Optimalizace tribosystémů při těžkých kluzných namáháních

Po desetiletí jsou pro řešení těžkých tribologických problémů při extrémních podmínkách namáhání s úspěchem používána tuhá maziva. Tato se mohou lišit svým složením, barvou i podle druhu použití.
Při zkouškách odpovídajících světle zbarvených sloučenin pro mazací účely bylo zjištěno, že speciálně anorganické látky, ve spojení s vhodným nosným médiem, přinášejí překvapivě dobrý mazací efekt. Proto se bílá tuhá maziva stala v posledních 20 letech předmětem speciálního výzkumu. Z tohoto období pochází celá řada produktů ve formě past, tukových past, plastických maziv a suspenzí. Jedním z problematických míst pro nasazení těchto speciálních maziv jsou místa vystavená tření a otěru, jako např. u kmitavého tření (tribokoroze) a trhavého pohybu (stick-slip) na plochách a sloupových vedení.
Velmi dobrých výsledků bylo dosaženo např. při nasazení past:
- jako prostředků pomáhajících při montáži strojích součástí namáhaných kmitavým třením a u dlouhých lisovaných spojů,
- jako maziva v ložiscích a vedeních namáhaných rázově nebo oscilačně,
- jako maziva pro šroubení z ušlechtilých ocelí a pro vysokopevnostní pozinkované šrouby při montáži ocelových konstrukcí,
- jako pomocných výrobních látek při třískovém obrábění těžce obrobitelných austenitických ocelí nebo titanových slitin, jako např. při hlubokém tažení, tváření za studena, řezání závitů apod.
Speciálně se při řešení výše popsaných mazacích problémů osvědčily fosfáty, difosfáty, resp. hydroxydy kovů, zinku, železa, manganu, a vápníku. Kombinace tuhých maziv, velikost jednotlivých částic (zrn) a obsah tuhých maziv zde hraje více než průměrnou roli. Průměrný obsah tuhých maziv představuje u past 40 až 50 %, u tukových past 25 až 40 % a u plastických maziv a suspenzí 3 - 10 %.
Ze zkušebních i praktických testů je známo, že účinky bílých tuhých maziv, mimo fyzikálního oddělovacího efektu, mají vliv obzvláště na vznik velmi tenkých, pevně lpících reaktivních vrstev, které brzdí zejména adhezivní a tribochemické mechanismy opotřebení. Tímto se zamezí, či sníží nebo silně oddálí riziko vzniku produktů tribokoroze (studených svarů, záděrů) při vysokých plošných tlacích, vratných pohybech a oscilacích.
Bílá tuhá maziva svým účinkem vypadají podobně jako v oleji rozpustná EP-aditiva. V některých případech je tento velmi dobře oddělující, pevně lpící film viditelný pouhým okem.

