Smar plastyczny o podwyższonej odporności na wymywanie wodą

Smar plastyczny o podwyższonej odporności na wymywanie wodą

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 98
Transport
2013
Tomasz Gobiowski
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych
SMAR PLASTYCZNY O PODWYSZONEJ
ODPORNO
CI NA WYMYWANIE WOD
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: W referacie omówiono podstawowe wymagania jakie powinien spenia smar o podwyszonej
odpornoci na wymywanie wod oraz opracowanie technologii jego produkcji.
Sowa kluczowe: smar, odporno, woda
1. WSTP
Wspóczesne rodki transportu stawiaj szereg szczególnych wymaga jakociowych
dla smarów plastycznych:
pierwszym jest wyjtkowo dua rónorodno skojarze trcych, która powoduje
pewne komplikacje przy doborze/stosowaniu smarów plastycznych:
o piasty kó ( styk skoncentrowany – konieczno stosowania smarów
oyskowych),
o przeguby (styk rozoony – konieczno stosowania smarów podwoziowych),
o zamki (konieczno stosowania smarów niepowodujcych plamienia np.
ubra),
o zcza elektryczne 9koniecznoc stosowania smarów, które przewodz prd),
o itp.
drugim to zakres temperatury roboczej - w naszej strefie klimatycznej jest to
zakres od -35 oC do +35 oC. zakres temperatury pracy poszczególnych
mechanizmów jest znacznie szerszy i wzrasta w wyniku tarcia lub w wyniku
kontaktu z elementami podgrzewanymi nawet do 160 oC (tarcze hamulcowe),
trzecim jest denie do wyduenia okresów wymiany, który ma na celu
ograniczenie zakresu i czstotliwoci obsugi samochodów,
czwarty to o graniczenie asortymentu stosowanych smarów plastycznych w celu
uproszczenia procesu obsugi i obnienia moliwoci zastosowania
niewaciwego smaru do skojarzenia trcego.
184
Tomasz Gobiowski
2. WYMAGANIA MINIMALNE STAWIANE SMAROM
PRZEZNACZONYM DO SMAROWANIA SKOJARZE
TRCYCH WSPÓCZESNEJ TECHNIKI LDOWEJ
Ogólnie, wymagania minimalne dla smaru plastycznego przeznaczonego do stosowania
w technice ldowej mona sformuowa w poniszy sposób:
najnisza temperatura robocza:
o dla ldowej techniki cywilnej -30 oC,
o dla ldowej techniki wojskowej -35 oC,
najwysza temperatura robocza 160 oC (w przypadku wielokrotnego „ostrego”
hamowania kó z hamulcami tarczowymi temperatura pracy piasty moe
wzrosn do 160 oC),
trwao uytkowa - co najmniej 6 000 h pracy w temperaturze 80 oC wg testu
ASTM D 3336 - praktycznie jest to maksymalna temperatura pracy wikszoci
skojarze trcych w pojazdach mechanicznych,
podwyszone waciwoci smarne (podane np. przy smarowaniu oysk
stokowych, przegubów homokinetycznych lub oysk przegubów Kardana),
ochrona przed korozj w obecnoci wody i solanki (wane dla pojazdów
pracujcych w kopalniach i w rejonach nadmorskich),
dobra adhezja do metalu,
odporno na wymywanie wod – obecnie stosowane smary plastyczne
charakteryzuj si odpornoci na wymywanie wod w granicach od 5 %
do 10 % w temperaturze 38 oC wg testu ASTM D 1264,
kompatybilno z materiaami konstrukcyjnymi, gównie elastomerami,
stosowanie jednego smaru plastycznego w warsztatach obsugi, który zapewni
waciwe
smarowanie
„wszystkich”
skojarze
trcych
pojazdów
mechanicznych - umoliwi to wyeliminowanie pomyek przez zastosowanie
niewaciwego smaru plastycznego do smarowania skojarze trcych,
odpowiednie waciwoci niskotemperaturowe co zapewni dobr
przetaczalno przez smarownice,
i inne - na przykad waciwoci przeciwfrettingowe, eliminacja zjawiska
Bruneilla [1] (rodzaj zuycia, który zachodzi w trakcie transportu pojazdu na
lawecie).
