Tribologija - skripta

7/25/2019 Tribologija - skripta

1/180

1

Kreimir Grilec

Suzana Jakovljevi

TRIBOLOGIJA

Autorizirana predavanja

Pregledao: Prof.dr.sc. Vinko IvuiIzv. prof.dr.sc. Darko Landek

Zagreb, 2015.

SVEUILITE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZAVOD ZA MATERIJALE


2/180

2

SADRAJ

1. Uvod i povijesni pregled.................2. Povrine i njihov dodir.............

2.1 Osnovni pojmovi hrapavosti...

2.2 Povrinski (konformni) dodir..2.3 Koncentrirani (nekonformni) dodir.3. Trenje....

3.1 Vrste trenja..3.2 Trenje klizanja.3.3. Trenje kotrljanja.

4. Troenje......... 4.1 Abrazija...

4.1.1 Otpornost na abraziju.....4.2 Adhezijsko troenje.........

4.2.1 Otpornost na adhezijsko troenje...

4.3 Umor povrine.4.3.1 Otpornost na umor povrine.......

4.4 Tribokorozija...4.4.1 Otpornost na tribokoroziju.....

5. Procesi troenja.............5.1 Klizno troenje

5.1.1 Eksperimentalno odreivanje kompatibilnosti materijala za rad u kliznomparu................................................................................................................

5.1.2 Materijali za klizne leajeve..5.1.3 Primjeri nepredvienog kliznog troenja...

5.2 Kotrljajue troenje.5.2.1 Eksperimantalno odreivanje dinamike izdrljivosti povrine....5.2.2 Materijali za zupanike..5.2.3 Materijali za kotrljajueleajeve5.2.4 Primjeri nepredvienog kotrljajueg troenja....

5.3 Udarno troenje...5.3.1 Eksperimantalno odreivanje otpornosti na udarno troenje.....5.3.2 Primjeri nepredvienog udarnog troenja..

5.4 Izjedanje..............5.4.1 Eksperimentalno odreivanje otpornosti na izjedanje...5.4.2 Primjeri nepredvienog izjedanja..

5.5 Abrazijsko troenje.5.5.1 Izbor materijala otpornih na abrazijsko troenje....5.5.2 Eksperimentalno odreivanje otpornosti na abrazijsko troenje....5.5.3 Primjeri nepredvienog abrazijskog troenja.....

5.6 Erozija esticama5.6.1 Eksperimentalno odreivanje otpornosti na eroziju esticama..5.6.2 Primjeri nepredviene erozije esticama...

5.7 Erozija kapljevinom....5.7.1 Eksperimentalno odreivanje otpornosti na eroziju kapljevinom..5.7.2 Primjeri nepredviene erozije kapljevinom...

5.8 Kavitacijska erozija.

5.8.1 Eksperimentalno odreivanje otpornosti na kavitacijsku eroziju..5.8.2 Primjeri nepredviene kavitacijske erozije ...

4

14

16

1920

22

22

25

28

31

31

37

38

39

4244

44

45

46

48

49

59

61

63

64

65

67

68

71

72

72

7375

76

7778

80

84

85

93

94

95

97

99

100

101103


3/180

3

6. Inenjerstvo povrina................6.1 Postupci modificiranja povrina.6.2 Postupci prevlaenja...6.3 Granine vrste postupaka....6.4 Triboloke prevlake.

6.4.1 Postupci nanoenja tribolokih prevlaka....7. Uhodavanje.......8. Podmazivanje

8.1 Mazivo8.1.1 Klasifikacija maziva...8.1.2 Fizikalna svojstva maziva..

8.1.2.1 Viskoznost.8.1.2.2 Ostala fizikalna svojstva....

8.1.3 Kemijska svojstva..8.2 Praenje procesa troenja analizom maziva iz tribosustava8.3 Aditivi za maziva

8.4 Mazive masti...8.5 Kruta (vrsta) maziva..8.6 Motorna ulja8.7 Zupanika ulja...8.8 Tekuine za obradbu metala...8.9 Utjecaj maziva na ljude tijekom primjene..

Popis oznakaLiteratura.

105

105

106

108

108

111125

133

135

137

139

139

145

146

148

155

155159

160

165

167

172

174

177


4/180

4

1. UVOD I POVIJESNI PREGLED

Naziv tribologijadolazi od grkog to znai trenje, troenje i slino, 1.Tribologija je znanost i tehnika o povrinama u dodiru i relativnom gibanju i o prateimaktivnostima. Ovo je prijevod slubene definicije, 2, prvi put objavljene 1966. godine u

izvjetaju Radne grupe Ministarstva prosvjete i znanosti Ujedinjenog Kraljevstva, koju jevodio P. Jost, 3.

Jednostavnije i razumljivije bi se moglo rei da je tribologija znanstveno-struna disciplinakoja se sveobuhvatno bavi problemima trenja i troenja, 4.

Glavna su podruja primjene tribologije: mehanike konstrukcije (zupanici, leaji, klizni elementi), materijali (novi materijali, keramika, polimeri, metali, inenjerstvo povrina) obradba materijala (sredstva za hlaenje i podmazivanje, alatni materijali,

lakoobradljivi materijali) podmazivanje (ulja, masti, aditivi).

Triboloke mjere, tj. postupci i metode koje imaju za cilj postizanje prihvatljivihvrijednosti trenja i troenja u realnim tribosustavima, mogu seprema 4podijeliti na:

a) izbor materijala triboelemenata

Izbor materijala triboelemenata od odluujue je vanosti za ispravno funkcioniranjetribosustava. Za pravilan izbor potrebno je odrediti koji je prevladavajui mehanizam troenja(abrazija, adhezija, umor povrine ili tribokorozija). Sam izbor materijala provodi se natemelju laboratorijskih i eksploatacijskih ispitivanja.

b) zatita povrina od troenjaPod zatitom povrina od troenja podrazumjeva se primjena nekog od postupakaoplemenjivanja povrina. Posebna znanstveno struna disciplina koja se bavi ovim

postupcima naziva se inenjerstvo povrina (surface engineering). Prema 5, sutina pojmainenjerstvo povrina je u tome, da se osnovni materijal (supstrat), prethodno odgovarajue

pripremljen, (i moda ve ovrsnut na povrini odgovarajuim postupkom), naknadnoobrauje jednom od povrinskih tehnologija, tako da nastaje kombinacija svojstava

povrinskog sloja i osnovnog materijala kakva se ne moe postii upotrebom bilo kojegjednorodnog materijala. Tako nastaju povrinski modificirani kompozitni materijali.

c) uhodavanjeUhodavanje kao poetna faza rada u kojoj se dodirne povrine meusobno prilagoavaju

najee se potpomae prilagoenim uvjetima rada te oplemenjivanjem povrina.

d) podmazivanje

Prema 6, podmazivanje se definira kao postupak kojim se smanjuje trenje i troenje, ilidrugi oblici razaranja materijala, primjenom razliitih vrsta maziva. Svrha podmazivanja je dase dodirne povrine razdvoje slojem maziva jer se tada trenje svodi samo na savladavanjesminih naprezanja u samom mazivu.


5/180

5

U industrijskoj i drugoj primjeni sve vie raste potreba za smanjenjem trenja i troenja iznekoliko razloga:

produetak vijeka trajanja radnih sustavapoveanje efikasnosti radnih sustavasmanjenje trokova odravanja

smanjenje trokova zastojapoboljanje pouzdanostipoveanje sigurnostiouvanje oskudnih izvora materijalaouvanje energijesmanjenje otpada

Dio tribologije koji se bavi njenim povjesnim aspektom naziva se arheotribologija. Njen

zadatak je istraivanje tribolokih svojstava arheolokih artefakata, ukljuujui prevlake,klizne povrine itd., kao i istraivanje drevnih tehnologija koritenih za njihovo dobivanje 7

Neka najvanija otkria ovjeanstva blisko su povezana s tribologijom, na primjer otkrievatre (prije 800 000 godina). Postoje vrlo stari dokazi koji svjedoe o koritenju lunihnaprava kojima je toplina trenja koritena za paljenje vatre, slika 1.1

Slika 1.1 - Eskimska luna naprava za paljenje vatre, 8

Isti mehanizam moe se koristiti i za troenje podloge pa se slina naprava moe iskoristiti zaobradbu odvajanjem estica npr. za buenje, slika 1.2.

Slika 1.2Rana egipatska builica koritena oko 1450 godine p.K. 8


6/180

6

Otkrie kotaa takoer je povezano s tribologijom odnosno procesom trenja. injenica da jetrenje kotrljanja manje od trenja klizanja koristi se ve nekoliko tisua godina, a najstarijiartefakt koji to potvruje je tzv. Urski stijeg, drveni sanduk prevuen lapis luzulijem(poludragi kamen u to doba skuplji od zlata), slika 1.3 i 1.4.

Slika 1.3Urski stijeg, Ur (Mezopotamija), 2600-2400 godina p.K. 9

Slika 1.4 - Urski stijeg (detalj) 9

Gradnja jedinog preostalog od sedam svjetskih uda, piramide u Gizi (slika 1.5), takoer imapoveznicu s tribologijom.


7/180

7

Slika 1.5Piramide u Gizi

Iako je jo uvijek nepoznanica kako su drevni Egipani pomicali nekoliko tona teke blokovekamena, postoje dokazi da su od davnina neke teke predmete pomicali tako da su ih smjestilina saonice. Sa stanovita tribologije zanimljivo je to da su ispred saonica prolijevali nekutekuinu kako bi olakali pomicanje. Na slici 1.6 prikazan je prvi tribolog-podmaziva.

Slika 1.6- Podmazivasaonica pri transportu velike statue,. Egipat (Saccara),oko 2400 godina p.K. 7

Neto je poznatiji crte pronaen u grobnici Djehutihotepa (namjesnik u 12. egipatskojdinastiji za vrijeme Amenemheta II) kraj mjesta El Bersheh i potjee oko 1800. godine p.K.,slika 1.7. - 1.9. 10,11


8/180

8

Slika 1.7Crte iz Djehutihotepove grobniceEl-Bersheh 1800 godina p.K. 10

Slika 1.8Rekonstrukcija crtea iz Djehutihotepove grobnice 11


9/180

9

Slika 1.9 - Rekonstrukcija crtea iz Djehutihotepove grobnice (detalj) 11

Crte sa slike 1.8 ne moe dati odgovor o kojoj se tekuini za podmazivanje radi. Jedno odmoguih objanjenja dano je u 8. Vidljivo je da teret vuku 172 radnika pri emu jepretpostavka da svaki od njih moe vui silom od 800 N to daje ukupnu silu od 172 800 N= 137,6 kN. Pretpostavljajui da je prema veliini statue teina tereta 600 kN, moe seizraunati da je faktor trenja = 60 / 137,6 = 0,23. Taj iznos koeficijenta trenja priblinoodgovara trenju vlanog drveta po vlanom drvu pa je zakljuak bio da radnik polijeva drvenedaske koje su postavljene na povrinu ispred tereta. Naravno, puno je pretpostavki koritenoda bi se sa sigurnou moglo zakljuiti da je u ovom sluaju voda koritena kao mazivo.

Prvi vrsti dokaz podmazivanja dao je rimski autor Plinije Stariji (23 79. godina) koji jenaveo listu koritenih maziva biljnog i ivotinjskog porijekla. Koritenje ulja za premazivanje

vojnih titova kako bi oni postali skliskiji spominje se u Bibliji, 7.Za vrijeme Rimskog Carstva dolo je do razvoja prvobitnih strojeva koji su se koristiliveinom u vojne svrhe, a koji su pri konstrukciji koristili neke triboloke principe. TakoVitruvius (~ 80.15. godina p.K.) spominje bronane pumpe koje je napravio grki izumiteljiz Alexandrije Ctesibius (285.222. p.K.) koje su se koristile za podizanje vode pri emu je

podmazivan dodir izmeu klipa i cilindra. Pri izgradnji drvenih ureaja za podizanje vodekoristile su se dvije vrste leaja, kod jedne je osovina na kraju imala eljeznu okruglu trakukoja je klizala po ravnom eljeznom dijelu umetnutom u drveni okvir, a kod druge je u

provrte u gredi umetnuta eljezna legura koja je formirala leaj za osovinu 12.

