Tribologija - uni-lj.si

1

Prof. dr. Mitjan Kalin

Tribologija

3. letnik RRP

M. KALIN, Lab for Tribology and Interface Nanotechnology, TINT

TRENJE

7.Del


Kaj je trenje ?

Sila trenja je sila, ki nasprotuje gibanju v tangencialni smeri pri medsebojnem gibanju dveh teles, ki sta v kontaktu. Trenje tako predstavlja odpor proti gibanju enega telesa po drugem (v kontaktu) v tangencialni smeri. Delo, ki je potrebno za premagovanje trenja je običajno “izguba” energije in se v največjem delu odvede v okolico kot toplota. Zato se v večini triboloških kontaktov skuša doseči čim manjše sile trenja. V avtomobilu se 33% energije izgubi skozi izpušne pline, 29 % za hlajenje in 38 % za uporabno moč 33 % za trenje, 5 % za zračni upor.


Kaj je trenje ?


Kaj je trenje ?

Obstojijo tudi izjeme k temu splošnemu pravilu, pri katerih je trenje bistvenega pomena za samo delovanje mehanskega sistema, npr. avtomobilske gume na cesti, avtomobilske zavore, sklopke .... nenazadnje hoja.. Kljub tem neposrednim vplivom, pa je lahko vpliv trenja še precej bolj poguben, če opazujemo sistem dolgoročno, saj ga pogosto spremlja tudi obraba delov. Večje trenje je skoraj vedno (vendar ne vedno!!!) povezano z večjo obrabo, tako zaradi spremljajoče povišane temperature in s tem vplivi na lastnosti materialov v kontaktu, kot tudi zaradi neposrednih mehanskih vplivov. (-> zamenjave izrabljenih delov. cena zastojev strojev zaradi popravil, vzdrževanja in menjave, ..)


Intuitivno razumevanje trenja

Nekatera dejstva, povezana s trenjem, ki jih zlahka intuitivno razumemo. 1. Precej lažje je vleči npr. lahko škatlo, kot pa precej težjo, polno. 2. Ni odločilna samo teža, ampak se potreben trud lahko poveča ali zmanjša, če se spremeni podlaga! (Če npr. prestopimo s parketa na beton, bo običajno potrebno škatlo močneje potiskati) (Če potisnemo na kuhinjskem pultu – ista podlaga - košček ledu ali košček sira iste teže) 3. Lažje je potiskati težko breme, če so pod njim kolesa ali valjčki, kot pa če so nevrteči deli - torej so sile kotalnega trenja precej manjše od sil trenja pri drsenju.


Prvi “zakoni” – pravila trenja

(1) Prvi Amontonov zakon pravi, da je sila trenja F med parom obremenjenih površin, ki drsita druga po drugi, premosorazmerna normalni obremenitvi W, ki jo prenašata: če se normalna sila podvoji, se tudi sila trenja podvoji (slika a, b)

Konstanta, ki podaja sorazmernost med normalno in tangencialno silo, je splošno poznana kot koeficient trenja µ.

(2) Drugi Amontonov zakon pravi, da je sila trenja F med parom obremenjenih površin, ki drsita druga po drugi neodvisna od nominalne velikosti kontaktne površine. Torej je vseeno ali vlečemo kvader po manjši ali večji ploskvi, vedno bo potrebna enako velika vlečna sila, (slika a,c).

To smo spoznali že v prejšnjih poglavjih, ko smo videli, da je A realna premosorazmerna normalni sili W in neodvisna od nominalne velikosti A (glej GW model)!!

(3) Tema dvema zakonoma se pogosto dodaja še Tretji zakon trenja: Coulombov zakon trenja, ki pravi, da je koeficient trenja neodvisen od hitrosti, potem ko se gibanje enkrat že vzpostavi. Ta zakon je (še) manj natančen kot prejšnja dva, pa kljub temu v precejšnjem področju hitrosti drži. Odvisno od vrednosti hitrosti! Ko začnejo vplivati kontaktne temperature je vedno manj natančen (tribofilmi, reakcije,..)


