właściwości tribologiczne materiału ciernego

właściwości tribologiczne materiału ciernego

5-2012
TRIBOLOGIA
75
Stanisław LABER*
WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE MATERIAŁU
CIERNEGO STOSOWANEGO NA HAMULCE
TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF FRICTIONAL MATERIAL
APPLIED ON BRAKES
Slowa kluczowe:
współczynnik tarcia, zużycie, temperatura węzła tarcia
Key words:
coefficient of friction, wear, temperature of the friction
Streszczenie
W artykule przedstawiono właściwości tribologiczne, takie jak średni i chwilowy współczynnik tarcia, zużycie i temperaturę dla skojarzenia trącego materiał
cierny MKW-50A/żeliwo wysokochromowe EN-GJN-HV600(XCr14). Badania
przeprowadzono przy użyciu maszyny tarciowo-zużyciowej typu Amsler.
WPROWADZENIE
W budowie maszyn i urządzeń zjawisko tarcia w zależności od potrzeb możemy wykorzystać lub ograniczyć. Typowe zastosowanie tego zjawiska znajdu-
*
Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy i Eksploatacji Maszyn,
ul. Prof. Z. Szafrana 4, 65-246 Zielona Góra.
76
TRIBOLOGIA
5-2012
jemy w układach hamulcowych, szczególnie w przypadku wysokosprawnych
i wysokoobciążonych hamulców samochodów ciężkich, a także kół samolotów.
W wyniku ciągłego rozwoju techniki poszukiwane są coraz to nowe lepsze
i wytrzymalsze materiały stosowane na elementy układów hamulcowych. Metodami eksperymentalno-badawczymi i symulacyjnymi poszukuje się nowych
materiałów na pary cierne oraz nowego podejścia podczas projektowania układów hamulcowych.
Badania wymagają wysokiej dokładności oraz precyzji, gdyż ich wyniki
decydują o bezpieczeństwie ludzi eksploatujących urządzenia i maszyny,
w których są stosowane badane materiały.
Materiały cierne stosowane na hamulce powinny zapewniać stabilny
współczynnik tarcia, niskie zużycie przy różnych prędkościach pracy, ciśnieniach, temperaturach oraz warunkach otoczenia. Materiały cierne muszą być
odporne na wibrację i hałas podczas hamowania [L. 7, 8 ].
Na materiały cierne stosuje się: żeliwo szare, żeliwo szare z zawartością tytanu, stopy aluminium, stopy tytanu, ceramika, kompozyty [L. 1–7, 9].
W artykule [L. 5] przedstawiono wyniki badań trzech rodzajów żeliwa: żeliwa szarego o twardości 250 HB, o dużej zawartości węgla oraz żeliwa szarego
z zawartością tytanu. Uzyskane wyniki badań w porównaniu z kompaktowym
żelazem z zawartością grafitu (CGI) charakteryzowały się niższą siłą tarcia,
mniejszą stratą mocy oraz niższą temperaturą węzła tarcia. M.H. Cho i współautorzy [L. 4] badali wpływ ilości płatków grafitu żeliwa szarego oraz ilości
ferrytu na współczynnik tarcia. Wyniki badań wykazały, że istotny wpływ na
współczynnik tarcia ma ilość grafitu płatkowego w żeliwie szarym, a nie ilość
ferrytu.
Oprócz żeliwa na tarcze hamulcowe stosowane są inne materiały.
M.A. Maleque i współautorzy [L. 9] prowadzili badania nad wyborem najlepszego materiału na wirnik hamulca. Do badań przyjęto następujące materiały:
żeliwo, stop aluminium, stopy tytanu, ceramika i kompozyty. Spośród badanych
materiałów najlepszymi właściwościami tarciowymi, mechanicznymi oraz najkorzystniejszą przewodnością cieplną i gęstością charakteryzował się stop aluminiowy.
Prowadzono również badania wpływu stopów tytanu na korozję, zużycie
i na odporność na wysokie temperatury. Stopy tytanu zwiększyły odporność na
korozję, zużycie i pracę węzła tarcia w wysokich temperaturach [L. 2].
W celu uzyskania pozytywnej charakterystyki wpływu prędkości na współczynnik tarcia prowadzono badania wpływu różnych włókien metalowych Cu,
stali, Al we współpracy z żeliwem. Materiał cierny z miedzią wykazał się niekorzystną charakterystyką współczynnika tarcia – prędkość poślizgu. Miedź we
współpracy z kompozytem Al- MMC wykazała się korzystną charakterystyką
współczynnik tarcia – prędkość [L. 6].
