WPŁYW ADSORPCJI I TEMPERATURY NA

1-2009
TRIBOLOGIA
129
Dariusz OZIMINA*, Monika MADEJ*
WPŁYW ADSORPCJI I TEMPERATURY
NA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE
KOMPOZYTOWYCH POWŁOK Ni-P-Al2O3
THE INFLUENCE OF ADSORPTION AND TEMPERATURE ON
THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF COMPOSITE
COATINGS Ni-P-Al2O3
Słowa kluczowe:
adsorpcja, dodatki przeciwzużyciowe, powłoki kompozytowe, zużycie
tribologiczne
Key-words:
adsorption, antiwear additives, composite coatings, tribological wear
Streszczenie
W artykule poddano analizie wpływ zjawiska adsorpcji i temperatury
węzła tarcia na właściwości tribologiczne powłok kompozytowych. Powłoki metalowo-ceramiczne typu Ni-P-Al2O3 wytwarzano sposobem
bezprądowym na elementach stalowych. Topografię powierzchni uzyska*
Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Katedra Maszyn Cieplnych, Al. 1000-lecia
PP 7, 25-314 Kielce.
130
TRIBOLOGIA
1-2009
no na skaningowym mikroskopie elektronowym. Modelowe badania oddziaływań adsorpcyjnych prowadzono dla dodatków modyfikujących
AW – ZDTP o różnej długości łańcucha alkilowego. Testy tribologiczne
prowadzono na testerze typu pin-on-disc w układzie kulka ze stali
100Cr6–tarcza stalowa z powłoką kompozytową. Badania realizowano ze
smarowaniem bazą olejową oraz bazą olejową zawierającą 1% masowy
ZDTP. Testy wykonywano w temperaturach: otoczenia i podwyższonych.
Przeprowadzone analizy pokazały znaczący wpływ adsorpcji na właściwości tribologiczne badanych układów, spowodowane zarówno rodzajem
materiałów, jak i temperaturą pracy systemu.
WPROWADZENIE
Potrzeby przemysłu energetycznego, kosmonautyki, przemysłu zbrojeniowego i innych dziedzin techniki dowiodły, że właściwości mechaniczne, fizyczne i eksploatacyjne tradycyjnych materiałów są ograniczone. Stało się to powodem poszukiwań materiałów zaawansowanych,
między innymi powłok kompozytowych typu Ni-P-Al2O3. Formowanie
właściwości tego typu powłok odbywa się poprzez dobór komponentów
oraz wytworzenie odpowiedniej struktury materiału kompozytowego
z osnową metalową i dyspersyjną fazą ceramiczną. Kombinacja dwóch
tak różnych materiałów, jakimi są metal i ceramika pozwala na sterowanie właściwościami warstw w dość szerokim zakresie [L. 1–3].
Zastosowana do wytwarzania powłok metoda redukcji chemicznej
ma wiele zalet i charakteryzuje się możliwością wytwarzania kompozytowych warstw powierzchniowych z osnową metalową w niskich temperaturach – poniżej 373 K, łatwością kontroli przebiegu procesu. Umożliwia to wytwarzanie warstw o zadanej, jednakowej grubości na całej pokrywanej powierzchni oraz zapewnia dobrą adhezję warstwy do podłoża,
jak również dobrą spójność między dyspersyjną fazą ceramiczną a metalową osnową [L. 4–7]. Ponadto, tak niska temperatura wytwarzania warstwy kompozytowej Ni-P-Al2O3 wyklucza możliwość reakcji między
materiałami stanowiącymi składowe kompozytu. Liczne zalety tych powłok powodują, że rośnie zainteresowanie stosowania ich do kształtowania warstwy wierzchniej elementów współpracujących tarciowo. Tego
typu powłoki przeważnie zalicza się do powłok technicznych, zwiększających trwałość elementów części maszyn, pracujących w układach tribologicznych [L. 1, 4]. Ze względu na ich właściwości przeciwzużyciowe
1-2009
TRIBOLOGIA
131
i antykorozyjne można je z powodzeniem stosować między innymi w:
częściach przekładni i turbin, prowadnicach, popychaczach i pierścieniach do maszyn włókienniczych, osprzęcie złączeniowym, pracującym
w chemicznie agresywnych środowiskach, tarczach hamulcowych, tłokach, tulejach cylindrycznych, gaźnikach i dławikach silników samochodowych itp.
