The effect of model compounds on load-carrying capacity of a-C:H:W coated elements. Part I. Selected CHO and CHNO compounds

• Autorzy: Vlad M. , Michalczewski R. , Kajdas Cz. , Osuch-Słomka E.

Warianty tytułu

PL

Wpływ wybranych dodatków na nośność warstwy smarowej skojarzeń ciernych z elementami pokrytymi powłoką a-C:H:W. Część I. Wybrane związki typu CHO i CHNO

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy zaprezentowano wyniki badań efektywności działania różnych modelowych związków jako potencjalnych przeciwzużyciowych dodatków dla wysokoobciążonych skojarzeń ciernych z elementami pokrytymi powłoką a-C:H:W. Powłokę a-C:H:W osadzono na kulkach wykonanych ze stali łożyskowej (100Cr6). Nośność warstwy smarowej była mierzona jako obciążenie zacierające z wykorzystaniem aparatu czterokulowego T-02, opracowanego w Instytucie Technologii Eksploatacji – PIB w Radomiu. Zastosowano metodę z ciągłym narastaniem obciążenia węzła tarcia. Przeprowadzono badania dla wszystkich elementów węzła tarcia pokrytych powłoką oraz dla odniesienia dla elementów bez powłoki. Głównym celem Części I pracy było zbadanie obciążenia zacierającego skojarzenia czterokulowego smarowanego olejem polialfaolefinowym z dodatkiem związków, zawierających jedynie węgiel, wodór i tlen (CHO) oraz węgiel, wodór azot i tlen (CHNO). Zaprezentowano wyniki dla 5 związków typu CHO z nasyconym i nienasyconym alkilowym łańcuchem 18 atomów węgla, oraz dwa związki zawierające grupę aminową (–CO-NH– –). Związki te były dodawane w stężeniu 0,1 i 1% ww. do oleju polialfaolefinowego (PAO-8). W wyniku zastosowania powłoki a-C:H:W na elementy trące, nawet przy stosowaniu jedynie oleju bazowego PAO-8 bez dodatków, odporność na zacieranie wzrasta około czterokrotnie w stosunku do wartości uzyskiwanych dla elementów stalowych bez powłoki. Wyniki badań tribologicznych wskazały, że wybrane dodatki CHO w stężeniu 0,1 ww. nie poprawiają odporności na zacieranie skojarzeń ciernych tak z powłoką a-C:H:W, jak też bez powłoki. Niewielki wzrost odporności na zacieranie skojarzeń z powłoką a-C:H:W został odnotowany dla 1% w/w dodatku kwasu oleinowego i stearynianu metylowego. Dla skojarzeń z elementami pokrytymi powłoką zaobserwowano, że obciążenie zacierające jest wyższe przy zastosowaniu 4-(t-butyl)kaprolaktamu niż [epsilon]-kaprolaktamu. Wyniki wcześniejszych badań nad przemianami tribochemicznymi różnych związków CHO (alkoholi, kwasów, eterów, estrów) z wykorzystaniem skojarzenia kula-tarcza, np. tester T-11 lub HFRR, wyraźnie wskazały na możliwość powstania wielu produktów reakcji tribochemicznych. By uzyskać informacje o produktach reakcji związków CHO w warunkach badania w skojarzeniu czterokulowym aparatu T-02, wykonano analizy śladów zużycia otrzymanych przed wystąpieniem zacierania. Do analiz wykorzystano techniki SEM/EDS i AFM. Obserwowano również zmiany w topografii powierzchni oraz chropowatości w zależności od stosowanych dodatków. Bazując na uzyskanych wynikach oraz znanych różnicach w mechanizmach działania dodatków CHO, skomentowano różnice w mechanizmie działania związków CHO w badanych warunkach w skojarzeniu ciernym z elementami pokrytymi powłoką a-C:H:W. Praca jest przyczynkiem do lepszego zrozumienia współdziałania związków CHO/CHNO ze stalowymi elementami i wykazuje, że ten rodzaj związków jest nieefektywny do zwiększania odporności na zacieranie elementów z powłoką a-C:H:W. Badania są kontynuowane (patrz Część II).

EN

The study was intended to investigate the effectiveness of various model compounds as potential anti-wear additives for heavy-loaded a-C:H:W coated steel machine parts. The a-C:H:W coating was deposited on steel (100Cr6) balls. The load-carrying capacity was measured as scuffing load using the T-02 four-ball apparatus developed in the Radom Institute for Sustainable Technology, Poland. The method with continuously increasing load was applied. Both uncoated steel balls and the steel a-C:H:W coated balls were investigated. The major aim of Part I was to investigate the effect of Carbon, Hydrogen, Oxygen, (CHO) and/or Nitrogen (CHNO) model compounds on the load-carrying capacity (scuffing resistance) of a-C:H:W coated steel balls in comparison to their effect on uncoated balls. Five CHO compounds containing alkyl saturated or unsaturated hydrocarbon chain with 18 carbon atoms and two CHNO compounds containing amide group (–CO-NH– –) were tested. The compounds were added at 0.1% wt. and 1% wt. concentration in a poly-alpha-olefin base oil (PAO-8). Test results performed for pure PAO-8 base oil allowed to demonstrate that the load-carrying capacity of a-C:H:W coated steel is roughly four times higher than for uncoated steel balls. Results of tribological experiments for the base oil with the model CHO compounds at the treat rate of 0.1% wt. clearly show that these additives do not improve the scuffing load values both for coated and uncoated balls. Slight improvement in scuffing load values for coated balls was observed at 1% wt. concentration of oleic acid and methyl stearate. For coated balls using 0.1% wt. concentration of CHNO compounds it was found that scuffing load value of 4-(t-butyl)caprolactam is slightly higher than for [epsilon]-caprolactam. Earlier research on tribochemistry of different CHO compounds (alcohols, acids, ether, esters) tested using a pin-on-disk tester, e.g., T-11 tester or the HFRR apparatus, clearly demonstrated a variety of reaction products. To get information on CHO compound reaction products generated under conditions of T-02 four-ball apparatus, the wear scar surfaces before scuffing initiation were analyzed by SEM/EDS and AFM. The changes in wear scar surface topography and roughness in dependent on used additives, were also observed. Based on the obtained detailed analytical data and known references concerning tribochemistry of CHO additives, differences in action mechanisms of CHO compounds controlled by operating conditions and the investigated a-C:H:W coating are discussed. This work contributes to better understanding interaction of CHO/CHNO compounds with steel tribological elements and shows that these compounds are not effective for increasing the load-carrying capacity of a-C:H:W coated machine parts. The research is being continued (see Part II of this paper).

