Tribological characteristics of highly-loaded coated contacts lubricated with environmentally acceptable oils

• Autorzy: Michalczewski R. , Piekoszewski W. , Szczerek M. , Tuszyński W.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyki tribologiczne wysokoobciążonych węzłów tarcia z elementami pokrytymi cienkimi twardymi powłokami smarowanych ekologicznie akceptowanymi olejami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The objective of the paper is to present a new concept concerning coatings intended for heavy-loaded machine elements working in a non-conformal contact (e.g. gears, rolling bearings) and lubricated with ecologically accepted oils. Serious environmental hazards of the application of the mineral oil based lubricants are the reason for comeback of vegetable based oils. Because of their oxidation stability below the acceptable level they are rarely used in practise. In this situation the main candidate for environmentally friendly lubricants are oils without toxic extreme-pressure (EP) and anti-wear (AW) additives. To promote the application of lubricants without environmentally hazardous additives the authors postulate a new concept: taking over the function of lubricating additives by thin, hard coatings deposited on sliding elements. The scuffing resistance of the tribosystem was assessed employing a very sensitive four-ball method with continuously increased load, and a gear tester. The surface fatigue was investigated using a cone-balls tribosystem. It is shown that PVD coated specimens lubricated with a base oil give much higher resistance to scuffing than usually obtained for the steel-steel tribosystem lubricated with oils containing EP additives. It was confirmed in the component tests where steel gears lubricated with a base oil without additives failed at the sixth stage, TiN-TiN tribosystem at tenth stage, and WC/C-WC/C withstood twelfth stage without failure. The research on rolling contact fatigue indicates that typical PVD coatings do not exhibit a satisfactory fatigue life. The best fatigue behaviour was obtained for WC/C coating. WC/C coated specimens lubricated with a base oil give a much higher fatigue life than usually obtained for the steel-steel tribosystem lubricated with oils containing EP additives. The beneficial influence of the presence of thin coatings on scuffing and pitting of machine components gives a possibility of eliminating ecologically hazardous additives.

PL

W artykule zaprezentowano wyniki badań dotyczące odporności na zacieranie i powierzchniowe zużycie zmęczeniowe wysokoobciążonych węzłów tarcia, pracujących w styku skoncentrowanym (przekładnie zębate, łożyska), pokrytych cienkimi twardymi powłokami przeciwzużyciowymi i smarowanych ekologicznie akceptowanyn środkami smarowymi. Środkami smarowymi powszechnie uznawanymi za przyjazne dla środowiska naturalnego są oleje bazowane na produktach pochodzenia roślinnego oraz oleje mineralne i syntetyczne nie zawierające toksycznych składników. Badania miały na celu wykazanie, że odpowiednio ukonstytuowana cienka, twarda powłoka na elementach wysokoobciążonych, smarowanych węzłów tarcia maszyn może przejąć przeciwzatarciowe funkcje dodatków smarnościowych a przez to umożliwić zastosowanie ekologicznych środków smarowych. W artykule przedstawiono wyniki badań dla olejów akceptowanych ekologicznie (roślinnych i mineralnych) oraz dla odniesienia dla produktów zawierających typowe dodatki A W i EP. Badania modelowe odporności na zacieranie przeprowadzono z wykorzystaniem aparatu czterokulowego (T-02), natomiast badania komponentowe z użyciem stanowiska przekładniowego (T-12). Badania odporności na powierzchniowe zużycie zmęczeniowe (pit-ting) wykonano w układzie stożek-trzy kulki (stanowisko T-03). Badania na modelowych węzłach tarcia wykazały, że elementy z powłokami smarowane olejami bez dodatków charakteryzują się wyższą odpornością na zacieranie niż węzeł tarcia bez powłoki smarowany olejami z dodatkami. Wysoka odporność na zacieranie elementów z powłokami została potwierdzona w badaniach komponentowych - koła stalowe smarowane olejem bez dodatków zatarły się przy 6 stopniu obciążenia, koła pokryte TiN przy 10, a pokryte powłoką WC/C przeszły najwyższy 12 stopień bez uszkodzeń. W warunkach ruchu tocznego typowe powłoki (np. TiN) nie wykazują wystarczającej odporności na powierzchniowe zużycie zmęczeniowe. Przy smarowaniu olejem bez dodatków najwyższą trwałość uzyskano dla powłoki WC/C, większą niż dla skojarzenia stalowego bez powłoki smarowanego olejem z dodatkami. Uzyskane wyniki badań wskazują na możliwość zastosowania olejów bez dodatków do wysokoobciążonych węzłów tarcia z elementami pokrytymi powłoką WC/C. Ma to duże znaczenie ekologiczne z powodu zmniejszenia bądź zaniechania stosowania uciążliwych ekologicznie dodatków AW/EP. Materiały przedstawione w artykule zostały częściowo zaprezentowane na 11 Sympozjum Nordyckim NORDTRIB, Tromso, Har-stad, Hurtigruten (Norwegia).