Ko prideta dve površini v kontakt, se dotakneta le v diskretnem številu točk in je skupen tangencialni odpor vsota odporov na vseh dotikalnih točkah - kontaktih. Če predpostavimo, da je odpor na enoto površine na vseh točkah konstanten, se pravi da je specifični odpor proti striženju

“Današnje razumevanje trenja”

ττ×= AFt

fWAWA

×=∝ :enacaj) damoin f zapišemofaktor sorazmerni (za

µττ ×=××=×= WfWAFt f×= τµ

konstanten, potem je celotna tangencialna sila Ft enaka :

Na ta način ni potrebno delati predpostavk npr. ali je nek vršiček elastično ali plastično deformiran (1), pomembno je le, da je vsak vršiček celotne realne površine njen reprezentančen predstavnik - da ima enake lastnosti (2), t.j. str.trdnost.

Sledi:

pri tem je A celotna realna kontaktna površina.

In končno: WFt=µ = konst?!

Če nadlaje predpostavimo, da velja, da je realna površina v linearni zvezi z normalno obremenitvijo W (GW) (3), potem smo tudi Amontonove zakone že “dokazali”:


Ali je µ konstanta ?

(I.) Tau zavisi od fizikalnih lastnosti striženja na površini (strižna trdnost)

= odvisno od (4.) nastanka in (5) tipa vezi med površinami ter načina (6) pretrganja teh vezi (vrsta podlage, tribokemijski procesi, okolica..)

(II.) faktor “f” zavisi od mehanskih lastnosti površin = odvisno od realne kontaktne površine, se pravi odvisno od: (7) deformacije – ta pa od (8) hrapavosti, (9) trdote, (10) elastičnosti, (11) žilavosti, (12) načina porušitve materiala,..)

f×= τµ

fWA ×=

>Vrednost koeficienta trenja torej ni povezana samo s parom materialov v kontaktu (kjer naj bi bil konstanten za dva materiala – npr. kot beremo v priročnikih) temveč tudi s fizikalnimi (in kemijskimi) pogoji drsenja!!! >> Koeficient trenja je lastnost celega sistema z vsemi parametri materialov, kontaktnih in delovnih pogojev ter okolice!! ( je TRENUTNI odziv sistema na tribološke pogoje ) Glede na (tukaj samo) 12 naštetih parametrov ni čudno, da µ NI KONSTANTA...


Ni vseeno, če npr. avtomobilska guma drsi po gladkem ali hrapavem asfaltu, ali bo asfalt vroč ali zmrznjen, da ne govorimo o tem ali je na njem voda, blato, prah, ... Led najbolj drsi okoli 0oC !! Bolj ekstremne primere lahko najdemo v vakuumu na zelo čistih površinah, kjer so razlike lahko do 10 x !!

Za razumevanje trenja bi morali dejansko poznati-predvideti vrednost strižne napetosti/trdnosti kontakta Tau (za vsak primer posebej) in faktorja f (vse napetostno-deformacijske relacije, velikosti real. površin, ...).

Od česa zavisi µ ?

Kljub precejšnjim naporom za rešitev tega problema, pa danes ni možno določiti vrednosti Tau, f in s tem µ med dvema površinama na osnovi poznavanja zgolj mehanskih in fizikalnih lastnosti ter topografije površin in delovnih pogojev – (univerzalni) model za koeficent trenja ne obstaja! Edini način za določitev koeficienta trenja je tako še vedno preizkus na enakih materialih z enakimi lastnostmi površin, in delovnimi pogoji, kot naj bi se uporabili v resnični aplikaciji. Na žalost je to pogosto pogojeno s precejšnjimi stroški ali pa iz čisto mehansko-fizikalnih pogojev ni izvedljivo, zato ostaja vprašanje temeljnega problema trenja in obrabe še naprej nerešeno in predmet številnih raziskav. Današnje teorije se opirajo predvsem na dve različni vrsti mehanizmov: - prva je povezana z adhezijo med površinama (kemijski pristop- npr. Rabinowicz), - druga pa z mehansko deformacijo (mehanski pristop-npr. Suh,..).


Mehanizmi vzrokov trenja

I. Delež trenja zaradi adhezije Dve obremenjeni površini se dotakneta v končnem številu točk, zato so napetosti na teh dotikih vršičkov precej večje, kot je nominalna vrednost tlaka. To pomeni, da lahko pridejo atomi ene površine zelo blizu atomom druge površine. (a) Material z večjo gostoto elektronov odda del svojih elektronov drugi kovini in pride do spoja, lahko tudi do reakcij, če so sile, temperature dovolj visoke. (b) Materiala se v primeru zelo nizkih sil in temperatur tudi privlačita - s šibkimi vdW silami, ki pa tudi predstavljajo interakcijo (šibkejšo).

