Bílá tuhá maziva – ten správný krok v tribologii

Obrázek 1 Obrázek 1

Vedle sirníku molybdeničitého, grafitu a PTFE nabývají stále více na významu anorganické fosfáty a oxidy jako aditiva pro snížení tření a otěru zejména u strojních součástí s kmitavým průběhem pohybu a u tváření zastudena. V článku bude referováno o výsledcích ze zkušeben i z praxe a o výzkumech mechanismu účinků těchto nových tuhých maziv. Dřívější práce ukázaly, že pro mechanismus účinků mohou být předpokládány chemické reakce. Nové výzkumy dokládají, že tato tuhá maziva nereagují při kluzném kontaktu chemicky, nýbrž že se třecí plochy od sebe oddělují fyzikálně, takže povrchy kovů se nedotýkají. Působí jako „udržovatel odstupu“, jako distanční tělíska. V protikladu k sirníku molybdeničitému se nevytváří žádný film.

Úvod

Použití tuhých maziv při řešení extrémních problémů s mazáním odpovídá současnému stavu techniky již delší dobu. Nejznámější tuhá maziva jsou grafit a sirník molybdeničitý. Hlavní oblastí používání grafitu je tváření kovů při vysokých teplotách, např. kování. Sirník molybdeničitý se setkává s úspěchem vždy, když je třeba zvládnout extrémní plošné tlaky, vakuum, vysoké teploty, radioaktivní záření nebo agresivní média, nebo tam, kde se vyžaduje suché mazání. I když se ukázalo, že s těmito tuhými mazivy je možno dosáhnout výtečných výkonů, zůstávají některá přání dosud nesplněná, především ne příliš vynikající výkon při mazání třecích ploch s kmitavým pohybem a dále černá barva tohoto maziva, která špiní materiál i pracovníky. Technici požadovali „bílý sirník molybdeničitý“, který by byl při používání čistý, v mazacích účincích lepší a také snadno odstranitelný z třecích ploch.

Bílá tuhá maziva

Po dlouholeté výzkumné práci byly skutečně nalezeny látky tohoto druhu. Jejich přednosti proti MoS2 a grafitu spočívají zvlášť v těchto třech bodech:

  • přidány do olejů a tuků mají velkou převahu, co se týče součinitele tření a otěru zejména u kmitavých pohybů;
  • totéž platí o jejich antikorozních vlastnostech;
  • tato tuhá maziva mají bílou nebo přírodně světlou barvu, a proto při používání neznečišťují.

Tabulka č. 1 podává přehled nejdůležitějších černých a světlých tuhých maziv. Dále se mezi sebou porovnávají výkon a mechanismus účinku sirníku molybdeničitého jako zástupce černých tuhých maziv a hydroxidu vápenatého a pyrofosforečnanu zinečnatého jako zástupců bílých tuhých maziv.

ČERNÁ  BÍLÁ
sirník molybdeničitý MoS2 hydroxid vápenatý Ca(OH)2
grafit C sirník zinečnatý ZnS
sirník wolframičitý WS2 polytetrafluorethylen PTFE
fluorid grafitu (CFx) n  fluorid vápenatý CaF2
  vápenatý fosfát Ca3(PO4)2
  pyrofosforečnan zinečnatý Zn2P2O7
  oxid olovnatý PbO

Způsob účinku sirníku molybdeničitého byl mnohokráte obšírně vysvětlen a spočívá v jeho lamelární krystalické struktuře. Krystalická struktura MoS2 a grafitu je na obrázku č. 1.

Silné vazby mezi rovinami molybdenu a síry a slabé vazby mezi rovinami síra–síra umožňují snadné přesunutí krystalických lamel, svazky vrstev se dělí působením síly, dochází k vytvoření filmu. Roviny síry vedou k silné vazbě na kovové plochy, které odolávají kluznému tlaku většiny kovů. Tento film ze sirníku molybdeničitého spolehlivě odděluje třecí plochy. Oproti sirníku molybdeničitému nevytvářejí bílá tuhá maziva na třecích plochách soudržný film, protože jsou v suchém stavu jako prášek, a nevykazují také žádný mazací účinek.

03 02Obrázek 2

Mazací výkon bílých tuhých maziv na zkušebních strojích

Zatímco sirník molybdeničitý má součinitel tření 0,05, vykazují ostatní tuhé látky i pyrofosforečnan zinečnatý a hydroxid vápenatý výrazně vyšší hodnoty, a to až 0,25 (viz tabulka č. 2). Avšak přidají-li se tato bílá maziva do minerálních olejů nebo plastických maziv, obrat se změní: byl dosažen vynikající mazací účinek. Tento fenomén je nyní objasněn podrobněji, a to na základě mnoha zkušebních výsledků. Výzkumy byly prováděny na šesti různých modelových aparaturách (viz tabulka 3), které mají velmi rozdílné kontaktní geometrie, pohybové průběhy, rychlosti a tlaky. Přesto bylo dosaženo stejných výsledků.

