Mikroskopická analýza částic - Metoda pro hodnocení třecích procesů ve strojích

Metody kontroly čistoty oleje pomocí čítače částic nebo gravimetrické hodnocení celkových nečistot na membráně nám dají přehled o stavu oleje z pohledu celkového znečištění. Mají ale své limity, jako např. velikost částic nebo nemagnetickou povahu některých kovů. Mikroskopickou analýzou si můžeme přiblížit procesy probíhající při kontaktním pohybu dvou třecích dvojic. Z výskytu druhu a množství částic, které daný stroj produkuje, můžeme odhadnout, které místo je nadměrně zatíženo, pokud máme dostatečné informace o konstrukci a materiálovém složení daného systému, nebo zda nedošlo k průniku kontaminantů případně vody do systému.
Metoda ferografie neboli mikroskopická analýza částic je založena na pozorování sedimentujících částic v kapalině, která prochází silným magnetickým polem. Ředěný vzorek stéká po skleněné podložce (nebo plastové folii), přičemž největší magnetické částice sedimentují v první polovině ferogramu. Magnetické částice vytvářejí řetízky a jsou orientovány po směru magnetického pole, naproti tomu nemagnetické částice se dají najít kdekoliv ve ferogramu, orientovány jsou náhodně a často po směru průchodu kapaliny. Identifikace částic se odvíjí od polohy částice, její velikosti, orientaci, tvaru, vzhledu, průsvitnosti, zbarvení po zahřátí nebo při použití barevných filtrů či polarizovaného světla. Na obr. 1 je příklad záznamu ukládání částic na ferogramu při padesátinásobném zvětšení v optickém mikroskopu.

Rozdělení částic
Základní rozdělení částic souvisí s mechanismem jejich vzniku. Za nejzávažnější typ částic se považují částice řezné, které indikují průnik abrazivních kontaminantů nebo vyosení třecích dvojic. Dochází k porušení povrchu tvrdou částicí za odštípnutí třísky kovu. Částice únavové ukazují na přetížení způsobené valivým pohybem. Velikostí přesahují 15 mikrometrů, jsou nepravidelně ohraničené a převážně ploché. Částice kluzné nám mohou přiblížit místo přetížení při kluzném pohybu a nedostatečném mazacím filmu maziva. Velmi často jsou kombinací únavových částic s rovnoběžnými vrypy na povrchu po kluzném pohybu. Nejběžnějším typem jsou částice otěrové, které vznikají vždy při kontaktu dvou třecích dvojic a velikostně nepřesahující 15 mikrometrů. Jejich výskyt se považuje za normální a není nebezpečný, pokud se jejich obsah výrazně nezvyšuje. Nemagnetické (neželezné) částice, např. měď nebo hliník, upozorňují např. na přetížení ložisek. Výskyt třecích polymerů můžeme vnímat pozitivně i negativně v závislosti na množství těchto polymerů. Měkký polymer nemá přímý vliv na porušení povrchu, nicméně zvyšuje viskozitu oleje a může ucpávat filtry a způsobovat obtok nebo protržení filtrační vložky, čímž se již odfiltrované větší a tvrdší částice mohou dostat zpátky do systému. Částice korozní jsou obsaženy převážně na konci ferogramu a indikují především zvýšení kyselosti a vyčerpání aditivních složek. Částice oxidů (černé, červené α i β typ) se mohou rovněž vyskytovat na celé testované ploše ferogramu, jsou součástí řetízků, nebo v případně červených paramagnetických oxidů se mohou vyskytovat i mimo ně. Vznikají při přetížení oleje, zvýšené teplotě a také při průniku vody do systému.
K přiblížení odhadu materiálového složení je vhodná tepelná úprava ferogramu, kdy se skleněná podložka zahřeje po dobu 90–120 sekund na teplotu 330 °C. Barevné změny jsou sledovány u různě legovaných ocelí, které se podle stupně legování barví do modra, žluta nebo zůstavají stříbrně bílá. Na obr. 2 je viditelná změna částic otěrových nízkolegovaných ze stříbrné do modré a únavové částice středně legované oceli ze stříbrné do žluté. Barevné nebo tvarové změny jsou taktéž využívány k identifikaci některých druhů krystalických látek, biologických složek a polymerů.