Prevelika razdalja, da bi prišlo do adhezije.

x

Če želimo takšne površine ločiti, jih je potrebno z dovolj veliko silo odtrgati ali pa zgolj povleči narazen. Primer je najbolj izrazit pri (i) zelo žilavih materialih (baker) ali pa (ii) žlahtnih materialih (zlato), ki nase ne vežejo stabilnih oksidnih plasti. Taki spoji so zelo trdni in potrebna je precejšnja strižna napetost za njihovo ločitev. V primeru fizikalnih vdW interakcij je sila manjša, pa vendar obstaja.


Zaradi dotika le na nekaterih vršičkih je napetost na njih tako velika, da je blizu plastični deformaciji ali pa jo celo preseže. Za žilave materiale je kontakt na začetku skoraj vedno plastičen.. (indeks plastičnosti!) Velja:

Adhezijska teorija (Bowden-Tabor)

3o plW A p A A Hσ≈ ⋅ ≈ ⋅ ≈ ⋅ A .. Realna k. pov. H .. Trdota mehkejšega

Zaradi te lokalno hude plastifikacije pridejo atomi površin dovolj blizu skupaj, da nastopijo močne povezave med dotiki vršičkov, ki jih je v primeru tangencialnega gibanja potrebno prestriči (pri površinah so te vezi lahko močnejše od samega osnovnega materiala zaradi predhodnega utrjevanja površine). Celotna sila trenja F je tako produkt celotne realne površine A in specifične kritične strižne napetosti (τkr) za dane kontakte:

Koeficient trenja pa je: HHA

AWF krkr ττµ =

××

==

krAF τ×=

Kljub tej razumljivi razlagi pa je kar nekaj težav z veljavnostjo pri tej teoriji, saj definira le dva vplivna parametra mehkejšega materiala (strižno trdnost τ in trdoto H), ne upošteva pa lastnosti tršega materiala, pa tudi ne vplivov okolice in ostalih materialnih lastnosti (E, žilavost ,...)

- Skladen z Amontonom! (µ=konst) - Fi razlaga neodvosnosti od kontaktne površine.


Na splošno se izračuni na osnovi Bowden-Tabor teorije pogosto ne skladajo z meritvami koeficienta trenja v realnosti (... smo že ugotovili zakaj ne ...). Največje razlike pa nastopijo pri drsenju kovin v vakuumu z zelo čistimi površinami, kjer so koeficienti trenja lahko za cel razred velikosti večji od predpostavljenih ali merjenih na zraku (10 x). S to teorijo (adh teor. B-T) pa tako visokih vrednosti koeficienta ni možno predpostaviti. Za te izjemne koeficiente trenja, značilne za zelo žilave materiale in zelo čiste površine, ki nimajo oksidov (poskusi v vakuumu) ali pa jih ne tvorijo (npr. zlato), je razlaga v teoriji, ki ji pravimo: Rast kontaktov vršičkov (Junction growth). Velja pa seveda splošno za vse MANJ EKSTREMNE kontakte!!

Razlaga adhezije - Rast kontaktov vršičkov


asperiteta

asperiteta

dolžina kontakta

povečanje kontakta zaradi delovanja strižnih sil

strižne sile

vršiček

vršiček

Rast kontaktov vršičkov

Posamezen kontakt vršička, ki je zaradi normalne sile in visokih kontaktnih tlakov že v področju plastične deformacije (tečenja), se pod vplivom dodatne tangencialne sile (zaradi drsenja), zlahka dodatno deformira in teče, tako da se realna kontaktna površina lahko znatno poveča. (material zapolni vso površino – doline vrhove, ... “se prileže celotni topografiji”) Zaradi večje kontaktne površine bo v kontaktu več adhezijskih interakcij oz. spojev med materialoma in zato bo tangencialna sila večja. Večja bo torej sila potrebna za prestrig adhezijskega kontakta (pri isti strižni trdnosti spojev), s tem pa višje trenje. Tangencialna sila in realna površina bosta rasli toliko časa, dokler ni dosežena maksimalna strižna trdnost materiala.


