5-2003 T R I B O L O G I A 201 Witold PIEKOSZEWSKI *, Waldemar TUSZYÑSKI * W AŒCIWOŒCI PRZECIWZU YCIOWE, PRZECIWZATARCIOWE I TRWA OŒÆ ZMÊCZENIOWA WÊZ A TARCIA JAKO EFEKT RODZAJU I STÊ ENIA DODATKÓW SMARNOŒCIOWYCH W OLEJU AN EFFECT OF THE TYPE AND CONCENTRATION OF LUBRICATING ADDITIVES ON AW/EP PROPERTIES AND ROLLING FATIGUE LIFE OF A TRIBOSYSTEM S³owa kluczowe: Aparat czterokulowy, w³aœciwoœci przeciwzu yciowe, w³aœciwoœci przeciwzatarciowe, trwa³oœæ zmêczeniowa, dodatki AW, dodatki EP, SEM, EDS Key words: Four ball tester, AW properties, EP properties, rolling fatigue life, AW additives, EP additives, SEM, EDS * Instytut Technologii Eksploatacji (ITeE), Zak³ad Tribologii, ul. Pu³askiego 6/10, 26 600 Radom, tel. (0-48) 36-442-41.
202 T R I B O L O G I A 5-2003 STRESZCZENIE W artykule zamieszczono wyniki tribologicznych badañ serii olejów smarowych o zmienianym w sposób modelowy sk³adzie chemicznym. Olejem bazowym by³ olej mineralny. Olej ten mieszano z handlowymi pakietami dodatków smarnoœciowych ró nego typu. By³y to dwa ró ne pakiety dodatków przeciwzu yciowych (typu AW) i dwa pakiety dodatków przeciwzatarciowych (typu EP). Dodatki przeciwzu yciowe zawiera³y dialkiloditiofosforan cynku ZDDP, zaœ przeciwzatarciowe organiczne zwi¹zki siarkowo fosforowe. Dodatki smarnoœciowe dodawano do oleju bazowego w ró nych stê eniach. Badania tribologiczne wykonano za pomoc¹ dwóch aparatów czterokulowych, wytworzonych w ITeE. Aparat T 02 pos³u y³ do wyznaczenia w³aœciwoœci przeciwzu yciowych i przeciwzatarciowych smarowanego badanymi olejami wêz³a tarcia. Aparat czterokulowy T 03 umo liwi³ wykonanie badañ trwa³oœci zmêczeniowej (pittingu). Wykazano, e dodatki AW polepszaj¹ nie tylko w³aœciwoœci przeciwzu yciowe smarowanego nimi wêz³a tarcia, ale dodatkowo dodane w niewielkiej iloœci wp³ywaj¹ korzystnie na trwa³oœæ zmêczeniow¹. Zwiêkszenie stê enia dodatków AW w oleju bazowym pozwala znacz¹co poprawiæ w³aœciwoœci przeciwzu yciowe, ma jednak niekorzystny wp³yw na trwa³oœæ zmêczeniow¹. Dodatki EP, dodane nawet w niewielkim stê eniu do oleju bazowego, powoduj¹ kilkukrotn¹ poprawê w³aœciwoœci przeciwzatarciowych oraz w znacznie mniejszym stopniu, przeciwzu yciowych, praktycznie nie wp³ywaj¹c przy tym jednak na trwa³oœæ zmêczeniow¹. Zwiêkszenie stê enia tych dodatków skutkuje polepszeniem w³aœciwoœci przeciwzatarciowych, jak te przeciwzu yciowych. Towarzyszy temu jednak znaczny spadek trwa- ³oœci zmêczeniowej. Wyniki badañ tribologicznych zinterpretowano w oparciu o analizy powierzchni tarcia za pomoc¹ skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i mikroanalizatora rentgenowskiego (EDS). WPROWADZENIE Smarowanie wiêkszoœci wêz³ów tarcia, np. szybkoobrotowych przek³adni zêbatych, nie jest smarowaniem czysto hydrodynamicznym (HD) czy elastohydrodynamicznym (EHD). Chocia wiêksza czêœæ
5-2003 T R I B O L O G I A 203 obci¹ enia przenoszona jest przez film olejowy, nie mo na w pe³ni unikn¹æ kolizji najwy szych wierzcho³ków nierównoœci powierzchni [L. 1]. Wówczas, po zniszczeniu warstewek tlenków na powierzchni, mo e dojœæ do sczepieñ adhezyjnych, które na skutek wzajemnego ruchu elementów tr¹cych s¹ zrywane. To w konsekwencji powoduje uszkodzenie powierzchni. Je eli proces ten nie zostanie zahamowany, nastêpuje zmiana skali uszkadzania z mikro na makroskopow¹ elementy tr¹ce ulegaj¹ zacieraniu [L. 2]. Na zacieranie nara one s¹ te czêœci maszyn, które podczas wzajemnego ruchu pracuj¹ w warunkach du ych poœlizgów, np. strefa g³owy i stopy zêba w przek³adniach. Je eli elementy wykonuj¹ ruch toczny lub toczny z niewielkim poœlizgiem (dwa zêby przek³adni zêbatej stykaj¹ce siê w tzw. œrodku zazêbienia czy ³o yska toczne), a styk