Kdy se ferografie využívá?
Vzhledem k časové náročnosti při hodnocení ferografické stopy se mohou využívat rutinní metody pro její indikaci, jako např. stanovení obsahu kovů metodou ICP-OES nebo stanovení hodnoty PQ indexu. Avšak v některých případech nemusí hodnoty úplně odpovídat ferografickému nálezu. Jako příklad (vzorek č. 3 – motorový olej) při výskytu vysokého obsahu mědi. Ačkoliv je měď nemagnetická, pokud by byly částice velikosti 5-10 μm a pocházely z otěru, na ferogramu by byly viditelné. V tomto případě měď nebyla na ferogramu nalezena a můžeme tedy usoudit, že je celkově rozpuštěná a pochází z jiného zdroje, např. z chladicího systému (bloky chladiče). Nicméně se zde vyskytovaly únavové částice velikosti do 57 μm (šířka v nejdelším rozměru, ale částice spíše užšího charakteru) indikující přetížení při valivém pohybu.
V dalším příkladu (vzorek č. 4 – motorový olej) bylo v oleji změřeno zvýšené množství prvků železa a olova a vysoký obsah mědi. Hodnota PQ indexu naznačovala menší množství magnetických částic, ale pro tento typ stroje hodnota byla v běžném rozmezí. Při bližším pozorování pod mikroskopem se ale ukazovaly převážně částice řezné velikosti do 22 μm nízkolegovaných i středně legovaných ocelí, dále byly zvýšené výskyty černých oxidů, korozivních částic a částice nemagnetických bílých kovů, jako hliníku nebo olova velikosti do 18 μm, i částice mědi. Zásadní problém byl určen při detekci extrémního výskytu třecích polymerů, tedy výrazné přetěžování oleje a možnost zanesení filtru a jeho obtok nebo protržení.  
U vzorku č. 5 (motorový olej) byla naměřena vysoká hodnota PQ indexu. ICP analýza ale neidentifikovala zvýšené množství kovů. Při mikroskopické analýze byla potvrzena přítomnost zvýšeného množství řezných částic velikosti do 19 μm, také zvýšené množství únavových částic do velikosti 45 μm, černé oxidy, neželezné částice i třecí polymery. V tomto případě se jedná o průnik kontaminantů nebo vyosení třecích dvojic, zvýšení provozní teploty a přetížení oleje.    
 V případě převodových systémů (vzorky 1 a 2 – převodový olej ISO 460), kde byla ferografie zadávána rutinně, se můžeme podívat na případy zvýšeného množství třecích polymerů, tedy přetěžování oleje. Hodnoty obsahu kovů a PQ indexu neindikují zvýšené množství částic, ale ferografie již v tomto bodě je schopna odhalit zvýšené množství třecích polymerů jako možný problém do budoucna. V případě vzorku č. 2 byla zjištěna přítomnost měděných částic velikosti do 18 μm. Je tedy možné nasadit preventivní čištění oleje, nebo sledovat olej ve zkrácených intervalech a zkontrolovat možný zdroj mědi.
U vybraných vzorků nebyla provedena kontrola čistoty oleje žádnou další metodou, ať už se jedná o metodu stanovení obsahu nečistot na membráně, nebo celkové znečištění motorových olejů. Přesto znečištění na ferogramech je viditelné. Kvantifikace znečištění ale není prioritní, naopak znečištění může komplikovat čtení záznamu. Nicméně je možné využít této informace k celkovému obrazu stavu oleje i zařízení a včasně varovat před možností průniku kontaminantů. Na obr. 4 jsou zobrazeny částice při 500násobném zvětšení, při použití reflexního osvitu se zaostřením na nejmenší částice. Ferogram je po tepelné úpravě.
Díky výsledkům mikroskopické analýzy je možné poukázat na možný problém, který se v systému vyskytuje. Může jít o přetížení oleje, zvýšenou provozní teplotu, průnik vody do systému, vyčerpání nebo snížení aditivních látek chránící stroj proti korozi nebo průniku kontaminantů způsobujících poškrábání povrchu a tvorbu řezných částic.

Mgr. Pavlína Lesňáková
ALS Czech Republic

Publikováno: 20. 7. 2023 | Počet zobrazení: 130 27