Wpływ dodatku Molyslip 2001E na właściwości. przeciwzużyciowe olejów silnikowych

Transkrypt

1 INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN Wpływ dodatku Molyslip 2001E na właściwości przeciwzużyciowe olejów silnikowych Wykonawcy pracy: dr inż. Jan Guzik kierujący pracą inż. Barbara Stachera mgr inż. Katarzyna Mrozowicz

2 Radom 2008 r. Spis treści: 1. Wprowadzenie 3 2. Właściwości fizykochemiczne próbek 3 3. Pomiar właściwości tribologicznych olejów 5 4. Wpływ dodatku Molyslip 2001 E na właściwości przeciwzużyciowe oleju silnikowego 8 5. Wnioski 11 2

3 1. Wprowadzenie Dwusiarczek molibdenu MoS 2 jest często stosowanym dodatkiem smarnościowym do smarów plastycznych. Stosowanie tego dodatku do olejów smarowych jest ograniczone ze względu na stały stan skupienia, co powoduje wydzielanie się dodatku z oleju. Firma Rato z Rumii rozprowadza m.in. dodatki eksploatacyjne Molyslip 2001 E, przeznaczone do olejów silnikowych, będące koloidalnymi roztworami MoS 2 w oleju. Stosowanie dadatków w postaci roztworów koloidalnych zdecydowanie zmniejsza wydzielanie się składników z oleju. Strony internetowe (np. informują o korzystnym oddziaływaniu tych dodatków podczas eksploatacji samochodów. Zakład Materiałów Smarowych i Paliw w Instytucie Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Politechniki Radomskiej posiada różne maszyny tribologiczne, w tym maszynę MT 1, pozwalającą mierzyć zużycie metalu próbek oraz współczynnik tarcia w węźle smarowanym badanym olejem. W węźle maszyny MT 1 w warunkach tarcia mieszanego należało przeprowadzić porównawcze badanie wpływu dodatku Molyslip 2001 E na właściwości przeciwzużyciowe oleju silnikowego. 2. Właściwości fizykochemiczne próbek Badano olej silnikowy Lotos SAE 15W/40, klasy jakościowej API SF/CC oraz ten olej zawierający 6% dodatku Molyslip 2001E. Rodzaj i zawartość stosowanego dodatku jest zgodna z zaleceniem producenta dla użytkowników olejów silnikowych. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe informacje o badanych próbkach olejowych. Tabela 1 Podstawowe właściwości fizykochemiczne badanych próbek Lp. 1. Nazwa oleju Lotos SAE 15W/40, API SF/CC Lepkość kinematyczna w 40 C, [mm 2 /s] w 100 C, [mm 2 /s] Wskaźnik lepkości WL Liczba zasadowa [mg KOH/g] 117,58 15,33 136,3 5,84 2. Lotos + 6% Molyslip E 119,02 15,45 135,9 3

4 Lepkość oleju po wprowadzeniu dodatku nie zmienia się istotnie. Dlatego ewentualne zmiany właściwości tribologicznych (np. przeciwzużyciowych) badanych próbek informują o wpływie dodatku na właściwości smarnościowe oleju. Na rysunku 1 przedstawiono widmo w podczerwieni (IR) oleju silnikowego Lotos; odnośnikiem był mineralny olej bazowy. Dla porównania pokazano też widmo IR roztworu dodatku AW w oleju bazowym. Widma w podczerwieni otrzymuje się przepuszczając promieniowanie przez badaną próbkę. Takie samo promieniowanie przepuszczane jest przez odnośnik. Związki organiczne (a dokładniej: ugrupowania w tych związkach) pochłaniają promieniowanie przy określonej długości fali (liczbie falowej). Widma IR informują więc o związkach organicznych w próbkach. Rysunki przedstawiają rodzaj substancji w oleju (piki ze zmniejszoną transmisją promieniowania przy określonej liczbie falowej), jak też zawartość danej substancji (wielkość piku). Widma mogą służyć do identyfikacji poszczególnych substancji organicznych, ale można je też wykorzystać do rozpoznania składu mieszanin (np. olejów). 110 transmisja [%] Lotos 600 dod. AW 400 liczba falowa [1/cm] Rys. 1. Porównanie widma w podczerwieni oleju Lotos SAE 15W/40, API SF/CC z widmem dodatku typu AW Fragment widma oleju Lotos na rysunku 1 wykazuje liczne piki pochodzące od dodatków do oleju. Można zauważyć, że np. przy ok i 650 cm 1 w widmie oleju Lotos występują piki przy podobnych liczbach falowych, jak dla roztworu dodatku AW. Oznacza to, 4