jest smarowany, to mo e dojœæ do odmiennej formy zu ycia zwanej pittingiem [L. 3]. Pitting zwi¹zany jest ze zmêczeniem materia³u warstwy wierzchniej wywo³anym cyklicznym obci¹ eniem styku, w wyniku czego powstaj¹ szczeliny. W szczeliny pod wysokim ciœnieniem (smarowanie EHD) wt³aczany jest olej, wskutek czego ulegaj¹ one rozklinowaniu. Ostatecznie, na skutek zmiennych naprê eñ nastêpuje wykruszenie cz¹stki materia³u [L. 4, 5, 6]. Zarówno zacieranie, jak i zu ycie zmêczeniowe (pitting) s¹ uzale nione od wielu ró nych czynników. S¹ to: w³aœciwoœci materia³u, sposób obróbki powierzchni, konstrukcja wêz³a tarcia, warunki eksploatacji oraz w³aœciwoœci fizykochemiczne zastosowanego œrodka smarowego. Dla pierwszych czterech czynników zale noœæ odpornoœci wêz³a tarcia na zacieranie i zmêczenie jest stosunkowo dobrze rozpoznana. Mniej jednoznacznych informacji dostêpnych jest natomiast na temat wp³ywu œrodków smarowych, szczególnie w aspekcie ich interakcji z warstw¹ wierzchni¹ elementów tr¹cych. Wiadomo, e w celu zapobiegania zu ywaniu i zacieraniu nale y zwiêkszyæ lepkoœæ oleju smarowego [L. 3] i/lub zastosowaæ w oleju pakiet dodatków smarnoœciowych [L. 7, 8], przy czym mog¹ to byæ dodatki przeciwzu yciowe, typu AW lub przeciwzatarciowe, typu EP [L. 9]. W pracach [L. 10, 11] potwierdzono, e zwiêkszenie iloœci dodatków, szczególnie EP, w oleju smarowym znacz¹co podnosi odpornoœæ wêz³a tarcia na zacieranie. Jeœli chodzi o wp³yw dodatków smarnoœciowych na trwa³oœæ zmêczeniow¹ wêz³a tarcia, to prezentowane w literaturze informacje s¹ czêsto
204 T R I B O L O G I A 5-2003 sprzeczne. Przyjmuje siê najczêœciej, e obecnoœæ dodatków typu EP w o- leju smarowym obni a trwa³oœæ zmêczeniow¹ [L. 12]. Tymczasem w pracy [L. 13] podano, e tego typu dodatki pozwalaj¹ tê trwa³oœæ podwy - szyæ. Podobne wyniki w odniesieniu do dodatków typu AW zaprezentowano w artykule [L. 14], gdzie stwierdzono ich pozytywny wp³yw na trwa³oœæ zmêczeniow¹. Ró nice te wynikaj¹ z ró norakich stosowanych wêz³ów tarcia i warunków badañ. Zaistnia³a zatem potrzeba wykonania kompleksowych badañ zale noœci w³aœciwoœci przeciwzu yciowych, przeciwzatarciowych i trwa³oœci zmêczeniowej od rodzaju i stê enia dodatków smarnoœciowych w oleju, przy zastosowaniu tego samego typu wêz³a tarcia i w tych samych warunkach. APARATURA BADAWCZA I ELEMENTY TESTOWE Badania tribologiczne wykonano za pomoc¹ dwóch aparatów czterokulowych, wytworzonych w ITeE. Aparat T 02 pos³u y³ do wyznaczenia w³aœciwoœci przeciwzu yciowych i przeciwzatarciowych smarowanego badanymi olejami wêz³a tarcia, w warunkach ruchu œlizgowego. Zmodyfikowany aparat czterokulowy T 03 umo liwi³ natomiast wykonanie badañ trwa³oœci zmêczeniowej (pittingu), w warunkach ruchu tocznego. Dodaæ nale y, e obecnie aparat czterokulowy jest jednym z najpowszechniej stosowanych urz¹dzeñ do tribologicznych badañ olejów smarowych [L. 9, 15]. Oba urz¹dzenia zosta³y wyposa one w skomputeryzowane systemy steruj¹co pomiarowe. Aparat T 03 wyposa ony by³ dodatkowo w detektor drgañ. W momencie wyst¹pienia wykruszenia materia³u na jednej z kulek poziom drgañ gwa³townie wzrasta³, a odpowiedni sterownik automatycznie wy³¹cza³ urz¹dzenie. Elementami testowymi w obu przypadkach by³y kulki ³o yskowe o œrednicy nominalnej 1/2", wykonywane ze stali ³o yskowej H15. Chropowatoœæ powierzchni wynosi³a R a = 0,032 µm, a twardoœæ 60 65 HRC. Ró nica w wêÿle tarcia polega³a na tym, e w aparacie do badania zu ywania i zacierania (T 02) dolne kulki zaciœniête by³y w uchwycie tak, aby nie mog³y siê obracaæ Rys. 1 a). Obraca³a siê tylko kulka górna. W przypadku aparatu T 03 do badania pittingu dolne kulki swobodnie toczy³y siê po bie ni Rys. 1 b).