Speciální bílá maziva pro kluzné páry ocel/ocel
V dřívější době se ukázalo, že speciální produkty s obsahem bílých tuhých maziv jsou velmi účinné v oblasti ložiskové techniky, resp. všeobecně u kluzných párů při extrémních provozních podmínkách. Toto je především platné, pokud se předkládají vysoké plošné tlaky, smyčkové a kývavé pohyby a nepříznivé podmínky prostředí. Pak má také párování materiálů tak značný vliv, že celkový tribosystém se svými zvláštnostmi (konstruktivními, technologickými, materiálovými a technickotribologickými) musí být brán v úvahu a být optimalizován. Je nutné dále prostřednictvím příkladů referovat, kde především tyto optimalizace kombinace maziva a materiálu vedly k úspěchu.
Jeden účinný příklad je znám z oblasti techniky kluzných ložisek. Kluzné ložisko slouží k přenosu sil při kývavém a otáčivém pohybu. Pro vysoké plošné tlaky musí být kulové kluzné plochy zhotovovány z tvrzených ocelí pro kluzná ložiska. Taková ložiska jsou domazávána podle mazacích plánů. Při správném dimenzování vede abrazivní otěr ke zvětšení vůlí, které potom určují kritérium selhání. Při extrémních plošných tlacích nebo rázových zatíženích představují studené sváry také nebezpečí nenadálých selhání kluzného ložiska a také při malých kývavých pohybech může opotřebení z kmitavého tření (tribokoroze) přispívat k selhání. Obvykle bývají kluzné plochy ocel/ocel kluzných ložisek fosfátovány a mazány mazivem s obsahem MoS2. Značně vyšších hodnot životnosti při současném snížení tření a otěru můžeme dosáhnout nasazením bílých tuhých maziv, jak lze poznat z. Přitom bylo také dosaženo i záruky proti zablokování následkem zadření. Před několika lety bylo možno toto ještě zřetelně sledovat v loděnicích na kluzných ložiscích pístu kormidla.
Příklady pro tyto extrémně dobré mazací účinky mazacích past pro kluzné páry ocel/ocel je mazání upínacích hlav (sklíčidel) soustruhů, a také mazání zubových spojek, jež jsou velmi citlivé na otěr z kmitavého tření (tribokorozi). V posledním případě byla s úspěchem použita kombinace kluzného laku s bílou tukovou pastou.
Speciální bílá maziva pro kluzné páry ocel/slit. mědi
Ve strojírenství, kde z důvodu zvýšení odolnosti proti adhesivnímu opotřebení, a tím ke snížení zadírání, není jeden z kluzných párů vyráběn z ocele, nýbrž z odpovídající slitiny mědi. Nejznámější příklad je z oboru ložiskové techniky, kde důležitou roli hrají právě ložiskové pánve nebo ložisková pouzdra vyrobená např. z olovozinkového bronzu. Podobně dobrých zkušenosti je dosahováno i v oblasti konstrukce kluzných ložisek, pohybových šroubů, vodicích čepů, třecích kuželů, šnekových kol, armatur a jim podobných součástí. Při obzvlášť těžkých podmínkách zatížení, jako např., vysoké hranové tlaky, rázová zatížení, špatné a nebo problematické možnosti domazávání včetně neotáčivých pohybů a podobně, je řešení problému, nehledě na výpadek z důvodu konstrukce součásti, možné pouze za pomoci použití speciálních maziv. Vynikající možnosti přitom nabízí tenký mazací film vytvořený prostřednictvím past a plastických maziv obsahujících tuhá maziva. Tím však není možno zařadit speciální maziva do kategorie zázračných prostředků. Mnohem více musíme vyzvednout význam tribotechnicky vhodné kombinace materiál/mazivo ve spojení se správným systémovým myšlením pro řešení daného problému.

Příklad 1: kloub lisu s kolenovou pákou

K výrobě žáruvzdorných tvarových forem se používá speciálního lisu s kolenovým kloubem. Ve speciální geometrii kloubu je skryto mnoho konstrukčních a praktických zkušeností. Párování materiálů z vysoce zušlechtěného a nitridovaného materiálu pro osy oproti ložiskové vícekomponentní (Al) bronzi s přípustným statickým povrchovým tlakem kolem Pstat. = 100 MPa se jeví sotva zlepšitelné tam, kde je zajištěna vysoká odolnost otěru při dobrých antiadhezivních vlastnostech.

