TRWAŁOŚĆ UŻYTKOWA I STABILNOŚĆ OKSYDACYJNA MODYFIKOWANYCH SMARÓW PLASTYCZNYCH

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 33 Jolanta DRABIK * TRWAŁOŚĆ UŻYTKOWA I STABILNOŚĆ OKSYDACYJNA MODYFIKOWANYCH SMARÓW PLASTYCZNYCH LUBRICATION STABILITY AND OXIDATION STABILITY OF MODIFIED GREASES Słowa kluczowe: smar plastyczny, modyfikatory jakości, stabilność oksydacyjna, temperatura, trwałość użytkowa Key words: grease, modifiers quality, oxidation stability of greases, temperature, stability of greases Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań stabilności oksydacyjnej oraz trwałości użytkowej opracowanych smarów plastycznych bez i z dodatkiem modyfikatorów jakości. Skuteczność działania zastosowanych dodatków w smarze plastycznym oceniono na podstawie stabilności oksydacyjnej wyznaczonej metodami analizy termicznej. W celu zbadania zdolności smarów do zabezpieczenia właściwego smarowania w dłuższym czasie przeprowadzono * Instytut Technologii Eksploatacji PIB, ul. K. Pułaskiego 6/10, Radom, Polska, jolanta.drabik@itee.radom.pl.

2 34 T R I B O L O G I A standardowy testy łożyskowy przy zadanym obciążeniu wzdłużnym, wysokich obrotach oraz w danej temperaturze, co umożliwiło wyznaczenie trwałości użytkowej smarów w warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków pracy. Stwierdzono pozytywny wpływ zastosowanych dodatków zarówno na stabilność oksydacyjną, jak i na trwałość użytkową smarów plastycznych. WPROWADZENIE Jednym z ważniejszych aspektów oceny przydatności eksploatacyjnej smarów plastycznych jest ich trwałość użytkowa oraz odporność na degradację pod wpływem wymuszeń mechanicznych i cieplnych. Zmiany zachodzące w smarach podczas eksploatacji związane są przede wszystkim z warunkami pracy węzłów tarcia, a w szczególności z oddziaływaniem czynników utleniających, temperatury oraz wymuszeń mechanicznych. Działanie wysokich obciążeń, prędkości obrotowych, wstrząsów, wibracji, jak również obecność metali katalizujących utlenianie, wody czy zanieczyszczeń substancjami chemicznymi stanowi główną przyczynę pogorszenia jakości eksploatowanych środków smarowych i w konsekwencji może prowadzić do uszkodzenia współpracujących elementów trących. W procesie tarcia współpracujących elementów łożysk w strukturze materiałów występują istotne zmiany spowodowane warunkami eksploatacji. Zjawiska fizykochemiczne zachodzące na powierzchni tarcia pod wpływem temperatury i nacisków kształtują warstwę wierzchnią, która ulega zmianie w czasie eksploatacji i pod wpływem stosowanych środków smarowych [L. 1, 2]. W procesie tarcia prowadzonego w atmosferze powietrza następuje degradacja środka smarowego poprzez utlenianie oleju bazowego i dodatków oraz niejednokrotnie obserwowane jest katalityczne oddziaływanie żelaza pochodzącego z powierzchni tarcia na proces utleniania [L. 3, 4]. Warunki współpracy występujące w styku tarciowym oraz zmiany jakości środków smarowych mają istotny wpływ na zużycie tribologiczne i decydują o trwałości eksploatacyjnej węzła tarcia. Utlenianie środków smarowych prowadzi do utworzenia warstw tlenkowych i powoduje mniejsze zużycie tribologiczne niż przy reakcji tlenu z żelazem pochodzącym z powierzchni tarcia, co skutkuje tworzeniem organicznych połączeń żelaza [L. 3, 8]. Istotna jest ocena zdolności smarów do zapewnienie właściwego smarowania w dłuższym czasie, tzn. wówczas, gdy łożyska kulkowe pracują w warunkach obciążeń, wysokich prędkości oraz danej temperaturze. Badania prowadzone w takich warunkach umożliwiają wyznaczenie trwałości smaru w trudnych warunkach środowiska pracy. Zagadnieniem oceny trwałości eksploatacyjnej smarów plastycznych zajmowali się między innymi H. Kröner i E. Kleinlein [L. 5] oraz D. Loderer [L. 6], którzy do oceny trwałości smarów polimocznikowych stosowali metodykę z wykorzystaniem stanowiska badawczego FAG FE9 [L. 7]. Natomiast W. Ward i S. Capitosti przedstawili wyniki badań trwa-