5-2003 T R I B O L O G I A 205 a) b) Rys. 1. Wêze³ tarcia aparatu czterokulowego: a) T 02, b) T 03 Fig. 1. Four ball tribosystem: a) T 02 apparatus, b) T 03 Po wykonaniu badañ tribologicznych analizowano powierzchniê œladu zu ycia za pomoc¹ skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i spektrometru z dyspersj¹ energii (EDS). METODYKA BADAÑ Do scharakteryzowania w³aœciwoœci przeciwzu yciowych wykorzystano tzw. graniczne obci¹ enie zu ycia (G oz40 ), oznaczane wed³ug p. 2.3 normy PN 76/C 04147 [16]. Zmieniono tylko obci¹ enie wêz³a i czas trwania biegu. Przyjêto obci¹ enie 40 kg (392 N) i czas 3600 s zgodnie z WTWT 94/MPS 025 [L. 17]. Indeks 40 w G oz40 oznacza obci¹ enie wyra one w kg. Prêdkoœæ obrotowa wrzeciona wynosi³a 500 obr/min (prêdkoœæ poœlizgu 0,19 m/s). W³aœciwoœci przeciwzatarciowe scharakteryzowano za pomoc¹ tzw. granicznego nacisku zatarcia (p oz ), wyznaczanego w warunkach liniowo rosn¹cego obci¹ enia. Badania wykonano wed³ug metody w³asnej, prezentowanej wielokrotnie, np. [L. 10, 11, 18, 19]. Na podstawie dotychczasowych badañ stwierdzono, e opracowana nowa metoda charakteryzuje siê dobr¹ rozdzielczoœci¹ oraz bardzo nisk¹ czasoch³onnoœci¹ i kosztem, przy precyzji porównywalnej do osi¹ganej w najczêœciej stosowanych badaniach tribologicznych. Oznaczenie wskaÿnika p oz prowadzono w nastêpuj¹cych warunkach: prêdkoœæ narastania obci¹ enia 409 N/s, obci¹ enie pocz¹tkowe 0, obci¹- enie maksymalne ok. 7200 N, prêdkoœæ obrotowa wrzeciona 500 obr/min (prêdkoœæ poœlizgu 0,19 m/s).
206 T R I B O L O G I A 5-2003 Zarówno graniczne obci¹ enie zu ycia (G oz40 ), jak i graniczny nacisk zatarcia (p oz ) odpowiadaj¹ nominalnemu naciskowi na powierzchni œladu zu ycia pod koniec biegu. Oblicza siê je ze wzoru (1): P 2 G (1) oz40 p oz = 0,52 N / mm 2 d gdzie: P w przypadku oznaczania G oz40 jest to wartoœæ obci¹ enia w czasie biegu [N]; dla p oz jest to obci¹ enie powoduj¹ce zatarcie lub obci¹ enie maksymalne (gdy brak jest zatarcia), d œrednia œrednica œladu zu ycia [mm]. Im wartoœci wskaÿników G oz40 i p oz s¹ wy sze, tym lepsze s¹ odpowiednio przeciwzu yciowe i przeciwzatarciowe w³aœciwoœci wêz³a tarcia smarowanego badanym œrodkiem smarowym. W celu oznaczenia G oz40 i p oz wykonano dla ka dego oleju minimum 3 biegi badawcze, których wyniki uœredniono. W przypadku G oz40 sposób obróbki statystycznej podano w normie [16], zaœ dla p oz w pracy [L. 11]. Trwa³oœæ zmêczeniow¹ scharakteryzowano wed³ug normy IP 300/82 [L. 20] za pomoc¹ tzw. trwa³oœci 10%, oznaczonej L 10. Jest to taki czas eksploatacji tocznych wêz³ów tarcia (smarowanych badanym olejem), w którym 10% ich populacji ulega uszkodzeniu. Badanie polega³o na przeprowadzeniu przy sta³ym obci¹ eniu (5886 N) i sta³ej prêdkoœci obrotowej (1450 obr/min; 0,56 m/s) 24 biegów badawczych czterech stalowych kulek wspó³pracuj¹cych tocznie w obecnoœci œrodka smarowego, sporz¹dzeniu rozk³adu Weibulla i na jego podstawie okreœleniu trwa³oœci wêz³a tarcia L 10. Badania wykonywano do osi¹gniêcia dla danego œrodka smarowego 24 takich biegów, które zakoñczone zosta³y wyst¹pieniem wykruszenia na kulce górnej. BADANE OLEJE ( ) [ ] Zbadano seriê olejów smarowych o zmienianym sk³adzie chemicznym. Olejem bazowym by³ olej mineralny (oznaczony B1) o lepkoœci kinematycznej ok. 11 mm 2 /s (100ºC). Mieszano go z handlowymi pakietami dodatków smarnosciowych ró nego typu. By³y to dwa ró ne pakiety dodatków przeciwzu yciowych (typu AW), uwa anych czasem za czêœciowo przeciwzatarciowe [L. 21], i dwa pakiety dodatków przeciwzatarciowych (typu EP). Oznaczono je odpowiednio AW1, AW2 oraz EP1 i EP2. Dodatki przeciwzu yciowe zawiera³y dialkiloditiofosforan cynku ZDDP, zaœ przeciwzatarciowe organiczne zwi¹zki siarkowo fosforowe. Dodatki smarnoœciowe dodawano do oleju bazowego w ró nych stê eniach: 0,2
