TRIBOLOGIA 5/2003 (191) TEORIA I PRAKTYKA

5-2003 T R I B O L O G I A 1 TRIBOLOGIA 5/2003 (191) TEORIA I PRAKTYKA DWUMIESIÊCZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY SIMP ROK XXXIV WYDAWANY WE WSPÓ PRACY Z POLSKIM TOWARZYSTWEM TRIBOLOGICZNYM I INSTYTUTEM TECHNOLOGII EKSPLOATACJI W RADOMIU TRIBOLOGIA Czasopismo dofinansowane przez Komitet Badañ Naukowych Adres redakcji: ul. K. Pu³askiego 6/10, 26-600 Radom, tel. (048) 364-42-41, w. 223, fax (048) 3644765 e-mail: tribologia@itee.radom.pl e-mail: marian.szczerek@itee.radom.pl http://www.itee.radom.pl/tribolog REDAGUJE ZESPÓ Redaktor naczelny: dr hab. in. Marian Szczerek, prof. ITeE Zast. Redaktora naczelnego: dr hab. in. Marek Wiœniewski, prof. ITeE Sekretarz redakcji: mgr in. Krzysztof Grzegorczyk RADA PROGRAMOWA Przewodnicz¹cy: prof. zw. dr hab. in. Stanis³aw Pytko Cz³onkowie: prof. zw. dr hab. in. Tadeusz Burakowski, prof. dr hab. in. Jan Burcan, prof. zw. dr hab. in. Monika Gierzyñska-Dolna, prof. zw. dr hab. in. Janusz Janecki, prof. zw. dr hab. in. Czes³aw Kajdas, prof. dr hab. in. Jan Kiciñski, prof. dr hab. in. Piotr Kula, prof. dr hab. in. Jerzy unarski, prof. zw. dr hab. in. Ryszard Marczak, prof. dr hab. in. Stanis³aw Mitura, dr in. Witold Piekoszewski, prof. dr hab. in. Jan Senatorski, prof. dr hab. in. Marian W³odzimierz Su³ek, prof. dr hab. in. Stanis³aw F. Œcieszka, prof. zw. dr hab. in. Boles³aw Wojciechowicz oraz prof. Wilfried J. Bartz (RFN), prof. Pavel Blaškoviè (S³owacja), prof. Awtandi³ W. Cziczinadze (Rosja), prof. Gerd Fleischer (RFN), prof. Friedrich Franek (Austria), prof. Michael J. Furey (USA), prof. Zygmunt Haduch (Meksyk), prof. Weimin Liu (Chiny), prof. H. Peter Jost (President International Tribology Council, Wielka Brytania), prof. Anatoly I. Sviridenok (Bia³oruœ) Indeks 37913 Nak³ad 300 egz. PL ISSN 0208-7774 OFICYNA WYDAWNICZA SIMP POLSKIE TOWARZYSTWO TRIBOLOGICZNE al. wirki i Wigury 31, 02-091 Warszawa INSTYTUT TECHNOLOGII EKSPLOATACJI ul. K. Pu³askiego 6/10, 26-600 Radom ul. Œwiêtokrzyska 14A 00-050 Warszawa, skr. poczt. 7 tel. (022) 827-26-05 (022) 826-74-61 9 w. 478 Sk³ad i druk: Wydawnictwo i Zak³ad Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu

2

5-2003 T R I B O L O G I A 3 TREŒÆ Janusz DASIEWICZ, Zbigniew PAWELEC Œlizgowy termoutwardzalny kompozyt metalo ywiczny na elementy ³o ysk poprzecznych... 11 Jolanta DRABIK, Ewa PAWELEC, Janusz JANECKI Charakterystyka biodegradowalnych baz olejowych ekologicznych smarów plastycznych... 21 Eugene FELDSHTEIN Modelowanie fizyczne procesów zu ycia no y z materia³ów supertwardych... 37 Jadwiga JANOWSKA, Zenobia R ANEK-BOROCH, Magdalena EKWIÑSKA Zastosowanie mikroskopu si³ atomowych do badania w³asnoœci tarciowych ultracienkich pow³ok... 49 Wies³aw LESZEK Rozwa ania o podstawach tribologii. 2. Procesy dyferencjacji i integracji wiedzy tribologicznej... 63 Wies³aw LESZEK Rozwa ania nad podstawami tribologii. 3. Wspó³dzia³anie tribologii z naukami przyrodniczymi... 73 Anna MATUSZEWSKA, Marian GR DKOWSKI Badanie roli dodatków AW/EP w przemianach warstwy wierzchniej przy obci¹ eniu zacieraj¹cym... 85 Remigiusz MICHALCZEWSKI, Witold PIEKOSZEWSKI, Marian SZCZEREK Wp³yw dodatków typu AW/EP na powierzchniow¹ trwa³oœæ zmêczeniow¹ elementów z pow³ok¹ TiN... 97

4 Jaros³aw MOLENDA, Marian GR DKOWSKI Tribochemiczne oddzia³ywania pomiêdzy dialkiloditiofosforanem cynku oraz 3-alliloksy- 1,2 propanodiolem... 109 Karol NADOLNY, Jaros³aw SELECH, Przemys³aw TYCZEWSKI Zmiany struktury geometrycznej powierzchni powsta³e podczas testów zu yciowych... 121 Karol NADOLNY, Przemys³aw TYCZEWSKI Eksperymentalne wyniki badañ jednoczesnego zu ycia mechaniczno-œcierno-korozyjnego... 133 Antoni NEYMAN, Pawe³ ROMANOWSKI, Leszek D BROWSKI Wêz³y cierne stabilizatora pola operacyjnego serca... 145 Stanis³aw NOSAL, Jan GRZEŒKOWIAK Wykorzystanie wspó³czynnika tarcia do oceny odpornoœci na zu ycie eliwnego skojarzenia œlizgowego... 157 Edyta OSUCH-S OMKA, Marian GR DKOWSKI Wp³yw zawartoœci nape³niacza na w³aœciwoœci tarciowe kompozytów politetrafluoroetylenu... 167 Zbigniew PAWELEC, Janusz DASIEWICZ Analiza przydatnoœci proszków metali i stopów jako nape³niaczy œlizgowych kompozytów polimerowych.. 177 Pawe³ PIEC, Grzegorz ZAJ C Wspomaganie komputerowe analizy procesu tarcia... 189 Witold PIEKOSZEWSKI, Waldemar TUSZYÑSKI W³aœciwoœci przeciwzu yciowe, przeciwzatarciowe i trwa³oœæ zmêczeniowa wêz³a tarcia jako efekt rodzaju i stê enia dodatków smarnoœciowych w oleju... 201

5-2003 T R I B O L O G I A 5 Tomasz ROCHATKA, Wies³aw ZWIERZYCKI Rozwiniêcia idei M.M. Chrušcova wersja wspó³czesna... 219 El bieta ROGOŒ Wp³yw uzdatniania na w³aœciwoœci tribologiczne olejów sprê arkowych... 229 El bieta ROGOŒ, Andrzej URBAÑSKI, Joanna KARAŒ W³aœciwoœci tribologiczne siarkowanych olejów roœlinnych... 241 Jan SADOWSKI, Leszek SARNOWICZ Badania kalorymetryczne sk³adowej cieplnej i mechanicznej oporów tarcia... 251 Piotr SADOWSKI Badania modelowe odpornoœci na zu ywanie œcierne wybranych gatunków staliw... 261 J. SENATORSKI, B. SIEPRACKA Zapobieganie tribokorozji przez obróbkê cieplno- -chemiczn¹... 271 B. SIEPRACKA, J. SZUMNIAK, S. STAWARZ Wp³yw rodzaju osnowy na w³aœciwoœci tribologiczne kompozytów œlizgowych z dyspersj¹ teflonow¹... 283 Jan SIKORA Badania wytrzyma³oœci zmêczeniowej panwi œlizgowych przy wiruj¹cym wektorze obci¹ enia... 293 El bieta SIWIEC, Marian GR DKOWSKI Wp³yw utleniania i hydrolizy na w³aœciwoœci smarne oleju s³onecznikowego... 307

