Starzenie samochodowych olejów przekładniowych. Część II. Wpływ na powierzchniową trwałość zmęczeniową modelowego węzła tarcia

• Autorzy: Piekoszewski W. , Tuszyński W.

Warianty tytułu

EN

Degradation of automotive gear oils. Part II. An influence on rolling contact fatigue of a model tribosystem

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zbadano powierzchniową trwałość zmęczeniową modelowego styku tocznego elementów stalowych, smarowanego starzonymi, samochodowymi olejami przekładniowymi klasy jakościowej API GL-3 i GL-5. Starzenie polegało na laboratoryjnym zanieczyszczaniu olejów pyłem, wodą i na utlenianiu. Badania wykonano za pomocą aparatu czterokulowego. Stwierdzono, że starzenie tych olejów zasadniczo przyczynia się do obniżenia powierzchniowej trwałości zmęczeniowej. Wyjątek odnotowano jedynie w przypadku utlenianego oleju klasy GL-5, dla którego trwałość zmęczeniowa albo nie zmienia się, albo następuje nawet jej wyraźny wzrost dla najdłuższych czasów utleniania. W celu interpretacji wyników badań tribologicznych obliczono minimalną grubość filmu EHD, powstającego w styku tocznym, a także wykonano analizy warstwy wierzchniej śladu zużycia za pomocą SEM, EDS i AFM.

EN

In the devices like automotive transmissions a significant degradation of the lubricating oil due to exploitation takes place. It affects the life of components in the transmissions, like gears, rolling bearings, etc. This paper concerns the influence of the gear oil degradation on one of the dominating forms of wear of toothed gears and rolling bearings - rolling contact fatigue (pitting). The tribological tests were performed in a four-ball tester denoted as T-03, designed and manufactured at ITeE - PIB. The 10% surface fatigue lives for the tested oils (L10) were determined in rolling motion according to IP 300/82 standard. Two automotive gear oils of API GL-3 and GL-5 performance level were tested. Prior to the tribological testing, the oils had been contaminated with a special test dust (100, 500, 1000 ppm), distilled water (1, 5, 10% vol.) and oxidised (25, 50, 100 hrs). The main constituents of the dust were inorganic particles: SiO2 (72,4% wt.) and Al2O3 (14,2%), and the maximum particle size did not exceed 0,08 žm. The way of oil contamination was typical of what takes place in automotive transmissions during exploitation. It has been observed that the degradation of the automotive gear oils generally exerts a negative influence on the rolling contact fatigue life. The only exception is for the oxidised GL-5 oil - the fatigue life either does not change or even significantly improves for the longest periods of oil oxidation. A drop in the fatigue life for oils contaminated with the dust results from producing numerous surface defects due to action of dust particles - the defects act like stress raisers accelerating surface fatigue cracks. An increasing frequency of stress cycles due to passing of dust particles through the contact zone also adds to a decrease in the fatigue life. For the oxidised oils deterioration of the resistance to pitting results from a drop in the sulfur concentration in the wear track surface layer (sulfur comes from lubricating additives). The sulfur compounds may cause the "flattening" of asperities, which reduces contact stress (EHL) and in turn improves the fatigue life. So, their lower concentration in the wear track is accompanied by a lower fatigue life. Also a negative role of the iron oxides produced on the wear track surface cannot be neglected - they lead to creation numerous defects being potential nuclei for pits, and in this way reducing the fatigue life. One cannot neglect possible hydrogen embrittlement of the steel specimens due to the oil oxidative decomposition, which accelerates fatigue crack initiation. Yet another factor affecting the surface fatigue is related to decreasing of the concentration of lubricating additives in the oxidised oil; in the case of highly corrosive EP additives in the GL-5 oil their decrease has a positive effect on the resistance to pitting. Surface analyses of the wear track for oils contaminated with water has not revealed the reasons for a drop in the surface fatigue life. Probably it results from lowering the oil viscosity followed by a decrease in the thickness of EHL film leading to more frequent action of surface asperities, hence more frequent cyclic stress. Hypothetically, hydrogen embrittlement may also be at stake. An effect of iron oxides in the worn surface and hydrogen embrittlement of steel specimens on rolling contact fatigue needs more investigation.

