De tribologiska problemtyper man ställs inför kan oftast hänföras till nötnings- och/eller friktionsproblem i en eller annan form. Det kan t ex vara frågan om tillräcklig livslängd, små energiförluster, låga vibrationer och oljud eller helt enkelt att funktionen kräver vissa friktionsegenskaper för att fungera på ett tillfredsställande sätt. Lämpliga åtgärder baseras på vilket kontaktfall som råder och vilka nötningsmekanismer som är verksamma i kontakten.

Terminologi och definitioner

Man brukar dela in kontaktfallen i:

Glidande kontakt. Relativrörelsen mellan ytorna ligger i ytornas gemensamma tangentplan. Exempel: Glidlager, gejder, gångjärn.

Rullande kontakt. Relativrörelsen sker i ytornas gemensamma normalriktning. Rullningslager, pivotlager, hjul.

Abrasiv kontakt. Glidning mellan friktionsmaterial och motmaterial med syftet att skapa stort friktionsmotstånd. Exempel: Skivbroms, sliptrissa, tändsticka.

Beroende på eventuell tillsats av smörjmedel kan dessa kontaktyper vara smorda, osmorda eller ha gränsskiktssmörjning. Vid full hydrodynamisk eller hydrostatisk smörjning separerar smörjfilmen delarna helt, medan övriga nivåer av smörjning ger upphov till någon form av direkt kontakt mellan delarna. Förslitningshastigheten är mycket starkt beroende av graden av smörjning, vilket illustreras i denna bild. Notera också de mycket stora spridningarna för likartade smörjförhållanden - upp till fyra dekader. Denna spridning indikerar svårigheten att uttala sig i kvantitativa termer när det gäller tribologiska fenomen.

 

nötningskoefficient hydrodynamisk smord rullkontakt gränsskikt fast smörjmedel osmort

Förslitningshastighet vid olika smörjförhållanden. Bearbetning av [Jacobson, Hogmark, 96].

Kontaktytorna mellan delarna är ofta högt påkända och förslits därför med tiden. De vanligaste klasserna förslitningsmekanismer är:

Adhesiv nötning. Den adhesiva kontaktmekanismen kännetecknas av bildandet och avskjuvandet av adhesiva kontaktbryggor (mikrosvetsar).

Man skiljer på adhesiv nötning i hög- och lågläge. Om kontakten är så skonsam så att oxidskiktet klarar av att förhindra metallisk kontakt så har vi nötning i lågläge. Nötningen sker då i oxidskiktet som samtidigt återbildas i samma takt. I annat fall fås metallisk kontakt och nötningen sker i högläge. Nötningshastigheten i högläge är normalt sett betydligt högre än nötning i lågläge.

Abrasiv nötning. Abrasiv nötning uppstår när ett hårdare material repar ett mjukare material. Man skiljer på två- och trekroppars abration. Tvåkroppars abration karakteriseras av att de abrasiva (repande) elementen utgör en fast del av en yta, medan de i trekroppars abration utgörs av lösa partiklar instängda mellan ytorna.

Korrosiv nötning. Korrosiv nötning är benämningen på de nötningsmekanismer där det primärt är det korroderade ytskiktet som förlorar material. När underliggande grundmaterial härigenom friläggs, förnyas den korrosiva attacken varvid det återbildade korrosionsskiktet nöts på nytt, osv.

Kontaktutmattning. Ytutmattning uppstår som små sprickor i godset under kontakten vid hög cyklisk belastning. När dessa växer upp mot ytan lossnar ett flakliknande fragment.

Fretting eller passningsrost. Fretting kallas den nötning av ytor, som uppkommer då dessa vibrerar relativt varandra med låga amplituder (< 0,2 mm).

Val av material och tillverkningsmetoder för tribologiska kontakter

Den potentiella vinsten vid okonventionella val kan vara mycket större än den vinst man kan nå genom att optimera materialvalet inom den traditionella materialtypen - Skillnaden mellan seghärdningsstål härdade till samma hårdhet är ganska liten, jämfört med skillnaden mellan seghärningsstål och kiselnitrid. I många fall måste ett okonventionellt materialval kombineras med en anpassning av den konstruktiva utformningen.

