie przy du ych chropowato ciach powierzchni do innego 

rodzaju tarcia, w którym dominuj c  rol  odgrywaj  zjawiska dekohezyjne zwi zane z rysowa-
niem,  bruzdowaniem  i  mikroskrawaniem  powierzchni  lizgowej polimeru (rys.2). Powoduje to 
wzrost oporów tarcia i gwałtowny wzrost zu ycia tworzywa, w którym zasadniczy udział ma zu-

ycie  cierne. 

 

 

Rys. 2. Wpływ chropowato ci 

R

a

 stalowego elementu warto ci współczynnika tarcia 

µµµµ

 

Mo na zatem okre li  optymaln  warto  chropowato ci metalowego przeciwelementu, przy 

której opory tarcia b d  małe a jednocze nie odporno  na zu ycie współpracuj cej pary  lizgo-
wej jest jak najwi ksza. Nale y zauwa y ,  e ró ne tworzywa sztuczne wymagaj  innych opty-
malnych warto ci chropowato ci powierzchni stalowego przeciwelementu (tabela 1). 

Tabela 1  

Optymalne chropowato ci powierzchni przeciwelementu  

stalowego dla wybranych polimerów 

Tworzywo sztuczne 

Optymalna chropowato  

R

a

 [

µm]  

PA6,  PA6.6,  PI 

1,5–3,0 

PA/grafit,  PA/MoS

,  PA6.6/PE 

1,0–2,0 

PA11,  PA12 

0,5–1,0 

POM 

0,7–0,9 

PTFE 

0,2 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-10- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

6.1.2  Twardo  metalowego elementu 

Twardo   metalowego  elementu podobnie  jak chropowato   ma istotny, chocia  mniej in-

tensywny, wpływ na rodzaj zachodz cych na powierzchni  lizgowej oddziaływa . Ze wzrostem 
twardo ci powierzchni metalu, b d cej miar  stanu umocnienia warstwy wierzchniej, nast puje 
wzrost  energii  powierzchniowej.  Z  tribologicznego  punktu  widzenia,  wyst powanie  na  po-
wierzchni metalowej energii swobodnej powoduje wzbudzenie atomów warstwy powierzchnio-
wej,  a  tym  samym  zwi kszenie  ich  aktywno ci  chemicznej.  Wywiera  to  okre lony  wpływ  na 
wzajemne  oddziaływanie  powierzchni  b d cych  w  styku  (polimer-metal),  inicjuj c  dyfuzj , 
sorpcj  i adhezj . Wzrost temperatury wywołany tarciem, którego nie da si  unikn , dodatkowo 
zwi ksza udział zjawisk adhezyjnych. Zwi zane jest to z kolei ze wzrostem energii powierzchni, 
w odró nieniu jednak od energii powierzchniowej (napi cia powierzchniowego), która maleje ze 
wzrostem  temperatury.  Wzrost  energii  powierzchni  powoduje wzrost  amplitudy  drga   atomów 
na powierzchni metalu w kierunku prostopadłym do powierzchni, co sprzyja powstawaniu wi zi 
z atomami obcymi na powierzchni tworzywa (adhezja, sorpcja). 

Wobec podanych zale no ci wpływu stanu powierzchni metalowego elementu, najkorzyst-

niejsze  wła ciwo ci  tribologiczne  skojarzenia  polimer-metal  (w  danych  warunkach  ruchowych 
tarcia) powinny wyst powa  przy pewnych optymalnych warto ciach obu wymienionych czynni-
ków, co zostało potwierdzone w wielu pracach badawczych. W wypadku twardo ci powierzchni 
stalowego przeciwelementu nie mo na poda  jej optymalnej warto ci. W łagodnych warunkach 
tarcia  (małe  naciski)  lepsze  wła ciwo ci  tribologiczne  uzyskuje  si   przy  małych  warto ciach 
twardo ci (30-40 HRC). Jednak w zakresie du ych warto ci nacisku, przy małej twardo ci stalo-
wego  przeciwelementu,  nast puje  zwi kszone  zu ycie  powierzchni  stalowej  ze  wzgl du  na 
mniejsz  wytrzymało  zm czeniow  stalowych mikronierówno ci,  cinanych na skutek wielo-
krotnych  oddziaływa  z  powierzchni   polimeru.  W  takich  przypadkach  zaleca  si   by twardo  
powierzchni  stalowego  przeciwelementu  była  wi ksza  od  50  HRC.  Jest  to  uzasadnione  tak e 
tym,  e  w  skojarzeniach  lizgowych  polimer-metal  elementem  wymiennym  na  skutek  zu ycia 
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 si  na powierzchniach polimeru i metalu warstwy  lizgowej zbudo-
wanej z materiału polimerowego. Warstewka ta powoduje mi dzy innymi to,  e tarcie zachodzi 
pomi dzy powierzchniami polimerowymi, a nie bezpo rednio pomi dzy polimerem a metalem. 
Zdj cie  mikroskopowe  przeniesionej  warstewki  PTFE  na  powierzchni   stalowego  przeciwele-
mentu przedstawiono na rys. 3. 