6 Arkadiusz STACHOWIAK, Wies³aw ZWIERZYCKI Obliczanie zu ycia korozyjno-mechanicznego z wykorzystaniem teorii pêkania materia³ów... 317 Micha³ STYP-REKOWSKI Znaczenie smarowania w procesie eksploatowania tocznej pary kinematycznej... 329 W³odzimierz SU EK, Tomasz WASILEWSKI, Anita BOCHO-JANISZEWSKA W³aœciwoœci tribologiczne roztworów monoglicerydów w oleju parafinowym... 341 Tomasz TRZASKACZ, Czes³aw KOZIARSKI Metoda, stanowisko i badania wstêpne w³asnoœci tribologicznych chrz¹stki stawowej... 347 W³odzimierz WALIGÓRA, Micha³ LIBERA Ocena nominalnej trwa³oœci ³o ysk tocznych na podstawie badañ skróconych... 357 Krzysztof WIERZCHOLSKI Tribologia hodowli tkanki kostnej w bioreaktorze... 369 Marek WIŒNIEWSKI, Micha³ CICHOMSKI Identyfikacja oporów ruchu i zu ycia pow³ok niskotarciowych... 384 Micha³ WODTKE Weryfikacja modelu hydrostatycznego i wspomagania ³o yska noœnego hydrogeneratora... 395 Feliks WOJTKUN Problem zu ywania tribologicznego staliwa w niskich temperaturach... 409

6 Jacek PRZEPIÓRKA, Marian SZCZEREK Wplyw swobodnej energii powierzchniowej na charakterystyki tribologiczne polimerowo - metalowych wezlow tarcia... 419 Marian SZCZEREK, Jacek PRZEPIÓRKA Mechanizmy zuzycia polimerowo-metalowych wezlow tarcia... 427 Andrzej Antoni CZAJKOWSKI Opis numeryczny parametrow pracy dla eliptycznego stawu biodrowego... 447 Jaroslaw SEP Trojwymiarowa hydrodynamiczna analiza lozyska z czopem ze srubowym rowkiem... 459

5-2003 T R I B O L O G I A 7 CONTENTS Janusz DASIEWICZ, Zbigniew PAWELEC The sliding thermosetting metal-resinous composite for elements of radial bearings... 11 Jolanta DRABIK, Ewa PAWELEC, Janusz JANECKI Characteristic of the biodegradable base oils of ecological greases... 21 Eugene FELDSHTEIN Physical modeling of wear process of superhard material cutters... 37 Jadwiga JANOWSKA, Zenobia R ANEK-BOROCH, Magdalena EKWIÑSKA Application of atomic force microscope to study frictional properties of ultrathin films... 49 Wies³aw LESZEK Consideration of tribology basis. Part 2. Processes of tribological knowledge differentiation and integration... 63 Wies³aw LESZEK Discusion about fundamental problems of tribology. Part 3. Cooperation among tribology and biological science... 73 Anna MATUSZEWSKA, Marian GR DKOWSKI The influence of AW/EP additives on the surface layer changes under scuffing load... 85 Remigiusz MICHALCZEWSKI, Witold PIEKOSZEWSKI, Marian SZCZEREK The effect of AW/EP additives on rolling contact fatigue of TiN coated parts... 97

8 Jaros³aw MOLENDA, Marian GR DKOWSKI Tribochemical interactions between zinc dialkyldithiophosphate and 3-allyloxy-1,2-propandiol... 109 Karol NADOLNY, Jaros³aw SELECH, Przemys³aw TYCZEWSKI The influence of abrasive-corrosive wear on change of surface roughness... 121 Karol NADOLNY, Przemys³aw TYCZEWSKI The experimental results of investigations of simultaneous wear abrasive corrosive... 133 Antoni NEYMAN, Pawe³ ROMANOWSKI, Leszek D BROWSKI Friction joints of surgical area heart stabilizer... 145 Stanis³aw NOSAL, Jan GRZEŒKOWIAK Using the coefficient of friction to assess the wear resistance of cast iron sliding connections... 157 Edyta OSUCH-S OMKA, Marian GR DKOWSKI Influence of fillers on frictional properties of polytetrafluoroethylene (PTFE) composites... 167 Zbigniew PAWELEC, Janusz DASIEWICZ Assessment of suitability of powdered metals and alloys as fillers in polymer composites for sliding tribosystems... 177 Pawe³ PIEC, Grzegorz ZAJ C Computer aided analysis of friction process... 189 Witold PIEKOSZEWSKI, Waldemar TUSZYÑSKI An effect of the type and concentration of lubricating additives of AW/EP properties and rolling fatigue life of a tribosystem... 201

5-2003 T R I B O L O G I A 9 Tomasz ROCHATKA, Wies³aw ZWIERZYCKI The contemporary version of the continuation of Krushchev s concept... 219 El bieta ROGOŒ An influence of treatment of compressor oils on their tribological properties... 229 El bieta ROGOŒ, Andrzej URBAÑSKI, Joanna KARAŒ Tribological properties of sulfurized vegetable oils... 241 Jan SADOWSKI, Leszek SARNOWICZ Calorimetric research of the thermal and mechanic components of friction resistance... 251 Piotr SADOWSKI Model research of the resistance to abrasive wear of the chosen kinds of cast steel... 261 J. SENATORSKI, B. SIEPRACKA Prevention against tribocorrosion throughout thermochemical treatment... 271 B. SIEPRACKA, J. SZUMNIAK, S. STAWARZ Influence of kind matrix for tribological properties of the slide composites with PTFE dispersion... 283 Jan SIKORA Experimental investigation of slide bushes fatigue strength under conditions of rotary load vector... 293 El bieta SIWIEC, Marian GR DKOWSKI Influence of oxidation and hydrolysis on sunflower oil lubricity... 307

10 Arkadiusz STACHOWIAK, Wies³aw ZWIERZYCKI Corrosive and mechanical wear calculation at help of crack propagation theory... 317 Micha³ STYP-REKOWSKI Significance of lubrication in operation process of rolling pair... 239 W³odzimierz SU EK, Tomasz WASILEWSKI, Anita BOCHO-JANISZEWSKA Tribological properties of monoglycerides paraffin oil solutions... 341 Tomasz TRZASKACZ, Czes³aw KOZIARSKI Method, test setup and introduction to tribological investigation of articular cartilage... 347 W³odzimierz WALIGÓRA, Micha³ LIBERA The estimation of roller bearings conventional life calculated on the basis of reduced test... 357 Krzysztof WIERZCHOLSKI Tribology of bone tissue culture in bioreactor... 369 Marek WIŒNIEWSKI, Micha³ CICHOMSKI Identification of friction and wear of anti-wear coatings... 384 Micha³ WODTKE Verification of a model of hydrostatic lifting of a water turbine thrust bearing... 395 Feliks WOJTKUN The problem of tribological wear of cast steel in low temperatures... 409

6 Jacek PRZEPIÓRKA, Marian SZCZEREK An effect of the free surface energy on tribological characteristics for polymer - metal tribosystem... 419 Marian SZCZEREK, Jacek PRZEPIÓRKA Wear mechanisms of polymer-metal tribosystem 427 Andrzej Antoni CZAJKOWSKI Numerical description of working parameters for human elliptical hip joint... 447 Jaroslaw SEP Three-dimnesional hydrodynamic analysis of helically grooved jurnal bearings... 459

5-2003 T R I B O L O G I A 11 Janusz DASIEWICZ*, Zbigniew PAWELEC* ŒLIZGOWY TERMOUTWARDZALNY KOMPOZYT METALO YWICZNY NA ELEMENTY O YSK POPRZECZNYCH THE SLIDING THERMOSETTING METAL-RESINOUS COM- POSITE FOR ELEMENTS OF RADIAL BEARINGS S³owa kluczowe: Kompozyt polimerowy, ywice fenolowo-formaldehydowe, rozszerzalnoœæ cieplna, wspó³czynnik tarcia Keywords: Polymer composite, phenol and formaldehyde resin, thermal expansion, friction coefficient Streszczenie W artykule przedstawiono wstêpne wyniki badañ nad opracowaniem œlizgowego kompozytu termoutwardzalnego, który bêdzie mo na stosowaæ na elementy konstrukcyjne maszyn i urz¹dzeñ. Celem przedstawionych * Instytut Technologii Eksploatacji w radomiu, ul. Pu³askiego 6/10, 26-600 Radom, tel. (048) 36-442-41.