Tabulka č. 3: Přehled aplikovaných zkušebních metod. Ve všech případech jsou testovaná tělesa ocel/ocel

Zkušební stroj

Geometrie
dotyku

Průběh
pohybu

Pohybové
veličiny

Měrný tlak, příp. zatížení

Měřené
vlastnosti

Almen-Wieland
(AWM)   (3)

Hřídel / 2 půlené pánvičky
liniový dotyk

točivý

0,066 m/s

maximálně
20.000 N

zatížitelnost
a otěr

Press-Fit test
(4)

čep/pouzdro plošný dotyk

pomalé vtlačov., resp. vytlačování

15 mm/min

10.000 N/cm2

součinitel tření
a stick-slip

Lubrimetr
(5)

dva čepy / pouzdro liniový dotyk

točivý

0,2 m/s, resp. 0,6 m/s

45 kg/mm2

součinitel tření
a otěr

Reichertova
otěrová váha
(6)

zkřížené válce bodový, resp. plošný dotyk

točivý

1,7 m/s

600 N

otěr

Čtyřkuličkový
přístroj (VKA)

bodový dotyk

točivý

1500 ot./min

max. 10.000 N
(velmi vysoký)

zadření při zatížení

SRV-přístroj na
měření otěru vznik.
z kmit. tření  (7)

deska/kulička bodový styk

kmitavý

50 Hz

500 N

součinitel tření
a otěr

Pasty

Jestliže se pasty vyrábějí z tuhých maziv grafitu, sirníku molybdeničitého, hydroxidu vápenatého a pyrofosforečnanu zinečnatého v minerálních olejích (asi 50 % podíl tuhých maziv), pak na stroji Almen-Wieland převažuje používání bílých tuhých maziv.

03 03Obrázek 3: Pasta s MoS2

Závislost třecí síly na zatížení u past z tuhých maziv v minerálním oleji je možné sledovat na obrázku č. 3. Analogické je chování těchto tuhých maziv při otěru, jak je možné pozorovat v tabulce č. 4. Výsledků s podobnými tendencemi dosáhli také J. Neukirchner, H. J. Schmidt a R. Schneider.

S ohledem na součinitele tření a chování stick-slip jsou určité fosfáty mnohem lepší než sirník molybdeničitý.

Tabulka č. 4:  Pasty na základě minerálního oleje s tuhými mazivy                       

                       Hodnoty koeficientu tření a otěru

 

Otěr (mg) testovací stroj

Součinitel tření

 

Almend-Wieland

Press-fit test

základ. olej

zadírání

> 0,25

+ grafit

zadírání

0,14

+ MoS2

16,3

0,10

+ Ca (OH)2

1,2

0,10

+ Zn2P2O7

1,2

0,10

Disperze

Srovnání součinitele tření a otěru u disperzí grafitu, sirníku molybdeničitého, hydroxidu vápenatého a pyrofosforečnanu zinečnatého v minerálním oleji bylo měřeno na lubrimetru a na Reichertově váze, viz tabulka č. 5. Bílá tuhá maziva vykazují velmi nepatrný otěr a nízký součinitel tření i ve srovnání s aditivem EP rozpustném v oleji. Tyto výsledky se potvrzují také na čtyřkuličkovém přístroji a přístroji Almen-Wieland, viz tabulka č. 6. Hydroxid vápenatý a pyrofosforečnan zinečnatý mají stejně dobré vlastnosti při zadírání a zatížení jako disperze sirníku molybdeničitého a grafitu, případně EP aditiv.

t5Tabulka č. 5: Disperze tuhých maziv v minerálním oleji

03 05Obrázek 4: Pasta s bílými tuhými mazivy

Plastická maziva (dále jen PM)

