W mechanizmach pracujących bez oleju lub smaru materiał elementu ślizgowego musi jednocześnie zapewniać niski współczynnik tarcia, odporność na zużycie oraz stabilność wymiarową. Nie każde tworzywo konstrukcyjne spełnia te wymagania. W praktyce najlepiej sprawdzają się materiały samosmarne, takie jak PTFE, POM, poliamidy modyfikowane, UHMW-PE, PEEK oraz specjalne kompozyty ślizgowe.
Sprawdź ➡ tworzywa sztuczne ułatwiające poślizg!
Od czego zależy wybór tworzywa do pracy bez smarowania?
Dobór materiału nie powinien opierać się wyłącznie na deklarowanym współczynniku tarcia. Równie istotne są nacisk powierzchniowy, prędkość ruchu, temperatura, obecność pyłu, wilgoci lub chemikaliów oraz materiał współpracującej powierzchni.
W zastosowaniach ślizgowych wykorzystuje się często parametr PV, czyli iloczyn nacisku powierzchniowego i prędkości ślizgu. Im większa wartość PV, tym więcej ciepła powstaje w strefie tarcia i tym większa musi być odporność materiału na przegrzewanie oraz zużycie.
Tworzywo odpowiednie do wolno poruszającej się prowadnicy nie zawsze sprawdzi się w szybko obracającej się tulei. Z kolei materiał o bardzo niskim współczynniku tarcia może być zbyt miękki, aby przenosić wysokie obciążenia bez odkształceń.
PTFE – najniższe tarcie wśród popularnych tworzyw
Politetrafluoroetylen, czyli PTFE, jest jednym z najczęściej wybieranych materiałów do pracy na sucho. Charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem tarcia, niewielką przyczepnością do innych materiałów i wysoką odpornością chemiczną.
PTFE dobrze sprawdza się w uszczelnieniach, pierścieniach ślizgowych, prowadnicach oraz elementach mających kontakt z agresywnymi substancjami. Może być stosowany w szerokim zakresie temperatur, dlatego wykorzystuje się go również w przemyśle chemicznym, spożywczym i farmaceutycznym.
Podstawową wadą czystego PTFE jest stosunkowo mała sztywność oraz podatność na pełzanie pod długotrwałym obciążeniem. Do elementów przenoszących większe naciski lepiej wybierać PTFE modyfikowany włóknem szklanym, węglem, grafitem lub brązem. Dodatki te poprawiają odporność na zużycie i stabilność wymiarową, choć mogą nieznacznie zwiększyć tarcie.
POM – dobry wybór do precyzyjnych mechanizmów
Poliacetal, oznaczany jako POM, łączy niski współczynnik tarcia z dużą sztywnością, odpornością zmęczeniową i dobrą stabilnością wymiarową. Dzięki temu nadaje się do wykonywania kół zębatych, rolek, prowadnic, krzywek, zatrzasków oraz niewielkich łożysk ślizgowych.
W porównaniu z PTFE POM jest twardszy i mniej podatny na odkształcenia. Umożliwia również wykonywanie elementów o dokładnych wymiarach i niewielkich luzach roboczych. POM jest szczególnie korzystny tam, gdzie liczy się jednocześnie niski opór ruchu, precyzja i umiarkowana cena.
Do pracy całkowicie bez smarowania warto stosować odmiany ślizgowe zawierające PTFE, silikon lub inne dodatki zmniejszające tarcie. Ograniczeniem POM jest natomiast niższa odporność na wysoką temperaturę i niektóre silne substancje chemiczne.
Poliamidy ślizgowe – odporne na obciążenia i uderzenia
Poliamidy, najczęściej PA6 i PA66, są stosowane w tulejach, rolkach, kołach zębatych, prowadnicach i elementach transportowych. Wyróżniają się dobrą odpornością mechaniczną, zdolnością tłumienia drgań oraz odpornością na obciążenia dynamiczne.
Standardowy poliamid nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem do precyzyjnej pracy na sucho, ponieważ pochłania wilgoć. Zmiana wilgotności może powodować zmianę wymiarów, sztywności i właściwości ciernych elementu.
Lepszym wyborem są poliamidy modyfikowane olejem, dwusiarczkiem molibdenu, grafitem lub PTFE. Odmiany ślizgowe PA zapewniają wyższą odporność na zużycie i mniejszy opór ruchu niż poliamid niemodyfikowany. Sprawdzają się zwłaszcza w maszynach przemysłowych, urządzeniach transportowych i mechanizmach pracujących przy umiarkowanych prędkościach.
UHMW-PE – do prowadnic, ślizgów i transportu materiałów
Polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, czyli UHMW-PE, ma bardzo dobre właściwości ślizgowe oraz wysoką odporność na ścieranie. Jest również odporny na uderzenia, wilgoć i wiele substancji chemicznych.
Materiał ten stosuje się w listwach ślizgowych, prowadnicach łańcuchów, wykładzinach zsypów, elementach przenośników i urządzeniach pakujących. Jego powierzchnia ogranicza przywieranie transportowanych produktów, co jest szczególnie przydatne w przemyśle spożywczym i materiałowym.
