W AŒCIWOŒCI TRIBOLOGICZNE SIARKOWANYCH OLEJÓW ROŒLINNYCH

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 241 El bieta ROGOŒ*, Andrzej URBAÑSKI*, Joanna KARAŒ* W AŒCIWOŒCI TRIBOLOGICZNE SIARKOWANYCH OLEJÓW ROŒLINNYCH TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF SULFURIZED VEGETABLE OILS S³owa kluczowe oleje roœlinne, siarkowanie, w³aœciwoœci przeciwzu yciowe, w³aœciwoœci przeciwzatarciowe Key-words vegetable oils, sulfurization, antiwear properties, antiseizure properties Streszczenie W artykule omówiono w³aœciwoœci tribologiczne olejów roœlinnych poddanych procesowi siarkowania. Badano dzia³anie przeciwzatarciowe i przeciwzu yciowe oleju rzepakowego i s³onecznikowego, równie w warunkach ekstremalnych wymuszeñ. Badania realizowano za pomoc¹ aparatu czterokulowego oraz testera T-02. W wyniku przeprowadzonych badañ wykazano, e wprowadzenie siarki ma zró nicowany wp³yw na w³aœciwoœci przeciwzu yciowe roœlinnej * Instytut Technologii Eksploatacji (ITeE), Zak³ad Tribologii, ul. Pu³askiego 6/10, Radom, tel. (0-48)

2 242 T R I B O L O G I A bazy olejowej, natomiast zdecydowanie poprawia jej w³aœciwoœci przeciwzatarciowe. Wielkoœæ zmian ocenianych w³aœciwoœci uzale niona jest od rodzaju oleju, oraz od iloœci i warunków wprowadzania do nich siarki. Ocena w³aœciwoœci smarnych olejów w warunkach zacierania wykaza³a szczególnie korzystne oddzia³ywanie siarki na w³aœciwoœci oleju rzepakowego. Wprowadzenie siarki do tego oleju znacznie zwiêksza odpornoœæ na zacieranie wêz³a tarcia smarowanego siarkowanym olejem w porównaniu do wêz³a smarowanego olejem bazowym. WPROWADZENIE Konwencjonalne œrodki smarowe z ropy naftowej stanowi¹ zagro enie ekologiczne dla cz³owieka i jego otoczenia [L. 1]. Szkodliwe s¹ sk³adniki bazy naftowej, dodatków uszlachetniaj¹cych oraz powstaj¹ce podczas eksploatacji produkty przemian termooksydacyjnych [L. 2]. Obni enie negatywnych oddzia³ywañ gospodarki naftowymi œrodkami smarnymi na ekosystem spowodowa³o wzrost zainteresowania produktami o mniejszej szkodliwoœci ekologicznej np. opartymi na bazach pochodzenia roœlinnego i zwierzêcego. Zaletami olejów roœlinnych s¹ tak e dobre w³aœciwoœci przeciwzu yciowe, lepkoœciowo-temperaturowe, przeciwkorozyjne i przeciwpienne [L. 3, 4]. Jednak zastosowanie olejów roœlinnych do wytwarzania œrodków smarowych wymaga zmiany ich struktury chemicznej lub wprowadzenia dodatków uszlachetniaj¹cych w takim zakresie, aby uzyskaæ kompozycjê o w³aœciwoœciach zbli onych do produktów pochodzenia naftowego. Jedn¹ z dróg modyfikacji olejów roœlinnych w kierunku uzyskania œrodków smarowych pracuj¹cych w warunkach wysokich obci¹ eñ jest ich siarkowanie. METODA BADAÑ Przedmiotem badañ by³y ró ni¹ce siê sk³adem chemicznym rafinowane oleje: rzepakowy i s³onecznikowy poddawane procesowi siarkowania w ró nych warunkach. Zmiennymi parametrami procesu by³a temperatura, obecnoœæ katalizatora oraz iloœæ wprowadzanej siarki. Wariantowan¹ iloœæ siarki w zakresie 0,25 1% i 7 10% wprowadzano odpowiednio do oleju rzepakowego i s³onecznikowego, a nastêpnie prowadzono proces w temperaturze 120, 125 i 130 C z udzia³em lub bez katalizatora. Efektywnoœæ dzia³ania siarki wprowadzonej do oleju rzepakowego i s³onecznikowego oceniano na podstawie zmian w³aœciwoœci smarnych