Stay wzrost wymaga uytkowników, przemysu i serwisu powoduje praktycznie jeden
kierunek dziaa – stosowanie wysokiej jakoci smaru wielofunkcyjnego. Dy si do
stosowania smaru o wysokiej stabilnoci chemicznej, mechanicznej i termicznej zdolnego
do skutecznego smarowania praktycznie wszystkich mechanizmów wspóczesnej techniki
ldowej. Obecnie wikszo specjalistów uwaa, e takie rozwizanie jest moliwe
w oparciu o technologi smarów kompleksowych litowych.
Smary kompleksowe litowe s znane od pocztku lat szedziesitych. Zwyke smary
litowe (smary litowe produkowane na mydach prostych) powstaj przez zagszczenie
oleju mydem litowym wysokoczsteczkowych kwasów tuszczowych. Smary
kompleksowe litowe zawieraj sole litowe niskoczsteczkowych kwasów organicznych lub
Smar plastyczny o podwyszonej odpornoci na wymywanie wod
185
kwasów nieorganicznych. Takie rozwizanie pozwala lepiej dobra zagszczacz do oleju
bazowego, dziki czemu znacznie wzrasta stabilno smaru. Pocztkowo smary
kompleksowe litowe nie byy atrakcyjne ze wzgldu na wysoka cen, jednak obecnie s
produkowane na coraz szersza skal.
Majc na uwadze powysze aspekty oraz wymagania konstruktorów sprztu,
uytkowników oraz wymagania w zakresie utrzymania jakoci smarów w procesie ich
przechowywania opracowano wymagania dla smaru plastycznego o podwyszonej
odpornoci na wymywanie wod, które przedstawiono w tablicy 1.
Tablica 1
Wymagania dla smaru plastycznego o podwyszonej odpornoci na wymywanie wod
Nazwa wymagania
Jednostka
miary
o
C
1/10 mm
Temperatura kroplenia, nie nisza ni
Penetracja po ugniataniu w temperaturze 25 oC
Dziaanie korodujce na pytce z miedzi
w temperaturze 100 oC, w czasie 24 h, stopie
stopie korozji
korozji nie wyszy ni
Odparowalno w czasie 22 h przy temperaturze 122
% (m/m)
o
C, nie wiksza ni
o
Odporno na utlenianie w tempera-turze 99 C,
spadek cinienia, nie wikszy ni:
- w czasie 100 h
kPa
- w czasie 500 h
kPa
Waciwoci smarne, wskanik zuycia pod
kN
obcieniem, Ih, nie mniejszy ni (bieg 10 s)
Waciwoci przeciwzuyciowe, rednia rednica
mm
skaz, d, nie wiksza ni
o
Wymywanie wod w temp. 40 C, nie wicej ni
%
Stabilno mechaniczna, zmiana penetracji po
ugniataniu w tempera-turze 25 oC po wakowaniu
1/10 mm
w temperaturze 60 oC w czasie 24 h
Stabilno pracy po 100 000 podwójnych cykli
ugniatania, zmiana penetracji w obecnoci:
1/10 mm
- 10 % wody,
- 2% wody
Lepko dynamiczna w temperaturze –30 oC przy
Pa ˜ s
redniej prdkoci cinania 25 s-1, nie wicej ni
Przeciwkorozyjne waciwoci ochronne
Wydzielanie oleju, ubytek:
- w czasie 24 h, nie wicej ni
% (m/m)
- w czasie 168 h, nie wicej ni
% (m/m)
Trwao smaru w temperaturze 140oC przy
h
prdkoci 10 000 obr/min, nie mniejsza ni
Wydzielanie smaru z piasty koa samochodowego w
g
temperaturze 105 oC w czasie 6 h, nie wicej ni
ywotno w temp. 160 h, nie mniej ni
h
Moment obrotowy w temp. –30oC dla smaru z 10%
wody, nie wicej ni:
- moment rozruchowy
mNm
- moment pracy po 60 min.