W ostatnich latach nastąpiło dość duże zainteresowanie warstwami
kompozytowymi i można zaobserwować wyraźny wzrost liczby badań
dotyczących tej tematyki [L. 5, 6]. Jednakże większość badań związanych jest z właściwościami mechanicznymi lub korozyjnymi. Zdecydowanie mniej jest prac poświęconych analizie właściwości tribologicznych
powłok oraz warunków pracy węzłów tarcia. Nieliczne raporty z badań
tribologicznych ograniczają się jedynie do badań podczas tarcia technicznie suchego, a ponadto ich wyniki często są ze sobą sprzeczne. Problem
wyjaśnienia roli środka smarowego w tribosystemie z naniesionymi na
elementy trące powłokami jest wciąż nierozwiązany. Brak jest również
danych dotyczących oddziaływań adsorpcyjnych dodatków do mediów
smarowych z materiałami stosowanymi na kompozytowe powłoki przeciwzużyciowe.
Znajomość zjawisk zachodzących na powierzchniach granicznych
jest w tribologii szczególnie ważna, gdyż decydują one o charakterze
i odtwarzalności warstw wierzchnich oraz o stanie warstw granicznych.
W konsekwencji ma to dalsze przełożenie na wyniki badań układów eksploatacyjnych węzłów tarcia. Wytworzenie przez adsorpcję warstwy granicznej na współpracujących elementach pary tribologicznej zapobiega
tarciu suchemu, przez co zmniejsza zużycie powierzchni. Szybkość
i wielkość adsorpcji oraz trwałość warstwy adsorpcyjnej decyduje o szybkości reakcji tribochemicznych [L. 8]. Wielu badaczy prowadziło intensywne badania nad zachowaniem alkiloditiofosforanów cynku ZDTP.
Jednak większość badań koncentrowała się na mechanizmie przeciwzużyciowym ZDTP, a niewielka ich część skupiła się na efektach
smarowania powierzchni elementów współpracujących tarciowo. Mechanicy – konstruktorzy zwracają uwagę na obróbkę wykańczającą powierzchni i twardość styku elementów układu tribologicznego w warunkach smarowania granicznego [L. 9–11]. Czasami projektanci sugerują,
że jakieś dodatki przeciwzużyciowe powinny znajdować się w substancji
smarowej w celu poprawy ich właściwości eksploatacyjnych.
132
TRIBOLOGIA
1-2009
W wyniku adsorpcji fizycznej i chemicznej oraz reakcji chemicznych
składników środka smarowego z powierzchnią tarcia dochodzi do utworzenia cienkiej powierzchniowej warstwy granicznej. Adsorpcja pełni
decydującą rolę pod względem efektywności działania dodatków zawartych w bazach olejowych. Znaczenie adsorpcji jest widoczne podczas
analizy jej wpływu na współczynnik tarcia i zużycie powierzchni. Przypisuje się jej współdziałanie w dwojaki sposób. Po pierwsze zaadsorbowana na powierzchni ciecz obniża energię powierzchniową i tendencję do
adhezji. Po drugie zaadsorbowana substancja zmienia skład blisko powierzchni, przez co zmienia efekty mechanochemiczne poprzez zmianę
twardości i plastyczności powierzchni tarcia [L. 8–9].
MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Warstwy kompozytowe osadzano na podłożach ze stali C45. Stal 100Cr6,
stanowiącą materiał przeciwpróbki w badaniach tribologicznych bardzo
często spotyka się w węzłach tarcia. W Tabeli 1 zawarto ich
charakterystyki materiałowe. Z literatury wiadomo, że właściwości materiału podłoża w istotny sposób wpływają na stan wytworzonej warstwy
powierzchniowej, a także jej właściwości eksploatacyjne.
