ochrona kinematycznych węzłów maszyn przed zużyciem dzięki

ochrona kinematycznych węzłów maszyn przed zużyciem dzięki

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 47, ISSN 1896-771X
OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW
MASZYN PRZED ZUŻYCIEM
DZIĘKI WYKORZYSTANIU ZJAWISKA
BEZZUŻYCIOWEGO TARCIA
Andrzej Kotnarowski1a
1
a
Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu
[email protected]
Streszczenie
Artykuł dotyczy możliwości aplikacji osiągnięć tribologii w eksploatacji kinematycznych węzłów maszyn. Została
w nim przedstawiona metoda konstytuowania warstw ochronnych na współpracujących tarciowo powierzchniach
elementów węzłów kinematycznych, minimalizujących niekorzystne skutki tarcia, takie jak opory ruchu i zużycie.
Zaproponowano wykorzystanie zjawiska Garkunowa do otrzymywania tych warstw bezpośrednio w początkowym
okresie procesu eksploatacji urządzenia technicznego, zamiast w procesach technologicznych przygotowania powierzchni elementów skojarzeń tribologicznych. Efektywność proponowanej metody dokumentują zaprezentowane
w artykule wyniki badań własnych.
Słowa kluczowe: zjawisko Garkunowa, bezzużyciowe tarcie, współczynnik tarcia
ANTIWEAR PROTECTION OF MACHINE KINEMATIC
JOINTS BY TAKING ADVANTAGE OF NO-WEAR
PHENOMENON
Summary
The paper concerns an application of tribology achievements in operation of machine kinematic joints. The
method of protective layers formation on rubbing surfaces of kinematic joints is presented. It minimizes negative
effects of friction like movement resistance and wear. Taking advantage of Garkhunov phenomenon for this layers
generation directly in initial period of technical equipment operational use is proposed. Effectiveness of proposed
method is proved by the results of examinations presented in the paper.
Keywords: Garkhunov phenomenon, no-wear phenomenon, coefficient of friction
1.
WSTĘP
Procesy zużywania tribologicznego smarowanych kinematycznych węzłów maszyn w warunkach normalnej,
stabilnej pracy przebiegają bardzo wolno – tak, że nie
mają one praktycznego wpływu na trwałość. Zużywanie
tribologiczne nasila się znacząco w warunkach zaburzenia funkcjonowania warstewki płynu, rozdzielającej
powierzchnie współpracujących elementów, zwłaszcza
w warunkach tarcia ślizgowego. Zjawisko to występuje
podczas każdego uruchamiania i zatrzymywania, gdy
w obszarach styku ślizgających się po sobie powierzchni
zachodzi tarcie mieszanego, a nawet – w skrajnych
przypadkach – suche. Zapobieganie nadmiernemu zużywaniu polega głównie na pokrywaniu współpracujących
tarciowo powierzchni warstwami ochronnymi w specjalistycznych procesach technologicznych wytwarzania
warstw wierzchnich lub powłok. Procesy te można
podzielić na 6 zasadniczych grup [1]: 1) mechaniczne
(natryskiwanie detonacyjne), 2) cieplno-mechaniczne
(natryskiwanie
cieplne,
natapianie
natryskowe),
3) cieplne (hartowanie czy różnego rodzaju nadtapianie
111
OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM...
i napawanie), 4) cieplno-chemiczne
chemiczne (nasycanie dyfuzyjne
niewspomagane lub wspomagane, zwłaszcza CVD czyli
chemiczne osadzanie z fazy gazowej, oraz stopowanie:
laserowe, elektronowe, plazmowe), 5) chemiczne i elekele
trochemiczne oraz 6) fizyczne (PVD czyli fizyczne
osadzanie z fazy gazowej oraz implantowanie jonów).
Należy podkreślić, że stosunkowo niewiele powłok nan
kłada się tylko metodami CVD lub tylko metodami
PVD. Więcej niż 90% powłok: metalowych, metalocerametalocer
micznych i ceramicznych nakłada się metodami fizykofizyk
chemicznymi (PCVD – Physical-Chemical
Chemical Vapour
Deposition) [2].