mNm
230
od 265 do 295
Metody bada
wg
ASTM D 2265
PN-C-04133
1
ASTM D 4048
8
ASTM D 972
Wymaganie
50
150
PN-C-04143
0,60
PN-C-04147
0,7
MB-MPS-002
5
ASTM D 1264
od –15 do +45
PN-C-04144
od –10 do +50
od –10 do +50
2 000
wytrzymuje
4
6
900
MB-MPS-042
ASTM
D 1092
ASTM D 1743
IP121
ASTM D 3336
5
ASTM D 1263
40
ASTM D 3527
250
150
ASTM D 1478
186
Tomasz Gobiowski
c.d. Tab. 1
Stabilno w czasie przechowywania
Mieszalno:
- dziaanie korodujce na pytce z miedzi w
temperaturze 100 oC, w czasie 24 h, stopie
korozji nie wyszy ni,
- penetracja po ugniataniu w temperaturze 25 oC,
- temperatura kroplenia, nie nisza ni,
- stabilno pracy, po 100 000 podwójnych cykli
ugniatania, zmiana penetracji
-
wytrzymuje
stopie korozji
1
1/10 mm
o
C
od 240 do 300
130
1/10 mm
od –25 do +45
MB-MPS-013
MB-MPS-010
3. WYNIKI PRAC BADAWCZYCH
Wspóczesnym rodkom transportu stawiane s coraz wysze wymagania w zakresie ich
eksploatacji. Jedne z najciszych wymaga stawiane s dla techniki wojskowej, która jest
eksploatowan w skrajnych warunkach klimatycznych i rodowiskowych. W zwizku z
tymi wymuszeniami pojawi si problem eksploatacji wojskowej techniki ldowej
w warunkach silnego naraenia na wymywanie wod.
Majc na uwadze powysze postanowiono opracowa smar plastyczny przeznaczony do
smarowania skojarze trcych wojskowej techniki ldowej, który bdzie móg „wchon”
w swoja objto do 10 % (m/m) wody bez utraty swoich waciwoci smarnych,
niskotemperaturowych i ochronnych.
Poniej zostanie przedstawiony program bada nad opracowaniem ww. smaru
plastycznego, jego realizacja oraz kocowe wyniki realizacji projektu.
3.1. PROGRAM BADA
Dla realizacji pracy ustalono nastpujcy program bada.
WYTYPOWANIE SUROWCÓW DO BADAN
OPRACOWANIE TECHNOLOGII PRODUKCJI
OPTYMALIZACJIA SKADU SMARU
UTALENIE TECHNOLOGI PRODUKCJI
PENE BADANIA SMARU
Rys. 1. Schemat programu bada
Smar plastyczny o podwyszonej odpornoci na wymywanie wod
187
3.2. OBIEKTY BADA
Dla osignicia przedstawionych w tablicy 1 waciwoci postanowiono opracowa
smar plastyczny na bazie oleju mineralnego.
Do realizacji pracy uyto nastpujcych materiaów i surowców.
3.2.1. Olej bazowy
Olej bazowy SN-400 – olej z rafinacji selektywnej pochodzcy z ropy
zachodniosyberyjskiej, produkcji PKN ORLEN S.A.
3.2.2. Zagszczacz
Do komponowania próbek modelowych smarów plastycznych uyto nastpujcych
surowców:
kwas 12-hydroksystearynowy (KHS),
wodorotlenek litu (LiOH),
kwas azelainowy Emertox 1110 (KA),
kwas borowy (KB),
kwas sebacynowy (KS).
3.2.3. Dodatki uszlachetniajce
Wykorzystywane w pracy dodatki uszlachetniajce przedstawiono w tablicy 2.
Tablica 2
Nazwa handlowa i funkcja wykorzystywanych w pracy dodatków uszlachetniajcych
Nazwa dodatku uszlachetniajcego
Funkcja
Additin RC 4205
przeciwrdzewny
Additin RC 8210
przeciwrdzewny inhibitor korozji
Vanlube 829
przeciwzatarciowy
Vanlube AZB
antyutleniacz, przeciwzatarciowy
Acorox 880
antyutleniacz, inhibitor korozji, przeciwzuyciowy
Vanlube SL
antyutleniacz
Additin RC 7110
antyutleniacz
Polnox R
antyutleniacz
188
Tomasz Gobiowski
4. WYNIKI BADA
Opracowano próbki modelowych smarów plastycznych, wedug dwóch technologii
produkcji rónicych si temperatur prowadzenia przemian fazowych.