Při kmitavých pohybech je přednost bílých maziv zvlášť zřetelná. Zkouší-li se na přístroji SRV třecí a otěrové poměry lithného PM s bílými tuhými mazivy ve srovnání s lithným PM obsahujícím sirník molybdeničitý a s lithným PM bez tuhých maziv, ukáže se i zde velmi zřetelně převaha bílých tuhých maziv. Výsledky těchto testů můžete pozorovat na obrázcích č. 4 a č. 5. Zřetelně je zde vidět hladký průběh křivky koeficientu tření a nulový otěr PM s obsahem bílých tuhých maziv oproti PM s obsahem sirníku molybdeničitého. Tyto práce byly potvrzeny tím, že v letech 1980–1985 byly uveřejněny v Maďarsku (Zakar, Vamos, Somfai) a v tehdejší NDR (Schneider, Wockert, Neukirchner, Brendel). Popisují laboratorní zkoušky a praktické zkušenosti s bílými tuhými mazivy a docházejí k výsledku, že světlá tuhá maziva ve formě past, PM a disperzí dosahují dobrých mazacích a oddělovacích efektů a na základě své světlé barvy mají i fyziologickou nezávadnost a dobrý antikorozní účinek a mohou tak výhodně nahradit sirník molybdeničitý. Výrobky tohoto druhu se doporučují především pro hluboké tažení, lisování, pro montáž, k mazání kulových kloubů, vřeten, kuličkových šroubů atd. 

03 08Obrázek 5

Výsledky praktických zkoušek u strojních součástí

V roce 1983 vydal jeden známý výrobce kloubových ložisek zprávu o velmi rozsáhlých pokusech s PM obsahujícími sirník molybdeničitý a s PM obsahujícími bílá tuhá maziva. Ukázalo se přitom, že tato „bílá PM“ přinášejí velké zvýšení výkonů. Obrázek č. 6 zřetelně ukazuje prodloužení životnosti z průměrných 50 hodin na více než 500 hodin, když se namísto MoS2 použila světlá tuhá maziva. Analogické reakce vykazuje i tření a otěr, jehož průběhy i velikosti jsou na obrázku č. 7. Součinitele tření a otěru vykazují výrazně nižší hodnoty pro PM s bílými tuhými mazivy, životnost ložiska se prodloužila. Podobné zkoušky se stejným výsledkem prováděl i další výrobce kloubových ložisek. 

03 09Obrázek 6

Tabulka č. 6: Disperze tuhých maziv v min. oleji

                  hodnoty zatížení při zadření v (N)

 

4kuličkový
přístroj

zkušební stroj Almen-Wieland

základ. olej

1 000

3 500

+ grafit

2 100

> 20 000

+ MoS2

2 200

15 000

+ Ca (OH)2

2 000

> 20 000

+ Zn2P2O7

2 600

15 000

+ EP aditiv

1 900

12 000

Tabulka č. 7:    Otěr a zatížitelnost disperzí
                   pyrofosfát – minerální olej

 

Reichert test

Almen-Wieland

 

otěr  (mm2)

zatížení  (N)

Fe4 (P2O7)

3

= 20 000

Zn2P2O7

3

= 20 000

Ca2P2O7

9

16 000

Sn2P2O7

19

9 500

Mg2P2O7

21

7 000

MoS2

16

15 000


Uplynulo více než 40 let od zveřejnění prvních zpráv o bílých tuhých mazivech. Dnes lze říci, že tato maziva zaujala vedoucí postavení a mohou být použita všude tam, kde jsou extrémní podmínky tření, jsou to např.:

  • kluzná místa s vysokými tlaky a nízkými kluznými rychlostmi;
  • kmitavé průběhy pohybu;
  • koroze.

Funkční charakteristika bílých tuhých maziv

Jak bylo řečeno v úvodu, spočívá funkční charakteristika sirníku molybdeničitého v tom, že zatížením vytváří homogenní film mezi třecími plochami a tím je od sebe odděluje. U bílých tuhých maziv nebylo vytváření podobného filmu pozorováno. Protože bylo zjištěno, že různé pyrofosforečnany mají rozdílné mazací vlastnosti, je jasné, že zde hrají určitou úlohu chemické reakce mezi tuhými mazivy a kovovými povrchy.

Tabulka č. 7 ukazuje, že pyrofosforečnany železnatý, zinečnatý a vápenatý mají uspokojivé hodnoty zatížitelnosti a otěruvzdornosti, zatímco pyrofosforečnany cínatý a hořečnatý v tomto směru neobstojí.

t7Tabulka č. 7: Otěr a zatížitelnost disperzí pyrofosfát – minerální olej

Byla proto dále zkoumána reakce pyrofosforečnanu zinečnatého a hořečnatého se železem a skutečně se přišlo na to, že účinný pyrofosforečnan zinečnatý reaguje se železem mnohem silněji než neúčinný pyrofosforečnan hořečnatý.