12 w artykule badañ by³o sprawdzenie mo liwoœci i zakresu optymalizacji w³aœciwoœci materia³ów kompozytowych przez dobór osnowy kompozytu, nape³niaczy metalicznych i dodatków funkcyjnych wp³ywaj¹cych na w³aœciwoœci kompozytu polimerowego. Dokonano oceny wp³ywu osnowy kompozytu i nape³niaczy na wybrane w³aœciwoœci fizykomechaniczne, cieplne i tribologiczne. Charakterystyki tribologiczne kompozytów okreœlono na maszynie tarciowej typu rolka klocek, w której testowy wêze³ tarcia imituje ³o ysko œlizgowe. WPROWADZENIE Kompozyty konstrukcyjne stanowi¹ bardzo du ¹ i zró nicowan¹ grupê materia³ów. Ró ni¹ siê rodzajem u ytych sk³adników, kszta³tem i wymiarami komponentu umacniaj¹cego, technologi¹ wytwarzania itp., ale maj¹ wspóln¹ cechê wysokie wskaÿniki wytrzyma³oœciowe. Najprostsza koncepcja kompozytu konstrukcyjnego sprowadza siê do rozmieszczenia w osnowie drugiej fazy, zwykle sztywniejszej ni osnowa. Cennymi zaletami polimerów jest mo liwoœæ ³atwego formowania elementów o z³o onych kszta³tach, du a trwa³oœæ podczas pracy w warunkach korozyjnych, dobre w³aœciwoœci tribologiczne oraz niski koszt materia³u. Oprócz wielu korzystnych cech nale y uwzglêdniæ i to, e mog¹ pracowaæ w warunkach tarcia technicznie suchego. Wadami tworzyw s¹ przede wszystkim s³abe w³aœciwoœci mechaniczne, mo liwoœæ zmiany w³aœciwoœci i wymiarów wskutek zmian warunków otoczenia np. temperatury. W celu poprawy w³aœciwoœci mechanicznych stosuje siê metody ³¹czenia tworzyw z ró nymi nape³niaczami, dotyczy to g³ównie w³aœciwoœci mechanicznych i cieplnych. Cechy u ytkowe ywic nie nape³nionych s¹ niskie jednak wzmocnienie ich odpowiednimi nape³niaczami np. proszkami metali lub w³óknami daje dobre efekty w postaci poprawy ich w³aœciwoœci [L. 1, 2, 3, 5]. Kompozyty polimerowe stosowane na konstrukcyjne elementy maszyn charakteryzuj¹ siê na ogó³ du ¹ odpornoœci¹ chemiczn¹, co oznacza wyeliminowanie podczas pracy skojarzeñ tr¹cych destrukcyjnego dzia³ania tlenu oraz koroduj¹cego dzia³ania wody, oleju i smarów. Tak korzystny zespó³ w³aœciwoœci materia³ów polimerowych umo liwia stosowanie ich jako materia³y konstrukcyjne przeznaczone miêdzy innymi na elementy ³o ysk œlizgowych. Analiza literatury i wstêpne wyniki badañ w dziedzinie kszta³towania tworzyw, w których osnow¹ w przewa aj¹cej iloœci przy-

5-2003 T R I B O L O G I A 13 padków jest polimer termoutwardzalny, ywica fenolowo-formaldehydowa, sugeruje mo liwoœæ uzyskania kompozytu niskotarciowego, metalo- ywicz-nego o dobrych w³aœciwoœciach mechanicznych i termicznych [L. 4, 6, 7]. WYNIKI BADAÑ W AŒCIWOŒCI FIZYKOMECHANICZNYCH I CIEPLNYCH Przedmiotem badañ by³y ró ne rodzaje nawolakowych t³oczyw termoutwardzalnych. Stanowi³y one tak e matryce opracowywanych kompozytów konstrukcyjnych. Termoutwardzalne osnowy kompozytów charakteryzuj¹ siê miêdzy innymi wysok¹ odpornoœci¹ ciepln¹ i dobr¹ odpornoœci¹ na œcieranie. Jako nape³niacze zastosowano miêdzy innymi sproszkowane metale (Fe) zwiêkszaj¹ce przewodnoœæ ciepln¹ a w celu zwiêkszenia w³asnoœci mechanicznych wprowadzono nape³niacze w³ókniste (w³ókno aramidowe). Dodatkami funkcyjnymi by³y smary sta³e obni aj¹ce wspó³czynnik tarcia i jednoczeœnie poprawiaj¹ce przewodnoœæ i odpornoœæ ciepln¹. Tabela 1. Sk³ady kompozytów poddane badaniom Table 1. Composition of the investigated composites Sk³adniki kompozytu Nazwa kompozytu KT1 KT2 KT3 KT4 KT5 Polofen 1 X - - X - Polofen 2 - X - - X Polofen 3 - - X - - Nape³niacze proszkowe - - - X X Nape³niacze w³ókniste - - - X X Dodatki funkcyjne - - - X X Dla zastosowanych termoutwardzalnych ywic polimerowych jak równie materia³ów kompozytowych na ich osnowie dokonano pomiarów podstawowych parametrów fizykomechanicznych. Z prób statycznych dokonano pomiarów twardoœci i wytrzyma³oœci na œciskanie a z prób dynamicznych wyznaczono udarnoœæ metod¹ Charpy. Otrzymane wyniki badañ przedstawiono w tabeli.

14 Tabela 2. W³aœciwoœci fizykomechaniczne badanych materia³ów Table 2. The physical and chemical properties of the investigated materials Symbol próbki Twardoœæ [MPa] Udarnoœæ [kj/m 2 ] Wytrzyma³oœæ na œciskanie [MPa] KT 1 KT 2 KT 3 KT 4 KT 5 550 575 464 553 754 1,1 1,5 0,7 1,6 2,4 164 151 153 173 167 Analizuj¹c otrzymane wyniki badañ w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych t³oczyw fenolowo-formaldehydowych wykorzystanych jako osnowy kompozytów polimerowych mo emy stwierdziæ, e najni sze wartoœci mierzonych parametrów fizykomechanicznych uzyskano dla Polofenu 3. Próbki wykonane z tego tworzywa mia³y ma³¹ twardoœæ i szczególnie niska udarnoœæ. Niskie parametry u ytkowe tej osnowy polimerowej spowodowa³y, e materia³y kompozytowe sporz¹dzono tylko na osnowie Polofenu 1 i Polofenu 2. Wyniki pomiarów podstawowych parametrów fizykomechanicznych tych materia³ów kompozytowych pozwalaj¹ wnioskowaæ, e zastosowane nape³niacze wp³ywaj¹ na poprawê mierzonych parametrów. W przypadku kompozytu oznaczonego symbolem KT 5 uzyskano ok. 40% wzrost twardoœci i udarnoœci a tak e znaczn¹ poprawê wytrzyma³oœci na œciskanie. Niezale nie od parametrów wytrzyma³oœciowych jedn¹ z istotniejszych w³aœciwoœci maj¹cych wp³yw na jakoœæ wspó³pracy tribologicznej jest szczególnie w przypadku polimerowych materia³ów kompozytowych rozszerzalnoœæ cieplna. Na podstawie pomiarów wyd³u enia próbki w funkcji temperatury na dylatometrze firmy Cosfeld wyznaczono wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej uzyskuj¹c nastêpuj¹ce rezultaty p. Tab. 3. Tabela 3. Wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej badanych materia³ów. Table 3. Coefficient of linear thermal expansion of the investigated materials Symbol próbki / Wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej [x10-6o C -1 ] KT 1 KT 2 KT 3 KT 4 KT 5 31 28 53 28 24 Uzyskane wyniki pomiarów wspó³czynnika liniowej rozszerzalnoœci cieplnej wskazuj¹, e oprócz Polofenu 3 dla pozosta³ych materia³ów jest