Medsebojna topnost materialov (Rabinowicz)

.. te ugotovitve se dopolnjujejo z ugotovitvami Rabinowicz-a (MIT,1965), ki je prišel do spoznanja, da je sposobnost adhezije premosorazmerna medsebojni naravni topnosti elementov v trdni (ali tekoči) fazi. Bolj topni elementi/materiali tvorijo močnejše adhezijske vezi kot manj topni. Če torej približaš dve enaki (podobni/topni) površini dovolj blizu skupaj (na katerih ni oksidnih plasti), bo vez med atomi na površini “enako” močna kot med atomi v materialu samem (še celo močnejša je lahko zaradi učinkov utrjevanja površine). Torej je potrebno prestriči “enake” vezi kot v materialu samem. Adhezivnost v kontaktih dobro topnih elementov je zelo velika, tako da pride do rasti kontaktov in s tem naraščanja koeficienta trenja!

InPbSnCdMgZnAlAgAuCuTiZrPtNbFeNiCoCrMoW

W Mo Cr Co Ni Fe Nb Pr Zr Ti Cu Au Ag Al Zn Mg CdSn Pb In

dve tekoči fazi z deležem trdne snovi manj kot 0,1%; nizka adhezija

ena tekoča faza, topljivosti manj kot 0,1%

ena tekoča faza, topljivosti med 1% in 0,1% (višja adhezija)

ena tekoča faza, topljivosti več kot 1% (visoka adhezija)

enaka elementa

InPbSnCdMgZnAlAgAuCuTiZrPtNbFeNiCoCrMoW

W Mo Cr Co Ni Fe Nb Pr Zr Ti Cu Au Ag Al Zn Mg CdSn Pb InInPbSnCdMgZnAlAgAuCuTiZrPtNbFeNiCoCrMoW

W Mo Cr Co Ni Fe Nb Pr Zr Ti Cu Au Ag Al Zn Mg CdSn Pb In





enaka elementa





enaka elementa

!! Za drsenje materialov v pogojih brez maziva ne smemo uporabljati v paru enakih materialov, saj je potem, ko se zaščitni (oksidni) film na površini odstrani, njihova adhezivnost zelo velika, tako da pride do rasti kontaktov.


II. Delež trenja zaradi razenja

Če opazujemo dve površini po drsenju, skoraj vedno opazimo sledi razenja na vsaj eni od površin. (Usmerjenosti raz na površini nakazuje tudi na smer drsenja.) Plastična deformacija, ki je pri tem nastala, je posledica razenja nekega tršega delca, ki se pod vplivom zunanje obremenitve kontinuirano giblje navkljub morebitnim “oviram” na poti. Energija, ki se pri tem izgublja prispeva k trenju, tako da jo moramo prišteti k ostalim vplivom, npr. adhezijskemu. Dejanjski delci ali vršički na tehnični površini imajo sicer kompleksno geometrijo, vendar pa se za razumevanje vplivov (možnost teoretične simulacije) na trenje geometrija delcev lahko idealizira in obravnava le dva ekstremna primera; ostre konične delce ter okrogle delce.


µ zaradi razenja

Za konične delce:

Za sferične delce:

µπ

ϑ= ×′2

tanpH

µπ

=

−

−

×

′2 22

21

2 2Rw

wR

Rw

pH

arcsin

w … širina raze, p' … normalna napetost, potrebna za nastanek raze (približno enako H)

Pri koničnih delcih koeficient trenja zavisi samo od naklona delca (ne pa tudi od višine). Naklon je običajno manjši od 10o, zato je ta delež trenja relativno majhen: pod 0,1.

V primeru okroglih delcev je vrednost koeficienta trenja odvisna od faktorja w/2R, torej tudi od globine razenja. Trenje zaradi tega prispevka je lahko zelo pomembno, če je npr. w/2R > 0,3.


Konični delci predstavljajo tipične hrapave površine! (teor. relativno malo trenja) [Zato naj ti ne bi bili problem, toda tudi to ni (čisto) res!!! Veljavnost modelov!!??]

