Andrzej KULCZYCKI
Andrzej WACHAL
Instytut Technologii Nafty Warszawa

*Trybologiczne własności smarów plastycznych zawierających polimery niskotarciowe

Tribological properties of greases containing low friction połymers

*Trybologia Nr 4-5, 1986, s. 21- 23.

Polymers are used as materials for frictional couplings in some devices and machines. Their application is limited due to low thermal conductivity making difficult carrying away heat from the friction zone, high thermal expansion, cold ,,flow” under compressing loads and low wear resistance.

To make use of low coefficient of friction characteristic of polymers one tested behaviour of polymers as filling material in greases SM-2, LT-4 and LT--1-13. Powdered polymers (Polyethylene, Polyamide, Polyamide alloyed with Teflon and Teflon) were put into the mentioned greases in concentration 1.5…10 per cent.
For tribological tests one used four-ball apparatus and Amsler's apparatus. With the aid of four-ball apparatus one accepted wear scar diameter in the function of applied loading and the value of welding load (FIG. 1) as assessment criteria. The best results one reached in case of greases with powdered Teflon, as well as with fresh one and with teflon wastes.
    Therefore with the aid of four-ball apparatus the value of wear scar diameter was measured, applying greases with the addition of Teflon:
  • SM-2 with limestone thickener (TABLE 1),
  • LT-4 with lithium thickener (TABLE 2),
  • LT-1-13 with sodium-limestone thickener (TABLE 3).
With the aid of four-ball apparatus one measured also the moment of friction (FIG. 2), ond with the aid of Amsler's apparatus wear resistance expressed by work need to wear one gram of material (FIG. 3).
One proved that the addition of powdered waste Teflon could essentially improve the quality of greases with a little increase in their production costs.

Podstawową funkcją smarów plastycznych jest zabezpieczenie współpracujących elementów maszyn przed zużyciem i zatarciem. Komponenty smarów plastycznych nie zapewniają wysokiego poziomu ich własności smarnych, co jest szczególnie wyraźne w zakresie dużych obciążeń. Podobnie niezadowalającym poziomem własności przeciwzużyciowych, a zwłaszcza EP, odznaczają się oleje mineralne. Poprawianie własności smarnych olejów mineralnych jest stosunkowo łatwe przez wprowadzanie rozpuszczalnych w oleju dodatków smarnościowych. Wprowadzanie dodatków smarnościowych do smarów plastycznych jest stosunkowo rzadko stosowane [L. l] ze względu na ich koloidalną strukturę. Zawieszane mogą być natomiast pewne substancje stałe, tzw. wypełniacze aktywne, które nie zaburzają struktury koloidalnej smaru, a jednocześnie dzięki swej budowie ułatwiają poślizg współpracujących części maszyn, a w konsekwencji zmniejszają intensywność zużywania i prawdopodobieństwo zatarcia.

Do typowych dodatków do smarów plastycznych (tzw. wypełniaczy aktywnych) zaliczyć można rozdrobniony grafit, MoS2 [L. 1...4]. Ostatnio do smarów o specjalnym zastosowaniu wprowadzane są stałe polimery po rozdrobnieniu [L. 5]. Spośród nich szczególnie dobrymi własnościami trybologicznymi charakteryzuje się Teflon [L. 6]. Dlatego właśnie dobrze spełnia rolę wypełniacza smarów plastycznych.

Teflon jest polimerem chemicznie obojętnym, może pracować w stosunkowo wysokiej temperaturze (do 300°C), nie wykazuje także podczas tarcia zjawiska „stic-slip”.

Wprowadzenie proszku teflonowego do węzłów tarcia przy tarciu suchym, powoduje wytworzenie na powierzchni metalu ochronnej warstwy polimeru tarciowego [L. 7].

Jednym ze sposobów pozwalających na ominięcie wad Teflonu jest stosowanie go w postaci rozdrobnionej w środkach smarowych. Zawieszanie sproszkowanego Teflonu w olejach nie jest celowe w tych przypadkach, gdy w układzie olejenia pracują filtry, gdyż zostaje on wówczas przez nie usunięty. Wydaje się, że wprowadzenie go do smarów plastycznych jako aktywnego wypełniacza jest ze wszech miar celowe; tego rodzaju smary zostały zastosowane w technice kosmicznej w Stanach Zjednoczonych. Również w Polsce pracownicy Politechniki Gdańskiej przeprowadzili badania trybologiczne stosując smar ŁT-4 z proszkiem teflonowym. Uzyskano bardzo dobre wyniki, niestety wysoka cena proszku teflonowego przekreśla praktycznie możliwości zastosowania tego polimeru jako aktywnego wypełniacza do smarów plastycznych. Optymalne stężenie proszku teflonowego wynosi ok. 10%.

