#13 - SÚRLÓDÁSI JELENSÉGEK VIZSGÁLATA (TRIBOLÓGIA) - Témavezető: SZERENCSI Marianna, Tel.:392-2222-2766, Épület:25, Szoba:209, E-mail:szerencsi@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_25)

A fizikában jó sok (ha nem a legtöbb) okoskodásban szerepel a következő kitétel: "a sírlódástól eltekintve..." - amiből egyből adódik, hogy a fizikusok nemigen szeretik a súrlódást figyelembe venni, aminek persze praktikus okai vannak: az egyébként viszonylag egyszerű és tiszta összefüggések is szerfelett elbonyolódhatnak, sőt, lehetetlenné válhat a probléma zárt matematikai alakban való kezelése. Ennek ellenére a súrlódási és kopási jelenségeket mégis figyelembe kell vennünk (kísérletileg és elméletileg egyaránt), ugyanis a körülöttünk lévő világ eseményeinek lefolyását esetenként drámai módon befolyásolják. Egy mindennapos példával élve, még a saját lábunkon sem tudnánk megállni, ha nem lenne a talpunk és a talaj között (elegendő) súrlódás (1. ábra).

1. ábra. Ha kicsi a súrlódás, nem könnyű a talpunkon maradni....

A súrlódási erő mögött nem áll valamilyen külön fizikai kölcsönhatás (mint amilyen pl. a gravitációs, vagy az elektromágneses), hanem az egyébként is létező kölcsönhatások egy bizonyos formában való megnyilvánulását jelenti. (Hasonlóan a centripetális erőhöz, amely szintén nem egy önálló külön erő, hanem egyéb erőknek az az eredője, amely éppen biztosítja a körpályán való (és a középpont felé gyorsuló) egyenletes körmozgást.) A súrlódás az a jelenség, amikor a kölcsönható testek között olyan impulzus csere (lendület csere) zajlik, amely gátolja a testek egymáshoz viszonyított mozgását, illetve elmozdulását. A súrlódó testek közötti kölcsönhatás (az impulzus csere) legtöbbször az elektromágneses (Coulomb-féle) kölcsönhatással bonyolódik le, a megnyilvánulási formája pedig az ún. súrlódási erő. (Emlékeztető: a Newton-i elméletben a testek közötti kölcsönhatások mindig valamilyen erőben nyilvánulnak meg). A továbbiakban meg kell különböztetnünk 2 esetet:
1. mozgási súrlódás: Amikor a kölcsönható testek eleve mozgásban vannak egymáshoz képest. Ilyenkor a súrlódás egy olyan erő felbukkanását jelenti, amely a vizsgált test relatív sebességével ellentétes irányú. A nagysága a legegyszerűbb esetben konstans, azaz a sebességtől független: F_s= -mF_N (ahol "m" az anyagi minőségtől függő csúszási súrlódási együttható, "F_N" pedig a testeket összenyomó erő). De a súrlódási erő lehet a sebességgel arányos is: F_s= -kv (ahol a "k" arányossági tényező, "v" pedig a vizsgált test relatív sebessége a másik testhez képest), esetleg a sebesség négyzetével arányos: F_s= -kv², vagy még bonyolultabb függésű is: F_s= -mF_N-k₁v-k₂v²...
2. nyugalmi súrlódás: Ez akkor lép fel, ha a kölcsönható testek egymáshoz képest nyugalomban vannak, de létezik egy olyan erő (akár közöttük, akár egy harmadik test felől), amely elmozdítani igyekszik ezeket egymástól, viszont az elmozdulás mégsem következik be, mert kényszererőként fellép a nyugalmi súrlódási erő is, és éppen kiegyensúlyozza a testet. Tehát ennek iránya ellentétes a mozgatni "próbáló" erővel, a nagysága pedig automatikusan ugyanakkorára áll be, amíg csak meg nem haladunk egy kritikus értéket: F_s,max= -m₀F_N

2. ábra. A korcsolyázó vajon jégen csúszik-e vagy vízen?