3 T R I B O L O G I A 35 łości użytkowej smarów plastycznych wyznaczone według znormalizowanych metodyk, przy zadanym obciążeniu wzdłużnym, wysokich obrotach oraz w warunkach izotermicznych, w zadanej temperaturze [L. 8]. Podczas eksploatacji środek smarowy, spełniając w układzie smarowania swoje podstawowe funkcje, narażony jest przede wszystkim na działanie wysokiej temperatury, stąd poszukiwane są sposoby jego zabezpieczania. Jedną z metod zapobiegania procesowi utleniania zarówno olejów bazowych, jak i środków smarowych jest dobór odpowiednich dodatków uszlachetniających, co gwarantuje uzyskanie wymaganej zastosowaniem stabilności oksydacyjnej tychże środków [L. 10, 11, 12, 13]. Metodami, które pozwalają sprawdzić zachowanie się środka smarowego pod wpływem temperatury w atmosferze różnych gazów (obojętnego lub utleniającego) są metody analizy termicznej. Zapewnienie odpowiedniej do warunków użytkowania jakości jest jednym z ważniejszych kryterium przy wyborze metod oceny właściwości funkcjonalnych smarów plastycznych. Wymaga to przeprowadzenia testów w zróżnicowanych zadanych warunkach i zastosowania wielu metod do identyfikacji zachodzących zmian jakościowych pod wpływu czynników destrukcyjnych. W tym kontekście zasadne jest podejmowanie badań dotyczących oceny kinetyki zmian jakości nowo opracowanych smarów plastycznych zachodzących pod wpływem wymuszeń cieplnych i mechanicznych oraz dążenie do wyznaczenia ich trwałości w modelowych układach trących [L. 10, 11, 13]. W niniejszym opracowaniu oceniono stabilność oksydacyjną oraz trwałość użytkową opracowanych smarów plastycznych, bez i z dodatkiem modyfikatorów jakości. METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań był smar plastyczny opracowany na bazie atestowanego białego oleju mineralnego z zagęszczaczem mydlanym (stearynian litu LiSt), modyfikowany dodatkiem polimerowym i nanostrukturami węglowymi. Polimer (T) zastosowano jako dodatek przeciwzatarciowy i przeciwzużyciowy, natomiast nanostruktur węglowych (F) użyto jako dodatek poprawiający właściwości smarne i jednocześnie odporność oksydacyjną smaru plastycznego. Badaniom stabilności oksydacyjnej oraz testom łożyskowym poddano smar bez dodatku (smar P) oraz zawierający 5% (m/m) polimeru T (smar PT), 0,5% (m/m) nanostruktur węglowych (smar PF) oraz 4,5% polimeru i 0,5%(m/m) nanostruktur węglowych (smar PTF). Stabilność oksydacyjną przygotowanych smarów plastycznych wyznaczono metodami analizy termicznej, prowadząc pomiary w warunkach izotermicznych, w atmosferze utleniającej. Do badań zastosowano dwie metody analityczne, a mianowicie różnicową kalorymetrię skaningową (DSC) oraz stosując szybki test stabilności oksydacyjnej Petrooxy. Pomiary DSC wykonano za po-

