P. Wanke, W. Waligóra

PROBLEMY NIEKONWENCJONALNYCH UKŁADÓW ŁOŻYSKOWYCH
Łódź, 12 – 14 maja 1999 r.
POWRÓT
Piotr Wanke
Akademia Rolnicza w Szczecinie
Włodzimierz Waligóra
Politechnika Poznańska
KONSTYTUOWANIE NIEKONWENCJONALNYCH WARSTW
WIERZCHNICH Z WYKORZYSTANIEM TARCIA
SŁOWA KLUCZOWE:
warstwa wierzchnia, tarcie, zużycie, docieranie adaptacyjne, środowisko tarcia, chemisorpcja
STRESZCZENIE
Artykuł dotyczy nowej metody obróbki powierzchniowej części wymiennych maszyn i pojazdów
rolniczych. W opracowaniu zawarto przegląd wiedzy o procesach tarcia, zużycia i smarowania
w ślizgowych węzłach tarcia, pracujących w styku skoncentrowanym i rozłożonym. Głównym celem prze-prowadzonych badań było przygotowanie warstwy wierzchniej elementów węzłów krytycznych - naj-bardziej narażonych na procesy zużyciowe - do pracy w trudnych warunkach okresu docierania. Badano także możliwość zmodyfikowania obróbki powierzchniowej części maszyn
wykonanych ze stali w celu ich lepszego przystosowania do zmiennych warunków eksploatacji w
okresach adaptacyjnych.
WPROWADZENIE
Problem wykorzystania tarcia ślizgowego do obróbki węzłów tarcia w celu ograniczenia skutków docierania adaptacyjnego jest związany z potrzebami obserwowanymi w praktyce eksploatacyjnej w rolnictwie. Praca maszyn i pojazdów przebiega w warunkach zwiększania wartości obciążeń i względnych prędkości ruchu w skojarzeniach kinematycznych. Wynika to ze wzrostu plonów, skracania terminów agrotechnicznych, stosowania jednofazowych
technologii wykorzystujących złożone agregaty do zbioru i uprawy oraz specyfiki pracy
z długotrwałymi przerwami. W rzeczywistości dochodzi do efektu tzw. ustawicznego docierania węzłów tarcia z dominującymi formami zużycia adhezyjnego i ściernego [1]. Mimo
postępu konstrukcyjnego i technologicznego zagadnienia konstytuowania warstw wierzchnich
o zwiększonej odporności na zacieranie oraz uzyskiwania chropowatości ustabilizowanej pozostają nadal nierozstrzygnięte.
131
SFORMUŁOWANIE PROBLEMU BADAWCZEGO
W maszynach i pojazdach użytkowanych w rolnictwie szczególne znaczenie mają
węzły kinematyczne z jednoimiennych materiałów stalowych (przeguby homokinetyczne,
połączenia wielowypustowe i wielokarbowe, złożenia igiełkowe, koła zębate, węzły typu
pierścień-tuleja, krzywka-popychacz, tuleja-sworzeń itp.). Obserwowane efekty wzrostu
chropowatości powierzchni roboczych oraz wzrostu temperatury oleju w czasie docierania
świadczą o intensywnym zużywaniu węzłów tarcia.
W przeprowadzonych badaniach podjęto próbę wykorzystania efektów pracy tarcia
w strefie kontaktu powierzchni roboczych elementów współpracujących lub styku przedmiotu
i narzędzia w celu ograniczenia skutków docierania adaptacyjnego. Przyjęto założenie, że
ograniczając obciążenie do niezbędnego minimum oraz utrzymując prędkość względną ruchu
vśl w ustalonym doświadczalnie zakresie, można będzie wykorzystać pracę tarcia do zainicjowania reakcji chemicznej stali z podaną do strefy styku substancją (np. w postaci mieszaniny proszków, płynu technologicznego, chłodziwa). Najkorzystniejsze byłoby zastosowanie
substancji egzotermicznie reagującej z żelazem, gdyż stwarzałoby to sytuację podtrzymywania przebiegu reakcji przy minimalnych oddziaływaniach mechanicznych nie powodujących
zacierania.
Na podstawie analizy piśmiennictwa i prób wstępnych ustalono, że podstawowym
składnikiem środowiska obróbczego podawanego do strefy styku tarciowego będzie siarka.
Wybór ten wynikał z kilku względów.
1. W badaniach nad efektami katalitycznymi na powierzchniach metali stwierdza się szczególnie istotną rolę siarki i jej wielkocząsteczkowych kompleksów jako inicjatora strukturalnych reakcji powierzchniowych.
