KUMIMATERIAALIEN KULUTUSKESTÄVYYDEN ANALYSOINNIN KEHITTÄMINEN ERI KULUMISMUODOILLE
Diplomityö
Tarkastaja: Professori Jyrki Vuorinen
Tarkastaja ja aihe hyväksytty teknisten tieteiden
tiedekuntaneuvoston kokouksessa 9. joulukuuta 2015
TIIVISTELMÄ
TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Tietotekniikan koulutusohjelma
SAARENPÄÄ, MIKKO: Kumimateriaalien kulutuskestävyyden analysoinnin kehittäminen eri kulumismuodoille
Diplomityö, 76 sivua Joulukuu 2016
Pääaine: Tekniset polymeerimateriaalit Tarkastaja: Professori Jyrki Vuorinen
Avainsanat: Mylly, myllynvuoraus, kumimateriaali, kulumiskestävyys, kulumismalli, DEM, kulumistestaus
Myllynvuoraus on tärkeä osa myllyä. Sen on kestettävä iskuja ja kulutusta muutenkin.
Nykypäivänä vuorauksia voidaan valmistaa monista eri materiaaleista, mutta tässä työssä keskitytään suurimmaksi osaksi kumimateriaaleista valmistettuihin vuorauksiin.
Työn tavoitteena oli oppia ymmärtämään paremmin, miten kumin ominaisuudet vaikuttavat kulutuskestävyyteen.
Kumimateriaaleista luonnonkumia ja/tai synteettistä styreenibutadieenikumia sisältäviä seoksia käytetään paljon myllynvuorauksissa. Niiden ominaisuudet ovat riittävän hyvät kulumiskestävyyttä vaativiin kohteisiin ja ne tarjoavat myös kustannustehokkaan vaihtoehdon. Lisäksi niiden prosessointi ei ole vaikeaa.
Kumimateriaaleilla esiintyy monenlaista kulumista sen käytön aikana. Näistä eniten kulumista aiheuttaa abrasiivinen kuluminen. Lisäksi iskevä kuluminen, eroosiokuluminen sekä väsymisen kautta tapahtuva kuluminen aiheuttavat myllynvuorauksen kulumista sen käytön aikana. Eri kulumismuotoihin vaikuttavat luonnollisesti eri mekanismit ja niillä on omat tunnuspiirteensä.
Materiaalin kulumistestaus voi olla joskus työlästä ja kestää kauan. Työn vähentämiseksi kulumista voidaan simuloida erilaisten menetelmien avulla. Näistä eräs on 'Discrete Element Method´ eli DEM. Menetelmässä partikkelien liikkeitä kuvataan hyödyntämällä Newtonin liikelakeja. Tällöin pystytään myös arvioimaan partikkelien vuorovaikutusta vierekkäisten partikkelien kanssa. DEM tarjoaa myös mahdollisuuden simuloida erilaisten myllyjen käyttäytymistä eri tilanteissa ja täten sitä voidaan soveltaa myös myllynvuorausten kulumisen arvioimiseen.
Kumimateriaalien kulumiseen liittyviä ominaisuuksia voidaan testata erilaisilla menetelmillä. Näistä voidaan mainita abrasiivista kulumista jäljittelevä pyörivä tribometri, jolla tuotetaan liukumista kumimateriaalin pinnalle sekä Goodrich- fleksometri, jolla voidaan vertailla vulkanoitujen kumiyhdisteiden hystereesiskäyttäytymistä.
Kokeelliseen osuuteen valittiin abrasiivista, iskevää sekä eroosiokulumista jäljittelevät testimenetelmät. Niissä mitattiin näytteen massan pienenemistä erilaisissa olosuhteissa. Testien perusteella saatiin lisää tietoa myllynvuorauksissa käytettävien kumimateriaalien kulutuskestävyydestä niiden altistuessa eri kulutusmuodoille sekä vuoraukseen käytettävän materiaalin valinnasta.
ii
ABSTRACT
TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master’s Degree Programme in Materials Engineering
SAARENPÄÄ, MIKKO: Development of analyzing wear resistance of rubber materials for different wear models
Master of Science Thesis, 76 pages December 2016
Major: Technical polymer materials Examiner: Professor Jyrki Vuorinen
Keywords: Mill, mill liner, rubber material, wear resistance, wear model, DEM, wear testing
Mill liner is an important part of mill. It has to withstand strikes and wear. Nowadays mill liners can be made of many different materials. In this work the focus is mainly on rubber liners. The aim of this thesis is to get better understanding how the properties of rubber affect to wear resistance of rubber material.
Coumpounds including natural rubber and/or styrene butadiene rubber are widely used in mill liners. Their properties are good enough in applications where wear resistance is needed and they are also cost-effective. Moreover processing of these rubbers is not difficult.
Many kinds of wear types occur with rubber materials during their use. The greatest of them is abrasive wear. Moreover impact wear, erosion wear and fatigue wear cause wearing of mill liners. Naturally each wear type has its own characteristics and different mechanisms.
Sometimes testing of material wear is difficult and takes a lot of time. Different wear simulation methods can be used to reduce this work. One of them is 'Discrete Element Method' i.e. DEM. In this method Newton's laws of motion are used to describe motions of particles and their contact with next to each other particles. DEM also offers a possibility to simulate behaviour of mills in different situations. Thus, the method can be applied to evaluating wear of mill liners too.
Material wear properties can be tested by different methods. Some of the can be mentioned. One of them is rotary tribometer which produces sliding to the surface of sample. The other is Goodrich-fleksometer which makes possible to compare hysteretic behaviour of vulcanized rubber compounds.
Test methods which mimic abrasive, impact and erosion wear were selected to the experimental part. Mass reduction of samples was measured during testing. From these tests more information was gained of wear resistance of rubber materials which are used in mill liners when they are exposed to different wear models and selection of materials which can be applied to mill liners.
ALKUSANAT
Tämä diplomityö tehtiin vuoden 2016 aikana Tampereen teknillisen yliopiston materiaaliopin laitoksen tiloissa. Haluan kiittää Teknikum Oy:n Riku Sivulaa ohjauksesta, jota sain työni aikana. Myös työni ohjaaja Jyrki Vuorinen antoi hyviä neuvoja erityisesti työn sisältöön liittyen. Lisäksi sain Vuokko Heinolta, Ari Varttilalta sekä Niko Ojalalta apua työn kokeellisessa osuudessa.
Haluaisin kiittää myös läheisiäni ja ystäviäni, joiden kanssa pystyin keskittymään muihinkin asioihin kuin diplomityön tekemiseen. Ilman heidän tukeaan työn tekeminen olisi ollut huomattavasti raskaampaa.
Tampereella, 30.12.2016
Mikko Saarenpää
iv
SISÄLLYS
1 JOHDANTO...1
2 JAUHATUSMYLLYT JA MYLLYNVUORAUKSET...2
2.1 Rumpumyllyt...2
2.2 Sekoitusmyllyt...3
2.3 Vuoraukset...4
3 MYLLYNVUORAUKSISSA KÄYTETTÄVÄT POLYMEERIT...6
3.1 Luonnonkumi...6
3.1.1 Prosessointi...6
3.1.2 Ominaisuudet...7
3.1.3 Jalostaminen...8
3.2 Synteettinen styreenibutadieenikumi...9
3.2.1 Emulsiopolymerointi...9
3.2.2 Liuospolymerointi...9
3.3 Polyuretaanit...10
3.3.1 Polyuretaanien prosessointi...10
3.3.2 Valettavat polyuretaanielastomeerit...12
4 KULUMISMUODOT...13
4.1 Iskevä kuluminen...13
4.2 Abrasiivinen kuluminen...16
4.2.1 Abrasiiviset kulumismekanismit...17
4.2.2 Väsymiskuluminen...18
4.3 Eroosiokuluminen...23
5 DEM...26
5.1 Teoria...27
5.2 DEM-menetelmän käyttö myllyn kulumisen simuloinnissa...30
5.2.1 Kulumismallit...32
5.2.2 Koejärjestely...34
5.2.3 Mitatut tulokset...35
5.2.4 DEM-menetelmällä saadut tulokset...38
5.2.5 Mitattujen ja DEM-simulaatiolla saatujen tulosten välinen vertailu ...40
5.2.6 Myllyn nostimeen kohdistuvan kulumisen simulointi...40
5.2.7 Vuorauksen kulumisnopeus...41
5.2.8 Myllyn kuormituskäyttäytymisen simuloiminen...44
6 KULUMISEN TESTAUSMENETELMÄT...49
6.1 Tribometri...49
6.1.1 Koejärjestely...49
6.1.2 Kulumistyyppien havaitseminen...51
6.1.3 Kosketukset tribometrilla tehdyissä painaumissa...52
6.2 Goodrich-fleksometri...56
6.3 Taivutuslujuuden testausmenetelmät...57
6.4 Iskukimmoisuuden testaaminen...58
6.5 Abrasiivisen kulumisen testaus...60
6.6 Lietteen aiheuttaman kulumisen testaus...61
7 KOKEELLINEN OSUUS...63
7.1 Kulumismuotojen hyödyntäminen...63
7.1.1 Esitestaus...63
7.1.2 Murskaava abraasiokulutus...65
7.1.3 Iskevä kulutus...66
7.1.4 Slurry-pot eroosiokulutus...68
7.2 Tulosten analysointi...70
8 JOHTOPÄÄTÖKSET...75
LÄHDELUETTELO...77
vi
TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT
A Pois abrasoituneen kumin tilavuus
normaalikuormitusta ja liukuetäisyyttä kohden aad-abr Dimensioton painokerroin tarttumiselle/abraasiolle Ael Vuorauksen tietty alue
aimpact Dimensioton painokerroin iskuenergialle a∞ Kosketussäde
α Partikkelin iskeytymiskulma
ASTM Kansainvälinen standardoimisjärjestö (American Society for Testing and Materials)
a(t) Kiihtyvyys tietyllä ajanhetkellä
CAD Tietokoneavusteinen suunnittelu (Computer Aided Design)
cis Yhdisteillä atomin tai atomiryhmän sijaitseminen samalla puolella kaksoissidokseen nähden
Cn Vaimenemiskerroin D Myllyn halkaisija d Kuulan halkaisija di Iskuenergian tiheys ΔA Murtumapinta-alue
Δhel Pituushäviö tietyssä joukossa Δt Aikaväli
ΔU Varastoituneen mekaanisen energian muutos ΔV Tilavuushäviö
ΔVi Kulumisen aiheuttama tilavuushäviö δ∞ Painauma
δR/e2 Dimensioton parametri
DEM Materiaalien käyttäytymisen simuloimismenetelmä (Discrete Element Method)
E Youngin moduuli e Näytteen ohut kerros E* Vaikuttava moduuli
Ead-abr,i Tartunta/abraasioenergia, joka hälvenee pinnalta i.
Ei Kumulatiivinen energia
Eimpact,i Iskuenergia, joka hälvenee pinnalta i.
ε Palautumiskerroin εa Deformaatioamplitudi ε0 Vakio
Fc Voiman resultantti
Fg Painovoiman vaikutuksesta kappaleeseen muodostuva resultantti
fi Törmäyksen taajuus
Φ0 Normaalivoiman laskemisessa käytettävä parametri Fn Normaalivoima
Fnc Voiman resultantti FNET Nettovoima
Ft Tangentiaalinen voima G' Leikkausmoduuli
G'' Parannettu häviömoduuli h Kulumisjäljen syvyys HB Materiaalin kovuus h1 Lähtöpituus
h2 Suhteellisen kimmoisuuden pituus I Hitausmomentti
Ii Iskuenergia J Myllyn täyttöaste K Bulkkimoduuli k Vakio
kn Jousen jäykkyys L Myllyn pituus
M Vuorovaikutusmomentti m Potenssi
mij Kahden partikkelin i ja j pienentynyt massa mp Partikkelin massa
μ Kitkakerroin
µFn Coulombin kitkaraja
N Murtumaan vaadittavien syklien lukumäärä Nc Kriittinen nopeus
NH Amiiniryhmä
Nm Myllyn kierrosnopeus ω Kulmanopeus
phr Tietyn ainesosan osuus kumissa (Parts per Hundred Rubber)
R Painaumantekovälineen säde Rkin Suhteellinen kineettinen energia
RPA Kumien tutkimiseen käytettävä laitteisto (Rubber Process Analyzer)
rpm Kierrosta minuutissa SBR Styreenibutadieenikumi
viii SEM Pyyhkäisyelektronimikroskooppi
s1 Vuorauksen etuosa s2 Vuorauksen takaosa
T Energian vapautumisnopeus t Aika
t1 Uusi vuorausprofiili t2 Vanha vuorausprofiili
tan δ Hystereesin mittaamiseen käytetty parametri θ Sijainti myllyssä
trans Yhdisteillä atomin tai atomiryhmän sijaitseminen eri puolilla kaksoissidokseen nähden
V Partikkelin etenemisnopeus
Vel Kokonaismateriaalihäviö vuorauksen tietyllä alueella
ν Poissonin vakio
υn Suhteellinen normaalinopeus vt Tangentiaalinen nopeus v(t) Nopeus tietyllä ajanhetkellä W Vuorauksen kulumisnopeus x(t) Sijainti tietyllä ajanhetkellä
1 JOHDANTO
Kumimateriaalit ovat materiaaleina kimmoisia ja niiden ominaisuudet vaihtelevat paljonkin kumimateriaalista riippuen. Monipuolisten ominaisuuksiensa vuoksi niitä
voidaan soveltaa moniin eri käyttötarkoituksiin. Hyvien
äänenvaimennusominaisuuksiensa vuoksi niitä käytetään eristemateriaaleina, mutta myös hyvää kulutuskestävyyttä vaativat kohteet, kuten liukuhihnat, auton renkaat sekä myllynvuoraukset valmistetaan yleensä kumimateriaaleista.
Eräs kumimateriaalien pääsovelluksista on juurikin edellä mainittu auton rengas.
Renkaiden hyvä kunto on ensiarvoisen tärkeää, sillä rengas vaikuttaa eniten auton ajo- ominaisuuksien turvallisuuteen. 2000-luvulla tapahtuneissa henkilö- ja pakettiautojen henkilökuolemiin johtaneissa kolareissa renkaat ovat aiheuttaneet riskitilanteen peräti 15 prosentissa tapauksista. [1] Renkaissa käytetävien kumiseosten tuleekin olla erittäin laadukkaita.
Tämän työn teoreettisessa osuudessa perehdytään ensimmäiseksi myllyihin, niissä käytettäviin vuorauksiin sekä polymeerimateriaaleihin, joista vuorauksia valmistetaan, Tämän jälkeen käsitellään myllynvuorauksiin kohdistuvia kulumismuotoja sekä niiden taustalla olevia mekanismeja. Loppupuolella keskitytään kumimateriaalien kulumistestausmenetelmiin sekä simulointiin. Niistä valitaan sopivin menetelmä aina tilanteen mukaan.
Työn kokeellisessa osuudessa valitaan neljä erilaista kumisekoitusta, joita käytetään myllynvuorauksissa. Sekoituksissa käytettyjä polymeereja on käsitelty työn teoriaosiossa. Testausmenetelmiksi valikoituvat abrasiivista, iskevää sekä eroosiokulumista jäljittelevät menetelmät, sillä niitä esiintyy vuorauksen kuluessa.
Kaikissa testeissä mitataan näytteen massan pienenemistä. Abrasiivisessa kulumistestissä laitteisto puristaa näytteen abrasiivia vasten. Iskevässä kulutustestissä puolestaan isketään alustaan liimattua näytettä kahdella hydraulisesti toimivalla vasaralla. Eroosiokulutustestauksessa näytteet asetetaan pyörimään lietteeseen, joka koostuu abrasiivista ja vedestä. Työn lopussa esitetään johtopäätöksiä työn tavoitteista ja tuloksista.
2 JAUHATUSMYLLYT JA MYLLYNVUORAUKSET 2
2 JAUHATUSMYLLYT JA MYLLYNVUORAUKSET
Jauhatusmyllyjen murskausprosessin viimeinen osa on jauhatus, jossa partikkelikoon pienentäminen toteutetaan iskujen ja abraasion yhdistelmän avulla. Tämä voidaan suorittaa joko kuivissa olosuhteissa tai lietteenä vedessä, joista jälkimmäinen on useammin käytetty vaihtoehto. Jauhatus tehdään sylinterimäisissä terässäiliöissä, joihin on ladattu jauhinmateriaali. Tämä jauhinmateriaali voi liikkua vapaasti myllyn sisällä, jolloin materiaali jauhautuu hienoksi. Jauhatusmyllyt voidaan jakaa kahteen tyyppiin, rumpu- ja sekoitusmyllyyn, riippuen liikkeen välittymisestä täyttöannokselle.
Rumpumyllyjen toimintaperiaatteena on liikkeen välittyminen täyttöannokselle rungon kautta, kun myllyn runkoa pyöritetään. Jauhinmateriaalina voi toimia terästangot, teräskuulat tai kivet. Sekoitusmyllyissä myllyn runko on puolestaan asennettu pysymään paikallaan joko vaaka- tai pystysuunnassa. Liikkeen välittyminen täyttöannokselle tapahtuu sisäisen sekoittimen avulla. [2, s. 147]
Myllyjen sisäiset työnskentelypinnat on varustettu vaihdettavilla vuorauksilla. Niiden täytyy kestää iskuja ja kulutusta sekä edistää täyttöannoksen liikkumista. Vuorauksen valmistusmateriaali voi olla metalli, kuten mangaani- tai kromimolybdeeniteräs tai valkoinen valurauta. Vuorauksia valmistetaan myös kumimateriaaleista. Myös magneettisia vuorauksia voidaan käyttää. Niissä ei tarvitse käyttää pultteja lainkaan, sillä vuoraus pysyy kiinni teräksessä ja päätylevyissä magneetin avulla. Lisäksi mikä tahansa magneettinen materiaali voi kiinnittyä vuoraukseen muodostaen 30-40 millimetriä paksun suojaavan kerroksen, kun myllyn kuula ei ikään kuin huomioi varausta. Tämä kerros myös uusiutuu jatkuvasti vuorauksen kuluessa. Vuorauksen valmistusmateriaalin valinta riippuukin pitkälti myllyn tyypistä sekä sille vaadituista ominaisuuksista. [2, s. 153]
Vuorauksia voidaan nykypäivänä valmistaa monilla erilaisilla menetelmillä. Näistä esimerkkeinä voidaan mainita kalanterointi sekä myös uudemmat tekniikat, kuten ekstruusion erikoismuodot. [3, s.153, katso 4] Vuorauksen laatu voi kuitenkin heikentyä odottamattomista syistä. Tällaisissa tilanteissa olisi ensiarvoisen tärkeää huomata tilanne ajoissa ja yrittää mahdollisesti myös selvittää siihen johtaneita syitä. [3, s.153, katso 5]
2.1 Rumpumyllyt
Jauhatusmyllyihin kuuluvia rumpumyllyjä on olemassa kolmea erilaista tyyppiä: tanko-, kuula- sekä AG/SAG-myllyjä, joista viimeiseksi mainittu tarkoittaa autogeenistä tai puoliautogeenistä myllyä riippuen jauhinkivien tyypistä. Yleisesti voidaan todeta, että nämä mainitut myllytyypit koostuvat vaakasuorasta sylinterikuoresta, jossa on mukana
uusiutuva vuoraus sekä jauhinkivet. Myllyn päätyseinään on asennettu kiinni onttoja tappeja, jolloin ne tukevat rumpua sen pyöriessä akselinsa ympäri. Tällainen rumpumylly on esitetty kuvassa 2.1. Myllyn halkaisija määrittää käytettävän annoskoon, jonka perusteella voidaan todeta, että suuremmalla annoskoolla tarvitaan myös suurempi myllyn halkaisija. Lisäksi myllyn pituus yhdessä myllyn halkaisijan kanssa vaikuttavat myllyn tuotantotehokkuuteen.