4 36 T R I B O L O G I A mocą aparatu LABSystem TG DSC firmy Setaram, a test Petrooxy z użyciem aparatu PetroOXY Rapid Oxidation Tester firmy Petrotest Instruments. Metoda DSC umożliwiła wyznaczenie czasu indukcji utleniania (OIT) badanych smarów w temperaturze 120 o C, 140 o C, 150 o C i 155 o C. Pomiary prowadzono w warunkach izotermicznych w obecności tlenu, przy czym do osiągnięcia temperatury badania próbka ogrzewana była w atmosferze gazu inertnego w celu uniknięcia wcześniejszego jej utleniania. Czas działania czynnika utleniającego był jednakowy dla wszystkich próbek i wynosił 120 minut. W metodzie Petrooxy badania prowadzono w temperaturze 120 o C i 140 o C, przy ciągłym działaniu tlenu. Czas indukcji utleniania badanych próbek wyznaczono na podstawie spadku ciśnienia w komorze pomiarowej o 10%. Trwałość użytkową smarów plastycznych pracujących w łożysku (typ SAE No 204) wyznaczono zgodnie z normą ASTM D 3336, przy zadanym niskim obciążeniu (obciążenie wzdłużne 22+/-2N), wysokich obrotach (10 tys. obr/min) oraz w warunkach izotermicznych, w temperaturze 100, 120 i 150 o C. Badanie prowadzono w cyklu dobowym (20 godzin pracy/4 godziny przerwy) aż do wystąpienia warunków zakończenia testu, a mianowicie 3-krotnego wzrostu oporów toczenia bądź wzrostu temperatury o ponad 15 o C lub niemożliwości uruchomienia stanowiska po postoju. Dla każdego smaru wyznaczono czas trwania testu, który świadczy o trwałości użytkowej smaru w warunkach testu i jego skuteczności w przeciwdziałaniu awarii łożyska. WYNIKI BADAŃ Stabilność oksydacyjną smarów plastycznych wyznaczono na podstawie testu przyspieszonego utleniania metodą Pertooxy, wyznaczając na podstawie uzyskanych wykresów spadku ciśnienia w funkcji czasu utleniania (Rys. 1) czas indukcji utleniania (Rys. 2) świadczący o odporności na proces utleniania badanych smarów. Analizując uzyskane wyniki, można stwierdzić, że dodatek polimeru do smaru plastycznego nie wpływa na zmianę stabilności oksydacyjnej wyznaczonej w warunkach testu Petrooxy. Natomiast jednoczesne wprowadzenie dodatku polimerowego i nanostruktur węglowych do gotowego smaru plastycznego daje bardzo dobry efekt spowalniania procesu utleniania. Zaobserwowano, że niewielka ilość nanostruktur węglowych 0,5% m/m w połączeniu z dodatkiem polimeru (Smar PTF) korzystnie wpływa na wydłużenie czasu utleniania badanego smaru plastycznego, co skutkuje aż 3-krotnym wzrostem stabilności oksydacyjnej wyznaczonej w warunkach izotermicznych w temperaturze 120 o C w stosunku do niestabilizowanego smaru (Smar P). W metodzie DSC wyznaczono czas indukcji utleniania (OIT) badanych smarów, prowadząc pomiary w temperaturze 120, 130, 140, 150 i 155 o C, w obecności tlenu. W metodzie tej z uzyskanych w warunkach izotermicznych krzywych DSC (Rys. 3) wyznaczano czas indukcji utleniania (Rys. 4).

5 T R I B O L O G I A 37 W temperaturze 120 o C badane smary były odporne na proces utleniania, zróżnicowanie stabilności oksydacyjnej obserwowano dopiero w wyższych temperaturach (Rys. 4). Dodatek nanostruktur węglowych do smaru plastycznego w zakresie ocenianych temperatur spowodował zmianę przebiegu krzywej DSC, co świadczy o tym, że przemiany związane z procesem utleniania smaru niestabilizowanego a 900, k P 800 ie n ie 700 iśn C Czas, min Warunki testu Petrooxy: Temperatura: 140 o C Atmosfera: O 2 Ciśnienie napełnienia 700 kpa P PT PTF Rys. 1. Wpływ dodatków na stabilność oksydacyjną smarów metoda Petrooxy Fig. 1. Influence of the additives of oxidation stability greases according to Petrooxy 600 in m 500, ia n ia 400 n tle u 300 k cji u d 200 in s za 100 C 0 T=120oC T=140oC ,7 503,4 P PT PTF Warunki testu Petrooxy: Temperatura: 120 o C; 140 o C Atmosfera: O 2 Ciśnienie napełniania: 700kPa 93 Rys. 2. Stabilność oksydacyjna smarów plastycznych wyznaczona metodą Petrooxy Fig. 2. Oxidation stability of the greases according to Petrooxy

