Analysis of the Influence of Hexagonal Boron Nitride on Tribological Properties of Grease

• Autorzy: Senyk Szymon , Kałdoński Tadeusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0016.1041

Warianty tytułu

PL

Analiza wpływu heksagonalnego azotku boru na właściwości tribologiczne smaru plastycznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article discusses the problem of using hexagonal boron nitride (h-BN) as a grease additive. The literature on the subject was analysed in terms of greases into which hexagonal boron nitride was added. Particular attention was paid to the nano h-BN, due to the topicality of this topic and the potential of nano-additives to lubricants noted in published scientific studies. It was found that in order to indicate the regularities describing the tribological interaction of hexagonal boron nitride, detailed studies and an analysis of its properties are required. The important factors determining the application of this additive include particle size distribution, morphology, specific surface area, and porosity. The mentioned properties were determined for four samples of hexagonal boron nitride, which were also objects of tribological experiments. For this purpose, a scanning electron microscope (SEM) and XRD method were used, and low-temperature adsorption isotherms were determined. The research on the influence of h-BN on the lubricity properties of lithium grease was carried out on a four-ball apparatus. Possible mechanisms of interaction of different types of h-BN in the friction zone were identified using the information collected on their important properties. Based on the results of the research, it was found that the use of nano h-BN in the discussed context seems promising.

PL

W artykule podjęto problematykę zastosowania heksagonalnego azotku boru (h-BN) jako dodatku do smarów plastycznych. Przeprowadzono analizę literatury tematu pod kątem smarów plastycznych, do których wprowadzano heksagonalny azotek boru. Szczególną uwagę zwrócono na nanodmianę h-BN, z uwagi na aktualność tej tematyki i odnotowywany w opublikowanych badaniach naukowych potencjał nanododatków do środków smarnych. Stwierdzono, że aby wskazać prawidłowości opisujące tribologiczne oddziaływanie heksagonalnego azotku boru wymagane są szczegółowe badania i analiza jego właściwości. Do istotnych czynników determinujących opisywane zastosowanie tego dodatku zaliczono: rozkład rozmiarów jego cząstek, ich morfologię, powierzchnię właściwą, a także porowatość. Wymienione właściwości określono dla czterech próbek heksagonalnego azotku boru, które były jednocześnie obiektami eksperymentów tribologicznych. Wykorzystano w tym celu skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), metodę dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz wyznaczono niskotemperaturowe izotermy adsorpcji. Badania wpływu h-BN na właściwości smarnościowe litowego smaru plastycznego przeprowadzono na aparacie czterokulowym. Zidentyfikowano możliwe mechanizmy oddziaływania różnych typów h-BN w strefie tarcia, wykorzystując przy tym zgromadzone informacje dotyczące ich istotnych właściwości. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastosowanie nano h-BN w omawianym kontekście wydaje się perspektywiczne.

Słowa kluczowe

EN

tribology; greases; hexagonal boron nitride; nano additives; lubricity properties

PL

tribologia; smary plastyczne; heksagonalny azotek boru; nanododatki; właściwości smarnościowe

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 3
• Strony: 101--112
• Opis fizyczny: Bibliogr. rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Senyk Szymon

• Military University of Technology im. Jarosława Dąbrowskiego, 00-908 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5706-2999

autor

Kałdoński Tadeusz

• Military University of Technology im. Jarosława Dąbrowskiego, Faculty of Mechanical Engineering, 00-908 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6483-3739