Słowa kluczowe

PL

powłoka a-C:H:W; związki typu CHO i CHNO; odporność na zacieranie; skojarzenie czterokulowe

EN

a-C:H:W coating; CHO and CHNO model compounds; scuffing resistance; four-ball tribosystem

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2008
• Tom: nr 5
• Strony: 185--204
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Vlad M.

autor

Michalczewski R.

autor

Kajdas Cz.

autor

Osuch-Słomka E.

• Institute for Sustainable Technologies National Research Institute, 6/10 Pulaskiego, 26-600 Radom, Poland

Bibliografia

• 1. Masahito Ban, Makoto Ryoji, Sadao Fujii, Junzo Fujioka: Tribological characteristics of Si-containing diamond-like carbon films under oil-lubrication. Wear. 2002, Vol. 253, pp. 331-338.
• 2. Podgornik B., Hren D., Vizintin J.: Low-friction behaviour of boundary-lubricated diamond-like carbon coatings containing tungsten. Thin Solid Films. 2005, Vol. 476, pp. 92-100.
• 3. Michalczewski R., Szczerek M., Tuszyński W., Wulczyński J.: Testing of load-carrying capacity of WC/C coated gears in the back to back gear test rig. Problemy Eksploatacji. 2004, No. 4, pp. 247-254.
• 4. Michalczewski R., Piekoszewski W.: The effect of AW/EP additives on scuffing and pitting of WC/C coated elements. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. 2006, Z. 3 (147), vol. 41, pp. 67-80.
• 5. Matuszewska A., Michalczewski R., Grądkowski M., Szczerek M.: Selection of base oil for contacts with WC/C coatings. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. 2007, Z. 2 (150), vol. 42, pp. 31-40.
• 6. Kajdas C., Majzner M.: CHO-Ester-Type Compounds/Products as Ecologically Accepted Tribologiocal Additives. 14th International Colloquium Tribology January 13-15, 2004. Vol. I, Wilfried J. Bartz. Tribology and Lubrication Engineering.
• 7. Kajdas C., Majzner M.: Effectiveness of Selected CHO Compounds as Antiwear Additives to White Mineral Oils. Tribology Transactions. 2005, Vol. 48, pp. 93-99.
• 8. Junyan Zhang, Weimin Liu, Qunji Xue.: The friction and wear behaviors of some O-containing organic compounds as additives in liquid paraffin. Wear. 1998, Vol. 219, pp. 124-127.
• 9. Kajdas C., Furey M. J., Kempinski R., Valentino J.: New condensation-type monomer combinations as ashless antiwear compositions. Wear. 2001, Vol. 249, pp. 235-239.
• 10. Molenda J., Kajdas C., Makowska M., Grądkowski M.: Unsaturated oxygen compounds as antiwear additives for lubricants. Tribologia. 1999, No. 3/99 (165), pp. 323-331.
• 11. Kajdas C., Al-Nozili M.: Wear behaviour and tribochemistry of oxygenates in 1-methylnaphtalene under boundary lubrication of the steel-on-steel system. Tribologia. 1999, No. 3/99 (165), pp. 301-313.
• 12. Knothe G., Steidley K.R.: Lubricity of components of biodiesel and petro-diesel. The origin of biodiesel lubricity. Energy & Fuels. 2005, Vol. 19, pp. 1192-1200.
• 13. Kano M., Yasuda Y., Okamoto Y., Mabuchi Y., Hamada T., Ueno T., Ye J., Konishi S., Takeshima S., Martin J.M., De Barros Bouchet M.I., Le Mogne T.: Ultralow friction of DLC in presence of glycerol mono-oleate (GMO). Tribology Letters. 2005, Vol. 18, No. 2, pp. 245-251.
• 14. Minami I., Kubo T., Nano H., Mori S., Sagawa T., Okuda S.: Investigation of Tribo-Chemistry by Means of Stable Isotopic Tracers, Part 2: Lubrication Mechanism of Friction Modifiers on Diamond-Like Carbon. Tribology Transactions. 2007, Vol. 50, pp. 477-487.
• 15. Jiang J.C., Meng W.J., Evans A.G., Cooper CV.: Structure and mechanism of W-DLC coated spur gears. Surface and Coatings Technology. 2003, Vol. 176, pp. 50-56.
• 16. Piekoszewski, W., Szczerek, M., Tuszyński, W.: The action of lubricants under extreme pressure conditions in a modified four-ball tester. Wear. 2001, No. 249, pp. 188-193.
• 17. Szczerek M., Tuszyński W.: A Method for Testing Lubricants under Conditions of Scuffing. Part I. Presentation of the Method. Tribotest Journal. 2002, Vol. 8-4, pp. 273-284.