Materiałoznawstwo

Uniwersytet Łódzki

dr Leszek Margielewski

Podział tarcia

Kryterium podziału

Rodzaj tarcia

Ruch

Tarcie spoczynkowe

Tarcie kinetyczne

Tarcie ślizgowe
Tarcie toczne

Lokalizacja

Zewnętrzne

Tarcie suche

Wewnętrzne

W płynach

Tarcie płynne
Tarcie graniczne

W ciałach stałych

Odkształcenia plastyczne
Odkształcenia sprężyste

Rodzaje tarcia

A – tarcie suche; B – tarcie graniczne; C – tarcie półsuche; D – tarcie płynne
1 – środek smarny, 2 – film smarowy

Zależność zużycia od rodzaju tarcia

A – smarowanie hydrodynamiczne, B – smarowanie graniczne lub elastohydrodynamiczne,
obszar zużycia adhezyjnego, C – obszar zacierania, D – zatarcie, Z – zespawanie;
linią przerywaną oznaczono linię Hertza

Smarowanie

●

Pod pojęciem smarowania rozumie się wprowadzanie substancji

smarującej pomiędzy współpracujące powierzchnie skojarzenia

trącego.

●

Z technicznego punktu widzenia pod pojęciem smarowania rozumie

się efekt obecności środka smarnego (smaru) w skojarzeniu trącym.

●

Oczekiwanym efektem smarowania jest zmniejszenie

współczynnika tarcia oraz spowolnienie procesów zużywania

współpracujących powierzchni skojarzenia trącego.

●

Smarowanie ma na celu zastąpienie zewnętrznego tarcia suchego

tarciem wewnętrznym środka smarnego.

●

Skutkiem smarowania jest zmniejszenie oporów tarcia i zużywania

elementów konstrukcyjnych maszyn. Ważnym zadaniem smarowania

jest zabezpieczenie przed zacieraniem.

Środki smarne

●

Środek smarny, smar – substancja wprowadzona pomiędzy dwie

współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego w celu

zmniejszenia oporów tarcia.

●

Jako środki smarne są stosowane:

–

gazy,

–

ciecze: oleje smarne, emulsje chłodząco-smarujące,

–

substancje o konsystencji żelu, np. smary plastyczne,

–

substancje stałe: grafit, disiarczek molibdenu, azotek boru itp., a

także niektóre metale (np. miedź, cyna, złoto).

●

Smarność – zdolność środka smarnego do zmniejszania tarcia

inaczej niż poprzez zmianę lepkości.

●

Celem smarowania jest osiągnięcie stanu tarcia płynnego.

Podział smarowania

●

Smarowanie dzielimy na:

–

smarowanie hydrostatyczne –

polega na wytworzeniu w skojarzeniu

trącym, przy użyciu urządzeń zewnętrznych (np. pomp), ciśnienia środka
smarnego, które rozdzieli obie smarowane powierzchnie w taki sposób, że
między nimi będzie występować tarcie płynne.

–

smarowanie hydrodynamiczne –

polega na rozdzieleniu

współpracujących powierzchni skojarzenia trącego samoistnie powstającym
klinem smarowym, w którym ciśnienie równoważy istniejące siły (obciążenia).

–

smarowanie hybrydowe

– połączenie smarowania hydrostatycznego w

czasie rozruchu maszyny i smarowania hydrodynamicznego po osiągnięciu
nominalnej prędkości obrotowej.

–

smarowanie elastohydrodynamiczne –

w odpowiednio

ukształtowanym skojarzeniu trącym powstaje wysokie ciśnienie powodujący
wzrost lepkości środka smarnego i sprężyste odkształcenie powierzchni trących.