Wyja nieniem oraz rol  tego zjawiska w procesie tarcia i zu ywania zajmuje si  szereg ba-

daczy.  Niektórzy  z  nich  (Tabor,  Briscoe,  Lee)  uwa ali,  e  przenoszona  warstewka  PTFE 
wykazuje  bardzo  słab   adhezj   do  podło a,  w  zwi zku  z  czym  jest  ona  łatwa  do  usuni cia 
podczas powtórnego  lizgania si  po niej elementu z tworzywa. Jednocze nie warstewka ta po 
usuni ciu  jest  ci gle  odnawiana.  Badacze  ci  sugerowali,  e  siły  adhezyjne  maj   natur   sił 
coulombowskich  i  oddziaływa   Van  der  Waalsa.  Czynnikiem  maj cym  istotne  znaczenie  w 
procesie zu ywania pary polimer-metal jest energia powierzchniowa polimeru. Im wi ksza jest 
warto  tej energii tym mocniej warstwa polimeru przylega do przeciwelementu metalowego.  

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-11- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

Mocno  przylegaj ca  warstewka  chroni  powierzchni   metalu  przed  niszcz cym  działaniem 

twardych cz stek  ciernych, które mog  znajdowa  si  w obszarze tarcia. Materiały charaktery-
zuj ce si  du  warto ci  energii powierzchniowej tworz  film o wi kszej spójno ci cz stek lub 
warstw, z których został on zbudowany podczas procesu tarcia. Takie warstwy s  bardziej od-
porne na zu ycie. Jednocze nie jednak silne oddziaływania adhezyjne powoduj ,  e polimerowe 
cz stki s  łatwiej wyci gane b d  wyrywane powierzchni  lizgowej materiału polimerowego.  

 

a)  

  b) 

 

Rys. 3.  Zdj cia mikroskopowe powierzchni elementu stalowego z widoczn  warstewk  przeniesionego 

PTFE po  lizgowej współpracy z kompozytem PTFE+15% grafitu w warunkach tarcia suchego 

6.2.  Wpływ parametrów ruchowych na tarcie pary  lizgowej polimer-metal 

Spo ród wielu parametrów ruchowych maj cych wpływ na wła ciwo ci tribologiczne skoja-

rze   lizgowych polimer-metal, do najbardziej istotnych - najcz ciej uwzgl dnianych oraz ma-
j cych  praktyczne  wykorzystanie  w  projektowaniu  i  eksploatacji  w złów  lizgowych  -  nale : 
temperatura tarcia, nacisk powierzchniowy i pr dko   lizgania. Wpływ tych czynników na za-
chowanie si  tworzywa w procesie tarcia został ju  wcze niej cz ciowo opisany w odniesieniu 
do wyst puj cych mechanizmów zu ycia, dlatego w tym rozdziale ograniczono si  do podania 
zale no ci zmian warto ci współczynnika tarcia od wymienionych parametrów ruchowych. 

6.2.1  Wpływ temperatury  

Wła ciwo ci tribologiczne, podobnie jak inne wła ciwo ci materiałów polimerowych, ulega-

j  zmianie wraz z temperatur . Ogólny przebieg warto ci współczynnika tarcia w funkcji tempe-
ratury przedstawiono na rysunku 4. Widoczne s  trzy obszary odpowiadaj ce stanom fizycznym 
w jakich mo e znajdowa  si  rozpatrywany materiał polimerowy podczas tarcia. Obszar I odpo-
wiada stanowi wysokoelastycznemu, obszar II - wymuszonej elastyczno ci natomiast obszar III 
odpowiada stanowi szklistemu. Wraz ze zmian  stanu fizycznego polimeru zmienia si  mecha-
nizm jego tarcia W obszarze stanu szklistego (III) du e znaczenie maj  straty mechaniczne pod-
czas  obj to ciowego  przeformowania  warstw  wierzchnich  polimeru.  Udział  składowej  mecha-
nicznej  w  pobli u  temperatury  zeszklenia 

