Effect of the Addition of a Selected Ionic Liquid on Tribological Properties of Steel

• Autorzy: Kowalczyk Joanna , Madej Monika , Kowalski Marcin

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.9828

Warianty tytułu

PL

Wpływ dodatku wybranej cieczy jonowej na właściwości tribologiczne stali

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper examines the impact of incorporating the 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BMIMPF6) ionic liquid into PAO 8 polyalphaolefin oil on the tribological characteristics of the steel-steel system lubricated with this oil. Friction-wear tests were carried out on a tribological tester operating as a ball and disc assembly in a frictional motion. Tests were carried out with a load of 10 N over a sliding distance of 1,000 m. 100Cr6 steel discs and balls were used in the tests. The tests were carried out under lubrication conditions with the BMIMPF6 ionic liquid, PAO 8 poly(α)olefin oil, PAO 8 poly(α)olefin oil with the addition of 1% and 10% BMIMPF6 ionic liquid. Following the tribological tests, both discs and balls were subjected to microscopic observation with a view to analysing the microstructure and geometric structure of the surface at the wear track. The study found that the quantity of ionic liquid incorporated into the PAO 8 oil has a discernible influence on the tribological characteristics of 100Cr6 steel. Adding a lubricant with 1% of BMIMPF6 in PAO 8 to PAO 8 containing 10% of BMIMPF6 increased the coefficient of friction value by approximately 26% and lowered disc wear by approximately 43%. In contrast, the analysis of ball wear revealed that the lowest level of wear was observed in the 1% concentration of BMIMPF6 in PAO 8, while the highest level of wear was observed in PAO 8 oil.

PL

W artykule zbadano wpływ dodatku cieczy jonowej 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate BMIMPF6 do oleju polialfaolefinowego PAO 8 na właściwości tribologiczne stali. Badania tarciowo-zużyciowe zrealizowano na testerze tribologicznym pracującym w skojarzeniu trącym kula–tarcza w ruchu obrotowym. Testy przeprowadzono przy obciążeniu 10 N na drodze tarcia równej 1000 m. Do badań użyto tarcz i kul wykonanych ze stali 100Cr6. Badania zrealizowano w warunkach smarowania cieczą jonową BMIMPF6, olejem poli(α)olefinowym PAO 8, olejem poli(α)olefinowym PAO 8 z dodatkiem 1% oraz 10% cieczy jonowej BMIMPF6. Po testach tribologicznych zarówno tarcze, jak i kule poddano obserwacjom mikroskopowym – analizowano mikrostrukturę oraz strukturę geometryczną powierzchni w miejscu wytarcia. Uzyskane wyniki z badań wskazały, że ilość dodatku cieczy jonowej w oleju PAO 8 ma wpływ na właściwości tribologiczne stali 100Cr6. Dla 10% stężenia BMIMPF6 w oleju PAO 8 uzyskano większą wartość współczynnika tarcia o około 26% i mniejsze zużycie tarczy o około 43% w porywaniu ze środkiem smarującym zawierającym 1% stężenia BMIMPF6 w PAO 8. Z kolei porównując zużycie kul, najmniejsze wytarcie zarejestrowano dla 1% stężenia BMIMPF6 w PAO 8, a największe dla oleju PAO 8.

Słowa kluczowe

EN

ionic liquid BMIMPF6; PAO 8; polyalphaolefin oil; friction; wear; steel

PL

ciecz jonowa BMIMPF6; PAO 8; olej polialfaolefinowy; tarcie; zużycie; stal

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 4
• Strony: 43--53
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., fot., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Kowalczyk Joanna

• Kielce University of Technology, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4641-0032

autor

Madej Monika

• Kielce University of Technology, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9892-9181

autor

Kowalski Marcin

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Ignacego Łukasiewicza 17 Ave., 09-400 Płock, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5380-573X