Smarowanie hydrostatyczne

Model smarowania hydrostatycznego poprzecznego łożyska ślizgowego
A – przekrój poprzeczny łożyska ślizgowego,
B – rozkład ciśnień w łożysku wywołany czynnikami zewnętrznymi;
1 – panew łożyska, 2 – wał łożyska, 3 – środek smarny,

4 – wlot środka smarnego, 5 – wylot środka smarnego

Smarowanie hydrodynamiczne

Tworzenie klina smarującego w poprzecznym
łożysku ślizgowym w wyniku smarowania
hydrodynamicznego
A – położenie spoczynkowe, B, C – kolejne fazy
rozruchu; tworzenie się klina smarującego,
D – faza ustabilizowanej pracy łożyska

Rozkład sił wewnątrz łożyska ślizgowego

A – przekrój wzdłużny łożyska ślizgowego,
B – przekrój poprzeczny łożyska ślizgowego,
1 – panew łożyska, 2 – wał łożyska,
3 – środek smarny

Smarowanie elastohydrodynamiczne

Model smarowania elastohydrodynamicznego na przykładzie dwóch

toczących się po sobie walców
A – obracające się walce, B – rozkład ciśnienia w skojarzeniu trącym,
1– miejsca sprężystego odkształcenia warstw wierzchnich,
2– środek smarny

Czynniki wpływające na zużycie

●

Czynnikami wpływającymi na zużycie ścierne współpracujących

powierzchni skojarzenia trącego są:

–

lepkość dynamiczna środka smarnego (η),

–

grubość filmu smarującego (h),

–

prędkość wzajemnego przemieszczania się współpracujących

–

powierzchni skojarzenia trącego (v),

–

obciążenie (P),

–

chropowatość powierzchni (R).

1, 2 – przemieszczające się elementy
skojarzenia trącego,
3 – środek smarny

Krzywa Stribecka

Krzywa Stribecka

[1] – tarcie suche (h → 0),
[2] – tarcie graniczne (h ≤ R),
[3] – tarcie mieszane (h ≈R),
[4] – tarcie płynne – smarowanie elastohydrodynamiczne (h > R),
[5] – tarcie płynne – smarowanie hydrodynamiczne (h >> R).

1, 2 – przemieszczające się
elementy skojarzenia trącego,
3 – środek smarny

He

=

 v

P

He

He

kr

Wymagania stawiane środkom smarowym

●

Wymagania stawiane środkom smarowym:

–

powinny odznaczać się wymaganą smarnością,

–

nie powinny reagować z materiałami konstrukcyjnym, z którymi się
kontaktują w skojarzeniu trącym, lub reagować w sposób kontrolowany,

–

powinny zachowywać swoje właściwości użytkowe, w możliwie długim
okresie pracy,

–

nie powinny ulegać degradacji w trakcie składowania,

–

nie powinny wykazywać oddziaływań: toksycznych, mutagennych itp.
oraz nie powinny zawierać składników niekorzystnie oddziaływających
na środowisko naturalne,

–

w warunkach użytkowania nie powinny stwarzać zagrożenia
pożarowego,

–

powinny zachowywać wymagane właściwości użytkowe w całym
zakresie temperatur i ciśnień występujących w trakcie pracy skojarzenia
trącego,

–

ich utylizacja powinna być łatwa i mało kosztowna,

–

ich cena powinna być możliwie niska.

Oleje smarowe

●

Od olejów smarnych wymaga się, odpowiednich do właściwego

smarowania skojarzenia trącego:

–

właściwości reologicznych,

–

właściwości niskotemperaturowych,

–

właściwości smarnych i przeciwzużyciowych,

–

właściwości zapłonu i palenia,

–

stabilności termicznej i termooksydacyjnej,

–

stabilności chemicznej,

–

kompatybilności z materiałami konstrukcyjnymi,

–

minimalnej toksyczności i innych właściwości związanych z ochroną
środowiska.

Oleje smarowe – podział ogólny

●

Technologicznie oleje smarowe dzielimy na:

–

Oleje podstawowe – oleje bezpośrednio otrzymywane z ropy naftowej
lub surowców bitumicznych, w rezultacie zachowawczej lub wtórnej
przeróbki ropy naftowej lub odpowiednie związki syntetyczne.

–

Oleje bazowe – oleje otrzymywane poprzez zmieszanie kilku różnych
olejów podstawowych.

–

Oleje smarne – oleje otrzymywane z olejów bazowych w rezultacie
zmieszania olejów bazowych z dodatkami uszlachetniającymi, w
procesie zwanym blendowaniem (blendingiem).