Słowa kluczowe

EN

heavy-loaded machine components; lubricants; additives; coatings; scuffing; pitting

PL

wysokoobciążone węzły tarcia; środki smarowe; dodatki; powłoka; zacieranie; pitting

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2004
• Tom: nr 6
• Strony: 7--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Michalczewski R.

• Institute for Terotechnology (ITeE - PIB), 26-600 Radom, ul. K. Pułaskiego 6/10 , Poland

autor

Piekoszewski W.

• Institute for Terotechnology (ITeE - PIB), 26-600 Radom, ul. K. Pułaskiego 6/10 , Poland

autor

Szczerek M.

• Institute for Terotechnology (ITeE - PIB), 26-600 Radom, ul. K. Pułaskiego 6/10 , Poland

autor

Tuszyński W.

• Institute for Terotechnology (ITeE - PIB), 26-600 Radom, ul. K. Pułaskiego 6/10 , Poland

Bibliografia

• 1. Bartz W.: Lubricants and the environment. Tribology International. 1998, Vol. 31, pp. 35-47.
• 2. Hedenqvist P., Jacobson S., Hogmark S.: Tribological PVD coatings - characterisation of mechanical properties. Surface and Coating Technology. 1997, Vol. 97, pp. 212-217.
• 3. Navinsek B., Panjan P., Milosev I.: Industrial application of CrN (PVD) coatings, deposited at high and low temperatures. Surface and Coatings Technology. 1997, Vol. 97, pp. 182-191.
• 4. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: Method for Scuffing Propagation Assessment. Tribotest Journal. 2001, No. 7, pp. 219-228.
• 5. Patent No. 179123 - BI - G01N 33/30. The method for assessment of action of lubricating oils under scuffing conditions employing Four-Ball Tester, (in Polish).
• 6. DIN 51 354. Teil 2. FZG - Zahnrad - Verspannungs- Prüfmaschine. Prüfverfahren A/8,3/90 für Schmieröle.
• 7. IP 334/86. Load-carrying capacity tests for oils. FZG gear machine.
• 8. Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M.: Lubricant effect on rolling contact fatigue of TiN coated parts. Proceedings of 14th International Colloquium Tribology. Esslingen (Germany) 2004, pp. 579-^582.
• 9. Tuszyński W.: The investigation of antiwear action of lubricants. Ph.D. Thesis. WITPiS Sulejówek 1999 (in Polish).
• 10. Terauchi Y., Nadano H., Kohno M., Nakamoto Y.: Scoring resistance of TiC- and TiN-coated gears. Tribology International. 1987, Vol. 20, pp. 248-254.
• 11. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: The action of lubricants under extreme pressure conditions in a modified four-ball tester. Wear. 2001, Vol. 249, pp. 188-193.
• 12. Michalczewski R.: Tribological Inwestigations of the Elements with Antiwear Coatings in Lubricated Non-conformal Contacts. PhD Thesis, Technical Unfversity Lodz, 2002 (in Polish).