Tabela 1. Charakterystyka materiałów – stali stosowanych w badaniach
Table 1. Characteristics of materials – steel applied in investigations
Pierwiastki
Zawartość %
Stal C45
C
Mn
Si
P
S
Cr
Mo
Ni
0,42÷0,50
0,50÷0,80
0,10÷0,40
0,04
0,04
0,3
0,1
0,3
Stal 100Cr6
0,95÷1,1
0,25÷0,45
0,15÷0,35
0,027
0,02
1,3÷1,65
–
0,3
Cząstki tlenku glinu zawieszone w kąpieli grawitacyjnie współosadzały się ze stopową powłoką niklowo-fosforową. Efektywność kąpieli chemicznej wynosiła 15 µm na godzinę. Udział masowy fosforu
wynosił 7÷10% masowych powłoki. Czas osadzania dobierano w zależności od oczekiwanej grubości warstw [L. 1].
Struktura powłok kompozytowych
Badania struktury obejmowały obserwację topografii powierzchni i przekrojów poprzecznych powłok kompozytowych. Po wykonaniu badań
tribologicznych zdjęcia powierzchni śladów zużycia po przeprowadzeniu
1-2009
TRIBOLOGIA
133
testów tribologicznych oraz rozkładu pierwiastków na powierzchni próbki – analiza jakościowa wykonana została z użyciem elektronowego mikroskopu skaningowego SEM. Analizowano skład chemiczny pierwiastków warstwy powierzchniowej z obszarów próbki oraz obszaru śladu
zużycia. Mikroanalizę punktową wykorzystano do zbadania składu pierwiastkowego w formule ilościowej. W tym celu analizowano widma natężenia promieniowania X w postaci pików odpowiadających określonym
wartościom wzbudzenia poszczególnych pierwiastków. Wyniki przedstawiano w postaci udziałów masowych. Mikroanalizę powierzchniową
zastosowano do jakościowego wyznaczenia rozkładu pierwiastków na
badanej powierzchni śladu zużycia. Uzyskano rozkłady powierzchniowe
wybranych pierwiastków w analizowanym obszarze w postaci punktów,
których zagęszczenie i jasność wzrasta ze wzrostem zawartości pierwiastka. Otrzymane obrazy poddano obróbce cyfrowej w celu eliminacji tła.
Pomiary adsorpcyjne
Badania adsorpcji realizowano metodą absorpcyjnej spektrofotometrii
w odczerwieni z transformacją Fouriera – FTIR. Właściwości adsorpcyjne dialkiloditiofosforanów cynku określano na podstawie badań przeprowadzonych z użyciem spektrofotometru z transformacją fourierowską
typu FTS-175C firmy BIO-RAD. Do badań adsorpcyjnych użyto
n-dekanowe roztwory dibutyloditiofosforanu cynku i didodecyloditiofosforanu cynku. Wyniki pomiarów izoterm adsorpcji zostały przedstawione
w układzie współrzędnych, ilość zaadsorbowaną wyrażono w mikromolach na metr kwadratowy powierzchni właściwej tlenku glinu, powłoki
stopowej Ni-P oraz kompozytowej Ni-P-Al2O3 od stężenia równowagowego wyrażonego w mikromolach na gram. Za stężenie równowagowe
przyjęto stężenie dodatku w roztworze po ustaleniu się równowagi adsorpcyjnej. Powierzchnia specyficzna dla powłoki kompozytowej
Ni-P-Al2O3 wynosi 7,64 m2/g, dla Al2O3 wynosi 17,96 m2/g, a dla powłoki Ni-P wynosi 45,02 m2/g.