5-2003 T R I B O L O G I A 207 i 3% wag. dla dodatków AW, oraz 1 i 10% wag. dla EP. Wybrane dodatki stosowane s¹ we wspó³czesnych samochodowych olejach przek³adniowych. WYNIKI BADAÑ TRIBOLOGICZNYCH Pierwszym krokiem by³o oszacowanie wymuszeñ panuj¹cych w wêÿle tarcia w czasie oznaczania poszczególnych wskaÿników. Niektórzy autorzy proponuj¹ w tym celu wyznaczaæ tzw. jednostkow¹ moc tarcia (JMT), obliczan¹ ze wzoru (2) [L. 22, 23]: JMT = µ p v 2 [ MW / m ] gdzie: µ wspó³czynnik tarcia, p nacisk [MN/m 2 ], v prêdkoœæ poœlizgu (toczenia) [m/s]. Wyniki obliczeñ zebrano w Tab. 1. Wspó³czynnik tarcia zosta³ wyznaczony na drodze eksperymentalnej, z wyj¹tkiem sytuacji dla L 10, gdzie jego wartoœæ przyjêto z pracy [L. 24] dla ³o yska kulkowego. Nacisk p jest równy wartoœci maksymalnych naprê eñ stykowych, obliczanych ze wzorów Hertza. Wiêcej informacji na temat sposobu wyznaczenia JMT podano w pracy [L. 25]. Tabela 1. Wymuszenia w czterokulowym wêÿle tarcia, mierzone jednostkow¹ moc¹ tarcia, dla poszczególnych wskaÿników (opis w tekœcie) WskaŸnik Ruch ì p [MN/m 2 ] v [m/s] JMT [MW/m 2 ] G oz40 œlizgowy 0,100 3447 0,19 65 p oz œlizgowy 0,260 7218 0,19 357 L 10 toczny 0,002 8503 0,56 10 (2) W przypadku ruchu œlizgowego najmniejsze wymuszenia wystêpuj¹ przy oznaczaniu granicznego obci¹ enia zu ycia G oz40. S¹ to tzw. warunki przeciwzu yciowe (AW), a G oz40 jest wskaÿnikiem charakteryzuj¹cym tzw. w³aœciwoœci przeciwzu yciowe wêz³a tarcia. Najwiêksze wymuszenia w wêÿle tarcia wystêpuj¹ przy oznaczaniu granicznego nacisku zatarcia p oz. S¹ to tzw. warunki przeciwzatarciowe (EP), a p oz jest wskaÿnikiem charakteryzuj¹cym tzw. w³aœciwoœci przeciwzatarciowe. Zdecydowanie najmniejsza JMT wystêpuje w przypadku oznaczania trwa³oœci L 10 dla ruchu tocznego.
208 T R I B O L O G I A 5-2003 Na Rys. 2 przedstawiono wartoœci granicznego obci¹ enia zu ycia (G oz40 ), granicznego nacisku zatarcia (p oz ) i trwa³oœci 10% (L 10 ) uzyskane dla badanych olejów. S³upki b³êdów charakteryzuj¹ powtarzalnoœæ; dla dwóch pierwszych wskaÿników jej wartoœci s¹ podane odpowiednio w normie PN 76/C 04147 [16] i pracy [11]. Dla trwa³oœci zmêczeniowej brak jest danych na temat powtarzalnoœci. Uzyskane wyniki badañ tribologicznych pozwalaj¹ stwierdziæ, e dodatki AW s¹ skuteczniejsze w warunkach niskich wymuszeñ ni dodatki EP. Oznacza to nie tylko, e dodatki AW polepszaj¹ w³aœciwoœci przeciwzu yciowe smarowanego nimi wêz³a tarcia (G oz40 ), ale dodatkowo dodane w niewielkiej iloœci (0,2%) wp³ywaj¹ korzystnie na trwa³oœæ zmêczeniow¹ (L 10 ). Zwiêkszenie stê enia dodatków AW w oleju bazowym pozwala znacz¹co poprawiæ w³aœciwoœci przeciwzu yciowe, ma jednak niekorzystny wp³yw na trwa³oœæ zmêczeniow¹, co jest szczególnie widoczne dla pakietu AW1. Dodatki EP, przy wysokich wymuszeniach, wykazuj¹ znacznie wiêksz¹ efektywnoœæ dzia³ania ni AW. Dodanie nawet w niewielkim stê eniu (1%) dodatków EP do oleju bazowego powoduje kilkukrotn¹ poprawê w³aœciwoœci przeciwzatarciowych (p oz ) oraz, w znacznie mniejszym stopniu, przeciwzu yciowych, praktycznie nie wp³ywaj¹c przy tym jednak na trwa- ³oœæ zmêczeniow¹. Zwiêkszenie stê enia tych dodatków skutkuje polepszeniem w³aœciwoœci przeciwzatarciowych, jak te przeciwzu yciowych. Jest to szczególnie widoczne dla pakietu EP2. Towarzyszy temu jednak znaczny spadek trwa³oœci zmêczeniowej. DYSKUSJA WYNIKÓW Dla interpretacji otrzymanych wyników badañ tribologicznych wykonano iloœciow¹ mikroanalizê rentgenowsk¹ za pomoc¹ spektrometru EDS zintegrowanego ze skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM). Przed badaniami elementy testowe myto w 95% n heksanie w myjce ultradÿwiêkowej. Na Rys. 3 do 5 zaprezentowano zawartoœæ siarki, fosforu i cynku w warstwie wierzchniej œladu zu ycia po badaniu w ró nych warunkach. Rys. 3 i 4 dotycz¹ analizy œladu zu ycia na jednej z kul dolnych po badaniach w warunkach odpowiednio przeciwzu yciowych (oznaczanie G oz40 ) i przeciwzatarciowych (oznaczanie p oz ). Rys. 5 dotyczy analizy œcie ki zu- ycia na kulce górnej w pobli u miejsca wykruszenia materia³u, po badaniach zmêczeniowych (oznaczanie L 10 ). Dodatki EP nie zawiera³y w swoim sk³adzie cynku, dlatego na Rys. 3 c) do 5 c) prawe strony wykresów s¹ puste.
