(Ústav technologie) - Hodnocení přilnavosti a Tribologická anlýza

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
FAKULTA STROJNÍ
Ústav strojírenské technologie
TECHNOLOGICKÉ POSTUPY
1.
2.
Hodnocení přilnavosti odtrhem (ČSN EN ISO 4624)
Tribologická analýza – Tribometr TOP 3
ČVUT v Praze
Fakulta strojní
Technologická návodka
Povrchové úpravy
2011/2012
1. Hodnocení přilnavosti odtrhem (ČSN EN ISO 4624)
Na (Obr. 1) je schematicky znázorněn počet vrstev aplikovaných na ocelový podklad.
Technologický postup:
1) Na zaschlý povrch nátěru se pomocí vhodného lepidla (dvousložkové epoxidové) nalepí
zkušební terč.
2) Před nalepením je nezbytné povrch lehce přebrousit smirkovým papírem pro zajištení
drsnosti povrchu pro lepší zakotvení lepidla.
3) Po zaschnutí lepidla je nutné okolí zkušebního terče ofrézovat až na podkladový kov.
4) Na připravený terč je možné instalovat zkušební zařízení.
5) Po odtržení (speciálním odtrhávacím zarízením) muže dojít buď k lomu koheznímu nebo
adheznímu.
6) Adhezní lom nastává, dojde-li k oddělení mezi jednotlivými vrstvami (např. adhezní lom
B/C – adhezní lom mezi 1. vrstvou a 2. vrstvou).
7) Kohezní lom nastává pouze v jediné vrstvě (např. kohezní lom B – jedná se o lom pouze v
první vrstvě – základní vrstvě nátěru).
Obr. 1 Schéma odtrhové zkoušky dle ČSN EN ISO 4624.
Příklad hodnocení provedeného odtrhu:
O3Č = 0,87 MPa
(50% kohezní lom B, 25% adhezní lom B/C, 25% kohezní lom C )
2
ČVUT v Praze
Fakulta strojní
Technologická návodka
Povrchové úpravy
2011/2012
2. Tribologická analýza – Tribometr TOP 3
Tribometr TOP 3 (Obr. 2) je zařízení provozované na Ústavu strojírenské technologie (Ú12133)
Fakulty strojní ČVUT v Praze. Mezi funkčními dvojicemi dochází k translačně oscilačnímu pohybu
(TOP). Tento tribometr je určen především pro měření adhezivního tření a opotřebení materiálů
nebo povrchových vrstev funkčních dvojic.
Obr. 2 Tribometr TOP 3 – skladba zařízení
Princip :
Translačně oscilační pohyb je odvozen od elektromotoru se šnekovou převodovkou a klikového
mechanismu (jedná se tedy o nerovnoměrně zrychlený pohyb). Frekvenční měnič zde slouží pro
nastavení otáček, resp. počtu cyklů, které budou vykonány během jedné minuty.
Třecí kontakt může být konformní („plocha-plocha“) nebo nekonformní („plocha-koule“).
Normálové zatížení je vyvíjeno pákovým mechanismem paralelogramu. Velikost normálového
zatížení lze libovolně měnit v rozsahu 0 – 250N. Pohyblivý člen zde reprezentuje deska upnutá ve
valivě uloženém vozíku. Zkušební tableta (kulička) je přitlačována definovanou silou na zkušební
desku, která osciluje stanovenou rychlostí. Průměrná rychlost vratného pohybu nabývá hodnoty až
0,192 m.s-1.
Princip snímání třecí síly:
Na Obr. 3 vpravo je zobrazena skladba ramene paralelogramu a uspořádání funkční dvojice
v zařízení tribometru TOP 3. Na Obr. 3 vlevo je zobrazen průběh třecí síly a koeficientu tření
(1 cyklus) v závislosti na čase.
Pro zjišťování velikosti třecí síly slouží piezokrystalický snímač Kistler 9251, který je umístěn
v zatěžovacím sloupku (Obr. 3). Třecí síla, která vzniká od normálového zatížení ve funkční dvojici,
je přenášena na tento piezoelektrický prvek a v závislosti na velikosti jeho deformace dochází ke
generování elektrického náboje (řádově v jednotkách [pC]). Tento elektrický signál je veden
pomocí koaxiálního kabelu do vyhodnocovací jednotky Kistler 5015. V jednotce dochází dle
kalibrační křivky k převádění elektrického signálu na sílu v jednotkách [N].
3
ČVUT v Praze
Fakulta strojní
Technologická návodka
Průběh µ [-]
Třecí síla [N]
Koef. tření [-]
Průběh FT
Povrchové úpravy
2011/2012
čas [s]
čas [s]
1 Paralelogram; 2 PES Kistler 9251;
4 Deska
3 Tableta;
Obr. 3 Vlevo: primární signál třecí síly a výsledný průběh koeficientu tření. Vpravo: sestava ramene
paralelogramu.