Kuva 2.1. Rumpumylly. [2, s. 148]
Materiaalin syöttäminen myllyyn tapahtuu yleensä jatkuvatoimisesti yhden päätytapin läpi, jonka jälkeen pohjustettu tuote kuljetetaan toisen tapin kautta. Joissakin sovelluksissa tuote voidaan tosin kuljettaa useiden myllyn ulkokehälle sijoitettujen porttien läpi. Kaikkia myllytyyppejä voidaan soveltaa sekä kuiva- että märkäjauhatukseen, kun niiden syöttö- ja purkulaitteistoja muutellaan. [2, s. 148]
2.2 Sekoitusmyllyt
Kaivosteollisuudessa yleisimmin käytettävät sekoitusmyllyt voidaan luokitella kahteen eri tyyppiin: pienellä sekoitusnopeudella toimiviin myllyihin, joissa painovoimalla on suuri merkitys sekä suurinopeuksisiin sekoitusmyllyihin, jotka tekevät lietteen juoksevaksi. [2, s. 164] Yksinkertaistettu kaaviokuva sekoituskuulamyllyn kokoonpanosta on esitetty kuvassa 2.2. Siinä on havainnollistettu lietteen kulku myllyn läpi.
2 JAUHATUSMYLLYT JA MYLLYNVUORAUKSET 4 Sekoitusmylly eroaa rumpumyllystä jauhatusenergian siirtymistavassa materiaalille.
Sekoitusmylly hyödyntää pääasiassa leikkausenergiaa, kun taas rumpumylly hyödyntää sekä isku- että leikkausenergiaa suunnilleen tasapuolisesti. Leikkaus on tehokkaampaa hienojauhatuksessa ja täten sekoitusmyllyt ovat rumpumyllyjä energiatehokkaampia tällaisissa sovelluksissa. [2, s.164, katso 7] Tätä voidaan perustella pienhiukkasten iskuilla, esimerkiksi kuulien törmäyksillä, sillä ne tyypillisesti erottavat pienikokoisia partikkeleita lietteestä, eivätkä murra niitä. Sekoitusmyllyjä on ennemmin käytetty pääasiassa vain uudelleenjauhatussovelluksissa, mutta nykyään niitä pystytään hyödyntämään myös perinteisissä jauhatussovelluksissa. [2, s. 164]
Kuva 2.2. Yksinkertaistettu sekoituskuulamyllyn kokoonpano. [6, s. 175]
2.3 Vuoraukset
Jauhatusmyllyissä käytetään sekä kumista että teräksestä valmistettuja vuorauksia. [3, s.
153, katso 8] Kumivuoraus on suunnilleen samanhintainen kuin tavallisesta teräksestä valmistettu vuoraus, mutta se on paljon helpompi asentaa kuin teräsvuoraus.
Kumivuorauksissa ainoastaan iskuille altistuvat tärkeimmät komponentit täytyy kierrättää noin 600 000 tonnin tuotantomäärän jälkeen. Teräsvuoraukset ovat kuitenkin kumivuorauksia tehokkaampia tilanteissa, jolloin jauhettavan mineraalin kovuus pienenee. [3, s.153, katso 9]
Kumivuorauksia hyödynnetään ikään kuin levymateriaalina, tavanomaisen paksuuden ollessa 5-6 millimetriä. Paksumpia vuorauksia käytetään suurempaa kulutuskestävyyttä ja lämpötiloja vaativissa kohteissa. Kumivuorauksilla on hyvä
kestävyys lämpö- tai mekaanista sokkia vastaan ja sille voidaan muotoilla myös hyvä kulutuskestävyys. [10, s. 605]
Kumista valmistetut vuoraukset ja nostimet ovat joissain sovelluksissa korvanneet teräsvuoraukset. Näistä moni on asennettu kuulamyllyihin. Niiden on todettu olevan helpompia ja nopeampia asentaa, kestävän kauemmin sekä käytössä pienentävän melutasoja huomattavasti. Suuret kulumisnopeudet rajoittavat kumivuorauksien käyttämistä jauhatussovelluksissa. Lisäksi kumivuorauksien prosessissa tarvitaan vaahdotusreagenssien lisäämistä suoraan myllyyn tai lämpötilan nostamista 80°C:seen.
Eräs huono puoli on myös se, että kumivuoraukset ovat paksumpia kuin vastaavat teräsvuoraukset, joka taas vaikuttaa myllyn tuottavuuteen heikentävästi. Myös kumi- ja teräsvuorausten muotoiluissa on eroja. [2, s. 153, katso 11] Kuitenkin kumista valmistetun nostopalkin ja pinnan sisään upotetun teräsistukan yhdistelmä on hyvä vaihtoehdo vuorauksen materiaaliksi. Teräs tarjoaa kulutustuskestävyyttä ja kumiosa iskunvaimennuskykyä. [2, s. 153, katso 12]
Kumivuorauksen asentaminen voi vaatia paljon työvoimaa ja -aikaa. Kumilevyt täytyy leikata ja asettaa pohjaan käsin. Ilman poistaminen tapahtuu kahden telan välin jäävän pinnan sekä muiden erikoistyökalujen avulla. Tiivistyssaumojen tekeminen vaatii taitoa ja lisäksi asennuksen jälkeen täytyy tehdä myös huolellinen tarkastus. Ennen asennusprosessin lopullista valmistumista vuoraus vulkanoidaan tai kovetetaan höyryn avulla. Vuorauksen alle jäävä pienikin ilmamäärä aiheuttaa pullistuman vuoraukseen, joka pitää korjata ennen kuin vuorausta voidaan käyttää. Kumivuorauksen asennusprosessi vaatiikin paljon ammattitaitoa tekijöiltään.
Luonnonkumista ja synteettisestä kumista valmistettuja vuorauksia käytetään monilla teollisuuden aloilla niiden korroosion- ja/tai kulumiskestävyyden vuoksi. Tällaisia aloja ovat kuljetus, kemiallinen prosessointi, veden- ja mineraalinkäsittely sekä kaivosteollisuus. Näistä viimeiseimpään kuuluvat myös myllynvuoraukset. [10, s. 605]
3 MYLLYNVUORAUKSISSA KÄYTETTÄVÄT POLYMEERIT 6
3 MYLLYNVUORAUKSISSA KÄYTETTÄVÄT POLYMEERIT
Synteettisiä kumeja sekä luonnonkumeja sovelletaan nykyään moniin teollisuuden kumituotteisiin. Luonnonkumin erinomaisten murto- ja repimislujuuksien sekä hyvän abraasiokestävyyden vuoksi sitä käytetään esimerkiksi renkaisiin ja liukuhihnoihin.
Styreenibutadieenikumia eli SBR:a hyödynnetään yleensä kulumiskestävyyttä vaativissa kohteissa, mutta sen heikohkot murto- ja repimislujuudet kuitenkin rajoittavat käyttöä.
Mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi styreenibutadieenikumille voidaan tehdä kangasvahvistus tai sitä voidaan sekoittaa luonnonkumin kanssa. Itseasiassa luonnonkumin tahmaisuus parantaa merkittävästi SBR:n kiinnittymistä tuotteeseen. [13, s. 856, katso 14]
3.1 Luonnonkumi
Luonnonkumi on eräs elastomeeri. Siitä voidaan käyttää myös nimeä cis-1,4- polyisopreeni. Luonnonkumia on hankittu pääasiassa Hevea Brasiliensis-puusta kaupallisiin tarkoituksiin. Kyseisellä kumilla esiintyy kahta isomeeristä muotoa, jotka ovat cis- ja trans-muodot. Kahden isomeerin esiintyminen johtuu ketjun kaksoissidoksesta. Hevea Brasiliensis-puusta hankittu luonnonkumi on cis-isomeeri.
Luonnossa esiintyvän luonnonkumin molekyylipaino vaihtelee, johon vaikuttaa lähdekasvi. Luonnonkumin fyysiset ominaisuudet määräytyvät pitkälti kumin rakenteesta, joista avaruusrakenne on merkittävin. Elastisuus on eräs tämän kumin uniikeimmista ominaisuuksista. Tämä ominaisuus näyttäytyy cis-muodolla. Vapaa pyöriminen yksittäisten sidosten ympäri mahdollistaa kumimolekyylien rullaantumisen ja sekoittumisen sattumanvaraisesti toisten kanssa. Kumia venytettäessä molekulaarinen järjestäytyminen lisääntyy. Tämä on havaittu röntgensädetutkimusten avulla.
Luonnonkumilla on samoja tunnuspiirteitä kuin paksulla öljyllä, kun kumiketjujen välinen koheesio rikkoutuu eri tavoilla. Tietyissä olosuhteissa, erityisesti sellaisissa, joissa vaaditaan voimakasta jäähdyttämistä, luonnonkumin käyttäytyminen muistuttaa kiteistä materiaalia. [15, s. 533 - 534]
3.1.1 Prosessointi
Luonnonkumien tuottaminen tapahtuu edellä mainitun Hevea Brasiliensis-puun eri lajikkeista saatavasta lateksista. Kuvassa 3.1 on esitettynä luonnonkumin rakenne.
Tuotannon valmistaminen aloitetaan juurikin lateksin keräämisellä Hevea Brasiliensis- puusta. Tämän jälkeen lateksille tehdään saostuskylpy, levytys, kuivaus sekä paalaus.
Kautsun kauppalaadun tuotannon aikana alumiiniset osat asetetaan pystysuorasti saostussäiliöön, jotta hyytymälle saataisiin levymäinen muoto. Tämä tehdään ennen
kuin happoa lisätään lateksiin saostumaa varten. Lopulta märät levyt painetaan useiden eri nopeuksilla pyörivien telojen läpi vesisuihkujen kanssa.
Lopussa tehtävä kuivaaminen suoritetaan yleensä joko savustamossa tai kuivaavassa ilmatunnelissa, jossa lämpötila vaihtelee välillä 43°C-60°C. Kuivaaminen on usein melko pitkä prosessi ja voikin kestää jopa 4-5 päivää, sillä ympäröivässä ilmastossa ei saa olla yhtään väriä poistavaa savua jäljellä. Tämän jälkeen kuivatut levyt päällystetään talkkijauheella lähetystä varten, kun ne on sitä ennen puristettu paaleiksi. Lopuksi levyt leimataan vielä tarvittavilla merkeillä. Näin tuotettujen luonnokumien väri on vaalea ja paksuus tasainen. Vaalea väri on tärkeää erityisesti valkoista tai vaaleaa väriä vaativissa sovelluksissa, kuten päällystetyissä tekstiileissä. [16, s. 28-29]
Kuva 3.1. Luonnonkumin rakennekaava. [16, s. 29]
3.1.2 Ominaisuudet
Luonnonkumilla on monia hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten esimerkiksi hyvä raaka- ja edellä mainittu murtolujuus. Luonnonkumi voikin kiteytyä oma-aloitteisesti, kun sitä venytetään. [17, s. 8, katso 18] Se kiteytyy jo matalissa lämpötiloissa, kuten 0°C:n alapuolella olevissa lämpötiloissa. Tämä onkin välttämätöntä sulalle kumille, kun sitä uunitetaan kuumassa huoneenlämpötilassa (40-50°C) ennen talvikäyttöä. [15, s. 534 katso 19]
Luonnonkumin kypsymislämpötila on matalampi kuin synteettisillä kumeilla, jonka vuoksi sen vulkanointiaika on pidempi. Lisäksi luonnokumin abraasiokestävyys sekä vanhenemisvastus ovat heikommat kuin syntettisillä kumeilla. Se myös säröilee helposti kulutusurilla ja renkaan sivuseinämissä rengassovelluksissa.
Luonnonkumi on hydrofobinen ja se kestävyys on hyvä emäksiä ja heikkoja happoja vastaan. Se kestää kohtalaiseti otsonia ja hapettumista, mutta valoa huonosti. Näin ollen luonnonkumia ei voida käyttää paloöljyn kestävyyttä vaativissa kohteissa, eikä kohteissa joissa kumi altistuu valolle tai otsonille. Tämän vuoksi eristysteollisuudessa hyödynnetäänkin muita kumeja kuin luonnonkumia. [15, s. 534]
Jotkut ominaisuudet, kuten heikohkot moduulit sekä kovuus rajoittavat luonnonkumin käyttöä tietyissä sovelluksissa. Näitä ominaisuuksia täytyykin tällöin parantaa lujittamalla. Hiilimusta sekä piidioksidi ovat tavallisimmat kumien
3 MYLLYNVUORAUKSISSA KÄYTETTÄVÄT POLYMEERIT 8 mekaanisten ominaisuuksien parantamiseen käytettävät lujittavat täyteaineet. Yleisesti voidaan todeta, että hiilimustalla lujitetuilla luonnonkumeilla on suuremmat moduulit kuin piidioksidilla lujitetuilla luonnonkumeilla. Piidioksidia puolestaan käytetään lujittavana täyteaineena, kun kumille halutaan hyvä repimislujuus ja vanhenemisenkestävyys sekä hyvät adheesio-ominaisuudet. [17, s. 8, katso 18]
Nykypäivänä myös nanomittakaavan täyteaineita voidaan käyttää parantamaan vulkanoidun kumin mekaanisia ominaisuuksia. [20] Ominaisuuksia saadaan parannettua esimerkiksi jo pienellä nanosavipitoisuudella (pienemmällä kuin 10 phr), mikäli savisilikaattikerroksien jakaantuminen polymeerimatriksin sisälle saadaan toteutettua nanomittakaavassa. [17, s. 8. katso 21,22] Tutkimuksissa on havaittu, että pieni savimäärä aiheuttaa lisää jäykkyyttä materiaaliin ja tämän seurauksena taas materiaalin kovuus ja moduulit kasvavat. Luonnonkumin nanokomposiiteilla on todettu, että suurin murto- ja repimislujuus saavutetaan, kun kumissa on mukana 5-8 phr orgaanisesti muunneltua montmorilloniittia. [17, s. 8, katso 23]
3.1.3 Jalostaminen
Luonnonkumin jalostusmahdollisuuksien on todettu olevan todella hyvät. Se on tosin sitkeää alle 100°C:n lämpötiloissa, mutta sille saadaan muokattua helposti työstökelpoinen viskositeetti. Perinteisiä valmistusmenetelmiä voidaan käyttää luonnonkumin valmistamiseen. Esimastisointia ei kuitenkaan tarvita kumilaaduille, joissa on vakiintunut viskositeetti. Vastaavasti mastisointia yleensä käytetään normaaleille laaduille. Lämpötila vaikuttaa mastisoinnin tehokkuuteen ja se on pienimmillään 100°C:n tietämillä. [24, s. 32, katso 25] Mastisointi on mahdollista myös matalammissa lämpötiloissa, kun käytetään kemiallisia peptisointiaineita, jotka myös lisäävät mastisoinnin tehokkuutta. Suuren alkuperäisen viskositeetin kumit murtuvat helposti yleensä suurten leikkausvoimien vaikutuksesta. Luonnonkumin murtumiskäyttäytyminen riippuu myös sen lämpöhapettumisen vastuksesta eli PRI:stä, jonka lyhenne tulee sanoista 'plasticity retention index'. On todettu, että korkean PRI:n ja lateksia sisältävät laadut murtuvat paljon hitaammin kuin koagulaattilaadut.
Luonnonkumin murtumiskäyttäytyminen onkin nopeampaa kuin
styreenibutadieenikumilla. Luonnonkumin alkuperäinen viskositeetti on paljon suurempi styreenibutadieenikumilla, siitä huolimatta luonnonkumisekoituksen keskimääräinen viskositeetti on matalampi kuin styreenibutadieenikumisekoituksella sekoittamisen aikana. Tästä voidaan päätellä, että luonnonkumin sekoittaminen kuluttaa vähemmän energiaa kuin styreenibutadieenikumin sekoittaminen.
Kun suulakepuristetaan täysin sekoittunutta yhdistettä, mahdollinen turpoaminen ja syntyvä jännitys aiheutuvat pitkälti kumierän viskositeetista. Tämän vuoksi mastisoidun kumin jalostuskäyttäytymistä voidaan ennustaa viskositeetin avulla. Mastisoidulla kumilla on paremmat ominaisuudet ekstruusiota varten kuin mastisoimattomalla kumilla, kun niiden viskositeetit ovat samat.
Jalostettaessa luonnonkumia sen olennaisimmat ominaisuudet ovat suuri luontainen tahmeus sekä raakalujuus. Näiden ominaisuuksien vuoksi luonnonkumia käytetään muun muassa renkaiden valmistukseen. Tahmeuden ansiosta raakarenkaan yhdisteet pysyvät kiinni toisissaan muovaukseen asti. Raakalujuus puolestaan estää vulkanoimattoman renkaan virumisen ja täten myös liiallisen vääntymisen ennen muovausta sekä muovauksen jälkeen tehtävän venyttämisen aikaisen repeytymisen.
Käytännössä tahmeudella tarkoitetaan kahden samnalaisen materiaalin vastusta niiden erottamista vastaan, kun ne ovat kontaktissa toistensa kanssa lyhyen aikaa pienen paineen avulla. Luonnonkumi on tahmempaa kuin styreenibutadieenikumi, jonka vuoksi se myös myötää paremmin puristuvan kuormituksen alla ja lisäksi sen raakalujuus on suurempi. Luonnonkumi onkin erittäin hyvä materiaali suurta tahmeutta vaativissa kohteissa. Sen raakalujuus pysyy suurena, vaikka sille prosessoidaan matala viskositeetti. Luonnonkumin suuri raakalujuus johtuu sen jännityskiteytymisestä, jota ei esiinny sidosten muodostumisvaiheessa, eikä se myöskään interferoi kosketusten tai keskinäisen diffuusion kanssa. Luonnonkumia venytettäessä jännityskiteytymistä kuitenkin tapahtuu. [24, s. 32]
3.2 Synteettinen styreenibutadieenikumi
Styreenibutadieenikumissa eli lyhyemmin SBR:ssä on 25% styreeniä ja 75%
butadieenia. Sitä voidaan valmistaa kahden eri menetelmän avulla. Nämä kyseiset menetelmät ovat emulsio- ja liuospolymerointi. Niistä käytetään sitä, kumpi on sopivampi lopputuotteen kannalta ominaisuudet ja kustannukset huomioiden. [24, s. 60]
3.2.1 Emulsiopolymerointi
Emulsiopolymeroinnilla voidaan valmistaa styreenibutadieenikumia, jolla on suuri molekyylipaino. Menetelmän alkaminen tapahtuu vapaa radikaalisesti, jonka vuoksi tuloksena syntyvissä ketjuissa styreeni- ja butadieeniyksiköt ovat sijoittuneet sattumanvaraisesti. Butadieenin sijoittumisessa on havaittavissa vain vähän atomien ja molekyylien kolmiulotteista järjestäytymistä. Emulsiopolymeroinnilla saavutettava mikrorakenne ei juurikaan sovellu muunteluun, vaikka polymerisaation lämpötila vaikuttaakin trans-muodon lukumäärään suhteessa cis-muodon lukumäärään.
Styreenibutadieenikumia tuotetaan eniten emulsiopolymeroinnin avulla, mutta myös liuospolymerointia käytetään nykyään yhä enemmän. [24, s. 60]
3.2.2 Liuospolymerointi
Liuospolymerointia sovelletaan nykypäivänä erityisesti autonrenkaisiin käytettävän styreenibutadieenikumin valmistuksessa. Polymerointiin käytetään Ziegler-Natta siirtymämetalli katalyyttia. Liuospolymeroinnissa hyödynnetään anionisia tai koordinoivia aloitekatalyytteja, joiden avulla on mahdollista säädellä trans/cis-
3 MYLLYNVUORAUKSISSA KÄYTETTÄVÄT POLYMEERIT 10 mikrorakennetta sekä polymeroidun butadieenin 1,2-pitoisuutta. Liouspolymeroidun SBR:n murtolujuus, moduulit ja venymä ovat suunnilleen yhtä hyvät kuin emulsiopolymeroidulla SBR:lla, mutta taipumisvastus ja resilienssi ovat puolestaan paremmat sekä lämmönmuodostus ja renkaiden vierimisvastus matalammat kuin emulsiopolymeroidulla SBR:lla. Tämän vuoksi liuospolymerointia käytetäänkin nykyään emulsiopolymerointia enemmän rengassovelluksissa. Vuonna 1997 liuospolymerointia käytettiin 20% pääasiassa autonrenkaiden valmistukseen käytettävän styreenibutadieenikumin valmistuksessa, mutta nykypäivänä osuus on vielä suurempi.