Nakon pada Rimskog Carstva dolo je do dugog perioda u kojem nije bilo znaajnih tehnikihinovacija. Iz tog perioda postoji knjiga o rudarstvu koju je napisao Georgius Agricola (1494.1555.) i u kojoj je izmeu ostalog opisan i ureaj za podizanje vode ija je zanimljivost bila utome da je imao izmjenjive zube lananika i zupanika koji su se mijenjali nakon to su se

potroili, slika 1.10 12.


10/180

10

Slika 1.10Ureaj za podizanje vode koji je opisao Agricola 12

Razdoblje renesanse donosi novi razvoj znanosti. Prvim tribologom-znanstvenikom smatra se

uveni Leonardo da Vinci (1452. - 1519.). On je izmeu ostalog prouavao fenomen trenja.Na slici 1.11 prikazane su skice kojima opisuje eksperimente koje je provodio.

Slika 1.11Skice Leonardovih eksperimenata s trenjem 8


11/180

11

Leonardo je izveo sljedee zakljuke 13: Sila trenja tijela jednake mase nee se promijeniti iako se promjeni irina i duljina

kontaktnepovrine. Ako se udvostrui normalna sila, udvostruit e se i sila trenja. Univerzalni faktor trenja je 0,25.

Naravno, trei zakljuak se kasnije pokazao netonim.

Od Leonarda potjeu i prve skice kotrljajuih leajeva (slika 1.12 i 1.13).

Slika 1.12Leonardove skice razliitih tipova kotrljajuih leajeva8

Slika 1.13Leonardova skica kuglinog leaja 8

Eksperimenti koje je radio francuski znanstvenik Guillaume Amonton (1663.1705.) premaskici na slici 1.14 pri emu je koristio oprugu za mjerenje sile, dali su sljedee zakljuke 13:


12/180

12

Sila trenja e se poveati ili smanjiti promjenom mase vuenog tijela, a nee sepromjeniti promjenom povrine kontakta.

Sila trenja jejednaka za eljezo, olovo, bakar i drvo u bilo kojoj kombinaciji ako jepovrina premazana sa svinjskom mau.

Univerzalni faktor trenja je 0,33.

Slika 1.14Skica eksperimenata koje je provodio Guillaume Amonton 8

I Guillaume Amonton je vjerovao u postojanje univerzalnog faktora trenja.

vicarski matematiar Leinhard Euler (1707. 1783.) prouavao je klizanje tijela po kosini,definirao vezu izmeu gravitacijske sile i sile trenja kao i vezu izmeu koeficijenta trenja inagiba kosine:

tan

Osim navedenog prvi je spomenuo razliku izmeu statikog i kinetikog trenja.

Francuski fiziar Charles Augustin Coulomb (1735.1806.)prouavao je Amontonov rad iproveo vlastita istraivanja. Rezultat su Coulombovi zakoni trenja 13:

Klizanjem drva po drvu u suhim uvjetima, trenje u poetku raste, ali brzo postiemaksimum. Nakon toga je sila trenja proporcionalna optereenju.

Klizanjem drva po drvu, sila trenja je proporcionalna optereenju pri svim brzinama,ali kinetiko trenje je mnogo manje od statikog kad tijela dugo miruju.

Kod klizanja metala po metalu bez podmazivanja, sila trenja je proporcionalna

optereenju bez razlike izmeu statikog i kinetikog trenja.

Klizanjem metala po drvu u suhim uvjetima, statiko trenje lagano raste s porastomvremena mirovanja i potrebno je 4, 5 ili vie dana da dostigne svoj maksimum. Kodklizanja metala po metalu, maksimum se postie gotovo trenutno, a za klizanje drva

po drvu potrebna je jedna do dvije minute. Za klizanje drva po drvu ili metala po

metalu u suhim uvjetima, brzina ima vrlo mali utjecaj na kinetiko trenje, ali zaklizanje drva po metalu kinetiko trenje raste s brzinom.

Frank Philip Bowden (1903. 1968.) i David Tabor (1913. 2005.) usavrili su adhezivnuteoriju trenja koja je potvrdila da je sila trenja ovisna o stvarnoj kontaktnoj povrini. Njihovaadhezivna teorija mogla bi se saeti sljedeim injenicama, 14:

Stvarna povrina kontakta je kod metala odreena ravnoteom plastinih deformacija

materijala povrina.


13/180

13

Obje klizne povrine su razdvojene slojem oksida i neistoa ija se otpornost nasmicanje mijenja od niskih vrijednosti do vrijednosti otpora na smicanje za podlogu.

Pretena komponenta sile trenja je sila potrebna za smicanje spoja na mjestunajmanjeg otpora.

Postoje razliiti utjecaji kod razliitih materijala koji dovode do odstupanja od ovih

opih konstatacija i oni se moraju od sluaja do sluaja odrediti.

1966. godine u izvjetaju Radne grupe Ministarstva prosvjete i znanosti UjedinjenogKraljevstva (Jost-ov izvjetaj) po prvi put se spominje termin TRIBOLOGIJA.

Taj dogaaj oznaio je poetak novog razdoblja u razvoju upravljanja trenjem i troenjem.Razvoj je bio potaknut i time to se u Jost-ovu izvjetaju iznijelo uvjerljivu procjenumogunosti utede na trokovima izazvanima trenjem i troenjem u Ujedinjenom Kraljevstvuod 515.000.000 funti, to je tada iznosilo oko 1% od njihova brutto nacionalnog proizvoda.Pojedine stavke tih uteda primjenom uglavnom poznatih naela znanosti i tehnologijetribologije navedene su u tablici 1.1.

Tablica 1.1Procjena iznosa uteda upravljanjem trenjem i troenjem u UjedinjenomKraljevstvu 1966. godine, 15

Nain utedeIznos

utede umiljunima

funti

Udio nainautede u

ukupnom iznosu

uteda, %

Smanjenje utroka energije zbog manjeg trenja 28 5,5

Smanjenje radne snage zbog manje uestalog podmazivanja 10 1,9

Utede na cijeni maziva 10 1,9

Utede u trokovima odravanja i zamjene dijelova 230 44,7

Utede na trokovima prouzrokovanim kvarovima 115 22,3

Utede investicijskih sredstava zbog boljeg koritenjastrojeva i veeg stupnja iskoristivosti

22 4,3

Utede investicijskih sredstava zbog duljeg radnog vijekastrojeva

100 19,4


14/180

14

2. POVRINE I NJIHOV DODIR

Povrine krutih materijala koje se upotrebljavaju za izradu razliitih elemenata strojeva su ugeometrijskom smislu redovito neravne ili hrapave u veoj ili manjoj mjeri.

Prema 14razlikuju se sljedee osnovne vrste odstupanjapovrine:- Makroneravnineodstupanja od projektirane geometrije i dimenzija proizvoda

- neparalelnost povrina(slika 2.1.a)- valovitost (slika 2.1.b)

- Mikroneravnineposljedica obradnih procesa- izbrazdanost (slika 2.1.c)

- hrapavost (slika 2.1.d)

- Nanoneravnine geometrijske granice kristalne ili molekularne strukture, nepravilnostikristalne strukture

Sva ova odstupanja povrene zajedno daju rezultantnu povrinu (slika 2.1.e) koja se znaajnorazlikuje od idealno ravne povrine

a)

b)

c)

d)

e)

Slika 2.1Osnovne vrste odstupanja povrine: a) neparalelnost, b) valovitost, c)izbrazdanost, d) hrapavost, e) rezultantna realna povrina

Povrinska hrapavost obuhvaa odstupanja povrine prikazana na slici 2.1.c) i 2.1.d) pa semoe definirati kaosveukupnost mikrogeometrijskih nepravilnosti na povrini predmeta kojesu mnogo puta manje od povrine cijelog predmeta, a prouzroenesu postupkom obrade ilinekim drugim utjecajima.

Na slikama 2.2 do 2.4 dani su neki od naina prikaza povrinske hrapavosti.


15/180

15

Slika 2.2. Povrina uzorka prikazana mikroskopom atomske sile (AFM)

Slika 2.3Povrina dva razliita uzorka prikazna pretranim elektronskim mikroskopom(SEM) i profilometrom

Slika 2.4Povrina uzorkaprikazana pomou izohipsi (linije koje povezuju toke jednakevisine)


16/180

16

Osim vanjskih, geometrijskih obiljeja povrina, valja raunati i s tim da je struktura povrinepo dubini slojevita kako se shematski prikazuje na slici 2.5.

Slika 2.5 - Shematski prikaz struktura povrine po dubini, [16]

2.1 Osnovni pojmovi hrapavosti

Izgled povrine se najee prikazuje u dvije dimenzije u obliku profila hrapavosti,p,odnosno presjeka s ravninom okomitom napromatranu povrinu, slika 2.6

Slika 2.6Profil hrapavosti

Profil hrapavosti se promatra na referentnoj duljini, l, (slika 2.7), a to je dogovorena duljina

dijela profila izabranog za odreivanje hrapavosti. Bira se prema vrsti i finoi obrade te

mjernoj metodi (tablica 2.1)

Tablica 2.1Odreivanje referentne duljine profila 17

l, mm

Blanjanje 2,5 8 25

Glodanje, buenje 0,8 2,5 8

Tokarenje, razvrtavanje 0,8 2,5

bruenje 0,25 0,8 2,5

Honanje, lepanje 0,25 0,8


17/180

17

Slika 2.7Referentna duljina profila, l, srednje aritmetiko odstupanje profila,Raisrednjekvadratno odstupanje profila,Rq

Za praksu su pogodniji parametri kojima se geometrija povrina izraava numerikim

podacima. Osnovni numeriki parametri geometrijskog oblika povrina su:

- Srednja linija profila, mlinija koja sjee profilptako da je, u granicama referentne duljinel, zbroj kvadrata udaljenosti y svih toaka profila od srednje linije jednak minimumu (slika2.7).

- Srednje aritmetiko odstupanje profila, Ra srednja aritmetika vrijednost apsolutnihvrijednosti profilayu granicama referentne duljine l(slika 2.7).

dxxy

l

R

l

a 0

1)(

- Srednje kvadratno odstupanje profila, Rq srednja kvadratna vrijednost profila p ugranicama referentne duljine l, slika (slika 2.7).

l

q dxxyl

R0

21 )(

- Prosjena visina neravnina, Rz (mjerena u deset toaka) srednja vrijednost apsolutnihvrijednosti visine 5 najviih izboina i dubine 5 najdubljih udubina u granicama referentne

duljine l(slika 2.8).

5

5

1

5

1

ivi

i

pi

z

yy

R


18/180

18

Slika 2.8Prosjena visina neravnina

- Najvea visina profila, Ry, (Rmax) razmak izmeu dvaju pravaca, paralelnih sa srednjomlinijom profila mkoji dotii, u granicama referentne duljine l, najvie odnosno najnie toke

profilap (slika 2.9).

Ry=Rp+Rm-Najvea visina izboine profila,Rp (slika 2.9)-Najvea dubina izboine profila,Rm (slika 2.9)

Slika 2.9 -Najvea visina profila,Ry, najvea visina izboine profila,Rpi najvea dubinaizboine profila,Rm

Priblino vrijedi:Rz4Ra Ry1,6Rz6,4Ra

- Duljina noenja profila, luzbroj odsjeaka to ih u granicama referentne duljine l, profilodsjeca na paraleli sa srednjom linijom profila m, a koji su udaljeni od najvie toke profila zarazmak c(slika 2.9). Parametar cbira se prema vrijednosti najvee visine profila,Ry(tablica2.2)

lu= b1+ b2+ + bi+ + bn

Tablica 2.2Parametar c prema kojem se odreuje duljina noenja profila 17

Ry, m 1 1)2,5 2,5)4 4)6

c, m 0,1 0,25 0,6 1,6


19/180

19

- Relativna nosiva duina profila, tp= lu/ l- Postotak noenja profilapn= tp100 (%)

Stvarni dodir dviju povrina razlikuje se od prividnog, geometrijskog. Dva su osnovna

sluaja: konformni odnosno povrinski dodir i nekonformni odnosno koncentrirani dodir, [4].

2.2Povrinski (konformni) dodir

Na slici 2.10 prikazan je povrinski dodir pri emu je oito da je stvarna dodirna povrinamnogo manja od nominalne, odnosno kako je slikovito reeno u [18] to je kao da sepreokrenutu Austriju stavi na vicarsku.