W tablicy 3 przedstawiono skad poszczególnych próbek smarów modelowych oraz
wyniki bada podstawowych waciwoci fizykochemicznych.
Tablica 3
Skad chemiczny oraz podstawowe waciwoci wykonanych próbek
modelowych smarów plastycznych
Oznaczenie/skad próbki
Penetracja
(1/2),
1/10mm
80/PCN/01
SN-400-61%, KHS-15%, LiOH-4,8%, KA-4,4%, KB-0,6%, Vanlube AZB1,5%, RC4205-0,9%, RC8210-0,4%, Polnox R-0,5%
81/PCN/01
SN-400-71%, KHS-13,6%, LiOH-4,8%, KA-3%, KB-0,4%, Vanlube AZB1,5%, RC4205-0,9%, RC8210-0,4%, Polnox R-0,5%, Vanlube 829-2%
82/PCN/01
SN-400-75%, KHS-13%, LiOH-3,5%, KA-3,1%, KB-0,4%, Vanlube AZB1,5%, RC4205-0,9%, RC8210-0,4%, Polnox R-0,5%, Acorox 880-2%
83/PCN/01
SN-400-75%, KHS-13%, LiOH-3,5%, KA-3,1%, KB-0,04%, Vanlube
AZB-2%, RC4205-0,9%, RC8210-0,9%, PolnoxR-2,5%, Vanlube829 2,5%
84/PCN/02
SN-400-82%, KHS-8%, LiOH-2%, KA-2%, KB-0,04%, Vanlube AZB-2%,
RC4205-0,9%, RC8210-0,9%, PolnoxR-0,5%, Vanlube829 -2,5%
85/PCN/02
SN-400-80%, KHS-9%, LiOH-2,5%, KA-2,5%, KB-0,06%, Vanlube AZB2%, RC4205-0,9%, RC8210-0,9%, PolnoxR-0,5%, Vanlube829 -2,5%
86/PCN/02
SN-400-78%, KHS-11%, LiOH-2,9%, KA-2,7%, KB-0,06%, Vanlube
AZB-2%, RC4205-0,9%, RC8210-0,9%, PolnoxR-0,5%, Vanlube829 2,5%
87/PCN/02
SN-400-78%, KHS-11,5%, LiOH-2,9%, KA-3,4%, KB-0,06%, Vanlube
AZB-2,5%, RC4205-0,9%, RC8210-0,9%, PolnoxR-1,0%, Vanlube829 2,5%
88/PCN/02
SN-400-75,5%, KHS-13,1%, LiOH-3,4%, KA-3,5%, KB-0,2%, Vanlube
AZB-2,5%, RC4205-0,9%, RC8210-0,9%, PolnoxR-1,0%, Vanlube829 2,5%
89/PCN/02
SN-400-75,5%, KHS-13,1%, LiOH-3,4%, KA-3,5%, KB-0,2%, Vanlube
AZB-2,5%, RC4205-0,9%, RC8210-0,9%, PolnoxR-1,0%, Vanlube829 2,5%
1)
suma udziau kwasu 12-hydroksystearynowego i azelainowego w kompozycji
Zawarto
zagszczacza w
dostarczonej
próbce, %wag. 1)
248
19,4
201
16,6
245
16,1
251
16,1
311
10,0
311
11,5
281
13,7
298
14,9
286
16,6
275
13,6
Smar plastyczny o podwyszonej odpornoci na wymywanie wod
189
Na podstawie analizy otrzymanych wyników bada do dalszych prac zakwalifikowano
modelowe smary plastyczne speniajce wymagania w zakresie penetracji po ugniataniu
w temperaturze 25 oC wg normy ASTM D 217, tj.: 86/PCN//02, 88/PCN/02, 89/PCN/02.
Próbki tych modelowych smarów plastycznych poddano badaniom w zakresie
podstawowych waciwoci fizykochemicznych. Wyniki tych badan przedstawiono
w tablicy 4.
Tablica 4
Wyniki bada podstawowych waciwoci fizykochemicznych modelowych smarów
plastycznych 86/PCN/02, 88/PCN/02, 89/PCN/02
Nazwa wymagania
Temperatura kroplenia
Penetracja po ugniataniu w temp. 25 oC
Dziaanie korodujce
na pytce z Cu w temp.