2. Możliwości uzyskania zwiększonej obciążalności warstewek siarczkowych w porównaniu
do warstewek tlenkowych w procesach zużyciowych, co jest szczególnie ważną właściwością warstwy wierzchniej w okresach docierania adaptacyjnego w procesach wytwórczych
i naprawczych.
3. Eliminacji niekorzystnego oddziaływania korozyjnego przy ograniczeniu zawartości siarki
poniżej 2% atomowych w warstwie wierzchniej.
WYBÓR UKŁADU NARZĘDZIA I USTALENIE PARAMETRÓW OBRÓBKI
Na podstawie analizy modelowej do badań wytypowano warianty układów kinematycznych obróbki przedstawione schematycznie na rys. 1 a,b,c [2, 5]. Układ ze skoncentrowanym stykiem czaszy z czopem stalowym (rys. 1b) wykorzystywano do wstępnych badań porównawczych zmian właściwości przeciwzatarciowych i przeciwzużyciowych próbek po obróbce tarciowej. Takie zastosowanie punktowego wariantu styku było uzasadnione możliwością występowania szczególnie agresywnych form oddziaływań mechanicznych i cieplnych
powodujących odkształcenia plastyczne warstwy wierzchniej oraz sczepianie adhezyjne
I rodzaju przy tarciu mieszanym w środowisku substancji smarnej bez dodatków typu HP.
a)
b)
c)
Rys. 1. Modele kinematyczne
obróbki tarciowej wytypowane do weryfikacji w badaniach: a) płytka - czop,
b) czasza - czop,
c) układ pryzmowy z zamkniętym wielobokiem sił
132
Jako pierwszy wariant obróbkowy oceniano układ pryzmowy z zamkniętym wielobokiem sił
(rys. 1c), dążąc do utrzymania ciągłości strumienia cieplnego w procesie modyfikacji powierzchni oraz zminimalizowania składowej mechanicznej procesu tarcia. Jednak już na etapie badań testowych zrezygnowano z wykorzystania tego rozwiązania ze względu na niewystarczającą powtarzalność uzyskiwanych wyników.
Badania wstępne kontynuowano, zmieniając wariant kinematyczny układu obróbkowego (rys. 1a) na skoncentrowany styk płytki z tytanowo-wolframowych węglików spiekanych z pierścieniem wykonanym ze stali 45 (Φzew = 40 ⋅ 10-3 m, Φwew = 16 ⋅ 10-3 m, l = 10 ⋅
10-3 m), harto-wanym (42 ±3 HRC) i szlifowanym (Ra = 0,63 ⋅ 10-6 m). Przed przystąpieniem
do obróbki zarówno próbki jak i powierzchnie robocze narzędzia dokładnie myto i odtłuszczano w benzynie ekstrakcyjnej. Podobnie postępowano po zakończeniu procesu modyfikacji,
a następnie wykonywano pomiary mikronierówności powierzchni na profilografie laserowym
Perthometer S8P1. Rodzaj środowiska tarcia (z dominującą zawartością sproszkowanej siarki)
oraz zakres wartości parametrów wymuszeń podyktowany względami technologicznymi obróbki (obciążenie F = 20÷100 N, prędkość obrotowa n = 180÷450 obr ⋅ min-1) przyjęto doświadczalnie na podstawie przeprowadzonych badań testowych. Zadowalającą powtarzalność
efektów obróbki w postaci wygładzenia powierzchni próbek osiągnięto przy wartościach obciążenia F = 20÷80 N, prędkości obrotowych n1 = 180 obr ⋅ min-1 (vśl = 0,36 m ⋅ s-1) i n2 = 450
obr ⋅ min-1 (vśl = 0,91 m ⋅ s-1), posuwu p = (0,10÷0,11) ⋅ 10-3 m ⋅ obr-1. Przyjęto więc, iż badania tribologiczne będą prowadzone na próbkach modyfikowanych tarciowo jedynie w wybranych zakresach wartości zapewniających minimalny - możliwy do osiągnięcia w danych warunkach - rozrzut wyników pomiarów mikronierówności powierzchni.
Badania zmian odporności na zacieranie oraz szacunkowych wartości zużycia wykonywano z wykorzystaniem układu narzędzia używanego w procesie obróbki. Posłużono się
przy tym metodyką przedstawioną w pracy [4].