Orientační výpočet s hrubými předpoklady ukazuje, že při velikosti koeficientu tření kolem 0,22 musí být počítáno se střižným zalícováním šroubů pro upevnění ložiskových pánví. Ve skutečnosti samo dochází i při velmi krátkých mazacích intervalech (každých 50 s) s komplexním vápenatohlinitým mazivem na bázi minerálního oleje (třída konzistence 4) k totálnímu přehřátí ložiska a vysokému opotřebení a nakonec i k ustřižení zalícovaných šroubů.
Použití komplexního sodnohlinitého maziva s obsahem MoS2 (třída konzistence 3) přináší při stejně krátkých mazacích intervalech a množstvích maziva stále ještě nebezpečně vysoké teploty ložiska přes 100 °C.
Po pozitivních výsledcích předběžných zkoušek na zkušebním zařízení Almen-Wieland bylo, při použití stejných párů materiálů namazaných mazací pastou s vysokým podílem pyrofosforečnanu zinečnatého, předsevzato a následně provedeno domazání s analogickým 5% plastickým mazivem. Přitom klesla teplota ložiska v průběhu 72 h z počátečních 90 °C na hodnotu mezi 30 až 40 °C. Konečně můžeme prodloužit i intervaly domazávání z 50 na 120 s bez zvýšení teploty ložiska. Po víceletém provozu nebyla zaznamenána již žádná provozní porucha. Bylo dosaženo úspory časů oprav, ložiskového materiálu a vyšší použitelnost, resp. provozní spolehlivosti zařízení.
Příklad 2: čepy řetězu pro brus na dřevo
Ke zvýšení produktivity při výrobě dřevoviny v papírenském průmyslu byl zkoušen jeden postup, při kterém bylo dřevo rozbrušováno v parní komoře. Technicky bezproblémové použití tohoto postupu ve větším měřítku ztroskotalo mimo jiné dosud na tom, že vlastní řetěz na přitlačování kusů dřeva na brus vykazoval velmi krátkou životnost.
Z tribologického hlediska jsou klouby přítlačného řetězu brusu vystavovány obzvláště nepříznivým provozním podmínkám jako je vysoký plošný tlak a rázová zatížení, malý úhel pohybu a vibrační až třaslavý pohyb, vysoké teploty se zatížením parou, působení agresivního extraktu ze smrkového dřeva a vytvrdnutí, resp. vymytí maziva a obtížné domazávání.
Jelikož nebyly žádné porovnatelné příklady použití, bylo z důvodu antikorozní ochrany a ochrany proti opotřebení nejdříve předepsány třecí páry - čepy řetězu opatřeny tvrdochromem a pouzdra vyrobená ze zvláštní válcované mosazi Cu Zn37 F38 a mazání s komplexním Na-Al mazivem na bázi minerálního oleje. Přitom docházelo k výše popsaným častým výpadkům.

Z pohledu materiálu se doporučilo pro čepy použití minimálně tvrzeného materiálu 16 MnCr 5, v lepším případě použít zušlechtěného, nitridovaného a broušeného materiálu 30 Cr Mo V 9 a pouzdra vyrobená z velmi otěruvzdorné víceprvkové manganové bronze přibližného složení Cu Mn 10 Zn8 Al6 Ni2 Fe2 s přípustným statickým povrchovým tlakem kolem Pstat. = 130 Mpa.
Z pohledu maziva šlo o otázku, zda mazivo v okamžiku působením horké páry netvrdne nebo se jinak negativně nemění i v dalších ohledech. K tomuto účelu byly v laboratoři provedeny obsáhlé předběžné zkoušky za přítomnosti horké páry, vody a extraktu ze smrkového dřeva. Tato klasická maziva na bázi minerálního oleje přitom úplně selhala.
Speciální kompozice maziv byly podrobeny obsáhlým teplotním zkouškám. Pro mechanicko-dynamické zkoušky byla použita metoda Almen-Wieland, protože zde je možné nejlépe nasimulovat analogické podmínky mazání. Pro zkoušky byly vybrány materiály: hřídel - 115 CrV3, broušeno a nitridováno, ložiskové pánve - vícekomponentní manganová bronz Cu Mn 10 Zn8 A16 Ni2 Fe2.
Vedle normálního průběhu zkoušek se stupňovitě narůstajícím zatížením od FN = 500 N po 100 ot. zkušebního hřídele byl proveden 1 hodinový zkušební běh při normálním zatížení FN = 5000 N (odpovídá počátečnímu tlaku kolem p0 = 500 MPa), přičemž taktéž hodnota zatížení se přibližovala stupňovitě. Z výsledků měření teploty a opotřebení byla vidět přednost speciálního maziva s obsahem bílých tuhých maziv.
Výsledky byly přezkoušeny na zkušebním zařízení s originálními články řetězu a s odpovídajícím okolním prostředím. Bylo dokázáno, že se zušlechtěnými, nitridovanými a broušenými řetězovými čepy a s ložiskovými pouzdry z masivní a jemně opracované vícekomponentní manganové bronze ve spojení se speciálním mazivem obsahujícím bílá tuhá maziva je dosahováno vyšší životnosti.