6 38 T R I B O L O G I A ły p rze P 0,4 0,2 W 0 m, ła p 0,2 cie w 0,4 0,6 0,8 1 PTF PF Czas, min Warunki metody DSC: Temperatura 140 o C, Czas 120min, Atmosfera O 2 Smar P Smar PF Smar PTF P Rys. 3. Izotermy smarów w temperaturze 140 o C wyznaczone metodą DSC Fig. 3. Example greases isotherms determined at 140 o C according to DSC zachodzą w niższych temperaturach niż dla smarów stabilizowanych preparatem zawierającym nanostruktury węglowe. Dodatek do smaru plastycznego nanostruktur węglowych w połączeniu z dodatkiem polimerowym wpłynął na zmianę stabilności oksydacyjnej smaru. Wyznaczone czasy indukcji utleniania modyfikowanych smarów plastycznych są wyższe niż dla smaru bazowego (Smar P), Rys in m, 120 IT O100 ia n ia n 80 tle u 60 k cji u 40 d in s 20 za C 0 > Warunki metody DSC: Temperatura: 130 o C, 140 o C, 150 o C, 155 o C Czas: 120 min Atmosfera: O Temperatura, o C P PF PTF 18 Rys. 4. Stabilność oksydacyjna smarów plastycznych wyznaczona metodą DSC Fig. 4. Oxidation stability of the greases according to DSC

7 T R I B O L O G I A 39 Przeprowadzone testy analizy termicznej wykazały, że działanie nanostruktur węglowych w połączeniu z dodatkiem polimerowym w zakresie przeciwdziałania utlenianiu jest bardzo skuteczne. Jednak najlepszym sposobem sprawdzenia wytrzymałości smaru w wysokiej temperaturze jest przeprowadzenie badań w standardowych łożyskach pracujących przy zadanych obciążeniach i prędkościach, w warunkach podwyższonych temperatur [L. 9]. W związku z tym modyfikowane smary plastyczne charakteryzujące się najwyższą stabilnością oksydacyjną poddano badaniom w łożysku pracującym w temperaturze 100, 120, 150 o C (Rys. 5). W warunkach testu oprócz wymuszeń cieplnych na smar oddziaływały również obciążenie 67 N oraz prędkość obrotowa obr./min. Trwałość smarów testowanych w temperaturze 100 o C była jednakowa, a test zakończono po 930 godzinach pracy, gdyż nic nie wskazywało na wystąpienie symptomów świadczących o awarii łożyska. Stwierdzono, że smary pracujące w tej temperaturze, zarówno smar PT, jak i smar PTF, spełniają swoją funkcję i skutecznie chronią łożysko przed zatarciem. Podwyższając temperaturę pracy łożyska do 120 o C, stwierdzono, że w tych warunkach nastąpiło już znaczne zróżnicowanie czasu pracy badanych smarów. Trwałość smaru PTF była 1,5 razy wyższa niż smaru PT, co świadczy o skutecznym działaniu zastosowanych dodatków. Jeszcze większe zróżnicowanie w trwałości smarów zaobserwowano, gdy zwiększono temperaturę testu do 150 o C (Rys. 5) h 800, a ru 600 sm ść 400 a ło T rw > ,3 184,9 Test trwałości wg ASTM D 3336 Łożysko: typ SAE No 204 n=10 tys. obr/min 56, Temperatura pracy łożyska, o C 107,7 smar PT smar PTF Fig. 5. Trwałość smarów plastycznych w łożysku pracującym w wysokiej temperaturze Fig. 5. Result of high-temperature bearing durability test Przeprowadzony test łożyskowy w warunkach dynamicznych, porównywalnych do rzeczywistych warunków pracy występujących podczas eksploata-

8 40 T R I B O L O G I A cji, umożliwił wyznaczenie i ocenę wpływu zastosowanych modyfikatorów jakości na trwałość użytkową smarów plastycznych. Zaobserwowano istotne wydłużenie czasu pracy łożyska smarowanego smarem zawierającym dodatek nanostruktur węglowych i polimeru, co świadczy o synergii ich działania. Stwierdzono, że współdziałanie dodatków przyczyniło się do utworzenia na powierzchni tarcia warstwy pośredniej o dużej trwałości i dobrych właściwościach smarnych. Wyjaśnienie mechanizmu smarowania smarem plastycznym zawierającym dodatek nanostruktur węglowych i polimeru będzie przedmiotem dalszych badań eksperymentalnych związanych z oceną powierzchni śladów tarcia. Podjęte zostaną prace dotyczące szczegółowej analizy struktury chemicznej związków zaadsorbowanych na powierzchni z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) z dyspersją energii (EDS) oraz rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów XPS. Zastosowane techniki umożliwią dostarczenie informacji o stanie warstwy wierzchniej utworzonej w procesie tarcia. Przeprowadzone badania analizy termicznej, jak również testy tribologiczne wykazały, że nanostruktury węglowe wraz z dodatkiem polimerowym wpływają korzystnie na stabilność oksydacyjną, jak również trwałość użytkową smaru plastycznego. Stwierdzono, że wyższa stabilność oksydacyjna modyfikowanych smarów plastycznych przekłada się na wyższą wytrzymałość podczas eksploatacji, co potwierdził test łożyskowy prowadzony w warunkach izotermicznych. PODSUMOWANIE Zastosowanie wybranych metod badawczych umożliwiło uzyskanie informacji o odporności na utlenianie oraz trwałości użytkowej smarów plastycznych i wpływie na nią zastosowanych modyfikatorów. Dynamika zmian jakości smarów plastycznych jest silnie skorelowana z rodzajem dodatków modyfikujących i wpływa na warunki tarcia. Zastosowane dodatki uszlachetniające modyfikują warstwę wierzchnią, tworząc na powierzchni trącej warstwę graniczną odporną na działanie obciążeń dynamicznych i temperaturowych. Trwałość eksploatacyjna układów trących oraz smarów plastycznych zależy między innymi od rodzaju dodatków funkcjonalnych, których zadaniem jest ochrona przed nadmiernym zużyciem powierzchni roboczych. Identyfikacja sposobu oddziaływania komponentów aktywnych z roboczą powierzchnią tarcia umożliwi odpowiedni dobór ilościowy i jakościowy dodatków do środków smarowych zdeterminowany rodzajem wymuszeń panujących w warunkach eksploatacji. Praca naukowa wykonana w ramach realizacji Programu Strategicznego pn. Innowacyjne systemy wspomagania technicznego zrównoważonego rozwoju gospodarki w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka.

9 T R I B O L O G I A 41 LITERATURA 1. Lundberg J., Hoglund E.: A new method for determining the mechanical stability of lubricating greases. Tribology International 33/2000, Kajdas Cz., Al-nozili M.: Charakterystyka przeciwzużyciowa i reakcje tribochemiczne estrów alifatycznych. Tribologia, nr 3, 2002, s Hiratsuka K., Kajdas Cz.: Wear and chemical reaction. Tribology Science and Application, Monographs eds. F. Franek, Cz. Kajdas, Vienna (2004), Pranesh A., Krupal P., Sunit M., Elsenbaumer R.L.: Developmend of a high performance low molybdenum disulfide grease. NLGI Spokesman Vol. 70, No 11, 24 32, Kröner H., Kleinlein E.: Forecasting lifetime expectancy of grease lubricated roller bearings by using FE 9 test equipment. NLGI Spokesman, 63, 3, 8 14, Loderer D.: Lifetime Lubrication of Bearings at High Temperatures. NLGI Spokesman Vol. 63, 7, 12 15, DIN : 1989 Testing of lubricants; test using the FAG roller bearing grease testing apparatus FE9; general working principles. 8. Ward W.C., Capitosti S.M.: Ashless multifunctional additive technology for rolling element bearing grease. NLGI Spokesman Vol. 77, No. 6, 27 38, ASTM D 3336:2010 Standard Test Method for Life of Lubricating Greases in Ball Bearings at Elevated Temperatures. 10. Drabik J.: Wymuszenia cieplne w testach tribologicznych a skuteczność działania nietoksycznych smarów plastycznych. Tribologia nr 4 (2012), s Reyes-Gavilan J., Odorisio P.: Evaluation of the thermal-oxidative characteristics of grease by pressurized differential scanning calorimetry. NLGI Spokesman, Vol. 67, 2004, pp Drabik J., Trzos M.: Improvement of the resistance to oxidation of the ecological greases by the additives. J Therm Anal Calorim (2013) /s Bystrzejewski M., Huczko A., Lange H., Drabik J., Pawelec E.: Influence of C60 and fullerene soots on the oxidation resistance of vegetable oils. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures (2007), 15:6, pp Summary This article presents the results of the oxidation stability and service life of greases prepared with and without the addition of modifiers. The effectiveness of the additives used in the grease was calculated based on the oxidative stability determined by thermal analysis methods. To test the ability of lubricants to provide protection through proper lubrication over a longer period of time, standard tests were carried out at a given load bearing, high speed, and elevated temperatures, allowing the determination of the service life of lubricants in conditions similar to real operating conditions. A positive effect of the additives on the oxidation stability and lubrication stability of greases was found.