5-2003 T R I B O L O G I A 209 Analizy wykonywano 3 razy za ka dym razem w innym miejscu œladu zu ycia. Na wykresach podano wartoœci œrednie oraz ró nice pomiêdzy zaobserwowan¹ minimaln¹ i maksymaln¹ zawartoœci¹ poszczególnych a) 1800 1500 G oz40 [N/mm 2 ] 1200 900 600 300 0 B1 b) 3000 2500 poz [N/mm 2 ] 2000 1500 1000 500 0 c) 180 B1 150 L 10 [min] 120 90 60 30 0 B1 Fig. 2. Rys. 2. W³aœciwoœci tribologiczne, otrzymane dla poszczególnych olejów, charakteryzowane za pomoc¹: a) granicznego obci¹ enia zu ycia G oz40, b) granicznego nacisku zatarcia p oz, c) trwa³oœci 10% L 10 Tribological properties obtained for the tested oils, measured by: a) limiting pressure of wear G oz40, b) limiting pressure of seizure p oz, c) fatigue life L 10
210 T R I B O L O G I A 5-2003 pierwiastków w ró nych miejscach. Rozrzuty te œwiadcz¹ zatem nie o b³êdzie pomiaru, ale o stopniu niejednorodnoœci sk³adu pierwiastkowego powierzchni œladu zu ycia. a) 2,5 Zawartoœæ siarki [% wag.] 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 b) 3,0 Zawartoœæ fosforu [% wag.] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 c) Zawartoœæ cynku [% wag.] 21 18 15 12 9 6 3 0 Rys. 3. Zawartoœæ poszczególnych pierwiastków w warstwie wierzchniej œladu zu ycia po badaniu w warunkach przeciwzu yciowych: a) siarka, b) fosfor, c) cynk Fig. 3. The concentration of particular elements in the surface layer of the wear scar after testing in the AW regime: a) sulfur, b) phosphorus, c) zinc
5-2003 T R I B O L O G I A 211 a) 21 Zawartoœæ siarki [% wag.] 18 15 12 9 6 3 0 b) 7 Zawartoœæ fosforu [% wag.] 6 5 4 3 2 1 0 c) 7 Zawartoœæ cynku [% wag.] 6 5 4 3 2 1 0 Rys. 4. Zawartoœæ poszczególnych pierwiastków w warstwie wierzchniej œladu zu- ycia po badaniu w warunkach przeciwzatarciowych: a) siarka, b) fosfor, c) cynk Fig. 4. The concentration of particular elements in the surface layer of the wear scar after testing in the EP regime: a) sulfur, b) phosphorus, c) zinc
212 T R I B O L O G I A 5-2003 a) 3,0 Zawartoœæ siarki [% wag.] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 b) 10 Zawartoœæ fosforu [% wag.] 8 6 4 2 0 c) 42 Zawartoœæ cynku [% wag.] 35 28 21 14 7 0 Rys. 5. Zawartoœæ poszczególnych pierwiastków w warstwie wierzchniej œcie ki zu- ycia po badaniu pittingu: a) siarka, b) fosfor, c) cynk Fig. 5. The concentration of particular elements in the surface layer of the wear track after testing the fatigue life: a) sulfur, b) phosphorus, c) zinc
5-2003 T R I B O L O G I A 213 Du a skutecznoœæ dzia³ania dodatków AW w warunkach przeciwzu- yciowych, objawiaj¹ca siê wysokimi wartoœciami wskaÿnika G oz40, wynika ze stosunkowo niskiej temperatury rozk³adu termicznego dialkiloditiofosforanu cynku (ZDDP), wynosz¹cej 200 300 C [L. 26]. Wymuszenia w wêÿle tarcia s¹ w warunkach przeciwzu yciowych wystarczaj¹ce do tego, eby cz¹steczka ZDDP uleg³a czêœciowej destrukcji (zrywane s¹ wewnêtrzne wi¹zania), co umo liwia wbudowanie siê atomów np. S, P czy Zn w strukturê warstwy wierzchniej. Skutkuje to znaczn¹ modyfikacj¹ sk³adu pierwiastkowego powierzchni œladu zu ycia dla dodatków AW (Rys. 3), znacznie wiêksz¹ ni w przypadku dodatków EP, dla których temperatura rozk³adu termicznego jest znacznie wy sza i siêga 400 500 C [L. 27]. Dodatki EP, maj¹c wysok¹ temperaturê rozk³adu termicznego, ujawniaj¹ swoj¹ skutecznoœæ dopiero w warunkach przeciwzatarciowych wskaÿnik p oz jest dla nich znacznie wy szy ni dla dodatków AW. W tych warunkach, gdzie wymuszenia s¹ bardzo wysokie (najwy sza JMT Tab. 1), dodatki EP w znacznie wiêkszym stopniu modyfikuj¹ powierzchniê œladu tarcia (Rys. 4) ni AW. Szczególnie istotna jest modyfikacja powierzchni siark¹, bez porównania wiêksza dla dodatków EP ni AW. Co prawda uwagê zwraca wysoki wskaÿnik p oz dla pakietu, wy szy ni dla (Rys. 2 b), choæ jest on znacznie mniejszy ni dla pozosta- ³ych olejów z dodatkami EP. Wynika to prawdopodobnie ze znacz¹cej modyfikacji powierzchni œladu zu ycia fosforem, w postaci fosforanów [L. 28], bez porównania wiêkszej ni dla pozosta³ych olejów z dodatkami AW (Rys. 4). I odwrotnie dla, pomimo znacznej obecnoœci P w powierzchni œladu zu ycia, p oz jest znacznie mniejszy ni dla (Rys. 2 b). Tote obecnoœæ siarki w warstwie wierzchniej, w postaci FeS [L. 29], wydaje siê byæ najwa niejsza dla zapewnienia dobrych w³aœciwoœci przeciwzatarciowych wêz³a tarcia, na co wskazuj¹ tak e liczne doniesienia literaturowe [L. 1, 29, 30]. Oprócz modyfikacji powierzchni œladu zu ycia siark¹ bardzo istotn¹ dla zachowania dobrych w³aœciwoœci przeciwzatarciowych jest równomiernoœæ jej rozk³adu powierzchniowego. Przyk³adem jest tu olej z 10% zawartoœci¹ EP1 i olej z. Œrednia zawartoœæ siarki w warstwie wierzchniej jest dla nich podobna (Rys. 4 a). Jednak jej rozk³ad powierzchniowy jest nieporównanie bardziej równomierny dla ni 10% EP1, o czym œwiadczy rozrzut wyników. St¹d wskaÿnik p oz jest dla pierwszego oleju znacznie wy szy (Rys. 2 b).