5-2003 T R I B O L O G I A 15 on stosunkowo niewielki i znacznie mniejszy ni np. dla tworzyw termoplastycznych i kompozytów polimerowych na osnowie ywic chemoutwardzalnych. Mniejsze wyd³u enie próbki kompozytu KT 4 (Rys. 2) w porównaniu do jego osnowy (Rys. 1) wskazuje, e zastosowane nape³niacze wp³ywaj¹ korzystnie na wielkoœæ tego parametru. Obserwuj¹c przebieg zmian wyd³u enia próbki mo emy stwierdziæ, e jest ono wprost proporcjonalne do temperatury. Przyk³adowe przebiegi zmian wyd³u enia próbki kompozytu w funkcji temperatury przedstawiono na rysunkach (Rys.1 i 2). Temperatura [ C] 240 200 160 120 80 40 0 0 300 600 900 1200 1500 czas [sx8] 0,9 0,75 0,6 0,45 0,3 0,15 0 wyd³u enie [mm] Rys. 1. Przebieg zmian wyd³u enia próbki komozytu KT 1 w funkcji temperatury Fig. 1. The expansion curve versus temperature for KT 1 specimen Temperatura [ C] 240 200 160 120 80 40 0 0 300 600 900 1200 1500 czas [sx8] 0,90 0,75 0,60 0,45 0,30 0,15 0,00 wyd³u enie [mm] Rys. 2. Przebieg zmian wyd³u enia próbki kompozytu KT 4 w funkcji temperatury Fig. 2. The expansion curve versus temperature for KT 4 specimen

16 CHARAKTERYSTYKI TRIBOLOGICZNE KOMPOZYTÓW Poniewa opracowane materia³y maj¹ stanowiæ elementy ³o ysk œlizgowych ich charakterystyki tribologiczne wyznaczono na testerze T-05 typu rolka klocek w nastêpuj¹cych warunkach P = 9 i 12 MPa v = 0,3 m/s. Przyk³adowe charakterystyki tarciowo zu yciowe przedstawiono na wykresach (Rys. 3 6). temp. wêz³a [ C] 120 100 80 60 40 20 0 0 1000 2000 3000 4000 droga [m] 0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 0,00 wspó³czynnik tarcia Rys. 3. Przebieg zmian wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a dla kompozytu KT 2 (p=9 MPa v=0,3 m/s) Fig. 3. The friction couple temperature and friction force curves for KT1 composite (p = 9 MPa. v = 0,3 m/s) temp. wêz³a [ C] 120 100 80 60 40 20 0 0 1000 2000 3000 4000 droga [m] 0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 0,00 wspó³czynnik tarcia Rys. 4. Przebieg zmian wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a dla kompozytu KT 5 (p=9 MPa, v = 0,3 m/s) Fig. 4. The friction couple temperature and friction force curves for KT5 composite (p = 9 MPa. v = 0,3 m/s)

5-2003 T R I B O L O G I A 17 temp. wêz³a [ C] 120 100 80 60 40 20 0 0 1000 2000 3000 4000 droga [m] 0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 0,00 wspó³czynnik tarcia Rys. 5. Przebieg zmian wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a dla kompozytu KT 5 (p= 12 MPa, v = 0,3 m/s) Fig. 5. The friction couple temperature and friction force curves for KT 5 composite (p = 12 MPa. v = 0,3 m/s) ¹czne zu ycie linowe wêz³a [υm] 15 12 9 6 3 0 KT 2 9MPa KT 5 9MPa KT 5 12 MPa Rys.6. Zu ycie liniowe wêz³a tarcia Fig. 6. The linear wear of friction pair Uzyskane charakterystyki tribologiczne opracowanego kompozytu polimerowego pozwalaj¹ stwierdziæ, e rejestrowane parametry odznaczaj¹ siê nisk¹ i ustabilizowan¹ wartoœci¹. Pocz¹tkowo wy sza wartoœæ wspó- ³czynnika tarcia a nastêpnie jego spadek mo e œwiadczyæ o pewnym procesie docierania miêdzy wspó³pracuj¹cymi powierzchniami. Porównuj¹c charakterystyki tribologiczne przedstawione na Rys. 3 i 4 mo emy wnioskowaæ o korzystnym wp³ywie nape³niaczy na opory ruchu a tym samym na temperaturê wêz³a tarcia. Œrednia temperatura wêz³a obni y³a siê o ok.

18 10 C a wspó³czynnik tarcia o 0,02. Otrzymane charakterystyki tribologiczne dla zwiêkszonych nacisków jednostkowych wskazuj¹ na spadek oporów ruchu ze wzrostem obci¹ enia. We wszystkich przedstawionych charakterystykach tarciowych na uwagê zas³uguje wysoka stabilnoœæ rejestrowanych parametrów, poniewa o jakoœci wspó³pracy tribologicznej œwiadczy nie tylko wartoœæ wspó³czynnika tarcia i temperatury wêz³a, ale równie ich niezmiennoœæ w czasie. Wielkoœæ zu ycia liniowego wêz³a tarcia zale y od sk³adu jakoœciowego kompozytu. Pozytywnie na wielkoœæ tego parametru wp³ywa udzia³ nape³niaczy i dodatków funkcyjnych. PODSUMOWANIE Uzyskane wstêpne wyniki badañ nad opracowaniem termoutwardzalnego kompozytu konstrukcyjnego na œlizgowe elementy maszyn sugeruj¹, e mo liwe jest opracowanie materia³u o zadowalaj¹cych parametrach u ytkowych. W³aœciwoœci badanych materia³ów kompozytowych uzale nione s¹ od rodzaju matrycy polimerowej. Zastosowane nape³niacze i dodatki funkcyjne wp³ywaj¹ na poprawê parametrów fizykomechanicznych oraz obni- aj¹ wspó³czynnik liniowej rozszerzalnoœci cieplnej. Uzyskane wyniki badañ tribologicznych wskazuj¹, e wspó³czynnik tarcia i temperatura wêz³a zale ¹ od sk³adu jakoœciowego materia³ów. Wspó³czynnik tarcia kompozytu KT-5 wspó³pracuj¹cego ze stopem ³o yskowym obni a siê ze wzrostem nacisków. Wa n¹ cech¹ charakterystyk tribologicznych nape³nionych polimerów termoutwardzalnych jest wysoka stabilnoœæ rejestrowanych parametrów. LITERATURA 1. Jurkowski B., Jurkowska B.: Sporz¹dzanie kompozycji polimerowych. Elementy teorii i praktyki. WNT Warszawa 1995. 2. Kapuœciñski J., Puci³owski K., Wojciechowski S.: Projektowanie i technologia materia³ów kompozytowych. Wydawnictwo PW Warszawa 1983. 3. Blicharski M.: Wstêp do in ynierii materia³owej. WNT Warszawa 1998. 4. Marczak R., Starczewski L., Szumniak J.: Termoutwardzalny kompozyt dla skojarzeñ œlizgowych o niskich oporach tarcia i wysokiej odpornoœci na zu- ycie. Tribologia 3/2001.

5-2003 T R I B O L O G I A 19 5. Wieleba W.: Tarcie i zu ywanie kompozytów PTFE wype³nionych koksem i grafitem podczas wspó³pracy ze stal¹ w warunkach tarcia suchego. Tribologia 4/2002. 6. Floriañczyk Z., Penczek S.: Chemia polimerów. Oficyna wydawnicza PW Warszawa 2001. 7. Wilczyñski A.: Polimerowe kompozyty w³ókniste. WNT Warszawa 1996. Summary Recenzent: Janusz JANECKI The paper presents the results of preliminary investigations aiming at elaboration of thermosetting composite intended for sliding elements of machine parts. The presented works aimed at checking the possibility of the optimisation of the composite material properties through the selection of the composite components i.e. matrix, metal fillers and functional additives. The assessment of composite matrix and fillers on physical, mechanical, tribological and thermal properties of the composite were performed. Tribological tests were performed using block-on-ring testing machine with friction pair imitating the slide bearing.

20

5-2003 T R I B O L O G I A 21 Jolanta DRABIK*, Ewa PAWELEC*, Janusz JANECKI* CHARAKTERYSTYKA BIODEGRADOWALNYCH BAZ OLEJOWYCH EKOLOGICZNYCH SMARÓW PLASTYCZNYCH CHARACTERISTIC OF THE BIODEGRADABLE BASE OILS OF ECOLOGICAL GREASES S³owa kluczowa Nietoksyczne i biodegradowalne bazy olejowe, oleje roœlinne, stabilnoœæ oksydacyjna, charakterystyka lepkoœciowo-temperaturowa, odpornoœæ na zu ycie, wspó³czynnik tarcia. Key-words Non-toxic and biodegradable base oil, vegetable oils, stability oxidative, wear resistance, friction coefficient. Streszczenie Bazy olejowe stanowi¹ g³ówny komponent ró nego rodzaju œrodków smarowych, w tym równie nietoksycznych oraz podatnych na rozk³ad biologiczny smarów plastycznych. Przedmiotem badañ by³y oleje roœlinne (ra- * Instytut Technologii Eksploatacji w radomiu, ul. Pu³askiego 6/10, 26-600 Radom, tel. (048) 36-442-41.