Badania tribologiczne
Modelowe badania tribologiczne zostały przeprowadzone z wykorzystaniem aparatówT-01 M i T-11, pracujących w skojarzeniu tarciowym kula–
–tarcza. Miały one na celu wyjaśnienie wpływu wielkości adsorpcji
ZDTP i temperatury węzła tarcia na przebieg zjawiska tarcia i procesów
134
TRIBOLOGIA
1-2009
mu współtowarzyszących elementów z powłokami kompozytowymi.
Badania tribologiczne z użyciem testera T-01M prowadzono przy następujących parametrach:
• skojarzenie trące: kulka ze stali 100Cr6 – warstwa kompozytowa
Ni-P-Al2O3 na tarczy ze stali C45,
• obciążenie P = 10 N,
• prędkość ślizgania v = 0,1 m/s,
• droga tarcia s = 1000 m,
• warunki wilgotności względnej 62±5%,
• temperatura: otoczenia T0 = 23±1˚C i podwyższona TH = 150±1˚C.
WYNIKI I DYSKUSJA
Struktura powłok kompozytowych
Charakterystyczny obraz przekroju poprzecznego powłoki kompozytowej
Ni-P-Al2O3 przedstawiony jest na Rysunku 1a, na którym widać wyraźnie wbudowane cząstki Al2O3 w warstwę prawdopodobnie roztworu Ni-P.
Z prezentowanej fotografii i analizy jednoznacznie wynika, że otrzymaną
warstwę powierzchniową stanowi heterogeniczna warstwa składająca się
z niklu, fosforu i aluminium. Pozwala to na stwierdzenie, że atomy tych
pierwiastków utworzyły warstwę o składzie założonym w procesie
a)
b)
Rys. 1. Obraz SEM powłoki kompozytowej i widmo EDXS
Fig. 1. SEM view composite coating and the EDXS method analysis
1-2009
TRIBOLOGIA
135
wytwarzania. Ich powierzchnia charakteryzuje się równomierną strukturą
lekko porowatą. Nie stwierdzono żadnych nieciągłości.
Pomiary adsorpcyjne
Z Rysunku 2 jednoznacznie wynika, że wartość adsorpcji dla badanych
dialkiloditiofosforanów cynku zmienia się wraz ze wzrostem długości łańcucha alifatycznego. Obserwuje się zmniejszenie wartości adsorpcji dla
C12 ZDTP. Kształt izoterm w fazie nasycenia świadczy o tworzeniu się
monowarstwy. Można również stwierdzić, że kształt izoterm znacznie odbiega od izotermy typu Langmuira i jest związany z ułożeniem cząsteczek
adsorbatu na powierzchni adsorbentu. Rysunek 2a przedstawiający krzywą
adsorpcji dla stali 100Cr6 stanowi odniesienie dla materiałów ceramicznych – Al2O3, stopowych – Ni-P oraz kompozytowych Ni-P- Al2O3.
b)
3,2
1,8
2,8
1,6
2,4
1,4
Ads orpc ja [ m ol/m2 ]
Ads orpc ja [ m ol/m2 ]
a)
2
1,6
1,2
0,8
C4
0,4
C12
1,2
1
0,8
C4
0,6
C12
0,4
0,2
0
0
0
10
20
30
40
50
60
0
10
Stężenie
Stężenierównowagowe
rów now agow e [µmol/g]
20
30
40
50
60
Stężenie
Stężenie równowagowe
rów now agow e [µmol/g]
c)
d)
25
0,08
Ads orpc ja [ m ol/g]
Ads orpc ja [ m ol/m2 ]
0,1
0,06
C4
0,04
C12
0,02
20
15
C4
10
C12
5
0
0
0
10
20
30
Stężenie