5-2012
TRIBOLOGIA
77
Duży wpływ na właściwości tribologiczne węzła tarcia ma wilgotność otoczenia. J. Abol i E. A. Shamseldin [L. 1] wykazali, że na wyniki badań właściwości tribologicznych kompozytów CVIC- C ma wpływ wilgotność otoczenia,
zostało to poparte badaniami za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej
i spektroskopii Ramma. Z analizy literatury wynika, że na pracę hamulca ma
wpływ wiele różnych czynników.
EKSPERYMENT
Metoda eksperymentu
Wyznaczenie właściwości tribologicznych: chwilowego i średniego współczynnika tarcia, zużycia oraz temperatury węzła tarcia wykonano za pomocą maszyny
tarciowo-zużyciowej typu Amsler. Węzeł tarcia obciążano skokowo 300 N,
400 N, 500 N, 600 N przy stałej prędkości obrotowej przeciwpróbki wynoszącej 200 obr./min. Model węzła tarcia przedstawiono na Rys. 1.
Rys. 1. Model węzła tarcia
Fig. 1. Model of the friction
Ocenę struktury geometrycznej powierzchni przed i po procesie tarcia wykonano za pomocą profilografometru TR-200.
Wykorzystując wyniki badań obliczono średni współczynnik tarcia µśr
i chwilowy współczynnik tarcia µch według zależności:
µ śr =
gdzie: A – praca tarcia [Nm],
P – obciążenie próbki [N],
D – średnica próbki[m],
A ⋅10 3
,
P ⋅ D ⋅ π ⋅ nc
78
TRIBOLOGIA
µ ch =
5-2012
2M t
,
P⋅D
nc – całkowita liczba obrotów w jednym badaniu,
gdzie: Mt – moment tarcia [Nm],
P – obciążenie próbki [N],
D – średnica próbki [m].
Próbka i przeciwpróbka
Do badań właściwości tribologicznych pary ciernej zastosowano materiały,
które są używane do budowy hamulca samolotu. Na próbkę zastosowano materiał MKW-50A o składzie chemicznym:
C = 16,6% Cr = 33,6%
Fe = 40,4%
Cu = 7%,
Mg = 0,4% Al = 0,2% Si = 1,6% S = 0,2%
Na Rys. 2 przedstawiono mikrostrukturę materiału MKW-50A. Na przeciwpróbkę zastosowano żeliwo wysokochromowe EN-GJN-HV600(XCr14)
o następującym składzie chemicznym: C = 2,15%, Cu = 0,078%, Mn = 0,21%,
Ni = 0,50%, Cr =14,02% P = 0,82%, S = 0,022%, Si = 0,835% . Mikrostrukturę badanego żeliwa przedstawiono na Rys. 3.
Rys. 2. Obraz skaningowy powierzchni materiału MKW-50A
Fig. 2. Image scanning the surface of the MKW-50A
5-2012
TRIBOLOGIA
79
Rys. 3. Obraz skaningowy powierzchni żeliwa EN-GJN-HV600(XCr14)
Fig. 3. Image scanning the surface of cast iron EN-GJN-HV600 (XCr14)
WYNIKI BADAŃ
Na Rysunku 4, 5, 6, 7, 8 przedstawiono wpływ skokowo zmieniającego się
obciążenia na moment tarcia, współczynnik tarcia średni chwilowy, temperaturę węzła tarcia oraz zużycie. Moment tarcia – Rys. 4 do obciążenia 500 N
znacznie wzrasta od wartości 0,5 Nm do wartości 2,5 Nm. Podczas obciążenia
węzła tarcia 500 i 600 N przyrost momentu tarcia jest mały i wynosi 0,8 Nm.
Podobnie zmienia się współczynnik tarcia chwilowy – Rys. 5, który do obciążenia 500 N zmienia się od wartości 0,05 do wartości 0,3, w zakresie obciążeń
od 500 N do 600 N współczynnik tarcia jest stabilny.
Rys. 4. Wpływ obciążenia i drogi tarcia na moment tarcia
Fig. 4. Effect of load and sliding distance on friction torque
80
TRIBOLOGIA
5-2012
Rys. 5. Wpływ obciążenia i drogi tarcia na chwilowy współczynnik tarcia
Fig. 5. Impact load and sliding distance on the instantaneous coefficient of friction
Średni współczynnik tarcia – Rys. 6 w zakresie obciążeń od 300 N do
400 N rośnie, natomiast w zakresie obciążeń od 500 N do 600 N przyrost
współczynnika tarcia jest stabilny.
Temperatura węzła tarcia – Rys.7 przy wzroście obciążenia wzrasta, osiągając na końcu próby temperaturę 1500C.
Zużycie objętościowe – Rys. 8 zwiększa się wraz ze wzrostem obciążenia,
przy czym największe zużycie uzyskano przy obciążeniu 600 N.
0,7
Średni współczynnik tarcia
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
300
400
500
600
Obciążenie węzła tarcia [N]
Rys. 6. Wpływ obciążenia na średni współczynnik tarcia
Fig. 6. Impact load on the average coefficient of friction
5-2012
TRIBOLOGIA
81
Rys. 7. Wpływ skokowo zmieniającego się obciążenia i dogi tarcia na temperaturę węzła
tarcia
Fig. 7. Effect of abruptly changing load and dogs friction on the friction temperature
Rys. 8. Zużycie próbki (MKW-50A) w zależności od narastającego skokowo obciążenia:
a) P = 300 N, b) P = 300 N/400 N, c) P = 300 N/400 N/500 N, d) P = 300 N/400 N/500 N/600 N
Fig. 8. Consumption of the sample (MKW-50A) according to the stepwise increasing load:
a) P = 300 N, b) P = 300 N/400 N, c) P = 300 N/400 N/500 N, d) P = 300 N/400 N/
/500 N/600 N
W procesie tarcia następują zmiany parametrów chropowatości powierzchni dla próbki i przeciwpróbki – Rys. 9 i 10. W przypadku próbki po procesie
tarcia następuje pogorszenie parametrów chropowatości powierzchni, np. Ra
82
TRIBOLOGIA
5-2012
przed procesem tarcia wynosiło 1,58 µm, natomiast po procesie tarcia
Ra = 3,49 µm. Dla przeciwpróbki przed procesem tarcia chropowatość powierzchni wynosiła 1,43 µm, natomiast po procesie tarcia 1,22 µm. Kształty nierówności powierzchni próbki i przeciwpróbki decydowały o zużyciu węzła tarcia.
a) przed procesem tarcia
próbka
przeciwpróbka
Rys. 9. Parametry chropowatości powierzchni dla próbki MKW-50A i przeciwpróbki ENGJN-HV600 (XCr14) przed procesem tarcia
Fig. 9. Surface roughness parameters for a sample MKW-50A and counterface EN-GJN-HV600
(XCr14) before the process of friction
b) po procesie tarcia
próbka
przeciwpróbka
Rys. 10. Parametry chropowatości powierzchni dla próbki MKW-50A i przeciwpróbki ENGJN-HV600 (XCr14) po procesie tarcia dla obciążenia P = 300 N, P = 400 N,
P = 500 N, P = 600 N
Fig. 10. Surface roughness parameters for a sample ERM-50A and counterface EN-GJN-HV600
(XCr14) after the process of friction for load P = 300 N, P = 400 N, P = 500 N, P = 600 N
5-2012
TRIBOLOGIA
83
WNIOSKI
1. Współczynnik tarcia chwilowy do obciążenia 500 N jest niestabilny i rośnie wraz ze wzrostem obciążenia, a powyżej 500 N jest stabilny.
2. Wzrost współczynnika tarcia wpływa na intensywność zużywania.
3. Korzystne właściwości tribologiczne ze względu na właściwości cierne
uzyskano w zakresie obciążeń od 500 do 600 N.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Abdo J., Shamseldin E.A., Comperative study of friction and wear of two generation of CVI C- C composite, Emirates Journal For Engineering Research, 12(3),
57–67(2007).
Blau Peter J., Jolly Brian C., Qu Jun, Petr William H., Blue Craig A., Tribologycal
investigation of titanium- based materials for brakes, Science Direct, Materials
Scince And Technology Division, Oak Ridg National Laboratory, Tn, USA.
Blau Peter J., Compositions, functions and testing of friction brake material and
their additives, Metals and Ceramics Division ORNLITM -2001/64.
Cho M.H., Kim S.J., Basch R.H., Fash J.W., Jang H., Tribological study of gray
cast iron with automotive brake linings: The effect of rotor microstructure, Tribology International 36 (2003), p. 537–545.
Cueva G., Sinatora A., Guesser W.L., Tschipitschin A.P., Wear resistance of cast
irons used in brak disc rotors, Vol. 255, Issues 7–2, August–September 2003,
p. 1256–1260.
Jetley Sudershan, Martempering to improve wear properties of aircraft brake steel
rotors, Vol. 23, Number 2, April 2007.
Kosbe P., More C., Performance of a disc brake friction material, Frontiers in
Automobile and Mechanical Engineering (FAM) 2010, Issue 25–27, Nov. 2010,
p. 383–386.
Lawrowski Z., Tribologia., Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2009.
Maleque M.A., Dyuti S., Rahmann M.M. (member IAENG), Material selection
method in design of automotive brake disc, Proceedings Of The World Congress Of
Engineering 2010, vol. III, WCE 2010, June 30–july 2, 2010, London U.K.
Summary
In paper tribological properties (average and instantaneous coefficient of
friction, wear and temperature) for frictional connection created from frictional material MKW-50A and cast iron EN-GJN-HV600(XCr14) are presented. Test were carried out using machine type Amsler used to determining friction and wear.
84
TRIBOLOGIA
5-2012