22 finowany i surowy olej rzepakowy i s³onecznikowy) jak równie olej bia³y parafinowy. W artykule zaprezentowano charakterystykê lepkoœciowo-temperaturow¹ wybranych olejów oraz stabilnoœæ oksydacyjn¹ wyznaczon¹ na podstawie skaningowej analizy ró nicowej (metoda DSC). Oceniono podatnoœæ olejów na rozk³ad biologiczny wyznaczaj¹c stopieñ biodegradacji. Ponadto przedstawiono wyniki badañ dotycz¹ce w³aœciwoœci smarnych badanych olejów wybranych do stosowania jako potencjalne bazy olejowe nietoksycznych smarów plastycznych. W tym celu przeprowadzono badania odpornoœci olejów na przeciwzu yciowe i przeciwzatarciowe oddzia³ywania stosuj¹c standardowe testy tribologiczne, które rozszerzone zosta³y o badania w warunkach narastaj¹cego liniowo obci¹ enia (aparat czterokulowy, tester T-02). Na podstawie wyznaczonych parametrów oceniono mo liwoœæ uzyskania na nietoksycznych oraz biodegradowalnych bazach olejowych ekologicznego smaru plastycznego. WPROWADZENIE Zagadnienie nietoksycznoœci oraz biodegradacji œrodków smarowych sta- ³o siê w ostatnich latach jednym z podstawowych problemów zwi¹zanych z wymogami ochrony œrodowiska. Problem ten dotyczy zarówno cieczy bazowych jak równie gotowych œrodków smarowych. Rosn¹ce zanieczyszczenie œrodowiska naturalnego produktami odpadowymi, do których w znacznym stopniu zaliczyæ nale y przepracowane œrodki smarowe, przyczyni³ siê do wzrostu zainteresowania produktami ekologicznie bezpiecznymi. Najwa niejsze w tej sytuacji jest opracowanie œrodka smarowego, który po utracie w³aœciwoœci eksploatacyjnych nie bêdzie stanowi³ dodatkowego obci¹ enia dla œrodowiska naturalnego. Istniej¹ca tendencja do maksymalnego ograniczenia emisji szkodliwych substancji do otoczenia wi¹ e siê z koniecznoœci¹ opracowywania produktów nietoksycznych i biodegradowalnych, co poci¹ga za sob¹ zmianê technologii produkcji œrodków smarowych [L. 1]. W zwi¹zku z tym podjêto prace badawcze nad opracowaniem smarów plastycznych, które charakteryzuj¹ siê odpowiednimi w³aœciwoœciami smarnymi oraz s¹ nietoksyczne i wykazuj¹ wysoki stopieñ podatnoœci na biodegradacjê [L. 1, 2]. W pierwszej kolejnoœci dokonano oceny baz olejowych przyjmuj¹c jako jedno z g³ównych kryteriów ich podatnoœæ na rozk³ad biologiczny

5-2003 T R I B O L O G I A 23 (Tab. 1). Uszeregowanie olejów bazowych ze wzglêdu zdolnoœci do biodegradacji jest pomocnicze przy doborze fazy dysperguj¹cej ekologicznych smarów plastycznych. Bior¹c to pod uwagê oceniono mo liwoœæ stosowania jako baza olejowa nietoksycznych smarów plastycznych biodegradowalne oleje z grupy olejów roœlinnych oraz potencjalnie biodegradowalne oleje z grupy olejów bia³ych. Wybrane oleje roœlinne nale ¹ do ró nych grup olejowych zawieraj¹cych w przewadze okreœlone kwasy t³uszczowe. Do grupy kwasu erukowego zaliczany jest olej rzepakowy Rz natomiast olej s³onecznikowy S do grupy oleinowo-linolowej. Przynale noœæ olejów roœlinnych do poszczególnych grup olejowych zwi¹zana jest ze zró nicowaniem w³aœciwoœci fizykochemicznych jak równie z mo liwoœci¹ ró norodnych zastosowañ [L. 1]. Zalet¹ wybranych olejów roœlinnych s¹ bardzo dobre w³aœciwoœci smarne oraz lepkoœciowo-temperaturowe. Niekorzystnymi cechami jest niska odpornoœæ na proces utleniania oraz zdolnoœæ do hydrolizy [L. 3]. Obecnoœæ wielokrotnych wi¹zañ nienasyconych powoduje brak stabilnoœci oksydacyjnej olejów roœlinnych zaœ zawartoœæ grupy estrowej i wolnych kwasów t³uszczowych sprzyja procesowi hydrolizy. Jednak wysoki stopieñ biodegradacji oraz nietoksycznoœæ a tak e korzystne w³aœciwoœci smarne zdecydowa³y o mo liwoœci zastosowania tych w³aœnie olejów jako faza dysperguj¹ca smaru plastycznego. Tabela 1. Podatnoœæ niektórych cieczy bazowych na rozk³ad biologiczny wg [L. 2] testu CEC Table 1. Comparison of biodegradability dispersion phase - test CEC Rodzaj fazy dyspersyjnej Stopieñ biodegradacji [%] Kategoria podatnoœci na rozk³ad biologiczny Oleje roœlinne 90 100 szybko biodegradowalne Oleje mineralne 20 35 potencjalnie biodegradowalne Oleje bia³e 25 45 potencjalnie biodegradowalne Poliole i diestry 55 100 w zale noœci od rodzaju zwi¹zku szybko b¹dÿ potencjalnie biodegradowalne Polietery 0 25 nie biodegradowalne W zale noœci od stopnia czystoœci wyró niamy trzy rodzaje olejów bia³ych a mianowicie oleje farmaceutyczne, oleje bia³e do kontaktu z ywnoœci¹ oraz oleje bia³e techniczne dopuszczone do incydentalnego kontak-

24 tu z ywnoœci¹. W rezultacie g³êbokiej rafinacji ropy naftowej i procesów oczyszczaj¹cych powstaj¹ oleje nie zawieraj¹ce wêglowodorów aromatycznych a w ich sk³ad wchodz¹ jedynie wêglowodory parafinowe i naftenowe. Wszystkie one spe³niaj¹ wymagania farmakopei polskiej. Z grupy mineralnych olejów bia³ych do badañ wybrano olej parafinowy o czystoœci farmaceutycznej. Wybór oleju bazowego stanowi¹cego znacz¹cy udzia³ w strukturze smaru jest bardzo wa ny i umo liwia ju w pierwszej fazie doboru sk³adników sterowanie w³aœciwoœciami eksploatacyjnymi smarów plastycznych. Z tego wzglêdu przeanalizowano równie w³aœciwoœci fizykochemiczne potencjalnych faz dysperguj¹cych (Tab. 2). Tabela 2. Podstawowe w³aœciwoœci olejów roœlinnych oraz bia³ych olejów mineralnych [L. 1] Table 2. Properties vegetable oil and white mineral oil W³aœciwoœci Oleje bia³e Oleje roœlinne Gêstoœæ, w temp. 20 o C [g/cm 3 ] 0,827 0,890 ok. 0,911 0,934 WskaŸnik lepkoœci 100 170 100 250 Temperatura krzepniêcia [ C] 12 20 0 18 Rozpuszczalnoœæ w wodzie nierozpuszczalne nierozpuszczalne Podatnoœæ na rozk³ad biologiczny [%] do 45 70 100 Odpornoœæ na utlenianie dobra s³aba W³aœciwoœci smarne dobre dobre W³aœciwoœciami ró nicuj¹cymi wybrane grupy olejów jest inna odpornoœæ na oksydacjê i zachowanie w niskich temperaturach. W tym wzglêdzie oleje bia³e wykazuj¹ przewagê nad olejami roœlinnymi. Natomiast podatnoœæ na rozk³ad biologiczny jest cech¹ wyró niaj¹c¹ oleje roœlinne. Ponadto niew¹tpliw¹ zalet¹ wybranych olejów bazowych jest mo liwoœæ stosowania typowych zagêszczaczy u ywanych podczas otrzymywania smarów plastycznych. METODYKA BADAÑ Przedmiotem badañ by³ nastêpuj¹ce oleje: parafinowy (P), rzepakowy rafinowany (Rz-R), rzepakowy surowy (Rz-S), s³onecznikowy rafinowany (S³-R) i surowy (S³-S). Wytypowane oleje poddano serii badañ przewi-