Własności mechaniczne Teflonu uniemożliwiają rozdrobnienie go konwencjonalnymi metodami, dlatego proszek musi być przygotowany już w trakcie produkcji polimeru. Znacznie podatniejsze na działanie różnego rodzaju urządzeń rozdrabniających są inne polimery o stosunkowo małym współczynniku tarcia, takie jak Polietylen lub Poliamid. Stosunkowo łatwo można rozdrobnić również stop Poliamidu z Teflonem, sam Teflon natomiast, występujący w znacznych ilościach w postaci odpadów nie może być w zwykły sposób rozdrobniony. Dlatego zastosowano metodę radiacyjnego degradowania teflonu (L. 8] opracowaną w IBJ przez dr Teresę Achmatowicz.

Rys. 1. Zależność zużycia od przyłożonego obciążenia dla smaru ŁT-1-13 (linie ciągłe) i smaru ŁT-4 (linie przerywane) z dodatkiem polimerów 5%(mas.):
l - czysty smar,
2 - smar z dodatkiem Polietylenu,
3 - smar z dodatkiem Poliamidu,
4 - smar z dodatkiem stopu Poliamidu z Teflonem,
5 - smar z dodatkiem Teflonu

Fig. l. Dependence of wear on applied loading for grease ŁT-1-13 (full lines) and grease ŁT-4 (broken lines) with the addition of 5 percent (mass) połymers:
l - pure grease,
2 - grease with the addition of Polyethylene,
3 - grease with the addition of Polyamide,
4 - grease with Polyamide alloyed with Teflon,
5 - grease with the addition of Teflon

Przedstawione powyżej informacje sugerują, że wprowadzenie do smaru plastycznego sproszkowanych polimerów może przyczynić się do istotnego poprawienia ich własności smarnych. Uznano więc za celowe przeprowadzenie badań nad stopniem polepszenia własności przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych różnych smarów plastycznych przez wprowadzenie do nich następujących sproszkowanych polimerów: Polietylen, Poliamid, stop Poliamidu z Teflonem i Teflon pochodzący z odpadów.

BADANIA

Polietylen, Poliamid i stop Poliamidu z Teflonem rozdrabniano w młynie strumieniowym. Teflon z odpadów natomiast rozdrabniano metodą radiacyjną.
Rys. 2. Moment tarcia zarejestrowany za pomocą aparatu czterokołowego; pole pod krzywą obrazuje pracę tarcia, a pole pod pikiem - pracę zużywania:
a) smar ŁT-4 z dodatkiem Teflonu,
b) smar ŁT-1-13 z dodatkiem Teflonu
Fig. 2. Moment of friction recorded with the aid of four-ball apparatus; the region under the curve illustrates friction operation and the region below the peak - wear work:
a) grease ŁT-4 with the addition of Teflon,
b) grease ŁT-1-13 with the addition of Teflon
    Sproszkowane polimery wprowadzano w homogenizatorze tarczowym w ilości l,5…10%(mas.) do smarów:
  • ŁT-1-13 z zagęszczaczem sodowo-wapniowym,
  • ŁT-4 z zagęszczaczem litowym.
Otrzymane smary z dodatkiem polimerów badano za pomocą aparatu czterokulowego. Jako kryteria oceny przyjęto wielkość zużycia kulek nieruchomych w funkcji przyłożonego obciążenia oraz wartość obciążenia zespawania.

WYNIKI

Wyniki badań pokazano na RYS. 1. Stwierdzono, że Polietylen w niewielkim tylko stopniu poprawia własności smarnościowe smarów ŁT-1-13 i ŁT-4. Poliamid i stop Poliamidu z Teflonem wyraźnie poprawiają własności przeciwzużyciowe obu smarów, a w przypadku smaru ŁT-4 - również przeciwzatarciowe. Skuteczność działania Teflonu jest jednak największa. Wprowadzony do obu smarów, powoduje istotne zmniejszenie zużycia, wpływa takie na zwiększenie wartości obciążenia zespawania.