Znižanje µ zaradi razenja s filtriranjem

Sferični delci pa so podobni obrabnim delcem ali pa delcem, ki pridejo v kontakt iz okolice. Veliko trenja ! Zato je zelo pomembno,da se teh delcev skušamo izogniti, oziroma jih odstraniti iz kontakta, kar lahko naredimo s pomočjo filtriranja maziva.


III. Delež trenja zaradi deformacij vršičkov

Analiza s pomočjo metode “zdrsne linije” pokaže verjetne vrednosti koeficienta trenja glede na naklon vršičkov:

θ , kot dejanskega oprijema delcev

α=θ

Naklon vršičkov

Kot v

prije

ma

vrši

čkov

Rezultat nakazuje zelo visok µ (0.4-1.0) zaradi deformacij! Podoben statičnemu µ! => verjetno največ deformacij pred začetkom gibanja.

α

θ′

θ


IV. Ostali viri trenja

Dodatni viri, ki pripsevajo k trenju so lahko tudi histerezne izgube. Te izgube so izrazite pri materialih, ki se močno deformirajo, npr. visoko elastični materiali. Prav tako je ta del pomemben pri kotaljenju v kotalnih ležajih, saj so tam obremenitve zelo velike in povzročajo velike elastične deformacije površine pred kotalečo kroglico.

Fn

ω

Ft


Relativni prispevki posameznih komponent k celotnemu trenju

Koeficient trenja zaradi adhezije; 0–0,4; adhezija je minimalna pri dobro mazanih površinah, maksimalna pa pri uporabi dveh enakih materialih, ki na površini nimata kontaminantov in oksidov in sta zelo žilavi/deformabilni. Koeficient trenja zaradi razenja; 0–1; v običajnih pogojih je koeficient trenja zaradi razenja manjši od 0,4. Minimalen je, ko v kontaktu ni delcev ali pa ko drsi mehak material po zelo trdem materialu s polirano površino, maksimalen pa, ko drsita med seboj dva enaka materiala. Koeficient trenja zaradi deformacije vršičkov; 0,4–1,0; Celotna normalna sila se prenaša preko vrhov, ki imajo najpogosteje naklon 5 °-20 °. Ta del trenja se pojavi pri ustaljenih razmerah, ko se pojavljajo stalno novi vrhovi zaradi narave obrabnega mehanizma. Ta del je odločilen za statični koeficient trenja.

Za popis koeficienta trenja ni dovolj podati samo lastnost materialov. Pri tabeliranem koeficientu trenja kontaktni pogoji niso definirani !! Boljša rešitev bi bil: prostor trenja, ki podaja odvisnost koeficienta trenja od adhezije (strižna napetost kontakta), razenja (razmerje globine razenja in premera) ter hrapavosti (naklon vršičkov) – v odvisnosti od vplivnih parametrov/pogojev!


Stik-zdrs efekt (stick-slip)

Sila, ki je potrebna za začetek gibanja je večja, kot pa je potrebna za vzdrževanje tega gibanja. Koeficient statičnega trenja je torej večji od koeficienta kinetičnega trenja.

Posledica razlike teh dveh koeficientov trenja in elastičnosti vsakega mehanskega sistema je pogosto neželjen pojav, imenovan stik-zdrs (stick-slip), zaznan tudi kot neprijeten, cvileč zvok

λ pa njegov dušilni-zaviralni učinek. (Sistemi, z majhnim λ so posebej občutljivi za stik-zdrs)

m

k

λv

Ko se spodnje telo sistema začne premikati od leve proti desni, bo zgornji del sistema najprej potoval skupaj z njim zaradi elastičnosti, tako da se bo vzmet raztegovala. To se bo dogajalo, dokler bo sila vzmeti manša od sile statičnega koeficienta trenja. V trenutku, ko pa sila vzmeti preseže silo trenja, bo zgornji del začel zdrsovati v smislu dušenja-zaustavljanja gibanja. Po vzpostavitvi pogojev, kjer bo sila vzmeti ponovno manjša od sile trenja, oziroma ko se bosta hitrosti obeh delov ponovno izenačili, se bosta telesi ponovno sprijeli in nastopil bo “stik”. Krivulja pomik-čas postane tedaj ponovno linearna. Proces se ponavlja, ...

