Poškodbe strojev in
površin
3. letnik PAP
Prof. dr. Mitjan Kalin
1
7.Del
TRENJE
Trenje nekaterih materialov
I. Trenje kovin
Relativna primerjava!
(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
0,5
indij
2
svinec
1,5
svinec
1,2
kadmij
0,5
baker-20% svinec
0,2
krom
0,4
bela zlitina (Sn osnova)
0,8
bela zlitina (Pb osnova)
0,5
a-medenina (Cu-30% Zn)
0,5
osvinčena a/b medenina (Cu-40% Zn)
0,2
sivo lito železo
0,4
mehko jeklo (0,13% C)
0,8
(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
Kontaktni pogoji?
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 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.
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.
Koeficient trenja; μ
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!!
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Dušik
50% RH
90%RH Destilirana
voda
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.
grafit
3.16Å
0,5
0,4
3.40Å
3.49Å
0,3
3.16Å
0,2
0,1
MoS2
1.42Å
grafit
0
S
Mo
MoS2
atmosfera
vacuum
vakuum
atmosfera
III. Trenje nekaterih nanodelcev (MoS2)
nanožičke
Ø nanocevke
Ø fulereni
Ø
Fulereni
C60 Fullerenes - H. W. Kroto et all., Nature 1985, 318, 162.
à CNT, CO
IF and INT - R. Tenne et all., Nature 1992, 360, 444.
MoS2 and WS2
7
Nanocevke v olju (1-2 ut.%)
Mehanizmi zniževanja trenja v olju
Exfoliation and film
formation
Separation of surfaces
Lubrication is physical-based
(shear of weakly-bonded planes)
Filling the asperity valleys and reduce
pressure
9
Spherical particles as rolling
elements
IV. Trenje trdih prevlek (DLC)
“inertne” – nizka p. energija
Ø trenje
Ø adhezija
Ø obraba
Ø mehanske lastnosti
Ø
Ø
dodatki .. >>možnosti
Inertnost – dobro v suhem – slabo v mazanem
(večina mehanskih sistemov mazanih !)
Uporaba DLC prevlek
Nizko trenje v suhem, .... Trenje v mazanih kontaktih?
Steel/Steel
DLC/DLC
Vendar:
DLC trenje je 2-krat nižje in
DLC obraba 2 velikostna razreda manjša, kot pri jeklu !
12
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.
•
DLC
S trdnimi mazivi:
MoS2
Grafit
14
V tekočinah ….
Friction coefficient µ
Ta-C + GMO
1.2
15
0
Sliding contact in water
Load : 5N
Sliding velocity : 120 mm/s
1.0
0.8
Si3N4 / Si3N4
SiC / SiC
0.6
Si3N4 ali SiC
v vodi
0.4
0.2
0
Sljuda+polimerne ščetke
Sliding distance L, x103 m
2
4
6
8
0
2
4
6
8
10
12
4
Sliding cycles N, x10 cycles
Si3N4 + H3PO4 (fosforna kislina)
14
Polisaharidi iz alg
(naravnega izvora)
+ 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.
•
16
•
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!
Trenje in človeški otip / občutek: Vpliv topografije
mehkost
mehko
toplina
trdo
toplo
hladno
Drsenje
hrapavost
gladko
Vplivi merljivih parametrov
na občutek pri otipu.
hrapavo
zdrsuje
Koža – površina naprave
Koža – Steklo (očala, idr)
Veka – leče
Koža – tkanina
Koža/lasje – kozmentika
sprijemlje
Človeški dotik
Topografija površine
Tribološki kontakt
17
Kontaktni model
Primer: SiC vodna črpalka
Olje
18
5:1