UHMW-PE nie jest jednak materiałem przeznaczonym do wysokich temperatur ani bardzo precyzyjnych części. Ma niższą sztywność niż POM czy PEEK i większą rozszerzalność cieplną. Najlepiej sprawdza się przy dużej odporności na ścieranie, umiarkowanych naciskach i stosunkowo niewielkiej temperaturze pracy.
PEEK i kompozyty PEEK – do wysokich temperatur i obciążeń
Polieteroeteroketon, czyli PEEK, należy do tworzyw wysokosprawnych. Zachowuje dobre właściwości mechaniczne w temperaturach, w których POM, poliamid czy UHMW-PE tracą sztywność i stabilność.
W zastosowaniach ślizgowych wykorzystuje się przede wszystkim odmiany PEEK zawierające włókno węglowe, PTFE lub grafit. Takie kompozyty są odporne na zużycie, wysokie naciski, podwyższoną temperaturę oraz działanie wielu chemikaliów.
PEEK sprawdza się w tulejach, pierścieniach oporowych, elementach sprężarek, pomp, urządzeń laboratoryjnych i mechanizmów lotniczych. Jest właściwym wyborem wtedy, gdy warunki pracy przekraczają możliwości popularnych tworzyw konstrukcyjnych. Jego najważniejszym ograniczeniem pozostaje wysoka cena.
Kompozyty ślizgowe – gdy jeden materiał nie wystarcza
W wielu wymagających mechanizmach wykorzystuje się tworzywa zawierające dodatki poprawiające właściwości tribologiczne. Mogą to być włókna wzmacniające, cząstki PTFE, grafit, dwusiarczek molibdenu lub specjalne smary stałe.
Najczęściej stosowane modyfikacje mają określony cel:
- PTFE i silikon zmniejszają współczynnik tarcia;
- grafit i dwusiarczek molibdenu wspomagają pracę na sucho;
- włókno węglowe zwiększa sztywność i przewodzenie ciepła;
- włókno szklane poprawia stabilność wymiarową;
- brąz zwiększa odporność PTFE na zużycie i obciążenia.
Kompozyt należy dobierać do konkretnej pary ciernej. Materiał bardzo odporny na ścieranie może przyspieszać zużycie miękkiego wału, zwłaszcza gdy zawiera twarde włókna wzmacniające.
Które tworzywo wybrać do danego zastosowania?
| Warunki pracy | Zalecane tworzywo | Najważniejsza zaleta |
|---|---|---|
| Bardzo małe tarcie i kontakt z chemikaliami | PTFE lub kompozyt PTFE | niski opór ruchu i odporność chemiczna |
| Precyzyjne koła zębate, rolki i prowadnice | POM ślizgowy | sztywność i stabilność wymiarowa |
| Obciążenia dynamiczne i uderzenia | PA modyfikowany | wytrzymałość i tłumienie drgań |
| Prowadnice transportowe i intensywne ścieranie | UHMW-PE | odporność na ścieranie i przywieranie |
| Wysoka temperatura i duże obciążenia | kompozyt PEEK | trwałość w trudnych warunkach |
| Wysokie naciski przy niewielkiej prędkości | wzmacniany PTFE lub PEEK | odporność na pełzanie i zużycie |
Wybór powinien zostać potwierdzony obliczeniem nacisku i prędkości ślizgu, a w odpowiedzialnych zastosowaniach również próbą w rzeczywistych warunkach. Dane katalogowe dotyczą zwykle określonej temperatury, chropowatości powierzchni i materiału współpracującego, dlatego nie powinny być traktowane jako wartości uniwersalne.
Jak ograniczyć zużycie elementu pracującego na sucho?
Nawet najlepsze tworzywo nie zapewni trwałości, gdy element zostanie niewłaściwie zaprojektowany. Powierzchnia współpracującego wału lub prowadnicy powinna być gładka, lecz nie zawsze idealnie wypolerowana. Zbyt duża chropowatość działa jak materiał ścierny, a zbyt gładka powierzchnia może w niektórych parach ciernych utrudniać tworzenie warstwy transferowej.
Należy również zapewnić odpowiedni luz roboczy, uwzględniający rozszerzalność cieplną i chłonność wilgoci. Jest to szczególnie ważne w przypadku poliamidów i UHMW-PE. Miejscowe przegrzewanie można ograniczyć przez zwiększenie powierzchni elementu, zmniejszenie nacisku lub zastosowanie materiału lepiej odprowadzającego ciepło.
W środowisku zapylonym warto wybierać materiały odporne na ścieranie i unikać konstrukcji, w których zanieczyszczenia mogą gromadzić się w szczelinie ciernej. Cząstki mineralne uwięzione między tworzywem a wałem mogą skrócić trwałość nawet dobrze dobranej pary ślizgowej.
Najlepsze tworzywa do ograniczania tarcia bez smarowania
Nie istnieje jedno tworzywo odpowiednie do wszystkich mechanizmów pracujących na sucho. PTFE zapewnia najniższe tarcie, POM dobrze sprawdza się w precyzyjnych częściach, poliamidy ślizgowe przenoszą obciążenia dynamiczne, UHMW-PE jest odporny na ścieranie, a kompozyty PEEK nadają się do wysokich temperatur i dużych nacisków. Ostateczny wybór powinien uwzględniać nie tylko współczynnik tarcia, ale również wartość PV, temperaturę, stabilność wymiarową, środowisko pracy i właściwości powierzchni współpracującej.