Om man står inför uppgiften att välja material till en ny tribologisk tillämpning kan en lämplig arbetsgång vara:

1. Lär känna de tribologiska- och övriga krav på materialegenskaperna
2. Jämför dessa krav med egenskaperna hos de materialtyper som brukar användas i den tilltänkta eller liknande konstruktioner
3. Fundera på om det finns möjligheter till några okonventionella lösningar. Kan man välja material ur någon annan materialklass? Går det att använda ett tribologiskt sett enklare material som ytbelägges eller ytomvandlas?
4. Välj ut ett litet antal kandidater
5. Undersök dessas tribologiska egenskaper i enkel labprovning (grovsortera alltså med hjälp av snabba och billiga test)
6. Välj ut de mest lovande materialen
7. Gör slutlig utvärdering av prototyper eller förenklade komponenter med bänktest eller fälttest.

Avsikten med detta kapitel är att ge uppslag till och en första bedömningsgrund för att välja en lämplig kombination av material och tillhörande tillverkningsmetod. Med utgångspunkt från konstruktionens funktionskrav avseende kontakttyp, tryck och relativhastighet kan man fastställa vissa grundläggande egenskapskrav för materialet i enlighet med denna bild 3.4.2.

 

kontakttyp glidande lågt tryck högt låg hastighet hög smetande god värmeledning litet deformationshårdnande mjukt fullfilmssmörjning liten värmeutvidgning ytfinhet smältpunkt hårdhet sträckgräns E-modul utmattningshållfasthet smörjning toleranser

Översikt egenskapskrav vid olika tribologiska förhållanden.

Materialegenskaper för god nötningsbeständighet.

I situationer då man befarar nötningsproblem kan tumreglerna för tribologiskt materialval i denna tabell ge viss vägledning för att identifiera önskade materialegenskaper. Det förutsätts då att man är klar över den dominerande nötningsmekanismen.

En betydligt utförligare diskussion av tribologiskt materialval ges i [Jacobson, Hogmark, 96].

Ett materials nötningsbeständighet kan mätas i ett standardiserat prov där en stav av det aktuella materialet under tryck glider mot en roterande slipskiva ("pin-on-disc"). Den bortnötta materialmängden mäts varur den normaliserade förslitningshastigheten, Archard´s konstant, bestäms ur,

Där V är bortnött materialvolym, S är total glidsträcka, A är kontaktarea och P är kontakttryck. Archard´s konstant är givetvis inget generellt mått på nötningsbeständighet, utan relaterar bara till den specifika tribologiska situationen. För torra glidkontakter utgör dock Archard´s konstant ett användbart mått för att t ex rangordna olika material och materialkategorier. Denna bild visar en sådan sammanställning över polymerer, kompositer, metaller och keramer. För varje material anges ett högsta tillåtna tryck, som inte kan överskridas utan att glidytorna skär. Intill denna fås en distinkt ökning av den normaliserade förslitningshastigheten, medan denna hastighet för lägre tryck blir ungefär konstant. Diagrammet gäller för glidningshastigheter under 1 m/s.

För att bedöma möjligheterna att utnyttja polymerer i glidytor, t ex glidskor, glidbanor, kan det s k PV-talet utnyttjas. Detta definieras som tillåtna värden på produkten mellan tryck och hastighet. Om PV-talet överskrids fås snabbt slitage och lagret överhettas och skär. Denna bild har konstruerats utifrån publicerade PV-tal [Guide to selecting engineered materials, 89], och anger typiska driftsområden för några olika materialslag. Mätningarna är gjorda vid relativhastigheten 0,5 m/s och tillämpningen bör inte drastiskt avvika från denna. Motmaterialet i axel eller liknande har också betydelse, bilden avser kolstål, slipat till normala toleranser. Genom att gå in med aktuella värden på relativhastighet och tryck kan de material som har tillräckliga prestanda för vald driftpunkt identifieras.

