6-2010 T R I B O L O G I A 11 Dymitry CAPANIDIS *, Wojciech WIELEBA *, Piotr KOWALEWSKI * WPŁYW WYBRANYCH SMAROWYCH PREPARATÓW EKSPLOATACYJNYCH NA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH PODCZAS TARCIA ZE STALĄ EFFECT OF SELECTED LUBRICATIVE EXPLOATIONAL PREPARATIONS ON THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF POLYMERIC MATERIALS DURING FRICTION WITH STEEL Słowa kluczowe: kompozyty ślizgowe PTFE, smarowanie, właściwości tribologiczne, warstwa wierzchnia Key words: PTFE sliding composites, lubrication, tribological properties, surface layer Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki wstępnych badań rozpoznawczych wpływu wybranych preparatów eksploatacyjnych, dodawanych do olejów * Politechnika Wrocławska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn.
12 T R I B O L O G I A 6-2010 smarowych w celu poprawienia ich własności smarnych, na właściwości tribologiczne PTFE i niektórych kompozytów PTFE podczas tarcia mieszanego ze stalą. Badania te wykazały, że dodatek takich preparatów eksploatacyjnych do olejów smarowych może wpływać, w zależności od rodzaju materiału polimerowego, na zwiększenie lub zmniejszenie ich zużycia podczas tarcia ze stalą. W celu próby wyjaśnienia tego zjawiska przeprowadzono badania mikrotwardości PTFE w warstwie wierzchniej badanych materiałów i obserwacje mikroskopowe ich powierzchni ślizgowej po procesie tarcia. Badania te pozwoliły sformułować hipotezę dotyczącą sposobu oddziaływania omawianych preparatów eksploatacyjnych na przebieg procesu zużywania PTFE i niektórych jego kompozytów podczas tarcia mieszanego ze stalą. WPROWADZENIE W ostatnich latach pojawiły się w handlu różne preparaty eksploatacyjne, takie jak: Ceratec, Ceramizer, Modyfikator Plus, Motor Life, Motonova, Xeramic i wiele innych, które (według ich producentów) dodawane do środków smarowych powodują znaczące polepszenie właściwości tribologicznych metalowych węzłów tarcia. Następuje to podczas eksploatacji maszyn i urządzeń w wyniku oddziaływań omawianych preparatów (zawartych w środku smarowym) z trącymi powierzchniami współpracujących elementów, prowadzących do korzystnej modyfikacji ich warstwy wierzchniej. Badania wpływu takich preparatów eksploatacyjnych na właściwości tribologiczne dotyczą z reguły smarowanych węzłów tarcia o skojarzeniu materiałów typu metal metal [L. 2, 3, 4, 6]. W pracach [L. 2 4] przedstawiono efekty oddziaływania preparatu eksploatacyjnego Motor Life (o działaniu chemicznym), a w pracy [L. 6] preparatu Motonova (zawierającego syntetyczne związki ceramiczne) na poprawę własności smarnych olejów w odniesieniu do smarowania metalowych węzłów tarcia. Wyniki badań wykazały zdecydowane polepszenie własności smarnych olejów z dodatkami tych preparatów eksploatacyjnych i w efekcie tego znaczącą poprawę właściwości tribologicznych skojarzeń typu metal metal smarowanych tak zmodyfikowanymi olejami [L. 3, 4]. W ruchowych węzłach tarcia coraz szerzej stosowane są materiały polimerowe nie tylko na uszczelnienia techniczne, ale także jako odpowiedzialne elementy ślizgowe, które współpracują z metalowymi elementami w obecności różnych środków smarnych [L. 5, 7, 8]. PTFE i kom-
6-2010 T R I B O L O G I A 13 pozyty PTFE z racji swoich właściwości tribologicznych są w tym zakresie bardzo często wykorzystywane [L. 9, 10]. Mając na uwadze stosowanie omawianych preparatów eksploatacyjnych w środkach smarowych, istotne staje się zagadnie określenia wpływu ich oddziaływania na materiały polimerowe. W literaturze przedmiotowej brakuje na ten temat takich informacji, dlatego w niniejszej pracy podjęto próbę identyfikacji wpływu wybranych smarowych preparatów eksploatacyjnych na właściwości tribologiczne niemodyfikowanego PTFE i jego wybranych kompozytów w smarowanych skojarzeniach ślizgowych ze stalą. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań było określenie wpływu wybranych dwóch preparatów eksploatacyjnych: Motor Life oraz Motonova na właściwości tribologiczne PTFE i niektórych jego kompozytów w skojarzeniu ze stalą C45 w warunkach tarcia mieszanego, przy smarowaniu olejem silnikowym Selektol Special z dodatkiem wymienionych preparatów. Do badań tribologicznych przyjęto następujące materiały polimerowe: niemodyfikowany PTFE, kompozyt PTFE zawierający 15% obj. proszku aluminiowego, kompozyt PTFE zawierający 40% obj. proszku stalowego (ze stali nierdzewnej), kompozyt PTFE zawierający 40% obj. proszku brązu cynowego, kompozyt PTFE zawierający 20% obj. włókna szklanego ciętego, które były skojarzone z przeciwelementem wykonanym ze stali C45. Do smarowania stosowano: mineralny olej silnikowy Selektol Special o klasie lepkości SAE 20W/40 i klasie jakości SD oznaczony dalej jako olej, ww. olej modyfikowany 10% wag. Motor Life oznaczony jako PE-1, ww. olej modyfikowany 20% wag. Motonova oznaczony jako PE-2, przy czym podane ilości preparatów eksploatacyjnych dodawane do oleju odpowiadały górnej wartości zalecanej przez ich producentów. WARUNKI BADAŃ W badaniach tribologicznych wykorzystano tribometr typu pin on disk [L. 1] o schemacie pary ślizgowej przedstawionej na Rys. 1.
14 T R I B O L O G I A 6-2010 Rys. 1. Schemat pary ślizgowej: 1 próbka z badanego tworzywa, 2 przeciwpróbka stalowa Fig. 1. Schema of sliding pair: 1 sample of the test material, 2 steel counter specimen Próbki z badanych materiałów polimerowych w kształcie sworznia o średnicy 8 mm wykonano z półfabrykatów metodą obróbki skrawaniem. Podczas badań próbki te (Rys. 1) współpracowały ślizgowo z przeciwelementami o kształcie krążków o średnicy 40, które wykonano ze stali C45 ulepszanej do twardości 40 HRC i chropowatości powierzchni Ra = 0,6 0,8 µm. Przed pomiarami każdą polimerową próbkę docierano na tribotesterze (w warunkach tarcia technicznie suchego). Docieranie odbywało się przy takim samym obciążeniu, jakie występowało podczas właściwych badań tribologicznych w warunkach tarcia mieszanego. Smarowanie olejem niemodyfikowanym oraz olejami modyfikowanymi (PE-1, PE-2) odbywało się okresowo, przez nanoszenie na powierzchnię krążka dużej kropli środka smarnego w odstępach czasowych co 15 sekund. Parametry procesu tarcia określono w wyniku badań wstępnych i były następujące: nacisk jednostkowy: p = 4 MPa, prędkość ślizgania: v = 1,5 m/s, czas tarcia: t = 360 s (droga tarcia S = 540 m). WYNIKI BADAŃ Badania dotyczyły rozpoznania oddziaływania preparatów eksploatacyjnych na właściwości tribologiczne badanych skojarzeń polimerowo- -stalowych, dlatego jako główny wskaźnik tych oddziaływań przyjęto zużycie wagowe materiałów polimerowych, które zestawiono w Tab. 1 oraz przedstawiono w postaci wykresu na Rys. 1. Wyniki pomiarów wykazały, że wybrane do badań preparaty eksploatacyjne w różny sposób oddziałują na wartość zużycia badanych mate-
6-2010 T R I B O L O G I A 15 riałów polimerowych. W przypadku niemodyfikowanego PTFE oddziaływanie to jest jednoznacznie negatywne, następuje ponad 10-krotne zwiększenie zużycia wagowego PTFE w porównaniu ze smarowaniem olejem. Natomiast, w zależności od rodzaju napełniacza w kompozytach PTFE wpływ badanych preparatów na wartość zużycia wagowego nie jest jednoznaczny. W celu podjęcia próby wyjaśnienia przyczyn tego stanu rzeczy, przeprowadzono badania mikrotwardości PTFE w warstwie Tabela 1. Wyniki badań zużycia wagowego badanych materiałów polimerowych Table 1. The results of the weight scale test of polymeric materials Zużycie wagowe [mg] Badany materiał (rodzaj tarcia czynnik smarujący) (oznaczenie) mieszane olej mieszane olej + PE-1 mieszane olej + PE-2 PTFE niemodyfikowany 2 24 23 PTFE + proszek aluminium 17 21 19 PTFE + proszek brązu 9 3-3 PTFE + proszek stalowy 10 15 11 PTFE + włókno szklane -2-1 -2 Rys. 2. Zużycie wagowe badanych materiałów polimerowych po procesie tarcia mieszanego ze stalą C45 w różnych warunkach smarowania (p = 4 MPa, v = 1,5 m/s) Fig. 2. The weight scale test of polymers after the mixed friction with C45 steel under different lubrication conditions (p = 4 MPa, v = 1,5 m/s)
