Ipari kenőanyagok használati tulajdonságai a gépgyártásban Egy kutatási terv eredményei

Átírás

1 ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.03 Ipari kenőanyagok használati tulajdonságai a gépgyártásban Egy kutatási terv eredményei Tárgyszavak: tribológia; kenőanyagok; súrlódás; akadozó csúszás; feketefoltosság; vizsgálati metodika. Gépágyak egyenesbe vezetésénél használt kenőolajok tribológiai tulajdonságaira szigorú szabványelőírások vannak. Forgácsoló szerszámgépek esetében a kenőolaj és a hűtő kenő anyag kombinációi súrlódásnövelést és akadozó csúszást okozhatnak. Ezenkívül az adalékok és a kenésben részt vevő anyagok kombinációi a fémszerkezeteken feketefolt kialakulását is eredményezhetik. Ezek a fekete rétegek igen vékonyak kb. 20 nm (nanométer) nagyságúak és a súrlódási körülményekre csekély és csak átmeneti hatással vannak. Sem az üzembiztosságra, sem a gyártási pontosságra nincsenek befolyással. Kiindulási feltételek A forgácsoló szerszámgépek esetében a vezetékolajok és a hűtő kenő folyadékok nagy szerepet játszanak. Amíg ezeknek a folyadékoknak demulgeáló képességét rutinszerűen vizsgálták, addig a kenőanyagok tribológiai tulajdonságaira nem fordítottak kellő figyelmet. A minimálkenési kísérletek ellenére egyre inkább használják a hűtő kenő anyagokat a forgácsoló szerszámgépeknél. Az egyenes vezetékben használt hűtő kenő anyagok az üzembiztosságban semmi csökkenést nem okoztak, mivel a kenőanyagok optimális használati körülményeire nagy súlyt helyeztek (1. ábra). A különböző gyártmányú kenőanyagok felhasználására nincsenek érvényes szabványok. A gyakorlat azt mutatja, hogy kedvezőtlen kenőanyagkombinációk a gyártási eljárások során zavarokat okozhatnak. A kenőanyagok adalékolásának hatását sok kísérleti munka vizsgálta. Különböző adalékcsoportok felhasználását és a kombinációkra kifejtett hatását csak gyakorlathoz közel álló kísérletekkel lehet megállapítani. A célja az volt ennek a vizsgálati tervnek, hogy gyakorlathoz közeli megállapításokat kapjanak az ágyvezetékeken használt kenőanyagok használati tulajdonságairól (súrlódás, akadozó csúszás). Az iparból kapott utalások alapján ismert, hogy szórványosan keletkezik a vezető eteken feketefolt, amelyet olajok vagy olaj kenőanyag elegyek okoznak. Igen érdekes kérdés, hogy a feketefoltok befolyásolják-e az üzembiztosságot vagy a gyártás minőségét.

2 hűtő kenő folyadék olaj demulgealó tulajdonság súrlódás, akadozó csúszás feketefoltok képződése 1. ábra Az olaj és KSS (hűtő kenő folyadék) befolyása a hosszvezetékek tribológiai rendszerére Feladatmeghatározás és eljárási mód A vizsgálati tervnek központi feladata a tribológiai összefüggések megállapítása, ezen belül a kenőolaj és hűtő kenő anyag hatásának vizsgálata a szerszámgépek üzemi körülményeire és az üzembiztosságára. Az olajipari és szerszámgépipari cégek figyelemmel kísérték a kísérleti munkát, a programot és a vizsgálandó anyagot jóváhagyva. Legelőször 8, szokásos kereskedelmi ágyvezetékolaj és 8 szabványos hűtő kenő folyadék tribológiai tulajdonságait vizsgálták meg. A feketefolt-képződés vizsgálatára 27 alapolajat és 19 alap hűtő kenő folyadékot állítottak össze és kombinációban vizsgálták. Minden tribológiai vizsgálatot a Technische Universität, Darmstadt laboratóriumában. A vizsgálatok lényeges szempontja a feketefoltok keletkezésére befolyást jelentő tényezők kiderítése. A réteg és összetételének adatait röntgenfotoemissziós mérésekkel állapították meg. Vizsgálati program -súrlódóbetét acélvezetéken jelentkező csúszó- és tapadósúrlódás, valamint akadozó csúszás jellemzőinek megállapítása; a hűtő kenő anyag mennyisége befolyásának megállapítása az egyenes csúszóvezeték tribológiai jellemzőire; összefüggés a demulgeáló hatás, a súrlódás és az akadozó csúszás között; az ágyvezeték-kenőolaj, hűtő kenő folyadék lényeges befolyásoló tényezőinek megállapítása a feketefolt-keletkezésre vonatkozóan; a feketefoltréteg összetételének, vastagságának és tribológiai jellemzőinek megállapítása.