Några exempel på materialval med tillverkningsaspekter ges för ett antal tribologiska typfall i denna tabell.

 

nötningskoefficient tryck polymerer armerad PTFE termoplaster PA plastkompositer metaller aluminium koppar kolstål rostfritt stål medelhållfast höghållfast nitrerad gjutjärn verktygsstål brons keramer Al2O3 alumina sialon diamant

Översikt nötningmotstånd för olika materialslag. Efter [Ashby, 92].

 

tryck hastighet smörjtillsats armerad polyimid PA66 polyamid nylon polycarbonat PC acetal

Driftsområden för olika polymerer. Avser slipat kolstål som motmaterial.

 

Typ av tribokontakt och dominerande nötningsmekanism	Tribologiska materialkrav	Typiska materialval	Tillverkningsaspekter
Glidande, konform, ofta smord, ofta högt tryck => Adhesiv, tribo-kemisk nötning. Exempel: Glidlager, maskinslider	God värmeledningsförmåga och lågt deformationshårdnande för att undvika adhesivt slitage, låg hårdhet för att utjämna kantpressning, viss kemisk resistans.	Kopparbaslegeringar. Vid hög last: Nitrerat stål, snabbstål, stellit, hårdmetall. Vid låg last: plast	Bärigheten ökar med ökad ytfinhet. Tumregel: Minsta oljefilmstjocklek >5* Ra-värdet på lagerytan. För slider o l skavs eller maskinslipas ofta ytan i mönster för att skapa oljereservoarer.
Glidande, konform, ibland smord => Adhesiv, tribokemisk, abrasiv nötning. Exempel: Plantätning	God värmeledningsförmåga och låg värmeutvidgning motverkar adhesivt slitage. Om abrasiva partiklar finns i omgivningen krävs ett hårt material.	Grafit hårdmetall keram
Intermittent Hertzkontakt, ytterst lite glidning => kontaktutmattning. Exempel: Rullningslager, rullyftare	Extremt låga halter av porer och främmande inneslutningar i materialet ger god utmattningshållfasthet. Hög sträckgräns ger stor lastbärande förmåga, hög E- modul ger lågt rullmotstånd.	Kullagerstål kiselnitridkulor mot stålvingar	Risken för kontaktutmattning minskar med ökad ytfinhet. För högt belastade rullkontakter poleras ytorna med bryne och polerolja.
Intermittent Hertzkontakt, viss glidning => kontaktutmattning. Exempel: Kugghjul	Intermittent belastning kräver goda utmattnings-och seghetsegenskaper. För att överföra stora krafter krävs hög E-modul och hög hårdhet i ett ytskikt som är tillräckligt tjockt för att maximala skjuvspänningen skall uppträda inom skiktet, låg friktion.	Seghärdningsstål, ofta sätthärdat eller nitrerat	Kuggkontakter utsätts för kombinerad rull- och glidkontakt. Fina ytor krävs därför, vanligen härdning med efterföljande slipning.
Konform, fram och återgående => abrasiv, adhesiv, tribokemisk. Exempel: Cylinder/kolv-system	Låg friktion, kolvringen/kolven mer nötningsbeständig än cylindern eftersom den är i ständig kontakt, låg värmeutvidgning minskar risken för skärning vid lokal överbelastning.	Grått gjutjärn mot hårdförkromad ring (diaelmotorer), samma mot ythärdat seghärdningsstål (hydraulmotorer)	För att hålla kvar oljan skapas ett mönster av grunda oljereservoarer genom att cylinderytorna krysshonas. Kolvringen ges ibland förstärkt nötningsbeständighet genom hårdförkromning eller sprutning (flarn- eller plasma-) av keramskikt
Hårda mineraler ger punktbelastningar => abration. Exempel: Slitdelar för mineralhantering	Hårt material för gott abrasionsmotstånd, kombination av hårdhet och seghet för gott erosionsmotstånd (i normala fall kan stötenergin absorberas med elastisk töjning).	Slitstål, vita gjutjärn, manganstål, hårdmetall, gummi

Kontakttyp, nötningsmekanismer, materialkrav, typiska materialval och tillverkningsaspekter för några vanliga tribologiska komponenter.