Bibliografia

• 1. Shankar S.: Emerging trends in the Industrial Greases Market, Journal of Business Chemistry, 11, 3, 2014, pp. 143–149.
• 2. Yan C., Zeng Q., Hao Y., Xu Y., Zhou M.: Friction-induced hardening behaviors and tribological properties of 60NiTi alloy lubricated by lithium grease containing nano-BN and MoS2, Tribology Transactions, 62, 5, 2019, pp. 812–820.
• 3. Krawiec S.: Kompozycje smarów plastycznych i stałych w procesie tarcia stalowych węzłów maszyn, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskie, Wrocław 2011, pp. 57–64.
• 4. Sahoo R.R., Biswas S.K.: Effect of Layered MoS2 Nanoparticles on the Frictional Behavior and Microstructure of Lubricating Greases, Tribology Letters, 53, 1, 2014, pp. 157–171.
• 5. Kimura Y., Wakabayashi T., Okada K., Wada T., Nishikawa H.: Boron nitride as a lubricant additive, Wear, 232, 1999, pp. 199–206.
• 6. Kałdoński T.: Tribologiczne zastosowania azotku boru, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, 2006, 11–13, pp. 78–79.
• 7. Shatansky D.V., Firestein K.L., Golberg D.V.: Fabrication and application of BN nanoparticles, nanosheets and their nanohybrids, Nanoscale, 10, 2018, pp. 17477–17493.
• 8. Wang J., Ma F., Sun M.: Graphene, hexagonal boron nitride, and their heterostructures: properties and applications, RSC Advances, 27, 2017.
• 9. Kałdoński T.: Wpływ azotku boru na właściwości użytkowe smarów plastycznych do łożysk ślizgowych, Materiały VIII Kongresu Eksploatacji Urządzeń Technicznych, Krynica Górska, Polska, 23–26 września 1997.
• 10. Kałdoński T.: Wpływ rodzaju smaru plastycznego i azotku boru na proces samosmarowania łożyska porowatego, Materiały VIII Kongresu Eksploatacji Urządzeń Technicznych, Krynica Górska, Polska, 23–26 września 1997.
• 11. Kałdoński T., Krzemiński K.: Zastosowanie azotku boru jako dodatku do smaru plastycznego wypełniającego łożysko toczne, Materiały VIII Kongresu Eksploatacji Urządzeń Technicznych, Krynica Górska, Polska, 23–26 września 1997.
• 12. Kałdoński T.: Badania i technologia optymalnego stosowania azotku boru α-BN jako dodatku smarnościowego w sprzęcie wojskowym, Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego PB 0T 00A 014 08, WAT, Warszawa, 1998.
• 13. Kałdoński T., Nosal S., Zwierzycki W.: Wpływ zawartości azotku boru produkcji WAT na właściwości antyfrettingowe substancji smarujących, Materiały IV Konferencji Poltrib’97, Białobrzegi, Polska, 10–12 czerwca 1997.
• 14. Pawlak Z., Kałdoński T., Lisewski M., Urbaniak W., Oloyede A.: The Effect of Hexagonal Boron Nitride Additive on the Effectiveness of Grease-Based Lubrication of a Steel Surface, Industrial Lubrication and Tribology, 64(2), 2012, 84–89.
• 15. Bajer J., Wpływ dodatku smarnego na charakterystyki tribologiczne niskotemperaturowego smaru plastycznego, Tribologia, 2006, 6, 67–80.
• 16. Józwiak P., Siczek K., Badania wpływu obecności azotku boru w smarze na opory ruchu sworznia drążka kierowniczego, Archiwum Motoryzacji, 2012, 58, pp. 123–137.
• 17. Krawiec M., Leśniewski T., Badanie efektywności smarowania litowego smaru plastycznego napełnionego azotkiem boru, Górnictwo Odkrywkowe, 2013, 54, pp. 82–86.
• 18. Podgornik B., Kosec T., Kocijan A., Donik Č.: Tribological behaviour and lubrication performance of hexagonal boron nitride (h-BN) as a replacement for graphite in aluminium forming, Tribology International, 81, 2015, pp. 267–275.
• 19. Wang T., Li Z., Li J., He Q.: Impact of Boron Nitride Nanoparticles on the Wear Property of Lithium Base Grease, Journal of Materials Engineering and Performance, 29(8), 2020, 4991–5000
• 20. Holmberg K., Erdemir A.: Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions, Friction, 5, 2017, pp. 263–284.