slip stik slip stik slip

čas

premik

slip stik slip stik slip

čas

premik mase m

Slika prikazuje mehanski model drsenja dveh teles, pri čemer je: k togost vzmeti, ki predstavlja naravno elastičnost mehanskega sistema,


Način, za odpravo stik-zdrs efekta je lahko ta, da 1) izberemo par materialov, ki imata statični koeficient zelo blizu kinetičnemu. Praktično bi to lahko izvedli z nanosom npr. mehke prevleke na trši material, problem pa je v tem, da je trajnost take prevleke manjša in se bo slej ko prej odluščila, tako da bo problem ponovno nastopil. 2) Drugi način je pravilna konstrukcija sistema, ki bo čim bolj tog, tako da bodo amplitude nihanja pomika čim manjše, ali/in povečati inertnost-dušilnost sistema, pa tudi posameznih komponent. 3) Približna vrednost amplitud pri stik-zdrs efektu je 0,01 mm, kar je pa tudi tipična vrednost višin vršičkov na inženirskih površinah, zato pomeni reševanje tega problema z izdelavo bolj gladke in masivne površine (izboljšanje kvalitete), povečanje cene, Vse rešitve spremlja pa tudi vrsta drugih težav in omejitev (obraba / udobnost vožnje npr.).

Odpravljanje stik-zdrs učinka


Zdrs pri kotalnih elementih

I. Reynolds-ov zdrs

Reynolds slip se pojavi v primeru kotaljenja valja ali krogle po ravni površini, ko pride pod vplivom bremena na mestu kontakta do elastičnih deformacij valja oziroma krogle in površine podlage. Pojavlja se različno raztezanje površine v smeri kotaljenja valja oziroma krogle.

Iz slike je razvidno, kako se površina valja (oz. dolžina loka med točkama a in b) skrajša, medtem ko se površina podlage (med točkama a in b) podaljša.

Na sredini kontakta do zdrsa ne pride, saj je tam normalna sila dovolj veika (cofxFn) - > s tem tudi tangencialna, zato kontakt ne zdrsne. Ta stik cona je zelo odvisna tudi od velikosti koeficienta trenja. Izguba energije pri Reynolds slipu je minimalnega pomena ter igra pri celotni energijski bilanci le manjšo vlogo.

a b

F F

slip slipstick

ω ω

podlaga

valj


II. Heatcote-ov zdrs

Heatcote slip se pojavi takrat, kadar imamo “kotaljenje” sferičnih kotalnih elementov (torej krogle) po utoru, ki ima večji kotalni premer kot krogla. Pri cilindričnih kotalnih elementih do Heatcote slipa ne more priti, saj se ta zdrs pojavlja le v smeri kotaljenja, kar pri valju ni možno.

ω

v k o t a l j e n j e

v(r)

3 2 1 2 2 1

3 3

v k o t a l j e n j e

a.) b.) v-v(r)<0

v

ω

ω

Razlika drsnih hitrosti predstavlja zdrs, s tem pa trenje :


A A

a

−ca +ca

X

Y

Liniji kotaljenja

Analiza Heatcote-ovega zdrsa

Različni radiji kotalnega elementa (in tudi utora). Ker je obodna hitrost točke: v = ω r je čisto kotaljneje (enaka obodna hitrost točke površine na obeh elementih) možno le v dveh točkah!!! Vse ostalo je drsenje (obstaja razlika v hitrosti točk površine)!!!


Trenje nekaterih materialov

I. Trenje kovin

(a) kontakt istih materialov na zraku µs

zlato 2

srebro 0,8-1

pločevina 1

aluminij 0,8-1,2

baker 0,7-1,4

indij 2

magnezij 0,5

svinec 1,5

kadmij 0,5

krom 0,4

(b) drsenje čistih kovin in zlitin ob jeklo (0,13% C) na zraku

µs

srebro 0,5

aluminij 0,5

kadmij 0,4

baker 0,8

krom 0,5

indij 2

svinec 1,2

baker-20% svinec 0,2

bela zlitina (Sn osnova) 0,8

bela zlitina (Pb osnova) 0,5

α-medenina (Cu-30% Zn) 0,5

osvinčena α/β medenina (Cu-40% Zn) 0,2

sivo lito železo 0,4

mehko jeklo (0,13% C) 0,8

Kontaktni pogoji?