A m₀ nyugalmi súrlódási együttható többnyire kisebb a m mozgási súrlódási együtthatónál, ezért ha a testet végül is sikerül elmozdítani a másikhoz képest a nyugalmi súrlódás ellenében, akkor az a továbbiakban már mozogni (csúszni) fog, sőt, egyre gyorsabban!
Az F_s,max= -m₀F_N és F_s= -mF_N összefüggésekben nem szerepel az egymáson súrlódó testek közötti felület nagysága, holott intuitíve azt várnánk, hogy a nagyobb felületnek nagyobb súrlódást kellene eredményeznie. A felület nagyságától való függetlenség azért van, mert ha növekszik a súrlódó felület nagysága, akkor arányosan kisebb lesz az egységnyi felületet összenyomó erő is, márpedig a súrlódási erő a nyomóerővel arányos. De azért akad eset, amikor mégis számít a felület nagysága, pl. korcsolyázáskor. A korcsolya vékony pengéje alatt akkora a nyomás, hogy ott a jég helyileg megolvad, s így valójában a korcsolyázó nem is a jégen siklik, hanem a jég és a korcsolyája közötti vízrétegen!

3. ábra. A csúszási súrlódási együttható csökkenése több százezres koptatási ciklus során.

Általában is igaz, hogy a súrlódó felületek közé valamilyen kenőanyagot (legtöbbszőr olajszerűt) juttatva csökkenteni tudjuk a súrlódást. A kenőanyag lehet olaj, zsír, víz, grafit, vagy akár a súrlódó testek letöredezett mikroszkopikus darabkáiból álló törmelék is. Ha hosszú ideig csúsztatjuk/koptatjuk egymáson a testeket, akkor azok felülete fokozatosan egymáshoz idomul és legalábbis kezdetben egyre símább lesz, ezzel csökkentve a súrlódást (3. ábra). (Az autósoknál is ugyanezt a célt szolgálja a gépkocsi ún. bejáratása.)

4. ábra. Titán-Nitrid védőbevonattal ellátott fúró.

A testek közötti kopás és súrlódás összefüggenek egymással, a lassúbb kopáshoz kisebb súrlódás kell, ezért különféle gépeink élettartamát nagyban növelhetjük, ha sikerül a súrlódást mérsékelnünk. A kopást az is erősen befolyásolja, hogy a súrlódó testeknek milyen az egymáshoz viszonyított keménysége. A puhább anyag nagyságrendekkel gyorsabban kophat, mint a keményebb. (Ezért is van, hogy a kenőanyagnak mindkét súrlódó testnél puhábbnak kell lennie.) Érdekes módon a kopástól megvédeni kívánt testnek nem kell minden porcikájában igazán keménynek lennie, sokszor elég az is, ha csak a felülete kemény. (Védheti, mint tojást a tojáshéj.) Ezért különösen kopásállónak kívánt szerszámok felületét (pl. fúrókat) is gyakran vonjuk be különösen nagy keménységű védőréteggel (4. ábra). Az is egy ismert és egyre inkább használt eljárás (a mi intézetünkben is!), hogy ionimpalnációval keményítjük meg a minta felületét. Az ionimplantáció azért tud különösen kemény fázisokat eredményezni, mert a struktúra egyrész üvegszerűen amorffá válhat (amely mentes a deformálódást egyébként segítő diszlokációktól), másrészt olyan összetételű anyagokat is előállíthatunk vele, amelyek nagyon távol esnek az oldékonysági határoktól.

Saját méréseinket egy korszerű CSM Instruments gyártmányú tribométeren fogjuk végezni (5. ábra) amely automatizáltan képes végrehajtani nagyon hosszú koptatási feladatokat is.

5. ábra. CSM Instruments gyártmányú tribométer.

A készülék voltaképpen hasonlóan működik, mint a szüleitek idejében népszerű analóg (hang)lemezjátszók (6. ábra). Egy lemez (korong) alakú mintát forgatunk körbe-körbe, melyre ismert nagyságú erővel egy a felületen csúszó "hegyet" nyomunk, és közben figyeljük a fellépő súrlódási erőt.

6. ábra. Technics gyártmányú analóg lemezjátszó.

