1

ASPEKTY EKSPLOATACJI MASZYN

1. Rola inżynierów-mechaników w kwestiach odpowiedzialności za środowisko

Sukces ma wielu ojców - porażka bywa najczęściej sierotą. Ta znana prawda życiowa odnosi się

również do zagadnień związanych z zanieczyszczaniem środowiska. Jakże często można spotkać się
z przekonaniem, że za skażenie środowiska odpowiedzialnymi są energetycy (bo spalają za dużo
węgla), rolnicy (bo zużywają zbyt dużo nawozów sztucznych i środków ochrony roślin), wielka
chemia, transport samochodowy itp. Inżynier mechanik występujący w roli konstruktora, technologa
czy użytkownika maszyn uważa się często niewinnym skażenia środowiska. Nie dostrzega on rów-
nież zwykle możliwości aktywnego włączenia się w łańcuch ludzi dobrej woli, stawiających sobie
za cel przeciwdziałanie dalszemu procesowi degradacji przyrody.

Można łatwo wykazać jak błędne jest to mniemanie i to zarówno w odniesieniu do mechanika-

konstruktora, technologa, czy użytkownika maszyn. Istnieje bowiem wiele przykładów wskazują-
cych na to w jak znaczącym stopniu, właśnie od mechaników, zależy zanieczyszczenie środowiska.
Kompleksowość zagadnień dotyczących aspektów ekologicznych w konstruowaniu, wytwarzaniu i
użytkowaniu maszyn, najpełniej można prześledzić na przykładzie problematyki szeroko pojętego
smarowania, stosowanego zarówno w eksploatacji maszyn jak i przy realizowaniu różnego rodzaju
procesów technologicznych. Nie zdajemy sobie bowiem często sprawy z tego, że w żadnym ze sto-
sowanych w technice procesów smarowania, środek smarowy nie podlega „konsumpcji”, w naj-
mniejszym nawet stopniu.

ŚRODKI

SMAROWE

100%

PROCESY

SMAROWANIA

80%

(50%)

ŚRODOWISKO

20%
(50%)

REGENERACJA

SKUP

ODPADÓW

SPALANIE

ENERGIA

Rys. 1.Obieg środków smarowych w procesach smarowania

Odpady w procesach smarowania są nie do uniknięcia, co w sposób schematyczny pokazano na

rys. 1. Wielkości podane w nawiasach odpowiadają średniemu, światowemu poziomowi skupu
przepracowanych środków smarowych, te zaś bez nawiasów - średniej krajowej. Znaczące różnice
tych wartości wskazują na to, jaki dystans w tej dziedzinie dzieli Polskę od standardów światowych.
Negatywny wpływ tych odpadów na środowisko nie budzi najmniejszych wątpliwości. Rzecz w tym
aby być tego świadomym i uczynić wszystko
co możliwe dla zminimalizowania negatyw-
nych skutków wynikających z zanieczyszcze-
nia środowiska produktami ropopochodnymi.
Inżynier mechanik - konstruktor, technolog
czy użytkownik maszyn, świadomy ekolo-
gicznych skutków swojej zawodowej działal-
ności, może bowiem dla środowiska uczynić
wiele dobrego.

Gospodarka

smarownicza

w

polskim

przemyśle, jak i podejście do tych kwestii
przez użytkowników maszyn, wymaga pilnej
rewizji i uzdrowienia. Cechuje ją bowiem:
- duże, ponadnormatywne zużycie środków

Rys. 2. Bilans sprzedaży środków smarowych przez

dolnośląską CPN

wykład nr 3a

z ekologii

25626,1t (83,4%)

2

smarowych. O rozmiarach tego zużycia niech świadczy bilans sprzedaży środków smarowych w
roku 1990 przez Dolnośląską CPN, (pokazany na rys. 2.),

- niski poziom pozyskiwania zużytych środków smarowych, (trzykrotnie niższy w porównaniu do

rozwiniętych krajów Europy Zachodniej)

- zła gospodarka magazynowa i niewłaściwa troska o racjonalne stosowanie środków smarowych i

sposób obchodzenia się nimi,

- niedocenianie roli i potrzeby uzdatniania środków smarowych,
- niski poziom wiedzy i kwalifikacji służb odpowiedzialnych za gospodarkę smarowniczą,
- stosowanie przestarzałych technik smarowania i niechęć do wdrażania nowoczesnych technologii

w tym zakresie,

- małe rozpowszechnienie roślinnych i syntetycznych - biodegradowalnych środków smarowych.

2. Światowe trendy i statystyki zużycia środków smarowych

Rozwój techniki pociąga za sobą zapotrzebowanie na środki smarowe w nowych dziedzinach. O

rozmiarach tego zapotrzebowania niech świadczy globalne zestawienie pokazane w tabeli 1

Tabela 1: Długoterminowa prognoza światowego zapotrzebowania na środki smarowe. (Za bazę

odniesienia przyjęto rok 1998). (Źródło: M. Fuchs, referat wygłoszony w Dreźnie 17.05.2000)

Rok

1998

2010

2020

Grupa

mln. ton

mln. ton

± %

mln. ton

± %

Samochodowe środki

smarowe

21,9

20,9

- 5,0

23,3

+ 6,0

Przem. oleje i smary

10,3

12,0

+17,1

13,9

+35,0

Okrętowe oleje i sm.

1,8

1,8

-

1,8

-

Oleje procesowe

3,8

4,2

+ 10,0

4,5

+20,0

Łącznie

37,8

38,8

+2,8

43,5

+15,0

Pomimo stale wzrastającej liczby pojazdów samochodowych, zmniejszające się w najbliższych

latach zapotrzebowanie na samochodowe środki smarowe (-5,0% do roku 2010), będzie wynikiem
upowszechnienia syntetycznych olejów silnikowych, posiadających znacznie lepsze właściwości
eksploatacyjne (niską odparowalność i lepszą trwałość termooksydacyjną) niż mineralne oleje silni-
kowe. Prognozowany z kolei w latach 2010-2020 wzrost zapotrzebowania w tej grupie środków
smarowych będzie wynikiem rozwoju gospodarczego krajów trzeciego świata i wzrostem zamożno-
ś

ci społeczeństw tych krajów.

Szacuje się, że na ogólną ilość około 38 mln ton olejów smarowych sprzedawanych rocznie na

ś

wiecie w latach 2000-2001, skupiono zaledwie około 50% przepracowanych środków smarowych.

Jest to wartość średnia, gdyż w krajach o niskiej kulturze technicznej, wskaźnik odzysku jest dużo
mniejszy. Im wyższy jest procent pozyskiwania odpadowych produktów smarowniczych, tym więk-
sze jest prawdopodobieństwo racjonalnej ich neutralizacji, a tym samym uwolnienie środowiska od
uciążliwego skażenia.

Mimo niewątpliwego w latach dziewięćdziesiątych rozwoju przemysłu w Europie Zachodniej i

Ameryce Północnej, wzrost zapotrzebowania na środki smarowe jest zerowy lub co najwyżej
umiarkowany, o czym świadczą procentowe dane przedstawione w tabl. 2
Region \ Rok

1989 (%) 1994 (%) 2000 (%) Zmiana 1989/2000 (%)

Europa Zachodnia

14,1

13,8

12,4

- 12

Europa Środkowa i Wschodnia

26,3

20,3

21,4

- 18,6

Azja

22,8

28,1

30,7

+ 34,6

Afryka

4,0

4,2

4,1

+ 2,5

Ameryka Północna

23,9

24,9

23,2

- 2,1

Ameryka Południowa

7,5

7,3

6,9

- 8,0

Australia i Oceania

1,4

1,4

1,3

- 7,0

Zapotrzebowanie światowe (mln ton)

38,2

36,7

40,0

+ 5,5

Tabl.2. Procentowe zmiany zapotrzebowania na środki smarowe w różnych regionach świata (j.w)

3

Globalny efekt spadku zapotrzebowania na środki smarowe (-5,6%) w latach 94-tych był nie tyl-

ko wynikiem załamania się systemów gospodarczych Europy Środkowej i Wschodniej, ale przede
wszystkim skutkiem upowszechniania się praktyki skąpego smarowania, oraz wzrostu jakości sto-
sowanych środków i zwiększonej troski o właściwe ich uzdatnianie. Świadczy o tym tendencja jaką
odnotowuje się w krajach uprzemysłowionych o wysokiej kulturze technicznej (Europa Zachodnia,
Nowa Zelandia), do systematycznie zmniejszającego się zapotrzebowania na środki smarowe po-
mimo ciągłego wzrostu gospodarczego tych krajów.

Prognozowane zmniejszenie zapotrzebowania na środki smarowe w Europie Zachodniej w naj-

bliższym dwudziestoleciu tendencję tą jeszcze utrwala. Świadczą o tym liczby zawarte w poniższej
tabeli 3.

Z uwagi na przewidywany w najbliższym 20-leciu rozwój gospodarczy krajów trzeciego świata,

prognozuje się jednak wzrost zapotrzebowania na środki smarowe, w skali ogólnoświatowej o oko-
ło 5 milionów ton do roku 2020, czyli o 15 % w stosunku do 1998 roku. W ujęciu asortymentowym
prognozę tę ilustrują liczby podane w tabeli 1.

Tabela 3. Prognozowane zmniejszenie zapotrzebowania na środki smarowe w Europie Zachodniej

w stosunku do roku 1998 (Źródło: M. Fuchs, referat wygłoszony w Dreźnie 17.05.2000)

Rok

1998

2010

2020

Grupa

mln ton mln ton

± %

mln ton

± %

Samochodowe środki

smarowe

2,5

2,1

- 16,6

1,8

- 28,3

Przem. oleje i smary

1,9

1,8

- 5,8

1,7

- 10,4

Oleje procesowe

0,7

0,8

+ 12,6

0,9

+ 24,4

Łącznie

5,0

4,6

- 8,6

4,4

- 12,0

Jeśli idzie o podział środków smarowych z uwagi na ich zastosowanie to około 61% stanowią

oleje silnikowe i smary samochodowe, 23,7% oleje maszynowe, 10,5 oleje przetwarzane i stosowa-
ne w różnych procesach wytwórczych, zaś 4,5% oleje technologiczne i stosowane do ochrony przed
korozją

.