Relativna primerjava!


I. Trenje kovin – nekateri vplivi

Vpliv oksidenga sloja (sila)

Vpliv oksidenga sloja (temperatura)

Dodatno še: - Vpliv kemijske sestave (% C) - Vpliv mikorstrukture (orientacija)

Vpliv oksidenga sloja (količina/debelina sloja)


II. Trenje keramičnih materialov – nekateri vplivi

V inženirski praksi se vse bolj uveljavlja tudi keramika, npr. Si3N4, SiC, Al2O3, ZrO2 itd.

Njihova prednost je predvsem v mehanskih lastnostih, kot so velika trdota, nizek Youngov modul, nedeformabilnost, ..

Osnovna razlika med keramiko in kovinami je v kemijski vezi, ki je pri karamiki ionska kovalentna. Le-ta ne dopušča veliko deformacij in dislokacij, zato je keramika krhka.

Lastnosti pa keramika ohrani tudi do visokih temperatur - preko 1000oC.

Prav zaradi tako nizke deformabilnost, npr. pojava rasti kontaktov tu ne zaznamo v taki meri in tudi adhezija je zato precej manjša v primerjavi s kovinami.

Tipičen koeficient pri suhem drsenju med dvema keramikama je 0.25 - 0.8 (!razpon?). Tudi v tem primeru se koeficient trenja lahko znatno spreminja, izjemno pomembno vlogo pa igra vpliv okolice – vlaga!!

Čeprav “slovi” (napačno) keramika kot kemijsko inerten material, je zelo dovzetna do tribokemijskih reakcije, ki se posebej pri povišanih temperaturah / drsenju pogoste in so hkrati odgovorne za nastanek tribo-plasti na površini, ki znižujejo koeficient trenja. Dušik 50% RH 90%RH Destilirana

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0K

oefic

ient

tren

ja; μ

vodaDušik 50% RH 90%RH Destilirana

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0K

oefic

ient

tren

ja; μ

voda


M. Kalin, in: Water lubrication of ceramics (World Scientific, 2014)


B. Basu, M. Kalin, Tribological properties of ceramics and composites (Wiley, 2011)


II. Trenje slojevitih trdnin (trdna maziva)

Več vrst materialov s slojevitimi strukturami daje pri določenih pogojih zelo nizke koeficiente trenja in so zato zanimivi kot trdna maziva. Med najbolj znanimi sta gotovo grafit in MoS2.

V obeh primerih so vezi znotraj plasti zelo močne (kovalentne), medtem ko so med posameznimi plastmi vezi precej šibkejše. V grafitu so to Van der Waalsove in delno šibke kovalentne vezi, v molibdenovem disulfidu pa zgolj Van der Waalsove in so tako še šibkejše kot v grafitu. V obeh primerih je nizek koeficient trenja povezan s slojevito strukturo in šibkimi vezmi, ni pa to edini faktor, saj nekateri podobni materiali kljub temu ne izkazujejo nizkega koeficienta trenja.

Izkaže se, da so po drsenju plasti skoraj vzporedne in je torej način obremenitve zanesljivo pomemben dejavnik. Konci molekul so zelo močno povezani na drugi material, medtem ko so plasti med sabo zelo slabo vezane, strižna trdnost med njimi je majhna, zato dajejo nizek koeficient trenja. S pravilno obremenitvijo je potrebno zagotoviti, da se plasti ne pretrgajo. V takem primeru bi koeficient trenja narastel, saj plast ne služi več kot mazivo.

3.40

Å

3.16

Å3.

16Å

3.49

Å

1.42Å

S Mografit MoS2

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0atmosfera vakuum

grafit

MoS2

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0atmosfera vakuum

grafit

MoS2

atmosfera vacuum


III. Trenje nekaterih nanodelcev (MoS2)

nanožičke nanocevke fulereni


Nanocevke v olju PAO


Nanocevke v suhem (AFM in UHV AFM)


“inertne” – nizka p. energija trenje adhezija obraba mehanske lastnosti dodatki .. >>možnosti

Inertnost – dobro v suhem – slabo v mazanem (večina mehanskih sistemov mazanih !)

