Měřicí techniky FTIR pro charakteristiku třecích povrchů

Přitom mnoho dílů je potřeba mazat, zejména v interiéru automobilů. Příkladem kontaktu plast-plast mohou být klimatizační jednotky, tzv. HVAC, nebo nastavení sedadel, zrcátek, slunečních clon, popelníků, větráků apod. Třecí díly plast-kov se vyskytují např. u tuhých uložení podvozkových dílů a řízení a dokonce i u motoru. Všechny tyto díly jsou namáhány různě, proto existuje široká škála maziv, vyhovující danému třecímu kontaktu.

Požadavky na maziva pro plast-kov
Základním parametrem při výběru vhodného maziva je velikost dynamické viskozity maziva při provozní teplotě. Zatímco u většiny průmyslových aplikací si vystačíme s ropnými oleji, v některých automobilových aplikacích jsou teplotní požadavky na provoz od -40 do 150 °C i více. Potom je při výběru maziva nutné zvažovat viskozitně teplotní charakteristiku, zvláště tam, kde jsou požadavky na minimalizaci, či stálost třecích odporů v celé škále možných teplot. Nejmenší závislost viskozity na teplotě vykazují polydimethylsiloxanové oleje s hodnotami VI = až 460. Viskozitně-teplotní charakteristika PFPE olejů se pohybuje od VI = 220 až do 380. Polyalkylenglykolové oleje jsou na tom jen o málo hůře. Estery polyolů a estery dikarboxylových kyselin mají rovněž vysoké hodnoty, typicky VI = 180. Nejblíže ropným olejům jsou PAO oleje s rozpětím hodnot VI = 130 – 150 v závislosti na viskozitě posuzovaného oleje.
Nízkoteplotní vlastnosti oleje jsou dalším klíčovým parametrem výběru. Parafinické ropné oleje zpravidla fungují do -15 °C, jejich teplotní rozsah se prodlužuje polymerními depresanty na -30 °C, avšak při -40 °C fungují jen nízkoviskózní oleje naftenického charakteru. I tento parametr je rozhodující pro odmítnutí ropných a výběr některého ze syntetických olejů.
Maziva pro styk plast-kov bývají opatřeny standardními typy zušlechťujících přísad, které zlepšují jak ochranu maziva proti korozi, tak i jeho mazací schopnosti. Navíc je třeba vzít v úvahu porozitu plastu a jeho povrchový reliéf, odlišný od kovového povrchu. Z těchto důvodu se do takto určených maziv, přidávají tuhá, bílá maziva, typicky mikrodisperzní PTFE.
Kompatibilita maziva s plastem je velmi důležitý parametr, který je svým způsobem zákeřný. Pokud je olej z maziva podobného charakteru a podobně polární, jako polymer v plastu, je takřka jistota, že mazivo a plast budou na sebe působit, ať už ve smyslu bobtnání polymeru olejem z maziva, či naopak vysáváním změkčovadla z polymeru do oleje. Tyto děje jsou hnány osmotickou silou, která může dosahovat za daných podmínek velmi vysokých hodnot. Výsledkem je buď změkčení polymeru, až ztratí mechanickou pevnost, či naopak jeho ztvrdnutí, popraskání a ztráta funkčnosti. Zvláště směsné polymery, např. typu PC/ABS mohou být na druh maziva velice citlivá.


Tribodiagnostika - životnost maziva v kontaktu
Řada kluzných kontaktů ve styku plast-kov, pracuje za velmi nepříznivých podmínek daných recipročním pohybem, pod velkými tlaky a s nutností pracovat v těsném uložení, které znamená, že množství plastického maziva v třecím kontaktu je minimální a optimalizace pracovních podmínek na základě analýzy stavu maziva je takřka nemožná. Navíc styková plocha plastu bývá zbrázděna systémem kanálků, v nichž se mazivo uchovává téměř v neporušeném stavu, diametrálně odlišném, než je stav maziva odebraného přímo z povrchu kovu, z funkční třecí plochy. Přesto existují metody, které toto stanovení umožňují.