T

g

  jest  porównywalny  udziałem  sił  adhezyjnych.  W 

pobli u  tej  temperatury  wyst puje  minimum  warto ci  współczynnika  tarcia.  Wraz  z  dalszym 
wzrostem  temperatury  coraz  wi ksz   rol   odgrywaj   oddziaływania  adhezyjne  polimeru  do 
współpracuj cej powierzchni (składowa adhezyjna siły tarcia). Warto  współczynnika tarcia ro-

nie, a  do osi gni cia maksimum w pobli u temperatury mi knienia 

T

m

.  

cie ka tarcia 

Warstewka  

przeniesionego 

PTFE 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-12- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

 

Rys. 4.  Ogólna zale no  współczynnika tarcia od temperatury dla polimerowych materiałów termopla-

stycznych (

T

g

 - temperatura zeszklenia, 

T

m 

- temperatura mi knienia, obszar I - stan wysokoela-

stycznemu, obszar II - stan wymuszonej elastyczno ci, obszar III - stan szklisty) 

Najbardziej  wra liwymi  na  zmian   temperatury  materiałami  polimerowymi pod wzgl dem 

wła ciwo ci tribologicznych s  termoplasty. Zmiana wła ciwo ci tribologicznych wybranych po-
limerów termoplastycznych w funkcji temperatury została przedstawiona na rysunku 5. Jak wy-
nika z przedstawionych zale no ci warto  współczynnika tarcia 

µµµµ

 dla wi kszo ci polimerów (z 

wyj tkiem PTFE) maleje natomiast intensywno  zu ywania 

I

z

 ulega zwi kszeniu wraz ze wzro-

stem temperatury. 

 

a) 

  b) 

 

Rys. 5.  Wpływ temperatury na warto  współczynnika tarcia 

µµµµ

 (rys. a) oraz intensywno  zu ywania 

I

z

 

(rys. b) dla wybranych polimerów współpracuj cych ze stal   

6.2.2  Wpływ pr dko ci  lizgania  

Wpływ  pr dko ci  lizgania  w  badaniach  tribologicznych  jest  trudny  do  rozró nienia  od 

wpływu  temperatury  tarcia  wobec  małej  przewodno ci  cieplnej  polimerów  i  zwi zanej  z  tym 
nieuniknionym  nagrzewaniem  si   powierzchni  lizgowej  podczas  tarcia.  Szczególnie  wyra nie 
przejawia si  to przy wi kszych pr dko ciach  lizgania. Nawet je li uniknie si  nagrzewania po-
wierzchni  lizgowej, to wpływ pr dko ci  lizgania na warto  współczynnika tarcia i na inten-
sywno  zu ycia jest istotny, jakkolwiek w ramach znanych teorii tarcia nie mo na przytoczy  

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-13- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

ogólnych praw charakteryzuj cych ten wpływ. Zale no  pr dko ci  lizgania na proces tarcia ł -
czy si  z dynamik  oddziaływa  zachodz cych na powierzchni  lizgowej i z czasem styku tr -
cych si  materiałów, w którym cz steczki obu powierzchni mog  z sob  oddziaływa .  wiadczy 
o tym przebieg warto ci współczynnika tarcia niektórych polimerów, gdzie ze wzrostem pr dko-

ci  lizgania tarcie maleje (rys. 6). Zale no ci zu ycia niektórych polimerów w funkcji pr dko ci 
lizgania  przedstawiono  na  rys. 7, gdzie mo na znale  podobie stwo do przebiegu zu ycia w 

funkcji  temperatury,  co  wynika  z  nagrzewania  si   powierzchni  lizgowej  przy  du ych 
pr dko ciach  lizgania. 