IV. Trenje trdih prevlek (DLC)


Uporaba DLC prevlek


V. Trenje polimerov

Kontakt med dvema polimeroma ali polimerom in kovino je običajno elastičen. V tem pogledu se trenje pri polimerih razlikuje od kovin ali keramike že v svoji fizikalni osnovi. Pri kovinah je razmerje elastičnega modula proti trdoti E/H okoli 100, medtem ko je pri polimerih E/H pod 10, kar določa količino plastičnosti v kontaktu. Tudi indeks plastičnosti je približno 10 krat manjši pri polimerih, torej je kontakt pri polimerih skoraj v celoti elastičen. To velja za PTFE, nylon, PMMA-polymethylmethacrylate, nekatere epoxy materiale,.. Drugi faktor, ki tudi znatno vpliva na koeficient trenja, je močna časovna odvisnost polimerov. Le ti so viskoelastični in se jim mehanske lastnosti s časom spreminjajo, še posebej pri večjih stopnjah deformacij. Koeficienti trenja pri drsenju proti polimerom, kovinam ali keramiki so približno med 0.1 in 0.5. Amontonovi zakoni za polimerne materiale praktično ne držijo in se v odvisnosti od sile, hitrosti in temperature, tako zelo spreminjajo, da bi bila tabela koeficientov trenja zaradi nezanesljivosti praktično neuporabna. Podobno kot pri kovinah, sta osnovna dejavnika za nastanek trenja pri polimerih adhezija in deformacija.

Zaradi nizkega koeficienta trenja sta se zelo uveljavili predvsem dve vrsti polimerov, tako da služita tudi kot trdi mazivi in nosilna materiala: polietilen (HDPE - high density polyethylene) in teflon (PTFE -polytetrafluoroethylene). Njuni molekuli sta linearni, brez polarnih in stranskih skupin. Čeprav tvorijo prenosne filme na trših podlagah, pa pri drsenju po takih podlagah v isti smeri nastane plast orientiranih molekul, ki v kontaktu s polimerom daje zelo nizek koeficient trenja - celo okoli 0.05! Začetni koeficient trenja je sicer relativno velik (0.2 - 0.3), vendar se s kasnejšo orientacijo in formiranjem filma znatno zmanjša. Problem pri tem je, če se smer drsenja zamenja, saj se na ta način nastali film pretrga in koeficient trenja bi zopet narasel.


Super-mazalnost / superlubricity / Super-nizko trenje: µ < 0,01

• Ko dosežemo trenje 0.01 - 0.001, govorimo o super-mazalnosti.

• Pomembno je zaradi energijskih izgub, pa tudi predstavlja stanje, ko je obraba skoraj nična.

• S trdnimi mazivi:

39

Grafit

MoS2

DLC


Superlubricity - Graphite

40

60o

72o

38o

Tomlinson-ov model trenja – krivulja Eksperiment - točke


V tekočinah ….

41 Sljuda+polimerne ščetke Si3N4 + H3PO4 (fosforna kislina)

Ta-C + GMO Polisaharidi iz alg, … (naravnega izvora)

Si3N4 ali SiC v vodi

+ Povzetek o super-mazalnosti

• Super-mazalnost je tesno povezana s kontaktnimi pogoji in okolico! Doslej ne obstoji trdno mazivo, ki bi delovalo pri vseh okoljih (suho/vlažno/zrak/inertni plini).

• Dosedanje super-mazalne tekočine so vse na osnovi vode, ki ima nizko viskoznost. • Prav zato, niso vse primerne za inženirsko uporabo, npr. Polimerne ščetke (polymer

brush) na sljudi, ki delujejo le do 7.5 Mpa. • Uporaba keramičnih materialov z vodo, posfprno kislino, glicerolom ali DLC z GMO pa

vsi delujejo v nekj 100 MPa ali celo GPa področju.

• Poleg tega se je izkazalo, da super-mazalnost s tekočinami bistveno povezana z lastnostmi površin! (OH-terminiran DLc, SiO2 na keramiki, pH raztopine in površinski naboji, …)

• Zdi se, da je lažje doseči super-mazalnost za inženirsko uporabo brez maziva, kot z mazivom! 42 M. KALIN, Lab for Tribology and Interface Nanotechnology, TINT

43

5:1

Olje

Primer: SiC vodna črpalka


Tribologija - uni-lj.si

Documents