• 21. Dassenoy F.: Nanoparticles as Additives for the Development of High Performance and Environmentally Friendly Engine Lubricants, Tribology Online, 14, 5, 2019, pp. 237–253.
• 22. Gulzar M., Masjuki H.H., Kalam M.A., Varman M., Zulkifli N.W.M., Mufti R.A., Zahid R.: Tribological performance of nanoparticles as lubricating oil additives, Journal Nanoparticle Research 18, 8, 223, 2016, pp. 1–25.
• 23. Rawat S.S., Harsha A.P.: Current and future trends in grease lubrication. In: Katiyar J., Bhattacharya S., Patel V., Kumar V. (eds): Automotive Tribology. Energy, Environment and Sustainability, Springer, Singapore, 2019, pp. 147–182.
• 24. Spikes H.: Friction modifier additives, Tribology Letters, 60, 5, 2015, pp. 1–26.
• 25. Hu E.Z., Xu Y., Hu K.H., Hu X.G.: Tribological properties of 3 types of MoS2 additives in different base grease, Lubrication Science, 29, 8, 2017, pp. 541–555.
• 26. Wu H., Li X., He X., Lu J., Wang L., Zhou B., Dong G.: An investigation on the lubrication mechanism of MoS2 nanoparticles in unidirectional and reciprocating sliding point contact: The flow pattern effect around contact area, Tribology International, 122, 2018, pp. 38–45.
• 27. Rapoport L., Feldman Y., Homyonfer M., Cohen H., Sloan J., Hutchison J.L.: Inorganic fullerenelike material as additives to lubricants: structure–function relationship, Wear 225–229, 2, 1999, pp. 975–982.
• 28. Hisakado T., Tsukizoe T., Yoshikawa H.: Lubrication Mechanism of Solid Lubricants in Oils, Journal of Tribology, 1983, 105, pp. 245–252.
• 29. Chinas-Castillo F., Spikes H.A.: Mechanism of Action of Colloidal Solid Dispersions, Journal of Tribology, 2003, 125, pp. 552–557.
• 30. Bondarev A., Kovalskii A., Firestein K., Loginov P., Sidorenko D., Shvindina, N., Sukhorukova I., Shtansky D.: Hollow spherical and nanosheet-base BN nanoparticles as perspective additives to oil lubricants: Correlation between large-scale friction behavior and in situ TEM compression testing, Ceramics International, 2018, 44, pp. 6801–6809.
• 31. Bagi S.D., Aswath P.B.: Role of MoS2 Morphology on Wear and Friction under Spectrum Loading Conditions, Lubrication Science 2015, 27, 7.
• 32. Chkhartishvili L.: Correlation between Surface Specific Area and Particles Average Size: Hexagonal Boron Nitride Nano-Powders, Nano Studies 2012, 6 (1), pp. 65–76.
• 33. Van der Voort P., Leus K., De Canck E.: Introduction to porous materials, Wiley, 2019.
• 34. Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Oliver J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol, Sing K.S.W.: Pure and Applied Chemistry, 87, 9–10, 2015, pp. 1051–1069.
• 35. Senyk S., Chodkiewicz A., Gocman K., Szczęśniak B., Kałdoński T.: Hexagonal Nano and Micro Boron Nitride: Properties and Lubrication Applications, Materials 2022, 15, 955.
• 36. Gregg S.J., Sing K.S.W., Salzberg, H.W.: Adsorption Surface Area, and Porosity, Journal of The Electrochemical Society, 1967, 114, 279C.
• 37. Brunauer S., Emmett P.H., Teller E.: Adsorption of Gases in Multimolecular Layers, Journal of the American Chemical Society, 60, pp. 309–319.
• 38. Jagiello J., Olivier J.P.: 2D-NLDFT Adsorption Models for Carbon Slit-Shaped Pores with Surface Energetical Heterogeneity and Geometrical Corrugation, Carbon 2013, 55, pp. 70–80.
• 39. Norma PN-76/C-04147 – Przetwory naftowe. Badanie własności smarowych olejów i smarów, 1976 .
• 40. Tuszyński W.: Badanie przeciwzużyciowych oddziaływań środków smarowych (rozprawa doktorska), Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej, Sulejówek, 1999.
• 41. Szczerek M., Tuszyński W.: Badania tribologiczne. Zacieranie, Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom, 2000, pp. 79-81

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).