6.2.3  Wpływ nacisku powierzchniowego 

  Wpływ nacisku powierzchniowego na wła ciwo ci  lizgowe mo na ustali  tylko w krót-

kim przedziale czasu, gdy  takie czynniki, jak nagrzewanie si  i zmiana profilu powierzchni  li-
zgowych  w  czasie  tarcia  zmieniaj   wła ciwe  wyniki.  Praktycznie  nie  daje  si   wykluczy   tych 
czynników i wówczas podaje si  zale no  warto ci współczynnika tarcia od nacisku dla ustalo-
nego stanu. W ogólnym przypadku charakter przebiegu warto ci współczynnika tarcia od obci -

enia  dla  tworzyw  sztucznych  współpra-

cuj cych  z  elementem  metalowym  ma 
wygl d jak na rys. 8. 

Podczas  tarcia  tworzyw  sztucznych 

styk jest cz ciowo spr ysty i cz ciowo 
plastyczny  z  przewag   pierwszego  przy 
małych  obci eniach,  a  drugiego  przy 
wi kszych  warto ciach  obci enia  (naci-
sku). W przedziale A warto  współczyn-
nika tarcia zmniejsza si  w miar  wzrostu 
obci enia  wskutek  wzrostu  rzeczywistej 
powierzchni  styku  przy  spr ystym  kon-

 

Rys. 6.  Warto  współczynnika tarcia niektórych 

polimerów w zale no ci od pr dko ci 

lizgania 

v 

 

Rys. 7.  Współczynnik zu ycia 

K

w

 (patrz wzór 9.3) 

niektórych polimerów w zale no ci od 
pr dko ci  lizgania 

v 

 

Rys. 8. Ogólny przebieg zmian warto ci współczynnika 

tarcia 

µµµµ

 w zale no ci od obci enia 

F

µµµµ    

µµµµ    

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-14- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

takcie. Po osi gni ciu minimum (przedział B) warto  współczynnika tarcia zwi ksza si  (prze-
dział C), co spowodowane jest wzrostem udziału styku plastycznego z jednoczesnym wzrostem 
sił  mikroskrawania.  Przy  dalszym  wzro cie  obci enia  (przedział  D)  nast puje  nieznaczny 
wzrost warto ci współczynnika tarcia, a nast pnie jego zmniejszenie w wyniku podwy szenia si  
temperatury w strefie styku i mniejszej wytrzymało ci na  cinanie materiału polimerowego. 

7.  Cel  wiczenia i zakres bada  

Celem  wiczenia jest okre lenie wpływu rodzaju badanych materiałów polimerowych (kom-

pozytów  polimerowych  i  ewentualnie  ich  składu)  na  ich  wła ciwo ci  tribologiczne  podczas 
współpracy ze stal  w ustalonych warunkach tarcia (

p - nacisk powierzchniowy, 

v - pr dko   li-

zgania lub 

T

0

 - temperatura otoczenia. Ponadto w ramach  wiczenia przeprowadzone zostan  ob-

serwacje mikroskopowe powierzchni  lizgowej badanych materiałów. Na podstawie uzyskanych 
wyników  bada   tribologicznych i mikroskopowych przeprowadzona zostanie identyfikacja wy-
st puj cych procesów zu ycia. 

8.  Badania tribologiczne kompozytów polimerowych 

8.1.  Opis stanowiska badawczego 

Badania tribologiczne prowadzone s  na tribometrze T-01 M produkcji MCNEMT w Rado-

miu  (stanowisko  badawcze  typu  „sworze –tarcza”).  Schemat  pary  lizgowej  przedstawiono  na 
rysunku 8.1, natomiast widok stanowiska na rysunku 8.2. Stanowisko jest nap dzane silnikiem 
elektrycznym pr du przemiennego. Jego pr dko  obrotow  reguluje si  przy pomocy falownika. 
Nap d z silnika jest przekazywany przez układ przekładni na wrzeciono (4), do którego mocuje 
metalow   tarcz   (3)  spełniaj c   rol   przeciwelementu  w  badanym  skojarzeniu  lizgowym 
(rys.8.2 b). Drugim elementem tego skojarzenia jest próbka (1) wykonana z materiału polimero-
wego. Próbka ma kształt sworznia o  rednicy 8 mm i wysoko ci ok. 8 mm. Współpracuje ona 
podczas bada  z płask  powierzchni  przeciwelementu (3) na promieniu 

r [m] (rys.8.1). Je eli 

pr dko   obrotowa  tarczy  wynosi 

n  [obr/min]  to  pr dko   lizgania 

v  [m/s]  próbki  wzgl dem 

tarczy okre la zale no : 

 

v = 

ω

ωω

ω

 