Ytbeläggning och ytomvandling

 

Funktionskrav	Önskade egenskaper	Skiktmaterial
Reducera adhesiv nötning i högläge	Hög hårdhet, låg löslighet i motmaterialet	Stelliter, hårdmetall, karbider, nitrider, oxider
Reducera adhesiv nötning i lågläge	Oxidationbeständigt, inte hårda oxider	Brons, krom
Motverka fretting	Hög hårdhet, oxidationbeständigt	Sprutade oxid-, karbid- eller hårdmetallskikt
Undvika smörjmedel och reducera "torr" friktion	Lättskjuvat, inte reaktivt	Teflon, MoS2, grafit, diamantlikt kol
Förhindra kallsvetsning	Inte reaktivt	Guld eller silver
Öka friktionen	Hög reaktivitet, plogande komponent	Titan, fast bundna abrasiva partiklar, hårda sprutade skikt
Förbättra "våt" smörjning	Mjukt (lättskjuvat), beständigt mot angrepp från smörjmedlet	Koppar, bly, silver
Behålla smörjmedel	Porös struktur	Fosfat, nylon, sprutad brons

Allmänna konstruktionsråd

I detta avsnitt skall korrekt utformning av tribologiska kontaktytor diskuteras utifrån mer allmänna utgångspunkter. I följande avsnitt ges råd för "trouble-shooting" specifikt vid otillräcklig livslängd respektive oacceptabelt hög friktion.

Under konstruktionsarbetet måste man beakta materialval, den konstruktiva utformningen, ytbeskaffenhet, lastparametrar, glidhastighet, rörelsetyp, temperatur, miljöparametrar, förorenande partiklar och kemikalier m m. En hälsosam hållning är att förutsätta att en ändring i någon av dessa parametrar har potentialen att dramatiskt förändra nötnings- och friktionsbeteendet.

Följande råd kan användas generellt i "tribologisk design":

Minimera lasten. Som en första approximation är nötningen proportionell mot lasten.

Undvik ojämn lastfördelning. En ojämn lastfördelning ger upphov till en ojämn fördelning av slitaget, vilket ofta leder till förkortad livslängd.

Välj om möjligt rullkontakt. Rullkontakt är mildare ur nötningssynpunkt och ger lägre friktion än glidkontakt.

Optimera ytjämnheten. I abrasiv kontakt är de nötta (mjukare) ytornas ytjämnhet oftast av underordnad betydelse. I vissa kontaktsituationer är den av stor vikt:

• I all glidande kontakt mellan ett hårt och ett mjukt material är den hårda delens ytjämnhet av stor betydelse. Alltför grova ytor leder till onödigt repande i den mjuka ytan. I gränsskiktssmorda och torra fall ska den hårda ytan vara så slät som möjligt.
• I såväl rullande som glidande kontakt där man eftersträvar fullfilmssmörjning, är jämna ytor av mycket stor betydelse. Finare ytor låter smörjfilmen bära vid lägre hastigheter och högre laster och förlänger därmed livslängden.
• För keramer, som är svaga i drag, är ytjämnheten av särskilt stor betydelse. Ojämnheter och kanter kan leda till höga lokala dragspänningar vid tribologisk kontakt, vilket avsevärt ökar risken för allvarliga, spröda nötningsmekanismer. Keramer som en gång nötts kraftigt låter sig, till skillnad från metaller, inte köras in igen.

Fördela nötningen. Detta kan ske genom att använda rörliga konstruktioner. Kamföljare i bilmotorer är ett exempel på konstruktioner där man ökat livslängden radikalt, genom att den är något excentriskt placerad i förhållande till kamskivan och kan rotera fritt. Härigenom undviker man att exakt samma punkt ligger an mot kammen hela tiden.