16 T R I B O L O G I A 6-2010 wierzchniej badanych materiałów polimerowych oraz badania mikroskopowe ich powierzchni ślizgowej POM po procesie tarcia. Wyniki pomiarów mikrotwardości przedstawiono w Tab. 2 oraz na Rys. 2, natomiast mikrofotografie powierzchni ślizgowej badanych materiałów po tarciu w różnych warunkach smarowania pokazano na Rys. 4 8. Tabela 2. Wyniki badań mikrotwardości HV0,025 PTFE w warstwie wierzchniej badanych materiałów po procesie tarcia ze stalą C45 w różnych warunkach smarowania (p = 4 MPa, v = 1,5 m/s) Table 2. Test results of HV0, 025 microhardness of PTFE in the surface layer of tested materials after the friction process with C45 steel under different lubrication conditions (p = 4 MPa, v = 1,5 m/s) Badany materiał (oznaczenie) Mikrotwardość HV0,025 PTFE (rodzaj tarcia czynnik smarujący) tarcie suche tarcie mieszane olej tarcie mieszane olej + PE-1 tarcie mieszane olej + PE-2 średnia ufność średnia ufność średnia ufność średnia ufność PTFE 3,44 ±0,158 4,70 ±0,215 3,97 ±0,170 4,31 ±0,165 PTFE + proszek aluminium PTFE + proszek brązu 3,33 ±0,220 3,57 ±0,264 3,25 ±0,079 3,67 ±0,230 3,70 ±0,096 4,21 ±0,318 4,08 ±0,222 3,92 ±0,168 Rys. 3. Mikrotwardość HV0,025 PTFE w warstwie wierzchniej badanych materiałów polimerowych po procesie tarcia ze stalą C45 w różnych warunkach smarowania (p = 4 MPa, v = 1,5 m/s) Fig. 3. Microhardness of HV0, 025 of PTFE in the surface layer of tested polymer materials after the friction process with a C45 steel in different lubrication conditions (p = 4 MPa, v = 1,5 m/s)
6-2010 T R I B O L O G I A 17 a) b) c) d) Rys. 4. Powierzchnia ślizgowa niemodyfikowanego PTFE po tarciu ze stalą w warunkach: a) tarcia suchego, b) smarowania olejem, c) smarowania olejem z dodatkiem PE-1, d) smarowania olejem z dodatkiem PE-2; obszar mikrofotografii: 480 µm x 280 µm Fig. 4. Unmodified PTFE sliding surface after friction with steel in conditions of: a) dry friction, b) lubricating with oil, c) lubrication with oil with the addition of PE-1, d) lubrication with oil with the addition of PE-2; the microphotography area: 480 µm x 280 µm Badania mikrotwardości PTFE w warstwie wierzchniej badanych materiałów wykazały, że podczas tarcia mieszanego (w obecności badanych środków smarnych) następuje wzrost jej mikrotwardości w porównaniu do tarcia technicznie suchego. Nie dokonano pomiarów w kompozytach PTFE z proszkiem stalowym i PTFE z włóknem szklanym z powodu gęstego rozkładu napełniaczy i braku w nich miejsca do wykonania odcisku w matrycy PTFE. W przypadku PTFE niemodyfikowanego można zauważyć
18 T R I B O L O G I A 6-2010 zależność większej odporności na zużywanie tribologiczne wraz ze wzrostem jego mikrotwardości w warstwie wierzchniej, natomiast dla badanych kompozytów PTFE takiej jednoznacznej zależności nie można stwierdzić. a) b) c) d) Rys. 5. Powierzchnia ślizgowa kompozytu PTFE + 15% obj. proszku aluminiowego po tarciu ze stalą w warunkach: a) tarcia suchego, b) smarowania olejem, c) smarowania olejem z dodatkiem PE-1, d) smarowania olejem z dodatkiem PE-2; obszar mikrofotografii: 480 µm x 280 µm Fig. 5. Sliding surface of PTFE composite + 15% vol. of aluminum powder after the friction with steel in conditions of: a) dry friction, b) lubricating with oil, c) lubrication with oil with the addition of PE-1, d) lubrication with oil with the addition of PE-2; the microphotography area: 480 µm x 280 µm Podczas tarcia mieszanego niemodyfikowanego PTFE zarówno przy smarowaniu olejem z dodatkiem preparatu eksploatacyjnego PE-1, jak i PE-2, następuje wygładzenie powierzchni ślizgowej próbek (Rys. 4c i 4d)