⋅ r = π ⋅ r ⋅ n / 30  [m/s] 

(8.1) 

Próbka  jest  osadzona  w  metalowej 

oprawce (2), która zabezpiecza j  przed 
odkształceniem  podczas  mocowania  w 
specjalnym  zacisku  znajduj cym  si   na 
ko cu  ramienia  (7).  Układ  ło ysk  (11) 
umo liwia  obrót  ramienia  zarówno  w 
płaszczy nie  poziomej  jak  i  pionowej. 
Ci ar  próbki  z  oprawk   oraz  ci ar 
własny  ramienia  s   równowa one  przy 
pomocy specjalnych nakr tek stanowi -
cych  przeciwwag   (8).  Obci enie 
próbki  sił   nacisku 

F

N

  dokonuje  si  

 

Rys. 8.1. Schemat pary  lizgowej typu sworze  – tarcza  

 (1 – próbka polimerowa, 3 – przeciwelement  
 stalowy) 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-15- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

przy pomocy zestawu obci ników (9) mocowanych w uchwycie na ramieniu (7) bezpo rednio 
nad próbk . Warto  siły 

F

N

 okre la si  na podstawie wymaganego nacisku jednostkowego oraz 

powierzchni styku próbki z przeciwelementem. Reguluje si  j  poprzez zmian  ilo ci odwa ni-
ków stanowi cych obci enie. 

Siła tarcia 

F

t

, która powstaje podczas współpracy pary  lizgowej, oddziałuje poprzez próbk  

na rami  (7). Powoduje to pojawienie si  momentu, który próbuje obróci  rami  wokół jego osi 
pionowej. Obrotowi przeciwdziała czujnik siły (10), zamocowany do obudowy stanowiska, który 
został umieszczony wzdłu  kierunku działania siły tarcia. W ten sposób warto  siły naporu ra-
mienia (7) na czujnik jest równa warto ci siły tarcia. Czujnik siły poł czony jest z układem po-
miarowym, w którego skład wchodz : rejestrator sygnału MC 201 i komputer IBM PC.  

 

 

a) 

 

b) 

 

Rys. 8.2.  

Stanowisko do bada  tribologicznych – tribotester T-01M (a - widok ogólny, b - widok  

szczegółowy) 1 – próbka polimerowa, 2 – oprawka, 3 –przeciwelement stalowy, 4 – wrzeciono,  
5 –  ruba mocuj ca, 6 – nakr tka zacisku, 7 – rami , 8 – przeciwwaga, 9 – obci niki, 10 – czuj-
nik siły, 11 – ło yska umo liwiaj ce obrót ramienia 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-16- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

8.1.1  Wyznaczanie warto ci współczynnika tarcia 

Podczas  bada   tribologicznych  prowadzonych na  omawianym  stanowisku  badawczym  siła 

tarcia 

F

t

 jest rejestrowana w ustalonych odst pach czasu (np. co 2 sekundy) w postaci sygnału 

napi ciowego.  Wyniki  zapisywane  s   przy  wykorzystaniu  komputera  poł czonego  z  rejestrato-
rem sygnałów MC-201. Na ich podstawie oraz przeprowadzonego wcze niej cechowania stano-
wiska,  polegaj cego  na  okre leniu  zale no ci  pomi dzy  obserwowanym  przyrostem  napi cia  a 
ustalonym przyrostem siły obci aj cej czujnik siły, mo na obliczy  chwilowe warto ci siły tar-
cia 

F

(

t) z nast puj cej zale no ci: 

 

F

t

 = 

C

F

 

 

∆∆∆∆

U . 

(8.2) 

gdzie:  

∆∆∆∆

U [mV] –   przyrost napi cia U w stosunku do napi cia offsetowego U

0

  

 

      

∆∆∆∆

U = U

0

  ,

 

C

F

 [N/mV] – współczynnik proporcjonalno ci wynikaj cy z cechowania czujnika siły. 

Warto  współczynnika tarcia 

µ 

µ 

µ 

µ 

(t) w funkcji czasu okre la wzór: 

 

( )

( )

N

t

F

t

F

=

µµµµ

 . 

(8.3) 

8.1.2  Pomiar zu ycia 

Spo ród wielu metod najcz ciej stosowanymi miarami zu ywania tribologicznego materia-

łów polimerowych s : 

•  zu ycie wagowe – okre la si  je wa c próbk  polimerow  przed i po procesie tarcia. Uby-

tek masy traktuje si  jako miar  zu ycia materiału. 