Undvik abrasiva partiklar. Abrasiva partiklar mellan kontaktytorna ökar nästan alltid nötningen och friktionen. Se till att yttre föroreningar inte kommer in mellan ytorna genom att använda effektiva tätningar, filtrera olja, etc. Försök att få bort eller oskadliggöra nötningspartiklar och andra abrasiva element som ändå kommer in eller skapas mellan ytorna, t ex genom partikelfällor i form av spalter eller mjuka områden.

Slitstarka material. Använd slitstarka material endast där de behövs. De är oftast dyra och medför i vissa fall andra nackdelar, exempelvis kan de vara spröda och därför ökar risken för att hela detaljen havererar. Ofta kan man använda extremt nötningståliga material, såsom hårdmetall eller keram, utan att riskera sprödbrott, om slitmaterialet koncentreras till kontaktstället och fästs in i ett segare material.

Inkörning. Utforma en inkörningsprocedur för konstruktioner som nöts långsammare efter ett initialt inslitningsstadium. Om belastningen inledningsvis är låg krävs det en lägre total nötning för att nå de utjämning av yttoppar och den formanpassning av kontaktytorna som leder till en stabil långsam nötning.

Problem med snabb förslitning eller hög friktion

I detta avsnitt presenteras först några råd mot utslitningsproblem. Åtgärderna är uppdelade efter vilket/vilka kontaktfall som avses.

Gemensamt för glidande, abrasiv och erosiv kontakt:

• Gör slitdelar med stor andel konsumerbart material (slitmån)
• Gör slitdelar lätt utbytbara
• Gör självskyddande konstruktioner
• Välj hårdare material när plastisk deformation begränsar livslängden
• Välj segare material om nötningen är av sprödbrottskaraktär.

Glidande kontakt:

• Undvik höga punktlaster eller yttryck
• Använd idén yta och offeryta
• Välj material med gott motstånd mot adhesiv nötning, god värmeledningsförmåga, hög varmhårdhet, låg duktilitet, litet deformationshårdnande och material som bildar mjuka oxider
• Smörj om möjligt (helst fullfilmssmörjning).

Speciellt vid glidkontakt med frettingproblem:

• Konstruera bort relativrörelsen. I vissa fall är det möjligt att helt slippa undan fretting genom att överföra in relativrörelse till en skjuvning i ett mellanlägg
• Öka eller minska amplituden. I exempelvis bomförband kan fretting undvikas om misspassningen ökas något. I andra konstruktioner kan det vara lämpligare att försöka reducera vibrationerna genom att exempelvis öka kontakttrycket
• Begränsa tillgången på syre och andra reagenter
• Om smörjning är möjlig, använd bunden molybdendisulfid, smörjfett eller viskös olja med antioxidant.
• Använd materialkombinationer som ger låg oxidationshastighet och inte bildar oxider som är mycket hårdare än ursprungsmaterialen (en grov tumregel är att nötningshastigheten vid fretting av metaller är proportionell mot hårdhetsförhållandet mellan metallen och dess oxid).
• Belägg ena ytan med mjuk metall eller ickemetall.

Rullande kontakt:

För hjul och rullar i transportanordningar kan materialvalet stå mellan å ena sidan plast- eller gummimaterial och å andra sidan metaller. Plast- och gummirullar ger tystare och mjukare gång samt tolererar visst inslag av ojämnheter. Metallrullar (seghärdningsstål, kullagerstål, segjärn) kan bära tyngre laster (har högre bärighetstal), är mindre temperaturkänsliga och ger lägre friktion, men kräver slätt underlag. Metaller är mindre utmattningskänsliga och mer åldringsbeständiga, men ofta mer känsliga för smuts och korrosiva miljöer än plaster och elaster. Tunna hårda ytbeläggningar har ännu inte kunnat tillämpas på komponenter med rullkontakt (ytbeläggningen spricker och flagar av).

För detaljer om olika rullningslagers bärighet hänvisas till respektive leverantörs katalog.