6-2010 T R I B O L O G I A 19 w porównaniu z tarciem przy smarowaniu samym olejem (Rys. 4b). Może to powodować zwiększenie udziału oddziaływań adhezyjnych prowadzących do wzrostu zużycia tribologicznego PTFE. W przypadku kompozytów PTFE z proszkowym napełniaczem aluminiowym i stalowym występuje zwiększone zużywanie tribologiczne tych kompozytów, którego przyczyną jest intensywne wypłukiwanie cząstek napełniacza z matrycy kompozytów (Rys. 5 i 7). Natomiast pozytywny wpływ badanych preparatów eksploatacyjnych na wzrost odporności na zużycie można zauważyć a) b) c) d) Rys. 6. Powierzchnia ślizgowa kompozytu PTFE + 40% obj. proszku brązu cynowego po tarciu ze stalą w warunkach: a) tarcia suchego, b) smarowania olejem, c) smarowania olejem z dodatkiem PE-1, d) smarowania olejem z dodatkiem PE-2; obszar mikrofotografii: 480 µm x 280 µm Fig. 6. Sliding surface of PTFE composite + 40% vol. of tin bronze powder after the friction with steel in conditions of: a) dry friction, b) lubricating with oil, c) lubrication with oil with the addition of PE-1, d) lubrication with oil with the addition of PE-2; the microphotography area: 480 µm x 280 µm
20 T R I B O L O G I A 6-2010 w przypadku kompozytu PTFE z proszkiem brązu cynowego oraz kompozytu z włóknem szklanym. W omawianych kompozytach cząstki napełniaczy nie są tak intensywnie usuwane z polimerowej matrycy i to one głównie przenoszą obciążenie w procesie tarcia (Rys. 6 i 8). Ujemne wartości zużycia wagowego tych kompozytów wynikają z wchłaniania środka smarnego do mikroporów polimerowej matrycy w otoczeniu cząstek napełniaczy, a w przypadku PE-2 także cząstek ceramicznych (Rys. 4d, 6d, 8d), przy jednocześnie nieznacznym ich zużyciu tribologicznym. a) b) c) d) Rys. 7. Powierzchnia ślizgowa kompozytu PTFE + 40% obj. proszku stalowego po tarciu ze stalą w warunkach: a) tarcia suchego, b) smarowania olejem, c) smarowania olejem z dodatkiem PE-1, d) smarowania olejem z dodatkiem PE-2; obszar mikrofotografii: 480 µm x 280 µm Fig. 7. Sliding surface of PTFE composite + 40% vol. of steel powder after the friction with steel in conditions of: a) dry friction, b) lubricating with oil, c) lubrication with oil with the addition of PE-1, d) lubrication with oil with the addition of PE-2; the microphotography area: 480 µm x 280 µm
6-2010 T R I B O L O G I A 21 a) b) c) d) Rys. 8. Powierzchnia ślizgowa kompozytu PTFE + 20% obj. włókna szklanego po tarciu ze stalą w warunkach: a) tarcia suchego, b) smarowania olejem, c) smarowania olejem z dodatkiem PE-1, d) smarowania olejem z dodatkiem PE-2; obszar mikrofotografii: 480 µm x 280 µm Fig. 8. Sliding surface of PTFE composite + 20% vol. of fiber glass after the friction with steel in conditions of: a) dry friction, b) lubricating with oil, c) lubrication with oil with the addition of PE-1, d) lubrication with oil with the addition of PE-2; the microphotography area: 480 µm x 280 µm PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przeprowadzone badania wykazały, że wpływ badanych preparatów eksploatacyjnych Motor Life (PE-1) i Motonova (PE-2) na właściwości tribologiczne PTFE i jego kompozytów nie jest w pełni jednoznaczny. Wykazano wzrost mikrotwardości polimerowej matrycy PTFE i badanych kompozytów PTFE w warstwie wierzchniej po procesie tarcia mieszanego, jednak nie można było doszukać się korelacji tych zmian z odporno-