•  zu ycie obj to ciowe – okre la si  jako ró nic  obj to ci próbki przed i po procesie tarcia 

przy pomocy specjalnych przyrz dów np. piktometru. Zu ycie obj to ciowe mo na wyzna-
czy  na podstawie zu ycia wagowego uwzgl dniaj c g sto  badanego materiału. Mo na je 
równie  okre li  na podstawie zmiany wymiarów próbki w wyniku procesu tarcia. 

•  zu ycie liniowe – okre la si  jako ró nic  wymiarów próbki przed i po procesie tarcia, mie-

rzonych zwykle w kierunku działania siły nacisku F

(prostopadle do kierunku tarcia). 

Nale y zauwa y ,  e w literaturze [1], [2], [6] spotykane s  tak e inne współczynniki okre-

laj ce odporno  na zu ywanie materiałów, które np. okre laj  ubytek materiału (wagowy lub 

obj to ciowy) podczas procesu tarcia w stosunku do pracy siły tarcia czyli energii rozpraszanej w 
wyniku tarcia współpracuj cych materiałów. Przykładem mo e by  stała zu ycia 

K

w

 podawana 

przez  producentów  tworzyw  sztucznych,  która  słu y  do  okre lenia  obj to ci 

V

Z

  usuni tego  w 

wyniku tarcia materiału po upływie czasu 

według wzoru:  

 

V

Z

 = K

w

 p

 v t  , 

(8.4)

 

lub 

 

V

Z

 = 

K

w

 

p

m

 

v

n

 

t  , 

(8.4a) 

gdzie:  

p nacisk jednostkowy, v – pr dko   lizgania, t - czas  lizgania, mn – współczynniki 
wyznaczone do wiadczalnie. 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-17- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

Warto  zu ycia w przeliczeniu na jednostk  przebytej drogi tarcia jest wielko ci  nazywan  

intensywno ci  zu ycia. Wielko  ta mo e by  wykorzystana jako miara odporno ci na zu ywa-
nie materiału. Im mniejsza warto  intensywno ci zu ycia tym materiał jest bardziej odporny na 
zu ywanie  w  danych  warunkach tarcia. Ze  wzgl du na łatwo  pomiaru oraz jego stosunkowo 
du  dokładno  do wyznaczania odporno ci na zu ywanie materiałów polimerowych badanych 
w ramach omawianego  wiczenia przyj to intensywno  zu ycia liniowego. 

8.1.3  Przygotowanie próbek do bada  tribologicznych 

Próbka  materiału  powinna  przylega   podczas  bada   tribologicznych  cał   powierzchni   do 

współpracuj cego przeciwelementu. Powierzchnia styku nie powinna zmienia  si  w trakcie ba-
da , gdy  spowodowałoby to zmian  warunków tarcia (zmiana nacisku jednostkowego). Przed 
wła ciwymi pomiarami nale y odpowiednio przygotowa  powierzchni   lizgow  próbki prowa-
dz c wst pne i wła ciwe docieranie bezpo rednio na stanowisku badawczym. W celu przygoto-
wania (dotarcia) powierzchni  lizgowej próbki nale y: 

a)  W miejsce przeciwelementu (3) zamontowa  tarcz  z naklejonym (na powierzchni  płask ) 

drobnoziarnistym papierem  ciernym.  

b) Próbk  (1) wcisn  do oprawki (2) a nast pnie zamontowa  j  w uchwycie znajduj cym si  

na  ko cu  ramienia  (7).  Nale y  zwróci   uwag   na  odpowiednie  ustawienie  znaczników 
znajduj cych si  na oprawce i ramieniu tak, aby próbka po zdemontowaniu ze stanowiska 
mogła by  powtórnie zamontowana w takim samym poło eniu.  

c)  Obci y   nieznacznie  próbk   (

p<0,1MPa),  a  nast pnie  uruchomi   stanowisko.  Pr dko  

lizgania próbki nie powinna przekracza  0,5 m/s.  

d) Po upływie 2 do 3 minut sprawdzi  wizualnie czy na całej powierzchni styku próbki z prze-

ciwelementem widoczne s   lady współpracy z papierem  ciernym. Je eli cała powierzchnia 

lizgowa miała kontakt z papierem to docieranie wst pne mo na zako czy . W przeciwnym 

razie nale y ponownie przeprowadzi  docieranie na nowym papierze  ciernym.  