A a b A A i

i

n

0

1

r r= >> =

A0- nominalna dodirnaplotinaAr - stvarna dodirnaplotinaAr

i-jedininadodirna plotinani -broj jedininih dodira

Slika 2.10 - Nominalna i stvarna dodirnaplotina, [16]

Za triboloke procese vanija je stvarna dodirna plotina Ar. Uz pretpostavku elastinihdeformacija, Archard, prema 16, izvodi da je stvarna dodirna povrina gotovo linearno

proporcionalna normalnoj siliFntj.:

C

nAr

E

FkA

Gdje je kAkonstanta, a cAovisi o modelu:

45

44

5

4 Ac

Do slinog zakljuka dolaze Greenwood i Tripp koji, prema 16, matematiki izvode da je:

1)Ukupni broj jedininih dodira gotovo proporcionalan optereenjuFn2)Prosjena veliina jedininih dodira gotovo neovisna o optereenjuFn3)Stvarna dodirna povrina proporcionalna broju jedininih dodira,

pa je, prema tome, stvarna dodirna povrinaArproporcionalna optereenjuFn.


20/180

20

2.3 Koncentrirani (nekonformni) dodir

U tehnikim je sustavima est sluaj dodira tijela zakrivljenih ploha kao npr. prstenova ikuglica kod kuglinih leaja, zubi zupanika i slino. Teorijske osnove za takve dodire dao je

Hertz, prema 16. Za ilustraciju Hertz-ove teorije moe posluiti dodir dviju kugli, slika 2.11.

Slika 2.11 - Hertz-ov dodir dviju kugli, 16

Ako je

21

111

rrre

re- ekvivalentni radijus, a

2

22

1

21 11

2

11

EEEe

Eesloeni modul elastinosti- Poissonov koeficijent

onda je dodirni tlak punutar dodirne plotineAhna udaljenosti lpod djelovanjem normalnesileFNjednak:

2

1

2

2

n 1-1

2

3

hh rr

Fp


21/180

21

pri emu je maksimalni tlak u sreditu dodirne povrine:

3

1

2

2n

max

0,6

r

EFp e

a radius dodirne plotine je:

3

1

n

3

1

2

3 F

E

rr

e

H

pa slijedi da je dodirnaplotina:

3

2

n

3

1

2

2

3 F

E

rrA

e

ehh

Ne postoji idealni tokasti dodir nego se i kod nekonformnog dodira oblikuje dodirnapovrina ija veliina ovisi o radiusima tijela u dodiru, njihovom sloenom moduluelastinosti i dodirnoj sili koja djeluje normalno na dodirnu plohu.


22/180

22

3. TRENJE

Za ostvarenje relativnog gibanja izmeu dodirnih ploha treba savladati silu trenja (rije trenjedolazi od glagola trti, trljati; engleski izraz friction ima porijeklo u latinskoj imenici fricare trljanje)

Prema definiciji trenje je sila ili otpor koja se suprostavlja relativnom kretanju krutih tijela u

dodiru. Djeluje paralelno s dodirnim povrinama, a smjer joj je suprotan smjeru relativnogkretanja 14. Prema [2], trenje je sila koja djeluje tangencionalno na granicu izmeu dvatijela, kada se pod djelovanjem vanjske sile, jedno tijelo kree ili ima tendenciju relativnogkretanja u odnosu na povrinu drugog tijela. Prema [19] trenje je sila otpora to ga gibanjutijela prua povrina po kojoj se tijelo giba ili sredstvo kroz koje se giba. Jo jednostavnijadefinicija kae da je trenje otpor kretanju jednog tijela prema drugom [20].

U veini sluajeva, u mnogobrojnim i razliitim pokretnim elementima strojeva, ureaja i postrojenja, trenje je nepoeljna i tetna pojava. Na savladavanje sile trenja kao otporakretanjubilo koje vrste troi se znatna koliina mehanike energije.Kao posljedica trenja na

povrinama u kontaktu dolazi do troenja i zagrijavanja materijala povrina. Utroenamehanika energija prelazi u nepoeljnu i izgubljenu toplinsku energiju14. Procjena je dase 10% potronje nafte koristi za savladavanje tetnog trenja 20.

3.1 Vrste trenja

Razlikuju se sljedee vrste trenja prema agregatnom stanju tijela u kontaktu:- trenje meu krutimpovrinama (tzv. vanjsko trenje)- trenje meu dijelovima fluida, odnosno izmeu krutog tijela i fluida (tekuinskotrenje ili viskoznost)

Vanjsko trenje se prema podmazivanju moe podijeliti na:- suho trenje

- trenje uz podmazivanje

Prilikom pokretanja tijela razlikuje se:

- trenje mirovanja (statiko trenje, trenje pokretanja)najvea sila trenja koja prisiljavatijelo da jo miruje

- trenje kretanja (kinetiko, dinamiko trenje)sila koju je potrebno savladati da bi seodralo stanje relativnog kretanja

Kada se pokua pomaknuti neko tijelo, ako je silaFkojom se vue tijelo dovoljno mala, tijeloe mirovati (slika 3.1 i 3.2). To znai da osim vune sile Fna tijelo djeluje neka druga silakoja uravnoteuje vunu siluF. Dok tijelo miruje, sila trenja jednaka je po iznosu vunoj sili

F. Poveanjem sileFdosei e se u jednom trenutku maksimalnu silu trenja i premaiti je, tee predmet poeti ubrzavati u smjeru sile F. Najvea sila trenjakoja prisiljava tijelo da jomiruje je sila statikog trenja. Kad vuna sila Fnadmai silu statikog trenja, tijelo poinjeklizati a sila koju je potrebno savladati da bi se odralo stanje relativnog kretanjazove se silakinetikog trenja 21.


23/180

23

Ftr

Fn

G

F

F vuna sila

Ftrsila trenja

Fnnormalna sila

G teina tijela

Slika 3.1Sila trenja 21

FFgr

sFn

Ftr

Ftr, gr

F Ftr n=

k

Slika 3.2Ovisnost sile trenja o vunoj sili 21

Trenje kretanja je redovito manje od trenja pokretanja, kao to je vidljivo iz slike 3.2.

Kod trenja postoje neka pravila koji neki nazivaju i zakonima trenja (budui da je osnove zaove zakone postavio Leonardo da Vinci, ponekad se nazivaju i Leonardovim zakonima):

1. Trenje je neovisno o povrini kontakta krutih tijela2. Sila trenja je proporcionalna normalnoj sili izmeu povrina3. Kinetiko trenje je gotovo neovisno o kliznoj brzini

Faktor proporcionalnosti koji povezuje silu trenja i normalnu silu zove se faktor trenja. estose koristi i naziv koeficijent trenja, a ponekad i pogreno samo trenje jer izraz trenje

podrazumjeva silu.

Ftrsila trenjaFnnormalna silaFtr,grgranina sila trenjaFgrgranina silasstatiki faktor trenjakkinetiki faktor trenja


24/180

24

Faktor trenja je dakle bezdimenzijski omjer sile trenja izmeu dva tijela i normalne sile kojomtijela pritiu jedno o drugo 22:

N

tr

F

F

Prilikom klizanja tijela niz kosinu moe se vidjeti veza izmeu faktora proporcionalnosti kojipovezuje silu trenja i normalnu silu te kuta kosine, slika 3.3

Ftr

Fn

G

Ftr

Fn

Gsink

Gcos G

k

Slika 3.3Trenje niz kosinu

Iz slike 3.3 slijedi:

Ftr= FN

tg

G

G

F

F

N

tr

cos

sin

Tablica 3.1 prikazuje razliite faktore trenja za neke sluajeve trenja u kontaktu.

Tablica 3.1Neki tipini faktori trenja mirovanja, klizanja i kotrljanja 21

Dodirne povrine Faktor trenja mirovanja Faktor trenja klizanja Faktor trenja kotrljanja

Drvo na drvu 0,5 0,3 0,05

elik na eliku 0,7 0,5 0,003

Guma na suhom asfaltu 0,8 0,6 0,01

Guma na mokrom asfaltu 0,3 0,2 0,05

Guma na ledu 0,02 0,01

elik na ledu 0,03 0,01

esto se pogreno misli da se vrijednost faktora trenja kree izmeu 0 i 1, meutim npr. zapovrine istih metala u vakuumu ta vrijednost moe biti i vea od 5 20.


25/180

25

3.2 Trenje klizanja

Trenje klizanja nastaje izmeu dva elementa tribosustava, slika 3.4.

Slika 3.4- Trenje klizanja

Kod suhog dodira sila trenja proporcionalna je normalnom optereenju:

Ftr= Fn

Jedan zakon trenja kae da je trenje neovisno o povrini kontakta krutih tijela. Meutimstvarni dodir dviju povrina razlikuje se od prividnog, geometrijskog.

Objanjenje porijekla sile trenja dano je slikom 3.5, koja prikazuje jedinini dogaaj procesaklizanja tj. slijed zbivanja od poetka do zavretka dodira jednog para mikroizboina.

Slika 3.5 - Jedinini dogaaj procesa klizanja, 16

Sila trenja klizanja sastoji se od zbroja etiriju komponenata koje su i same zbroj pojedinanih

komponenata koje djeluju na svakom dodiru mikroizboina.


26/180

26

Ft= F1+ F2+ F3+ F4

F1- otpor na elastinu deformacijuF2- otpor na plastinu deformaciju

F3- otpor na brazdanjeF4- otpor na kidanje adhezijskih veza

Otpor na elastinu deformaciju proporcionalan je modulima elastinosti materijala kliznogpara, otpor na plastinu deformaciju ovisi o njihovim granicama teenja, otpor na brazdanjeovisi o njihovim duktilnostima i o brzini relativnog gibanja, a otpor na kidanje adhezijskih

veza ovisi o jaini adhezijske veze (Van der Waals, elektrostatika, metalna i kovalentna)uspostavljene izmeu materijala kliznog para. U tablici 3.2 su dane vrijednosti faktora trenjaklizanja nekih materijala.

Tablica 3.2 - Koeficijenti trenja suhog klizanja izmeu materijala (1) i (2) , prema 23

(1) (2) f

4130 4130 0,84130 Olovna bronca 0,24130 Bijela kovina (Pb) 0,54130 Bijela kovina (Sn) 0,84130 Fosforna bronca 0,34130 Mjed (30% Zn) 0,54130 Sivi lijev 0,44145 4145 0,74574 4574 1,0

Sivi lijev Sivi lijev 0,4

Na trenje utjeu20:- kemijski sastav materijala

- stanje obrade povrine oba tijela- sastav okoline

- optereenje- brzina kretanja- nain kretanja (pravocrtno, krivudavo, naprijed-natrag...)

- vrste kontakta (povrinski, koncentrirani)- temperature

- prethodno klizanje po toj povrini

Neki od rezultata ispitivanja ovisnosti statikog i dinamikog faktora trenja pri klizanjuprikazani su na slikama 3.3 do 3.8.


27/180

27

Slika 3.6Ovisnost statikog faktoratrenja klizanja o vremenu dodirapovrinaprema 14

Slika 3.7 - Ovisnost dinamikog faktoratrenja klizanja o tlaku i kliznoj brzini prema 14,1niski tlak, 2srednji tlak, 3visoki tlak

Slika 3.8 - Utjecaj brzine klizanja na dinamiki faktortrenja klizanja PTFE prema razliitimIstraivaima(A,B, C), 14


28/180

28

3.3. Trenje kotrljanja

Trenje kotrljanja je otpor to se pojavljuje pri kotrljanju kuglica, krunih ploa, kotaa ilivaljaka.

Openito vrijedi da je trenje kotrljanja mnogo manje nego trenje klizanja. To je zato touglavnom izostaju komponente sile trenja koje potjeu od brazdanja, F3 i raskidanjaadhezijskih veza, F4.

Priblino vrijedi:

Ftr= F1+ F2

gdje je F1- otpor na elastinu deformacijuF2- otpor na plastinu deformaciju

Priblina slika optereenja krutog kotaa to se kotrlja po deformabilnoj podlozi prikazana jena slici 3.9.

Slika 3.9Trenje kotrljanja

Izraz koji povezuje silu trenja i normalnu silu (teinu kotaa):

GGr

eF kotr

tr

Pri emor

ekotr je faktor kotrljanja i budui da je omjer izmeu sile otpora i teine, pa je u

tom smislu slian faktoru statikog i kinetikog trenja. Veliina e ovisi o brojnim

imbenicima koje je vrlo teko kvantificirati, tako da potpuna teorija o otporu kotrljanja nepostoji u decidiranom obliku.

Fk sila kotrljanjaG teina kotaa

Ftr sila trenjaFR rezultantna silap tlakr polumjer kotaae pomak rezultantne sile

u odnosu na os kotaa


29/180

29

Neke injenice koje vrijede za faktor trenja kotrljanja prema 14

- Sila trenja kotrljanja je proporcionalna sili optereenja na odreenu potenciju kojavarira od 1,2 (kod manjih optereenja) do 2,4 (kod veih optereenja).

- Sila trenja je obrnuto proporcionalna promjeru kotrljajueg tijela.- Sila trenja kotrljanja je manja za glatke, a vea za grube i neravne povrine, zbog toga

trenje opada uhodavanjem.

- Trenje mirovanja je vee od trenja kretanja.- Ovisnost trenja kotrljanja o brzini je mala (opada s porastom brzine).

Jedan pokus trenja kotrljanja prikazan je na slici 3.10.

Slika 3.10 - Pokus trenja kotrljanja, 24

U pokusu na slici 24 kaljena elina kuglica se kotrlja amo -tamo izmeu dvije ploe sodreenim optereenjemFn. Za prvi prolaz vrijedi:

D

FkF

ktr

2

3

n

gdje je:

kk- konstanta materijala

D- promjer kuglice

S poveanjem broja prolaza smanjuje se sila Ftrjer se smanjuje intenzivnost plastinedeformacije. Konano, plastina deformacija sasvim izostaje i sila trenja sastoji se samo odotpora elastinim deformacijama i posebno je niska, slika 3.11.


30/180

30

Slika 3.11 - Ovisnost sile trenja kotrljanja o broju prolaza (pokus opisan slikom 3.10), 24

Koeficijent trenja kotrljanja nakon 100000 prolaza iznosi oko:

002,048

1,0

n

trkotr

F

F


31/180

31

4. TROENJE

Troenje je postupni gubitak materijala s povrine krutog tijela uslijed dinamikog dodira sdrugim krutim tijelom, fluidom i/ili esticama2.

Premda postoji neizbrojno veliki broj sluajeva troenja, veina je autora suglasna da su samoetiri osnovna mehanizma troenja 16:

abrazija

adhezija

umor povrine tribokorozija

Mehanizmi troenja opisuju se jedininim dogaajima. Jedinini dogaaj je slijed zbivanjakoji dovodi do odvajanja jedne estice troenja s troene povrine. On uvijek ukljuuje procesnastajanja pukotina i proces napredovanja pukotina 4.

4.1 Abrazija

Abrazija je troenje istiskivanjem materijala, uzrokovano tvrdim esticama ili tvrdimizboinama 2.

Moe se opisati kao mikrorezanje abrazivom nedefinirane geometrije otrice, s dvije fazejedininog dogaaja,slika 4.1.

Slika 4.1 - Jedinini dogaaj abrazije 4

Jedinini dogaaj abrazije sastoji se od dvije faze:

I faza -prodiranje abraziva (a) u povrinu materijala (1) pod utjecajem normalne komponenteoptereenjaFN.

II faza - istiskivanje materijala u obliku estica troenja () pod utjecajem tangencijalnekomponente optereenjaFt.


32/180

32

Mehanizam abrazije mogue je analizirati s nekoliko razliitih gledita:

1) Ovisno o strukturi tribosustava u kome se zbiva abrazija mogu se pojaviti dva oblika

abrazije, prikazana slikom 4.2:

a) Abrazija u dodiru dva tijela tribosustav se sastoji od dva funkcionalna dijela(abrazivno tijelo i abrazijsko protutijelo)

b) Abrazija u dodiru tri tijela tribosustav se sastoji od dva funkcionalna dijela(abrazivno tijelo i protutijelo), te meutijela (estice) koje se gibaju slobodno izmeufunkcionalnih dijelova i djeluju abrazijski.

Prema rezultatima vie istraivanja [25, 26] odnoenje materijala u dodiru s tri tijela jeznatno manje nego u sluaju abrazije dva tijela. Razlog tomu je to estice abrazije samo oko10 % vremena provode u odnoenju materijala dok se ostatak vremena kotrljaju u slobodnommeuprostoru.

Slika 4.2Abrazija u dodiru dva tijela (a) i tri tijela (b), [27]

2) Ovisno o meusobnom djelovanju izmeu abrazijskih estica i troene povrinerazlikujemo:

a) Mikrobrazdanje (slika 4.3.a) odnoenje materijala proporcionalno volumenu brazdenastale plastinom deformacijom pri prolazu jedne abrazijske estice, uz uvjet da serubovi brazde odvoje od povrine u obliku produkata troenja. U idealnom sluajumikrobrazdanja jedna abrazijska estica nee proizvestiprodukte troenja nego e

materijal biti potisnut u stranu u obliku bonih grebenab) Mikrorezanje (slika 4.3.b) odnoenje materijala jednako volumenu zareza nastalogprolaskom abrazivne estice

c) Mikronaprsnua (slika 4.3.c) odnoenje materijala s krhke povrine mehanizmomnastanka i irenja mikropukotina. Pri tome se s povrine odnose veliki djeliimaterijala.

d) Mikroumor (slika 4.3.d)odnoenje materijala mehanizmom umora povrine nastalimuestalim izmjeninim optereenjem. Materijal je izloen trenutnim deformacijamauslijed ega nastaju mikropukotine koje se zatim ire i koje u konanici uzrokujuodvajanje dijelova materijala troene povrine. Mikroumor moe nastati i kao

posljedica viestrukog uestalog mehanizma mikrobrazdanja.


33/180

33

Slika 4.3Shematski prikaz mikromehanizama troenja materijala, [28]

3) Ovisno o meusobnom odnosu tvrdoa abraziva i materijala mogua su tri praktinasluaja

a) ista abrazija(slika 4.4)b) selektivna abrazija (slika 4.5)

c) nulta abrazija(slika 4.6)


34/180

34

ista abrazija

ista abrazija djeluje kada je tvrdoa abraziva (a) vea od tvrdoe troene podloge (1).Povrina je izbrazdana, a estice troenja su oblika spiralne strugotine u sluaju kada je

abradirani materijal duktilan, odnosno lomljene strugotine, kada je abradirani materijal krhak.

Slika 4.4 - ista abrazija 4


35/180

35

Selektivna abrazija

Selektivna abrazija djeluje kada u abradiranom materijalu postoji faza tvra od abraziva.Abraziv ree samo zahvaeni sloj meke faze. Povrina je izbrazdana, s prekidima na

mjestima gdje se na povrini nalaze zrna ili trake tvre faze.

Slika 4.5 - Selektivna abrazija 4


36/180

36

Nultaabrazija

Nulta abrazija nastaje kada je cijela abradirana povrina tvra od abraziva. Povrina imapolirani izgled, a estice troenja trebale bi biti sitne ljuskice koje potjeu od vanjskogagraninoga sloja.

Nulta abrazija najee se javlja na povrinskim slojevima dobivenim razliitim postupcimaoplemenjivanja povrine (boriranje, vanadiranje, CVD, PVD, itd.).

Slika 4.6Nulta abrazija 4


37/180

37

4.1.1 Otpornost na abraziju

Otpornost na I fazu mehanizma abrazije (prodiranje abraziva u povrinu materijala) odreenaje s vie utjecajnih imbenika, a najznaajniji je meusobni omjer mikrotvrdoe abraziva imaterijala troene povrine. U tablici su navedene vrijednosti tvrdoe nekih abraziva kao i

pojedinih faznih konstituenata eljeznih materijala.

Tablica 4.1 - Tvrdoa faznih konstituenata i abraziva, 29

Minerali

(abrazivi)TvrdoaHV Materijali

(strukturni konstituenti)

Gips 36

70 - 200 Ferit

Vapnenac, CaCO3 140

Fluorit, CaF2 190

170 - 230 Austenit, 12% Mn

250 - 320 Perlit, nelegirani250 - 350 Austenit, niskolegirani

Dolomit 370 300 - 460 Perlit, legirani

300 - 600 Austenit, ljevovi s visokim % Cr

Staklo 500 - 795 500 - 1010 Martenzit

Apatit 540

Feldspat 600 - 750

Kremen 800 - 950 840 - 1100 Cementit

Kvarc, SiO2 900 - 1750

1200 - 1600 Cr-karbid, (Fe, Cr)7C3

Topaz 1430

1300 - 1500 Fe-borid, Fe2B

1500 Mo-karbid, Mo2C

1650 Cr-karbid, Cr23C6

Korund, Al2O3 1800 - 2100 1800 Cr-karbid, (Fe, Cr)23C6

1600 - 2100 Fe-borid, FeB

1800 - 2250 Cr-borid, CrB2

2000 - 2400 Nb-karbid

2150 Cr-borid, CrB



2400 W-karbid, WC2700 W-borid, W2B5

Karborund, SiC 2600 - 3500 2700 - 3800 Cr-karboborid, Cr2(BC)

2800 - 2940 V-karbid, VC

3000 W-karbid, W2C

3200 Ti-karbid, TiC

3400 Ti-borid, TiB2

3700 B-karbid, B4C

3750 W-borid, WB

Dijamant 10000


38/180

38

Na otpornost na II fazu mehanizma abrazije (istiskivanje materijala u obliku estica troenja)najutjecajniji imbenik je nain napredovanja pukotine koji openito moe biti:

- duktilni

- krhki

- umor (povrine)

4.2 Adhezijsko troenje

Adhezijsko troenje karakterizira prijelaz materijala s jedne klizne plohe na drugu prirelativnom gibanju, a zbog procesa zavarivanja krutih faza, 2. Jedinini dogaaj adhezijemoe se opisati u tri faze, slika 27.

Slika 4.7 - Jedinini dogaaj adhezije 4

Faza I -Nastajanje adhezijskog spoja razliitog stupnja jakosti na mjestu dodira izboinaFaza II - Raskidanje adhezijskog spoja. estica troenja ostaje spontano nalijepljena na

jednom lanu kliznog para.Faza III - Otkidanje estice (eventualno). Oblik estica troenja ovisi o uvjetima, a uglavnom

je listiast.

estice iupane s jedne povrine ostaju privremeno ili trajno nalijepljene odnosnonavarene na drugu kliznu povrinu.Izgled povrine s koje su iupane estice i estice spontano navarene na suprotnu povrinu

prikazani su slikama 4.8 i 4.9.


39/180

39

Slika 4.8 - Povrina s koje su adhezijom iupane estice, 16

Slika 4.9 - estice adhezijom spontano navarene na povrinu, 16

4.2.1 Otpornost na adhezijsko troenje

Otpornost na adhezijsko troenje ovisi o sklonosti stvaranju mikrozavarenih spojeva kliznogpara i jakosti uspostavljenih adhezijskih veza. Osnovni kriterij za ocjenu otpornosti na

adhezijsko troenje materijala tribopara je njihova triboloka kompatibilnost.

Triboloka kompatibilnost je prikladnost za rad u kliznom paru i bolja je za materijale koji

nisu skloni mikrozavarivanju u meusobnom dodiru. Suprotna je metalurkoj kompatibilnostitj. uzajamnoj topljivosti metala u krutom stanju. Triboloka kompatibilnost pojedinih


40/180

40

kombinacija materijala prikazana je Rabinowitz-ovom kartom triboloke kompatibilnosti naslici 4.10.

W Mo Cr Co Ni Fe Nb Pt Zr Tl Cu Au Ag Al Zn Mg Cd Sn Pb

In 2 2 1 2 2 1 1 4 2 1 1 1 1

Pb 3 3 4 4 4 4 4 1 1 1 4 3 2 4 4 2 2 1

Sn 2 4 2 2 3 2 1 2 1 2 1 1 3 2 3 1

Cd 2 2 3 3 1 1 2 2 1 1 4 1 1

Mg 2 2 3 3 3 1 3 1 1 1 1 2

Zn 2 1 1 1 1 3 1 3 2 1 1 1 1

Al 1 2 1 2 1 1 1 2 2 1 1 1 1

Ag 4 3 4 4 4 4 3 1 2 1 2 1

Au 1 2 1 2 1 1 1 1 2 1

Cu 3 4 4 1 1 2 3 1 1 2

Ti 1 1 1 2 1 1 1 1 1

Zr 2 1 2 1 2 3 1 2

Pt 1 1 1 1 1 1 1

Nb 1 1 1 1 1 1

Fe 1 1 1 1 1Ni 1 1 1 1

Co 1 1 1

Cr 1 1

Mo 1

4 - Dvije tekue faze, rastvorljivost u krutom stanju manja od 0,1 %

3 - Dvije tekue faze, rastvorljivost u krutom stanju vea od 0,1 %, ili jedna tekua

faza, rastvorljivost u krutom stanju manja od 0,1 %

2 - Jedna tekua faza, rastvorljivost u krutom stanju izmeu 0,1 i 1 %

1 - Jedna tekua faza, rastvorljivost u krutom stanju preko 1 %

- Nema podataka

Kompatibilnost Adhezija

najbolja 4 najslabija

dobra 3 slaba

loa 2 jakanajloija 1 najjaa

Slika 4.10 - Rabinowitz-ova karta triboloke kompatibilnosti, izvedena iz binarnih dijagramastanja, prema 30


41/180

41

Na triboloku kompatibilnost takoer povoljno djeluje smanjenje broja kliznih sustava, slika4.11.

Reetka ElementKlizne

ravnine

Klizni

pravci

Broj

kliznih

sustava

Kompatibilnost2)

FCC Cu

Al

Ni

Pb

Au

Ag

Fe

.

.

.

4 111 3 110 43 = 12 1

BCC W

Mo

Fe

.

.

.

6 1101) 2 111 62 = 12 2

HCP Cd

Zn

Mg

Co

.

.

.

1 0001 3 1120 13 = 3 4

1)Sekundarne klizne ravnine2) 1 - najloija kompatibilnost: FCC/FCC

2 - loa kompatibilnost: BCC/BCC, BCC/FCC4 - najbolja kompatibilnost: HCP/HCP

Slika 4.11 - Triboloka kompatibilnost na osnovi kristalne strukture, prema 16

Budui da su slikama 4.10 i 4.11 obuhvaeni samo isti metali odnosno njihove kristalnereetke, ti podaci mogu posluiti samo za orijentacijsku procjenu triboloke kompatibilnosti.Za realni klizni par triboloka kompatibilnost moe se utvrditi samo pokusima ili procijeniti

na osnovi zabiljeenih prethodnih rezultata ispitivanja.


42/180

42

4.3 Umor povrine

Umor povrine je odvajanje estica s povrine uslijed ciklikih promjena naprezanja, 2.Jedinini dogaaj umora povrine prikazan je na slici 4.12 s tri faze.

Slika 4.12 - Jedinini dogaaj umora povrine 4

Faza I - Stvaranje mikropukotine, redovito ispod povrineFaza II - Napredovanje mikropukotine

Faza III - Ispadanje estice troenja, obino oblika ploice ili iverka

U prvoj fazi nastaje podpovrinska pukotina jer je najvee smino naprezanje kodkoncentriranog dodira (tzv. Hertz-ovo naprezanje) uvijek ispod same povrine, slika 4.13.Ovo je tzv. faza inkubacije jer praktiki nema nikakovog odvajanja estica.

Slika 4.13 - Raspodjela sminih naprezanja za sluaj dodira ravnina / valjak i normalnogoptereenja, 16


43/180

43

U drugoj fazi podpovrinska pukotina izbija na povrinu. Od toga trenutka iz pukotineredovito izlaze sitne kuglaste estice.

U treoj fazi jedininog dogaaja umora povrine dolazi do ispadanja krupne estice oblika

ivera, to na povrini ostavlja oteenje oblika rupice. Zato se ovaj oblik troenja uobiajenonaziva pitting (rupienje).

Izgled troene povrine i estica nastalih umorom povrine prikazuju slika 4.14 i 4.15.

Slika 4.14 - Izgled povrine oteene umorom, 16

Slika 4.15 - Izgled kuglastih estica troenja nastalih umorom povrine, 31


44/180

44

4.3.1 Otpornost na umor povrine

Otpornost na umor povrine naziva se i dinamika izdrljivost povrine. Ovisi o otporugibanju dislokacija, a na njega utjee veliki broj imbenika, 16:

a) Podpovrinski koncentratori naprezanja- oksidi i druge tvrde, krhke ukljuine- sulfidi, karbidi i ostali konstituenti druge faze

- granice zrna, malokutne granice, granice dvojnika i druge grupacije dislokacija

b) Povrinska obiljeja- topografija i tekstura povrine- zaostala naprezanja

- razina povrinske energije- mikrostruktura

- oneienja

c) Povrinske pogreke- ukljuine i estice druge faze- ogrebotine i udubljenja

d) Diskontinuiteti u geometriji dodira

- odstupanje od linijske geometrije dodira

- estice u podruju dodira

e) Raspodjela optereenja u leaju- elastine deformacije- meusobna neprilagoenost dijelova leaja- unutranja zranost, regulacija leaja

f) Elastohidrodinamika

g) Tangencijalne sile

- bez znatnog klizanja

- kotrljanje uz klizanje

4.4 Tribokorozija

Tribokorozija ili tribokemijsko troenje je mehanizam troenja pri kojem prevladavajukemijske ili elektrokemijske reakcije materijala s okoliem, 2.

Jedinini dogaaj tribokorozije s dvije faze prikazuje slika 4.16.


45/180

45

I - stvaranje (ili obnavljanje) sloja produkata korozije

II - mjestimino razaranje sloja produkata korozije

Slika 4.16 - Jedinini dogaaj tribokorozije 4

4.4.1 Otpornost na tribokoroziju

Najvaniji imbenik otpornosti na tribokoroziju je kemijska pasivnost materijala u odreenommediju. Tribokorozija je u pravilu "poeljan" mehanizam troenja jer slojevi proizvodakorozije zatiuju metalne povrine od neposrednog dodira metal/metal.


46/180

46

5. PROCESI TROENJA

Svaki proces troenja sastoji se od dva mehanizma troenja ili vie njih,koji djeluju istodobnoili u vremenskom slijedu, ovisno o vrsti tribosustava, relativnom gibanju i radnim uvjetima.

Cilj tribologije: primjenom odgovarajuih tribolokih mjera postii da odreeni tribosustavfunkcionira preteno u reimu tzv. normalnog troenja, slika 5.1.

Slika 5.1 - Opi oblik procesa troenja [4]

Prema vrsti elemenata tribosustava, vrsti dodira, nainu optereenja i obliku relativnog

gibanja razlikuju se sljedeisluajeve troenja [4]:

- klizno troenje- kotrljajue troenje- udarno troenje- freting- abrazija

- erozija esticama- erozija kapljevinom

- kavitacija

Osim ove podjele postoje i sloenije kao to je podjela prema DIN 50320 VDI 382 (tablica5.1).


47/180

47

Tablica 5.1. Razrada vrsta i mehanizama troenja prema DIN 50320 I VDI 382 [32]


48/180

48

5.1 Klizno troenje

Veliki broj sluajeva troenjapripada ovoj skupini troenja. Shema tribosustava kod kliznogtroenja prikazana je na slici 5.2.

Slika 5.2Shema tribosustava kod kliznog troenja(1) - funkcionalni dio

(2) - funkcionalni dio

(3) - meusredstvo (mazivo)Fsila, Nvbrzina, m/s.

Relativno gibanje se moe opisati kao klizanje. Stupnjevi opasnosti od pojedinihmehanizma troenja kod kliznog troenja, prema[4], su:

Adhezijajako visoki Umor povrine srednji Abrazija niski

Tribokorozijanajnii

Pokazatelj otpornosti na troenje je triboloka kompatibilnost materijala, odnosnoprikladnost za rad u kliznom paru.

Karakteristini primjeri kliznih parova su klizni leaji, klizne vodilice, vreteno/matica,stap/kouljica, zglobovi.

Mogue promjene iznosa troenja kliznih elemenata tijekom rada prikazane su na slici 5.3.

Slika 5.3 - Procesi troenja kliznih elemenata [4]gdje je:

tu- vrijeme uhodavanja, h

tp- projektirana trajnost, h

Vg- granino istroenje, mm3

Krivulja 1 - zadovoljavajui proces troenja- malo poveano troenje u fazi uhodavanja


49/180

49

- normalno troenje (uglavnom tribokorozijsko)- iznos troenja ostaje ispod granine vrijednosti do isteka projektiranog vijeka

trajanja

Krivulja 2 - neuspjeno uhodavanje- ve u poetku dolazi do zaribavanja

Krivulja 3 -brzina troenja nedopustivo visoka- ako doe do ulaza abrazivnih estica u tribosustav- ako su abrazivne estice sastavni dio strukture jednog triboelementa (primjer:

stapni prsten/kouljica cilindra ako je stapni prsten od sivog lijeva unjegovoj mikrostrukturi ne smije biti slobodnog cementita)

Krivulja 4 - sluaj preranog umora povrine

Proces adhezijskog troenja pokuaose matematiki izraziti. U nastavku slijedi Archardovajednadba adhezijskog troenja [33]:

H

sF

kV A

gdje je:Fsila, Nsduljina klizanja, mHtvrdoa mekeg materijala u parukAArchardova konstanta, koeficijent troenja; odreuje se eksperimentalno- od 10-3( neprihvatljivo troenje) do ~ do 10-7.

Triboloke mjere za izbjegavanje procesa opisanih krivuljama 2, 3 i 4 na slici 5.3. kod kliznihtriboelemenata su:

izbor kompatibilnih materijala povrina u dodiru

potpomaganje uhodavanja odgovarajue podmazivanje

5.1.1 Eksperimentalno odreivanje kompatibilnosti materijala za rad u kliznom paru

Klizno ispitivanje "etiri kuglice"(Ureaj "etiri kuglice" (engl. "four ball"tester) za klizno ispitivanje (IP 239)

Shema metode prikazana je na slici 5.4.

Slika 5.4Shema ureaja "4 kuglice" za klizno ispitivanje [34]

Tribosustav se sastoji od tri stacionarne kuglice (2) uvrene u drau (4) kojeoptereuju definiranom silomFgornju kuglicu (1). Gornja kuglica je uvrena u valjkastom


50/180

50

drau kuglice (3) i rotira definiranim brojem okretaja n. Sila F moe biti konstanta ilikontinuirano rastua. Ispitivanje se automatski prekida kad se postignu zadani parametri(definirano vrijeme ispitivanja ili postignuti iznos sile) ili dok ne doe do meusobnogzavarivanja (welding point)slika 5.5.

Slika 5.5 -. Zavarivanje kuglica [35] Slika 5.6 Tragovi troenja na donjimkuglicama [36]

Trag troenja na donjim kuglicma mjeri se mikroskopom, a noviji ureaji imajumogunost fotografiranja traga troenja digitalnom kamerom te njegovog mjerenja koristeiprogram za analizu traga troenja. Postoji i modifikacija ovog ispitivanja pod nazivom "trivaljia/stoac".

Tijekom ispitivanja metodom etiri kuglice mjere se slijedee znaajke: koeficijent trenja,

normalna sila,

temperatura maziva,

brzina rotacije,

trag troenja na kuglicama (na dvije meusobno okomite duljine) - slika 5.6.,

vrijeme trajanja ispitivanja.

Ispitivanje "prizma po prstenu"

Slika 5.7Shema ispitivanja "prizma po prstenu" [37]

ASTM G77 (engl. "block on ring") ispitivanjem odreuje se otpornost materijala naklizno troenje. Sustav se sastoji od stacionarnog ispitnog uzorka (bloka), napravljenog od

ispitnog materijala, optereenog zadanom silom na rotirajui ispitni prsten. Trag troenja je


51/180

51

linijski na ispitnom prstenu. Rezultati se prikazuju kao gubitak volumena u mm3 i za ispitni

uzorak i za ispitni prsten. Materijali veeg otpora troenju imat e manji gubitak volumena.Ako se ispituju maziva tada se temperatura ispitnog uzorka moe mjeriti koristei

termopar postavljen u posebnu udubinu u ispitnom uzorku. [35]

Mjerenje: gubitak mase ispitne prizme

irina traga troenja gubitak mase prstena

sila trenja

izdrljivost mazivog filma

Ispitivanje se automatski zaustavlja kad se postigne zadano ispitno vrijeme ili zadani broj

okretaja ispitnog prstena.

Klizna ispitivanja s kuglicom

Tribopar koji se ispituje odreuje znaajniji potroak ili kuglice, ili uzorka, ili kuglicei uzorka. Primjeri tih sluajeva prikazani su na slici 5.8.

a) b) c)

Slika 5.8 - Tri mogua sluaja troenja tribopara, [38]:a) troenje kuglice

b) troenje uzorkac) troenje i kuglice i uzorka

Umjesto kuglice u nosa moe se postaviti valji, disk ili prsten kao dio tribopara koji seispituje. Kod simulacije uvjeta fretinga (proces troenja koji nastaje izmeu dviju, prividnovrsto spojenih, povrina zbog vibracijskog relativnog gibanja s amplitudama manjim od100m [4]), vibracija se moe narinuti u rotirajuem gibanju, a na tribometru mogu se ispitatigibanja prema naprijed i prema nazad.

Ispitivanje "kuglica po disku"

Kod ispitivanja "kuglice po disku" (engl. "ball on disc" test), disk na kojem je

uvren uzorak okree se odreenom zadanom brzinom, dok se u nosau nalazi kuglicaradijusa r koja poznatom silom Fpritie uzorak. Ovakav nain ispitivanja ostavlja krunitrag na disku (uzorku) te se radijus dodira,R, moe mijenjati.


52/180

52

Slika 5.9Kruni trag troenja na uzorku [39]

Na slici 5.10. shematski je prikazan tribometar "kuglica po disku".

Slika 5.10 - Shematski prikaz tribometra "kuglica po disku", [40]

Ispitivanja se mogu odvijati pri visokim ili niskim temperaturama (od -40 do 800C),u kontroliranoj atmosferi, s kontroliranom vlagom u zraku ili s podmazivanjem uzorka [41].

Pri ovakvom ispitivanju moe se postii sila optereenja i do 1000 N, maksimalna brzinaklizanja (kuglice po uzorku) 14 m/s, a materijal kuglice moe biti metal ili keramika.

Trenje se mjeri kontinuirano u tijeku ispitivanja, dok se troenje odreuje analizommikrostrukture i ispitivanjem profilometrije. Igla profilometra esto se koristi za mjerenje

povrine poprenog presjeka traga troenja na nekoliko mjesta po opsegu traga, slika5.11.Ovim se nainom osigurava tonije odreivanje gubitka volumena uzorka jer se mnoi s

duljinom traga.

Slika 5.11 Trag troenja uzorka kod ispitivanja "kuglice po disku" [51]

Trag troenja uzorka

Uzorak

Osjetniksile

trenja

Kuglica

ili pin

Detalj


53/180

53

Troenje kuglice izraunava se na osnovi traga troenja na mjestu kontaktne povrine.Troenje kuglice, Wk, (slika 5.12.- a) i troenje povrine uzorka, Wu(slika 5.12. -b) izraavase tzv. faktorom troenja. Faktor troenja je standardizirani omjer volumena troenja (mm3)

prema putu klizanja (m) i sili (N). to je manji faktor troenja, vea je otpornost troenju.

a) b)Slika 5.12 Trag troenja na kuglici (a) i trag troenja na povrini uzorka (b) [51]

Na slici 5.13 je prikazan CSEM tribometarTRIBO II.

Slika 5.13 CSEM tribometer - TRIBO II [40]

Nakon svakog ispitivanja mjeri se trag troenja na kuglici (mikroskopom, slika 5.12.),a profilometrijom se mjeri povrina poprenog presjeka traga troenja (npr. u etiri smjera -dva u smjeru osi x i dva u smjeru osi y), slika 5.14.

Slika 5.14 Profilometrija traga uzorka nakon ispitivanja "kuglica po disku" [51]


54/180

54

Svaki ureaj ima mogunost mjerenja i iskazivanja koeficijenta trenja u toku zadanogispitivanja, slika 5.15.

Slika 5.15 Dijagram koeficijenta trenja [51]

Ispitivanje "valjipo disku"

Slika 5.16 - Ispitivanje "valjipo disku" [42]

Ureaj za ispitivanje "valji po disku" (engl. "pin on disc", ASTM G 99) sastoji se od:1- diska koji se okree (rotira) zadanom brzinom,2- uzorka privrenog na disku,3- nosaa valjia (pina),4- utega kojim se ostvaruje normalna sila i

5- elektronikog senzora za mjerenje sile trenja i raunalnog programa za oitavanjeparametara, ispisivanje ili pohranjivanje podataka za analizu.

Ispitivanje traje dok se ne postigne zadano vrijeme ili zadani broj okretaja diska.

Modificirani oblik ovog ispitivanja je kad je ispitni uzorak prevlaka na valjiu (umjesto nadisku) a abraziv je podloga na disku, kao to je prikazano slikom 5.17 [43].

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 4 15

Vrijeme, min

Koeficijenttrenja


55/180

55

Slika 5. 17Ispitivanje valji poabrazivnom disku [43]

Slika 5.18Ispitivanje uzprisutstvo maziva [43]

Ispitivanje se moe provesti u suhom ili podmazivajuem (slika 5.18.) okruenju.

Mjerenje:

broj okretaja diska,

troenje ispitnog uzorka i abraziva, koeficijent troenja, temperature.

Troenje se odreuje mjerenjem brazde (lijeba) troenja profilometrom i mjerenjemkoliine potroenog materijala (kao to je opisano u predhodnoj metodi "kuglice po disku").

Klizno ispitivanje "kuglica po ploi"

Slika 5.19- Shema ispitivanja "kuglica po ploi" [44]


56/180

56

Ispitivanje "kuglica po ploi" (engl. "ball on flat", ASTM G 133-95) standardna jemetoda ispitivanja kliznog troenja keramikih, metalnih i ostalih materijala koritenjemlinearno pomine kuglice po ploi.

Ispitivanje se sastoji od horizontalno postavljenog ravnog tankog uzorka po kojem

klizi uzorak u obliku kuglice vertikalno optereen poznatom silom. Uzorci se pomiu

linearno, naprijed - nazad jedan prema drugom pri definiranim uvjetima.Normalna sila, duljina pomaka (put kuglice), frekvencija klizanja, temperatura i vrijeme

ispitivanja odabiru se iz jedne od dvije ponuene procedure prema koritenoj normi u opisuispitivanja (ASTM G 133-95). [44]

Mjerenje:

gubitak mase ploe, smanjenje promjera kuglice,

profil traga troenja, sila trenja.

Ispitivanje "valji po V utoru

Tribosustav "valji po V utoru" (Pin on Vee Block, FALEX; ASTM D 3233)sastoji seod dva V-bloka, napravljena od ispitivanog materijala, optereenih stalnom ili rastuom silomna valji koji se okree konstantnom brzinom n. Ispitivanje se moe provoditi u suhom ili

podmazivajuem okruenju. Ispitivanje je zavreno kad igla koja dri valji pukne naoekivanom (projektnom, predhodno zarezanom mjestu) mjestu loma ili kad sila postignezadani iznos.

Slika 5.20Shema ispitivanja "valji po V utoru"[45, 35]Mjerenje:

postignuto optereenje, koeficijent trenja, troenje (optiki praenje traga troenja), temperatura maziva,

izdrljivost mazivnog filma.


57/180

57

"Scratch test" - test brazdanjem

Test brazdanjem prua kvalitativne informacije o vrstoi veze izmeu prevlake ipodloge ili podloge i podloge, te djelomino i uvid u otpornost tribosustava na abraziju [41].

Slika 5.21 Shematski prikaz (a) [41] i ureaj scratch tester (b) [46]

Test se provodi povlaenjem dijamantnog Rockwell C utiskivaa po povrini uzorka silomkoja kontinuirano raste. Ukoliko se pri tome uzorak pomie konstantnom brzinom, naprezanjena mjestu dodira utiskivaa i povrineuzrokuje istiskivanje materijala, te ljutenje ili kidanje

prevlake. Normalna sila kod koje se pojavi prvo oteenje prevlake naziva se kritina sila ioznaava se LC, N. Test je primjenjiv za prevlake debljine od 0,1 do 20 m, te zbog toga

pokriva iroko podruje primjene.Kretanje dijamantnog utiskivaa kontinurano rastuom normalnom silom po povrini

uzrok je naprezanjima koja, pak, uzrokuju pukotine i istiskivanje materijala. Pojava pukotina

u tragu (lijebu) prilikom ispitivanja prema [47]prikazana je na slici5.37. idijele se na:(a)pukotine pod kutom (engl. angular cracks),

(b)pukotine paralelne s tragom (engl.parallel cracks),(c)poprene pukotine (engl. transverse semi-circular cracks),(d)odvajanje prevlake (engl. coating chipping),(e)djelomino odlomljena prevlaka (engl. coating spalling),(f)potpuno odlomljena prevlaka (engl. coating breakthrough).

Slika 5.22 Podjela pukotina u tragu brazdanja, [41]

Pojave ovih pukotina javljaju se pri odreenim kritinim silama te se iznos kritinesile najee odreuje pomou analize mikroskopom. Ukoliko je poznata poetna sila, prirastsile N/s, te brzina pomicanja uzorka, jednostavnim mjerenjima dimenzija mogue je odreditiudaljenost na kojem je nastalo prvo oteenje, a time i izraunati pripadajuu silu. Da bi se

oteenja lake prepoznala, izraeni su atlasi s fotografijama i oblicima oteenja prevlakekoje se mogu pojaviti kao posljedica testa.

Podloga

Rastua normalna sila


58/180

58

Ureaj za test brazdanjem na sebi ima i senzor (osjetnik) za praenje akustikeemisije, sile trenja i dubine prodiranja (slika 5.21.), kako bi se poveala tonost i osjetljivostmjerenja. Rezultati ispitivanja brazdanjem dobiveni mjerenjem sile trenja i akustike emisije,obraeni su raunalom koji njime i upravlja, a prikazuju se u obliku kvantitativnog dijagrama,

primjer na slici 5.23.

Slika 5.23 Kvantitativni dijagram vrijednosti sile trenja i akustike emisije za ispitivanjebrazdanjem [51]

U takvom kvantitativnom dijagramu istodobno se prikazuje promjena sile trenja Ftr i

promjena akustike emisije AEkao funkcije normalne sile Fnkojom je utiskiva optereen.Na taj nain je mogue grafiki odrediti vrijednost kritinih sila LC. Promjena akustikeemisije, u gornjem dijagramu (slika 5.23.), prikazana je u postocima (%). Kad doe do

promjene u buci (zvuk koji dolazi od kretanja utiskivaa po podlozi), osjetnik e zabiljeiti tupromjenu - obino je to skok ili promjena s nieg na vii postotak. Skok pokazuje mjestomogue kritine sile (ili oteenje povrine podloge). Nakon zavretka ispitivanja mogue jesvjetlosnim mikroskopom (koji se nalazi na ureaju) pregledati x - duljinu traga brazdanja(mm) i mjesta na kojima su bili skokovi u akustikoj emisiji. Na lijevoj strani y-osi dijagramaosimAE- akustike emisije naznaena je iFn- normalna sila (N) dok se na desnoj strani y-osidijagrama definirajuPd- dubina utiskivanja (m) iFtr- sila trenja (N). Dubina utiskivanjaPdse ne mjeri odmah od poetka ispitivanja, nego postoji pomak oko 200 m prije 0, odnosno

poetka ispitivanja, zbog toga to se poetnom silom na tom malom putu (200 m) otklanjatrzaj motora na poetku ispitivanja.

Ureaj za provoenje testa brazdanja prikazan je na slici 5.24.

Slika 5.24 Ureaj REVETEST, CSEM, vicarska, za provoenje testa brazdanja, [48]

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7

x, mm

Fn

,N;

AE

,%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Ft,N;

Pd

,m

Fn (N)

AE (%)

Ft (N)

Pd (m)


59/180

59

5.1.2 Materijali za klizne leajeve

Klizni leajevi su karakteristian primjer procesa kliznog troenja. Materijali za klizneleajeve trebaju ispuniti sljedee zahtjeve 49:

Dovoljna vrstoa da podnese optereenja. Dovoljna tvrdoa povrine. Mali faktor trenja i dobra otpornost na troenje. Dovoljna ilavost (otpornost na udarna optereenja). Dobra toplinska vodljivost.