Abrasiv kontakt:

Ur åtgärdssynpunkt är det lämpligt att särskilja två fall:

• Ren abration då funktionen är att hantera abrasiva material
• Abrasiva föroreningar vid i grunden glidande eller rullande rörelse.

Vid ren abration gäller att beständigheten mot abrasiv nötning ökar med ökande hårdhet: Följande tumregler gäller då

• Hårdhetsförhållandet. Den abrasiva nötningen blir mycket långsam om materialet är hårdare än det abrasiva mediet
• Deformationshårdnandet. Deformationshärdning före nötningen ger ingen positiv effekt, vilket beror på att ytskiktet under själva abrationsprocessen deformeras avsevärt mer än fördeformationen plus att härdningen försämrar materialets duktilitet
• Ökad volymsandel hårda partiklar (t ex karbider) leder till ökad hårdhet
• Ökad kolhalt (i stål) leder till ökad hårdhet

Vid abrasiva föroreningar kan nedanstående tips vara till hjälp:

• Smörj. Smörjmedel är nästan alltid en mycket positiv åtgärd.
• Filtrera. Om partiklar finns i smörjolja, är filtrering av alla partiklar större än minsta filmtjockleken mycket effektivt.
• Partikelfällor. Mjuka faser, spalter eller liknande kan bädda in och oskadliggöra eller föra bort partiklar från kritiska områden.
• Utnyttja alla hårdhetsberoenden. I maskinelement där abrationen orsakas av föroreningar, har man som regel små möjligheter att välja material som är hårdare än de abrasiva partiklarna. Man kan då i vissa fall utnyttja det hårdhetsberoende som säger att nötningshastigheten vid trekroppars abrasion blir lägst hos den mjukare delen i triboparet om denna bäddar in de abrasiva partiklarna och då enbart repar motytan. För den yta som skall skyddas skall man här alltså välja det mjukaste materialet.

Nedan presenteras en del råd mot olika typer av friktionsproblem. I vissa sammanhang önskar man en hög friktion, medan man i andra tillämpningar eftersträvar en låg friktion. Dessutom är det ofta viktigt att friktionen är någorlunda jämn.

För hög friktion:

• Smörj. Om olje- eller fettsmörjning inte är möjlig på grund av höga temperaturer, svåra miljöer eller andra skäl, kan fasta smörjmedel ofta ge tillräckligt låg friktion och lång hållbarhet.
• Byt lagertyp. Använd rullningslager i stället för glidlager. Vid små rörelser kan man ofta slippa gnidning genom att använda mellanlägg som skjuvas.
• Minska axeldiameter. Lagerförlusterna för en roterande axel är proportionell mot lagrets diameter.
• Använd lågfriktionsmaterial. Vissa material och ytbeläggningar ger i många sammanhang låg friktion vid osmord kontakt. Hit hör vissa plaster, lagermetaller, skikt av diamant och molybdendisulfid.

För låg friktion:

• Öka normalkraften
• Höj friktionstalet. Ge ytorna en kraftig topografi, t ex genom blästring eller ytbeläggning. Välj materialpar med hög friktion, t ex elaster eller metaller med hög löslighet i varandra och hög reaktivitet.

Friktionen varierar för mycket:

• Eliminera nötningspartiklar. Nötningspartiklar mellan ytor i glidande kontakt ger ofta upphov till kraftiga friktionsvariationer.
• Använd flera parallella/koaxiala glidytor. Om friktionen stiger i en glidyta blir den mycket snart tillräckligt stor för att initiera glidning i en annan glidyta. På så vis hålls den resulterande friktionskraften i det närmaste konstant.
• Använd material med liten termisk utvidgning. I vissa fall stiger friktionen kraftigt när temperaturen ändras. Orsaken kan då vara ökande normalkrafter på grund av att glapp försvinner.
• Använd material för fordonsbromsar. Traditionella bromsbeläggmaterial, som är framtagna för att ge stabil temperatur- och hastighetsoberoende friktion, kan även användas i andra applikationer. De har dock låg hållfasthet och bör backas upp med starkare material.