214 T R I B O L O G I A 5-2003 Znaczenie modyfikacji powierzchni zwi¹zkami siarki czy fosforu dla przeciwdzia³ania zu ywaniu i zacieraniu w czasie tarcia œlizgowego jest powszechnie znane. Wynika ona z adsorpcji fizycznej, chemicznej, a nastêpnie reakcji chemicznych aktywnych dodatków smarnoœciowych z powierzchni¹ tarcia. Mo na w skrócie powiedzieæ, e zwi¹zki S i P przeciwdzia³aj¹ powstawaniu sczepieñ adhezyjnych, b¹dÿ u³atwiaj¹ ich zrywanie. Wiele danych na ten temat mo na znaleÿæ w literaturze, np. [L. 1, 31, 32]. Mniej poznana jest natomiast rola Zn. Przypuszczalnie pierwiastek ten, wbudowany na skutek dyfuzji [L. 33] w du ej iloœci w powierzchniê stali, pozwala na elektrochemiczne przeciwdzia³anie procesom korozyjnym [L. 34]. Warto tu odnotowaæ, e podobne wyniki odnoœnie dzia³ania dodatków AW i EP odnotowano w eksploatacyjnych badaniach samochodu osobowego [L. 35]. Olej przek³adniowy klasy jakoœciowej API GL 3, w którego sk³adzie znajduje siê pakiet dodatków AW, pozwala³ w umiarkowanych warunkach eksploatacji uzyskaæ mniejsze zu ycie przek³adni zêbatych skrzyni biegów ni olej wysokiej klasy API GL 5 z dodatkami EP. W najbardziej ³agodnych warunkach tarcia (badanie pittingu w ruchu tocznym) wymuszenia s¹ znacznie ni sze ni dla warunków przeciwzu yciowych (JMT 6 krotnie ni sza Tab. 1) i warunków przeciwzatarciowych (JMT 35 krotnie ni sza). Dodatki AW przy niskich wymuszeniach bez porównania lepiej modyfikuj¹ warstwê wierzchni¹ œladu zu ycia ni EP (Rys. 5). Szczególnie wysoka jest tu zawartoœæ P i Zn. Decyduje o tym znacznie ³atwiejszy rozk³ad termiczny cz¹steczki ZDDP ni zwi¹zków S P. Dlatego dodatki AW, szczególnie gdy s¹ dodane w niewielkich iloœciach (np. 0,2%) znacz¹co polepszaj¹ trwa³oœæ zmêczeniow¹ (L 10 ), w przeciwieñstwie do dodatków EP (Rys. 2 c), które dodane w ma³ych iloœciach (1%) nie maj¹ wp³ywu na L 10. Dodaæ tu nale y, e podobne wyniki uzyskali autorzy pracy [L. 36] w badaniach zmêczeniowych za pomoc¹ stanowiska przek³adniowego. W literaturze najczêœciej wymienianym mechanizmem zwiêkszania trwa³oœci zmêczeniowej jest uplastycznienie powierzchni poprzez jej modyfikacjê siark¹, fosforem i cynkiem, w wyniku oddzia³ywania dodatków AW. W ten sposób nastêpuje znaczna redukcja naprê eñ (smarowanie EHD) wynikaj¹ca z oddzia³ywania sp³aszczonych nierównoœci powierzchni i w efekcie wzrost trwa³oœci zmêczeniowej [L. 14]. Z drugiej jednak strony dodatki AW redukuj¹ zu ycie, co z kolei utrzymuje naciski
5-2003 T R I B O L O G I A 215 na wysokim poziomie i mo e przyczyniæ siê do spadku trwa³oœci zmêczeniowej [L. 12, 37]. Wydaje siê, e mo na tym wyt³umaczyæ spadek trwa³oœci zmêczeniowej przy zwiêkszaniu zawartoœci dodatków AW w oleju, widoczny szczególnie dla dodatku AW1 (Rys. 2 c). O ile dodatki AW maj¹ raczej pozytywny wp³yw na trwa³oœæ zmêczeniow¹, o tyle dodatki EP wywieraj¹ wp³yw negatywny, szczególnie gdy dodane s¹ do oleju w wiêkszych iloœciach (np. 10%) Rys. 2 c). W przypadku tych ostatnich najczêœciej obecnie wymienianym mechanizmem redukcji trwa³oœci zmêczeniowej jest ich agresywnoœæ korozyjna. Powoduje ona powstanie na smarowanej powierzchni mikrowg³êbieñ, bêd¹cych potencjalnymi zal¹ kami wykruszeñ zmêczeniowych, co z kolei zwiêksza prawdopodobieñstwo wyst¹pienia pittingu [L. 12]. Innym mechanizmem odpowiedzialnym za redukcjê trwa³oœci zmêczeniowej jest sorpcja aktywnych dodatków smarnoœciowych w mikropêkniêciach, co powoduje zmniejszenie