Oleje smarne są końcowym wyrobem rafinerii lub zakładów zwanych
blendowniami. Są to oleje gotowe do stosowania.

Oleje smarowe – podział ogólny

●

Ze względu na pochodzenie oleje smarowe dzielimy na:

–

mineralne – ciecze, w warunkach stosowania, otrzymywane w wyniku
komponowania olejów podstawowych lub tzw. olejów bazowych,
pochodzących z zachowawczej lub przetwórczej przeróbki ropy naftowej
lub surowców bitumicznych oraz dodatków uszlachetniających

–

syntetyczne – ciecze, w warunkach stosowania, otrzymywane na
drodze syntezy chemicznej lub na drodze głębokiej przeróbki surowców
mineralnych

Oleje syntetyczne – podział

●

Oleje syntetyczne dzielimy na:

–

Syntetyczne oleje węglowodorowe:

●

Poli-α-olefiny (PAO)

●

Poliizobuteny

●

Alkilowane aromaty

●

Oleje węglowodorowe z hydrokrakingu

●

Oleje węglowodorowe z izohydrokrakingu

–

Oleje estrowe:

●

Estry proste

●

Diestry

●

Estry poliolowe (poliestry)

●

Estry kompleksowe

●

Estry fosforanowe

–

Oleje silikonowe

–

Estry kwasu krzemowego

–

Poliglikole (polialkilenoglikole)

–

Etery polifenylowe

–

Fluoro i chloropochodne węglowodorów

–

Perfluoropolietery

Syntetyczne oleje węglowodorowe

●

Syntetyczne oleje węglowodorowe – oleje smarne, których bazy

stanowią węglowodory z hydrokrakingu lub produkty syntezy

chemicznej. Ich właściwości termooksydacyjne są lepsze niż baz

węglowodorowych, otrzymywanych w procesach zachowawczej

przeróbki ropy naftowej.

●

Właściwości reologiczne syntetycznych węglowodorów zależą od:

–

długości łańcucha alkilowego,

–

liczby i długości podstawników alkilowych,

–

liczby pierścieni benzenowych.

●

Syntetyczne bazy węglowodorowe są stosowane do produkcji olejów:

–

silnikowych,

–

przekładniowych

–

hydraulicznych

–

oraz smarów plastycznych

Budowa PAO

CH

3

CH

(CH

2

CH CH

2

)x CH

2

CHn

CHn

CHn

CH

3

CH

3

CH

3

R CH CH

2

oligomery
nienasycone

oligomery nasycone

Katalizator

Ni, Pd

H

2

n ≥ 7; x = 1, ...,4

Jako produkt jest otrzymywana mieszanina: monomerów, dimerów i polimerów o
dłuższych łańcuchach. Jest ona rozdestylowywana na frakcje o lepkości
kinematycznej w temperaturze 40°C: 2, 4, 6, 8, 10, 40, 100 mm

2

/s, handlowo

oznakowywanych: jako PAO 4, PAO 6, itd.

Poli-α-olefiny (PAO)

●

PAO są stosowane jako oleje bazowe lub składniki olejów bazowych

do otrzymywania:

–

olejów silnikowych,

–

olejów do turbinowych silników lotniczych,

–

olejów przekładniowych,

–

olejów hydraulicznych,

–

olejów sprężarkowych,

–

cieczy do obróbki metali,

–

olejowych nośników ciepła,

–

smarów plastycznych.

●

Cechy poli-α-olefin:

–

niska temperatura płynięcia (–60°C),

–

wysoki wskaźnik lepkości (VI ≥ 135),

–

mała lotność,

–

odporność termooksydacyjna do temperatury 200°C,

–

ograniczona zdolność do rozpuszczania dodatków AW i EP

–

powodowanie skurczu polimerów uszczelnień

Poli-izo-buteny

●

Poli-izo-buteny otrzymywane są w wyniku polimeryzacji

poliizobutylenu.