3 T R I B O L O G I A 243 olejów nastêpuj¹cych w wyniku siarkowania. Badania prowadzono zgodnie z norm¹ PN-76/C za pomoc¹ aparatu czterokulowego oraz z metodami opracowanymi w Instytucie Technologii Eksploatacji przy zastosowaniu testerów T-02 [5] i T-18 [6]. Elementami testowymi by³ kulki wykonane ze stali ³o yskowej H 15 oraz tuleja ze stali 45 i gwintownik M10. Badania w³aœciwoœci przeciwzu yciowych za pomoc¹ aparatu czterokulowego prowadzono przy sta³ym obci¹ eniu 392,1 N i prêdkoœci 1450 obr./min. w czasie 1 h. Ocenê w³aœciwoœci smarnych przeprowadzon¹ za pomoc¹ urz¹dzenia T-02 prowadzono przy liniowo narastaj¹cym obci¹ eniu wêz³a tarcia przy prêdkoœci obrotowej wrzeciona 500 obr./min., prêdkoœci narastania obci¹ enia 409 N/s oraz maksymalnym obci¹ eniu wêz³a 7200 N. Wyznaczano wartoœæ obci¹ enia zacieraj¹cego P t, bêd¹cego miar¹ trwa³oœci filmu smarnego tworzonego przez olej oraz granicznego nacisku zatarcia p oz, charakteryzuj¹cego w³aœciwoœci smarne oleju w warunkach zacierania. Za pomoc¹ testera T-18 oceniano moment oporów ruchu przy gwintowaniu z prêdkoœci¹ 240 obr./min. w obecnoœci badanego oleju. WYNIKI BADAÑ Badania w³aœciwoœci smarnych przeprowadzone za pomoc¹ aparatu czterokulowego wykaza³y, e zarówno w³aœciwoœci przeciwzu yciowe, jak i przeciwzatarciowe siarkowanych olejów roœlinnych zale ¹ od warunków procesu siarkowania: iloœci zwi¹zanej siarki, temperatury procesu i obecnoœci katalizatora. Wp³yw warunków siarkowania jest bardzo zró nicowany (Rys.1 i 2). a) b) œrednica skazy [mm] 1 0,8 0,6 0,4 0, st.C 125st.C 130st.C 0 0,25 0,5 1 zawartoœæ siarki [%] obci¹ enie zespawania [N] st.C 125st.C 130st.C 0 0,25 0,5 1 zawartoœæ siarki [%] Rys. 1. Wp³yw warunków siarkowania na w³aœciwoœci a) przeciwzu yciowe i b) przeciwzatarciowe oleju rzepakowego Fig. 1. The influence of sulfurization conditions on tribological properties of the rapeseed oil: a) antiwear properties, b) antiseizure properties

4 244 T R I B O L O G I A Analiza danych zestawionych na Rys. 1a wskazuje, e wprowadzenie 0,25% siarki do oleju rzepakowego pogarsza jego w³aœciwoœci przeciwzu- yciowe. Zwiêkszenie udzia³u siarki do 0,5 i 1% powoduje ich poprawê. W³aœciwoœci przeciwzu yciowe oleju zawieraj¹cego 0,25 i 0,5% siarki pogarszaj¹ siê wraz ze wzrostem temperatury siarkowania i poprawiaj¹ w miarê zwiêkszania udzia³u siarki. Wprowadzenie 1% siarki poprawia oceniane w³aœciwoœci oleju rzepakowego siarkowanego w temperaturze 130 C, nieznacznie pogarsza po procesie przeprowadzonym w temperaturze 125 C. W temperaturze 120 C siarka nie zosta³a ca³kowicie zwi¹zana oleju nie badano. Najmniejsz¹ œrednic¹ skazy charakteryzuje siê olej rzepakowy siarkowany w temperaturze 125 C zawieraj¹cy 0,5% siarki oraz w temperaturze 130 C z 1% udzia³em siarki. Najskuteczniej chroni on wêze³ tarcia przed zu yciem. Analiza w³aœciwoœci przeciwzatarciowych wykaza³a systematyczny wzrost wartoœci obci¹ enia zespawania wraz ze wzrostem zawartoœci siarki w oleju rzepakowym (Rys. 1b). Jednoczeœnie stwierdzono niekorzystny wp³yw podwy szenia temperatury siarkowania ze 120 i 125 do 130 C na wartoœæ ocenianego parametru. We wszystkich badanych przypadkach w³aœciwoœci przeciwzatarciowe oleju pogorszy³y siê. Najwiêksz¹ zdolnoœæ przeciwdzia³aniu zatarciu wykazuje olej zawieraj¹cy 1% siarki (temperatura procesu 125 C). Wyniki badañ uzyskane po testach przeprowadzonych dla oleju s³onecznikowego wskazuj¹, e wprowadzenie siarki do tego oleju nieznacznie poprawia jego w³aœciwoœci przeciwzu yciowe i bardzo znacz¹co prze- a) b) œrednica skazy [mm] 0,68 0,6 0,52 0,44 0,36 0,28 0,2 bez katalizatora z katalizatorem 7 10 zawartoœæ siarki [%] obci¹ enie zespawania [N] zawartoœæ siarki [%] bez katalizatora z katalizatorem Rys. 2. Wp³yw warunków siarkowania na w³aœciwoœci a) przeciwzu yciowe i b) przeciwzatarciowe oleju s³onecznikowego Fig. 2. The influence of sulfurization conditions on tribological properties of the sunflower oil: a) antiwear properties, b) antiseizure properties

5 T R I B O L O G I A 245 ciwzatarciowe (Rys. 2). Obecnoœæ siarki w niewielkim stopniu obni a œrednicê skazy na kulkach testowych (Rys. 2a), przy czy olej zawieraj¹cy 7% pierwiastka wykazuje skuteczniejsz¹ ochronê wêz³a tarcia przed zu yciem ni olej zawieraj¹cy go 10%. Prowadzenie procesu siarkowania z udzia- ³em katalizatora w niewielkim stopniu wp³ywa na w³aœciwoœci przeciwzu- yciowe oleju s³onecznikowego przyczynia siê do zmniejszenia œrednicy skazy na kulkach testowych o ok. 0,1%. Przeprowadzone badania wykaza³y bardzo dobre w³aœciwoœci przeciwzatarciowe siarkowanego oleju s³onecznikowego (Rys. 2b). We wszystkich badanych przypadkach stwierdzono ponad 8-krotny wzrost wartoœci obci¹ enia zespawania siarkowanego oleju w odniesieniu do oleju bazowego. Obecnoœæ katalizatora w procesie siarkowania nie zmienia ocenianych w³aœciwoœci oleju s³onecznikowego. Ocena w³aœciwoœci smarnych siarkowanego oleju rzepakowego po testach przeprowadzonych za pomoc¹ testera T-02 wskazuje, e zarówno wartoœci obci¹ enia zacieraj¹cego P t, jak i granicznego nacisku zatarcia p oz przewy szaj¹ wartoœci uzyskane dla oleju bazowego (Rys. 3). Proces siarkowania korzystnie wp³ywa na trwa³oœæ warstwy smarowej i w³aœciwoœci przeciwzu yciowe w warunkach zacierania oleju rzepakowego. a) b) obci¹ enie zacieraj¹ce [N] st.C 125st.C 130st.C 0 0,25 0,5 1 zawartoœæ siarki [%] graniczny nacisk zatarcia [N/mm2] st.C 130st.C 125st.C 0 0,25 0,5 1 zawartoœæ siarki [mm] Rys. 3. Wp³yw warunków siarkowania oleju rzepakowego na wartoœæ a) obci¹ enia zacieraj¹cego i b) granicznego nacisku zatarcia wyznaczone za pomoc¹ testera T-02 Fig. 3. The influence of sulfurization conditions on tribological properties of the rapeseed oil on: a) scuffing load, b) limiting pressure of seizure Najkorzystniejszymi w³aœciwoœciami smarnymi ocenianymi za pomoc¹ testera T-02 charakteryzuj¹ siê oleje siarkowane w temperaturze 125 C (Rys. 3). Wykazuj¹ one najwy sze wartoœci obydwu wyznaczanych para-

6 246 T R I B O L O G I A metrów. Spoœród nich najwy sz¹ trwa³oœæ tworzonego filmu smarnego charakteryzowanego za pomoc¹ wartoœci obci¹ enia zacieraj¹cego wykazuje olej zawieraj¹cy 0,5% siarki (Rys. 3a). Zwiêkszenie lub zmniejszenie udzia³u siarki oraz obni enie lub podwy szenie temperatury siarkowania obni a wartoœæ obci¹ enia zacieraj¹cego. Wartoœæ parametru wyznaczona dla oleju siarkowanego w temperaturze 125 C zawieraj¹cego 0,5% pierwiastka jest o ok. 30% wy sza ni dla oleju bazowego. Wyznaczone dla siarkowanego oleju rzepakowego wartoœci granicznego nacisku zatarcia (Rys. 3b) wskazuj¹ bardzo korzystny wp³yw siarkowania na jego w³aœciwoœci przeciwzu yciowe w warunkach zacierania. We wszystkich badanych przypadkach stwierdzono 9 10-krotny wzrost tego parametru w odniesieniu do oleju bazowego. Najwy sz¹ wartoœæ wyznaczanego wskaÿnika stwierdzono po badaniu oleju zawieraj¹cego 0,5% siarki po procesach przeprowadzonych w temperaturze 125 i 130 C. Wyniki uzyskane po badaniach oleju s³onecznikowego za pomoc¹ testera T-02 wskazuj¹, e siarkowanie nieznacznie obni a trwa³oœæ filmu smarnego tworzonego przez ten olej i znacznie podwy sza jego w³aœciwoœci przeciwzu yciowe w warunkach zacierania (Rys. 4). P t [N], p oz [N/mm 2 ] % S 10% S Pt Rys. 4. Wp³yw warunków siarkowania oleju s³onecznikowego na wartoœæ obci¹ enia zacieraj¹cego P t i granicznego nacisku zatarcia p oz wyznaczone za pomoc¹ testera T-02 Fig. 3. The influence of sulfurization conditions on tribological properties of the sunflower oil on: a) scuffing load, b) limiting pressure of seizure poz Wartoœæ obci¹ enia zacieraj¹cego P t po procesie siarkowania obni a siê o ok. 6 lub 3% odpowiednio po wprowadzeniu 7 i 10% siarki do bazowego oleju s³onecznikowego. Natomiast wartoœæ granicznego nacisku zatarcia p oz wzrasta odpowiednio ok. 5- i 4-krotnie. Dane Rys. 4 wskazuj¹, e

7 T R I B O L O G I A 247 olej s³onecznikowy zawieraj¹cy 7% siarki charakteryzuje siê korzystniejszymi w³aœciwoœciami smarnymi ni olej z 10%-ym udzia³em tego pierwiastka. Tworzy on nieco mniej trwa³y film smarny, ale bardziej chroni wêze³ tarcia przed zatarciem w warunkach ekstremalnych wymuszeñ. Analiza powierzchni œladu na kulkach testowych przeprowadzona za pomoc¹ mikroanalizy rentgenowskiej SEM-EDS potwierdzi³a ró ny wp³yw siarkowania na w³aœciwoœci smarne olejów roœlinnych. Obrazy skaningowe œladów zu ycia na kulkach po testach przeprowadzonych za pomoc¹ testera T-02 potwierdzaj¹ korzystny wp³yw siarkowania na w³aœciwoœci przeciwzu yciowe w warunkachj zacierania oleju rzepakowego (Rys. 5a i 5b) oraz s³onecznikowego (Rys. 6a i 6b). Wprowadzenie siarki zmniejsza tendencjê do szczepieñ adhezyjnych oraz wielkoœæ œladu zu ycia na kulce testowej. Korzystniejszy wp³yw siarkowania stwierdzono dla oleju rzepakowego. Po badaniach tego oleju stwierdzono wyraÿne zmniejszenie wielkoœci œladu na kulce testowej oraz jego wyg³adzenie. Wskutek siarkowania oleju s³onecznikowego wielkoœæ œladu na kulce testowej zmniejszy³a siê w mniejszym stopniu, natomiast nast¹pi³a wyraÿna poprawa struktury œladu. a) b) c) Rys. 5. Obraz skaningowy œladu zu ycia na kulce testowej po badaniach a) oleju rzepakowego i b) siarkowanego oleju rzepakowego oraz c) analiza rentgenowska rozk³adu powierzchniowego siarki na kulce Fig. 5. SEM image of the wear scar on the test ball after testing: a) rapseed oil, b) sulfurized rapseed oil, c) EDS map for surface distribution of sulfur in the wear scar Mapy rozk³adu powierzchniowego siarki na kulkach testowych po badaniach siarkowanego oleju rzepakowego (Rys. 5c) i s³onecznikowego (Rys. 6c) wskazuj¹ na znaczny udzia³ siarki w warstwie wierzchniej œladów zu ycia, co wskazuje na tworzenie siê w warunkach wysokich wymuszeñ zwi¹zków siarki z powierzchni¹ stali. Dziêki temu zwiêksza siê