Bibliografia

• 1. Gatti F.J., Cai W., Herzog R., Gharavian A., Kailer A., Baltes N., Rabenecker P., Mörchel P., Balzer B.N., Amann T., Rühe J.: Investigation of Programmable Friction with Ionic Liquid Mixtures at the Nano- and Macroscales. Lubricants, 2023, 11(9).
• 2. Zhang X., Han M., Espinosa-Marzal R.M., Thin-Film Rheology and Tribology of Imidazolium Ionic Liquids. ACS Appl. Mater. Interfaces, 15(38), 2023, pp. 45485–45497.
• 3. Prathipati S., Vipparla S.R., Munnangi S.R., Sk, M.N., Bollikolla H.B.: A Molecular Interactions Study between 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophosphate (Bmim.PF6.) and N-Methylpyrrolidone. The Journal of Chemical Thermodynamics, 154, 2021, p. 106330.
• 4. Sharma P., Sharma S., Kumar H.: Introduction to Ionic Liquids, Applications and Micellization Behaviour in Presence of Different Additives. Journal of Molecular Liquids, 393, 2024, p. 123447.
• 5. Azhagar S., Murugesan B., Chinnaalagu, D. kumar, Arumugam M., Mahalingam S.: BMIM.-PF6 Ionic Liquid Mediated Polyol Synthesis of Praseodymium (III) Oxide Nanoparticles: Physicochemical Investigation and Its Interaction with Bacterial and Cancer Cells. Ceramics International, 48(23, Part A), 2022, pp. 35386–35397.
• 6. Johnson D.W.: The Tribology and Chemistry of Phosphorus – Containing Lubricant Additives. Advances in Tribology, P.H. Darji, ed., IntechOpen, Rijeka, 2016.
• 7. Buzolic J.J., Li H., Aman Z.M., Silvester D.S., Atkin R.: Surface-Active Ionic Liquids as Lubricant Additives to Hexadecane and Diethyl Succinate. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 699, 2024, p. 134669.
• 8. Milewski K., Madej M., Kowalczyk J., Ozimina D.: The Influence of Silicon-Doped Diamond-like Carbon Coating on the Wear of Ionic Liquid Lubricated Friction Pairs. Tribologia, (282(6)), 2018, pp. 97–106.
• 9. Krebs F., Höfft O., Endres F.: Interaction of Aluminum and Platinum Surfaces with the Ionic Liquids 1-Butyl-1-Methylpyrrolidinium Bis(Trifluoromethylsulfonyl)Imide and 1-Ethyl-3-Methylimidazolium Bis(Trifluoromethylsulfonyl)Imide. Coatings, 2023, 13(7).
• 10. Gu G., Wu Z., Zhang Z., Qing F.: Tribological Properties of Fluorine-Containing Additives of Silicone Oil. Tribology International, 42(3), 2009, pp. 397–402.
• 11. Wang H., Che Q., Li Y., Zhang S., Liu X., Zhang J., Hu L.: Ionic Nitrogen-Doped Carbon Dots as Nonpolar Lubricant Additives at Low Effective Addition. Langmuir, 40(24), 2024, pp. 12632–12640.
• 12. Arora H., Cann P. M.: Lubricant Film Formation Properties of Alkyl Imidazolium Tetrafluoroborate and Hexafluorophosphate Ionic Liquids. Tribology International, 43(10), 2010, pp. 1908–1916.
• 13. Anand M., Hadfield M., Viesca J.L., Thomas B., Battez A.H., Austen S.: Ionic Liquids as Tribological Performance Improving Additive for In-Service and Used Fully-Formulated Diesel Engine Lubricants. Wear, 334–335, 2015, pp. 67–74.
• 14. Zhang L., Feng D., Xu, B.: Tribological Characteristics of Alkylimidazolium Diethyl Phosphates Ionic Liquids as Lubricants for Steel–Steel Contact. Tribology Letters, 34(2), 2009, pp. 95–101.
• 15. Somers A.E., Howlett P.C., Sun J., MacFarlane D.R., Forsyth M.: Transition in Wear Performance for Ionic Liquid Lubricants under Increasing Load. Tribology Letters, 40(2), 2010, pp. 279–284.
• 16. Kumar B., Verma D.K., Kavita, Rastogi R.B.: Tribological Activity of Ionic Liquid Stabilized Calcium Doped Ceria Nanoparticles, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 235, 2021, pp. 989–996.
• 17. Cverna F., Conti P.: ASM International Materials Properties Database Committee, 2006, Worldwide Guide to Equivalent Irons and Steels, ASM International Materials Park, Ohio, Materials Park, Ohio.
• 18. Dai J., Chen P., Chu X., Xu B., Su, S.: Comparison between NIR, FT-IR and Raman for Quantitative Analysis of the Conversion of Poly Alpha Oil (PAO). Vibrational Spectroscopy, 123, 2022, p. 103452.
• 19. https://www.sigmaaldrich.com/pl/pl/product/aldrich/70956#product-documentation. 2024.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).