Scuffing and rolling contact fatigue as effects of the chemistry of lubricating oils

• Autorzy: Piekoszewski W. , Tuszyński W.

Warianty tytułu

PL

Zacieranie i powierzchniowe zużycie zmęczeniowe jako efekty kompozycji chemicznej olejów smarowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the research was to establish a relationship between the resistance of a tribosystem to scuffing and surface fatigue as a result of the type and concentration of AW/EP additives in lubricating oils. Lubricating oils of various chemical composition were tested. A base mineral oil was blended with commercial packages of lubricating additives of AW and EP type, at different concentrations. The AW additives contained ZDDP, and EP ones - organic S-P compounds. The tests were performed in two different four-ball testers. The first one (denoted as T-02) was used to determine extreme-pressure (EP) properties at sliding friction - a new method for testing scuffing and seizure was employed. The second instrument (denoted as T-03) was used to assess the surface fatigue (pitting) life at rolling movement. It is shown that AW additives not only improve EP properties but - at a small concentration - are also beneficial for the fatigue life. An increas of the content of AW additives leads to an improvement of EP properties but may reduce the fatigue life. EP additives - even at a small concentration - significantly improve EP properties. A small concentration of EP additives gives no influenc on the fatigue life. An increase of the content of EP additives leads to a further improvement of EP properties. However, this is accompanied by a much decrease in the fatigue life. By using a scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS), glow discharge optical emission spectrometer (GDOES), and Fourier transform infrared microspectrophotometer (FTIRM) for analysis of the worn surface, the authors identified mechanisms of action of various lubricating additives under different friction conditions. It must be emphasized here that GDOES is mainly used to analyze flat surfaces; results for small wear scars on non-flat surfaces (balls), like in this study, are published very rarely.

PL

W artykule przedstawiono odporność węzła tarcia na zacieranie i powierzchniowe zużycie zmęczeniowe w funkcji rodzaju i stężenia dodatków smarnościowych AW i EP w oleju. W tym celu zbadano serię olejów smarowych o zmienianym w sposób modelowy składzie chemicznym. Olejem bazowym był olej mineralny. Olej ten mieszano z handlowymi pakietami dodatków smarnościowych różnego typu. Były to dwa różne pakiety dodatków przeciwzużyciowych (typu AW) i dwa pakiety dodatków przeciwzatarciowych (typu EP). Dodatki przeciwzużyciowe zawierały dialkiloditiofosforan cynku - ZDDP, zaś przeciwzatarciowe - organiczne związki siarkowo-fosforowe. Dodatki smarnościowe dodawano do oleju bazowego w różnych stężeniach. Badania tribologiczne wykonano za pomocą dwóch aparatów czterokulowych, wytworzonych w ITeE - PIB. Aparat T-02 posłużył do wyznaczenia właściwości przeciwzatarciowych smarowanego badanymi olejami węzła tarcia, w warunkach styku ślizgowego. Aparat czterokulowy T-03 umożliwił wykonanie badań trwałości zmęczeniowej w ruchu tocznym. Wykazano, że dodatki AW polepszają nie tylko właściwości przeciwzatarciowe smarowanego nimi węzła tarcia, ale dodatkowo - dodane w niewielkiej ilości - wpływają korzystnie na trwałość zmęczeniową. Zwiększenie stężenia dodatków AW w oleju bazowym pozwala znacząco poprawić właściwości przeciwzatarciowe, może mieć jednak niekorzystny wpływ na trwałość zmęczeniową. Dodatki EP, dodane nawet w niewielkim stężeniu do oleju bazowego, powodują kilkakrotną poprawę właściwości przeciwzatarciowych, praktycznie nie wpływając przy tym jednak na trwałość zmęczeniową. Zwiększenie stężenia tych dodatków skutkuje dalszym polepszeniem właściwości przeciwzatarciowych. Towarzyszy temu jednak znaczny spadek trwałości zmęczeniowej. Wyniki badań tribologicznych zinterpretowano w oparciu o analizy powierzchni tarcia za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), energodyspersyjnego mikroanalizatora rentgenowskiego (EDS), optycznego spektrometru emisyjnego z wyładowaniem jarzeniowym (GDOES) oraz mikrospektrofotometru w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIRM). Trzeba dodać w tym miejscu, że technika GDOES jest wykorzystywana przeważnie do badania próbek płaskich. Natomiast analizy tą techniką próbek niepłaskich (kulek), a szczególnie małych śladów zużycia na takich próbkach, spotyka się w literaturze niezmiernie rzadko. Autorzy pomyślnie wykorzystali technikę GDOES do takich analiz.