Inną, w stosunku do wymienionych powyżej, metodą
zapobiegania niekorzystnym skutkom tarcia może być
konstytuowanie ochronnych warstw powierzchniowych
w procesach eksploatacji. Jednym ze sposobów uzyskiuzysk
wania eksploatacyjnych warstw ochronnych jest wywowyw
łanie w styku tarciowym zjawiska bezzużyciowego
tarcia, zwanego też (od nazwiska jednego z odkrywców)
zjawiskiem Garkunowa [3]. Zjawisko to zostało najlepiej
zbadane w skojarzeniach, w których współpracują ze
sobą element stalowy z elementem stalowym, żeliwnym
lub ze stopu miedzi, przy czym w przypadku braku
elementu ze stopu miedzi, metal ten może zostać dostardosta
czony do węzła tarcia w środku smarowym. W najogólnajogó
niejszym ujęciu polega ono na funkcjonowaniu systemu
tribologicznego w warunkach bezzużyciowego tarcia –
stanu charakterystycznego dla stawów organizmów
żywych (od stawonogów poczynając, a na ssakach
kończąc), które są systemami tribologicznymi zamknięzamkni
tymi,
i, dobrze izolowanymi od wpływów zewnętrznych.
Zasadniczym warunkiem wystąpienia tego zjawiska jest
umiejscowienie procesu tarcia w cienkiej warstewce
metalicznej, zdolnej do dyssypacji energii i materii [3,7].
Zdolnością taką charakteryzuje się również warstewka
wa
olejowa, jednak tylko w warunkach smarowania hydrohydr
dynamicznego. Cienka, metaliczna warstewka może
posiadać taką zdolność w warunkach smarowania gragr
nicznego, gdy z jej powierzchni
wierzchni uwalniane są atomy,
a dyslokacje wychodzą z jej wnętrza na powierzchnię.
powierzchn
Dyssypację można przedstawić jako zachodzącą w tej
warstewce, wzajemną absorpcję dwóch, skierowanych
w przeciwnych kierunkach,
ch, strumieni dyfuzyjnych
(rys. 1).
Rys. 1. Procesy absorpcyjne
cyjne w warstewce, w której
zachodzi proces tarcia
Strumień dyslokacji i atomów porusza się w kierunku
powierzchni warstewki, a strumień wakansów porusza się
od powierzchni w głąb warstewki. Funkcjonowanie
takiego systemu tribologicznego w warunkach równowarównow
gi jest możliwe dzięki istnieniu
tnieniu sprzężenia zwrotnego.
W przypadku,
zypadku, gdy przy pewnym potencjale chemicznym
ilość tworzących się dyslokacji przekroczy ilość wakanwaka
sów, tworzy się skupienie dyslokacji. Kumulacja dyslodysl
kacji prowadzi do wzrostu oporów tarcia, powodujących
z kolei wzrost temperatury i zmianę potencjału chemiczc
nego, co nasila selektywne uwalnianie atomów z pop
wierzchni warstewki, w wyniku czego zwiększa się znów
ilość wakansów. Dzięki opisanemu wyżej działaniu
sprzężenia zwrotnego odtwarzana jest równowaga systesyst
mu tribologicznego, a sam proces tarcia przebiega
przebi
w sposób oscylacyjny, przy czym współczynnik tarcia
osiąga wartości w zakresie charakterystycznym dla
tarcia płynnego.
D.N. Garkunow po raz pierwszy zaobserwował zjawizjaw
sko minimalizacji zużycia przypadkowo w wysokoobciąwysokoobci
żonych węzłach tarcia ślizgowego (smarowanych mieszaniną spirytusu z gliceryną), w których stal współpracowspółprac
wała z brązem [3]. Późniejsze badania dowiodły, że
ochronna warstewka miedziana powstaje w takim ukłaukł
dzie materiałowym dzięki elektrochemicznemu oddziaoddzi
ływaniu gliceryny oraz jej właściwościom
właśc
redukcyjnym,
w stosunku do tlenków miedzi [7]. Początkowo składniki
stopowe przechodzą selektywnie na drodze elektrocheelektroch
micznej z elementu wykonanego
onanego z brązu do gliceryny.
