Vebe iz inenjerstva povrina Laboratorija za termiku obradu

-1-

7. VEBA UVOD U TRIBOLOGIJU

Jedan od glavnih problema moderne industrije predstavlja habanje mainskih elemenata pri kontaktu

sa drugim elementima u mainama i ureajima. Decenijama se ulau veliki napori kako bi se efekti

trenja i habanja smanjili na najmanju moguu meru.

Da bi prevlaka zadovoljila zahteve u tribolokom smislu ona mora posedovati odgovarajuu

kombinaciju osobina: tvrdou, modul elastinosti, smicajnu vrstou, ilavost loma i adheziju.

Problem predstavlja injenica da je teko postii sve eljene osobine istovremeno. Stoga je za

poboljavanje tribolokih osobina razvijen i razvija se veliki broj postupaka meu koje se ubrajaju i

postupci nanoenja tvrdih prevlaka (Slika 7.1).

Slika 7.1: Klasifikacija postupaka koji se koriste za poboljavanje tribolokih karakteristika (1)

Izbor odgovarajueg povrinskog tretmana nije lak zadatak, pogotovo kada se kombinuje nekoliko

razliitih tretmana. Potrebno je dobro poznavati mogunosti, prednosti i nedostatke svakog

povrinskog sloja. Izbor postupka poivrinskog tretmana zavisi od tehnikih zahteva osobina.

Vebe iz inenjerstva povrina Laboratorija za termiku obradu

-2-

Triboloki procesi odvijaju se pri meusobnom kretanju dve povrine pri emu zavisno od ulaznih

parametara nastaju fizike i hemijske promene na toj povrini. Tokom vremena triboloki procesi

dovode do promene u geometriji, sastavu materijala i energetskim izlaznim parametrima: trenje,

habanje, brzina, temperatura i dinamiko ponaanje.

U ulazne podatke ubrajaju se geometrija kontakta, osobine materijala (hemijski sastav, struktura)

elemenata u kontaktu, parametri okoline, radne karakteristike ulaz enegije (normalno optereenje,

brzina, tangencijalna sila, temperatura), slika 7.2 .

Slika 7.2: Promene u tribolokom procesu (2)

U tribologiji se sreemo sa fenomenima trenja i habanja. Trenje predstavlja tangencijalni otpor

relativnom kretanju dva tela koja su u meusobnom kontaktu. Habanje je definisano kao progresivan

gubitak ili dobitak supstance na povrini habanja koja se deava kao posledica relativnog kretanja

povrina. Trenje i habanje su rezultat tribolokih procesa koji se odvijaju u kontaktu dva tela.

MAKROMEHANIKI MEHANIZMI TRENJA I HABANJA

Triboloki procesi su veoma sloeni i obuhvataju razliite vidove trenja, habanja i deformacije na

razliitim nivoima (makro, mikro). Kako bi se optimizovale osobine povrina u kontaktu, potrebno je

sistematsko razumevanje mehanizama koji se javljaju u tribo-kontaktu. Poznavanje tribolokog

procesa od sutinskog je znaaja pri izboru materijala, vrste povrinskg tretmana i vrste prevlake.

Makromehaniki triboloki mehanizmi opisuju fenomene trenja i habanja uzimanjem u obzir:

raspodele napona i deformacije u celoj zoni kontakta, rezultujue elastine i plastine deformacije i

dinamiku formiranja estica. Kada se dve povrine nalaze u kontaktu, a pri tome je jedna ili su obe

povrine sa prevlakama, triboloko ponaanje odreeno je sa etiri parametra (1; 2):

1. tvrdoa prevlake,

2. debljina prevlake,

3. hrapavost povrine i

4. veliina i tvrdoa krhotina (otpadaka) u kontaktu.

U zavisnosti od odnosa ovih parametara mogu se definisati razliiti mehanizmi trenja i razliiti

mehanizmi habanja. Na slici 7.3 ematski su predstavljeni tipini triboloki kontakti sa razliitim

mehanizmima koji utiu na trenje.

Vebe iz inenjerstva povrina Laboratorija za termiku obradu

-3-

Slika 7.3: Makromehaniki mehanizni trenja (2)

Na slici 7.3 je dat uticaj navedenih parametara na mehanizam trenja, a na slici 7.4 su predstavljeni

odgovarajui mehanizmi habanja.

Slika 7.4: Makromehaniki mehanizmi habanja (2)

Mehanizmi trenja i habanja veoma zavise od toga da li je u pitanju tvrda prevlaka na mekoj podlozi ili

meka prevlaka na tvrdoj podlozi.

UTICAJNI FAKTORI

TVRDOA PREVLAKE

DEBLJINA PREVLAKE

POVRINSKA HRAPAVOST

OPILJCI

BRAZDANJE

GREBANJE

UTISKIVANJE ESTICA

SMICANJE

PRODIRANJE

ZAROBLJAVANJE ESTICA

PREVLAKA NOSI OPTEREENJE

DEFORMACIJA OSNOVE

SMANJENA POVRINA KONTAKTA I ZAKLJUAVANJE

ZAMOR NERAVNINA

DROBLJENJE ESTICA SKRIVANJE ESTICA

TVRDI KLIZA

MEKO

TVRDO MEKO

TVRDO

UTICAJNI FAKTORI

TVRDOA PREVLAKE

DEBLJINA PREVLAKE

POVRINSKA HRAPAVOST

OPILJCI

PLASTINA

DEFORMACIJA

ADHEZIVNO I ZAMORNO HABANJE

GREBANJE NERAVNINAMA

GREBANJE ESTICAMA

DELAMINACIJA GREBANJE NERAVNINAMA

LOM PREVLAKE

ABRAZIJA I LOM

ABRAZIVNO HABANJE

MEKO

TVRDO MEKO

TVRDO

Vebe iz inenjerstva povrina Laboratorija za termiku obradu

-4-

Ponaanje mekih prevlaka na tvrdim podlogama

Smanjenje trenja usled smicanja u mekom povrinskom sloju

Kod mekih prevlaka debljina prevlake utie na komponentu brazdanja (ploughing) kod trenja. Kada je

prevlaka dovoljno tanka efekat brazdanja je mali (slika 7.3 b). Tada je koeficijent trenja odreen

smicajnom vrstoom prevlake i kontaktne zone.