2.1. Způsob vyhodnocení naměřených dat
Hodnoty třecí síly detekované snímačem 9251 jsou v režimu on-line přenášeny z vyhodnocovací
jednotky (převodníku Kistler) přes sériový kabel RS 232 do počítače. Pomocí programu Charge
Meter 5015A jsou data zaznamenávána do grafu (velikost třecí síly a počet detekovaných dat)
viz Obr. 4.
Naměřená data jsou ukládána jako textový soubor a každé jedno měření pak reprezentuje jednu
proměřenou stopu. Data každé stopy jsou následně vyhodnocena v prostředí programu Matlab
(Obr. 5). Tento program byl sestaven speciálně pro účely stanovení činitele tření z dat získaných
tribometrem TOP 3.
Obr. 4 Záznamový software Charge Meter 5015A, průběh třecí síly a počet detekovaných dat.
4
ČVUT v Praze
Fakulta strojní
Technologická návodka
Povrchové úpravy
2011/2012
Obr. 5 Praktická ukázka stanovení koeficientu tření v prostředí Matlab.
2.2. Zkušební vzorky
Zkušební vzorky mohou být vyrobeny např. z dostupné konstrukční oceli 11375 (S235JR). Vzorky
mohou být testovány jak bez povlaku, tak i s různými kombinacemi povlaků. Materiál a povrch
zkušebních vzorků musí se musí být maximálně shodný s reálně exponovanou funkční dvojicí.
Zkušební vzorek deska
Na Obr. 6 je zobrazena zkušební deska s rozměry 135 x 50 x 8 mm s průměrnou drsností
Ra = 0,2µm.
Obr. 6 Skica desky - vlevo, skica tablety - vpravo.
Zkušební vzorek tableta
Na Obr. 6 je zobrazena zkušební tableta o průměru d = 20 h11 mm, výšky 8 mm. Zkosení hran
0,5x45°.
5
ČVUT v Praze
Fakulta strojní
Technologická návodka
Povrchové úpravy
2011/2012
Obr. 7 Zkušební vzorky. Na levé straně deska Zn-PTFE, napravo tablety (horní ZnPTFE, dolní bez
povrchové úpravy).
2.3. Metodika tribologické analýzy – unifikace podmínek měření
Předtím, než jsou zkušební vzorky podrobeny samotnému tribologickému testu, je nezbytné
provést tyto doprovodné úkony:
Měření drsnosti:
Hodnota drsnosti Ra je měřena na „čistých“ vzorcích před nanesením povlaků a následně po
vytvoření funkční vrstvy. Změna hodnoty drsnosti má na průběh tribologického testu velký vliv a
značně ovlivňuje výsledný činitel tření. Proto je nezbytné veškeré zkušební vzorky předupravit na
stejném brousícím zařízení, stejným brousícím kotoučem pro dosažení opakovatelné hodnoty
drsnosti Ra.
Výsledkem měření drsnosti je porovnání hodnoty drsnosti před pokovením a po pokovení.
Obr. 8 Drsnoměr Mitutoyo SJ 301.
Měření hmotnosti:
Před samotným tribologickým testem je nutné zvážit zkušební vzorky (tablety) s přesností 0,01 mg,
k čemuž slouží analytické váhy (Obr. 9). Další vážení následuje až po vytvoření otěrové stopy na
vzorku. Rozdílem hodnot je hmotnostní úbytek povlaku při určitém koeficientu smykového tření.
6
ČVUT v Praze
Fakulta strojní
Technologická návodka
Povrchové úpravy
2011/2012
Obr. 9 Analytické vážky Mettler H64 a Ohaus Explorer Pro EP413.
Měření tloušťky povlaku:
Měření tloušťky povlaku je prováděno pomocí tloušťkoměru Elcometer 456 (Obr. 10). Tloušťka
povlaku má rozhodující vliv hlavně na trvanlivost funkční dvojice při tribologickém testu.
Obr. 10 Digitální tloušťkoměr Elcometer 456 .
Porovnání úbytků hmotnosti
(tableta) ZnPTFE - ZnPTFE
2,0
µ DYN [-]
Úbytek hmotnosti [mg]
Příklad nastavení parametrů tribologického testu:
 FN = 9,81N (m = 1,00kg)
 Suché tření,
 Plocha styku: deska - tableta,
 Teplota měření 20°C,
 Doba testu - 1. úsek 3 minuty
 Doba testu pro hmotnostní úbytky – opakovaně 2 min
 Počet cyklů za minutu – 35,
 1 cyklus = dráha 190mm,
 Vzorkovací frekvence 250Hz,
 Kalibrační křivka (lineární): 1N = 6,934pC
1,5
Vývoj koeficientu tření v čase
ZnPTFE - ZnPTFE
0,5
0,4
0,3
1,0
0,2
0,5
0,1
0,0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26
0
-0,5
7a-V3
2
7b-V3
6e-V3
6a-V1
6d-V1
6a-V2
6d-V2
7a-V3
4
7b-V3
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26
6e-V3
6a-V1
Obr. 11 Příklad: Finální porovnání testovaných vzorků.
7
6d-V1
6a-V2
6d-V2