Słowa kluczowe

PL

samochodowy olej przekładniowy; starzenie; pitting; powierzchniowa trwałość zmęczeniowa; aparat czterokulowy; SEM; EDS; AFM

EN

automotive gear oil; degradation; pitting; fatigue life; four-ball tester; SEM; EDS; AFM

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2005
• Tom: nr 4
• Strony: 221--244
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Piekoszewski W.

• Instytut Technologii Eksploatacji - Państwowy Instytut Badawczy, Radom

autor

Tuszyński W.

• Instytut Technologii Eksploatacji - Państwowy Instytut Badawczy, Radom

Bibliografia

• 1. Baczewski K., Hebda M.: Filtracja płynów eksploatacyjnych. Tom 1. Wyd. MCNEMT, Radom 1991/1992.
• 2. Praca zbiorowa (red. Łuksa A.): Ekologia płynów eksploatacyjnych. Wyd. MCNEMT, Radom 1990.
• 3. Praca zbiorowa (red. Neale M.J.): Tribology handbook. Newness-Butterworths. London 1973.
• 4. Pytko S.: Badania mechanizmu niszczenia powierzchni tocznych elementów maszynowych. Zeszyty Naukowe AGH - Elektryfikacja i Mechanizacja Górnictwa i Hutnictwa. 1967, z. 25.
• 5. Lawrowski Z.: Tribologia. Tarcie, zużywanie i smarowanie. PWN, Warszawa 1993.
• 6. Pytko S., Szczerek M.: Pitting - forma niszczenia elementów tocznych. Tribologia. 1993, nr 4/5, s. 317-334.
• 7. IP 300/82. Rolling contact fatigue tests for fluids in a modified four-ball machine.
• 8. Praca zbiorowa (red. Peterson M.B., Winer W.O.): Wear control handbook. ASME. New York 1980.
• 9. Raport z grantu nr 8 T07B 001 21 (pod kier. W. Tuszyńskiego): Właściwości przeciwzużyciowe, przeciwzatarciowe i trwałość zmęczeniowa węzła tarcia jako efekt kompozycji i eksploatacji środków smarowych. Zakład Tribologii ITeE, Radom 2004.
• 10. Yamada H. i inni: The influence of contamination and degradation of lubricants on gear tooth failure. Materiały 6 Międzynarodowego Kongresu Tribologicznego EUROTRIB'93 w Budapeszcie. 1993, s. 241-246.
• 11. Wachal A., Kulczycki A.: Derywatograficzne badania sorpcji dodatków siarkowych na powierzchni żelaza. Trybologia. 1988, nr 1, s. 15-18.
• 12. Kawamura M.: The correlation of antiwear properties with the chemical reactivity of zinc dialkyldithiophosphates. Wear. 1982, t. 77, s. 287-294.
• 13. Wang Y., Fernandez J.E., Cuervo D.G.: Rolling-contact fatigue lives of steel AISI 52100 balls with eight mineral and synthetic lubricants. Wear. 1996, t. 196, s. 110-119.
• 14. Rowe N.C., Armstrong E.L.: Lubricant effects in rolling-contact fatigue. Lubr. Eng. 1982, t. 38, nr 1, s. 23-30, 39-40.
• 15. Magalhaes J.F., Ventsel L., MacDonald D.D.: Environmental effects on pitting corrosion of AISI 440C ball bearing steels - experimental results. Lubr. Eng. 1999, s. 36-41.
• 16. Makowska M., Grądkowski M.: Oznaczanie zawartości dialkiloditiofosforanu cynku w olejach smarowych. Problemy Eksploatacji. 1999, nr 4, s. 127-133.
• 17. Biernat K.: Analiza zmian zachodzących w olejach smarowych podczas eksploatacji oraz kryteriów ich oceny. Biuletyn WAT. 1993, nr 8, s. 81-105.
• 18. Druet K., Romanowski P.: Własności użytkowe starzonych olejów smarowych. ZEM. 1991, z. 2-3, s. 229-241.
• 19. Ciruna J.A., Szieleit H.J.: The effect of hydrogen on the rolling contact fatigue life of AISI 52100 and 440C steel balls. Wear. 1973, t. 24, s. 107-118.
• 20. Torrance A.A., Morgan J.E., Wan G.T.Y.: An additive's influence on the pitting and wear of ball bearing steel. Wear. 1996, t. 192, s. 66-73.