3 Kísérleti módszer és a berendezések A vizsgálathoz rendelkezésre álló vizsgálópad (2. ábra) lényegében egy köszörűgép állványa, ágyvezetéke volt. Az 1000 x 500 mm méretű szán négy csúszótagon feküdt fel. A szerszámgépek esetében szokásos eti terhelést pótsúlyokkal állították be. A hajtást egy PC-vezérlésű NC-tengely segítségével hozták létre 0, mm/min csúszósebesség intervallumban. Az edzett acél vezetékpályákat csavarral rögzítették az állványhoz. tribológiai vizsgálópad 1. hajtómű 500 csúszóbetétek (50 x 200 mm) acél ágyvezeték, 60 HRC 1000 golyósorsó hajtómű mérőcella sebesség-ellenőrző mérőhely 2. ábra Vizsgálópad elrendezése Az 1. hajtómű 3500 mm/min csúszósebességig, a 2. hajtómű 0,01 mm/min csúszósebességet valósít meg A speciális kísérleti program lehetővé tette a széles körű önálló kísérleti folyamatot, amelyben a csúszósebességet, időtartamot, csúszási utat változtatni lehetett. A szánra a szükséges előtolóerőt a golyósorsó segítségével egy mérőcellán keresztül csatlakozó szán útján, nyomatékmentesen lehetett átvinni. A súrlódási érték legkisebb változását, valamint az akadozó csúszást erősítő és kiíró sebességével lehetett rajzolni. Csúszópárnak a gépgyártásban gyakran használt -bázisú csúszóbetétet és acélt választották. A bevont csúszótestet a vezetőpályába beillesztették. Ezután két hétig bejáratási időszak következett. A vezetőlécek 60±2 HRC keménységűek és eti érdességük R a = 0,2 µm.

4 Feketefoltok kialakulásának vizsgálata A Darmstadti TU kifejlesztett a 90-es évek közepén egy olyan kísérleti módszert, amellyel a feketefoltok kialakulására ható befolyásoló tényezőket meg lehetett állapítani. A 3. ábra mutatja a kísérleti felépítést. A mindenkori ágyvezetékanyag van érintkezésben a csúszóbetétanyaggal, ez most csúszóbetétanyag. A két csúszó elempár közé kerül a vizsgálandó olaj vagy az olaj/hűtő kenő folyadék keverék. Azért, hogy a keverék demulgeáló tulajdonságának a befolyását a feketefoltok kialakulására megállapíthassák, mindkét oldalra egy érintkezési lemezt helyeztek el. A kísérleti feltételek terhelés nélküli ágyazását 1-től 3 hétig 40 C-on, illetve szobahőmérsékleten tartották. Az értékelést megadott séma szerint végezték, amelyet finomítottak a vizsgálatok során (4. ábra). A feketefoltok mindhárom megjelenési formája a horonyban, a horony szélén, és a horonyon kívül azonos volt. A feketefoltok intenzitásának értékelését négy lépcsőben végezték. A leggyakrabban jelentkező megjelenési alak a horonyban a fekete elszíneződés. Az 5. ábra a feketefoltok keletkezését mutatja GG 25 vezetékanyag és az olaj/hűtő kenő folyadék keverék esetén. Megjegyzendő: növekvő vizsgálati idővel a fekete elszíneződés növekszik. Minél hoszszabb a vizsgálati idő, annál kevésbé észrevehető a vizsgálati hőmérséklet befolyása. Ezt a megjelenési képet nem lehet általánosítani. csúszóbetét, köszörülve: acél olaj és hűtő kenő folyadék 80/20 et edzve ágyvezetékanyag ágyvezetékanyagok: GG25, GG30, GGG60 és GGG70 kísérleti feltételek: olaj és hűtő kenő folyadék 80/20 az -súrlódóbetét nézete, bemunkált kenőanyagok kísérleti idő: 7 nap kísérleti hőmérséklet:40 C értékelés: a mellékelt kiértékelési séma szemrevételezéssel 3. ábra A vizsgálati kivitel és vizsgálati körülmények a feketefoltok kialakulására (Darmstadti TU módszere)