5 że w badanym oleju Lotos również występują dodatki przeciwzużyciowe (AW). Potwierdza to znany fakt, że we współczesnych olejach silnikowych powszechnie stosowane są dodatki typu AW. 3. Pomiar właściwości tribologicznych olejów Skutkiem tarcia jest wydzielanie się energii w węźle tarcia. Bezpośrednim skutkiem negatywnym są opory tarcia, mierzone jako współczynnik tarcia. Skutkiem pośrednim jest zamiana tej energii w węźle tarcia powodująca wydzielenie ciepła oraz zużycie elementów węzła itd. Mechanizmy zużycia są różnorodne i zależą m in. od rodzaju tarcia. W smarowanych węzłach tarcia możliwe jest tarcie płynne, gdy współpracujące elementy rozdzielone są warstwą oleju, oraz tarcie mieszane, kiedy współpracujące elementy lokalnie kontaktują się bezpośrednio tworząc np. styk metal metal. Poruszające się w węźle tarcia elementy metalowe nigdy nie mogą być idealnie gładkie, więc podczas ruchu może dochodzić do styku wierzchołków chropowatości z obydwu współpracujących elementów. Tarcie mieszane występuje zwłaszcza przy zmianie zadawanych wymuszeń (np. przy starcie lub zatrzymaniu), jak też wskutek zmian wymuszeń podczas pracy węzła tarcia. Tarcie w styku metal metal, np. w skojarzeniu tłok pierścień cylinder silnika spalinowego może być częściowo zastąpione przez tarcie między produktami reakcji dodatków z metalem węzła tarcia wg następującego równania: TWW wymuszenia ( p,v,t ) EWW olej smarowy ( dodatki ) (1). Reakcja wg równania (1) polega na przemianie technologicznej warstwy wierzchniej (TWW) i dodatków do oleju pod wpływem wymuszeń (p nacisk jednostkowy, v prędkość ślizgania, T temperatura w styku tarciowym) w eksploatacyjną warstwę wierzchnią (EWW). Jeżeli do oleju smarowego wprowadzono odpowiednie dodatki smarnościowe, to powstająca EWW powoduje mniejsze opory tarcia i mniejsze zużycie węzła tarcia, niż przed jej powstaniem. Różne oleje smarowe mogą różnić się rodzajem i ilością dodatków smarnościowych, co wpływa na właściwości tribologiczne olejów. Dodatki smarnościowe zaliczane są do dwóch głównych klas: - dodatki przeciwzużyciowe (AW), powodujące zmniejszenie zużycia elementów węzła tarcia, 5

6 - dodatki przeciwzatarciowe (EP), zmniejszające tendencję do fizycznego połączenia elementów węzła. Dodatki AW występują m.in. w większości olejów silnikowych, co można zauważyć na rys. 1. Dodatki EP używane są głównie w zestawach olejów przekładnowych. Stosowane skróty pochodzą od angielskich nazw dodatków: antiwear (AW) oraz extreme pressure (EP). Właściwości tribologiczne są szczególnie ważne podczas tarcia mieszanego, a więc np. podczas uruchomienia węzła tarcia. Właściwości tribologiczne węzła tarcia zależą zarówno od dodatków zawartych w oleju, jak też od wymuszeń tribologicznych. Trzeba jednak pamiętać, że oleje smarowe muszą spełniać różne zadania, więc zawierają różne dodatki uszlachetniające. Poszczególne dodatki mogą współdziałać ze sobą wykazując tzw. synergizm. Może też zachodzić antagonizm dodatków, gdy poprawienie jednej właściwości spowoduje pogorszenie innych właściwości oleju. Dlatego po zmianie receptury oleje smarowe powinny być wielostronnie badane. Maszyna MT 1 służy do różnych pomiarów tribologicznych w węźle smarowanym badanym olejem. Rys. 2 ilustruje widok ogólny stanowiska badawczego. Maszyna MT 1 Szafa pomiarowa Komputery pomiarowe Rys. 2. Widok ogólny stanowiska badawczego z maszyną MT 1 6

7 Na rys. 3 przedstawiono schemat węzła tarcia, a na rys. 4 widok węzła tarcia maszyny MT 1. T 1 v V 2 1 p P p P 3 Rys. 3. Schemat węzła tarcia maszyny MT 1: 1 próbka, 2 przeciwpróbka, 3 olej; wymuszenia tribologiczne: p nacisk jednostkowy, v prędkość ślizgania, T temperatura w strefie tarcia Rys. 4. Widok węzła tarcia maszyny MT 1 Rysunki pokazują, że sama maszyna MT 1, a zwłaszcza jej węzeł tarcia stanowi niewielką część całego stanowiska badawczego. Pozostałe elementy, w tym przetworniki w szafie pomiarowej oraz komputery, decydują o zakresie wykonywanych i możliwych badań. Podczas badań można regulować podstawowe wymuszenia tribologiczne (p, v, T). W ten sposób, zmieniając wymuszenia, można doprowadzić do tarcia mieszanego. W wyniku licznych doświadczeń opracowano następującą procedurę badań właściwości tribologicznych w maszynie MT 1 w warunkach tarcia mieszanego: 7

8 a) wyznaczanie zależności współczynnika tarcia przy rosnącym nacisku jednostkowym bez docierania węzła z olejem, czyli bezpośrednio po zalaniu oleju (v=0,1 m/s), b) docieranie węzła tarcia z badanym olejem (p=12,5 MPa, v=0,4 m/s), c) wyznaczanie zależności µ =f(p), czyli analogicznej jak w p cie a, ale po docieraniu węzła z olejem wg p tu b. Wyniki badania informują o następujących właściwościach tribologicznych: - badanie przy ustalonych wymuszeniach wg punktu b) pokazuje właściwości przeciwzużyciowe oleju na podstawie zużycia próbki stalowej w węźle maszyny MT 1. Wiarygodne wyniki uzyskuje się po dłuższym badaniu; na podstawie dotychczasowych doświadczeń badanie prowadzono przez 3 doby, - porównanie charakterystyk wg punktów a) i c) mówi o oporach tarcia w węźle smarowanym badanym olejem. Po docieraniu (wg p tu c) charakterystyka powinna być korzystniejsza, niż wg p tu a, czyli wykazywać mniejsze wartości współczynnika tarcia przy takich samych naciskach jednostkowych. Jeżeli charakterystyka po docieraniu nie poprawia się to należy sądzić, że docieranie było nieskuteczne, a praktycznie oznacza to zły dobór dodatków do oleju. Analogiczną procedurę można też wykorzystać do porównania olejów o zbliżonym składzie, np. różniących się obecnością jednego dodatku. W tym przypadku ewentualne różnice zużycia oraz współczynników tarcia należy przypisać wpływowi tego dodatku. Pomiar rezystancji elektrycznej pozwala upewnić się, że w węźle tarcia występowało tarcie mieszane. Zmierzone wartości wymuszeń (p, v, T), a także oporów tarcia, zużycia próbek stalowych oraz rezystancji elektrycznej zapisywane są w komputerze co określony czas i są potem obrabiane. Wyniki przedstawiane są na wykresach. 4. Wpływ dodatku Molyslip 2001 E na właściwości przeciwzużyciowe oleju silnikowego Badania tribologiczne wykonano wg powyżej opisanej procedury w węźle maszyny MT 1 smarowanym badanymi olejami. Podczas pomiarów charakterystyk (punkty a i c) wyniki zapisywano w komputerze wyniki co 0,1 s. Podczas docierania (punkt b) zmiany były znacznie wolniejsze i dlatego zapisywano wyniki co 10 s. Na rysunkach 5 i 6 porównano zależności współczynnika tarcia od nacisku jednostkowego (czyli charakterystyki tribologiczne) bezpośrednio po zalaniu oleju tj. bez docierania (wg p tu a) i po 3 dobowym docieraniu (punkt c). 8

9 0,14 0,12 Lotos+dod. E Współczynnik tarcia 0,1 0,08 0,06 0,04 Lotos 0, Nacisk jednostkowy [MPa] Rys. 5. Porównanie charakterystyk tribologicznych olejów bez docierania 0,14 0,12 Lotos Współczynnik tarcia 0,1 0,08 0,06 Lotos+dod. E 0,04 0, Nacisk jednostkowy [MPa] Rys. 6. Porównanie charakterystyk olejów po 72 h docierania Bezpośrednio po zalaniu oleju (bez docierania) olej z dodatkiem Molyslip 2001 E wykazuje nieco wyższe wartości współczynnika tarcia niż handlowy olej Lotos (rys. 5). Po 3 dobowym docieraniu następuje zmiana: olej z dodatkiem Molyslip 2001 E wykazuje mniejsze wartości współczynnika tarcia niż olej bez dodatku (rys. 6). Zmiany charakterystyk 9

10 podczas docierania (porównanie rys. 5 i 6) są korzystniejsze dla oleju z dodatkiem Molyslip 2001 E, ale różnice wartości współczynnika tarcia są dość małe. Na rys. 7 przedstawiono zasadniczy wynik badania, czyli zależność zużycia metalowych próbek w węźle maszyny MT 1 od czasu docierania w warunkach wg punktu b. Docieranie każdorazowo prowadzono przez 3 doby (72 h). 0,040 0,035 Lotos zużycie próbki [mm] 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 Lotos +dod. E 0,005 0, czas [h] Rys. 7. Wpływ dodatku Molyslip 2001 E na zużycie próbek stalowych w węźle maszyny MT 1 smarowanym olejem silnikowym Przebiegi zużycia w czasie (dla badanych olejów) można podzielić na dwa zakresy: początkowe wysokie wartości zużycia po kilkudziesięciu godzinach dążą do ustalonej intensywności zużycia, kiedy przyrost zużycia w węźle smarowanym każdym z badanych olejów w jednostce czasu jest w przybliżeniu jednakowy. Można łatwo zauważyć, że zużycie próbek stalowych jest znacznie mniejsze dla węzła smarowanego olejem silnikowym z dodatkiem Molyslip 2001 E. Dla przedziału od 50 do 70 godzin różnica wartości zużycia wynosi około 20 %. Olej z dodatkiem Molyslip 2001 E szybciej kończy docieranie: w tym przypadku po około 30 godzinach przebieg zużycia zaczyna być liniowy, czyli intensywność zużycia jest stała. Olej Lotos handlowy (bez uzupełniającego dodatku) wymaga około 50 godzin do ustalenia intensywności zużycia, czyli zakończenia docierania węzła. 10

11 4. Wnioski Badania prowadzono przy wymuszeniach zbliżonych do występujących w węzłach tarcia smarowanych olejem silnikowym. Oznacza to zachodzenie podobnych procesów w węźle maszyny MT 1 oraz w węzłach samochodu smarowanych olejem silnikowym. Na podstawie przeprowadzonych badań można zauważyć, że: 1. Zużycie próbek stalowych w węźle smarowanym olejem silnikowym zawierającym dodatek Molyslip 2001 E jest znacznie mniejsze, niż podczas smarowania węzła olejem handlowym bez tego dodatku. 2. Docieranie węzła maszyny MT 1 kończy się szybciej, jeżeli węzeł smarowany jest olejem zawierającym badany dodatek. 3. Opory tarcia (mierzone jako współczynnik tarcia) są zbliżone, ale po docieraniu są nieco niższe jeżeli węzeł tarcia smarowany jest olejem z dodatkiem Molyslip 2001 E. Oznacza to, że podczas powstawania eksploatacyjnej warstwy wierzchniej wg równania (1), występuje synergizm, czyli korzystne współdziałanie dodatku Molyslip 2001 E dodatkami zawartymi w oleju silnikowym. Przeprowadzone badania upoważniają do wnioskowania, że dodatek Molyslip 2001 E wprowadzony w zalecanej ilości do olejów silnikowych zmniejszy zużycie węzłów tarcia silnika oraz przyspieszy docieranie węzłów. 11