Na potvrzení této reakce byly kluzné plochy kloubového ložiska, které běželo 500 h s PM obsahujícím bílé tuhé mazivo, zkoumány pod rastroelektronovým mikroskopem a bylo konstatováno, že vnitřní plocha kroužku ložiska má velmi hladkou stopu. Rentgenové spektrum tohoto povrchu však ukazuje jen prvky oceli, žádné obohacení fosforem, jaké by se dalo čekat v případě chemické reakce. Chemické reakce musejí být tedy vyloučeny alespoň v podmínkách zkoušky tohoto kloubového ložiska. Další zkoumání potvrdilo, že krystaly pyrofosforečnanu zinečnatého se skládají z množství plochých primárních částic. Hydroxid vápenatý má podobný obraz. Tyto primární částice jsou velmi malé, jen asi 0,2 µm (0,0002 mm). Lze si představit, že se při třecím pohybu tyto aglomeráty rozptýlí, primární částice vytvoří spolu s nosným olejem film, který se dá kvůli přítomnosti částic tuhého maziva jen těžko prorazit. Tuhá maziva působí současně i jako „udržovač odstupu či separátor kluzných ploch“, zamezují adhezivnímu otěru, k zadření nedochází. Velmi nepatrný otěr, jenž vzniká, je způsoben částicemi tuhého maziva, které vyhlazuje a jemně leští povrch.

Novinky

V posledních letech (2018) byl na poli těchto struktur (tzn. chemicko-fyzikálně působících bílých tuhých maziv) zaznamenán bouřlivý vývoj, který jednak potvrdil správnost tohoto směru výzkumu a zároveň potvrdil i očekávaný výkonnostní nárůst. Oproti zde prezentovaným typům maziv se jedná o 3- až 4násobný nárůst (měřeno na přístroji Brugger test), viz následující graf. Cena je tomuto nárůstu adekvátní.

03 10

Literatura:

  • Schneider, R.: Festschmierstoffe - Grundlager und Anwendungsrichtlinien. Schmierungstechnik, Berlin 18 (1987) 9, S. 280-285
  • Gänsheimer, J.: Moderne Festschmierstoffpasten. Vortragsmanuskript 8. Internationales Symposium Tribologie 2000. Technische Akademie Esslingen, Weiterbildungszentrum,
    14. 1. – 16. 1. 1992
  • Gänsheimer, J.: Hellfarbene Festschmierstoffe - Entwicklung und Anwendung neuer Festschmierstoffe. Technische Rudschau Bern, Nr. 18 vom 1. 5. 1970, S. 3–7
  • Neukirchner, J.; Schmidt, H. J.; Schneider, R.: Untersuchungen an hellen Schmierstoffen. Schmierungstechnik, Berlin 13 (1982) 1, S. 14–19
  • Somfai, K.; Zakar, A.: Anwendungstechnische Versuche mit hellen Schmierstoffen. Schmierungstechnik, Berlin 16 (1985) 10, S. 307–309
  • Schneider, R.; Röckert, E.; Neukirchner, J.; Brendel, H.: Spezialschmierstoffe für extreme Beanspruchungsbedingungen. Schmierungstechnik, Berlin 16 (1985) 8, S. 235-238
  • Gänsheimer, J.: Schmierstoffen für oszilierende Bewegungen – ein neuer Fortschritt in der Tribotechnik. Konstruktion 42 (1990), S. 391–395
  • Weiße Festchmierstoffe erhöhen die Funktions-sicherheit und aktivieren Leistungsreserven.
    Infornation Nr. 23 der Fa. gleitmolybdän Schmierstoffe GmbH. Eching/München
  • Neukirchner, J.; Schneider, R.: Schwingungsverschleiß (Tribokorrosions) – ein häufiges Verschleißproblem. Erscheint 1992 in Tribologie + Schmierungstechnik
  • Tagungsband zur 2. Präsentation Tribologie 1983 vom 3. 5. – 5. 5. 1983 in Koblenz, Herausgeber DFVLR Köln, S. 464–468
  • Neukirchner, J.; Wacker, D.: Probleme der Tribokorrosionsverhinderung. Schmierungstechnik, Berlin 11 (1980) 5, S. 154–156

Autor: Ing. Zdeněk Nacházel, Nacházel, s. r. o, Průmyslová 11/1472, 102 19  Praha 10 – Hostivař,  tel.: 222 351 141, e-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.www.nachazel.cz 

Čerpáno z materiálů TU Chemnitz a prací R. Schneidera, Wockerta, J. Neukirchnera, H. Brendela, J. Gänsheimera.

Recenzent: Klapka Jiří, osoba certifikovaná na funkci Technik diagnostik tribodiagnostik – Kategorie III

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz