A súrlódás és a kopás következménye

A köztudatban majdnem egybe esnek egymással értelmileg. Valószínű ez azért van, mert sokan azt gondolják, hogy mivel a kopás a súrlódásnak a következménye, ezért magától értetődő, hogy vele együtt és hasonlóan változik. Ennek az – bizonyos esetekben helyes – elterjedt megfontolásnak az a hiányossága, hogy nem vesz figyelembe sok más, köztük néhány kulcsfontosságú dolgot.

Nézzünk meg néhány gyakori példát. A Hungaroringen futó versenykocsi gumiabroncsai és a pályaburkolat között a súrlódás egyenlő, az általuk okozott kopásuk pedig szembetűnően különböző: míg a gumik pár tízpercenként cserére kerülnek, a burkolat elhasználódása szemmel nem látható marad. Hasonlót tapasztalunk saját kocsinál is: a sürgős fékezés vagy túl gyors startolás után a gumink akár több milliméternyi rétege is füstbe mehet, de az aszfaltnak okozott legnagyobb “kár” a fekete színű csík. Viszont teljesen más történik a nyári hőségben: a megolvadt – s ezáltal lényegesen alacsonyabb súrlódású! – aszfalton akár sok centiméternyi mélységű barázda alakulhat, a gumink pedig csak bitumenszennyeződést kaphat.

A következő példa. A gumiabroncs és az aszfaltburkolat közötti súrlódás nagyobb, mint a zúzott kővel borított útfelületé. De könnyen előfordulhat, hogy az elsőn az általános gumik 40 ezer km-ig, a minőségi 80 ezer km-ig futhatnak, az utóbbin pedig a kettőből egyik sem bír 10 ezer km-t sem. És az utolsó. Mondható-e, – a fenti megállapítás logikáját követve – hogy minél alacsonyabb a súrlódás, annál jobb? Egyértelműen “igen”, ha a gumiabroncs és útburkolat élettartama szemszögéből nézzünk. De kategorikusan “nem” a gépkocsi szempontjából – a súrlódás hiányával egyszerűen mozdulatlan marad, elég csak a hóban-sárban tapasztalt siklás kellemetlenségére visszaemlékezni. Még inkább a mi biztonságunkból – képzeljünk csak el, hány baleset történik a vizes, illetve jeges burkolaton szokásosnál hosszabb fékút miatt.

Ezekből az elég mutatós példákból észrevehető, hogy a kopás és a súrlódás – bár elválaszthatatlanok egymástól – mégis két különböző jelenség. Annyira, hogy a kopás növeléséhez a súrlódás mérséklése is vezethet! A kopás nagysága nemcsak a súrlódás erősségétől függ, hanem az anyag ellenállóságától, üzemi hőmérsékletétől és sok más feltételtől. Talán az egyik legfontosabb különbségük abból adódik, hogy a súrlódásnak nagyon hasznos – gyakran nélkülözhetetlen – szerepe is van. Ebből viszont az következik, hogy a kopás elleni küzdelemben a súrlódáscsökkentésen alapuló eljárásoknak vannak természetes korlátai, további sikereket csak sajátos módszerek alkalmazása eredményezhet. Ez való igaz a bonyolultabb mechanikai rendszerekre vonatkozóan is, bár ott hasonló mutatós példák nehezebben találhatók. A súrlódás akkor jelenik meg, mikor két test érintkezik egymással, és azok elmozdulása ellen hat. Akár nyugalmi állapotban, akár elmozduláskor vagy állandó mozgás közben, a súrlódás összetett folyamata minden esetben kopást eredményez, amely megváltoztatja a felület alakját, méretét, szerkezetét. Ennek a “súlyossága” attól függ, milyen súrlódásformák (külső-belső, tapadó-csúszó-gördülő, száraz-folyadék-vegyes stb.) és kopásfajták (adhéziós, abráziós, eróziós, fáradásos, mechanikai-kémiai stb.) uralkodnak a konkrét alkatrészfelületek között az adott üzemi körülményeknél. Általában a súrlódó felületeknél több (egyidejű, valamint egymás után következő) kopásfajta is fellép. Mindegyike önmagában is kopást eredményezne, együttes jelenlétük azonban kölcsönösen elősegíti a kopás kialakulását. Eredményül nem ritkaság, hogy amíg a súrlódási szám csupán néhány százalékkal ingadozik, addig a kopás intenzitása akár több nagyságrenddel is változhat. Ez különösen igaz az alacsonyabb kopásállóságú alkatrészek esetén. Ebből nagyon fontos megállapítás vonható le: a súrlódó pár élettartamát mindig a gyengébb résztvevő határozza meg. A reális mechanizmusban – az elméleti tribológiai rendszerektől eltérően – a következményeket súlyosbítja és bonyolítja az, hogy a folyamatba beavatkoznak az elkopott tömbanyagok s azok oxidrétegeinek leválásai, illetve a levegővel hozott homokpórusok, amelyek erős felületi karcolódásokat, bemaródásokat és egyéb “tervezetlen” károsodásokat okoznak, csakúgy, mint a hőmérséklet pillanatnyi váltózásából eredő termikus repedések is. Sematikusan a folyamatokat a következőképp lehet ábrázolni:

Nyugalmi állapotban a kenőolaj lefolyása után az érintkező felületek – a megmunkáló szerszám nyomaitól, karcolásoktól, repedésektől, kráterektől jelenlevő hullámosság, érdesség révén – egymás egyenetlenségeibe mélyednek, atomos vagy molekuláris kötödések, adhéziós kötések (hegedés) jönnek létre. A felületen a levegőből abszorbált víz, oxigén, és más “reagens” hatására az anyag oxidálódik, korrodálódik. Az elmozdulás során ezek szétszakadnak, a “csúcsok” összeakadnak. Az egyik felületről levált anyagrészecskék csatlakozhatnak a másik felülethez vagy elsodródhatnak, de leggyakrabban a felületek között maradnak, s így mint csiszolóanyag, további egyenetlenségeket hoznak létre. Az ütközések és dörzsölések közben a felületi hőmérséklet helyenként akár több száz fokig nőhet, újabb feszültségeket okozva, illetve az anyagok “meglágyítását”, kopásellenállóságának csökkenését, a kenőolaj elégését és a kenőképesség elvesztését okozva. Látható tehát, hogy a “szárazsúrlódás” stádiumban egyszerre több kopási mechanizmus jelenik meg, s legfőbb szereplői közöttük éppen legkárosabbak.

Aztán – mikor a kenőrendszer beindul – a súrlódó felületek között elkezd megjelenni a kenőanyag, amely részben elválasztja azokat egymástól, így csak a nagyobb egyenetlenségeknél érintkezhetnek. Ebben a stádiumban a kopás mértéke fokozatosan csökken annak köszönhetően is, hogy a kenőolaj lehűti – igaz a saját minőségét feláldozva – az alkatrészeket, valamint a súrlódó zónából “kimossa” és elszállítja az elkopott és más “abraziv” hatású szennyeződések egy bizonyos részét. S végül a súrlódó felületek közötti kenőolajjal betöltött rés akkorára nőhet, hogy a felületek közvetlen érintkezése megszűnik, a súrlódás lényegesen csökken. Azonban a fellépő nyomást, ami a kenőolajfilmben létrejön és igen kis területen koncentrálódik, a felületeknek is el kell tudni viselni. A leggyengébb pontjai a repedések, karcolások, kráterek és más sérülések, ahol a nagy nyomású olaj hidrodinamikus ékként viselkedik (úgynevezett Rebinder effektus). Ezeknek a számát a súrlódó felületek közé folyamatosan bekerülő idegen anyagok növelik. Nem szabad elfelejteni azt sem, hogy a gyakorlatban az elválasztó film sok ok miatt – például, a hirtelen nagy-igénybevételű terhelés, gépszerkezet rezgéséből adódó ütés, olajnyomás csökkenés miatt, stb. – állandóan sérülhet, ezáltal súlyos kenési zavar illetve kopás jelentkezhet. Ebből jól érthető, hogy a súrlódáscsökkentő szerek, és adalékok alkalmazása gyakran kevésbé vagy egyáltalán nem befolyásolja, sőt növelheti is a kopás értékét.

(Megjegyzésként meg kell említeni, hogy ez nem úgy értendő, hogy azok nem használhatóak. Mindössze csak úgy, hogy az alkalmazandó szer választását mindig egyeztetni kell az elérni kívánt céllal. Ennek demonstrálására térjünk vissza a fenti Formula-1 példájához. Ott az abszolút végsebesség növelésére való törekvés az uralkodó. A motor legvégső lóerejének is arra kell dolgozni, nem pedig a saját alkatrész súrlódásának legyőzésére. Ezáltal az alkatrészeket lehetőleg “puhább”, de legkedvezőbb súrlódási tulajdonságú anyagokból gyártják, néha ráadásul olyan súrlódáscsökkentő olajadalékokat használnak, amelyek kémiai-fizikai úton kiválóan enyhítik a felületi egyenetlenségeket, ezzel még jobban – igaz, a hézagok növelésével – “nemesítik” és simítják a felületeket. Nem ritkán minden verseny után tömeges alkatrészcsere következik. De a gép élettartama, üzemanyag fogyasztása, ára, karbantartási költsége ebben az esetben sokkal kevésbe fontos, mint az elnyert pár század vagy tized másodperc. Nem így van viszont a többnapos ralin, de még inkább az amatőr közéletben, csak az nem mindig jut eszünkbe a “csodaszer” reklám olvasása közben). A két első stádium viszonylag rövid, de a kopás szempontjából a legkritikusabb időben zajlik, főleg a gép indításakor és leállításakor. A tartós, legalacsonyabb kopású harmadikon is előfordulhatnak a vész tényezők és zavarások, amelyek egyidejű hatása akár katasztrofális kárt is okozhat, az alkatrészek berágódási, morzsolódási vagy összehegedési formájában például.

A fentieket összefoglalva mondható, hogy a súrlódást mérséklő eljárások elég szűk hatásúak a kopás lelassítására. Annak valódi kiküszöbölése csak a súrlódó felületek kopásállóságának erősítésével, valamint az elkerülhetetlen, folytonosan megjelenő sérüléseinek állandó felújításával érhető csak el kellőképpen. Erre a többirányú hatásra a nanotechnológia alkalmazásával kifejlesztett remetallizáló-felújitó kopásgátlók képesek.