●

Poli-izo-buteny o masach cząsteczkowych z przedziału od 300 do

6000 stosowane są jako składniki:

–

poprawiające wskaźniki lepkości

–

olejów silnikowych,

–

olejów przekładniowych,

–

olejów hydraulicznych,

–

olejów sprężarkowych,

–

cieczy do obróbki metali,

–

smarów plastycznych,

–

ochrony przeciwkorozyjnej lin stalowych.

●

Cechy poli-izo-butenów:

–

wysoki wskaźnik lepkości,

–

odporność termooksydacyjna wyższa niż PAO i alkilowanych aromatów

H

2

C C

CH

3

CH

3

Alkilowane aromaty

●

Alkilowane aromaty otrzymywane są w wyniku podstawienie

pierścienia benzenowego przez podstawniki olefinowe. .

●

Alkilowane aromaty stosowane są jako składniki wielu baz

wykorzystywanych przy produkcji:

–

olejów transformatorowych,

–

olejów hydraulicznych,

–

olejów do sprężarek chłodniczych,

–

olejowych nośników ciepła,

–

innych, wysokiej jakości olejów przemysłowych.

●

Cechy poli-izo-butenów:

–

są tańsze od pozostałych syntetycznych węglowodorów

R

1

R

2

R

3

R

4

Oleje węglowodorowe z hydrokrakingu

●

Oleje węglowodorowe z hydrokrakingu, są to mieszaniny

węglowodorów otrzymywane jako ciężkie frakcje w procesie

rozdestylowania produktów z hydrokrakingu.

●

Nie zawierają:

–

węglowodorów aromatycznych,

–

związków siarki,

–

innych niestabilnych składników występujących w olejach naftowych.

●

Oleje z hydrokrakingu odznaczają się:

–

dobrymi właściwościami reologicznymi i termooksydacyjnymi,

–

są tańsze niż inne węglowodory syntetyczne.

●

Znajdują zastosowanie jako:

–

bazy wielosezonowych olejów silnikowych i przekładniowych, a także
innych olejów, od których są wymagane specjalne właściwości.

Oleje estrowe – estry proste

●

Estry proste – estry alkoholi monowodorotlenowych i

monokarboksylowych kwasów tłuszczowych

●

Estry proste znalazły zastosowanie jako bazy lub składniki baz wielu

grup przemysłowych olejów syntetycznych oraz jako dodatki

smarnościowe, przeciwkorozyjne oraz spęczniające niektóre

elastomery.

R

1

C O R

2

O

Oleje estrowe – diestry

●

Diestry –

estry alkoholi zawierających w cząsteczce dwie grupy

wodorotlenowe i monokarboksylowych kwasów tłuszczowych lub estry
alkoholi monowodorotlenowych i kwasów organicznych, zawierających w
cząsteczce dwie grupy karboksylowe (dikarboksylowych).

R

1

C O C

n

H

2n

O

O C

O

R

2

lub

R

1

O C C

n

H

2n

C O R

2

O

O

●

Diestry –

znalazły szerokie zastosowanie jako bazy olejów syntetycznych

do smarowania skojarzeń trących turbinowych silników lotniczych oraz w
innych zastosowaniach, gdzie temperatury pracy oleju wahają się w
szerokich granicach.

Oleje estrowe – estry poliolowe

(poliestry)

●

Poliestry –

estry alkoholi wielowodorotlenowych i kwasów

monokarboksylowych lub estry alkoholi jednowodorotlenowych i kwasów
zawierających w cząsteczce kilka grup karboksylowych.

●

Poliestry

– zastosowanie jak w przypadku diestrów.

C CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

O

O

O

O C

C

C

C

R

1

R

2

R

3

R

4

O

O

O

O

●

Właściwości poliestrów:

–

doskonałe właściwości reologiczne, w szerokim
zakresie temperatury od –60°C do + 225°C,

–

dobre właściwości smarne,

–

dobre właściwości termooksydacyjne

Oleje estrowe – estry kompleksowe

●

Estry kompleksowe

– estry, których cząsteczki kwasów i alkoholi są

przedzielone cząsteczką glikolu.

●

Właściwości i zastosowania estrów kompleksowych są analogiczne

jak estrów poliolowych.