FTIR spektrometrie - měření pomocí ATR s jednoodrazovým krystalem
Klasická technika měření maziv pomocí kyvety KBr je již na ústupu, zejména z důvodu nezbytného proplachování a čištění kyvety. Na výsluní se dostávají techniky měření pomocí odrazů záření na jednoodrazovém, či víceodrazovém krystalu, tzv. techniky FTIR spektrometrie s ATR měřicím příslušenstvím. Zatímco technika vícenásobného odrazu na dlouhém krystalu potřebuje takové množství maziva, které kompletně pokryje povrch krystalu (obvykle 0,5 ml), pro měření na jednoodrazovém ATR krystalu stačí minimální množství, resp. plocha vzorku 1 - 2 mm2. Důležitým parametrem je tloušťka vrstvy maziva, která by pro naměření optimálního spektra měla být alespoň několik mikrometrů. Přesněji řečeno, hloubka průniku paprsku infračerveného záření od povrchu krystalu do vzorku se pohybuje od 0,1 do 5 µm v závislosti na typu optického materiálu, ze kterého je krystal vyroben, a na úhlu dopadu záření na krystal. Diamantový a ZnSe ATR krystaly mají hloubku pronikání infračerveného záření vyšší, germaniový krystal nižší. Hloubka pronikání se mění rovněž s vlnovou délkou používaného infračerveného záření - směrem k nižším vlnočtům je hloubka průniku vyšší.
Jednoodrazové ATR krystaly jsou tudíž velmi dobrým nástrojem, který umožňuje získávat informace přímo z povrchu třecí plochy, ať už jde o plast, či kov a do určité míry je lze použít i pro posouzení přítomnosti alespoň nějakého maziva na třecím povrchu.
Podrobněji bude uveden praktický příklad z automobilového průmyslu, kde je touto metodikou posuzován stupeň zestárnutí maziva na kovovém povrchu. Již dříve byla tato technika použita pro jednoduché posouzení přítomnosti konzervačního prostředku na povrchu kovu, či pro stanovení zbytkové tloušťky vrstvy maziva na povrchu drátu po procesu tažení.

Tab. 1: Základní parametry testovaných plastických maziv

Praktický příklad
Výrobce třecího elementu, složeného z hliníkové slitiny, polyamidu a plastického maziva, prováděl životnostní testy 300 h při 130 °C za účelem výběru nejvhodnějšího maziva. Podmínky třecího kontaktu lze charakterizovat: rychlost 0,3 m/s, zatížení 5 MPa, vibrační pohyb 33 Hz s amplitudou 2,5 mm. Celkem správně byla vybrána tři plastická maziva, u kterých byl předpoklad dobré kompatibility s polyamidem a vyhovující v teplotním rozpětí od -40 °C do +130 °C. Dodatečně zjišťované vlastnosti těchto maziv jsou v tabulce 1.
Po provedení životnostních testů jsme obdrželi třecí elementy. Plastické mazivo, původně dávkované v gramech, nebylo okem viditelné, pouze na okrajích třecích elementů byly vidět zbytky vytlačeného maziva. Protože bylo zjevné, že se třecího procesu nezúčastnilo, byla prováděna analýza maziva přímo in situ - na povrchu hliníkové slitiny. Všechna měření byla prováděna odrazem, pomocí jednobodového ZnSe ATR krystalu. Získaná spektra, porovnaná se spektry čerstvých maziv, jsou přiložena níže. Výsledky testů, spolu s vyhodnocením spekter jsou v tabulce 2.

Tab 2: Vyhodnocení životnostních testů plastických maziv

Závěrem
Spektra získaná FTIR spektrometrií s využitím techniky ATR měření pomocí jednoodrazového krystalu jsou méně intenzivní, avšak pro vyhodnocení přítomnosti maziva a stupně jeho zestárnutí na třecím povrchu, dávají užitečné a platné výsledky.
Provozní vyhodnocení plastických maziv dokreslilo výsledky životnostních testů; pro samotný výběr nejvhodnějšího maziva však nestačí. Svoji roli mohla hrát viskozita základového oleje, která byla v případě PAO tuku moc nízká, extrémně dobré mazivostní schopnosti PFPE tuku v tenké vrstvě a úplně nejdůležitějším parametrem nakonec může být cena maziva. Výsledky nelze zevšeobecňovat, neboť při použití jiného plastu, či jiné slitiny, mohou být výsledky testů výrazně odlišné.

Ing. Jiří Valdauf, Ing. Lukáš Vaněk a František Kesner PH.D.
 

Publikováno: 18. 11. 2014 | Počet zobrazení: 2588 537