Po realizacji obróbek tarciowych i testów zużyciowych, dla jednej z próbek przeprowadzono analizę składu chemicznego metodą spektroskopii elektronów Augera. Analizy te
wykonywano w coraz bardziej oddalonych punktach od powierzchni tarcia po usunięciu kolejnych warstewek materiału poprzez trawienie jonami argonu. Celem tych badań było
sprawdzenie czy siarka występująca w obszarze tarcia jest wprowadzona w materiał próbki
oraz czy ukonstytuowane tarciowo struktury wtórne utrzymują się w warstwie wierzchniej
stali mimo ubytku materiału wskutek zużywania.
OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ
Na podstawie przeprowadzonych badań odporności na zacieranie stwierdzono, że stosując specjalną operację obróbki powierzchni w skoncentrowanym styku liniowym typu ślizgowego, w otoczeniu z dominującą zawartością sproszkowanej siarki, można uzyskać
zwiększenie o około 50÷100% obciążenia zacierania Fz w porównaniu z próbkami tylko po
szlifowaniu. Wartość Fz zwiększa się proporcjonalnie ze wzrostem obciążenia F narzędzia na
obrabianą powierzchnię i prędkości obrotowej n próbki. Największą odporność na zacieranie
osiągnięto dla próbek obrabianych z następującymi parametrami technologicznymi wymuszeń: n = 450 obr ⋅ min-1 (vśl = = 0,91 m ⋅ s-1), F = 50 N, p = 0,11 ⋅ 10-3 m ⋅ obr-1. Wynikało to
prawdopodobnie z faktu, że zwiększona wartość wymuszeń mechanicznych w czasie obróbki,
intensyfikowała procesy egzoenergetyczne w obszarze styku tarciowego i w konsekwencji
powodowała głębsze przereagowanie chemiczne warstwy wierzchniej. Większa wartość energii pobudzenia atomów żelaza mogła także wpływać na zmianę jego stopnia utlenienia
133
i utworzenie na powierzchni bardziej stabilnych, pasywnych struktur wtórnych II rodzaju. Jest
to jednak przypuszczenie hipotetyczne, które wymaga przeprowadzenia specjalistycznych
analiz chemicznych.
Wyniki analiz metodą spektroskopii elektronów Augera przedstawiono na rys. 2. Obrazuje on zmianę zawartości siarki, żelaza i węgla w głąb próbki poddanej obróbce tarciowej.
Miarą zawartości pierwiastków jest wysokość pików ( tzn. wartość peak to peak , lub krócej
„p - p”) odpowiadających poszczególnym pierwiastkom na widmie różniczkowym elektronów Augera.
Rys. 2. Zmiany zawartości węgla , żelaza i siarki w głąb strefy przypowierzchniowej próbki po
obróbce tarciowej wyznaczone metodą spektroskopii elektronów Augera.
Można co prawda na podstawie tych wartości obliczyć stężenia (w procentach atomowych) analizowanych pierwiastków ale uzyskane wyniki obarczone są na ogół znacznym błędem [6]. Błąd ten wynika z faktu, że we wzorze określającym stężenia poszczególnych pierwiastków występuje dla każdego z nich tzw. „względna czułość zajścia procesu Augera” .
Natomiast wartość tej wielkości dla poszczególnych pierwiastków zmienia się wraz ze zmianą
składu chemicznego. W konsekwencji dla prowadzenia precyzyjnej ilościowej analizy składu
chemicznego tą metodą koniecznym jest posiadanie odpowiednich wzorców o znanym składzie chemicznym.