równowagowe
Stężenie rów
now agow e [µmol/g]
40
50
0
10
20
30
40
50
60
Stężenie
równowagowe
Stężenie rów
now agow e [µmol/g]
Rys. 2. Adsorpcja ZDTP o długości łańcucha alkilowego C4i C12 dla materiałów:
a) stali 100Cr6, b) Al2O3, c) Ni-P, d) Ni-P-Al2O3
Fig. 2. Adsorption of ZDTP for alkyl chain lengths C4 and C12 alkyl chain lengths on:
a) steel 100Cr6, b) Al2O3, c) Ni-P, d) Ni-P-Al2O3
136
TRIBOLOGIA
1-2009
Dodatkowo wyraźnie widać różnicę pomiędzy adsorpcją dla materiału ceramicznego, metalicznego i kompozytowego. Badania adsorpcji na
tych materiałach pokazują odmienny charakter ich właściwości. Przedstawione wykresy obrazują, jak duży wpływ na właściwości eksploatacyjne ma zastosowany w procesie wytwarzania tlenek glinu. Poprzez 5%
jego udział w kompozycie uzyskano zbliżony charakter krzywej adsorpcji
do krzywej adsorpcji czystego Al2O3. Wartość adsorpcji na proszku
Ni-P-Al2O3 (Rys. 2d) również zmniejsza się ze wzrostem długości łańcucha węglowodorowego w cząsteczce ZDTP. Dodatek tlenku glinu powoduje wzrost wartości adsorpcji zarówno dla C4 ZDTP, jak i C12
ZDTP (Rys. 2b) w porównaniu z Ni-P (Rys. 2c). Ponadto izotermy adsorpcji dla badanych dialkiloditiofosforanów cynku różniących się długością łańcucha alifatycznego C4 i C12 charakteryzują się występowaniem
przy bardzo niewielkich stężeniach równowagowych, mniejszych od
4 µmol/g, prawie identycznej pionowej części izotermy. Przy tych małych stężeniach równowagowych osiągany jest stan całkowitego pokrycia
powierzchni, co odzwierciedla horyzontalna część powierzchni plateau.
Badania tribologiczne
Wyniki badań przedstawiono w formie zestawienia zbiorczego zmian
współczynnika tarcia µ (Rys. 3) oraz liniowego zużycia w (Rys. 4) elementów węzła tarcia przy stałych parametrach mikroklimatu otoczenia.
Badania w warunkach tarcia technicznie suchego oraz smarowania mineralną bazą olejową stanowią układ odniesienia dla oddziaływań dodatków przeciwzużyciowych – AW w postaci ZDTP oraz syntetycznych
olejów fozfazenowych typu X-1P. Na Rysunku 4 zestawiono współczynniki tarcia i zużycie liniowe w zależności od zastosowanej wielkości
cząstek Al2O3 oraz substancji smarującej. Zestawione ze sobą serie różnią się od siebie materiałem przeciwpróbki – kulki. W pierwszym przypadku stosowano kulkę ze stali 100Cr6, a w drugim z Al2O3.
Wyniki przedstawione na Rysunkach 3 i 4 świadczą o tym, że zarówno na współczynnik tarcia, jak i zużycie liniowe duży wpływ ma
wielkość cząstek Al2O3. Prawie w każdym przypadku znaczącą rolę odegrał materiał kulki. Zaobserwowano tendencję spadkową dla kulki wykonanej z Al2O3 w porównaniu z kulką stalową.