Persze a hanglemezeknél nem a súrlódás vizsgálata volt a cél, de az biztos, hogy minden lehetőt megtettek a kopás csökkentése érdekében. Először is a hanglemezt olyan hőre lágyuló műanyagból készítették, amely ugyan a gyártás során (melegen) könnyen felvette a mintaként használt fém lemez barázdáinak lenyomatát, de hidegen megkeményedett és ellenállóvá vált a letapogató tű koptató hatásával szemben. (Kezdetben shellakot használtak, aztán áttértek a fekete PVC-re. Sokan "bakelitnek" nevezik az analóg lemezeket, de történetesen bakelitet sosem használtak ilyen célra. Egyéb érdekességeket is olvashatunk itt.) Fontos, hogy nem csak a lemez anyaga kopik, hanem a letapogató tű is! (Különösen a lemezek felületén összegyűlt por, pl. kvarc szemcsék miatt.) Ezért a lejátszó tűnek, de minimum a hegyének is minél keményebb anyagból kell készülnie. Jellemző volt kezdetben az acél, majd a zafír, végül a gyémánt hegyű lemezjátszó tű használata.
Az igazán profik még ennyivel sem elégedtek meg! A lejátszás során speciális folyadékot (többnyire alkoholos vizet) juttattak a tű és a barázda közé, így csökkentve a súrlódást és a kopást, illetve javítva a tű hűlését. Az ilyen ún. "nedves lejátszás" révén a lemezek és a tűk élettartama is a többszörösére nő, miközben a lejátszási zaj és torzítás a töredékére esik. Csak kevesen tudják, hogy ezzel a módszerrel az analóg hanglemezek a mai CD-knél még akár jobb hangminőséget is nyújthatnak (a frekvenciamenet és a dinamika terén). Sajnos a régi hanglemezek különleges bánásmódot igényelnek, szüleitek nem véletlenül őrzik olyan nagyon...

7. ábra. Kézi vasfűrész.

A tribométer "tűje" nem igazi tű, hanem voltaképpen egy kicsike golyó, hogy a méretei jól definiáltak legyenek és így lehetővé váljanak a számszerű következtetések. A koptatási feladatnál mi is "nedves lejátszást" használunk, vizsgálva, hogy melyik közeg mennyire hatásos. De ez sem olyan egyszerű kérdés, mint elsőre tűnhet.
Aki már fúrt, reszelt, dörzsölt, vagy fűrészelt kenődésre hajlamos anyagot (alumíniumot, többféle műanyagot), az tudja, hogy amikor szándékosan próbáljuk meg "koptatni" (igazából marni) a munkadarabot, akkor gyorsabban végezhetünk, ha használunk valamilyen "kenőanyagot", pl. kevéske olajat, vagy vizet (7. ábra). Ilyenkor tehát a közeg nem csökkenti a kopást, hanem éppenséggel gyorsítja azt! Hogy még bonyolultabb legyen a kép, a gyorsabb kopás nem jelent feltétlenül nagyobb súrlódási erőt, mert az meg éppenséggel csökkenhet is! Szóval a nedves alumínium lemezt könnyebb is és gyorsabb is elvágni egy vasfűrésszel, mintha szárazon próbálnánk meg. A jelenség részben abból fakad, hogy a közeg megváltoztatja a hőmérsékleti viszonyokat (hűt), és ezért megváltozik a munkadarab és a törmelékek keménysége is.

8. ábra. Távcső tükör polírozása.

Másrészt abból is fakad, hogy a közeg maga nem homogén, hanem esetünkben a reszelék anyaga és az általunk odajuttatott folyadék elegye együtt. Ha híg ez a közeg (sok víz), az gyorsítja a vágást, ha viszont nagyon sűrű (kenődő alumínium törmelék), akkor a súrlódás tetemesen megnő, miközben a vágás sebessége lelassul. Olyan eset is előfordul, amikor a súrlódó felületeknek nagyon simának kell lenniük, mégis el kell érnünk a kopást. Ilyenkor kiemelkedően fontos a megfelelő közeg (folyadékba ágyazott csiszolópor) használata, lásd pl. a csillagászati tükrök polírozását (8. ábra). Ilyenkor a síma felületek közötti nagyon kis szemcsés (akár nanokristályos) és viszonylag kis viszkozitású (azaz híg) vasoxid diszperzió bizonyult jó megoldásnak.
Nevezetes fordított eset a hétköznapokból a gépjárművekbe épített nyomós tengelykapcsoló (kuplung), illetve a tárcsafék, ahol is nagy súrlódási erőt szeretnénk ki-bekapcsolni, anélkül azonban, hogy ez nagy kopásra is vezetne. Ehhez is előnyösek a síma felületek, de itt puha, nagy viszkozitású közeggel párosítva. Szóval a konkrét igények függvényében dől el, hogy milyen anyag felületekkel és kenőanyag kombinációkkal érhetünk célt, de ehhez minél jobban ismernünk kell az anyagok viselkedését.