Słowa kluczowe

EN

four-ball tester; scuffing; rolling contact fatigue; AW additives; EP additives; SEM; EDS; GDOES; FTIRM

PL

aparat czterokulowy; zacieranie; powierzchniowe zużycie zmęczeniowe; dodatki AW; dodatki EP; SEM; EDS; GDOES; FTIRM

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2004
• Tom: nr 6
• Strony: 21--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Piekoszewski W.

• Instytut Technologii Eksploatacji - PIB, Zakład Tribologii, Radom

autor

Tuszyński W.

• Instytut Technologii Eksploatacji - PIB, Zakład Tribologii, Radom

Bibliografia

• [1] Stachowiak G.W., Batchelor A.W.: Engineering Tribology. 2nd ed., Butterworth-Heinemann, 2001.
• [2] Nosal S.: Tribological aspects of scuffing in sliding pairs. Poznan Technical University, 1998 (in Polish).
• [3] Neale M.J., ed.: Tribology Handbook, Newness-Butterworths, 1973.
• [4] Pytko S.: Investigating the destruction mechanism of rolling surfaces of machines elements. Scientific Books of AGH 25 (1967) (in Polish).
• [5] Pytko S., Szczerek M.: Pitting - a form of destruction of rolling elements. Tribologia 4/5 (1993), 317 - 334 (in Polish).
• [6] Torrance A.A., Morgan J.E., Wan G.T.Y.: An additive's influence on the pitting and wear of ball bearing steel. Wear 192 (1996), 66-73.
• [7] Kolar D., Libera M., Waligóra W.: The gear oil extra pressure additive on surface fatigue life of machines elements influence. Tribologia 3 (2000), 391 - 398 (in Polish).
• [8] Wang Y., Fernandez J.E., Cuervo D.G.: Rolling-contact fatigue lives of steel AISI 52100 balls with eight mineral and synthetic lubricants. Wear 196(1996), 110-119.
• [9] Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: The action of lubricants under extreme pressure conditions in a modified four-ball tester. Wear 249 (2001), 188-193.
• [10] Szczerek M., Tuszyński W.: A method for testing lubricants under conditions of scuffing. Part I. Presentation of the method', Tribotest 8-4 (2002), 273-284.
• [11] IP 300/82, Rolling contact fatigue tests for fluids in a modified four-ball machine.
• [12] Alliston-Greiner A.F.: Test methods in tribology. Proc. V World Tribology Congress, 1997', London.
• [13] Cann P., Spikes H.A., Cameron A.: Thick film formation by zinc dialkyldithiophosphates. ASLE Trans. 26 (1983), 48-52.
• [14] Godfrey D.: Boundary lubrication. Proc. NASA-sponsored Symp., 1967, San Antonio, USA.
• [15] Coy R.C., Quinn T.F.J.: The use of physical methods of analysis to identify surface layers formed by organosulphur compounds in wear tests. ASLE Trans. 18 (1975), 163-174.
• [16] Kawamura M.: The correlation of antiwear properties with the chemical reactivity of zinc dialkyldithiophosphates. Wear 77 (1982), 287-294.
• [17] Rowe C.N., Armstrong E.L.: Lubricant effects in rolling-contact fatigue. Lubr. Eng. 38 (1989), 23-30 and 39-40.
• [18] Hebda M., Wachal A.: Tribology. WNT, 1980 (in Polish).
• [19] Nelias D., Dumont M.L., Champiot F., Vincent A., Girodin D., Fougeres R., Flamand L.: Role of inclusions, surface roughness and operating conditions on rolling contact fatigue. Journal of Tribology 121 (1999), 240 -251.
• [20] Tuszyński W., Piekoszewski W.: An effect of the type and concentration of lubricating additives on AW/EP properties and rolling fatigue life of a four-ball tribosystem. Proc. 14th Inter. Coli. Tribology, 2004, Esslingen (Germany), vol. I.