1-2009
TRIBOLOGIA
137
W
spółczynnik tarcia
µ
Współczynnik
tarcia µ
1
0,9
Al
Al2O3
2O3
0,8
100Cr6
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
PX-1
04
0,0
4
0,0
PX-1
0,4
P04
X-1
0,0
PDT
+Z
ZA
4
BA
0,0
PDT
+Z
ZA
BA
0,4
04
0,0
PDT
+Z
ZA
BA
ZA
BA
4
0,0
0,4
04
0,0
0,4
4
0,0
ZA
BA
S-
S-
S-
ZA
BA
TT
TT
TT
Zużycie
Zużycieliniowe
liniowew
w
Rys. 3. Zależność współczynnika tarcia w funkcji wielkości cząstek Al2O3 i rodzaju
substancji smarowej
Fig. 3. Relationship between coefficient of friction versus size of Al2O3 particles and
kind of lubricative substances
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Al2O3
Al
2O3
100Cr6
P
X-1
4
,00
-0
4
0,0
PX-1
,4
-0
1P
4
X,00
-0
P
DT
+Z
ZA
4
BA
0,0
PDT
+Z
ZA
BA
0,4
04
0,0
PDT
+Z
ZA
BA
ZA
BA
4
0,0
0,4
4
,00
-0
ZA
BA
S
4
0,0
,4
-0
S-
S
ZA
BA
TT
TT
TT
Rys. 4. Zależność zużycia liniowego w w zależności od wielkości cząstek Al2O3 oraz
zastosowanych substancji smarowych
Fig. 4. Relationship between linear wear versus size of Al2O3 particles and kind of
lubricative substances
138
TRIBOLOGIA
1-2009
Powierzchnie wraz ze śladem zużycia po badaniach tarciowych oraz
rozkład pierwiastków Al, O, Fe, Ni, P dla tarcia technicznie suchego
(Rys. 5) oraz Al, O, Fe, Ni, P, S (Rys. 6) dla tarcia granicznego w modelowej substancji smarowej zawierającej ZDTP.
SEM tarcza, 25x
Mapa Fe
Mapa Al
Mapa Ni
Mapa O
Mapa P
Rys. 5. Zdjęcia śladu zużycia po badaniach tarciowych oraz rozkład pierwiastków
Al, O, Fe, Ni, P w powłoce SEM/EDS. Tarcie technicznie suche
Fig. 5. Images of wear scars after tribological tests and distribution of elements: Al,
O, Fe, Ni, P in the coating SEM/EDS. Technically dry friction
Badania tribologiczne prowadzone były również na testerze T-11
w podwyższonej temperaturze 150˚C. Testom zostały poddane próbki
z powłokami kompozytowymi Ni-P-Al2O3 o zróżnicowanej wielkości
cząstek tlenku glinu w warunkach tarcia technicznie suchego oraz tarcia
granicznego z bazą olejową i bazą olejową zawierającą ZDTP (Rys. 7).
Wykresy współczynnika tarcia i zużycia liniowego obrazują, że istnieje
duży związek pomiędzy wielkością cząstek a właściwościami tribologicznymi warstw kompozytowych. Istotę prezentowanego problemu badawczego stanowią mechanizmy oddziaływań tribochemicznych w obszarze tarcia. Zależą one od wzajemnych relacji pomiędzy substancją
smarową a warstwą powierzchniową elementów współpracujących tarciowo. Wynika to szczególnie z aktywności adsorpcyjnej i tribochemicznej w procesie tworzenia warstw granicznych i przeciwzużyciowych
warstw wierzchnich.
1-2009
TRIBOLOGIA
139
SEM tarcza, 25x
Mapa Al
Mapa O
Mapa Ni
Mapa P
Mapa S
Rys. 6. Zdjęcia śladu zużycia po badaniach tarciowych oraz rozkład pierwiastków
Al, O, Ni, P i S w powłoce SEM/EDS. Tarcie graniczne w modelowej substancji smarowej zawierającej 1% masowy ZDTP
Fig. 6. Images of wear scars after tribological tests and distribution of elements: Al,
O, Ni, P and S in the coating SEM/EDS. Boundary friction with 1% mass of
ZDTP
b)
1,2
Zużycie liniowe
Zużycie
linioweww
Współczynnik tarcia
Współczynnik
tarciaµ µ
a)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
35
30
25
20
15
10
5
0
P-
4
0,0
04
0,0
04
0,0
4
0,0
,4
-0
P-
4
P
T
ZD
A+
T
ZD
A+
0
0, 0
4
0 ,0
0, 4
T
ZD
A+
A-
A-
Z
BA
Z
BA
Z
BA
Z
BA
Z
BA
4
,0 0
-0
,0 4
-0
,4
-0
A-
S
S
S
Z
BA
TT
TT
TT
P-
,4
-0
P-
P
T
ZD
A+
T
ZD
A+
4
4
0 ,0
0
0, 0
0, 4
T
ZD
A+
A-
A-
4
0,0
0,4
4
,0 0
-0
A-
Z
BA
Z
BA
Z
BA
Z
BA
Z
BA
S
S-
S-
Z
BA
TT
TT
TT
Rys. 7. Zmiany: a) współczynnika tarcia µ; b) zużycia liniowego w powłok kompozytowych Ni-P-Al2O3 w zależności od wielkości cząstek Al2O3 oraz zastosowanych substancji smarowych w temperaturze TP = 150ºC
Fig. 7. Relationship between: a) coefficient of friction and b) linear wear Ni-P-Al2O3
composite coating versus size of Al2O3 particles and lubricative substances.
Temperature TP = 150ºC
140
TRIBOLOGIA
1-2009
Stwierdzono, że w podwyższonej temperaturze 150˚C przy tych samych parametrach pomiaru nastąpił wzrost zużycia liniowego dla elementów z powłoką kompozytową podczas tarcia technicznie suchego.
Dodatkowo ustalono, że zużycie badanych próbek, we wszystkich rozpatrywanych przypadkach, wzrasta wraz ze wzrostem wielkości cząstek
Al2O3.
WNIOSKI
Przeprowadzona analiza mikrostruktury potwierdziła otrzymanie przeciwzużyciowej powłoki Ni-P, zawierającej mikro- i nanodyspersyjne
cząstki ceramiczne Al2O3.
W tworzeniu warstw przeciwzużyciowych decydującą rolę odgrywają zjawiska adsorpcji, dla których podczas badań zarejestrowano indywidualne przebiegi, wynikające z aktywności badanych materiałów. Oddziaływania te dla dialkiloditiofosforanów cynku zmieniają się wraz ze
wzrostem długości łańcucha alifatycznego, uzyskując mniejsze wartości
dla C12 ZDTP. Kształt izoterm w fazie nasycenia świadczy o tworzeniu
się monowarstwy. Zaobserwowano wyraźną różnicę pomiędzy adsorpcją
dla materiału ceramicznego, metalicznego i kompozytowego. Badania
adsorpcji na tych materiałach pokazują odmienny charakter ich oddziaływań. Dodatek tlenku glinu powoduje wzrost wartości adsorpcji zarówno dla C4 ZDTP, jak i C12 ZDTP w porównaniu z Ni-P.
Po wykonaniu badań tribologicznych na powierzchni śladu zużycia
elementów pokrytych powłoką występują zaadsorbowane ugrupowania
strukturalne obecne w związkach organicznych typu ZDTP. Za zwiększenie trwałości elementów z naniesioną powłoką kompozytową odpowiadają dodatkowo warstwy graniczne oraz przeciwzużyciowe warstwy
wierzchnie. Tworzą się one podczas oddziaływań tribochemicznych ze
składnikami substancji smarowych według mechanizmu adsorpcyjno-reakcyjnego.
Tlenek glinu, znajdujący się w materiale kompozytowym wpływa na
zmniejszenie zużycia warstwy wierzchniej. Stosowane powszechnie
w technice dodatki modyfikujące typu AW w postaci ZDTP mają znaczny wpływ na efektywność funkcjonowania elementów pokrytych powłoką Ni-P-Al2O3. Badania tribologiczne realizowane w podwyższonej temperaturze pokazały znaczący wpływ wielkości cząstek Al2O3 zarówno na
współczynnik tarcia, jak i zużycie liniowe. Podwyższona temperatura
1-2009
TRIBOLOGIA
141
pomiaru dla tarcia technicznie suchego wywołała wzrost współczynnika
tarcia oraz zużycia liniowego w odniesieniu do badań realizowanych
w temperaturze otoczenia. Ponadto, ustalono zwiększoną aktywność dodatku ZDTP w tych warunkach. Jak wykazały badania, związki triboaktywne zawarte w substancjach smarnościowych skutecznie modyfikują
warstwę wierzchnią i wpływają w znaczącym stopniu na wzrost jej efektywności tribologicznej.
Wyniki przeprowadzonych badań tribologicznych wykazały, że
wzrost trwałości elementów trących pokrytych powłokami przeciwzużyciowymi Ni-P-Al2O3 wynika z wielkości cząstek Al2O3 zastosowanych
do wytwarzania powłok kompozytowych. Dodatkowo wspomaganie oddziaływaniem ZDTP powoduje ograniczenie intensywności procesów
towarzyszących zużywaniu powłok.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Madej M., Ozimina D.: Patent nr P-381378, Technologiczna warstwa
wierzchnia o właściwościach przeciwzużyciowych, 2008.
Madej M., Ozimina D., Piwoński I.: The influence of tribochemical reactions of antiwear additives on heterogeneous surface layers in boundary
lubrication, Tribology Letters 2 (2006) 135–141.
Madej M., Ozimina D.: Electroless Ni-P-Al2O3 composite coatings, Kovove Materialy – Metallic Materials 44, 2006, 291–296.
Ozimina D., Madej M., Styp-Rekowski M., Głogowski T.: Adsorpcja
ZDTP i jej wpływ na właściwości tribologiczne materiałów ceramicznych,
Tribologia 3, 2008, 225–234.
Balaraju J.N., Kalavati Rajam K.S.: Influence of particle size on the microstructure, hardness and corrosion resistance of electroless Ni-P-Al2O3
composite coatings, Surf. & Coat. Techn. 12–13, 2006, 3933–3941.
Li J., Tian Y., Huang Z., Zhang X.: Studies of the porosity in electroless
nickel deposits on magnesium alloy, App. Surf. Sc. 8, 2006, 2839–2846.
Zdravecka E., Suchanek J., Vojs M., Tkacova J., Gmiterko A., Madej M.:
Study of DLC coatings on micro and macro level, Proc. EUROCORR
2007, Freiburg, 321–326.
Ozimina D.: Przeciwzużyciowe warstwy wierzchnie w układach tribologicznych, Monografia nr 33, Wyd. PŚk, Kielce 2002.
Ozimina D.: The assesment of ZnDTP tribochemical reactivity by electrochemical simulation. Lubr. Sc. 13, 2000, 45–57.
142
TRIBOLOGIA
1-2009
10. Nakayama K., Martin J.: Tribochemical reactions at and in the vicinity of a
sliding contact, Wear 261 (2006), 235–240.
11. Nicholls M.A., Do T., Norton P.R., Kasrai M., Bancroft G.M.: Review of
the lubrication of metallic surfaces by zinc dialkyl-dithiophosphates, Trib.
Int. 38, 2005, 15–39.
12. Piekoszewski W., Szczerek M., Wiśniewski M.: System badań tribologicznych (SBT), cz. I – urządzenia do badania cienkich powłok przeciwzużyciowych, Problemy Eksploatacji 3, 2003, 95–110.
Recenzent:
Andrzej GOŁĄBCZAK
Summary
This paper presents the analyses of the influence of the adsorption
and temperature of a friction pair on the tribological properties of
the Ni-P-Al2O3 composite coatings. The composite coatings were superimposed on steel elements, using the electroless plating technique.
An electron-scanning microscope was used to analyse the topography. The topography of the coatings was imaged with a scanning
electron microscope (SEM/EDS). The investigations of adsorption
were realised using antiwear additives – zinc dialkyldithiophosphates
(ZDTPs), having two alkyl chain lengths, C4 and C12. The effect of
adsorption on the composite surfaces had considerable influence on
their tribological properties. Tribological tests were examined by
means of a T-01M tester, functioning in the pin-on-disc (ball-disc)
configuration. The tests were realised for technically dry friction and
boundary lubrication in model lubricants – oil bases and oil bases
with 1% mass. ZDTP. The tribological tests were realised, and the
analyses of the adsorption confirm that the kind of materials and
working temperature in fact determined on tribological properties.