Další příklady
Dobrým řešením pro velmi vysoká kluzná zatížení v oblasti přechodového tření je s jistotou použití nitridovaného ocelového povrchu součástí oproti slitinám mědi ve spojení s pastami, tukovými pastami nebo plastickými mazivy s obsahem bílých tuhých maziv. Z cenových i jiných důvodů není však nitridování vždy možné.
Jsou případy, ve kterých technologicky jednodušeji ošetřené zušlechtěné ocele oproti slitinám mědi současně s bílými mazivy vykazují dobré výsledky. Tak bylo na pohybovém šroubu u velké, těžké strojní součásti lisu kameniva s páry z materiálů 37 MnSi 5 zušlechtěno/Cu Sn 10 a mazáno s mazací pastou s obsahem 50 % bílých tuhých maziv dosaženo bezporuchového provozu. Každý z pohybových šroubů s trapézovým závitem Tr 95 x 12 byl zatížen silou kolem 100 000 N. Původně byly matice vyrobeny z materiálu C 35 a použito běžné ložiskové plastické mazivo. Přitom docházelo na nosných plochách šroubovice už při funkční zkoušce k zadírání.
Stejně tak je možné předvést, že u plazmaticky nanesené pseudoslitiny z tvrdých materiálů už při obsahu 25 % CuSn6 ve slitině s mazivem s obsahem bílých tuhých maziv, je dosahováno velmi vysoké odolnosti proti otěru, především pak u kmitavých kluzných zatíženích. Tohoto je možné s jistotou a s úspěchem využít u renovací, např. pro velká ložisková a jim podobná uložení.
Závěrem
Je všeobecně známo, že bílá tuhá maziva jsou s úspěchem nasazována v mazivech, pastách nebo tukových pastách pro mazání párů ocel/ocel za podmínek kmitavého tření. U kluzných součástí v podmínkách těžkého přechodového zatížení, jako je např. zatížení extrémními tlaky a/nebo suvnými, či kývavými pohyby, může být s bílými tuhými mazivy dosaženo také vynikajících výsledků. Bílá tuhá maziva jsou v poloze, kdy prostřednictvím tribochemicky podmíněné pevně lpící vrstvy vytvářející se nejenom na oceli, tak jako též na slitinách mědi, snižují adhesní sklony těchto materiálů. Vytvořené mezivrstvy jsou schopné při jemném opracování třecích dvojic velmi dobře setrvávat na površích a oddělovat je od sebe a mimoto, nebo právě tím, snižovat tření.
Takovéto tribosystémy mohou být optimálně provozovány, pokud z pohledu párování materiálů bude dosaženo dobrého antiadhesního účinku a vysoké odolnosti proti otěru. Toto je např. možné u spojení materiálů (třecích dvojic) z nitridované zušlechtěné ocele nebo ocele pro vysoké pracovní teploty, či nitridových ocelí oproti vhodné slitině mědi. Otěruvzdornost je možné ještě značně zvýšit použitím otěruvzdorných protisoučástí, jako např. zinkové nebo manganové bronze. Výběrem vhodných vysokoviskózních základových olejů pro receptury základových tuků, či past se dá dále zvýšit nosnost slabých filmů.


 

Publikováno: 8. 8. 2013 | Počet zobrazení: 3032 567