5-2003 T R I B O L O G I A 25 dzianych normami przedmiotowymi dla sk³adników stanowi¹cych fazê dysperguj¹c¹ smarów plastycznych. Z zakresu badañ fizykochemicznych oceniono w³aœciwoœci reologiczne, temperaturê krzepniêcia oraz temperaturê zap³onu, a tak e podstawowe w³aœciwoœci smarne dotycz¹ce standardowych parametrów przeciwzatarciowych i przeciwzu yciowych. W³aœciwoœci smarne oceniono z zastosowaniem czterokulowego skojarzenia tr¹cego, wed³ug znormalizowanej procedury badawczej okreœlonej w normie PN-76/C-04147, wyznaczaj¹c wartoœæ obci¹ enia zespawania (P z ) i graniczne obci¹ enie zu ycia (G oz/40 ). Na podstawie granicznego obci¹ enia zu ycia oceniono przeciwzu yciowe w³aœciwoœci olejów, zaœ poprzez pomiar obci¹ enia zespawania wyznaczono odpornoœæ baz olejowych na przeciwzatarciowe oddzia³ywania. W celu dokonania kompleksowej oceny w³aœciwoœci przeciwzu yciowych i przeciwzatarciowych wybrane oleje bazowe poddano równie testowi w warunkach liniowego wzrostu obci¹ enia wêz³a tarcia [L. 1]. Badania wykonano przy zachowaniu nastêpuj¹cych warunków pomiaru: obci¹ enie pocz¹tkowe 0 N, prêdkoœæ narastania obci¹ enia 409 N/s, prêdkoœæ obrotowa wrzeciona 500 obr/min. Na podstawie przeprowadzonych testów wyznaczono wartoœæ obci¹ enia zacieraj¹cego (P t ) i obci¹ enia powoduj¹cego zatarcie wêz³a tarcia (P oz ). Po zakoñczeniu testu zdemontowano wêze³ tarcia i z wykorzystaniem mikroskopu optycznego oceniono wielkoœæ œrednicy œladu zu ycia powsta³¹ na trzech nieruchomych kulach testowego skojarzenia tribologicznego. Na podstawie uzyskanych wartoœci, granicznego obci¹ enia zatarcia i œrednicy œladu zu ycia, obliczono graniczny nacisk zatarcia (p oz ) okreœlaj¹cy skutecznoœæ dzia³ania œrodka smarowego w warunkach ekstremalnych wymuszeñ [L. 5]. Do oceny odpornoœci oleju na rozk³ad termoutleniaj¹cy zastosowano metodê skaningowej analizy ró nicowej DSC. Pomiary termoanalityczne prowadzono metod¹ dynamiczn¹ przy liniowym wzroœcie temperatury. Eksperymenty prowadzone w atmosferze powietrza wykaza³y, e egzotermiczny efekt cieplny rozk³adu termoutleniaj¹cego jest wyraÿny i umo liwia wyznaczenie charakterystycznych parametrów. Na podstawie uzyskanych termogramów wyznaczono miêdzy innymi temperaturê pocz¹tku utleniania (T ON ) oraz ekstrapolowany czas pocz¹tku utleniania (t ON ) ka dej próbki. Warunki pomiarów dla wszystkich kompozycji olejowych by³y jednakowe co umo liwi³o porównanie wyznaczonych charakterystycznych wielkoœci. Przeprowadzone badania pozwoli³y oceniæ odpornoœæ oksydacyjn¹ badanych faz dysperguj¹cych.

26 WYNIKI BADAÑ Przyjmuj¹c jako cechy charakterystyczne faz dyspersyjnych smarów plastycznych odpornoœæ na oksydacjê oraz stopieñ biodegradacji wybrano spoœród dostêpnych olejów roœlinnych olej rzepakowy i s³onecznikowy oraz olej bia³y parafinowy. W ocenie przydatnoœci wybranych olejów jako œrodki smarowe wymagane s¹ ich dobre w³aœciwoœci lepkoœciowo-temperaturowe oraz smarne. Wybrane oleje poddano badaniom oceniaj¹cym podstawowe w³aœciwoœci fizykochemiczne (Tab. 3). Tabela 3. W³aœciwoœci wybranych olejów bazowych Table 3. Properties some of the base oil Olej mineralny Olej roœlinny WskaŸnik Metoda oceny Parafinowy Rzepakowy S³onecznikowy Rz-S Rz-R S³-S S³-R Gêstoœæ [g/cm 3 ] PN-90/C-04004 0,860 0,911 0,914 0,920 0,929 Temp. zap³onu [ o C] PN-92/C-04197 242 208 278 240 280 Lepkoœæ kinematyczna [mm 2 /s] w temp. 40 o C w temp. 100 o C PN-81/C-04011 67,6 8,5 41,7 7,9 36,5 7,9 31,1 7,5 30,3 7,4 WskaŸnik lepkoœci PN-79/C-04013 96 164 197 223 226 Temp. krzepniêcia [ o C] PN-55/C-04016 11 18 11 Wspó³czynnik za³amania œwiat³a PN-81/C-04952 1,4730 1,4712 1,4723 1,4736 1,4742 Obci¹ enie zespawania [N] PN-76/C-04147 1236 1569 1569 1569 1569 Graniczne obci¹ enie zu ycia [N/mm 2 ] PN-76/C-04147 1113 1489 886 1283 1051 Lepkoœæ olejów roœlinnych zale y od d³ugoœci ³añcucha cz¹steczki kwasu; dla wybranych olejów w temperaturze 40 C zmienia siê ona w zakresie od 30 do 42 mm 2 /s. Natomiast wartoœæ wskaÿnika lepkoœci zawarta w zakresie od 160 do 230 œwiadczy o mo liwoœci stosowania olejów roœlinnych jako ciecze bazowe. Uzyskane wartoœci temperatury krzepniêcia zawarte s¹ miêdzy 18 C a 11 C co zapewnia mo liwoœæ stosowania opracowanego smaru plastycznego na bazie oleju roœlinnego, w zakresie niskich temperatur przy zachowaniu niezmiennych w³aœciwoœci reologicz-

5-2003 T R I B O L O G I A 27 nych. Wszystkie te parametry zadecydowa³y o przydatnoœci wybranych olejów roœlinnych jako baza olejowa smaru plastycznego. Ponadto zalet¹ wybranych grup olejowych jest ³atwoœæ mieszania z olejami mineralnymi co powoduje, e oleje te mog¹ z powodzeniem stanowiæ ciecze bazowe smarów plastycznych zawieraj¹cych ten sam rodzaj zagêszczacza [L. 1]. W przypadku wykorzystania oleju roœlinnego jako baza olejowa ekologicznych smarów plastycznych proces autooksydacji stanowi istotny problem. Fakt ten zdecydowa³ o podjêciu badañ dotycz¹cych zastosowania metod termoanalitycznych do oceny rozk³adu termoutleniaj¹cego oleju. W zale noœci od rodzaju oleju oraz warunków ich u ytkowania dobiera siê odpowiednie normy, które w doœæ precyzyjny sposób pozwalaj¹ oznaczyæ odpornoœæ na utlenianie przy uwzglêdnieniu jak najwiêkszej liczby czynników, które mog¹ oddzia³ywaæ na olej podczas eksploatacji. Zapewnienie odpowiedniej do warunków u ytkowania odpornoœci na utlenianie to najwa niejszy warunek przy wyborze metody oceny. Metody znormalizowane uwzglêdniaj¹ takie parametry jak temperatura, rodzaj czynnika utleniaj¹cego (tlen, powietrze), czas jego dzia³ania oraz obecnoœæ i rodzaj katalizatora [L. 6]. W badaniach stabilnoœci oksydacyjnej olejów bazowych zastosowano metodê skaningowej analizy ró nicowej [L. 7]. Na podstawie metody DSC oceniono odpornoœæ na rozk³ad termoutleniaj¹cy olejów wyznaczaj¹c czas pocz¹tku utleniania (Rys. 1 6). Heat Flow [ V] 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Olej rzepakowy rafinowany Rz-R 20 30 40 50 60 70 80 Czas [min] Rys. 1. Termogram DSC oleju rzepakowego rafinowanego Fig. 1. DSC thermal of rapeseed oil

28 Heat Flow [mv] 18 14 10 6 2-2 -6 Olej rzepakowy surowy Rz-S -10 20 30 40 50 60 70 80 Rys. 2. Termogram DSC oleju rzepakowego surowego Fig. 2. DSC thermal of rapeseed oil Czas [min] Heat Flow [ V] 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Olej s³onecznikowy rafinowany S³-R 20 30 40 50 60 70 80 Czas [min] Rys. 3. Termogram DSC oleju s³onecznikowego rafinowanego Fig. 3. DSC thermal of sunflower oil

5-2003 T R I B O L O G I A 29 18 Heat Flow [ V] 14 10 6 2-2 -6-10 Olej s³onecznikowy surowy S³-S 20 30 40 50 60 70 80 Czas [min] Rys. 4. Termogram DSC oleju s³onecznikowego surowego Fig. 4. DSC thermal of sunflower oil Heat Flow [mv] 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Olej parafinowy P 20 30 40 50 60 70 Czas [min] Rys. 5. Termogram DSC oleju parafinowego Fig. 5. DSC thermal of white oil

30 40 220 Czas pocz¹tku utleniania ton [min] 35 30 25 20 S -R S³-S Rz-R Rz-S P 180 140 100 60 20 Temperatura [ o C] Rys. 6. Odpornoœæ oksydacyjna baz olejowych Fig. 6. Oxidation stability of base oils Przeprowadzone pomiary termoanalityczne wykaza³y, e metoda DSC jest szczególnie przydatna do oceny odpornoœci na rozk³ad termoutleniaj¹cy danego oleju. Na podstawie uzyskanych rezultatów stwierdzono, e dla ustalonych warunków eksperymentu wyznaczone wartoœci czasów s¹ charakterystyczne dla badanego oleju i mog¹ byæ wykorzystane do oznaczeñ o charakterze przyspieszonego testu termooksydacyjnego zgodnie z zasad¹; im d³u szy czas pocz¹tku utleniania tym wiêksza odpornoœæ oleju na utlenianie. Olej parafinowy oraz oleje rafinowane wykazuj¹ wy sz¹ odpornoœæ na utlenianie ni oleje roœlinne surowe. W przypadku olejów roœlinnych stwierdzono, e odpornoœæ na utlenianie zale y od struktury chemicznej a w szczególnoœci od zawartoœci nienasyconych kwasów t³uszczowych oleinowego, linolowego i linolenowego. Ze wzglêdu na przeznaczenie opracowywanych œrodków smarowych do stosowania w wielu ga³êziach przemys³u spo ywczego i mo liwoœæ bezpoœredniego kontaktu z ywnoœci¹ stosowane bazy olejowe poddano ocenie toksykologicznej [L. 1, 5] oraz oceniono podatnoœæ na rozk³ad biologiczny (Tab. 4).

5-2003 T R I B O L O G I A 31 Tabela 4. Podatnoœæ na rozk³ad biologiczny baz olejowych wyznaczona na podstawie testu CEC-L-33T-82 Table 4. Comparison of biodegradability dispersion phase - test CEC-L-33T-82 Rodzaj fazy dyspersyjnej Podatnoœæ na rozk³ad biologiczny [%] Kategoria podatnoœci na rozk³ad biologiczny wed³ug trójstopniowej skali Olej bazowy naturalny Rzepakowy RZ 94 ³atwo biodegradowalny S³onecznikowy S 97 ³atwo biodegradowalny Sojowy SO 98 ³atwo biodegradowalny Olej bazowy mineralny Parafinowy P 40 umiarkowanie biodegradowalny Wed³ug testu CEC przyjmuje siê, e zwi¹zek ³atwo rozk³adalny ulega biodegradacji powy ej 80%, a umiarkowanie podatny na rozk³ad 20-40% w ci¹gu 21 dni. Wyniki tych badañ potwierdzaj¹ s³usznoœæ wyboru w³aœnie takich faz dyspersyjnych przy opracowywaniu ekologicznych smarów plastycznych. Wybran¹ grupê olejów poddano serii badañ oceniaj¹cych skutecznoœæ wytworzonych z ich udzia³em warstw smarowych do przeciwzu yciowej ochrony wêz³a tarcia. Badanie przeprowadzono zarówno w warunkach liniowego wzrostu obci¹ enia wêz³a tarcia, jak równie po godzinnym teœcie pod obci¹ eniem 40kG. Na Rys. 7 w formie graficznej przedstawiono zale noœæ œrednicy œladu zu ycia w funkcji rodzaju bazy olejowej. Œrednica oznaczona d 1 dotyczy zu ycia wêz³a tarcia testowanego pod obci¹ eniem 40kG, zaœ d 2 oznacza œrednicê zu ycia wyznaczon¹ dla wêz³a tarcia po teœcie pod liniowo narastaj¹cym obci¹ eniem. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono wy sz¹ skutecznoœæ przeciwzu yciow¹ nierafinowanych olejów roœlinnych w porównaniu z olejami rafinowanymi. Zaobserwowana prawid³owoœæ dotyczy zarówno wielkoœci œrednic zu ycia wêz³a tarcia po testach pod sta³ym obci¹ eniem (40 kg), jak równie w warunkach intensywnych wymuszeñ tribologicznych. Na podstawie uzyskanych wyników mo emy uszeregowaæ oleje pod wzglêdem skutecznoœci ochrony antyzu yciowej w nastêpuj¹cy sposób: Rz-S>S³-S>S³-R>Rz-R>P.

32 3 1,2 Œrednica œladu zu ycia-d 2 [mm] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 d-2 d-1 Rz-R Rz-S S³-R S³-S P 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Œrednica œladu zu ycia-d 1 [mm] Baza olejowa Rys. 7. Zale noœæ œrednicy œladu zu ycia wêz³a tarcia w funkcji rodzaju bazy olejowej Fig. 7. Anti-wear properties of the base oils after an hour s wear test executed according to the standard four-ball method and at the modified four-ball tester T-02 Po przeprowadzeniu badañ w warunkach liniowego wzrostu obci¹ enia oceniono zdolnoœæ badanych olejów do tworzenia warstw granicznych (Rys. 8). 3000 500 Obci¹ enie zacieraj¹ce P t [N] 2500 2000 1500 1000 500 0 Pt WL P Rz-R Rz-S S³-R S³-S 400 300 200 100 0 WskaŸnik lepkoœci WL Baza olejowa Rys. 8. Zale noœæ obci¹ enia zacieraj¹cego P t i wskaÿnika lepkoœci w funkcji rodzaju bazy olejowej Fig. 8. Anti-seizure properties and viscosity index of the oil bases