Wobec powyższego skupiono się na badaniu sproszkowanego Teflonu pochodzącego z odpadów. Dodatek proszku teflonowego praktycznie nie wpływa na fizykochemiczne własności smaru, a zwłaszcza na temperaturę kroplenia i penetracji. Wyraźnej poprawie ulegają natomiast własności trybologiczne.
    Teflon wprowadzano do trzech smarów:
  • SM-2 z zagęszczaczem wapniowym,
  • ŁT-4 z zagęszczaczem litowym,
  • ŁT-1-13 z zagęszczaczem sodowo-wapniowym.
Do badań stosowano aparat czterokulowy rejestrując ślad zużycia (TABL. 1…3), a także moment tarcia (RYS. 2). Z wykresów tych widać, że dodatek Teflonu zmniejsza opory tarcia oraz zmniejsza w wyraźny sposób pracę zużycia.
Wyznaczono również odporność na zużywanie za pomocą aparatu Amslera wyrażając ją pracą potrzebną do usunięcia (zużycia) jednego grama materiału. Wyniki pokazano na RYS. 3. Na ich podstawie stwierdzono, że wprowadzenie Teflonu do smaru SM-2 powoduje ogromne zwiększenie odporności na zużywanie.

Szczególnie korzystny wpływ Teflonu uwidacznia się podczas pomiaru czasu pracy skojarzenia tarciowego bez dosmarowywania, aż do zatarcia. W przypadku smarów z dodatkiem Teflonu, w porównaniu ze smarami bez Teflonu, ten czas wydłuża się o kilkaset procent. Na powierzchniach metali smarowanych smarem z dodatkiem Teflonu tworzą się wysepki, polimeru tarciowego które w miarę przebiegu tarcia zaczynają się ze sobą łączyć, co zabezpiecza smarowane powierzchnie przed zacieraniem.

Rys. 3. Średnia odporność na zużycie Rt w przypadku różnych gatunków smaru z dodatkiem Teflonu

Fig. 3. Mean wear resistance Rt in case of different kinds of greases with the addition of Teflon


Tablica l.    

Wartość średnicy śladu zużycia, zmierzona za pomocą aparatu czterokulowego w przypadku smarowania smarem SM-2

Stężenie Teflonu
[(% (mas.)]		Obciążenie [N]
80010001200141017802000
01,92,02,22,56zat.-
1,51,421,952,172,51zat.-
3,01,041,131,632,19zat.-
5,00,660,861,331,982,8zat.
10,00,600,730,921,621,9zat.

Tablica 2.    

Wartość średnicy śladu zużycia, zmierzona za pomocą aparatu czterokulowego w przypadku smarowania smarem ŁT-4

Stężenie Teflonu
[(% (mas.)]		Obciążenie [N]
80010001200141017802000
02,222,502,74zat.--
1,52,112,452,733,06zat.-
3,01,172,212,553,04zat.-
5,01,011,782,222,89zat.-
10,00,750,821,252,35zat.-

Tablica 3.    

Wartość średnicy śladu zużycia, zmierzona za pomocą aparatu czterokulowego w przypadku smarowania smarem ŁT-1-13

Stężenie Teflonu
[(% (mas.)]		Obciążenie [N]
80010001200141017802000
01,91,962,152,38zat.-
1,51,441,922,062,32zat.-
3,01,041,101,541,88zat.-
5,00,680,780,891,681,5zat.

 

WNIOSKI

Przedstawione wyniki badań wskazują na dużą przydatność rozdrobnionych radiacyjnie odpadów Teflonu jako aktywnego wypełniacza do smarów plastycznych. Dodatek sproszkowanego Teflonu odpadowego mógłby stać się przyczyną istotnego polepszenia jakości smarów plastycznych przy niewielkim wzroście kosztów wytwarzania.

LITERATURA

  1. Braitwaithe E. R.: Lubrication and Lubricants, Elsevier Publishing Comp., Amsterdam, London, New York 1967.
  2. Sinicyn W. W.: Podbor i primienienie plasticzeskich smazok, Izdat. Chimia, Moskwa 1974.
  3. Czapski W.: Krajowe materiały smarowe z MoS2, Technika Smarownicza, Vol. II, Nr 4, 1971, s. 14…16.
  4. Wielikowskij D. S., Poddubnyj W. N.: Konsistentne smazki, Izd. Chimia, Moskwa 1966.
  5. Samgina W. W., Fuks I. T., Bakaleinikow M. B.: Polimiery ispolzujemyje w kaczestwie konsistentnych plasticzeskich smazok. Chimia i Tiechnołogia Topliw i Masieł, nr 6, 1973, s. 28…32.
  6. Reick F. G.; Energy-Saving Lubricants Containing Colloidal PTFE. Lubricating Engineering, Vol. 38, Nr 10, 1982.
  7. Hebda M., Wachal A.: Trybologia, WNT, Warszawa 1980.
  8. Kulczycki A., Wachal A.: Smary plastyczne z dodatkiem Teflonu, WAT Warszawa 1976 (sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej).