Hodnocení tribologických vlastností procesních kapalin
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.
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.
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. 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.
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.
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.
- 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).
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.
Při tření se uplatňují tyto mechanismy (viz obr. 2):
• 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.
Experimentální část
V článku jsou popsané experimenty, jejichž cílem bylo vyhodnocení povrchů z tribologického hlediska.
- 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).
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 při pokojové teplotě za použití kuličky z materiálu Si3N4 o průměru 6,350 mm při konstantním zatížení 10 N. Použitý materiál disku (zkušebního vzorku) byla ocel 14 220 s vyleštěním povrchem o drsnosti Ra 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 100 ml.
- Výsledky měření
Na obr. 8 a) a b) jsou znázorněny drážky profilu po tribologii při použití PK 1 vyhodnocení optickým mikroskopem a mechanickým profilometrem. Na obr. 9 je znázorněno opotřebeni „Ball“ tělíska Si3N4 při použití PK 1 a na obr. 10 časový průběh změny koeficientu tření. Na obrázcích 11 a) a b) jsou znázorněny drážky profilu po tribologii při použití PK 2 vyhodnocení optickým mikroskopem a mechanickým profilometrem.
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.
Ing. Totka Bakalova, PhD., Prof. Ing. Petr Louda, CSc., Ing. Lukáš Voleský Technická univerzita v Liberci - Ústav pro nanomateriály
578
.gif)