W rezultacie warstwa powierzchniowa brązu zawiera
głównie nieutleniającą się i aktywną miedź, podatną ze
względu na swobodne wiązania do sczepiania ze stalą,
dzięki czemu powierzchnia elementu stalowego również
pokrywa się miedzią. Proces selektywnego usuwania
składników stopowych z powierzchniowej warstwy brązu
i pokrywania powierzchni
rzchni stali miedzią trwa do czasu
112
Andrzej Kotnarowski
osiągnięcia przez warstewki miedzi (na obydwu współwspó
w Instytucie Eksploatacji Pojazdów i Maszyn UniwersyUniwers
tetu Technologiczno-Humanistycznego
Humanistycznego w Radomiu
(dawniej Politechniki Radomskiej), maszynę tarciową
MT-2,
2, umożliwiającą pomiar zarówno oporów tarcia
(momentu tarcia), jak i rezystancji styku tarciowego.
Węzeł badawczy maszyny MT-22 przedstawiono na rys.
2. Pojawienie się w warunkach narastającego obciążenia
niskiej wartości rezystancji
stancji pomiędzy próbkami (1)
i przeciwpróbką (2) stanowi dowód wystąpienia styku
metalicznego w tym skojarzeniu ślizgowym, świadcząceświadcząc
go o przejściu od tarcia płynnego do tarcia mieszanego,
w których to warunkach może zachodzić zjawisko GarGa
kunowa.
W kolejno
ejno przeprowadzonych badaniach, z przeciwprzeci
próbkami (krążkami) wykonanymi ze stali C45 współwspó
pracowały próbki z dwóch rodzajów miedzi tlenowej
M1E (A i B), stosowanych do produkcji przewodów
trakcyjnych (rys. 2), o składzie chemicznym przedstaprzedst
wionym w tabeli 1. Przeciwpróbki o twardości 40 HRC
posiadały szlifowane walcowe powierzchnie robocze,
których chropowatość odpowiadała wartości parametru
Ra ≈ 0,5 µm.
Jako modelowa substancja smarująca używana była
gliceryna czysta do analiz (CH2OH·CHOH·CH2OH)
o masie cząsteczkowej
ząsteczkowej 92,09 i gęstości 1229,7 kg/m3.
Obciążenie węzła tarcia w wykonywanych badaniach
tribologicznych narastało w sposób skokowy (rys. 3).
Przyjęto dziesięciominutowy
inutowy okres trwania każdego
z kolejnych obciążeń, gwarantujący stabilizację wartości
współczynnika
ółczynnika tarcia dla każdego obciążenia
Podczas badań skojarzeń tarciowych stal C45 –
miedź tlenowa M1E, smarowanych gliceryną, dokonydokon
wano jednoczesnych pomiarów wartości rezystancji
styku tarciowego oraz oporów tarcia, zmieniających się
wraz z narastającym
ym obciążeniem (zgodnie z rys. 3).
pracujących powierzchniach) grubości 1÷2 µm. Przebiegające w ten sposób zjawisko nazwano selektywnym
przenoszeniem.
Stwierdzono, że zjawiskoo Garkunowa może zachodzić
w różnych układach materiałowych: stal lub żeliwo –
stop miedzi oraz stal lub żeliwo – stal lub żeliwo, przy
czym w układach, w których żaden ze współpracujących
tarciowo elementów nie zawiera miedzi, musi zostać ona
dostarczona w inny sposób, na przykład w środku smasm
rowym.