5-2003 T R I B O L O G I A 33 Stwierdzono, e rafinowane oleje roœlinne zapewniaj¹ trwalszy film smarowy w warunkach wysokich jednostkowych mocy tarcia ni oleje surowe. Warstwê graniczn¹ o najni szej trwa³oœci w warunkach zacierania tworzy olej parafinowy. Wy sza odpornoœæ warstw smarowych na przeciwzu yciowe oddzia- ³ywania, wyznaczona zarówno w warunkach sta³ego obci¹ enia wêz³a tarcia, jak i narastaj¹cych obci¹ eñ, jest realizowana z udzia³em nierafinowanych olejów roœlinnych. Nale y przypuszczaæ, e osi¹gniêcie tego rezultatu jest zwi¹zane z tworzeniem trwa³ych warstw protektorowych powstaj¹cych z udzia³em miêdzy innymi wolnych kwasów t³uszczowych, fosfatydów, steroli. Substancje te zostaj¹ w wiêkszoœci usuniête w wyniku rafinacji olejów roœlinnych. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania fizykochemiczne i tribologiczne pozwalaj¹ na stwierdzenie, e trwa³oœæ wytworzonych warstw granicznych, w warunkach zacierania, jest zale na od w³aœciwoœci lepkoœciowo-temperaturowych olejów. Zastosowana do oceny stabilnoœci oksydacyjnej olejów ró nicowa kalorymetria skaningowa DSC umo liwia rejestracjê efektów cieplnych towarzysz¹cych procesom zachodz¹cym pod wp³ywem temperatury. Na podstawie wartoœci wyznaczonych parametrów stwierdzono, e odpornoœæ oksydacyjna rafinowanych olejów roœlinnych jest porównywalna z odpornoœci¹ oleju parafinowego. Wyniki prac badawczych pozwalaj¹ na uznania metody DSC jako szybkiej metody oceny stabilnoœci oksydacyjnej oleju w porównaniu do standardowych metod analitycznych. LITERATURA 1. Drabik J., Pawelec E., Janecki J., Bajer J.: Sprawozdanie z prac badawczych: Badanie wp³ywu biodegradowalnych baz olejowych na w³aœciwoœci smaru plastycznego. Instytut Technologii Eksploatacji Radom, 1998. 2. Drabik J., Pawelec E.: Effect of non-toxic components on tribological and ecological characteristics of the greases. COST - 516 Tribology Symposium, Antwerp Belgium, 1999, s. 257 262. 3. Lal K. Carrick V.: Performance testing of lubricants on high oleic vegetable oils. J. Synth. Lubr. 1994, 11, 3, 189 206.

34 4. Kañska Z.: Application of biodegradation tests methods in environmental biotechnology. Department of Chemistry Warsaw University of Technology. Warsaw 1998. 5. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyñski W.: Method for scuffing propagation assessment. Tribotest. 2001, 7, s. 219 228. 6. Becker R., Knorr A.: Antioxidantien für pflanzliche Öle. Tribologie + Schmierungstechnik. 42 Jahrgang 5, 1995, 272 277. 7. Kowalski B.: Oxidative Stabilities of Engine Oils Contaminated by Vegetable oil. Thermochimica Acta 250, 1995, 55 63. Summary Recenzent: Ryszard MARCZAK The elaboration of new a generation lubricants with elimination or considerable reduction of contents of toxic chemical compounds has been the first stage of undertaken work. The achievement of this aim was possible thanks to use of the non-toxic oil basis, ecologically safe thickeners as well as modifiers improving useful properties. The composition of non-toxic biodegradable greases is the same as of greases made on the base of mineral oils, namely the main components are as follows: base oils, safe thickeners and improvers. In the course of selecting these elements during elaboration of new generation greases their non-toxic, degree of purity and the biodegradation level are of the biggest importance. Several oils have been tested using the Four Ball Testing Machine and its modified version. Vegetable oils were oxidized in the cell of a differential scanning calorimeter (DSC). The characteristic parameters were read from DSC exotherm and then used to assessment of the oils oxidative stabilities. in order to choose the proper procedures to the estimation of the nontoxicity grade and biodegradability of lubricants the analysis of the most important methods has been performed. According to chosen method the compliance to the biological decomposition of the dispersion phases have been estimated. These results confirmed the environment friendly character of the base oils that in employed obtained greases.

5-2003 T R I B O L O G I A 35 For this purpose an analysis of physicochemical and tribological properties of selected vegetable oils was carried out. From a point-view of the resistance to oxidation and a high biodegradability the refined and unrefined vegetable oils (rapeseed and sunflower) and white mineral oil from all the available natural oils we have chosen. Good lubricating properties of vegetable oils and a high degree of their biodegradation were decisive for using them as the dispersion phase of lubricating greases. Since vegetable oils are vulnerable to oxidation, in the future further work aiming at its improvement is necessary. This will be realise through a selection of the appropriate (non-toxic, white colour) antioxidants.

36

5-2003 T R I B O L O G I A 37 Eugene FELDSHTEIN* MODELOWANIE FIZYCZNE PROCESÓW ZU YCIA NO Y Z MATERIA ÓW SUPERTWARDYCH PHYSICAL MODELING OF WEAR PROCESS OF SUPERHARD MATERIAL CUTTERS S³owa kluczowe: modelowanie fizyczne, zu ycie, materia³ supertwardy, trwa³oœæ narzedzia Key-words: physical modeling, wear, superhard material, tool life Streszczenie Obecnie dla badañ procesów tarcia s¹ wykorzystywane testery ró nych konstrukcji, symuluj¹ce warunki wzajemnych oddzia³ywañ stykaj¹cych siê powierzchni elementów, poprzez wielokrotne powtarzanie styków tych samych powierzchni. Jednak w procesie skrawania zu ywaj¹ce siê powierzchnie narzêdzia w ka dej chwili stykaj¹ siê z co raz to nowymi powierzchniami elementu i wióra. W opracowanym przyrz¹dzie próbka pod- * Instytut Budowy Maszyn i Pojazdów, Uniwersytet Zielonogórski, ul. Podgórna, 50, 65-246 Zielona Góra

38 dawana tarciu wstêpuje w kontakt z powierzchni¹ obrabianego elementu bezpoœrednio po przejœciu no a tokarskiego, przy czym cykl tarcia powtarza siê po kolejnym przejœciu no a. Poziom naprê eñ normalnych na powierzchni styku próbki z elementem przyjmowano równym poziomowi normalnych naprê eñ stykowych na powierzchni przy³o enia no a, powstaj¹cych podczas skrawania i na podstawie tego okreœlano wartoœæ si³y docisku. Ustalono, e wp³yw prêdkoœci skrawania i w³asnoœci materia³u próbki (no a) na przebieg procesu zu ycia najbardziej przejawia siê w zakresie prêdkoœci 20 40 m/min i powy ej 100 m/min. Zmiany intensywnoœci zu- ycia w miarê wzrostu prêdkoœci skrawania s¹ doœæ podobne do zmian okresów trwa³oœci no a przy toczeniu. Intensywnoœæ zu ycia wzrasta w miarê wzrostu wartoœci si³y normalnej. W zale noœci od poziomu prêdkoœci tarcia przewagê maj¹ ró ne rodzaje zu ycia. Przy ma³ych prêdkoœciach tarcia zachodzi zu ycie œcierne. W zakresie prêdkoœci 20 40 m/min zachodzi kruche wykruszenie z powierzchni tarcia cz¹stek o doœæ du ych wymiarach, przy tym intensywnoœæ wykruszania kompozytu 01 jest znacznie wiêksza w porównaniu z kompozytem 10. W ca³ym badanym zakresie prêdkoœci skrawania procesowi tarcia towarzysz¹ zjawiska sczepiania, tj. oddzia³ywania adhezyjne. Najlepsze warunki do zu ycia adhezyjnego odpowiadaj¹ prêdkoœciom tarcia 80 120 m/min. Przy wysokich prêdkoœciach tarcia na powierzchniach tarcia powstaj¹ mikropêkniêcia, prawdopodobnie, z powodu ich przegrzania, i intensywnoœæ zu ycia szybko wzrasta. Analogiczny charakter zu ycia powierzchni przy³o enia no a obserwuje siê podczas toczenia materia³u spiekanego. WPROWADZENIE Obecnie w celu analizy prawid³owoœci przebiegu procesów fizycznych w strefie skrawania w szerokim zakresie wykorzystywane s¹ ró ne metody modelowania fizycznego i matematycznego. Modelowanie pomaga ustaliæ skomplikowany wp³yw kompleksu faktorów fizycznych, chemicznych, mechanicznych i geometrycznych na procesy zachodz¹ce w strefie skrawania. Modelowanie fizyczne doœæ skutecznie wykorzystywano w praktyce badawczej, lecz w niektórych przypadkach mog¹ wystêpowaæ b³êdy zwi¹zane z nieprawid³owym wyborem warunków wzajemnych oddzia³ywañ stykaj¹cych siê powierzchni i obci¹ eniem powierzchni styku. Istniej¹ ró ne metody badañ procesów tarcia [L. 1]. Najczêœciej s¹ wykorzystywane testery tarcia ró nych konstrukcji, imituj¹ce warunki wzajemnych