Stvaranje nabora (brda) na prevuenoj povrini usled plastine deformacije predstavlja glavni efekat

habanja kod debljih mekih prevlaka (slika 7.4 a). Meutim, sa smanjenjem debljine prevlake javljaju

se adheziono i zamorno habanje (slika 7.4 b).

Meke prevlake znaajno smanjuju koeficijent trenja i efekte habanja.

Trenje usled brazdanja (Ploughing Friction)

Trenje se najee poveava sa debljinom prevlake usled elastine i plastine deformacije prevlake i

poveanja povrine kontakta dva tela (slika 7.3 a).

Uticaj povrinske hrapavosti

Hrapavost povrine klizaa ima gotovo zanemarljiv uticaj na trenje ukoliko je ta hrapavost znatno

manja od debljine prevlake a prevlaka kruta dovoljno da nosi optereenje (slika 7.3 e). Meutim,

ukoliko je hrapavost klizaa vea od debljine prevlake doi e do prodiranja utiskivaa u prevlaku i

poveanja trenja usled zaparavanja materijala podloge (slika 7.3 f).

Ovakvi kontaktni uslovi javljaju se na slici 7.4 c, gde neravnine utiskivaa prodiru u podlogu i

zaparavanjem stvaraju pohabane lebove.

Ponaanje tvrdih prevlakama na mekim podlogama

Smanjenje habanja

Uloga tvrde prevlake na mekoj podlozi je da odvoji podlogu od kontra tela i da poveanjem tvrdoe

povrinskog sloja sprei brazdanje povrine. Sa poveanjem tvrdoe prevlake poveava se otpornost

na habanje. Poveanjem tvrdoe podloge smanjuje se povrina kontakta, a time i koeficijent trenja.

Tvrde prevlake bez mikrofilma mogu imati veliko trenje

Spreavanjem brazdanja smanjuje se i trenje i habanje. Meutim, tvrda prevlaka poveava smicajnu

vrstoa na kontaktu to moe dovesti do poveanja trenja klizanja ukoliko ne postoji neki mikrofilm

u zoni kontakta. Ovo je razlog zato se esto javljaju visoki koeficijenti trenja pri klizanju tvrdih

prevlaka (TiAlN, TiN). Efekat poveanja trenja sa poveanjem smicajne vrstoe dominira u odnosu na

smanjenje trenja usled smanjenog brazdanja. Meutim, ova tvrdnja nije tana kod dijamantskih i DLC

prevlaka, koje su tvrde, ali se kod njih u zoni kontakta obrazuje grafitni mikrofilm koji smanjuje trenje

usled smanjenja smicajne vrstoe u zoni kontakta.

Uticaj deformacije podloge na napon i pukotine u prevlaci

Ukoliko je podloga mekana moe doi do njene deformacije pri dejstvu optereenja (slika 7.3 d). Ta

deformacija poveava napone u prevlaci i na interfejsu (povrina kontakta prevlake i podloge) koji

mogu dovesti do loma prevlake. to je vea tvrdoa podloge to je vee optereenje koje prevlaka

moe podneti bez loma.

Vebe iz inenjerstva povrina Laboratorija za termiku obradu

-5-

Debele tvrde prevlake bolje nose optereenje

Deblja tvrda prevlaka moe podneti vea optereenja zahvaljujui svojoj sposobnosti da nosi

optereenje, time se smanjuje deformacija prevuenog elementa (slika 7.3 c). Poveanjem debljine

prevlake menja se vid i veliina napona ispod prevlake.

Otpornost prevlaka na zamor

Tvrde prevlake manje debljine imaju veu otpornost na zamor. Pri jednakim uslovima deformacije

javie se vea savojna naprezanja u debljoj prevlaci. Poto prevlake najee imaju stubastu

strukturu, bilo koja pukotina normalna na povrinu kod debelih prevlaka imae veliku duinu koja

moe prevazii kritinu duinu, to nije sluaj kod tankih prevlaka. Na primer: pri kotrljajuem

kontaktu, tvrda TiN prevlaka debljine ispod 1 m ima do dva puta dui ivotni vek nego ista prevlaka

debljine 2 do 3 m.

Napon na meupovrini prevlake i podloge

U toku rada prevuenih elemenata javlja se koncetracija napona na meupovrini tvrde prevlake i

meke podloge. Oteenja do kojih dovode ovi naponi zavise od adhezije izmeu prevlake i podloge.

Ukoliko se pokidaju adhezione veze dolazi do odvajanja delova prevlake u vidu opiljaka.

Uticaj opiljaka na triboloke fenomene

Opiljci (krhotine) esto nastaju u zoni kontakta. Mogu da potiu iz okolne sredine ili da nastaju usled

razliitih mehanizama habanja. Mogu znaajno uticati na trenje i habanje u nekim uslovima kontakta,

zavisno od veliine estica, debljine prevlake, hrapavosti povrina u kontaktu, tvrdoe prevlake i

podloge.

Utiskivanje estica (Particle Embedding)

U situaciji kao na slici 7.3 i, tvrde estice koje se nalaze u zoni kontakta bie utisnute u mekanu

prevlaku i izgubie kontakt sa kontra telom ukoliko je pren