Należy podkreślić, że w publikacjach na temat zjawizjaw
ska Garkunowa [3, 4, 8, 9] nie odnotowano prób jego
wywołania w skojarzeniach stali z czystą miedzią. NiN
niejszy artykuł omawia wyniki fragmentu szerszych
badań autora nad możliwością generowania tego zjawizjaw
ska w powyższym skojarzeniu materiałowym, przeproprzepr
wadzonych, między innymi, celem poszerzenia zakresu
wiedzy na temat przebiegu procesów tribologicznych
[5
- 7].
2. BADANIA MOŻLIWOŚCI
GENEROWANIA ZJAWISKA
GARKUNOWA
2.1 BADANIA TRIBOLOGICZNE
W celu identyfikacji możliwości generowania zjawizjaw
ska selektywnego przenoszenia w ślizgowych skojarzeskojarz
niach tribologicznych
ych wykonano badania tarciowe
z wykorzystaniem skojarzenia materiałowego stal –
miedź i środka smarowego w postaci gliceryny, która
sprzyja temu zjawisku, jak to udowodniły wcześniejsze
badania [3]. Do badań
ń wykorzystano, skonstruowaną
Rys. 2. Schemat węzła tarcia maszyny tarciowej MT-2
113
OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM...
Tab. 1. Skład chemiczny miedzi używanej na przewody trakcyjne
Materiał
nazwa
Lp.
1
2
symbol
Zawartość dodatków, %
O2
M1E
M1E
0,008
0,025
miedź tlenowa (A)
miedź tlenowa (B)
Zawartość zanieczyszczeń, ppm
Pb
Fe
Zn
Ag
S
3,2
3,1
27,0
22,0
5,0
6,8
12,0
12,0
10,0
10,0
9
Nacisk
jednostkowy
MPa
Nacisk
jednostkowy p,p,MPa
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Czas T,
T, min
Czas
min
Rys. 3. Przebieg obciążenia węzła tarcia maszyny MT-2 w funkcji czasu
2.2. WYNIKI BADAŃ
TRIBOLOGICZNYCH
Wyniki badań tarciowych przedstawiono w formie
wykresów na rysunkach 4 i 5.
a)
b)
0.020
Wspó³czynnik
Współczynnik
tarcia
Współczynniktarcia
tarcia
µµ µ
Rezystancja R, R,
Ω Ω
Rezystancja
2000
1500
1000
500
0.015
0.010
0.005
0.000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Czas T,
T, min
Naciskjednostkowy
jednostkowy p, MPa
Czas
min
Nacisk
p, MPa
Rys. 4. Przebieg rezystancji styku tarciowego w funkcji czasu (a) oraz współczynnika tarcia w funkcji nacisku
jednostkowego (b) dla miedzi tlenowej M1E rodzaju A
114
Andrzej Kotnarowski
a)
Rezystancja R, R,
Ω Ω
Rezystancja
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Czas T,
T, min
Czas
min
b)
Współczynniktarcia
tarcia
µ µ
Wspó³czynnik
Współczynnik
tarcia
0.020
0.015
trzeciego z kolei obciążenia przy nacisku jednostkowym
1,8 MPa.
Wartość współczynnika tarcia zarówno dla miedzi
rodzaju A (rys. 4), jak i miedzi rodzaju B (rys. 5), od
początku badania wykazuje tendencję malejącą, osiągając minimum, wynoszące odpowiednio 0,005 i 0,009, co
w aspekcie braku smarowania płynnego, czyli warstewki
gliceryny, rozdzielającej współpracujące tarciowo powierzchnie, świadczy o wystąpieniu w badanym skojarzeniu zjawiska selektywnego przenoszenia.
Różnice wartości współczynnika tarcia spowodowane
są zapewne różnicami w zawartości tlenu pomiędzy
zastosowanymi w badaniach rodzajami miedzi, która
w przypadku miedzi A wynosi 0,008 %, a w przypadku
miedzi B 0,025 %. Wraz ze wzrostem zawartości tlenu
rosną opory tarcia, co prawdopodobnie wynika z zaburzeń funkcjonowania miedzianej warstewki niskotarciowej spowodowanego wzrostem stopnia jej utlenienia.
0.010
3. WNIOSKI
0.005
0.000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Nacisk
jednostkowy p, p,
MPa
Nacisk
jednostkowy
Rys. 5. Przebieg rezystancji styku tarciowego w funkcji
czasu (a) oraz współczynnika tarcia w funkcji nacisku jednostkowego (b) dla miedzi tlenowej M1E rodzaju B
Z rysunków 4 i 5 wynika, że rezystancja styku tarciowego pomiędzy próbką zarówno z miedzi rodzaju A
(rys. 4), jak i z miedzi rodzaju B (rys. 5) a przeciwpróbką wykazuje stałą tendencję malejącą już po 10 minutach testu, czyli po zastosowaniu drugiego z kolei obciążenia, wywołującego nacisk jednostkowy o wartości 0,8
MPa. W przypadku miedzi A po zastosowaniu siódmego
z kolei obciążenia odpowiadającego naciskowi jednostkowemu w styku tarciowym wynoszącemu 5,2 MPa
rezystancja osiąga wartość minimalną, świadczącą o
wystąpieniu styku metalicznego pomiędzy próbką
i przeciwpróbką. Natomiast w przypadku miedzi B
rezystancja osiąga wartość minimalną już podczas
Uzyskane wyniki badań dowodzą, że:
1. Możliwe jest uzyskanie zjawiska Garkunowa
w rozważanym
skojarzeniu
tarciowym
stal/miedź, o czym świadczą wyniki badań tribologicznych pokazujące, że pomimo styku metalicznego pomiędzy współpracującymi tarciowo elementami (rys. 4a i 5a), współczynnik
tarcia przyjmuje bardzo niskie wartości (rys.
4b i 5b).
2. Zwiększenie zawartości tlenu w miedzi prowadzi do zwiększenia oporów tarcia w skojarzeniu
ze stalą (opory tarcia w skojarzeniu z miedzią
typu B o większej zawartości tlenu są większe,
niż w skojarzeniu z miedzią typu A o mniejszej
zawartości tlenu). Wynika to najprawdopodobniej z zaburzenia funkcjonowania miedzianej warstewki niskotarciowej spowodowanego
wzrostem stopnia jej utlenienia.
Literatura
1.
Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. Warszawa :WNT, 1995.
2.
Burakowski T.: Rozważania o synergizmie w inżynierii powierzchni. Radom: Wyd. Pol. Radomskiej, 2004.
3.
Garkhunov D. M.: Tribotechnology: Wear and no-wear. 4th edition. MAA Publishing House, Moscow 2001
(in Russian).
4.
Filip I.: Studies and researches concerning the tribological behaviour of friction couple functioning with selective
transfer. “Tribology International” 2006, Vol. 39, Iss. 8, p. 774 - 780.
115
OCHRONA KINEMATYCZNYCH WĘZŁÓW MASZYN PRZED ZUŻYCIEM...
5.
Kotnarowski A.: Selective transfer phenomenon in copper-steel tribological systems. “Solid State Phenomena”
2009, Vol. 147 - 149, p. 558 - 563.
6.
Kotnarowski A.: Selective transfer phenomenon in friction couples lubricated with base oils. “Solid State Phe-
7.
Kotnarowski A.: Kierunki rozwoju powłok ochronnych kinematycznych węzłów maszyn Logistyka 3/2012,
nomena” 2010, Vol. 165, p. 97 - 103.
płyta CD.
8.
Padgurskas J., Snitka V., Jankauskas V., Andriušis A.: Selective transfer phenomenon in lubricated sliding
surfaces with copper and its alloy coatings made by electro-pulse spraying. “Wear” 2006, Vol. 260, Iss. 6, p. 652
- 661.
9.
Polyakov A. A.: No wear due to friction based on coherent inter-action of dislocations and vacancies. “No-Wear
Effect and Tribotechnologies” 1992, No. 1, p. 13 (in Russian).
116