Na rys.2 na osi rzędnych przedstawiono czas trawienia próbki jonami argonu. Przy
przyjętych warunkach tego trawienia (strumień jonów i jego prędkość) jego szybkość dla stali
wynosi ok. 2 ⋅10-11 m⋅s-1. Zakładając, że ta sama szybkość trawienia występuje dla analizowanego materiału należy stwierdzić, że do głębokości ok. 1⋅ 10-6 m od powierzchni próbki
stężenie węgla spada, a stężenie żelaza rośnie. Poniżej tej głębokości stężenia obu pierwiastków nie ulegają zmianie. Taki charakter przebiegu zmian tych pierwiastków jest typowy dla
elementów stalowych [6]. Natomiast stężenie siarki w głąb analizowanej próbki wykazuje
występowanie maksimum na głębokości ok. 2,4 ⋅ 10-7 m po czym wolno spada. Po zakończeniu usuwania materiału z analizowanej próbki (1200 min trawienia jonami argonu) czyli na
głębokości ok. 1,44 ⋅ 10-6 m stężenie siarki było tylko o około połowę mniejsze niż w punkcie
134
gdzie osiągało maksimum. Taki charakter zmian stężenia siarki w głąb próbki po obróbce
tarciowej wskazuje na ukonstytuowanie się w czasie obróbki tarciowej siarczkowych warstewek przypowierzchniowych. Zawartość znacznych ilości siarki na głębokości 2-krotnie przekraczającej wysokość chropowatości Rz może świadczyć o tym, że zainicjowano i przeprowadzono reakcję chemiczną z żelazem, która zdeterminowała zmiany jakościowe warstewki
podpowierzchniowej. Ze względu na znikomą rozpuszczalność siarki w żelazie
(0,0012÷0,07%), w całym zakresie temperatur oraz wartość współczynnika dyfuzji rzędu
10 14 m2⋅s-1 [3], należy wykluczyć proces dyfuzji jako istotny przy wzroście warstewki nasiarczanej. Bardziej prawdopodobne jest wiązanie na powierzchni metalu atomów węgla z CO2
znajdującego się w powietrzu otaczającym obszar styku oraz występowanie dyfuzji węgla
z głębi materiału przez warstewkę FeS. Uzasadnione jest więc przypuszczenie, że w wyniku
obróbki uzyskuje się efekt ekranowania warstewki FeS atomami węgla. Występowanie tego
zjawiska wyjaśniałoby także stwierdzone w badaniach spektroskopowych utrzymywanie się
w miarę stabilnej zawartości procentowej siarki w strefach przypowierzchniowych mimo postępującego zużycia.
Na podstawie wyników badań stwierdzono ponadto, że obróbka w warunkach tarcia
ślizgowego przy skoncentrowanym styku liniowym, w środowisku z dominującą zawartością
sproszkowanej siarki, wpływa na wygładzenie mikronierówności powierzchni. Największą
efektywność w otoczeniu sypkich mieszanin siarkujących, wyrażoną zmniejszeniem wartości
parametru Ra o około 50% oraz uzyskaniem wartości liniowego udziału nośnego profilu chropowatości tp ≈ 50%, osiągnięto przy następujących parametrach obróbki: F = 40÷50 N,
n = 180÷450 obr ⋅ min-1 (vśl = 0,36÷0,91 m ⋅ s-1), p = (0,10÷0,11) ⋅ 10-3 m ⋅ obr-1. Szczególnie
interesujące jest to, że najbardziej korzystny przedział wartości tych parametrów - ze względu
na wygładzenie powierzchni - w pełni pokrywa się z przedziałem, odpowiadającym najkorzystniejszym właściwościom przeciwzatarciowym. Uzyskane wyniki mogą być wytłumaczone wzrastającą wartością strumienia cieplnego, który przy zwiększonych oddziaływaniach
mechanicznych powoduje zintensyfikowanie reakcji chemicznej, szczególnie na wierzchołkach nierówności powierzchni. Na skutek przereagowania żelaza z siarką w ich obszarze,
następuje przebudowa strukturalna stref przypowierzchniowych. Utworzone warstewki
siarczkowe, o budowie heksagonalnej płaskocentry-cznej, mogą być łatwo usunięte w kolejnych przejściach wygładzających narzędzia. Cały proces powoduje wygładzenie ostrych występów nierówności i zwiększeniem nośnego udziału liniowego profilu chropowatości.
Na powierzchni metalu powstaje struktura typu plateau, charakteryzująca się zwiększonym
polem styku rzeczywistego, z zagłębieniami pełniącymi funkcję kieszeni smarowych.
Wyniki badań spektroskopowych wskazują, że specyfikę ukonstytuowanych tarciowo
warstewek siarczkowych można prawdopodobnie wykorzystać do zainicjowania chemisorpcji, powodującej tworzenie - podczas rzeczywistej współpracy modyfikowanych powierzchni
w otoczeniu środka smarnego - trwałych, wielkocząsteczkowych warstewek granicznych
o charakterze metaloorganicznym. Zmieniałyby one warunki tarcia w skojarzeniu, zabezpieczając je przed najbardziej niebezpiecznymi formami zużycia adhezyjnego i ściernego.
PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Wzrastające wymagania stawiane maszynom rolniczym oraz pojazdom stosowanym
w rolnictwie, dotyczące przede wszystkim niezawodności, wpływają na konieczność szczegółowego analizowania zakłóceń w pracy krytycznych węzłów tarcia poddawanych częstym
interwencjom naprawczym. Szczególnie istotne jest poznanie tych faz procesu użytkowania
maszyn, w których tarcie i zużycie w węzłach krytycznych ulega intensyfikacji. Bardzo ważnym zagadnieniem jest dopracowanie elementów tych węzłów - pod względem materiałowym
135
i obróbczym - w celu przygotowania ich do pracy w trudnych warunkach fazy docierania (adaptacji do pracy po demontażu węzła, po gwałtownej zmianie wymuszeń lub pod długotrwałym postoju). Jednym z istotnych kierunków badań jest dostosowanie metod obróbki powierzchniowej do uzyskania w tradycyjnych układach materiałowych, udoskonalonej struktury stref przypowierzchniowych.