3. Czynniki determinujące ekologiczne konsekwencje działalności inżyniera-mechanika

W działalności inżyniera-mechanika, występującego w roli konstruktora, technologa czy użyt-

kownika maszyn, można wyróżnić cztery dziedziny, w których podejmowane przez niego decyzje
będą pociągały za sobą określone ekologiczne konsekwencje zaproponowanych przez niego rozwią-
zań. W przedstawionym poniżej poglądowym zestawieniu, leżą one w czterech obszarach:

Ekologiczne konsekwencje decyzji inżyniera

1. INśYNIERIĘ MATERIAŁOWĄ

- środki smarowe

-

materiały konstrukcyjne

-

materiały na uszczelnienia

2. TECHINKĘ SMAROWANIA

- w układach otwartych

-

w układach zamkniętych

-

bezobsługowe

-

możliwości recyklingu po złomowaniu

-

konstrukcja węzłów tarcia i uszczelnień

-

dobór materiałów konstrukcyjnych

- dobór środków smarowych

-

wybór techniki smarowania

4. PROCESY UśYTKOWANIA

3

. KONSTRUKCJĘ MASZYNY

- sposób użytkowania maszyn i prowadz

.

procesów technologicznych

-

pozyskiwanie odpadów (recycling)

-

uzdatnianie środków smarowych

- unieszkodliwianie zużytych cieczy

eksploatacyjnych i olejów smarowych

są zdeterminowane przez:

4

Wykład w tej części poświęcony będzie szczegółowemu omówieniu każdej z wymienionych

grup czynników. Postęp w dziedzinie inżynierii materiałowej odnoszący się tak do materiałów kon-
strukcyjnych jak i środków smarowych jest ogromny. Inżynierom brak często aktualnej wiedzy o
możliwościach jakie w tym zakresie istnieją. Asortyment nowoczesnych materiałów konstrukcyj-
nych, materiałów na uszczelnienia, materiałów o własnościach samosmarujących rozrasta się w
szybkim tempie. Katalogi środków smarowych zawierają tysiące pozycji, oferując wiele dotąd nie-
znanych i doskonałych wyrobów współczesnej chemii tworzonych między innymi z myślą o lepszej
ochronie środowiska. Rozeznanie w tym asortymencie wymaga wręcz stosowania systemów eksper-
towych, które wykorzystując wciąż aktualizowaną bazę danych mogą służyć konstruktorom i użyt-
kownikom maszyn pomocą przy dokonywaniu właściwych wyborów.

Również w zakresie technik smarowania, a ściślej mówiąc „filozofii smarowania” zaznaczyły się

w ostatnich dziesięcioleciach znaczące zmiany. Impulsem był, z jednej strony rozwój teorii elasto-
hydrodynamicznego (EHD) smarowania, z drugiej zaś rosnąca świadomość ekologiczna i związane
z nią zaostrzenie przepisów ochrony środowiska. Choć ewidentne są korzyści skąpego smarowania,
napotyka ono nadal na opory przy jego wdrażaniu.

Często występującym „grzechem" w pracy konstruktorów maszyn jest skupianie całego wysiłku

koncepcyjnego na szukaniu takich rozwiązań technicznych, które by możliwie najlepiej realizowały
określone dla danej maszyny funkcje z pominięciem relacji maszyna -środowisko. O problemie
smarowania projektowanych urządzeń myśli się np. dopiero w końcowej fazie rodzenia się kon-
strukcji. Na tak daleko zaawansowanym etapie jej powstawania konieczne jest zwykle sięganie po
kompromisowe rozwiązania, przekreślające możliwość zastosowania optymalnej techniki smaro-
wania czy też najlepszych środków smarowych.

Poza mechanikiem-konstruktorem, o środowisku stale powinien pamiętać każdy użytkownik ma-

szyn. Od niego bowiem zależeć będzie stosowanie zabiegów uzdatniania, zwiększających trwałość
ś

rodków smarowych, a tym samym zmniejszających ich zużycie i ilość odpadów powstających w

procesach smarowania. Użytkownik decyduje również najczęściej o poziomie pozyskiwania zuży-
tych olejów i neutralizacji cieczy technologicznych, wymagających okresowej wymiany. Dotyczy to
w szczególności emulsji chłodząco-smarujących stosowanych w procesach technologicznych w du-
ż

ych ilościach. W polskich warunkach, wiele do życzenia pozostawia również wspomniana już nie-

racjonalna gospodarka smarownicza w przedsiębiorstwach i niski poziom kultury technicznej jaki
występuje przy obchodzeniu się ze środkami smarowymi.

4. Proekologiczna inżynieria materiałowa

Zbiór tradycyjnych, znanych od stuleci, materiałów konstrukcyjnych z każdym niemal rokiem

powiększa się o nowe syntetyczne materiały i kompozycje materiałowe, będące wytworem współ-
czesnej inżynierii materiałowej. Znajdują one coraz szersze zastosowanie, między innymi z uwagi
na korzystne ich relacje w stosunku do środowiska. Specyficzną grupę materiałów konstrukcyjnych
i eksploatacyjnych o dużym potencjale środowiskowego zagrożenia stanowią środki smarowe, zu-
ż

ywane w ogromnych ilościach zarówno przez przemysł jak i indywidualnych użytkowników ma-

szyn. Jak już wspomniano wyżej, duża część tych środków w poważnym stopniu zanieczyszcza
ś

rodowisko, stanowiąc jeden z głównych problemów ekologicznych związanych z eksploatacją ma-

szyn.
Najbardziej rozpowszechnione są

smary płynne (oleje smarowe)

Drugą pod względem popularności grupą są

smary plastyczne

W mniejszym stopniu rozpowszechnione są

smary stałe

Najrzadziej stosuje się

smary gazowe

4.1 Oleje smarowe

Zanim przejdziemy do omówienia ekologicznych aspektów stosowania olejów smarowych, hy-

draulicznych czy technologicznych warto sobie przypomnieć o ich istotnych, z technicznego punktu
widzenia, cechach:

Lepkość olejów smarowych jest niewątpliwie podstawowym, technicznym kryterium właści-

wego doboru oleju do spełnienia określonych zadań. Od kilkunastu już lat obowiązuje powszechnie

5

stosowana na świecie norma ISO 3448, której odpowiada polska norma PN 78/C - 96098, wyodręb-
niająca 18 klas lepkości, oznaczanych kodem literowo-cyfrowym od VG2 do VG1500 (Viscosity
Group), w którym liczba po symbolu literowym określa lepkość kinematyczną oleju w temperaturze
40

°

C, wyrażaną mm

2

/s (cSt).

Pojęcie lepkości wynika z równania naprężeń „

τ

" ścinających Newtona

τ η

=

dv

dy

, w którym

„v” jest prędkością cieczy w szczelinie smarnej, „y” wysokością szczeliny, zaś „

η

” współczynni-

kiem proporcjonalności, zależnym od rodzaju cieczy, zwanym lepkością dynamiczną. Liczbowo jest
to siła statyczna, działająca na jednostkę powierzchni warstewek cieczy, które znajdują się w jed-
nostkowej odległości od siebie i poruszają się względem siebie z prędkością różniącą się o jednost-

kę. W układzie SI jednostką lepkości dynamicznej „

η

” jest paskalosekunda:

1Pa s

N s

m

2

⋅ = ⋅

. W

badaniach łożysk stosuje się wielkość zwaną lepkością kinematyczną, która jest stosunkiem lepko-

ś

ci dynamicznej do gęstości i wyraża się w stokesach;













ρ

η

=

ν

−

4

2

10

s

m

=

1St

,

o

.

W przypadku olejów silnikowych, stanowiących pod względem tonażu najbardziej znaczącą

grupę olejów smarowych, lepkość i właściwości użytkowe tej grupy środków smarowych określa się
wg odrębnych klasyfikacji przejętych z USA. Lepkości dotyczy klasyfikacja SAE J300MAR93
(SAE = Society of Automotiv Engineers), jakości natomiast - klasyfikacja API (API = American Pe-
troleum Institut). Wg tej pierwszej, oleje silnikowe dzieli się na 11 podstawowych klas, od klasy
0W (oleje silnikowe stosowane w strefie polarnej, pompowalne przy -35

°

C) do klasy 60 (oleje do

stosowania w strefie tropikalnej). Do stosowania w naszej strefie klimatycznej zaleca się użytkow-
nikom samochodów osobowych uniwersalne, wielosezonowe oleje oznaczane klasą lepkości np.
SAE 10W/40, 5W/50 itp. Olej silnikowy 0W ma lepkość 22 cSt, zaś olej 60 lepkość 320 cSt.

Klasyfikacja jakościowa API dzieli oleje silnikowe na dwa rodzaje:

- S (Service), obejmujący 9 grup, oznaczonych literami SA, SB, ... do SJ - przewidziane dla

sil-

ników benzynowych z zapłonem iskrowym,

- C (Comercial), obejmujący 7 grup, oznaczanych literami CA, CB, ... do CG, -, stosowane do sil-

ników z zapłonem samoczynnym.

Im dalsza litera alfabetu stojąca za literą S lub C, tym wyższa jakość oleju silnikowego.

Znane i stosowane są również inne klasyfikacje jakościowe olejów silnikowych, jak np. europej-

ska ACEA (CCMC) i wojskowa, amerykańska klasyfikacja MIL-L-, a także liczne jakościowe testy
olejów silnikowych, opracowane przez producentów silników np. Mercedes Benz, VW, Volwo,
MAN, Ford i inne.

Odrębną klasyfikację lepkościową SAE J306MAR85, różniącą się od klasyfikacji ISO 3448, sto-

suje się również w odniesieniu do samochodowych olejów przekładniowych. Obejmuje ona 7 klas.
Od klasy 70W dla przekładni pracujących w strefie polarnej (-55

°

C), do klasy 250, olejów do prze-

kładni pracujących w warunkach tropikalnych (41mm

2

/s w temp. 100

°

C).

Poza lepkością ważną, z technicznego punktu widzenia, właściwością oleju jest zmiana tej lep-

kości wraz ze zmianą temperatury. Jest ona określana liczbowo przez wskaźnik lepkości WL (w li-
teraturze angielskojęzycznej oznaczanym symbolem VI - Viscosity Index). Im większa liczba tego
wskaźnika tym mniejsza zmiana lepkości w funkcji zmian temperatury. Dla nie uszlachetnianych
olejów mineralnych, wartość tego wskaźnika wynosi 70-80, dla powszechnie stosowanych olejów sil-
nikowych 90-130, a dla syntetycznego oleju silikonowego aż 500

.

Duży asortyment produktów w każdej z grup olejów technicznych, posiadających ukierunkowane

pod określone zastosowania własności, jak i nowe techniki smarowania dają współczesnym kon-
struktorom możliwości kształtowania węzłów tarcia w sposób odbiegający od znanych z przeszłości
standardów. Rozpatrując proces smarowania w aspekcie ekologicznym ważne są również, poza
właściwościami technicznymi środków smarowych, ich toksyczność dla człowieka i dla środowiska,

6

rakotwórczość i mutagenność oraz cecha, na którą zwraca się coraz większą uwagę, zwaną biode-
gradowalnością.

Biodegradowalność jest najważniejszą, z punktu widzenia ochrony środowiska właściwością

oleju technicznego. Cechą tą można najogólniej określić zdolność oleju (związków chemicznych)
do rozkładu w obecności tlenu na dwutlenek węgla i wodę w wyniku aktywności mikroorgani-
zmów. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na to, że pojęcia „biodegradowalny” i „nietoksyczny”
nie są równoważne. Środek nietoksyczny nie zawsze jest biodegradowalny (np. tzw. olej biały),
podczas gdy środek toksyczny może być biodegradowalny.

Znanych i stosowanych jest na świecie kilka testów oceny biodegradowalności. Najważniejsze z

nich zebrano w tabeli 4. Metoda CEC-L33-A-93 (dawniejsza CEC-L33-T-82) jest najstarsza i naj-
bardziej rozpowszechniona. Powstała w latach 1976-79 w Szwajcarii i miała początkowo charakter
lokalny, jako certyfikat wymagany od olejów silnikowych stosowanych no napędu łodzi motoro-
wych i taboru pływającego po Jeziorze Bodeńskim (RFN). Doskonalona na przestrzeni lat, przyjęta
została jako ogólnie obowiązująca w większości krajów europejskich. W roku 1993 badania biode-
gradowalności olejów metodą CEC-L-33-A-93 wdrożono również w Instytucie Technologii Nafty w
Krakowie. Badania tą metodą pozwalają na określenie biodegradacji środka smarowego w środowi-
sku wodnym, bez względu na to czy środek ten jest rozpuszczalny w wodzie czy też nie. Badana
próbka ulega rozkładowi biologicznemu w obecności mikroorganizmów pochodzących z miejskich
oczyszczalni ścieków i odpowiedniej pożywki. Oznaczenie stopnia rozkładu polega na pomiarze,
metodą analizy w podczerwieni, stężenia węglowodorów badanej próbki na starcie i po upływie 21
dni. W trakcie trwania testu, roztwór badanej próbki wraz z pożywką i odpowiednią dawką mikro-
organizmów poddawany jest wytrząsaniu w ciemności. Równolegle, w tych samych warunkach, ba-
daniu poddawane są dwie substancje kalibracyjne, odpowiadające niskiemu i wysokiemu stopniowi
biodegradacji. Substancją kalibracyjną na niski stopień biodegradacji jest olej biały, ulegający roz-
kładowi w 25-40%, zaś na stopień wysoki - związek chemiczny o nazwie adypinian-di-izotridecylu,
rozkładający się w czasie 21 dniowej próby w 75-95%. Oznaczenie biodegradacji w/w. metodą jest
powszechnie stosowane, zarówno dla cieczy bazowych, dodatków jak i finalnych produktów sma-
rowych.

Tabela 4: Testy biodegradowalności

L.p.

Test

Szczepionka

czas

[dni]

Rodzaj analizy

1

CEC-L-33-A-93

bakterie z oczyszczalni ście-

ków

21

analiza w podczerwieni

2

Closed Bottle

(OECD 301D,

EPA 796.3200)

bakterie ze ścieków komu-

nalnych

28

zanik tlenu O

2

(zapotrze-

bowanie na tlen)

3

(OECD 301E,

EPA 796.3240)

jw.

19

oznaczenie organicznego

węgla

4

STURM (OECD 301B,

EPA796.3260)

bakterie z oczyszczalni ście-

ków

28

ilość powstałego CO2

5

Zmodyfikowany test

MITI (OECD 301C)

osady kanalizacyjne z 10-ciu

osadników

14

zanik tlenu O2

6

AFNOR (Francja)

bakterie z oczyszczalni ście-

ków

28

oznaczenie organicznego

węgla

OECD - Organization for Economic Cooperation and Development
CEC - Coordinating European Council for Development of Performance Tests for Lubricants and Engine Fuels

Wiele krajów wprowadziło specjalne znaki graficzne np. „Niebieskiego Anioła” (w Niemczech)

lub „Nordyckiego Łabędzia” (w krajach skandynawskich), wyróżniające biodegradowalne środki
smarowe, które spełniają określone środowiskowe wymagania. niezbędne dla przyznania znaku.
Aby środek smarowy mógł uzyskać znak "Niebieskiego Anioła", to rozkład biologiczny w teście
CEC-L-33-A-93 lub mu podobnych jak STURM, MITI, czy AFNOR, musi wynosić co najmniej
80%. Przykłady stopnia rozkładu biologicznego niektórych środków smarowych pokazano na rys. 3.

7

4.2 Toksyczność środków smarowych

Określa się ją powszechnie w czterostopniowej skali ich szkodliwości dla wody. Za podstawę

przy opracowywaniu europejskiego systemu klasyfikacji surowców i finalnych produktów smaro-
wych pod kątem ich toksyczności przyjęto niemiecką normę, która rozróżnia cztery klasy WKG
(Wassergefährdungsklasse) szkodliwości środków smarowych dla wody:

WGK 0 - środek ogólnie nie zagrażający wodom, WGK 1 - słabo zagrażający wodom

WGK 2 - zagrażający wodom,

WGK 3 - mocno zagrażający wodom.

Rys. 3. Biodegradowalność różnych gatunków oleju określana metodą CEC-L-33-A-93

W literaturze angielskojęzycznej występują aż trzy oznaczenia, będące odpowiednikami klasyfi-

kacji WGK: WHL (Water Hazard Levels), WHC (Water Hazard Classes), a także WPC (Water Po-
lution Classes). Oznaczenia te należy traktować jako synonimy.

Przypisanie produktom określonej klasy WGK nie jest wynikiem jednego testu, lecz podsumo-

waniem aż trzech oznaczeń:

- testu toksyczności dla ssaków

- testu toksyczności dla ryb,

- testu toksyczności dla bakterii.

Każdy test kończy się określonym wynikiem liczbowym, który w języku polskim można by na-

zwać „liczbą szkodliwości” (LS), co odpowiadałoby niemieckiej nazwie „Wassergefährdungszahl”
(WGZ), czy angielskiej AN (assesment number). Wypadkowa liczba szkodliwości jest średnią aryt-
metyczną wyników trzech w/w., niezależnych testów toksyczności, które podaje się w określonych
granicach liczbowych (p. tabela 5)
Tabela 5.: Testy toksyczności stanowiące podstawę do obliczania liczby szkodliwości LS

Badana cecha

metoda badań

Liczba szkodliwości LS

1. Toksyczność dla ryb

OECD 203

LS1 = 1,9 - 6

2. Toksyczność dla bakterii

DIN 38412 L8

LS2 = 1,9 - 6

3. Toksyczność dla ssaków lub

dafni - oznaczenie LD50

OECD 401

LS3 = 1 - 7

Tabela 6.: Określenie klasy WGK na podstawie liczb szkodliwości

Liczba szkodli-

wości

<1,9

2 - 3,9

4 - 5,9

≥

6

Klasa WGK

0

1

2

3

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

w g t e s t u C E C -
L - 3 3 - A - 9 3

%

olej olej

polietyleno- estry

oleje

mineralny wazelinowy glikole syntetyczne roślinne

8

Wypadkowa liczba szkodliwości obliczana jest ze wzoru: LS = (LS

1

+LS

2

+LS

3

)/3, jest ona śred-

nią arytmetyczną wyników uzyskanych w trzech w/w. testach (tabela 6).

Aby produkt mógł uzyskać certyfikat Niebieskiego Anioła, klasa jego toksyczności nie może

przekraczać wartości LS odpowiadających „0” lub „1-wszej” klasie WGK. W Polsce testy ekotok-
syczne, dotyczące szkodliwości produktów smarowych dla bakterii, skorupiaków i ryb są wykony-
wane wybiórczo przez różne jednostki badawcze, zajmujące się ochroną lub inżynierią środowiska -
brak jednak jak dotąd informacji o tym, że w kraju prowadzi się kompleksowe badania na określe-
nie klasy toksyczności WGK.

4.3 Rakotwórczość (kancerogenność) i mutagenność środków smarowych

Wywołują ją w środkach smarowych między innymi wielopierścieniowe węglowodory aroma-

tyczne (WWA, np. fluoren C

13

H

10

, piren C

16

H

10

, benzopiren C

20

H

12

), zawarte zwykle w olejach mi-

neralnych, stanowiących 80% stosowanych w świecie produktów smarowych. Udział WWA w mi-
neralnych olejach smarowych jest uzależniony od sposobu rafinacji ropy naftowej, z której wytwa-
rzane są te oleje. Zjawisko oddziaływania rakotwórczego jest przedmiotem poważnych badań, pro-
wadzonych zarówno przez producentów olejów bazowych jak i organizację IARC (Międzynarodo-
wa Organizacja Badań Raka), będąca agendą Naczelnej Organizacji Zdrowia przy ONZ.

Sposób rafinacji olejów bazowych zależy od rafinerii i możliwości technicznych posiadanej instalacji.

W Polsce najstarsze technologie w tym zakresie reprezentują rafinerie rozlokowane na południu kraju.
Bardziej nowoczesne instalacje posiada rafineria w Płocku i Gdańsku. Oprócz sposobu rafinacji, istotny
wpływ na zawartość WWA w produktach finalnych ma także pochodzenie ropy naftowej.

Dla określenia kancerogenności i mutagenności środków smarowych, przeprowadza się kosz-

towne i długotrwałe testy, które podzielić można na dwie grupy:
- Testy in-vivo prowadzone na żywych ssakach, w dłuższym okresie (nawet do dwóch lat) przeby-

wających w kontakcie z badanym produktem smarowym. Testy te pozwalają określić całość zja-
wisk hormonalnych i immunologicznych zachodzących w organizmie zwierząt doświadczalnych
(najczęściej myszy).

- Testy in-vitro przeprowadzane na wyizolowanych kulturach komórek ssaków lub na koloniach

bakterii, na poziomie biologiczno-molekularnym.

Frakcja olejowa

Rakotw. w

%

IM

WWA w

% masy

Frakcje olejowe nierafinowane
destylowany ekstrakt aromatyczny

85

17,0

19,0

lekki destylat parafinowy

54

10,0

12,0

mieszanina ciężkich destylatów naftenowych

50

4,1

4,1

Frakcje olejowe po rafinacji metodą Edeleanu
ekstrahowany destylat parafinowy, rafin. SO2 i benzenem

4

2,4

3,1

destylat naftenowy rafinowany SO2

2

0

0,7

destylat naftenowy rafin. SO2 i ziemią odbarwiającą

0

0

0,2

Frakcje olejowe po selektywnej rafinacji rozpuszczalnikowej
destylat naftenowy rafinowany furfurolem

0

0

0,7

destylat parafinowy średnio rafinowany furfurolem

0

0

0,6

olej biały (techniczny i medyczny)

0

0

0,3

Frakcje olejowe po hydrorafinacji
hydrorafinowany ekstrakt oleju maszynowego

46

9,7

9,1

hydrorafinowany, neutralizowany destylat naftenowy

8

4,0

3,1

hydrorafinowany olej parafinowy o niskim WL

10

6,5

5,2

Frakcja olejowa po rafinacji ziemią odbarwiającą
destylat naftenowy, rafinowany ziemią odbarwiającą

26

9,1

10

Tabela 7.

Wpływ procesów rafinacji na zawartość WWA, rakotwórczość i mutagenność produktów smarowych

9

Na podstawie wyników takich testów można udowodnić matematyczną zależność (korelację)

między zawartością WWA w oleju, a jego mutagennością oraz potencjalną rakotwórczością.
Współczynnik korelacji między indeksem mutagenności (IM) a zawartością WWA wynosi 0,974,
zaś w przypadku skórnej rakotwórczości 0,862. Zamieszczona wyżej tabela 7, ilustruje wyraziście
wpływ WWA na rozwój choroby nowotworowej i zakłócenia w przekazywaniu kodu genetycznego.

Poza WWA, działanie rakotwórcze wykazują niektóre dodatki wchodzące w skład środków sma-

rowych. W badaniach emulsji chłodząco-smarujących wykryto np., że związkami takimi są różnego
typu azotyny, stosowane jako emulgatory i substancje stabilizujące. Są one nie tylko rakotwórcze ale
również nierozkładalne biologicznie co powoduje ich akumulowanie się w glebie i wodzie, a następ-
nie w organizmach żywych.

Na listę rakotwórczych związków wciągnięto ostatnio w USA również związki baru, często do-

tąd stosowane jako mydła zagęszczające w produkcji wysokogatunkowych smarów plastycznych,
sporządzanych na bazie olejów syntetycznych. Przepisy odnoszące się do eliminowania kancero-
gennych składników z produktów smarowych, obowiązujące w USA, zablokowały np. tamtejszy
rynek dla powszechnie stosowanych i wysoko cenionych smarów plastycznych z rodziny ISOFLEX,
produkowanych przez znaną firmę Klüber Lubrication (RFN). Aby ratować swoją egzystencję, fir-
ma ta musiała w krótkim czasie opracować zastępcze receptury tych smarów, ale już bez udziału
mydeł barowych.

Dla polepszenia właściwości użytkowych współczesnych olejów technicznych i smarów pla-

stycznych, dodaje się do nich, obok składnika podstawowego, jakim jest zwykle olej mineralny,
syntetyczny lub naturalny szereg dodatków uszlachetniających. Niektóre z nich są poważnym bez-
pośrednim zagrożeniem dla człowieka (alergie, nowotwory skóry, podrażnienia oczu itp.), a pośred-
nio również dla środowiska z powodu długiego okresu biologicznego rozkładu i akumulacji w śro-
dowisku. W wielu krajach obowiązuje np. przestrzeganie zakazu stosowania do uszlachetniania
ś

rodków smarowych związków chloru i fosforu, formaldehydu, wspomnianych już azotynów i

związków baru.

4.4. Polichlorowane bifenyle (PCB) jeden z globalnych, współczesnych problemów ekologicz-

nych świata

PCB jest związkiem chemicznym, który na skalę techniczną został zsyntetyzowany w USA w

1929 roku jako odporna chemicznie ciecz niepalna o dużej trwałości oraz bardzo dobrych i stabil-
nych właściwościach dielektrycznych. Produkowana w znacznych ilościach w latach 1950-1970,
była szeroko stosowana jako podstawowy komponent cieczy izolacyjnych do napełniania transfor-
matorów i kondensatorów, jako płyn hydrauliczny i plastyfikator do tworzyw sztucznych, a nawet
jako dodatek do farb i lakierów, środków konserwujących i impregnujących. W handlu PCB wystę-
powały pod różnymi nazwami: Aroclor, Ascarel (USA), Clophen (Niemcy), Sovlo (ZSRR), Ka-
nechlor (Japonia), Fenclor (Włochy), Phenoclor, Pyralene (Francja), Delor (Czechosłowacja) i
inne. W Polsce również produkowano PCB w Zakładach Azotowych w Tarnowie.

W latach sześćdziesiątych, w wyniku sygnałów ostrzegawczych, przekazywanych przez toksyko-

logów, podjęto szeroko zakrojone badania interdyscyplinarne, które wykazały, że PCB:
- są nierozkładalne w przyrodzie i kumulują się w organizmach żywych,
- blokują naturalną przemianę materii w organizmie i trwale uszkadzają organy wewnętrzne,
- uszkadzają nieodwracalnie komórki systemu nerwowego,
- powodują zakłócenia w funkcjonowaniu systemu odpornościowego organizmu,
- zniekształcają kod genetyczny, powodując urodzenia mutantów,
- przy spalaniu tworzą najbardziej toksyczne ze znanych trucizn - dioksyny (tysiąc razy silniejsze

od cyjanku potasu) i furany.

Z przytoczonych wyżej względów w wielu krajach wstrzymano produkcję PCB. Kłopoty i ol-

brzymie koszty związane z neutralizacją PCB, spowodowały praktyki nielegalnego pozbywania się
PCB przez dodawanie ich do różnych olejów przepracowanych. W wielu krajach wprowadzono w
związku z tym zaostrzoną kontrolę stosowania PCB i jego utylizacji, ograniczając w olejach prze-
kazywanych do regeneracji zawartość PCB do poziomu 20 ppm, (20 ppm – 20 części PCB w milio-

10

nie części oleju) a chloru do 2000 ppm. Spalanie odpadów zawierających PCB w ilościach przekra-
czających w/w. ilości wymaga użycia specjalnych instalacji, w których koszt utylizacji 1 tony odpa-
dów kształtuje się na poziomie 5-10 tys. DM.

W Polsce od 1967 roku aż do początku lat osiemdziesiątych stosowano PCB do napełniania

kondensatorów i transformatorów w ilości około 100 ton rocznie. Szacuje się, że łącznie w Polsce w
kondensatorach i transformatorach pracujących lub wycofywanych z eksploatacji znajduje się ponad
1400 ton PCB, wymagających utylizacji. O skali problemu niech świadczy to, że już 100 gramów
PCB, dodane do 1 tony przepracowanego oleju sprawia, że nie może on być zwrócony do rafinerii,
bo 100 ppm > 20 ppm. Aby uporać się z tym problemem realizowany jest, z funduszy KBN, spe-
cjalny projekt badawczy, który przewiduje:
- przeprowadzenie inwentaryzacji i ewidencji pracujących i złomowanych urządzeń zawierających

PCB, oraz miejsc prawdopodobnego występowania tych substancji jako zanieczyszczenie środo-
wiska.

- opracowanie systemu monitoringu PCB w kraju,
- opracowanie założeń i wdrożenie krajowego systemu selektywnej zbiórki PCB,
- dobór i sprawdzenie optymalnej technologicznie i pod względem kosztów, ekologicznie bezpiecz-

nej metody degradacji PCB.

4.5. Oleje bazowe

Podstawowym, jak dotąd składnikiem środków smarowych tak płynnych jak i plastycznych są

oleje mineralne. Dominują one również w grupie olejów hydraulicznych i technologicznych. W
ostatnich latach można zauważyć zdecydowaną tendencję do zmian, mających swoje wielorakie
uzasadnienie, a leżących w szczególności w obszarze uwarunkowań ekologicznych. Udział olejów
mineralnych w ogólnym bilansie zużycia olejów wynosi obecnie 80% i systematycznie spada. Swo-
ją przodującą pozycję zawdzięczają one stosunkowo niskiej cenie, lobbystycznym praktykom go-
spodarczym i opanowanej technologii rafinacji. Z racji swojej małej trwałości termooksydacyjnej,
niekorzystnej charakterystyce temperaturowo-lepkościowej, i dużej odparowalności, nie powinno
się ich jednak stosować w temperaturach powyżej 90 do 120°C. W zestawieniu z innymi olejami
wygląda to jak w poniższej tabeli 8.

Tabela 8. Biodegradowalność i dopuszczalne temperatury ciągłej pracy olejów technicznych

Rodzaj oleju

Biodegradowalność w %

Dopuszczalna temp. pra-

cy w °C

estry oleju rzepakowego

90-100

50 - 60(80)

oleje mineralne

20-30

90 - 120

polietylenoglikole (PEG)

90

150

polialkiloglikole (PAG)

10-60

150 - 160

polialfaolefiny (PAO)

0-60

170 - 180

oleje dwuestrowe

> 90

170 - 180

polialkoholowe estry aromatyczne

0-20

200 - 240

Oleje pochodzenia organicznego, aktualnie stanowią zaledwie około 1,0% w ogólnym bilansie

płynnych środków smarowych, zaczynają jednak odgrywać coraz większą rolę i to co najmniej z
dwóch zasadniczych powodów:
- bo uzyskiwane są z surowców odnawialnych, zatem nie uszczuplają naturalnych zasobów ziemi,
- są biodegradowalne i w mniejszym stopniu niż inne oleje zanieczyszczają środowisko.

Najtańszym olejem organicznym jest olej rzepakowy. Przy zbiorach rzędu 25-30 q/ha, rocznie z

1 hektara pola można uzyskać około 1 tony oleju rzepakowego. Nowoczesne odmiany rzepaku - ni-
skoerukowe (NE), zwane też jednozerowe, mają obniżony poniżej 0,5% szkodliwego dla zdrowia
poziom kwasu erukowego, a najnowsze odmiany, tzw. dwuzerowe, mają ponadto znacznie obniżo-
ny poziom związków siarki.

11

Naturalny olej rzepakowy zbudowany jest z cząstek trójglicerydów, trójestrów, gliceryny i kwa-

sów tłuszczowych. Oleje organiczne w swej surowej postaci nie nadają się do zastosowań przemy-
słowych. W procesach zwanych transestryfikacją uzyskuje się przetworzone formy naturalnego ole-
ju rzepakowego w postaci glicerynowych estrów kwasów karboksylowych wyższych rzędów. Po-
dobnie jak i pozostałe oleje roślinne zawiera on nietrwałe termicznie wiązania węglowodorowe i
etylenowe oraz grupy estrowe, łatwo podlegające hydrolizie w środowisku wodnym, co zresztą de-
cyduje o ich szybkiej biodegradowalności. Mimo wielu, bardzo poważnych, wad estry oleju rzepa-
kowego stosowane są już obecnie na szeroką skalę w przemyśle, między innymi jako domieszki (do
3%) do olejów napędowych dla silników wysokoprężnych, poprawiając między innymi pod wzglę-
dem ekologicznym skład spalin. W dziedzinie smarowania maszyn, stosowane są już powszechnie
jako oleje smarowe do pił spalinowych, stosowanych w leśnictwie i sadownictwie. W kolejnictwie
są stosowane do smarowania rozjazdów oraz obrzeży kół, jako oleje do form w budownictwie, a
także coraz częściej jako oleje hydrauliczne do agregatów hydraulicznych występujących w maszy-
nach rolniczych i drogowych. W tej ostatniej dziedzinie zastosowania widać wyraźnie zwiększający
się z roku na rok udział olejów roślinnego pochodzenia w ogólnym bilansie olejów hydraulicznych.
Tabela 9. Porównanie właściwości oleju rzepakowego i mineralnego

Rodzaj oleju

Cecha

Olej rzepakowy

Olej mineralny

z rafinacji solvent

Gęstość w g/ml

0,919

0,872

Lepkość w cSt

36

30

Wskaźnik lepkości (VI)

214

105

Temperatura zapłonu w °C

> 250

220

Liczba zasadowa mg KOH/g

0,3

< 0,01

Zawartość siarki w ‰

1,9

30,0

Biodegradowalność w %

90 -100

30

Zawartość azotu w ‰

21

150

Odparowalność

mała (duży ciężar molekul.)

duża

Odporność termooksydacyjna

bardzo słaba

mierna

Agresywność na uszczelnienia taka sama jak oleju mineralnego

mierna

Własności tribologiczne

lepsze od oleju mineralnego

(bardzo dobra smarność i anty-

korozyjność)

dobre

Własności oleju smarowego, sporządzonego na bazie oleju rzepakowego w zestawieniu z analo-

gicznymi własnościami oleju mineralnego przedstawiono w tabeli 9. Z dodatkami uszlachetniają-
cymi, inteligentnie dobranymi, rafinat oleju rzepakowego uzyskuje doskonałe własności antykoro-
zyjne, antyzużyciowe i antypienne. Bez inhibitorów znacznie zwiększa swoją lepkość w procesie
starzenia, co jest wynikiem procesów polimeryzacyjnych. Ten efekt starzenia stwarza pewne pro-
blemy eksploatacyjne np. w układach hydraulicznych gdzie z powodu tworzących się w rozdziela-
czach osadów, mogą wystąpić zakłócenia w sterowaniu. W zastosowaniu do pojazdów szynowych
wycieki spolimeryzowanego (zużytego) oleju rzepakowego mogą powodować oklejanie szyn i tym
samym problemy z hamowaniem. Estry oleju rzepakowego mieszają się z olejem mineralnym w
każdym stosunku - z wodą bardzo słabo (0,1%). Przepracowanych olejów rzepakowych nie można
poddawać powtórnej rafinacji - podlegają one spalaniu.

Coraz szersze stosowanie oleju rzepakowego w przemyśle ma też swoje uzasadnienie w aspekcie

kształtowania polityki rolnej państw, w których występuje nadprodukcja żywności np. w krajach
Europy Zachodniej (zmniejszenie areału ziemi leżącej odłogiem i jednoczesne zmniejszenie impor-
tu ropy naftowej). W Polsce, zajmującej trzecie miejsce na liście światowych producentów rzepaku,
pod uprawę rzepaku można wykorzystać rozległe tereny, skażonej przez przemysł ziemi Zagłębia
Miedziowego lub Górnego Śląska.

Poza olejem rzepakowym stosuje się w przemyśle również takie oleje roślinne jak: lniany, sło-

necznikowy i inne, a także tłuszcze zwierzęce, w szczególności łój.

12

- Oleje syntetyczne tworzy liczna, wciąż rozrastająca się, grupa olejów uzyskiwanych na drodze
syntezy chemicznej. Wyróżniają się one dobrą charakterystyką lepkościową, stabilnością termook-
sydacyjną i małą odparowalnością, co umożliwia ich zastosowanie do smarowania węzłów tarcia, w
których występują wysokie temperatury. Najbardziej popularne z grupy olejów syntetycznych są -
oleje estrowe. Otrzymuje się je między innymi z surowców pochodzenia roślinnego. Na obecnym
etapie technologii olejów estrowych istnieje możliwość uzyskiwania dużej różnorodności komplek-
sowych estrów w szerokiej gamie lepkości. Rozróżnia się:

- alifatyczne estry kwasu dwukarboksylowego,

- polialkoholowe estry,

- aromatyczne estry,

- kompleksowe estry.

Tabela 10. Własności fizyczne i tribologiczne olejów estrowych

Rodzaj oleju

Ciężar właśc.

w g/ml

Temp. krzep.

w °C

Lepkość

w cSt/40°C

Wskaźnik

lepkości VI

Względny

wskaźnik zuż.

olej rzepakowy

0,98

-5

32

210

1,0

kompleksowy

olej estrowy

1,05

-30

800

175

0,5

jw. o m. lepk.

1,01

-35

75

130

0,7

trójmetylopro-

penowy ester

0,96

-50

37

155

1,0

Oleje estrowe nie podlegają hydrolizie, nawet w podwyższonych temperaturach i nie są rozpusz-

czalne w wodzie. Ta ostatnia cecha ogranicza migrację oleju w gruncie, co tym samym zapobiega
skażeniu wód gruntowych. W porównaniu z olejem rzepakowym oleje estrowe mają niższą tempe-
raturę krzepnięcia. Podstawowe własności fizyczne i tribologiczne produkowanych olejów estro-
wych pokazano w tabeli 10.

Oleje estrowe znajdują zastosowanie w szczególności jako oleje bazowe do sporządzania sma-

rów plastycznych, „konstruowanych” pod określone potrzeby. Jako zagęszczacze można stosować
zarówno stearynian litu jak i zagęszczacz krzemowy czy bentonitowy. Oleje estrowe są niezwykle
cennym składnikiem wszelkiego rodzaju suspensji, nadając im wyjątkową trwałość - większą niż
suspensji na bazie oleju mineralnego. Bardzo dobre efekty uzyskuje się przez stosowanie estrów do
smarowania węzłów tarcia wykonanych z tworzyw sztucznych np. pary PCV/Polietylen.

Oleje estrowe mają szereg cennych zalet:
- mieszają się z wszystkimi olejami i niemal wszystkimi dodatkami uszlachetniającymi,
- mają dobre własności smarne,
- niską odparowalność, a są przy tym trudnopalne,
- nie wykazują lub mają niewielką toksyczność,
- dobra biodegradowalność (84%, ale nie wszystkich estrów),
- mają dużą trwałość termooksydacyjną (wydłużone okresy wymiany oleju),
- naturalny brak skłonności do pienienia,
- nie pozostawiają osadów i nagarów,
- mają bardzo dobre własności w niskich temperaturach,
- dobre własności antykorozyjne,
- dobrą filtrowalność (znacznie lepszą niż oleje rzepakowe).

Z racji swoich licznych, cennych zalet oleje estrowe znajdują szerokie zastosowanie w technice

smarowania maszyn. Niektóre z nich wymieniono w zestawieniu pokazanym w poniższej tabeli 11.

- Oleje poliglikolowe. Jest to grupa olejów syntetycznych o bardzo zróżnicowanych właściwo-
ś

ciach. Wszystkie jednak charakteryzuje niska temperatura krzepnięcia i korzystna charakterystyka

ν

= f(T). Wskaźnik WL (VI) = 150-270. Gęstość 0,9-1,1 g/ml. Lepkość od 20-40 cSt/40

°

C. Mogą

13

być stosowane w szerokim zakresie temperatur od -50 do + 200

°

C. Duża odporność na starzenie i

mała odparowalność umożliwiają nawet pięciokrotne wydłużenie okresu wymiany oleju. Nie wolno
ich mieszać z olejami mineralnymi, dopuszcza się ich mieszanie z olejami estrowymi. Są agresywne
w stosunku do lakierów, uszczelnień konwencjonalnych, a nawet aluminium. Polietylenoglikole
(PEG) są higroskopijne i dlatego nie powinny być stosowane w otwartych układach smarowania.
Pod względem biodegradowalności, tylko PEG uznać można za olej, który odpowiada wymogom
zakwalifikowania go do grupy olejów szybko neutralizowanych w naturalnym środowisku.

Tabela 11. Przykłady zastosowania olejów estrowych

Zastosowanie

Rodzaj
oleju estrowego

oleje

hydraul.

oleje

przekład.

oleje do
smarów

plastycz.

oleje

do pił

motor.

oleje sil-

nikowe

oleje do

sprężarek

oleje

turbi-

nowe

dwuestry alifatyczne

X

X

X

-

X

X

X

dwuestry aromatyczne

-

X

X

-

-

X

-

estry polialkoholowe

X

X

X

-

X

-

X

estry polimerowe

-

X

X

-

X

-

-

estry kompleksowe

X

X

-

-

X

-

-

estry naturalne (o. rzep.)

X

-

-

X

-

-

-

- Oleje silikonowe stosuje się w szerokim zakresie temperatur od -50 do 250

°

C. Mają dobrą charak-

terystykę

ν

= f(T) i dużą odporność na starzenie. Są nieprzydatne do smarowania silnie obciążonych

powierzchni. W przypadku łożysk tocznych nie powinno się ich stosować gdy P/C > 0,03. Z racji
bardzo niskiej temperatury krzepnięcia stosuje się je w technice kosmicznej i lotniczej, i to najczę-
ś

ciej jako oleje bazowe do sporządzania silikonowych smarów plastycznych.

Ciężar właściwy - 1,2 g/ml. WL = 190 - 500 (!),

ν

= 80 -170 cSt/40

°

C.

4.6. Mieszalność olejów technicznych

Z uwagi na możliwość wystąpienia antagonizmów chemicznych, niedopuszczalne jest w zasa-

dzie mieszanie olejów syntetycznych z olejami mineralnymi. Wyjątek stanowią tu oleje estrowe.
Również mieszanie olejów syntetycznych między sobą jest w większości przypadków niedopusz-
czalne. Pewien pogląd na problem daje poniższa tabela 12.

Tabela 12. Mieszalność olejów smarowych

Rodzaj oleju estrowy

poligli-
kolowy

silikonowy

metylowy

silikonowy

fenylowy

alkoxyflu-

orowy

mine-

ralny

estrowy

-

+

O

+

O

+

poliglikol.

+

-

O

O

O

O

silik.-metyl.

O

O

-

+

O

O

silik.-fenyl.

+

O

+

-

O

O

alkoxyfluor.

O

O

O

O

-

O

mineralny

+

O

O

O

O

-

+ - mieszanie dopuszczalne

O - mieszanie niedopuszczalne

4.7. Smary plastyczne

Są to środki smarowe często błędnie nazywane smarami stałymi, gdy tymczasem są to substancje

koloidalne, składające się z oleju zagęszczonego mydłami i z licznych na ogół dodatków uszlachet-
niających. Mają jednocześnie właściwości ciał stałych i cieczy. Mikroskopowy obraz smaru pla-
stycznego jest podobny do gąbki nasyconej cieczą. Gąbkę stanowi zagęszczacz (substancja o cha-
rakterze mydła), fazę ciekła stanowi olej – mineralny lub syntetyczny. Faza ciekła decyduje o wła-
ś

ciwościach smarnych i ich zmianach wraz z temperaturą, odporności na utlenianie, skłonności do

odparowywania. Zagęszczacz tworzy elastyczną, przestrzenną strukturę sieciową, która wiąże fazę
ciekłą i nadaje smarowi wymaganą konsystencję. Najczęściej stosowanym zagęszczaczem jest my-
dło litowe, a dokładnie związki jak 12-hydroksystearynian litu lub stearynian litu. Właściwa struktu-
ra smaru istnieje dzięki istnieniu sił przyciągania powierzchniowego, sił kapilarnych oraz zjawiska

14

adsorpcji powierzchniowej między zagęszczaczem a fazą ciekłą. Do smaru wprowadza się ponadto
różne substancje modyfikujące jego strukturę i właściwości dla nadania smarowi odpowiednich
cech użytkowych. W zakresie chemii smarów plastycznych nastąpił w ostatnich 20 latach ogromny
postęp, w efekcie którego pojawiła się na rynku bardzo zróżnicowana paleta smarów zarówno wie-
lofunkcyjnych jak i „skonstruowanych” pod ściśle określone potrzeby. Mówi się w takich przypad-
kach o smarach specjalnych lub specjalistycznych, spełniających warunki stawiane przez określone
węzły tarcia lub technologie (smary technologiczne).

W przeszłości smary plastyczne spełniały drugorzędną rolę w technice smarowniczej. Ich stoso-

wanie uzasadnione było tylko w przypadkach, w których ze względów konstrukcyjnych kłopotliwe,
lub wręcz niemożliwe było stosowanie oleju. W nowoczesnej technice smarowniczej, smary pla-
styczne skutecznie wypierają smarowanie olejowe i to nawet w takich maszynach i przypadkach, w
których do niedawna było to nie do pomyślenia. Za przykład może tu posłużyć smarowanie łożysk
tocznych wysokoobrotowych wrzecion obrabiarek.

Wzrost popularności i znaczenia smarów plastycznych przypisać można przede wszystkim upo-

wszechnianiu się idei skąpego smarowania, którą w sposób najprostszy, a zarazem skuteczny można
praktycznie zrealizować stosując tzw. smarowanie bezobsługowe smarem plastycznym w czasie
montażu określonego węzła tarcia. Podstawową cechą fizyczną smarów plastycznych jest ich kon-
systencja. Za powszechnie obowiązującą przyjęto klasyfikację NLGI (National Lubricating Grease
Institut, USA), która dzieli smary plastyczne na 9 klas konsystencji (p. tabela 13). Polska norma (PN-
58/C-04133) przyjęła amerykańską klasyfikację.

Tabela 13. Klasy konsystencji smarów plastycznych

Klasa

Penetracja w 25

0

C po ugniataniu

Stan

Uwagi

konsystencji NLGI

PN-72/C-04095

000

445-475

powyżej 440

prawie płynny

smary plastyczne wykazu-

00

400-430

powyżej 395

prawie płynny

jące w temperaturze poko-

0

355-385

350-390

wyjątkowo miękki jowej własności cieczy

1

310-340

305-345

bardzo miękki

smary plastyczne w

2

265-295

260-300

miękki

konsystencji wazeliny

3

220-250

215-255

ś

rednio miękki

4

175-205

170-210

ś

rednio twardy

smary plastyczne „twarde”

5

130-160

125-165

twardy

o własnościach zbliżonych

6

85-115

80-120

bardzo twardy

do własności wosku

Podstawą klasyfikacji jest tzw. penetracja. Jednostką penetracji jest liczba niemianowana, odpo-

wiadająca zagłębieniu się znormalizowanego w badanym smarze stożka penetracyjnego, o masie
150 g przy temperaturze 25

°

C, w czasie 5 sekund. Zagłębienie to wyraża się w dziesiątych czę-

ś

ciach milimetra, ale podaje się je bez miana. Im zatem większa jest liczba wyrażająca penetrację,

tym bardziej miękki jest smar plastyczny.

Drugą po konsystencji ważną cechą smaru jest rodzaj zagęszczacza. Do zagęszczania oleju stosu-

je się najczęściej związki metali: glinu, litu, sodu, wapnia, baru lub tzw. mydła kompleksowe. Naj-
częściej mydło zagęszczające powstaje jako reakcja: – kwas tłuszczowy + wodorotlenek lub tlenek
metalu = mydło + woda. Na przykład: kwas 12-hydroksystearynowy + tlenek litu = 12-
hydroksystearynian litu + woda. Jako zagęszczacze mogą również służyć substancje nieorganiczne
typu grafit, dwusiarczek molibdenu lub bentonit (glinki bentonitowe). Coraz częściej pojawiają się
też smary plastyczne syntetyczne, sporządzane na bazie olejów i zagęszczaczy syntetycznych np.
mocznikowych. Odrębną grupę stanowią smary węglowodorowe np. wazelina lub smary czarne. Są
to oleje mineralne zagęszczone węglowodorami typu parafina, cerezyna, lub asfalt.

Zbiorcze zestawienie własności najpopularniejszych smarów plastycznych podano w tabeli 14

15

Tabela 14. Ogólne własności smarów plastycznych

RODZAJ SMARU

W Ł A S N O Ś C I

+ + + b. dobre, + + dobre, + przeciętne, - złe

ZAGĘSZCZACZ

Olej

Zakres

Temp.

Odporność Ochrona

Odporność Relacja

Przydatność

UWAGI

rodzaj

mydło

bazowy

temp.

0

C

kropl.

0

C

na wodę

korozyjna

na naciski cenowa * dla łoż. toczn.

normalny glinowe

wapniowe

mineralny -20....70

-30....50

120

80....100

+ +

+ + +

+

+ +

+
+

2,5 - 3

0,8

+
+

pracuje w obecności wody
nie reaguje z wodą (działa uszczel-
niająco).

litowe
sodowe

-35....130
-30....100

170....200

150...190

+ + +

-

+ +

+ + +

+

+ +

1

0,9

+ + +

+ +

smar wielofunkcyjny
emulguje z wodą (wymywany
przez wodę)

komplex

glinowe
barowe

mineralny -30....160

-30....140

260
220

+ + +

+ +

+ + +
+ + +

+

+ +

2,5 - 4

4 - 5

+ + +
+ + +

smar wielofunkcyjny
smar wielofunkcyjny, odporny na
parę wodną

wapniowe
sodowe
litowe

-30....160
-30....130
-30....150

240
220
240

+ +

+

+ +

+ +

+ + +

+

+ +

+

+ +

0,9 - 1,2

3,5

2

+ + +
+ + +

+ +

smar wiel., skłonny do twardn.
smar wielofunkcyjny
smar wielofunkcyjny

normalny litowe

estrowy

-60....130

190

+

+

+

5 -6

+ + +

w niskich temperaturach. i wyso-
kich prędkościach obrotowych

komplex

barowe

litowe
litowe

estrowy

estrowy

silikonowy

-60....130

-40....180
-40....180

200

240
240

+ +

+ +
+ +

+ + +

+
+

+ +

+

-

7

10
20

+ + +

+ + +

+ +

niskie temp., wysokie prędkości
obrotowe, średnie obciążenie
dla szczeg. szerok. zakresu temp.
jw., jednak P/C<0,03

bentonitowy poli-
mocznikowy

mineralny -20....150

-25....160

nie występ.

250

+ + +
+ + +

-

+

+

+ +

2 - 6

3

+ +

+ + +

wysokie temp., niskie naciski
szeroki zakres temp., średnie obc.

polimocznikowy

silikonowy -40....200

250

+ + +

+

-

35 - 40

+ +

wys. i niskie temp., małe obciąż.

polimocznikowy

fluoro-

silikonowy

-40....200

250

+ + +

+

+

100

+ + +

wys. i niskie temp., śr. obciąż.

PTFE (czterofluoro-
etylen)
FEP (fluoroetylen,
fluoropropylen)

alkilo-
fluorowy

fluorowo-
silikonowy

-50....250

-40....230

nie wyst.

nie wyst.

+ + +

+ + +

+

+

+ +

+ +

150-400

120

+ + +

+ + +

obydwa smary do stosowania w
ekstremalnie szerokim zakresie
temp. B. dobra odporność na
chemikalia i rozpuszczalniki.

* Odniesiona do ceny smaru litowego na bazie oleju mineralnego źródło: FAG Publ. Nr 81 115DA

16

Ważną, z punktu widzenia użytkownika cechą smaru plastycznego jest temperatura jego kro-

plenia. W przybliżeniu można uznać ją za temperaturę topnienia smaru. Temperatury robocze
powinny być niższe od temperatury kroplenia o 20 - 30

°

C, a nawet o więcej.

O trwałości eksploatacyjnej smaru plastycznego lub oleju decyduje jego odporność na utlenia-

nie, czyli na tworzenie związków chemicznych z tlenem. Zależy ona od składu chemicznego oraz
skuteczności oddziaływania dodatków przeciwutleniających. Utlenianie smaru powoduje zmiany
jego składu chemicznego, wskaźnika penetracji i innych cech. Podczas utleniania powstają kwa-
ś

ne i alkaliczne substancje, zwiększające korozję metalu.

Kolejną własnością smaru plastycznego jest jego smarność. Charakteryzuje ona oddziaływanie

smaru na elementy maszyn w warunkach tarcia granicznego. Opisuje ona również skłonność (po-
datność) smaru do wytworzenia warstwy granicznej w wyniku adsorpcji substancji smarnej na
powierzchniach węzłów tarcia. Miarą tej smarności jest trwałość warstwy granicznej, mierzona
zwykle metodami pośrednimi, poprzez wyznaczanie współczynnika tarcia, oporów ruchu lub
stopnia zużycia współpracujących elementów w określonych warunkach.

4.7.1. Smary plastyczne a środowisko

W przeciwieństwie do olejów smarowych, smary plastyczne niemal w całości przechodzą z

procesów smarowania (węzłów tarcia) do środowiska, a są to ilości niemałe - około 1000 ton
rocznie dla Dolnego Śląska i np. 35.000 ton dla RFN. Ze względu na stosunkowo skromny udział
(5-8%) smarów plastycznych w ogólnym bilansie środków smarowych, od niedawna dopiero za-
częto prowadzić systematyczne badania nad ich biodergradowalnością i opracowywaniem no-
wych receptur, które pozwoliłyby wyprodukować smary plastyczne spełniające kryteria przyzna-
wania certyfikatu "Niebieskiego Anioła". W ostatnich latach pojawia się coraz więcej smarów,
które odpowiadają tym kryteriom w pełni, lub z dużym przybliżeniem. Ogólnie rzecz biorąc re-
ceptura biologicznie rozkładalnego smaru plastycznego zawiera:

OLEJ BAZOWY

w ilości 75 -95%, który powinien być z grupy:

- naturalnych, rzepakowych olejów estrowych (trójglicerydy),

- syntetycznych estrów,

- olejów glikolowych (poliglikole).

ZAGĘSZCZACZ

w ilości 5 -20%, z grupy:

- mydła metalowe wapniowe, litowo-wapniowe),

- zagęszczacze nieorganiczne (bentonity, krzemian glinu, grafit, tlenki i

wodorotlenki metali np. tlenek cynku)

- zagęszczacze organiczne (polimocznikowe, polimery),

- aluminiowe mydła kompleksowe.

DODATKI

w ilości 1 - 8%

(wg. normy RAL-UZ 64 muszą być biodegradowalne gdy ich udział przekracza 5%)

- antyoksydacyjne 0,1-1% (aminy, fenole),

- inhibitory korozji (pochodne kwasów tłuszczowych 0,5-3%),

- dodatki typu EP i AW 0,5-5% - (związki siarki i fosforu).

Dodatki są ważnym składnikiem smaru i często decydują o jego jakości i przydatności w okre-

ś

lonych warunkach pracy. Często są to dodatki wielofunkcyjne, jak sole cynkowe i sole innych

metali np. Acorox88, MNIIP22, Lubrizol 944. Dodatki smarne typu AW (anti wear = przeciw-
działające zużyciu ściernemu), dodawane w ilościach 1-1,5%, którymi są zwykle organiczne
związki siarki, zwiększają adhezję oleju do powierzchni smarowanej, podnosząc tym samym wy-
trzymałość filmu smarnego. Stosuje się też dodatki przeciwkorozyjne neutralizujące bezpośrednie
oddziaływania chemiczne na metal tlenków i kwasów powstałych w czasie starzenia oleju. Od-

17

dzielną grupę dodatków stanowią dodatki typu EP (extreme pressure = na wysokie naciski), które
mają za zadanie polepszyć zdolność oleju i smaru do przenoszenia dużych obciążeń i właściwe
smarowanie przy dużych naciskach jednostkowych.

Nie ulega wątpliwości, że rozkładalny biologicznie smar plastyczny wymaga stosowania do

jego produkcji biodegradowalnych olejów bazowych. Będą to w szczególności oleje estrowe -
rzadziej poliglikole i oleje organiczne. Co się tyczy zagęszczaczy, to najczęściej (90 -95% przy-
padków) stosuje się do zagęszczania oleju mydła metali ziem rzadkich – głównie litu, ale także
wapnia, sodu czy baru, rzadziej substancje nieorganiczne jak np. bentonit. Z wymienionych wyżej
zagęszczaczy zadawalający stopień i szybkość biodegradacji wykazują jedynie mydła wapniowe.
Nierozkładalne, ale zarazem neutralne dla środowiska zagęszczacze, jak np. bentonit, będą w
przyszłości z pewnością odgrywać większą rolę niż dotąd.

Już dziś, przewidując konsekwencje zaostrzających się przepisów ochrony środowiska, podję-

to w wyspecjalizowanych firmach prace nad nowymi recepturami smarów plastycznych, przezna-
czonych w głównej mierze dla taboru samochodowego i szynowego oraz maszyn budowlanych i
rolniczych. Jako pierwsza w Europie, firma KAJO (RFN) opracowała w 1992 roku, na bazie ole-
ju estrowego, dwa biodegradowalne smary plastyczne, które zdobyły certyfikat „Niebieskiego
Anioła”, spełniając wymogi obowiązującej w tym zakresie normy RAL-UZ 64. Są nimi: nisko-
temperaturowy, samochodowy smar KAJO-BIO G - do stosowania w temperaturze do 125°C,
sporządzony na bazie syntetycznych estrów i smar wielofunkcyjny KAJO-BIO-Gel-222, sporzą-
dzony na bazie oleju rzepakowego, który z powodzeniem stosowany jest w układach centralnego
smarowania pojazdów samochodowych i szynowych, np. do smarowania obrzeży kół szynowych
(w RFN 5000 ton rocznie).

Nie ulega wątpliwości, że rodzina biodegradowalnych smarów plastycznych będzie się z ro-

ku na rok powiększała. Już dziś ich reprezentacja liczy kilkadziesiąt przedstawicieli, wśród któ-
rych znajdują się również specjalistyczne smary plastyczne, jak np. Aral BAB EP, przeznaczony
dla silnie obciążonych węzłów tarcia.

4.8. Zagrożenie dla środowiska ze strony środków smarowych

Oleje smarowe i smary plastyczne stanowią zagrożenie dla środowiska na wszystkich etapach

ich „życia”. Mogą trafiać do otoczenia w czasie produkcji, transportu, napełniania układów sma-
rowania, w czasie pracy maszyny, wymiany, utylizacji, a szczególnie w czasie niekontrolowanych
zrzutów bez utylizacji. Nie zneutralizowane, odpadowe produkty naftowe trafiają do gleby oraz
wód powierzchniowych i gruntowych, a w przypadku ich spalania, emitowane są do atmosfery
oprócz dwutlenku i tlenku węgla również dwutlenek siarki i metale ciężkie. Cechą wszystkich
węglowodorów zawartych w olejach mineralnych jest ich znikoma rozpuszczalność w wodzie
oraz skłonność do tworzenia na powierzchni wody trwałych, cienkich warstewek, odcinających
zbiornik wodny od dostępu tlenu z atmosfery. Jeden kilogram produktów naftowych może zdys-
kwalifikować przydatność do celów spożywczych około 1mln litrów wody. Wg omawianych
wcześniej statystyk rocznie trafia w niekontrolowany sposób do ziemskiej ekosfery około 20 mln
ton produktów smarowych, a z takiej samej masy skupu przepracowanych olejów (20 mln ton),
aż 10,5 mln ton rocznie neutralizuje się poprzez spalanie, który to sposób utylizacji też nie jest
obojętny dla środowiska. Szczególnie toksyczne są dodatki stosowane w olejach silnikowych,
których udział w światowym bilansie płynnych środków smarowych jest największy. Zawierają
one związki ołowiu, baru, azotyny, fosforan trójkrezylu, chlor. Zwiększenie trwałości olejów sil-
nikowych przez zastąpienie tradycyjnych olejów mineralnych olejami syntetycznymi umożliwiło
kilkukrotne wydłużenie okresów wymiany, a tym samym zmniejszenie zarówno zapotrzebowania
na oleje silnikowe, jak i zmniejszenie masy przepracowanych olejów (odpadu). W trosce o śro-

18

dowisko podejmuje się również równolegle wysiłki konstrukcyjne zmierzające do podnoszenia
sprawności i szczelności silników spalinowych.

Oleje, przede wszystkim silnikowe, ulegają podczas eksploatacji zanieczyszczeniu substan-

cjami pochodzenia wewnętrznego i zewnętrznego. Jednym z głównych powodów zużycia oleju
jest jego zanieczyszczenie produktami stałymi. Są to nierozpuszczalne produkty zużycia smaro-
wanego urządzenia oraz pyły z atmosfery. Wymiary cząstek stałych zanieczyszczeń mieszczą się
w granicach 10 do 200

µ

m. Po usunięciu zanieczyszczeń mechanicznych i wody większość eks-

ploatowanych olejów można nadal wykorzystać zgodnie z poprzednim przeznaczeniem. Specy-
ficzną grupę zanieczyszczeń stanowią produkty starzenia, powstające w wyniku utleniania, roz-
kładu i polimeryzacji węglowodorów oraz dodatków uszlachetniających, prowadzące do zmiany
chemicznego składu oleju. Zmianom podlega co prawda tylko część objętości środka smarnego,
ale wystarcza to do utraty kluczowych jego właściwości i zdolności smarnych. Zużyty olej w sil-
niku ma np. zawsze kwaśny odczyn, co grozi przyspieszoną korozją silnika.

Wymianę oleju w silnikach lub reduktorach podejmuje się zwykle przedwcześnie, ponieważ

identyfikacja stanu niezdatności oleju wymaga laboratoryjnych badań i jest bardzo kosztowna.
Nie oglądając się na konsekwencje dla środowiska wychodzi się z założenia, że częstsze wymia-
ny oleju są w takiej sytuacji bardziej opłacalne niż konieczność remontu, czy wymiany maszyny
w wyniku zaistniałej awarii spowodowanej niezdatnością środka smarnego. Dla silnika spalino-
wego napędzającego pojazdy okres wymiany oleju ustala się np.: na podstawie przebiegu samo-
chodu, dla silnika stacjonarnego na podstawie czasu pracy lub ilości zużytego przez silnik paliwa.
Po przewidzianym okresie olej jest wymieniany, niezależnie od jego stanu. Wymagania ochrony
ś

rodowiska będą w przyszłości bez wątpienia coraz silniej zmuszać użytkowników maszyn do:

- zmniejszenia emisji (w każdej postaci) olejów i smarów do środowiska,
- zmniejszenia zużycia olejów przez wydłużenie czasu ich pracy,
- lepszej organizacji skupu olejów przepracowanych oraz zmniejszenia kosztów ich regene-

racji i utylizacji,

- podniesienia kultury eksploatacji olejów.

Wydłużanie czasu pracy oleju można uzyskać przez usuwanie z niego zanieczyszczeń mecha-

nicznych. Należy jednak pamiętać, że w miarę wydłużania czasu pracy oleju zwiększa się w nim
zawartość szkodliwych toksyn. Toksyczność przepracowanych olejów jest przede wszystkim wy-
nikiem kumulowania się w nich produktów starzenia się oleju, a w silnikach spalinowych rów-
nież produktów powstających w procesach spalania. Obecność toksycznych substancji w oleju
poddawanym regeneracji może być także wynikiem niewłaściwie prowadzonej zbiórki, przecho-
wywania i transportu oraz zastosowania nieodpowiedniej metody przetwarzania i regeneracji.

Rosnące zagrożenie środowiska naturalnego stawia problem zagospodarowania przepracowa-

nych olejów w rzędzie kluczowych problemów ekologicznych. Najbardziej niebezpieczne dla
człowieka są toksyczne substancje zawarte w tego rodzaju odpadach, dobrze rozpuszczające się
w tłuszczach obecnych w organizmie żywym. Wiele z nich (np. nitrozoaminy, PCB) wykazuje
ponadto zdolność do kumulowania się w organizmach żywych. Regeneracja przepracowanych
olejów wymaga kosztownej, specjalistycznej instalacji, która nie w każdej rafinerii jest dostępna.
Neutralizacja natomiast przepracowanych środków smarowych (olejów i emulsji) bezpośrednio w
zakładzie gdzie tego rodzaju odpady powstają, choć pod względem technicznym łatwiejsza, wy-
maga również nakładów, które są opłacalne tylko w przypadku stosunkowo dużych ilości olejów,
jakie rocznie poddaje się neutralizacji. Dlatego podstawową metodą zmniejszenia zagrożenia śro-
dowiska odpadami ropopochodnymi jest dobrze zorganizowany system ich zbiórki (skupu) i uty-
lizacja przepracowanych olejów w wyspecjalizowanych zakładach.

19

Mniej doskonałym, z ekologicznego punktu widzenia, sposobem utylizacji jest spalanie olejów

przepracowanych lub użycie ich jako materiału impregnacyjnego. Aby uniknąć powstawania tok-
sycznych spalin (dioksyn) w procesie spalania odpadów ropopochodnych, niedozwolone jest ich
spalanie w niskotemperaturowych piecach zakładowych kotłowni. Zagrożenia tego nie ma gdy
spala się je w specjalnych wysokotemperaturowych paleniskach, w procesach metalurgicznych i
w przemyśle cementowym.

4.8. Smary stałe

Odmienną, niekonwencjonalną, ale odgrywającą coraz większą rolę grupę smarów tworzą

ciała stałe o budowie krystalicznej lub bezpostaciowej. Należą do nich takie substancje jak:

- grafit
- dwusiarczek molibdenu MoS

2

- dwusiarczek wolframu WS

2

- azotek boru
- proszki metali plastycznych (Ag, Au, Sn, Pb)
- proszki PTFE (teflon) i innych tworzyw sztucznych

Pod względem ekologicznym smary tej grupy można uznać za neutralne, nie zanieczyszczają-

ce środowiska. Taka kwalifikacja jest umotywowana spełnieniem przez nie niemal wszystkich
kryteriów, jakie powinny cechować środki smarowe, których przedostawanie się do środowiska
nie powoduje w nim ujemnych skutków.

Mechanizm działania smarów stałych polega między innymi na tym, że „uzbrajają” po-

wierzchnie, wypełniając mikronierówności, a tym samym zwiększają rzeczywistą powierzchnię
nośną współpracujących elementów. Niektóre smary stałe o specyficznej budowie krystalicznej
zawdzięczają swoje smarujące działanie zróżnicowanej sile wiązań atomowych, działających w
poszczególnych płaszczyznach rozmieszczenia atomów, np. węgla w heksagonalnym układzie
krystalograficznym grafitu lub molibdenu i siarki w przypadku dwusiarczku molibdenu (p. rys. 4).

Dwusiarczku molibdenu lub wolframu nie powinno się stosować do smarowania powierzchni

narażonych na obecność wody z uwagi na możliwość wystąpienia elektrochemicznej korozji.

W warunkach tarcia granicznego, kiedy to lokalnie na współpracujących powierzchniach mogą

wystąpić wysokie temperatury, dochodzi do reakcji chemicznej siarki z żelazem o korzystnych
dla procesu tribologicznego konsekwencjach

MoS

2

+ 2 Fe

→

2FeS + Mo

Siarczek żelaza podobnie jak dwusiarczek molibdenu ma budowę krystaliczną ze stosunkowo

słabymi wiązaniami pomiędzy płaszczyznami rozmieszczenia atomów siarki, wolny molibden na-
tomiast dyfunduje do warstw przypowierzchniowych, uszlachetniając je pod względem właści-
wości antyciernych. Ułatwione jest dzięki temu wywołanie poślizgu między płaszczyznami o sła-
bych wiązaniach atomowych. Model działania smaru typu MoS

2

, FeS czy grafitu można przed-

stawić jak na rysunku 4.

W obecności tlenu MoS

2

skutecznie chroni współpracujące powierzchnie przed zatarciem je-

ż

eli temperatura tych powierzchni nie przekroczy 400

°

C, podczas gdy grafit można stosować do

600

°

C. W próżni granice te leżą znacznie wyżej (1000 i 2000

°

C).

Smary stałe stosuje się w następujących postaciach:

- jako dodatki do olejów (2-3%) lub smarów plastycznych (do 10%) dla zapewnienia funkcji sma-

rowniczych w przypadku wystąpienia tarcia mieszanego, które mogło by być wynikiem dużych
nacisków lub małej prędkości względnej. Spełniają one w tym przypadku rolę dodatków typu EP,

- jako pasty montażowe (duża gama past grafitowych i molibdenowych),
- jako sproszkowane substancje smarowe, do wcierania w uprzednio piaskowane powierzchnie,

20

- jako smary suche (lakiery), nanoszone na piaskowane lub fosforanowane powierzchnie aerozo-

lem lub pędzlem, z pomocą szybko odparowujących rozpuszczalników (powłoki T-S-T, co
oznacza Tribo-System-Trockenschmierstoffe, AF-Coating),

- jako pasty wysokotemperaturowe,
- jako powłoki galwaniczne.
- jako samosmarujące materiały konstrukcyjne np. teflon (jest to liczna i rozrastająca się szybko

grupa materiałów).

C

Struktura krystaliczna grafitu

Mo

S

MoS2

S
Mo
S

S

Mo

Mo
S

Rys. 4. Modele siatek krystalograficznych i mechanizmu działania grafitu i MoS

2

4.9. Samosmarujące materiały konstrukcyjne

Smarowanie węzłów tarcia jest w wielu przypadkach koniecznością i wyborem mniejszego

zła, mającym swoje uzasadnienie tak techniczne jak i ekonomiczne. Bezwzględnie jednak lepsze
są takie rozwiązania konstrukcyjne węzłów tarcia, które nie wymagają smarowania. Do ich bu-
dowy stosuje się samosmarujące materiały konstrukcyjne, wykazujące specyficzne właściwości
triologiczne. We współczesnych konstrukcjach maszyn, nie tylko precyzyjnych, coraz częściej
wykorzystuje się materiały nie wymagające wcale, lub w ograniczonym tylko stopniu, smarowa-
nia. Polimerowe, samosmarujące materiały konstrukcyjne takie jak poliamid czy polietylen z do-
mieszką grafitu, dwusiarczku molibdenu, proszki metali miękkich znajdują zastosowanie we
wszystkich niemal gałęziach przemysłu. Oferuje się je w postaci łatwych w użyciu, gotowych ło-
ż

ysk, folii lub taśm, stwarzających atrakcyjną alternatywę proekologicznego rozwiązania proble-

mów tribologicznych.

Szczególnie cenne właściwości użytkowe mają tworzywa sztuczne drugiej generacji takie jak

tetrafluoroetylen (teflon, PTFE - politetrafluoroetylen), polieteroketony (PEK), poliamidy (PA),
polietero-sulfony (PES), stosowane jako materiały jednorodne, zmieszane ze sobą bądź produko-
wane z dodatkiem wypełniaczy. Mogą być stosowane przy znacznie większym obciążeniu niż po-
równywalne wymiarowo metalowe łożyska ślizgowe, smarowane olejem lub smarem plastycz-
nym i to w wysokim zakresie temperatur do 250-300

°

C. Ich trwałość jest uzależniona od obcią-

ż

enia węzła i prędkości ruchu względnego współpracujących powierzchni.

Do samosmarujących materiałów konstrukcyjnych zaliczają się również duroplasty, w szczegól-

ności epoksydowe i fenolowe żywice z domieszką stałych smarów typu grafit lub dwusiarczek mo-
libdenu. Gotowe do montażu elementy łożyskowe uzyskuje się na drodze skrawania z półwyrobów,
lub nanosi się je metodą szpachlowania, po uprzednim zmieszaniu żywicy z utwardzaczem, w sta-
nie półpłynnym na powierzchnie. Z takich materiałów wykonuje się między innymi koszyki łożysk
tocznych nie wymagających smarowania, okładziny powierzchni prowadnicowych itp.

powierzchnie
poślizgu

p

o

w

ie

rz

ch

n

ie

ad

-

h

e

zj

i

i

p

o

śl

iz

g

u

podłoże

podłoże

21

Przedstawicielem tej grupy materiałów jest kompozyt Turcite-B, stosowany od wielu już lat do

budowy połączeń prowadnicowych różnorodnych maszyn, a w szczególności obrabiarek. Turcite-
B jest spiekanym materiałem zbudowanym na bazie teflonu (PTFE). Dobra obrabialność i wyjąt-
kowo duża odporność na ścieranie stwarzają dla tego materiału szerokie pole zastosowań.

Turcite-B produkuje się również w postaci taśm, służących do wyklejania powierzchni nara-

ż

onych na ścieranie (np. prowadnic, tulei itp.). Najlepsze właściwości tribologiczne wykazuje we

współpracy z powierzchniami bardzo twardymi (60 HRC lub 240 HB w przypadku żeliwa) i
gładkimi (Ra = 0,2 - 0,4 (0,8)

µ

m). Do zasadniczych zalet tego materiału zaliczyć należy:

- zapewnienie wolnego od stick-slipu

przesuwu (mały, niemal stały współ-
czynnik tarcia),

- dużą odporność na zużycie ścierne i

duża w związku z tym trwałość,

- niewrażliwość na zatarcie i możliwość

pracy na sucho,

- niewrażliwość na zabrudzenia,
- zdolność do tłumienia drgań,
- niska cena.

Porównawcze zestawienie wartości

współczynnika tarcia par prowadnicowych Turcite-żeliwo oraz żeliwo-żeliwo w funkcji prędko-
ś

ci ruchu posuwowego pokazano na rysunku 5. Mała i niemal stała wartość współczynnika tarcia

pary Turcite-żeliwo zapewnia płynność ruchu przy małych prędkościach liniowych (posuwach) i
uniknięcie niekorzystnego zjawiska stick-slipu, trudnego do wyeliminowania w przypadku kon-
wencjonalnych rozwiązań (pary żeliwo-żeliwo lub żeliwo-stal).

4.10. Nowoczesne materiały na uszczelnienia

Obciążenie środowiska, w procesach smarowania, jest w dużej mierze uzależnione od sku-

teczności zastosowanych uszczelnień. Szczególnie trudno jest uszczelnić połączenia ruchowe
przed wyciekami środków smarowych. W przypadku gdy stosuje się w tym celu uszczelnienia
dotykowe, skuteczność ta w dużej mierze uzależniona jest od jakości materiałów stosowanych na
uszczelnienia. W ostatnich dwóch dziesięcioleciach opracowano nowe kompozycje materiałów, o
znacznie wydłużonej, w porównaniu do dotychczasowych, trwałości. Wynika ona z małej warto-
ś

ci współczynnika tarcia oraz z dużej odporności tych materiałów na ścieranie, oddziaływanie

chemiczne i starzenie. Przykładem takiej kompozycji materiałowej mogą być elastomery fluoro-
we, występujące na rynku pod firmową (Du Pont) nazwą VITON, niezwykle odporne na ściera-
nie, dopuszczające prędkości liniowe do 38 m/s na powierzchni stykowego uszczelnienia. Jeszcze
większą trwałością cechują się uszczelnienia wykonane z materiału o nazwie KALREZ (Du
Pont), skutecznie spełniające swoje funkcje również w podwyższonych temperaturach, nawet do
300°C. Tradycyjne materiały stosowane na uszczelnienia, wykonane na bazie mieszanek kauczu-
kowych mają zastosowanie ograniczone do temperatur nie przekraczających 150°C i do prędkości
powierzchni z jaką styka się warga uszczelnienia, nie przekraczającej 12 m/sek.

Niezawodność i trwałość uszczelnień dotykowych można polepszyć stosując nowoczesne kon-

strukcje uszczelnień dotykowych, tzw. uszczelnienia hybrydowe. Tworzą je zwykle elastyczny
rdzeń z kauczuku fluorowego lub silikonowego powleczony cienką warstwą odpornego na zuży-
cie ścierne kopolimeru czterofluoroetylenu (TEFLON) z perfluoropropylenem (FEP).

ekol’3a

Rys. 5. Współczynnik tarcia par materiałowych żeliwo-

ż

eliwo oraz TURCITE-żeliwo