Mala toplinska rastezljivost.

Dobra antikorozivnost.

Najee se primjenjuju dvofazne mikrostrukture sastavljene od tvrdih i mekih faza. Tvrdafaza preuzima optereenje, a meka samopodmazuje i prilagoava se obliku osovine. Ovematerijale moemo podijeliti u dvije grupe 49:

Tradicionalne dvofazne legure:

Kositrena i fosforna bronca

Crveni lijev (legura Cu-Sn-Zn-Pb)

Aluminijska bronca

Bijele kovine (Sn-Pb-Sb-Cu)

Sivi i nodularni lijev (tvrda faza cementit, steadit)

Dvofazne legure s mogunou podmazivanja: Olovna bronca (tvrdi kristaliti bakra i meki kristaliti olova)

Olovnokositrena bronca Al-Sn legure

Postoje i monofazni leajni materijali: Polimerni materijali: PA (poliamidi) i PTFE (Teflonnii faktor trenja od bilo

kojeg drugog vrstog materijala; slaba mehanika svojstva pa se esto koristiojaan PTFE/bronca kompozit), mogu se primjenjivati samo u suhim uvjetima

Keramiki (Al2O3, ZrO2, Si3N4, grafit) - primjenjuju se kod vrlo niskih ili vrlovisokih radnih temperature i/ili u korozijski ekstremno agresivnoj okolini)

Kako bi se smanjilo adhezijsko troenje treba primjeniti nekoliko iskustvenih pravila. Izbjegavati da u paru rade slini materijali (pogotovo metali). Izbjegavati par s dva tvrda metala (voditi rauna o tome da materijali male

prosjene tvrdoe mogu sadravati vrlo tvrde faze). Podmazivanje (makar i loe) smanjuje troenje.

Skup iskustava u kojemu su sadrani svi znaajnizahtjevi, a ne samo triboloki, dovodi doliste uputa za "standardne" tribosustave kao to su npr. klizni leaji. Osnovni putokaz za izbortipa kliznog leaja je kombinacija tlakap i brzine klizanja v, slike 5.25 i 5.26, a takoer iradne temperature , slika 5.27.


60/180

60

Slika 5.25 - Dijagram "p-v" za klizne leaje (elina osovina), 50

Slika 5.26 - Dijagram "p-v" za nepodmazivane klizne leaje (elina osovina), 50

Slika 5.27 - Dijagram "p- za klizne leaje (elina osovina), 50


61/180

61

5.1.3 Primjeri nepredvienog kliznog troenja

Slika 5.28 - Povrina elinog prstenanakon neuspjenog uhodavanja s istotakvim prstenom. Veliki prijelaz materijala

s jednog prstena na drugi [4].

Slika 5.29 - Povrinski umor segmentabregaste osovine koji je bio u kliznom

dodiru s podizaem [4].

Slika 5.30Klizno troenje kone papue od sivog lijeva[52]

Slika 5.31 Isupana mjesta na kliznoj povrini kliznog leaja uslijed prekoraenjadinamike izdrljivosti zbog previsokog tlaka filma podmazivanja s visokim gradijentomtlaka 32


62/180

62

Slika 5.32 Prijenos materijala sazakaljenog temper odljevka na sinterirani

metal pri klizanju zbog manjkavogpodmazivanja 32.

Slika 5.34Izglodana mjesta na klipu (Al-Si legura) dizel motora zbog manjkavog

podmazivanja 32.

Slika 5.33 Tribokorozijski produktireakcija na bregastoj osovini od elika

16MnCr5 E.[32]

Slika 5.35Prijenos materijala i istroenjena kliznoj ploi hidraulike pumpe odelika 32.

Slika 5.36 - Prikaz oteenja s unutranje (klizne) strane ojnice klipnog motora [36]


63/180

63

5.2 Kotrljajue troenje

Kotrljajue troenje javlja se kod uzastopnog kotrljajueg dodira nekonformnih povrina.Shema tribosustava kotrljajueg troenja prikazana je na slici 5.37.

Slika 5.37Shema tribosustava kod kotrljajueg troenja [4], gdje je:(1) - funkcionalni dio

(2) - funkcionalni dio

Fsila, N

- kutna brzina, m/s.Relativno gibanje se moe opisati kao kotrljanje. Stupanj opasnosti od pojedinog mehanizmatroenjaje:

umor povrine jako visok, abrazijanizak, adhezijanizak, tribokorozijanajnii.

Karakteristini primjeri kotrljanjasu: kotrljajui leaji, zupanici, kota / tranica.

Mogue promjene iznosa troenja kotrljajuih elemenata tijekom rada prikazane su na slici5.38.

ti- trajanje inkubacije umora povrine, htu- trajanje uhodavanja, h

tp- projektirana trajnost, h

Slika 5.38 - Procesi troenja kotrljajuih elemenata [4]

Krivulja 1zadovoljavajui proces troenja.Krivulja 2neuspjeno uhodavanje.Krivulja 3prerani umor povrine.


64/180

64

Pokazatelj otpornosti na kotrljajue troenje je dinamika izdrljivost povrine.Triboloke mjere za izbjegavanje krivulja 2 i 3:

- izbor odgovarajueg materijala, zadovoljavajue dinamike izdrljivosti povrine- zatita povrine od troenja- omoguavanje uhodavanja

- odgovarajue podmazivanje

5.2.1 Eksperimentalno odreivanje dinamike izdrljivosti povrine

Kotrljajue ispitivanje metodom "etiri kuglice"

Ispitivanje metodom "etiri kuglice" (engl. "four ball" test) koristi se za odreivanjeotpornosti na umor povrine i efikasnosti maziva i materijala za visoke pritiske.Shema metodeispitivanja prikazana je na slici 5.39.

Slika 5.39 Shema ureaja "4 kuglice" za kotrljajue ispitivanje [53]

Ureaj za ispitivanje dinamike izdrljivosti povrine sastoji se od tri donje kuglice kojeslobodno rotiraju u svom drau i optereene su zadanom silom preko gornje kuglice. Gornjakuglica uvrena je u svom drau i okree se definiranom brzinom.

Za ispitivanje utjecaja ininjerskih materijala na umor povrine (engl. pitting) umjestogornje kuglice moe se koristiti stoasti uzorak izraen od ispitnog materijala. Na stoasti

profil lake je nanjeti tanke prevlake pa se u sluaju ispitivanja prevlaka kao gornji ispitniuzorak primjenjuje stoac s prevlakom (slika 5.40.) .

Slika 5.40 - Ispitivanje dinamike izdrljivosti povrine u kotrljajuem dodiru "trikuglice/stoac"[35]


65/180

65

Ispitivanje je zavreno kad se pojavi umor povrine pri definiranom optereenju. Motortriboureaja automatskise zaustavlja kada trenutna razina vibracija prelazi definiranu razinuzbog pojave pitinga na jednom od ispitnih uzoraka.

Metoda dvostrukog diska

Ispitivanje metodom dvostrukog diska (engl. "twin disc") provodi se za odreivanjeiznosa kliznog i kotrljajueg troenja materijala, prevlaka ili maziva.

Slika 5.41. - Shema ispitivanja metodom "dvostrukog diska" [36]

Ureaj se sastoji od dva diska promjera 40 mm i debljine 10 mm (alternativno diskovimogu biti promjera 30 i 50 mm) koja se optereuju hidrauliki. Optereenje moe bitikonstantno ili rastue. Ispitivanje se provodi dok koeficijent trenja ne pree zadanu vrijednostili dok se ne postigne zadano vrijeme ispitivanja.

Mjerenje:

postignuto optereenje, koeficijent trenja,

troenje (optiki praenje traga troenja), gubitak mase pojedinog ili oba diska,

temperatura maziva, izdrljivost mazivnog filma.

5.2.2 Materijali za zupanike

Upute za izbor materijala tribosustava s kotrljajuim gibanjem dane su u tablici 5.2., aorijentacijska svojstva materijala na slici 5.42. i 5.43.


66/180

66

Tablica 5.2 - Ope upute za izbor materijala zupanika, 50

Radni uvjeti Manji zupanik Vei zupanikSamo prijenos

gibanja (sila 0)

Nemetali, mjed, meki elik i nehrajui elik u bilokojoj kombinaciji

Laki uvjeti Temper lijev Nemetali, mjed, fosforna bronca ,temper lijev

Sivi lijev Sivi lijev

elik - normaliziran Sivi lijevSrednjeugljini i niskougljininiskolegirani elik - normaliziran

Srednjeugljini niskolegirani elikvisoke vrstoe -poboljan

Srednjeugljini elik - normaliziran

Srednjeugljini niskolegirani elikvisoke vrstoe - nitriran

Srednjeugljini niskolegirani elik -nitriran

Srednjeugljini niskolegirani elik -

indukcijski kaljen

Srednjeugljini niskolegirani elik -

indukcijski kaljen

Tei uvjeti

Niskougljini niskolegirani elikvisoke vrstoe - cementiran

Niskougljini niskolegirani elikvisoke vrstoe - cementiran ili

poboljan

1)Materijal manjeg zupanika moe biti u paru s bilo kojim materijalom veeg zupanika kojije u istoj razini kakvoe ili iznad nje.

2)Fosforna bronca ne smije biti u paru s mekim elikom.

Na slijedeim slikama prikazani su dijagram vlana vrstoa savojna dinamika izdrljivost

(slika 5.42) i dijagram faktor opteretivosti tvrdoa (slika 5.43.)

Slika 5.42. - Dijagram "Rds-Rm" uobiajenih materijala zupanika, 50


67/180

67

Slika 5.43. - Dijagram "C-HV " uobiajenih materijala zupanika, 50

5.2.3 Materijali za kotrljajue leajeve

Materijali za kotrljajue leajeve trebaju ispuniti sljedee zahtjeve[49]:- visoka tvrdoa (do 65 HRC)- jednolika tvrdoa (bez mekih mjesta)- dobra mehanike svojstva (vrstoa, elastinost)- jednolika struktura

- sitnozrnata struktura

- dobra prokaljivost

- stabilnost poslije kaljenja

- dobra ilavost- visoka otpornost na troenje- visoka dinamika izdrljivost- odsustvo segregacija i ukljuaka (metalnih inemetalnih)

U veini sluajeva, za kuglice, valjie i prstenove kotrljajuih leajeva koriste seniskolegirani Cr-elici: 105Cr4 (1,05%C; 1% Cr), 100Cr6, 100CrMn6

Osim ove koriste se sljedee grupe materijala:

elici za cementiranje visokolegirani nehrajui elici keramika (silicij nitrid Si3N4)


68/180

68

5.2.4 Primjeri nepredvienog kotrljajueg troenja

Slika 5.44. - Prerani povrinski umor

reduktorskog zupanika zbogneodgovarajue toplinske obradbe 52

Slika 5.45 Troenje vratila u dijelu koji

ulazi u homokinetiki zglob zbogneodgovarajue toplinske obradbe[52]

Slika 5.46Odlistavanje na podmazivanom kotrljajuem leaju od elika 100Cr6 32


69/180

69

Slika 5.47Odlistavanje stvaranjem mrlja na cilindrinim valjiima od elika 100Cr6 32

Slika 5.48Oteenje odnoenjem materijala u podruju staza kuglica indukcijski zakaljenekuglaste glavine od Cr53 32

Slika 5.49Oteenje zbog umora povrine u vanjskoj stazi prstena kotrljajueg kuglastogleaja 56


70/180

70

Slika 5.50Rupice u kliznoj stazi unutranjeg prstena kotrljajueg kuglastog leaja 56


71/180

71

5.3 Udarno troenje

Jo jedan proces troenja kod kojeg je dominantan mehanizam umora povrine je udarnotroenje. Shema tribosustava kod udarnog troenja prikazana je na slici 5.51.

Slika 5.51Shema tribosustava kod udarnog troenja [4], gdje je:(1) - funkcionalni dio

(2) - funkcionalni dioFsila, Nv- brzina, m/s

Relativno gibanje se moe opisati kao udarci. stupanj opasnosti od pojedinih mehanizmatroenjaje slijedei:

umor povrine jako visoki, abrazijasrednji, adhezijasrednji, tribokorozijanajnii.