100 oC, w czasie 24 h
Odparowalno
w czasie 22 h przy
temp. 122 oC
Odporno na utlenianie w temp. 99 oC,
spadek cinienia:
- w czasie 100 h
- w czasie 500 h
Waciwoci smarne,
wskanik zuycia pod
obcieniem, Ih
Waciwoci
przeciwzuyciowe,
rednia rednica skaz, d
Wymywanie wod
w temp. 40 oC
Stabilno
mechaniczna, zmiana
penetracji po ugniataniu w temp. 25 oC po
wakowaniu w temp.
60 oC, w czasie 24 h
Lepko dynamiczna
w temp. –30 oC przy
redniej prdkoci
cinania 25 s-1
Wydzielanie oleju,
ubytek:
- w czasie 24 h
- w czasie 168 h
Jednostka
miary
o
C
1/10 mm
stopie
korozji
% (m/m)
86/PCN/02
256
Nr próbki
88/PCN/02
243
89/PCN/02
242
od 265 do
295
Max 1b
275
277
270
2e
1b
1b
Max 8
6,2
6,1
6,4
Wymaganie
Min 230
Metody
bada
ASTM
D 2265
PN-C04133
ASTM
D 4048
ASTM
D 972
PN-C04143
kPa
kPa
Max 50
Max 150
778
-
764
-
792
-
kN
Min 0,60
0,31
0,31
0,31
mm
Max 0,7
0,68
0,62
0,65
%
Max 5
3,0
2,4
3,2
1/10 mm
od –15 do
+45
40
35
42
Pa ˜ s
Max 2 000
1 910
1 830
1740
% (m/m)
% (m/m)
Max 4
Max 6
2,1
4,9
1,2
1,6
1,6
2,2
PN-C04147
MBMPS002
PN-C04099
PN-C04144
ASTM
D 1092
IP 121
190
Tomasz Gobiowski
Na podstawie uzyskanych wyników bada podstawowych waciwoci
fizykochemicznych modelowych próbek smarów plastycznych do dalszych prac
wytypowano próbk smaru o numerze 88/PCN/02.
Nastpny etap pracy polega na optymalizacji skadu wytypowanego smaru
modelowego przez wariantowe dozowanie poszczególnych dodatków uszlachetniajcych
w celu uzyskania optymalnej kompozycji smaru pod wzgldem jakociowym jak
i technologicznym.
Ostateczny skad smaru plastycznego o podwyszonej odpornoci na wymywanie wod
(108/PCN/02) przedstawiono w tablicy 5.
Tablica 5
Skad procentowy smaru speniajcego wymagania ustalone w tablicy 1
Nazwa surowca
Olej bazowy SN-400 (1)
Kwas 12-hydroksystearynowy
Wodorotlenek litu (1)
Kwas azelainowy
Kwas borowy
Dodatki uszlachetniajce
Vanlube AZB
Vanlube 961
Additin RC 8210
Additin RC 7110
Additin RC 3760
Udzia procentowy %
72,5
12,7
3.3
3,4
0,13
2,4
0,5
3,5
0,4
0,9
Pene wyniki bada opracowanego smaru plastycznego o podwyszonej odpornoci na
wymywanie wod przedstawiono w tablicy 6.
Tablica 6
Wyniki penych bada uytkowych smaru plastycznego o podwyszonej odpornoci na
wymywanie wod
Lp.
Nazwa wymagania
1
Temperatura kroplenia
2
Penetracja po ugniataniu w temp. 25 oC
3
4
5
6
7
Dziaanie korodujce na pytce z miedzi w
temp. 100 oC, w czasie 24 h, stopie korozji
Odparowalno w czasie 22 h przy temp. 122
o
C
Odporno na utlenianie w temperaturze 99
o
C, spadek cinienia, nie wikszy ni:
- w czasie 100 h
- w czasie 500 h
Waciwoci smarne, wskanik zuycia pod
obcieniem, Ih
Waciwoci przeciwzuyciowe, rednia
rednica skaz, d
Jednostka Wymaganie
miary
o
C
Min 230
Numer próbki
108/PCN/03
246
od 265
do 295
266
1/10 mm
stopie
korozji
Max 1b
1a
% (m/m)
Max 8,0
7,2
kPa
kPa
Max 50
Max 150
48,1
120,3
kN
Min 0,60
0,62
mm
Max 0,70
0,67
Metody
bada
ASTM D
2265
PN-C04133
ASTM D
4048
ASTM D
972
PN-C04143
PN-C04147
MB-MPS002
Smar plastyczny o podwyszonej odpornoci na wymywanie wod
191
Lp.
Nazwa wymagania
8
Wymywanie wod w temp. 40 oC
9
Stabilno mechaniczna, zmiana penetracji
po ugniataniu w temperaturze 25 oC po
wakowaniu w temp. 60 oC, w czasie 24 h
Lepko dynamiczna w temp. –30 oC przy
redniej prdkoci cinania 25 s-1
Wydzielanie oleju, ubytek:
- w czasie 24 h
- w czasie 168 h
Tendencja do tworzenia laków
10
11
12
13
15
Stabilno pracy po 100 000 podwójnych
cykli ugniatania, zmiana penetracji:
- w obecnoci 10 % wody
- w obecnoci 2% wody
Waciwoci ochronne przed zuyciem typu
fretting, ubytek masy oyska
Przeciwkorozyjne waciwoci ochronne
16
Waciwoci ochronne metod dynamiczn
17
Trwao smaru w temperaturze 140oC przy
prdkoci 10 000 obr/min
Wydzielanie smaru z piasty koa
samochodowego w temperaturze 105oC
w czasie 6 h
ywotno w temp. 160 h
14
18
19
20
21
22
Moment obrotowy w temp. –30oC dla smaru
z 10% wody:
- moment rozruchowy
- moment pracy po 60 min
Stabilno w czasie przechowywania
Mieszalno ze smarem G-421 produkcji
zachodniej, który jest stosowany aktualnie w
sprzcie wojskowym:
- dziaanie korodujce na pytce z miedzi
w temperaturze 100 oC, w czasie 24 h
- temperatura kroplenia
- stabilno pracy, po 100 000
podwójnych cykli ugniatania, zmiana
penetracji,
- wydzielanie oleju z piasty koa
samochodowego
Jednostka Wymaganie
miary
Numer próbki
Metody
bada
%
Max 5,0
108/PCN/03
4,1
1/10 mm
od –15
do +45
+36
ASTM D
1264
PN-C04144
Pa ˜ s
Max 2 000
1 880
ASTM
D 1092
% (m/m)
% (m/m)
g
Max 4,0
Max 6,0
Max 10
1,2
2,0
6
1/10 mm
od –10
do +50
+40
+42
IP121
ASTM D
4290
MB-MPS042
ASTM D
4170
ASTM D
1743
PN-C04175
ASTM D
3336
PN-C04102
mg
-
Max 10,0
wytrzymuje
7,6
wytrzymuje
stopie
korozji
Max 0-0
h
Min 900
0-0
Powyej
1 000
g
Max 5,0
3,8
h
Min 40
80
ASTM D
3527
mNm
mNm
-
Max 250
Max 150
wytrzymuje
239
62
wytrzymuje
ASTM D
1478
PN-V04021
stopie
korozji
o
C
1/10 mm
Max 1b
1a
Min 230
od –15
do +45
249
+35
Max 5,0
4,3
g
PN-V04046
192
Tomasz Gobiowski
5. PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonych bada, realizowanych w ramach pracy wasnej ITWL,
mona stwierdzi, e opracowany smar plastyczny o podwyszonej odpornoci na
wymywanie wod przeznaczony do smarowania wysokoobcionych skojarze trcych
wojskowej techniki ldowej spenia zaoone wymagania jakociowe.
Bibliografia
1. Focke R. H.: Multi-Purpose a New Dimension. NLGI Spokesman, vol. 57, No 10, pp. 430-434, 1994.
GREASE WITH INCREASED RESISTANCE TO WATER WASHOUT
Summary: This paper describes the basic requirements to be met by grease with high resistance to water
washout and the development of its manufacturing.
Keywords: grease, resistance, water