Oleje estrowe – estry fosforanowe

●

Estry fosforanowe

– jedno, dwu, a najczęściej trójpodstawione estry

kwasu fosforowego i alkoholi jednowodorotlenowych lub pochodnych fenolu.

POCl

3

3ROH

(RO)

3

PO 3HCl

+

+

●

Podział estrów fosforanowych:

–

Arylofosforanowe – ciecze o dużej lepkości, nierozpuszczalne w wodzie,
rozpuszczalne w węglowodorach i estrach

–

Alkilofosforanowe – ciecze o zróżnicowanej lepkości (w zależności od
długości łańcucha w grupie R), rozpuszczalne w wodzie (gdy łańcuch R
jest krótki) aż do nierozpuszczalnych w wodzie (gdy łańcuch R jest
długi), rozpuszczalne w węglowodorach i estrach,

–

mieszane, alkilo-arylowe – właściwości pośrednie.

Oleje estrowe – estry fosforanowe

●

Właściwości estrów fosforanowych

:

–

substancje trudnopalne,

–

dobre właściwości smarne

–

konsystencja od małolepkiej cieczy do ciała stałego,

–

gęstość w przedziale 1000÷1400 kg/m

3

,

–

temperatura samozapłonu jest wyższa od 600°C÷650°C,

–

temperatura płynięcia, w niektórych przypadkach, jest niższa od –65°C,

–

stabilność termo-oksydacyjna do temperatury 125÷150°C, a arylofosforanowe do
temperatury 175°C (z aminowymi antyutleniaczami o ponad 100°C wyżej.

●

Zastosowanie estrów fosforanowych:

–

bazy trudnopalnych syntetycznych olejów smarnych, do specjalnych
zastosowań,

–

trudnopalne ciecze hydrauliczne lub składniki takich cieczy,

–

dodatki przeciwzużyciowe do:

●

cieczy hydraulicznych,

●

olejów syntetycznych i mineralnych

●

smarów plastycznych,

–

zagęszczacze smarów plastycznych,

–

plastyfikatory.

Oleje silikonowe

CH

3

O

Si
CH

3

Si

CH

3

O Si

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

n

n

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

Si

O

CH

3

Si

Si O

Olej dimetylosilikonowy

Olej metylofenylosilikonowy

Oleje silikonowe

●

Oleje silikonowe charakteryzują się:

–

wysoką hydrofobowością

–

stabilnością chemiczną,

–

dużym wskaźnikiem lepkości,

–

niską temperaturą płynięcia i szerokim

–

zakresem dopuszczalnej temperatury pracy:

●

oleje metylosilikonowe (– 60°C÷200°C),

●

oleje fenylosilikonowe (–50°C÷250°C)

–

Wysoką temperaturą rozkładu termicznego:

●

dimetylowe powyżej 300°C,

●

oleje fenylosilikonowe powyżej temperatury 350°C.

●

Zastosowanie olejów silikonowych:

–

baza olejowa do smarów pracujących w skrajnych temperaturach

–

dodatki przeciwdziałające pienieniu olejów mineralnych

–

do produkcji środków chroniących przed kontaktem z wilgocią

Estry krzemianowe

●

Właściwości estrów krzemianowych są uzależnione od:

–

długości łańcucha siloksanowego,

–

budowy podstawników R,

–

symetryczności cząsteczki.

SiCl

4

4ROH

Si(OR)

4

4HCl

+

+

n

O

R

Si

O R

OR

OR

Oleje poliglikolowe

●

Właściwości poliglikoli:

–

lepkość kinematyczna, w temperaturze 40°C, w przedziale: 8÷100 000 mm

2

/s, im

większa masa cząsteczkowa tym większa lepkość,

–

wskaźnik lepkości 200÷400, przy czym im większa masa cząsteczkowa tym
większy wskaźnik lepkości,

–

temperatura płynięcia, w przedziale: –65 do +5°C; im większa masa
cząsteczkowa tym wyższa temperatura płynięcia.