Karakteristini primjeri tribosustava s udarnim optereenjem su: kontakti

releji

dijelovi printera (tampaa) ventili

kovaki alat, ukovnji mlinovi

tance

Mogue promjene iznosa troenja tijekom udarnog rada prikazane su na slici 5.52.

Slika 5.52 - Procesi troenja tribosustava s udarnim optereenjem [4]


72/180

72

Krivulja 1prihvatljiv process troenja (uglavnom tribokorozijski)Krivulja 2adhezijsko troenjeKrivulja 3deformacijsko troenje (prekomjerna plastina deformacija istiskivanjemmaterijala uslijed udaraca)

Krivulja 4abrazijsko troenje ako su prisutne abrazivne estice

Krivulja 5umor povrine

Pokazatelj otpornosti na udarno troenje je dinamika izdrljivost povrine.

Triboloke mjere za izbjegavanje krivulja 2, 3, 4 i 5:- izbor odgovarajueg materijala- zatita povrine od troenja zbog teko pomirljivog zahtjeva na ilavost (zbog udarnog

djelovanja) i otpornost na ostale mehanizme troenja

5.3.1 Eksperimantalno odreivanje otpornosti na udarno troenje

Ispitivanje (slika 5.53) se provodi u svrhu odreivanja kohezijskih i adhezijskihsvojstava prevlaka te njihovih tribolokih karakteristika u uvjetima vibracija. Uzorci suodrezani pod kutem, kontaktne povrine od 23 mm2[32].

Slika 5.53Ispitivanje udarnog troenja[32]

Mjerenje:

gubitak mase,

vijek troenja.

5.3.2 Primjeri nepredvienog udarnog troenja

Slika 5.54 - Prerani povrinski umorventila pumpe [4]

Slika 5.55 Izgled povrine elinogvretena uslijed dinamikog optereenja 57


73/180

73

Slika 5.56Isupana mjesta u podruju udarno optereenog podruja ploe za oblikovanjeamota od bijelog lijeva legiranog kromom [32]

5.4 Izjedanje

Izjedanje (engl. "fretting")je proces troenja koji nastaje izmeu dviju, prividno vrstospojenih, povrina zbog vibracijskog relativnog gibanja s amplitudama od 50 do 500m. To

je osobito izraeno kod povrina (npr. utori, spojke) gdje se gibanje prenosi s jednog tijela nadrugo preko kontaktne povrine. Takvi se sluajevi troenja javljaju u strojevima, spojkama,izmjenjivaima topline, oprugama, valjkastim i kuglastim leajevima 2.Shema tribosustava kod izjedanja prikazana je na slici 5.57.

Slika 5.57 - Shema tribosustava kod izjedanja [58]

Relativno gibanje se moe opisati kao vibracije. Stupanj opasnosti od pojedinihmehanizma troenja:

tribokorozija - jako visok,

umorpovrine - jako visok, abrazijasrednji, adhezijasrednji.

Primjeri pojave izjedanja su: zakovini spojevi, mehanike brtve, spojevi vratilo/glavina,

spojke.Proces izjedanja moe se podijeliti u sljedee faze [58]:

fretting

Male amplitude kliznog,

vibracijskog ili udarnog

gibanja

F


74/180

74

1. Vibracija i klizanje

2. Adhezijsko troenje i nastanak (pojava) estica troenja3. Oksidacija estica troenja, koje ostaju zarobljene u malim kontaktnim povrinama4. Abrazijsko djelovanje estica troenja, poveanje faktora troenja i nastanak novih

estica troenja

5. Rezultat je znaajna lokalnateta i mogunost lokalnog zastoja ('runaway' situacija)

Korozija kod izjedanja (tribokorozija) pojavljuje se kao oksidni sloj oko kontaktne povrine(npr. karakteristine crvene boje kad se radi o eliku).Izjedanje uzrokuje i oteenja poput pojave rupienja (engl. pittinga), mikrozavarivanja iumora povrine.

Slika 5.58 - Prikaz djelovanja freting korozije na tankom kontaktnom podruju [59]

Na slici 5.58. shematski je prikazana djelovanje freting korozije na tankom

kontaktnom podruju. Oksidni sloj nastao na povrini kontaktnog podruja puca prikontaktnom gibanju omoguujui stvaranje novog oksidnog sloja na "otvorenim" podrujima.Ciklus stvaranja i pucanja oksidnog sloja ponavljaja se Nputa uzrokujui izjedanje povrinematerijala.

Na slici 5.59. prikazana su mjesta na kojima je mogua pojava izjedanja kodzakovinog spoja

Slika 5.59Mjesta sklona pojavi izjedanja kod zakovinog spoja 20


75/180

75

Mjere za spreavanje izjedanja prema 23su:

1. Konstrukcijske

a) Smanjenje koncentracije naprezanja.b) Razdvajanje ploha.

c) Poveanje tlaka smanjenjem dodirne plohe.

2. Podmazivanje

Ulja i masti s dodatkom antioksidanata prijee pristup kisika pa time i prvu fazutribokorozije.

3. Nemetalne prevlake

Fosfatne i sulfidne prevlake na elicima prijee neposredan dodir metal/metal.

4. Metalne prevlake

Galvanske prevlake mekih metala npr. Cu, Ag ili Cd omoguuju preuzimanje

relativnih pomaka unutar samih prevlaka. Kromiranje se ne preporua.

5. Nemetalni ulociUloci od gume ili teflona rabe se za razdvajanje ploha i preuzimanje relativnih

pomaka.

6. Izbor kompatibilnih metala

Preporua se meki metal s malim indeksom otvrdnua hladnom deformacijom iniskom temperaturom rekristalizacije (kao npr. Cu) u dodiru s tvrdom povrinom (npr.cementirani elik).

7) Poveanje hrapavosti povrine (kugliarenje).

5.4.1 Eksperimentalno odreivanje otpornosti na izjedanje

Jedan od moguih naina ispitivanja otpornosti izjedanju prikazan je na slici 5.60.

Slika 5.60Ispitivanje izjedanja [32]

Ispitivanjem se odreuje iznos troenja i trenja u kontaktu kuglice ili valjia s ravnomploom male amplitude pomaka.Mjerenje:

Gubitak volumena mjerenjem traga troenja. Koeficijent trenja.


76/180

76

5.4.1 Primjeri nepredvienog izjedanja

Slika 5.61 Pukotina nastala izjedanjemna provrtu za zakovicu 20

Slika 5.62Umor zbog fretinga na vretenupunog ekstrudera[52]

Slika 5.62 Umor povrine u podrujubrazgotina s istrgnutim dijelom na

konusnom sjeditu napreanog spojapogonskog zupanika i osovine lopatevelikog bagera (elik 28NiCrMo4V) 32

Slika 5.63 Tribikorozija na mjestudosjeda na povrini nalijeganja leajnekouljice osovine bubnja prijenosne vrpceod elika C45N 32

Slika 5.64 Tribokorozija na mjestudosjeda na elinom prstenu s izraenooznaenim smjerom gibanja, terasasto

oblikovani slojevi troenja 32

Slika 5.65 Podruja brazdi nastalatribokorozijom (grebenast oblik) na povrininalijeganja leajnog prstena (nelegirani elik)32


77/180

77

5.5 Abrazijsko troenje

Abrazijsko troenje je istiskivanje materijala izazvano tvrdim esticama ili tvrdimizboinama, 2. Karakteristika ove vrste troenja je prisutnost tvrdih abrazivnih esticauglavnom mineralnog podrijetla, pa se ponekad naziva i mineralno troenje. Shema

tribosustava abrazijskog troenja prikazana je na slici5.66.

Slika 5.66Shema tribosustava abrazijskog troenja[4]; gdje je: (1) - funkcionalni dio, (2) -funkcionalni dio, (3) - meusredstvo (mazivo),(a)abraziv, Fsila, N, vbrzina, m/s.

Relativno gibanje se moe opisati kao klizanje. Stupanj opasnosti od pojedinih mehanizmatroenja:

abrazijajako visoki, umor povrine niski, tribokorozijanajnii.

Mogue promjene iznosa troenja tijekom abrazijskog troenja prikazane su na slici 5.67.

Slika 5.67 - Procesi troenja abrazijskih tribosustava [4]

Krivulja 1normalni process troenja mehanizmom tribokorozije i selektivne abrazijeKrivulja 2abrazija intenzivnija nego se predvialo pri projektiranju trajnostiKrivulja 3prerano probijanje zatitnog sloja

Triboloke mjere za izbjegavanje krivulja 2 i 3 eliminacija abraziva iz tribosustava (ako je to mogue) izbor odgovarajueg materijala odnosno primjena postupka zatite povrine

Primjeri abrazijskog troenja su: radni dijelovi poljoprivredne, graevinske i rudarskemehanizacije, stapne muljne pumpe, alati za obradbu odvajanjem estica.


78/180

78

5.5.1 Izbor materijala otpornih na abrazijsko troenje

Upute za izbor materijala za dijelove izloene abraziji dane su u tablici 5.3.Pri izboru materijala, odnosno zatitnog sloja svakako treba uzeti u obzir tvrdou

abraziva jer je pokazatelj otpornosti na abrazijsko troenje je udio i tvrdoa tvre faze. Budui

da su materijali s visokim udjelom tvrdih faza uglavnom krhki, zahtjevi za ilavost (rad uzudarce) i tehnologinost (rezljivost) su u suprotnosti zahtjevu za otpornost na abrazijskotroenje. To seproturjeje esto prevladava primjenom postupaka zatite povrine od troenja.U sluaju abrazijskog troenja prikladni su boriranje, vanadiranje i navarivanje.Upute za izbor dodatnih materijala za navarivanje dane su u tablici 5.4.

Tablica 5.3 - Upute za izbor materijala u uvjetima abrazije, 4

Radni uvjeti Zahtijevana svojstva Materijal

- visoka naprezanja

- udarci

- visoka ilavost- otvrdnjavanje hladnom

deformacijom

- austenitni manganski elik- guma

- niska naprezanja

- klizanje

1. Visoka tvrdoa2. ilavost manje vana3. Brza izmjena dijelova

- kaljeni ili drugaije otvrdnutimetalni materijali

- navareni slojevi

- keramika

1. Niska cijena osnovnog

materijala

Trajanje izmjene manje vano

- keramika

- kamene ploice- beton

1. Najvea otpornost na

troenje2. Cijena nevana

- volframov karbid (tvrdi

metal)

- visoka naprezanja

- jaki udarci

- visoka ilavost - lijevovi i elici- zavareni slojevi

- vlaga i korozija - otpornost na koroziju - korozijski postojani elici- keramika

- guma

- polimeri

- niska naprezanja

- sitne estice- slaba abrazivnost estica

- niski koeficijent trenja - poliuretan

- teflon

- glatke metalne povrine

visoka temperatura - otpornost lomu i toplinskimokovima

- opa otpornost pri povienimtemperaturama

- ljevovi i elici legiranikromom

- neke keramike

- minimalno trajanje zastoja - laka izmjena - bilo koji materijal koji se

lako privrava ili nanosi- zakrivljene i nepravilne

povrine i oblici- bilo koje ili kombinacije

gornjih svojstava

- navareni slojevi

- materijali koji se nanose

lopaticom

-jako teki rad pri visokimtemperaturama

- navareni slojevi


79/180

79

Tablica 5.4 - Podjela legura dodatnih materijala za tvrdo navarivanje prema uporabi, 54

VRSTE

LEGURA

OSNOVNA

UPORABA

OPIS SVOJSTVA PRIMJERI UPORABE

Metal/metal Perlitni elici ) vrsti,jeftini vratila, osovine, valjci,lananici, spojnice,lamele, zupanici

Udarci: jaki ) Austenitni Mn elici ilavi,otvrdnjavanjedeformacijom

eljusti drobilica, valjci,obloge mlinova skuglama

Austenitni korozijski

postojani elici3)ilavi tramvajske tranice,

skretnice, leaji prisrednjim temperaturama

VISOKA

NAPREZANJA1)

slabi Niskougljinimartenzitni elici

vrsti dijelovi spojki, krianjatranica i skretnice

ELICI SREDNJETEMPERATURE2)

Rezne otrice Alatni elici vrsti, sekundarnootvrdnjavanje

alati, noevi, kare,otrice

Martenzitni kemijski

postojani elicitvrdi, otporni na

koroziju, pri visokoj

temperaturi

igovi, matrice, alati zaplastinu

Documents

Tribologija - skripta