W przedstawionym opracowaniu analizowano możliwość zmodyfikowania obróbki elementów stalowych w celu ich lepszego dostosowania do trudnych warunków współpracy
w okresach adaptacyjnych. Na podstawie uzyskanych wyników sformułowano wnioski, kierunkujące dalsze badania i wyznaczające obszary zastosowań uzyskanych rezultatów.
1. Wprowadzenie operacji obróbkowej, w której powierzchnie stalowe po szlifowaniu są poddane sterowanemu procesowi tarcia ślizgowego w otoczeniu sypkich mieszanin zawierających siarkę wpływa istotnie na cechy przeciwzatarciowe, ograniczając tarcie i zużycie oraz
ułatwiając uzyskanie równowagowej chropowatości powierzchni roboczej w czasie krótkotrwałego docierania.
2. Ustalony na podstawie badań korzystny zakres parametrów proponowanej obróbki tarciowej czopów narzędziem w postaci płytki z węglików spiekanych, w środowisku sypkich
mieszanin z dominującą zawartością siarki, zawiera się w przedziałach: F = 40÷50 N, vśl =
0,4÷0,9 m⋅s -1, p = (0,10÷0,11) ⋅ 10-3 m ⋅ obr-1, a uzyskiwana chropowatość powierzchni
stabilizuje się poniżej
Ra = 0,2 ⋅ 10-6 m i Rz = 1,5 ⋅ 10-6 m, co odpowiada oczekiwanym
wartościom równowagowym.
3. Na podstawie wykonanych badań uzyskano przesłanki do wielowariantowego dopracowywania procesów technologicznych obróbki, szczególnie procesów naprawczych. Można
w nich wykorzystać: operacje jednostkowe obróbki specjalnym narzędziem, okres wstępnej
współpracy przy ustalonych parametrach wymuszeń treningowych zespołu lub węzła oraz
zastosowanie zmodyfikowanego czynnika smarnego na dłuższy okres współpracy (np. docieranie, długotrwałe badania porównawcze trwałości zespołów itp.). Dobór wariantu modyfikacji zależy od tego, czy część stalowa współpracuje z materiałem łożyskowym, czy
też w złożeniu materiałów jednoimiennych z dominującą zawartością żelaza.
LITERATURA
1. Dreszczyk E., Wanke P., Wojdak J.: Umacnianie powierzchni roboczych węzłów kinematycznych ze szczególnym uwzględnieniem fazy docierania. Inżynieria Powierzchni, 4/96,
s. 47-53
2. Dreszczyk E., Nosal S.: O możliwości podwyższenia trwałości węzłów ślizgowych
w procesie naprawy. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z. 3(95) 1993, s. 323-339
3. Józefowicz E.: Chemia nieorganiczna. PWN, Warszawa 1980.
4. Nosal S.: Metoda i przyrząd do testowania właściwości tribologicznych powłok regeneracyjnych. Materiały z Konferencji „Regeneracja ’89”, Wydawnictwo ATR w Bydgoszczy,
Bydgoszcz 1989.
5. Wanke P.: Badanie wpływu obróbki tarciowej na właściwości warstwy wierzchniej wybranych elementów węzłów krytycznych. Rozprawa doktorska, Szczecin - Bydgoszcz
1998.
6. Waligóra W., Kolar D.: Zastosowanie spektroskopii elektronów Augera do badań właściwości sorpcyjnych stali łożyskowych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, z.1 (73), 1988.
136
THE CREATION OF UNCONVENTIONAL SURFACE LAYERS WITH
THE USE OF FRICTION
ABSTRACT
The paper concerns a new method of surface machining of spare parts of machines and
agricultural vehicles. The authors review the state of knowledge of friction, wearing and lubricating processes in sliding friction pairs working both in a concentrated and in a distributed
contact. The investigation was aimed mainly at preparing the surface layer of elements in critical joints,which are most at risk from wearing processes, - to work in hard conditions of
a running-in period. The author also investigates the possibility of modifying the surface treatment of steel machine parts in order to adjust them to changing working conditions in adaption periods.
Recenzent: Mieczysław Korzyński
137