●

W stosunku do olejów mineralnych o takiej samej lepkości poliglikole
odznaczają się:

–

są z nimi niemieszalne,

–

lepszymi właściwościami smarnymi,

–

lepszymi (bardziej płaskimi) charakterystykami lepkościowo-temperaturowymi –
większym wskaźnikiem lepkości,

–

niższymi temperaturami płynięcia,

–

mniejszą lotnością,

–

kompatybilnością z większością elastomerów,

–

brakiem agresywności korozyjnej w stosunku do metali.

m(CH

2

CH

2

)

O

H

2

O

HO CH

2

(CH

2

O CH

2

)

m

CH

2

OH

+

Poliglikole

●

Zastosowanie jako oleje:

–

hydrauliczne,

–

przekładniowe,

–

sprężarkowe,

–

specjalne oleje silnikowe, np. do silników samochodów i motocykli
wyścigowych oraz innych silników bardzo wysilonych, eksploatowanych
w krótkim czasie.

–

inhibitowane oleje poliglikolowe (aminy jako antyutleniacze) znalazły
również zastosowania jako ciekłe nośniki ciepła, w układach pracujących
do temperatury 250°C.

●

Wodne roztwory poliglikoli znalazły zastosowanie jako:

–

trudnopalne ciecze hydrauliczne, np. w elektrowniach, kopalniach

–

ciecze do obróbki metali skrawaniem,

–

ciecze do odladzania samolotów, sprzętu bojowego i innych obiektów,

–

ciecze obiegowe w układach chłodzenia.

Etery polifenylowe

●

Właściwości eterów polifenylowych:

–

charakteryzują się doskonałymi właściwościami smarnymi w podwyższonych
temperaturach do 200°C,

–

wykazują dobrą stabilność termiczną i termooksydacyjną

–

mogą pracować przez długi okres czasu w temperaturach rzędu 450÷550°C,

–

odznaczają się one nadzwyczajną odpornością na promieniowanie.

–

wadą ich jest stosunkowo wysoka temperatura płynięcia (–10 do +5°C),

–

wysoka cena

●

Zastosowania w:

–

technice kosmicznej,

–

eksperymentalnej technice lotniczej

–

technice jądrowej.

O

O

Fluoro– i chloropochodne węglowodorów

●

Fluoro – i chloropochodne węglowodorów – ciekłe związki chemiczne,
pochodne węglowodorów parafinowych, naftenowych lub aromatycznych, w
których atomy wodoru zostały podstawione atomami fluoru (F) lub chloru
(Cl) lub obu tych pierwiastków.

●

Są otrzymywane w wyniku fluorowania lub chlorowania odpowiednich
węglowodorów lub polimeryzacji tetrafluoroetylenu (F

2

C=CF

2

).

●

Właściwości:

–

odznaczają się dobrą stabilnością termiczną i termooksydacyjną,

–

mają bardzo dobre właściwości smarne,

–

wykazują stosunkowo złe właściwości reologiczne (mały wskaźnik
lepkości i wysoka temperatura płynięcia),

–

są niepalne.

●

Zastosowanie:

–

niepalne ciecze hydrauliczne w technice lotniczej i kosmicznej,

–

niepalne nośniki ciepła pracujące w wysokich temperaturach i w
warunkach dużego zagrożenia pożarowego.

Perfluoropolietery

●

Są to związki przypominające polietery, w których wszystkie atomy wodoru
zostały zastąpione atomami fluoru.

●

Właściwości:

–

odznaczają się dobrą odpornością termiczną,

–

są niepalne lub trudnopalne,

–

mają stosunkowo małą lotność,

–

posiadają dobre właściwości smarne,

–

są kompatybilne z większością powszechnie stosowanych elastomerów,

–

są nierozpuszczalne w:

●

bazach węglowodorowych, eterach polifenylowych, silikonach i estrach
krzemianowych,

–

są rozpuszczalne w:

●

bazach o budowie polarnej,

–

mają bardzo dobre właściwości dielektryczne, co pozwala na ich
stosowanie jako cieczy izolacyjnych, pracujących w wysokich
temperaturach,

–

są bardzo drogie.

Właściwości eksploatacyjne olejów

Temperatury stosowania baz olejowych