Tulevaisuuden suuntauksena on laajentaa liuospolymeroinnin käyttöä joillekin sellaisille kehitysalueille, joihin voidaan hyödyntää lisäksi myös emulsiopolymerointia. [24, s. 60- 61]
3.3 Polyuretaanit
Polyuretaaneja on useita erilaisia, joista monet ovat aivan erityyppisiäkin. Kaikissa niissä esiintyy kuitenkin uretaaniryhmä. Näiden ryhmien määrä saattaa siitäkin huolimatta olla pieni verrattuna ketjun muiden ryhmien määrään, esimerkiksi elastomeereillä esteri- tai eetteriryhmiin. Polymeeri kuuluu kuitenkin tällöin polyuretaaneihin. Polyuretaanien rakenteiden suuret vaihtelut voivat vaikuttaa myös sen ominaisuuksien suuriin vaihteluihin. Polyuretaanien muodostuminen tapahtuu useimmiten jalostuksen aikana, kun polyisosyanaatit reagoivat hydroksyylia sisältävien yhdisteiden kanssa. Polyuretaanille voidaan säädellä haluttuja ominaisuuksia isosyanaatin ja polyolin tyypin valinnalla tai molempien yhdistelmillä. Tätä varten täytyy kuitenkin tietää rakenteen ja ominaisuuksien välinen suhde. Polyuretaanien suurimpia etuja muihin polymeereihin verratuna on juurikin edellä mainittu mahdollisuus räätälöidä rakennetta joustavasti. Uretaaniryhmät pystyvät muodostamaan vahvoja vetysidoksia keskenään ja myös eri substraattien kanssa. Vahvojen molekyylisidosten ansiosta polyuretaaneja voidaan hyödyntää monipuolisesti liimoissa, päällysteissä, elastomeereissä sekä vaahdoissa. Eräs toinen polyuretaanien suurimmista eduista on isosyanaattien reagointiherkkyys. Ne pystyvät reagoimaan eri aineiden kanssa, joissa on erilaisia funktionaalisia ryhmiä. Tämän ansiosta polyuretaanien polymerisaatio voidaan suorittaa melko matalassa lämpötilassa ja lyhyessä ajassa. Myös polyurea luokitellaan yleensä polyuretaaniksi, koska ureaa muodostuu usein uretaanin tuottamisen aikana isosyanaattien ja amiinien reaktiossa. Urearyhmä on muuten samanlainen kuin uretaaniryhmä, mutta siinä on kaksi NH-ryhmää. Tämän takia se pystyy muodostamaan enemmän vetysidoksia kuin uretaaniryhmä. [26, s. 503-504]
3.3.1 Polyuretaanien prosessointi
Termoplastiset polyuretaanit prosessoidaan perinteisillä menetelmillä, kuten ruiskuvalulla ja ekstruusiolla. Polyuretaanivaahdot ja valetut elastomeerit valmistetaan
puolestaan nestekoostumuksista. Nestesysteemejä täytyy käsitellä eri tavoin, sillä niitä prosessoitaessa useita komponentteja täytyy sekoittaa ja kaataa muottiin tai avoimeen tilaan. Sekoituslaitteiso onkin erittäin tärkeä osa polyuretaanin prosessoinnissa. Sen osia ovat mittausyksikkö ja -pää sekä säiliöt, joihin voidaan varastoida eri komponentit.
Kaavio polyuretaanin prosessoinnista on esitetty kuvassa 3.2.
Kuva 3.2. Esitys polyuretaanin valuprosessista. [26, s. 523]
Ruiskutettujen vaahtojen tai elastomeerien prosessonnissa komponentit pumpataan tietyllä suhteella mittauspäähän, jossa komponentit sekoittuvat homogeeniseksi sekoitukseksi. Kuten vaahdoillakin, sekoitus kaadetaan tämän jälkeen muottiin tai liukuhihnalle Pumpattavien nesteiden, eli tässä pääasiassa polyolien viskositeetit voivat olla jopa 20000 mpa s (cP). Nesteiden siirtämiseen käytetään pieninopeuksisia hammaspyöräpumppuja. Tällaisen systeemin tärkein laite on sekoituspää. Niitä on saatavilla yleensä sekä matala- että korkeapaineisina. Matalapaineisissa sekoituspäissä sekoittaminen tapahtuu neljän Mpa:n paineella mekaanisesti sekoittaen. Tällaisen sekoituspään hyvänä puolena on sen halpa hinta. Lisäksi se pystyy hallitsemaan komponenttien hitaatkin nopeudet, valamaan pieniä osia sekä prosessoimaan laajalla viskositeettivälillä. Sekoituspää puhdistetaan sopivilla liuottimilla prosessin lopuksi.
Korkeapaineisia laitteistoja hyödynnetään tapauksissa, joissa käytetään matalan viskositeetin polyoleja. Viskositeetin pienentäminen on mahdollista polyolikomponenttia lämmittämällä. Tällaisessa tilanteessa kahta tai useampaa komponenttivirtausta ruiskutetaan sekoituskammioon suurella nopeudella.
Sekoituskammiossa komponentit törmäilevät ja sekoittuvat pyörrevirtauksen vaikutuksesta. Korkeapaineisilla laitteistoilla pystytään mittaamaan tarkasti, prosessoimaan erittäin nopeita systeemejä, minimoimaan jäte ja näin ollen niitä ei välttämättä tarvitse puhdistaa, sillä niissä on itsepuhdistuvat päät. Näiden etujen vuoksi korkeapaineisia laitteistoja käytetään eniten.
Polyuretaanivaahdoilla muovausprosessi voi olla jatkuva, kuten kuvassa 3.1 on esitetty. Prosessi voi olla myös keskeytyvä, kun muotissa oleva valu otetaan välillä pois.
3 MYLLYNVUORAUKSISSA KÄYTETTÄVÄT POLYMEERIT 12 Jatkuvassa prosessissa kohtisuorassa suunnassa kuljetushihnan suuntaan nähden oleva sekoituspää kulkee kuljetushihnan toisesta päästä toiseen, kaataen samalla nestemäistä polyuretaanisekoitusta kuljetushihnan paperipohjaan. Nesteestä muodostuu nopeasti vaahtoa ja tämän jälkeen sykeröä, joka saadaan leikattua haluttuun kokoon terän avulla.
[26 s. 522-523, katso 27,28]
3.3.2 Valettavat polyuretaanielastomeerit
Valettavat polyuretaanit ovat yksi tärkeistä polyuretaaniteollisuuden ryhmistä. Niiden tuotantoprosessi voidaan aloittaa hyvin pienilläkin kustannuksilla ja prosessin kehittyessä voidaan investoida täysin automaattisiin laitteisiin. Tällainen prosessi koostuu muutamista eri vaiheista. Ensimmäiseksi täytyy annostella tarvittavat 2-5 aineosaa sopivassa lämpötilassa. Tämän jälkeen koostumusta sekoitetaan huolellisesti.
Seuraavaksi on vuorossa valaminen esivalmisteltuun muottiin. Kun valu on kovettunut muotissa, muotti puretaan. Lopuksi leikataan ylimääräiset purseet pois tuotetusta polyuretaanista.
Polyuretaania voidaan käyttää myös muotinvalmistukseen pienillä tai keskisuurilla tuotantomäärillä. Prosessin monimutkaisuus riippuu tuotteen käyttösovelluksesta. Tietyt sovellukset vaativat polyuretaanin tyypin ja kemian sekä käytettävän muotin laadun valitsemista huolella.
Valettavien polyuretaanien käyttökohteet eivät ole selkeästi havaittavissa. Niissä on kuitenkin olemassa myös tutumpia esimerkkejä. Niitä voidaan soveltaa esimerkiksi venetrailerin rulliin, moottorin alustoihin sekä meriteollisuudessa. Muussa teollisuudessa polyuretaanien käyttökohteet vaihtelevat ja niitä voitaisiin käyttää monipuolisesti erilaisiin käyttökohteisiin. Tällä alueella niitä hyödynnetään esimerkiksi koneenrakennusosina ja prototyyppien valmistamisessa. Lisäksi polyuretaanien käyttöä voidaan jalostaa myllynvuorauksiin.
Yleisesti teollisuudessa on olemassa myös muita käyttösovelluksia, joissa polyuretaanin valinta olisi ekonomisesti kannattavampaa sen kulumis- tai kemiallisen kestävyyden vuoksi verrattuna muihin polymeereihin tai metalleihin ja keraameihin.
Säteilynkestävyytensä takia valettavia polyuretaaneja voidaan soveltaa myös atomiteollisuuteen. Lisäksi niitä voidaan käyttää lääketeollisuuden sovelluksissa, kuten katetreissa sekä armeijan rakettien hapettimien sideaineissa ja rakettien päällysteissä.
[29, s. 9-11]
4 KULUMISMUODOT
Materiaalien kulumismuotoja on olemassa useita erilaisia. Ne voidaan jakaa yleisesti päätyyppien mukaan abrasiiviseen ja adhesiiviseen kulumiseen. Kiinteän materiaalin kulumiseen johtaa pintaa suojaavan oksidikalvon rikkoutuminen kuormituksen vaikutuksesta. [30, s. 423]
Kumimateriaalien kuluminen johtuu useista eri mekanismeista, joiden ääripäiksi voisi mainita kumin hapettumisen ja mekaanisen hajoamisen. Käytännöllisen kulumismallin rakentaminen kumille on haasteellista, sillä kaikki tai osa mekanismeista voi esiintyä samaan aikaan. Kumimateriaalin kulumiseen liittyy myös monia ulkoisia tekijöitä, kuten liukumisnopeus, kosketuspintojen muoto, normaalipaine, kosketuslämpötila, epäpuhtauksien esiintyminen sekä monet muut tekijät. [31, s. 147, katso 32] Näistä syistä johtuen onkin erittäin tärkeää testata näytettä myös todellisissa työstämisolosuhteissa. Kumin kulumista voidaan testata laboratoriomittakaavan lisäksi myös oikeankokoisessa mittakaavassa, mutta näistä jälkimmäinen voi muodostua melko kalliiksi.
Kumimateriaaleilla esiintyy useita eri kulumismuotoja. Näistä käydään seuraavaksi läpi muutamia merkittävimpiä. Eri kulumismuodoilla on luonnollisesti omat tyypilliset piirteensä ja niihin vaikuttavat erilaiset mekanismit. [33, s. 147]
4.1 Iskevä kuluminen
Iskevä kuluminen on etenevää kulumista, jossa materiaalia kuluu pois tai materiaali vahingoittuu. Tämän aiheuttaa toistuva ja puristava jännitys materiaalin pinnalla. Iskevä kuluminen voi johtaa myös materiaalin muidenkin osien altistumiseen iskevälle rasitukselle.
Kumimateriaalien iskevässä kulumisessa pätevät samat mekanismit kuin metalleilla.
Iskuista muodostuva puristava jännitys voi aiheuttaa pinnanalaista säröilyä ja täten kumimateriaalin elastisista ominaisuuksista johtuvaa sivuttaisliikkeen suhteellista liukumaa pinnoille. Eri elastomeerien käyttäytymisessä iskevän kulutuksen vaikutuksen alaisena on kuitenkin eroja, sillä osa niiden muodonmuutoksista voivat olla myös viskoelastisia, jossa kumimateriaalin jänityksestä palautuminen riippuu ajasta. Tällaista muodonmuutosta esiintyy esimerkiksi, kun tehdään painauma kumimateriaaliin ja tunnin päästä kumia tarkasteltaessa painauma vielä näkyy selvästi, mutta monen tunnin päästä kumimateriaali on palautunut entiselleen, eikä painaumaa enää näy.
Useimmissa kumimateriaalien käyttösovelluksissa iskevä kuluminen ei yleensä ole merkittävää, mutta myllynvuorauksissa iskevä kulutus on eräs merkittävimmistä kulumismuodoista. Myöskin kenkien kumikoroissa iskevällä kulutuksella on suuri vaikutus. Tällainen kumikorko voi tulla pyöristyneeksi jo tunnin päästä työskenneltäessä betonin päällä. Lisäksi myös joissakin muissa kumimateriaalien
4 KULUMISMUODOT 14 sovelluksissa esiintyy iskevää kulumista, kuten kuvan 4.1 kumivasaroista huomataan.
[34, s. 77]
Kuva 4.1. Iskevän kulumisen vaikutuksesta muokkautuneita kumivasaroita. [34, s. 78]
Kumimateriaalin iskunkestävyys mitataan yleensä vain sovelluksissa, joissa iskunkestävyys ja/tai iskevän kulutuksen kestävyydellä on tärkeä rooli. Elastomeeria kulutettaessa iskumaisesti, sen pehmeät komponentit taipuvat, mutta eivät yleensä murru, ellei niitä ole jäähdytetty niiden haurastumislämpötilan alapuolella.
Kumimateriaalin iskunkestävyyttä voidaan testata monien eri menetelmien avulla.
Nämä kaikki menetelmät mittaavat oikeastaan vaadittavaa energiamäärää, joka tarvitaan rikkomaan näytekappale yhdellä iskulla. Testit voidaan suorittaa laajalla -70ºC ja +120ºC välisellä lämpötila-alueella. Eniten käytetyt testausmenetelmät ovat Izodin ja Charpyn iskukokeet. Yksityiskohtaiset tiedot näistä on annettu standardissa ASTM D- 256.
Izodin iskutestissä suorakulmaista näytettä puristetaan lujaa toisesta päästä ja tämän jälkeen sitä isketään painolla, joka on heilurin päässä. Heilurin liikkeen jatkuminen siirtää osoitinta, joka rekisteröi tarvittavan voiman suuruuden näytteen murtumista varten. Iskulujuus ilmaistaan yksikössä voima per näytteen leveys, esimerkiksi Newtonia/metri. Näytteen keskustaan tehdään yleensä lovi ennnen testausta, mutta se ei ole kuitenkaan välttämätöntä. [35, s. 267]
Izodin iskutesti oli alunperin kehitetty metallien iskunkestävyyden testaamista varten, mutta nykyään sitä voidaan soveltaa myös polymeereihin. Izodin testeissä
näytteeseen tehdään lovi, jonka perusteella olosuhteiden voidaan olettaa olevan melko jäykät. Loven tarkoituksena on jäljitellä tuotteen loppukäytössä vallitsevia olosuhteita ja se toimiikin ikään kuin jännityskeskittymänä, joita esiintyy esimerkiksi valettujen polymeerituotteiden terävissä nurkissa. Lovi myös määrää syntyvän murtuman suunnasta riippumattomaksi. Lovi on oikeastaan keinotekoinen särö ja Izodin iskutesti mittaakin energiamäärää, joka tarvitaan suurentamaan säröä. Täten myös materiaalin iskukestävyys määritetään usein särön suurentamiseen tarvittavana energiamääränä.
Kuvassa 4.2 on esitetty kahden lovetun Izodin iskutestauksen hahmotelmat, menetelmät A ja E standardin ASTM D-256 mukaan. Standardi käsittelee muovien ja sähköisesti eristävien materiaalien iskukestävyyttä. Standardin kaikissa menetelmissä näytettä isketään puristusvarrella. Kuvasta voidaan havaita myös, että A-menetelmässä lovi on puristusvarren iskusuunnan puolella. Se onkin eniten käytetty lovetuista Izodin iskutestausmenetelmistä. Menetelmässä E lovi on puolestaan vastakkaisessa suunnassa (180°) puristusvarren iskusuuntaan nähden ja täten siihen ei muodostu jännityskeskittymiä. E-menetelmää käytetäänkin usein vain hartsien iskukestävyyden määrittämiseen ja siinä näyte ei yleensä edes murru. [36, s. 87]
Kuva 4.2. Lovetut Izodin iskutestausmenetelmät standardin ASTM D-256 mukaan.
[36, s. 88]
Charpyn iskutesti on hyvin samankaltainen kuin Izodin iskutesti, mutta siinä näyte on tuettu molemmista päistä, jolloin tilanne muistuttaa yksinkertaista palkkia. Heiluri liikkuu tässä testissä iskun voimasta ja iskulujuus ilmoitetaan yksikössä voima per yksikköleveys. [34, s. 64]
4 KULUMISMUODOT 16
4.2 Abrasiivinen kuluminen
Abrasiivista kulumista tapahtuu, kun jokin kiinteässä olomuodossa oleva kappale kuormittuu materiaalin partikkeleita vastaan. Lisäksi kappaleen täytyy olla vähintään yhtä kova kuin kuormitettu materiaali, jotta tällaista kulumista voi tapahtua. Abrasiivista kulumista esiintyy paljon laajemmin kuin ehkä voidaan huomata. Oikeastaan mikä materiaali tahansa voi aiheuttaa abrasiivista kulumista, kunhan kovia partikkeleita on läsnä. Eniten ongelmia abrasiivisen kulumisen ehkäisyssä ja hallitsemisessa tuottaa se seikka, ettei abrasiivisen kulumisen termi kuvaa tapahtuvia kulumismekanismeja tarkalleen. Lähes aina abrasiivisessa kulumisessa tapahtuu useita kulumismekanismeja samanaikaisesti, joista vielä jokaisella on omat tunnuspiirteensä. [31, s. 525]
Elastomeereillä abrasiivisessa kulumisessa syntyy kitkavoimia, jotka aiheuttavat pienten partikkelien repeytymistä kumimateriaalissa. Tällöin tapahtuu myös likumista elastomeerin pinnan ja alustan välillä. Abrasiivista kulumisnopeutta voidaan arvioida suhteen A/μ avulla, jossa A kuvaa pois abrasoituneen kumin tilavuutta normaalikuormitusta sekä liukuetäisyyttä kohden ja μ puolestaan kitkakerrointa.
Suhdetta voidaan nimittää myös hankauslujuudeksi ja se määrittää abrasoituneen kumin tilavuuden liukumisessa kadonnutta energiaa kohden. [37, s. 509]
Kumimateriaalien abrasiivisessa kulumisessa voi tapahtua myös hajoamista molekyylitasolla. [31, s. 548, katso 38] Tällaisessa tilanteessa kumimateriaalin sisälle muodostuu suuri jännitys, joka voi aiheuttaa polymeerimolekyyliketjujen katkeamisia suurissa määrissä. Molekyylien rikkoutuneet päät ovat näin ollen kemiallisia radikaaleja ja tämän vuoksi ne reagoivat herkästi. Tällöin ne pystyvät yhdistymään nopeasti hapen kanssa muodostaen erilaisia hapettumistuotteita. Näiden radikaalien ja hapen yhteys muistuttaa hyvin paljon mineraaliöljyjen hajoamisia. Kumien abrasiivisessa kulumisessa muodostuu hienoa 'öljymäistä' pölyä, joka onkin eräs tämän kulumismuodon tunnuspiirteistä kumilla. Tällainen jännityksestä aiheutuva elastomeerin hajoamismekanismi on esitetty kuvassa 4.2. [31, s. 548]
Kuva 4.2. Kumin hajoamismekanismi abrasiivisessa kulumisessa. [31, s. 548]
4.2.1 Abrasiiviset kulumismekanismit
Abrasiivisia kulumismekanismeja on olemassa neljä erilaista: leikkautuminen, murtuminen, toistuvasta aurauksesta johtuva väsyminen sekä rakeiden repeytyminen.
Alunperin luultiin että abrasiivista kulumista tapahtuu vain leikkautumalla, mutta mikroskooppinen tarkastelu asiasta osoitti toisin. [31, s. 526, katso 39] Hahmotelma näistä kulumismekanismeista on esitetty kuvassa 4.3.