e)  Po  dotarciu  wst pnym  próbka  powinna  by   dalej  docierana  współpracuj c  z  wła ciwym 

przeciwelementem. Proces ten odbywa si  to przy mniejszym od przewidywanego obci -

eniu i z mniejsz  pr dko ci   lizgania. W zale no ci od odporno ci na zu ycie badanego 

materiału docieranie wła ciwe zachodzi na drodze od 1 do 30 km (dla materiałów bardzo 
odpornych na zu ycie).  

f)  Prawidłowo przygotowana do bada  powierzchnia polimerowej próbki powinna by  gładka 

a  lady (zarysowania) pochodz ce od papieru  ciernego powinny by  niewidoczne. 

8.2.  Przebieg  wiczenia  

Uwaga:   Przed przyst pieniem do  wiczenia nale y zapozna  si  z poni sz  instrukcj   

dotycz c  bezpiecze stwa podczas całego toku  wiczenia. 

Falownik zasilany jest napi ciem 220 V a silnik 380 V, zatem ingerencja w układy wewn trzne zarówno fa-
lownika jak i silnika mo e stanowi  zagro enie dla zdrowia. Podczas pracy stanowiska nie nale y dotyka  
jakichkolwiek elementów wiruj cych. Obracaj ca si  tarcza stalowa (przeciwelement), ze wzgl du na mo -
liwo  wci gni cia lu no zwisaj cego ubrania czy te  włosów, jest równie  zagro eniem dla zdrowia 
obsługuj cego stanowisko. 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-18- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

1.  Ustali  zestaw materiałów polimerowych (4–5 gatunków), dla których zostan  przeprowadzone 

zostan   porównawcze  badania  tarcia  i  zu ycia.  Zapisa   dane  materiałowe  (nazwa  handlowa, 
oznaczenie , producent itp.) w formularzu sprawozdania. 

2.  Ustali   program  bada   zgodnie  ze  wskazówkami  osoby  prowadz cej  wiczenie  dotycz cymi 

warunków tarcia tj.:  

•  nacisk jednostkowy p [MPa], 
•  pr dko   lizgania [m/s], 
•  droga tarcia L [km], 
•  temperatura otoczenia T

o

 [

o

C], 

•  materiał przeciwelementu oraz jego twardo ci i chropowato ci powierzchni, 

3.  Na podstawie przyj tych parametrów ruchowych wyznaczy : 

a)   sił  nacisku 

F

N

 [N] obci aj c  próbk  ze wzoru  

 

F

N

 = 

p · A , 

(8.5) 

 

gdzie:   

p – nacisk jednostkowy [MPa] 

  

    

A – powierzchnia styku próbki i przeciwelementu [mm

2

 

       (dla próbki o  rednicy 

d = 8 mm przyj  A = π 

2

 /4   50 mm

2

b)  pr dko  obrotow  wrzeciona 

n

wrz

 [obr/min] wyznaczy  przekształcaj c wzór 8.1: 

 

r

n

wrz

=

ππππ

v

30000

 , 

(8.6) 

 

gdzie:   

v – pr dko   lizgania [m/s] 

 

 

    

r – promie   lizgania próbki wzgl dem tarczy [mm] (patrz rys. 8.1), 

 

       badania przeprowadzi  dla 

r = 30 mm . 

c)  czas pomiaru 

t

pom

 [s] ze wzoru:  

 

v

L

t

pom

= 1000

 . 

(8.7) 

4.  Zmierzy  pocz tkow  wysoko  

H

p

 polimerowej próbki wraz z oprawk  w kierunku działania 

siły nacisku 

F

N

 

a)  dla materiałów o małej odporno ci na zu ycie np. PTFE, stosuj c  rub  mikrometryczn   
b) dla materiałów o du ej odporno ci na zu ycie np. POM, PEEK, kompozyty PTFE  

stosuj c pasametr oraz płytki wzorcowe.  

5.  Polimerow  próbk  wraz z oprawk  umie ci  w zacisku znajduj cym si  na ko cu ramienia (7). 

Sprawdzi   czy  rami   z  zamocowan   próbk   jest  w równowadze  statycznej. W  razie  potrzeby 
skorygowa  równowag  przemieszczaj c (obracaj c) przeciwwag  (8). 

