Static Friction of Reverse Steel–Elastomer Sliding Pairs

Sliding cooperation of materials with different hardness (deformability), e.g., a polymeric material cooperating with metallic materials, occurs in machine elements in one of the following two variants: a conventional pair or a reverse pair. In the case of the conventional sliding pair, the deformation area (contact area) of the sliding materials does not move on the surface of the polymer element during their cooperation. In the case of reverse pairs, the contact surface changes its position when moving on the surface of the polymer element. Depending on the variant of the sliding pair, the differences in the friction and wear process of polymer material can be observed. Tribological investigations of chosen sliding pairs (elastomer on steel or steel on elastomer) in the static friction were carried out on the rig. The polymeric materials selected for the tests were thermoplastic elastomers TPU, PUR, and silicone rubber SI. These materials co-operated with C45 steel in the different contact pressures (p = 0.1 – 0.26 MPa) under dry friction or mixed lubrication conditions (hydraulic oil Hipol HLP-68). Based on the recorded value of the friction force Ft, the values of static coefficients of friction μstat were determined. The test results showed a significant influence of the variant of the combination of materials (metal-polymer or polymer-metal) on the value of the friction coefficient. In all tested pairs in which steel sample (pin) slid against elastomeric plates, the friction coefficient was higher than in the case when the elastomeric sample (pins) cooperated with steel counterfaces (plates). The main reason is the considerable value of the deformation component of the friction force. This is probably due to the displacement of the elastomer deformation area in its surface layer and energy dissipation as a result of stress-strain hysteresis in the elastomeric material, as in the case with reversed pairs.

Współpraca ślizgowa materiałów o różnych twardościach (odkształcalności), np. materiał polimerowy współpracujący z materiałem metalicznym, występuje w elementach maszyn w jednym z dwóch następujących wariantów: para prosta lub para odwrotna. Dla ślizgowej pary prostej obszar odkształcania (obszar styku) materiałów ślizgowych nie przemieszcza się na powierzchni elementu polimerowego podczas ich współpracy. W przypadku par odwrotnych powierzchnia styku zmienia swoje położenie podczas ruchu na powierzchni elementu polimerowego. W zależności od wariantu pary ślizgowej można zaobserwować różnice w procesie tarcia i zużycia materiału polimerowego. Badania tribologiczne wybranych par ślizgowych (elastomer po stali lub stal po elastomerze) w tarciu statycznym przeprowadzono na tribotesterze do badań w ruchu posuwisto-zwrotnym. Materiałami polimerowymi wybranymi do badań były elastomery poliuretanowe TPU, PUR i guma silikonowa SI. Materiały te współpracowały ze stalą C45 o różnym nacisku jednostkowym (p = 0,1–0,26 MPa) w warunkach tarcia suchego lub mieszanego (olej hydrauliczny Hipol HLP-68). Na podstawie rejestrowanej wartości siły tarcia Ft na początku ruchu wyznaczono wartości statycznych współczynników tarcia μstat. Wyniki testu wykazały istotny wpływ wariantu kombinacji materiałów (metal-polimer, polimer-metal) na wartość współczynnika tarcia. We wszystkich testowanych kombinacjach materiałowych, w których próbka stalowa (sworzeń) ślizgała się po płytce elastomerowej, współczynnik tarcia był wyższy niż w sytuacji, gdy próbka elastomerowa współpracowała ze stalową płytą. Głównym powodem jest znaczna wartość składowej odkształceniowej siły tarcia. Jest to spowodowane prawdopodobnie przemieszczaniem się obszaru deformacji elastomeru w jego warstwie wierzchniej i rozpraszaniem energii w wyniku histerezy naprężeniowo-odkształceniowej w materiale elastomerowym, co ma miejsce w przypadku par odwróconych.