22 T R I B O L O G I A 6-2010 ścią na ich tribologiczne zużycie. Badania mikroskopowe częściowo uwidoczniły mechanizm procesu zużywania tribologicznego badanych materiałów polimerowych w warunkach tarcia mieszanego przy smarowaniu olejem z dodatkiem preparatów eksploatacyjnych PE-1 i PE-2, ale pełny obraz tego mechanizmu wymaga dalszych badań tribologicznych i strukturalnych. Przeprowadzone badania umożliwiają sformułowanie następujących spostrzeżeń i wniosków: wpływ badanych preparatów eksploatacyjnych PE-1 i PE-2 na odporność na zużywanie tribologiczne niemodyfikowanego PTFE jest jednoznacznie negatywny, podobnie jak w przypadku kompozytów PTFE z proszkiem aluminiowym i PTFE z proszkiem ze stali nierdzewnej, zastosowanie preparatów PE-1 i PE-2 w oleju do okresowego smarowania kompozytu PTFE z proszkiem brązu cynowego oraz PTFE zawierającym włókno szklane wpłynęło na zmniejszenie zużycia tribologicznego (zwłaszcza w przypadku preparatu PE-2) w porównaniu ze smarowaniem olejem niemodyfikowanym, wzrost zainteresowania preparatami eksploatacyjnymi oraz ich poszerzającym się stosowaniem w technice wymaga ostrożności w odniesieniu do smarowania zespołów maszynowych wykorzystujących materiały na osnowie PTFE, a także prowadzenia dalszych badań tribologicznych innych materiałów polimerowych stosowanych na elementy ślizgowe i uszczelnienia techniczne, w tym gumy, podczas tarcia ze stalą. LITERATURA 1. Capanidis D., Selected aspects of the methodology of tribological investigations of polymer materials. Archives of Civil and Mechanical Eng., Vol. VII, No. 4, 2007, s. 39 55. 2. Laber A., Adamczuk K., Analiza porównawcza własności smarnych oleju maszynowego AN-46 przed i po procesie eksploatacji. Tribologia nr 5/2009 (227), s. 91 98. 3. Laber A., Analiza możliwości wykorzystania preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional w modyfikowaniu warunków pracy węzłów tarcia pojazdów samochodowych. Tribologia nr 5/2009 (227), s. 99 106. 4. Laber A., Adamczuk K., Badania właściwości tribologicznych brązu CuSn12Ni2 w obecności preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym. Tribologia nr 5/2009 (227), s. 117 125. 5. Lawrowski Z.: Tribologia tarcie, zużywanie i smarowanie. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993.
6-2010 T R I B O L O G I A 23 6. Leśniewski T., Badania porównawcze oleju silnikowego Castrol Magnatec Diesel 10W/40 bez i z dodatkiem 10% środka Motonova. Tribologia nr 3/2008 (219), s. 71 77. 7. Rymuza Z.: Trybologia polimerów. WNT, Warszawa, 1986. 8. Rymuza Z.: Tribology of polymers. Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. VII, No.4, 2007, s. 177 184. 9. Wieleba W.: The mechanism of tribological wear of thermoplastic materials. Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. VII, No. 4, 2007, s. 185 199. 10. Wieleba W.: Analiza procesów tribologicznych zachodzących podczas współpracy kompozytów PTFE ze stalą. Oficyna Wyd. PWr, Wrocław 2002. Recenzent: Jacek PRZEPIÓRKA Summary The article presents the results of a preliminary exploratory research of influence of selected exploitational preparations added to lubricating oils to improve their lubricative properties, on the tribological properties of PTFE and some PTFE composites during the mixed friction with steel. These studies have shown that the addition of such exploitational preparations to the lubricative oils may have an effect, depending on the type of polymer material, on the increase or decrease of their wear during friction with steel. In order to try to explain this phenomenon, the research of microhardness of PTFE in the surface layer of examined materials and microscopic observations of the sliding surface after friction process were conducted. These studies allowed us to formulate a hypothesis concerning the impact of these exploitational preparations on the process of wear of PTFE composites and some certain composites during the mixed friction with steel.