Kuva 4.3. Abrasiiviset kulumismekanismit. [31, s. 526]
Leikkautumisen hamotelmassa on esitetty malli, jossa terävä partikkeli tai karhea objekti leikkaa pehmeämpää pintaa. Kulumisen edetessä leikkautunut materiaali poistetaan. Muita mainituista kulumismekanismeista esiintyy pääasiassa muilla materiaaleilla kuin elastomeereilla. Murtumista ja rakeiden repeytymistä tapahtuu pääasiassa haurailla keraameilla, kun taas toistuvasta aurauksesta johtuva väsyminen on yleensä hallitseva abrasiivinen kulumismekanismi metalleilla. Tämän vuoksi näitä kolmea viimeiseksi mainittua abrasiivista kulumismekanismia ei käsitellä tässä sen tarkemmin.
Abrasiivisia kulumismekanismeja on vaikeaa havaita materiaalissa itsessään, mutta nykypäivänä pyyhkäisyelektronimikroskooppi eli lyhennettynä SEM, joka tulee sanoista 'Scanning Electron Microscope' tarjoaa paremmat mahdollisuudet abrasiivisten kulumisen tutkimiseen. T. Kayaban suorittamassa tutkimuksessa pyöristetty piirrin asetettiin kulkemaan materiaalin pinnalla ja tätä tapahtumaa tarkkailtiin SEM:in avulla.
[31, s. 526 katso 40] Toisessa S.C. Limin ja J.H. Bruntonin tekemässä tutkimuksessa puolestaan eräänlainen kulumislevy asennettiin SEM:in sisälle, jolloin pystyttiin tekemään suoria havaintoja tapahtuvasta kulumisesta. [31, s. 526 katso 41] Näissä tutkimuksissa havaittiin kahta eri abrasiivista kulumismekanismia: leikkautumista sekä kiilamaisesti rakentuvaa kulumista, jossa esiintyi hiutalemaisia pirstaleita. Näistä
4 KULUMISMUODOT 18 leikkautuminen oli tehokkaampaa kulumista materiaalin poistumisen kannalta kuin jälkimmäinen kulumismekanismi, joka tunnetaan myös nimellä auraus. Voidaankin todeta, että leikkautuminen yksinään aiheuttaa käytännön kulumistilanteessa melko vähän materiaalin poistumista. Puolestaan molempia leikkautumista ja väsymistä muistuttava kuluminen aiheuttaa paljon enemmän materiaalihäviötä.
Voiteluaineella on myös suuri merkitys abrasiivisessa kulumisessa, sillä ne voivat lisätä abrasiivisten partikkelien leikkautumista. [31, s. 527, katso 40] Kun voiteluainetta on mukana, leikkautumista tapahtuu pienemmässä suhteessa partikkelien läpäisykyky huomioiden kuin ilman voiteluainetta. Tästä voidaan päätellä, että partikkelin ollessa jäykästi kiinni pehmeässä materiaalissa ja kun sitä tämän jälkeen vedetään kuorman avulla vasten kovempaa materiaalia, tapahtuu nopeaa mikroleikkautumista. Sitä ei luultavasti juurikaan tapahtuisi, jos voiteluainetta ei käytettäisi.
Lisäksi partikkelin muodolla on luonnollisesti merkitystä tapahtuvaan abrasiiviseen kulumismekanismiin. Tutkimuksissa on todettu, että teräväreunainen ja karheapintainen partikkeli kuluttaa materiaalia huomattavasti enemmän kuin pallomainen partikkeli. [31, s. 527, katso 42] Hangatun pinnan alapuolella tapahtuu plastista muodonmuutosta abrasiivisen kulumisen vaikutuksesta. [31, s. 527, katso 43,44] Tällainen tapahtuma on esitetty kuvassa 4.4. Pinnan alla tapahtuvan muodonmuutoksen vaikutuksesta voi materiaalissa tapahtua muokkauskovettumista, joka yleensä vähentää abrasiivista kulumista. [31, s. 527]
Kuva 4.4. Pinnan alla tapahtuvaa muodonmuutosta partikkelin kulkeutuessa pinnan päällä. [31, s. 527]
4.2.2 Väsymiskuluminen
Kun kumimateriaalia suunnitellaan käytettäväksi tietyssä sovelluksessa, tulee pystyä arvioimaan kuinka suuret jännitykset ja venymät siihen kohdistuvat käytön aikana.
Materiaaleista löytyvät usein tarkat tiedot esimerkiksi murtolujuuksista, mutta ne kertovat usein tietoja vain lyhytaikaisessa käytössä. Tämän vuoksi olisikin tärkeää ymmärtää kumimateriaalin käyttäytymistä pitkällä aikavälillä, kuten esimerkiksi vuosien päästä käytön aloittamisesta, jolloin kumimateriaali voi alkaa väsymään.
Kuormitusolosuhteista riippuen tällaisessa tilanteessa voidaan soveltaa joko kiihdytettyä väsymistestiä tai virumiskoetta. [45, s. 22]
Useimmat käytössä väsymiselle alttiiksi joutuvat kumimateriaalit kestävät myös leikkaus- tai puristuskuormitusta. Iskuista johtuva leikkausväsyminen aiheuttaa usein kantavia murtumia elastomeeriin, kun taas puristuväsyminen on usein seurasta kuormituksesta. Kumimateriaalin reagointia iskuista johtuvaan kuormitukseen voidaan arvioida käyttämällä venymäsykliä vakioamplitudilla. Hyvän puristussyklitestin luominen vakiojännityksellä on puolestaan hankalaa. [46, s. 117]
Kumimateriaalien väsymisen ennustamiseen voidaan käyttää kahta lähestymistapaa.
Ensimmäisessä mallissa arvioidaan murtumien ydintymistä käytetyn jännityksen tai venymistasojen mukaan. Toisessa mallissa puolestaan ennustetaan tietyn murtuman kasvamista sekä murtumasta vapautunutta energiaa, perustuen murtumismekaniikkaan.
Näistä valitaan se, kumpi kuvaa paremmin käytännön tilannetta. [45, s. 22]
Murtumien ydintymisen lähestymistavassa oletetaan, että kumimateriaalin väsymiselinikä riippuu sen jännitys- tai venymähistoriasta tietyillä arvoilla.
Lähestymistavan on kehittäntyt aluperin Wöhler vuonna 1867 [katso 47] ja kumeille Caldwell kumppaneineen vuonna 1940 [katso 48]. Niiden perusteella väsymisessä murtumien ydintyminen voidaan määritellä tarvittavien syklien lukumääränä, jotka aiheuttavat murtuman kasvun tietyn kokoiseksi. Elastomeerin väsymiseliniän ennustamisessa käytetään yleisesti parametreja suurin ensijainen jännitys sekä venymä- energiatiheys. [49, s. 2080]
Väsymisessä murtumat muodostuvat vasta kun materiaali vedetään pois, kohdistuupa siihen sitten joko veto- tai leikkausjännitystä. Venyttämällä sovellettavat väsymistestit ovat haastavia polymeereille, sillä näytteissä tapahtuu virumista testin aikana. Tämän vuoksi testikappale saattaa nurjahtaa, mikäli kappale asetetaan palautumaan sen alkuperäiseen asemaan. Tällainen ongelma voidaan välttää pitämällä testikappaleella minimivenymää, jota kutsutaan myös R-suhteeksi. Tämä on havainnollistettu kuvassa 4.5. On todettu, että venymästä kiteytyville kumimateriaaleille R-suhteen eli tässä tapauksessa minimivenymän itseisarvon suurentaminen näkyy niiden väsymiseliniän huomattavana kasvuna. [45, s. 22, katso 50]
4 KULUMISMUODOT 20
Kuva 4.5. R-suhteen soveltaminen väsymiskuormitukseen. [45, s. 22]
Kumimateriaalien väsymiselinikää ennustavissa venymätesteissä tärkeitä on useita parametreja. Ne voidaan karkeasti jakaa mekaanisiin ja ympäristön aiheuttamiin parametreihin. Niistä mekaanisia ovat deformaatioamplitudi, edellä mainittu R-suhde, aallon muoto, taajuus sekä vaurioitumiskriteeri. Ympäristön aiheuttamia puolestaan lämpötila sekä nesteympäristö, jolla tarkoitetaan esimerkiksi ilmaa, vettä tai öljyä.
Näytekappaleelle voidaan tehdä myös erityiskäsittelyjä, kuten esimerkiksi esikuumentaminen tai altistaminen nesteelle. Tällaisten erityiskäsittelyjen kuvaaminen on kuitenkin tärkeää, jotta vältyttäisiin virhetulkinnoilta. Tietenkin myös näytekappaleen tarkka muotoilun kuvaaminen on olennaista testin kannalta. Lisäksi tällaisessa testissä olisi hyvä kuvata myös käytettävä testauslaitteisto sekä muita tärkeitä seikkoja testissä. [46, s. 117-118]
Kumimateriaalin väsymiskulumista tapahtuu kovissa oloshteissa syklisellä muodonmuutoksella, jonka vaikutuksesta kumimateriaali onkaloituu hieman ja lopulta murtuu. [13, s. 856] Tietyissä olosuhteissa murtumaan vaadittavien syklien lukumäärää vakiolla deformaatioamplitudilla voidaan kuvata suhteella
N = (εa
ε0)
k, (1)
jossa N on murtumaan vaadittavien syklien lukumäärä, εa deformaatioamplitudi sekä ε0
ja k ovat vakioita. Kun valitaan deformaatioamplitudia ensimmäisessä testissä uudelle elastomeerille, kannattaa valita sellainen amplitudi, joka ennakoisi suhteellisen lyhyttä elinikää elastomeerille. Tällainen arvio voidaan tehdä hyödyntämällä samanlaisten kumien eri testien tuloksia. Murtuman tulisi syntyä joko tunnissa tai sen alle ja tällöin amplitudi täytyy valita sen mukaan. Tämän jälkeen tehdään toinen arvio, mutta enää tarvitsee arvioida vakion k arvo. Toisen testin jälkeen voidaan muodostaa käyrä kahden
datapisteen avulla. Tällöin menetelmä on tarpeeksi tarkka ja aukot voidaan täyttää tai käyttää tarvittaessa ekstrapolointia suurten syklimäärien testeillä. [46, s. 118]
Murtuman kasvun lähestymistavassa puolestaan ennustetaan materiaalin väsymistä ottaen huomioon jo materiaalissa olevat murtumat ja virheet. Murtuman kasvu johtuu rakenteeseen varastoituneesta potentiaalienergiasta, joka ei häviä. Tällöin materiaalin pintaenergia yhdistyy uusien murtopintojen kanssa. Polymeereillä ympäristöstä vapautunut potentiaalienergia kuluu reversiibeleihin ja irreversiibeleihin muutoksiin, jolloin lisäksi muodostuu uusia pintoja. Energian vapautumisnopeus T voidaan ilmaista myös varastoituneen mekaanisen energian muutoksena ΔU per yksikkömuutos murtumapinta-alueella ΔA.