ich energii powierzchniowej i spójnoœci materia³u, a to z kolei u³atwia propagacjê pêkniêæ zmêczeniowych [L. 24]. Pozostaj¹c przy dodatkach EP, podkreœliæ trzeba, e mog¹ one mieæ tak e pozytywny wp³yw na trwa³oœæ zmêczeniow¹ [L. 13]. Wed³ug niektórych autorów dzieje siê tak wtedy, gdy stosunek zastêpczej chropowatoœci powierzchni wspó³pracuj¹cych cia³ do gruboœci filmu smarowego jest wy- szy ni 1,5 [L. 38]. Niebagateln¹ rolê przy porównywaniu wyników badañ zmêczeniowych odgrywaj¹ zatem warunki badañ. WNIOSKI Dodatki AW polepszaj¹ nie tylko w³aœciwoœci przeciwzu yciowe smarowanego nimi wêz³a tarcia, ale dodatkowo dodane w niewielkiej iloœci (np. 0,2%) wp³ywaj¹ korzystnie na trwa³oœæ zmêczeniow¹. Zwiêkszenie stê enia tych dodatków w oleju bazowym pozwala znacz¹co poprawiæ w³aœciwoœci przeciwzu yciowe, ma jednak niekorzystny wp³yw na trwa³oœæ zmêczeniow¹. Dodatki EP, dodane nawet w niewielkim stê eniu (np. 1%) do oleju bazowego, powoduj¹ kilkukrotn¹ poprawê w³aœciwoœci przeciwzatarciowych oraz, w znacznie mniejszym stopniu, przeciwzu yciowych, praktycznie nie wp³ywaj¹c przy tym jednak na trwa³oœæ zmêczeniow¹. Zwiêkszenie stê enia tych dodatków skutkuje polepszeniem w³aœciwoœci przeciwzatarciowych, jak te przeciwzu yciowych. Towarzyszy temu jednak znaczny spadek trwa³oœci zmêczeniowej.
216 T R I B O L O G I A 5-2003 Uzyskane wyniki s¹ efektem modyfikacji warstwy wierzchniej œladu zu ycia pierwiastkami pochodz¹cymi z dodatków smarnoœciowych, np. siark¹, fosforem i cynkiem. LITERATURA 1. Stachowiak G.W., Batchelor A.W.: Engineering tribology. Elsevier. 1993, Amsterdam. 2. Nosal S.: Tribologiczne aspekty zacierania siê wêz³ów œlizgowych. Wyd. Politechniki Poznañskiej. 1998, Poznañ. 3. Praca zbiorowa (red. Neale M.J.): Tribology handbook. Newness Butterworths. 1973, Londyn. 4. Pytko S.: Badania mechanizmu niszczenia powierzchni tocznych elementów maszynowych. Zeszyty Naukowe AGH Elektryfikacja i Mechanizacja Górnictwa i Hutnictwa, z. 25, 1967. 5. Pytko S., Szczerek M.: Pitting forma niszczenia elementów tocznych. Tribologia, nr 4/5, 1993, s. 317 334. 6. Lawrowski Z.: Tribologia. Tarcie, zu ywanie i smarowanie. PWN. 1993, Warszawa. 7. Kajdas C.: Podstawy zasilania paliwem i smarowania samochodów. WK. 1983, Warszawa. 8. Zwierzycki W.: Oleje smarowe. RN Glimar ITeE. 1996, Gorlice Radom. 9. Pytko S.: Podstawy tribologii i techniki smarowniczej. Wyd. AGH. 1989, Kraków. 10. Tuszyñski W.: Badanie przeciwzu yciowych oddzia³ywañ œrodków smarowych (rozprawa doktorska). Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej. 1999, Sulejówek. 11. Szczerek M., Tuszyñski W.: Badania tribologiczne. Zacieranie. Wyd. ITeE. 2000, Radom. 12. Torrance A.A., Morgan J.E., Wan G.T.Y.: An additive s influence on the pitting and wear of ball bearing steel. Wear, t. 192, 1996, s. 66 73..13. Koláø D., Libera M., Waligóra W.: Ocena wp³ywu dodatku smarnoœciowego (EP) do oleju przek³adniowego na powierzchniow¹ trwa³oœæ zmêczeniow¹ elementów maszyn. Tribologia, nr 3, 2000, s. 391 398. 14. Wang Y., Fernandez J.E., Cuervo D.G.: Rolling contact fatigue lives of steel AISI 52100 balls with eight mineral and synthetic lubricants. Wear, t. 196, 1996, s. 110 119. 15. Szczerek M.: Metodologiczne problemy systematyzacji eksperymentalnych badañ tribologicznych. Wyd. ITeE. 1997, Radom. 16. PN 76/C 04147. Badanie w³asnoœci smarnych olejów i smarów. 17. WTWT 94/MPS 025. Olej przek³adniowo hydrauliczny OPH.