8 248 T R I B O L O G I A a) b) c) Rys. 6. Obraz skaningowy œladu zu ycia na kulce testowej po badaniach a) oleju s³onecznikowego i b) siarkowanego oleju s³onecznikowego oraz c) analiza rentgenowska rozk³adu powierzchniowego siarki na kulce Fig. 6. SEM image of the wear scar on the test ball after testing: a) sunflower oil, b) sulfurized sunflower oil, c) EDS map for surface distribution of sulfur in the wear scar odpornoœæ wêz³a tarcia na zacieranie. Korzystniejsze w³aœciwoœci siarkowanego oleju rzepakowego w odniesieniu do oleju rzepakowego wynikaj¹ z równomiernego rozk³adu siarki w powierzchni œladu zu ycia. Badania przeprowadzone za pomoc¹ testera T-18 wykaza³y, e wprowadzenie siarki nie zmienia wartoœci momentu oporów ruchu przy gwintowaniu w obecnoœci oleju rzepakowego. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wykaza³y, e wprowadzenie do oleju roœlinnego siarki zmienia jego w³aœciwoœci smarne zale nie od rodzaju oleju i parametrów procesu siarkowania. Przede wszystkim poprawia w³aœciwoœci przeciwzatarciowe oleju s³onecznikowego oceniane za pomoc¹ aparatu czterokulowego oraz zwiêksza w³aœciwoœci przeciwzatarciowe i przeciwzu yciowe w warunkach ekstremalnych wymuszeñ oleju rzepakowego oceniane za pomoc¹ testera T-02. W przypadku oleju s³onecznikowego skutecznoœæ dzia³ania siarki przejawia siê kilkukrotnym wzrostem wartoœci obci¹- enia zespawania. Po badaniach oleju rzepakowego stwierdzono mniejszy wzrost tego parametru oraz znaczny obci¹ enia zacieraj¹cego i granicznego nacisku zatarcia, parametrów odzwierciedlaj¹cych trwa³oœæ filmu smarnego oraz odpornoœæ na zacieranie wêz³a tarcia. Wyniki przeprowadzonych badañ wykaza³y zró nicowany wp³yw parametrów procesu siarkowania na w³aœciwoœci smarne olejów roœlinnych. Najkorzystniejszymi w³aœciwoœciami smarnymi charakteryzuje siê olej rze-

9 T R I B O L O G I A 249 pakowy siarkowany w temperaturze 125 C, do którego wprowadzono 0,5% siarki oraz olej s³onecznikowy zawieraj¹cy 7% pierwiastka. Analiza uzyskanych wyników badañ wskazuje, e podczas komponowania ekologicznych œrodków smarowych przeznaczonych do pracy w warunkach wysokich obci¹ eñ korzystnie jest stosowaæ siarkowany olej rzepakowy w charakterze oleju bazowego. LITERATURA 1. Gawroñska H., Górski W.: Biodegradowalnoœæ i ekotoksycznoœæ wybranych rodzajów cieczy eksploatacyjnych. Paliwa, oleje i smary w eksploatacji, 1999, 68, s W³ostowska E.: Oleje a œrodowisko. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, 1993, 7, s Rogoœ E., Urbañski A., Gr¹dkowski M.: W³aœciwoœci smarne wybranych olejów roœlinnych. Tribologia, 2001, nr Górski W., Ostaszewski W., Wiœlicki B.: Krajowe oleje roœlinne-surowcem dla paliw silnikowych i olejów smarowych. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, 2001, 90, s Dimmig Th. I inni: Additivkomponenten auf Basis nativer Ölen. Tribologie und Schmierungstechnik, 1994, 6, s Szczerek M., Tuszyñski W.: Badania tribologiczne. Zacieranie. ITeE, Radom, Michalczewski R. I inni.: Nowe urz¹dzenia w systemie badañ tribologicznych do testowania specjalnych wêz³ów tarcia. Problemy Eksploatacji, 2002, 3, s Summary Recenzent: Janusz JANECKI This paper presents tribological properties of vegetable oils that were sulfurized. The authors tested antiwear and antiseizure properties of rapeseed and sunflower oils, also in extreme-pressure conditions. The tests were realized using a four-ball tester. As a result of executed tests the authors show that sulfurization has a diversed influence on antiwear properties of oils with vegetable base and improves their antisezure properties. The changes in the properties depend on the oil type and on

10 250 T R I B O L O G I A the quantily and the sulfurization conditions. The results show a very good influence of sulfurization on the properties of the rapeseed oil. Sulfurization a the rapeseed oil considerably increases antiseizure properties in comparision with base oils.