Erilaisilla näytekappaleilla tehtävät tutkimukset ovat osoittaneet, että näytekappaleen paksuudella on merkitystä murtuman kasvuun. On havaittu, että ohuissa näytekappaleissa paksuudella on suurempi merkitys murtuman kasvuun kuin paksuilla näytekappaleilla. Murtumaan tarvittavien syklien lukumäärää voidaan mitata käyttämällä standardoituja tai muunneltuja vetonäytekappaleita, jotka on myös havainnollistettu kuvassa 4.6. Muunnelluilla näytekappaleilla, joissa on pienin mahdollinen mittaväli, saadaan murtuma rajattua tarkasti määritetylle alueelle ja lisäksi tällaisen näytekappaleen venymä jää hyvin pieneksi.
Kuva 4.6. Yksireunainen ja lovettu vetoväsymisnäytekappale, jossa väsymismurtuman kasvu mitataan määrättyyn rajaan saakka. Tähän rajaan tarvittavien syklien lukumäärä määritetään myös eri jännitysamplitudeilla. [45, s. 23]
4 KULUMISMUODOT 22 Kumimateriaaleilla väsymismurtuman kasvu riippuu luonnollisesti polymeerin tyypistä. Amorfisilla kumeilla, joista esimerkkinä voidaan mainita styreenibutadieenikumi (SBR), esiintyy ajasta riippuvaa murtumien kasvua. Tällöin energian vapautumisnopeus on kynnysnopeutta suurempi ja tämän on havaittu olevan riippumatonta näytekappaleen tyypistä, joka voi olla esimerkiksi keskisäröinen- tai reunasäröinen levy. Jännityksestä kiteytyvillä kumeilla murtumien kasvu on puolestaan ajasta riippumatonta, ellei energian vapautumisnopeus ole erittäin suuri. Tällainen todella suuri energian vapautumisnopeus aiheuttaisi tämän tyyppiseen kumiin isoja murtumia. [45, s. 22-23, katso 50]
Näytekappaleen väsymiseliniän arvioimisessa täytyy pystyä määrittämään hetki, jolloin murtuminen tapahtuu. Murtuman määrittelytapa vaikuttaa merkittävästi syklien lukumäärään. Haastetta tuottavat selkeän ja helposti todennettavissa olevien kriteerien valitseminen murtumalle, jotka vastaisivat hyvin myös käytännön tilannetta.
Kumimateriaalin venymiselinikää määritettäessä on olemassa useita mahdollisia kriteerejä, jolloin väsymistä alkaa tapahtumaan. Näitä ovat esimerkiksi täydellinen murtuminen, kuten metallien testauksessa, kuormituksen putoaminen tietyn prosenttiosuuden verran, murtumisen alkaminen sekä murtuman koko.
Jännityssyklitestissä täydellinen murtuminen on melko hyvä kriteeri. Kuormituksen putoaminen nollaan voidaan helposti rekisteröidä, jolloin laitteisto ilmoittaa siitä jollain tavalla, kuten esimerkiksi äänen avulla. Toisaalta kumimateriaaleja ei ole kuitenkaan suunniteltu kestämään suurta vetojännitystä käyttösovelluksissa.
Kuormituksen putoamisesta voidaan päätellä, ettei murtuminen tapahdu aivan yhtäkkiä täydellisesti, vaan asteittain murtuman kasvamisena. Tämä voidaan havaita kuormituksen alenemisena. Menetelmä voidaan testata parhaiten leikkaussyklitestissä, joka perustuu iskuihin. Tällaisessa testissä syklinen jännitysrelaksaatio aiheuttaa sen, että suurin osa syklisestä kuormituksesta pienenee ajan kuluessa tai syklien määrän lisääntyessä. Kuormitussyklikäyrää voidaan jäljitellä graafisesti tai piirtää myöhemmin digitaalisen lähtösignaalin avulla. Käyrästä muodostuu suora laskeva linja logaritmisessa diagrammissa, mikäli kuormituksen aleneminen on pelkästään jännitysrelaksaatiota. Murtuman kasvun alkamiskohta merkitään ikään kuin lähtöpisteeksi suoran linjan alapuolelle. On melko helppoa piirtää jatke suoralle linjalle sekä yhdensuuntainen viiva sopivan prosenttiosuuden verran suoran linjan alapuolella.
Näytekappaleen oikean murtumiskäyrän sekä sen alapuolella olevan yhdensuuntaisen linjan leikkauspisteessä esiintyy tällöin murtuma. Määritettäväksi jää ainoastaan, kuinka suuri prosenttiosuus kuormituksen putoamisesta merkitään 'murtumaksi'.
Murtumisen alkaminen on usein rinnastettu materiaalin väsymiseliän loppumiseksi.
Tätä kriteeriä voidaan käyttää leikkaus- ja puristussyklitestauksissa, mutta ne vaativat testaajan tarkkailua. Myös syklisen jännitysrelaksaatiokäyrän lähtöpistettä voidaan hyödyntää, mutta se ei kuitenkaan ole kovin tarkka tähän käyttötarkoitukseen.
Murtumisen alkamisen testauksissa käytetään matalia taajuuksia, minkä vuoksi
näytekappaleiden eliniän pituus saattaa olla jopa 24 tuntia. Tästä voidaankin päätellä, että näin pitkällä eliniällä testaukselle tulee lisää kustannuksia ja se ei välttämättä ole aina niin sopiva testausmenetelmä materiaalin väsymiseliniän ennustamisessa.
Myös murtuman kokoa voidaan käyttää murtumisen kriteerinä. Tässäkin kriteerissä on sama idea kuin kuormituksen putoamisen kriteerissä, mutta siinä ei tarvitse hyödyntää jännitysrelaksaatiokäyrää. Esimerkkinä kriteeriin testauksesta voidaan mainita vetokoe, joka on yhdistetty näytekappaleisiin, joissa on puhdas leikkaus.
Käytettäessä kriteeriä leikkaustestauksessa, ovat sen huonot puolet samankaltaisia kuin murtumisen alkamisen kriteerissä. [46, s. 118-119]
Kumimateriaalin väsymiselinikään vaikutattavat monet eri testimuuttujat, kuten esimerkiksi paksuus, R-suhde, jännitystila, kuormitushistoria sekä taajuus. Mikäli otetaan huomioon myös ympäristön ja muuttuvien materiaalien vaikutukset, voidaan todeta että yksittäisen komponentin väsymiseliniän ennustaminen on todella haastavaa.
Tutkimustyötä tehdään edelleen jatkuvasti tälläkin saralla, mutta silti tarkkoja vastauksia on yhä vaikeaa saada. [45, s. 27, katso 50]
4.3 Eroosiokuluminen
Kumimateriaalien eroosiokulumisessa kiinteän tai nestemäisen aineen partikkeleita iskeytyy kumin pinnalle. Materiaalin hyvä mekaaninen lujuus ei yksinään riitä hyvään kulutuskestävyyteen. Kumimateriaalin ominaispiirteistä tarvitaankin tarkat tiedot, jotta eroosiokuluminen voidaan minimoida. Lisäksi kuluvien partikkelien ominaisuudet olisi syytä tuntea, jotta eroosiokulumista voidaan hallita paremmin.
Eroosiokulumisessa on useita eri kulumismekanismeja, jotka riippuvat paljon partikkelien koosta ja partikkelimateriaaleista, iskeytymisnopeudesta sekä iskun kulmasta. Eroosiokulumisen kulumismekanismi voi muistutaa abrasiivista kulumista, kun partikkeli on kiinteä ja kova. Abrasiivista kulumista ei esiinny kuluvien partikkelien ollessa nestemäisiä. Tällöin kulumismekanismit ovat seurausta iskuista muodostuvista toistuvista jännityksistä.
Kulumismekanismeja esiintyy määrittämättömiä määriä, kun melko pienet partikkelit iskeytyvät mekaanisiin komponentteihin. Tähän viittaa myös eroosiokulumisen termi. Tällainen määritelmä on pohjimmiltaan empiirinen, joka nojaa enemmän käytännön havaintoihin kuin kokonaisvaltaisen kulumisen ymmärtämiseen.
Tunnettuja eroosiokulumismekanismeja on esitetty kuvassa 4.7.
Iskukulma on eroosiokulumiselle altistuneen pinnan ja partikkelin lentoradan välinen kulma. Tämä on havainnollistettu kuvassa 4.8. Iskukulman ollessa pieni kulumisprosessi on usein samankaltainen kuin abrasiivisessa kulumisessa, koska partikkelit seuraavat tällöin tyypillisesti kulunutta pintaa. Suuremmilla iskukulmilla kuluminen on puolestaan yleensä eroosiokulumista. [31, s. 551-552]
4 KULUMISMUODOT 24
Kuva 4.7. Eroosiokulumisen mahdollisia kulumismekanismeja. Kuvassa a on kuvattuna abraasiokuluminen pienellä iskukulmalla. B-kuvassa on pinnan väsyminen hitaalla nopeudella, kun iskukulma on suuri. Kuvassa c puolestaan on kyseessä hauras murtuma tai moninkertainen plastinen muodonmuutos keskisuurella nopeudella iskukulman ollessa suuri. D-kuvassa pinnan kuluminen suurilla iskunopeuksilla ja e-kuvassa makroskooppinen eroosio toissijaisilla ilmiöillä. Alimmassa kuvassa f on hahmoteltuna kidehilan hajoaminen atomien iskujen vaikutuksesta. [31, s. 553]