5-2003 T R I B O L O G I A 217 18. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyñski W.: The action of lubricants under extreme pressure conditions in a modified four ball tester. Wear, t. 249, 2001, s. 188 193. 19. Szczerek M., Tuszyñski W.: A method for testing lubricants under conditions of scuffing. Part I. Presentation of the method. Tribotest, t. 8, nr 4, 2002, s. 273 284. 20. IP 300/82. Rolling contact fatigue tests for fluids in a modified four ball machine. 21. Cann P., Spikes H.A., Cameron A.: Thick film formation by zinc dialkyldithiophosphates. ASLE Trans, t. 26, 1983, s. 48 52. 22. Boruta J., Wachal A.: Analiza warunków pracy olejów przy tarciu œlizgowym. Technika smarownicza Trybologia, nr 3, 1978, s. 77 82. 23. Alliston Greiner A.F.: Test methods in tribology. Materia³y 1 Œwiatowego Kongresu Tribologicznego w Londynie, 1997, s. 85 93. 24. Hebda M., Wachal A.: Trybologia. WNT. 1980, Warszawa. 25. Pytko S., Szczerek M., Tuszyñski W.: Ocena metod badañ wykonywanych za pomoc¹ aparatu czterokulowego. Tribologia, nr 4, 2001, s. 711 724. 26. Kawamura M.: The correlation of antiwear properties with the chemical reactivity of zinc dialkyldithiophosphates. Wear, t. 77, 1982, s. 287 294. 27. Wachal A., Kulczycki A.: Derywatograficzne badania sorpcji dodatków siarkowych na powierzchni elaza. Trybologia, nr 1, 1988, s. 15 18. 28. Johansson E., Hogmark S., Redelius P.: Surface analysis of lubricated sliding metal contacts. Part II. Tribologia (periodyk fiñski), t. 16, 1997, s. 26 38. 29. Forbes E.S.: The load carrying action of organo sulphur compounds a review. Wear, t. 15, 1970, s. 87 96. 30. Senatorski J., Wachal A.: Wp³yw dodatków siarkowych i fosforowo siarkowych w oleju smarowym na zu ycie stali w styku niekonforemnym. Tribologia, nr 1, 1991, s. 7 11. 31. Godfrey D.: Boundary Lubrication. Materia³y sympozjum Interdisciplinary approach to friction and wear w San Antonio, 1967, s. 335 384. 32. Coy R.C., Quinn T.F.J.: The use of physical methods of analysis to identify surface layers formed by organosulphur compounds in wear tests. ASLE Trans., t. 18, 1975, s. 163 174. 33. Meyer K., Kajdas C.: Bedeutung des Metallaustausches für Grenzflächenreaktionen von Metalldithiophosphaten. Trib.+Schm, t. 2, 1989, s. 71 76. 34. Tuszyñski W., Molenda J., Makowska M.: Tribochemical conversions of zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) under extremely different pressure conditions. Tribology Letters, t. 13, nr 2, 2002, s. 103 109. 35. Kulczycki A.: Ocena dzia³ania dodatków smarnoœciowych w olejach przek³adniowych. Wyd. Politechniki Poznañskiej. 1997, Poznañ. 36. Townsend D.P., Zaretsky E.V., Scibbe H.W.: Lubricant and additive effects on spur gear fatigue life. Journal of Synth. Lubr., t. 6, nr 2, 1989, s. 83 106.
218 T R I B O L O G I A 5-2003 37. Rowe C.N., Armstrong E.L.: Lubricant effects in rolling contact fatigue. Lubrication Engineering, t. 38, 1989, s. 23 30 i 39 40. 38. Philips M.R, Quinn T.F.J.: The effect of surface roughness and lubricant film thickness on the contact fatigue life of steel surfaces lubricated with a sulfur phosphorus type of extreme pressure additive. Wear, t. 51, 1978, s. 11 24. Summary Recenzent: Janusz JANECKI The authors present results of testing of lubricating oils of various chemical composition. A mineral base oil was blended with commercial lubricating additives of different type and concentration. Two different AW (antiwear) additives and EP (extreme pressure) ones were used. The AW additives contained ZDDP, and EP ones organic S P compounds. The additives are typical of automotive gear oils. The tribological tests were performed in two different four ball testers. The first one (denoted T 02) was used to determine AW/EP properties at sliding friction. The second instrument (T 03) was used to assess the fatigue (pitting) life at rolling movement. Both the testers were designed and are manufactured by ITeE. The results indicate that AW additives not only improve AW properties (as expected) but are also beneficial for the fatigue life, particularly at small concentrations. An increase of the concentration of such additives leads to an improvement of AW properties but has a disadvantageous effect on the fatigue life. EP additives even at a small concentration significantly improve EP properties, and slightly AW properties, but without any influence on the fatigue life. An increase of the concentration of such additives leads to a further improvement of EP and AW properties. However, this is accompanied by a much decrease of the fatigue life. By using SEM and EDS for analysis of the worn surface, the authors were enabled to identify mechanisms of action of various lubricating additives under different friction conditions.