6.  Uruchomi  program komputerowy mc201.exe w systemie DOS, rejestruj cy napi cie w odpo-

wiednich kanałach pomiarowych rejestratora sygnałów MC-201. 

7.  Na specjalny uchwyt znajduj cy si  na ramieniu nad próbk  nało y  odpowiedni  ilo  obci -

ników tak, aby ich ci ar był równy ustalonej wcze niej warto ci siły nacisku 

F

N

8.  Uruchomi  stanowisko (ustawi  przeł cznik znajduj cy si  na obudowie falownika w pozycj  

„Start”).  

9.  Obracaj c pokr tłem falownika rozp dzi  wrzeciono do odpowiedniej pr dko ci obrotowej 

n

wrz

 

ustalonej w programie bada  i rozpocz  pomiar siły tarcia. 

background image

Tworzywa Sztuczne – instrukcja  wicze  laboratoryjnych 

-19- 

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych” 

 

10. Po  upływie  okre lonego  czasu 

t

pom

  zatrzyma   obracaj ce  si   wrzeciono  z  przeciwelementem 

oraz zako czy  rejestracj  sygnału napi ciowego odpowiadaj cego sile tarcia 

F

t

11. Korzystaj c z zarejestrowanego przy pomocy komputera przebiegu napi cia odpowiadaj cego 

zmianom siły tarcia podczas bada  okre li   redni  warto  siły tarcia 

F

t

 w ko cowym okresie 

pomiaru (tj. w ustalonych warunkach wymiany ciepła generowanego podczas tarcia pomi dzy 
próbk  i otoczeniem).  

12. Obliczy   redni  warto  współczynnika tarcia 

µµµµ

  danego skojarzenia  lizgowego 

 

N

t

F

F

=

µµµµ

 . 

(8.8) 

13. Po  ostudzeniu  próbki i oprawki  (ok.  10 min)  zmierzy   jej wysoko  ko cow  

H

k

 (tak jak w 

p.4). Okre li  warto  zu ycia 

∆∆∆∆

Z

L

 badanego materiału polimerowego przyjmuj c,  e jest ono 

równe  ró nicy  wysoko ci  próbki  zmierzonej  przed  i  po  procesie  tarcia  (wymiary  oprawki  nie 
ulegaj  zmianie) 

 

∆∆∆∆

Z

L

 = 

H

p

 - 

H

k

 .

 

(8.9) 

14. Obliczy  intensywno  zu ycia 

I

ZL

 [

µm/km] badanego materiału polimerowego wg wzoru 

 

L

Z

I

L

ZL

∆∆∆∆

=

 . 

(8.10) 

15. Wyniki pomiarów i oblicze  umie ci  w sprawozdaniu 
16. Powtórzy  czynno ci opisane w punktach od 4 do 15 dla kolejnych badanych materiałów. 
17. Przeprowadzi   obserwacje  mikroskopowe  powierzchni  lizgowej  wskazanego  przez  osob  

prowadz c  kompozytu polimerowego. Umie ci  w sprawozdaniu rysunek przedstawiaj cy wy-
gl d powierzchni  lizgowej. 

18. Wnioski, które nale y zamie ci  w sprawozdaniu powinny zawiera  wyja nienie otrzymanych 

wyników bada  oraz opis zachodz cych procesów zu ywania. 

 

 

 

 

 

Literatura 

[1]  Rymuza Z., Trybologia polimerów  lizgowych. 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., Ziemia ski K., Polimerowe ło yska  lizgowe. Praca zbiorowa „Tribo-

logia i tribotechnika”. Red. nauk. Marian Szczerek, Marek Wi niewski. Radom: Instytut Techno-
logii Eksploatacji, 2000, s. 683-699. 

[4]  Lawrowski Z., Tribologia. Tarcie, zu ywanie, smarowanie. Warszawa, PWN, 1993. 
[5]  Ł czy ski B., Niemetalowe elementy maszyn. Warszawa, WNT, 1988. 
[6]  Wieleba W., Analiza procesów tribologicznych zachodz cych podczas współpracy kompozytów 

PTFE ze stal . WrocławOficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2002. 

[7]  uchowska D., Polimery konstrukcyjne. Przetwórstwo i wła ciwo ci. Wydawnictwo Politechniki 

Wrocławskiej, Wrocław, 2000.