5 befolyás a horonyban befolyás a horony szélén befolyás a hornyon kívül értékelő tényező Eredmények 4. ábra A feketefoltok értékelése a horonyban, a horony szélén és a hornyon kívül különböző értékelő tényezőkkel Csúszó- és tapadósúrlódás Minden ágyvezetékolaj csúszósúrlódása kedvező volt 0, mm/min intervallumban. Akadozó csúszás egyik olajfajtánál sem lépett fel. Hidrodinamikai kenés keletkezik 2000 mm/min sebesség fölött. Tapadósúrlódás 10 min állásidő után jön létre, értéke annyi, mint csúszósúrlódás esetén 1 mm/min sebességnél. Hűtő kenő folyadék befolyása A hűtő kenő folyadék negatív irányban befolyásolja a súrlódási viszonyokat. Kis sebességtartományban szinte minden olaj/hűtő kenő folyadék kombináció esetében jelentkezik az akadozó csúszás. Igen nagy a súrlódási érték inga

6 dozása az egyes olaj/hűtő kenő folyadék keverék esetében. Csak 5 10% hűtő kenő folyadék az ágyvezetékolajban tudja a súrlódást jelentősen befolyásolni. 25 C 40 C 1. kísérlet 2. kísérlet 3. kísérlet 4. kísérlet 1. hét értékelési tényező a hornyon kívül a horony szélén a horonyban 25 C 40 C 1. kísérlet 2. kísérlet 3. kísérlet 4. kísérlet 2. hét értékelési tényező a hornyon kívül a horony szélén a horonyban 25 C 40 C 1. kísérlet 2. kísérlet 3. kísérlet 4. kísérlet 3. hét értékelési tényező a hornyon kívül a horony szélén a horonyban 5. ábra A feketefoltok keletkezésére példa GG25 anyagra 25 C és 40 C, valamint 1 3 hét vizsgálati idő esetén

7 Feketefoltok kialakulása Különböző alakban lépnek fel acél- vagy öntöttvas eteken feketefoltok. Az egyes hornyokban a feketefoltok nyomokban jelennek meg, vagy pedig a csúszóeteken teljes eten jelentkeznek fekete elszíneződések. A fekete elszíneződés 1 és 3 hét között maximális értékre emelkedik. Az érintkező etek eltolódása ismételt fekete elszíneződésre vezet. Ezek a foltok csak csiszolással vagy köszörüléssel távolíthatók el; a tiszta hűtő kenő folyadékok által előidézett foltokat könnyebb eltávolítani, mint a folyadékelegyek miatt képződötteket. Az ágyvezetékolajok szórványos foltok esetében is a fő okozói a foltosodásnak. Olajsavak, illetve foszforsavészterek erőteljes feketefoltosodáshoz vezetnek, ezt a hűtő kenő folyadék hozzáadással csökkenteni lehet. Kutatási eredmények mutatják, hogy aktív kénvegyületek az ágyvezetékolajban alkalikus hűtő kenő folyadékokkal kombinálva igen erős foltosodáshoz vezetnek. Hűtő kenő folyadékok önmagukban hajlamosak, adalékanyagoktól függetlenül, sokkal inkább előidézni feketefoltosodást, mint ágyvezetékolajjal kombinációban. Rétegvastagság és rétegösszetétel A feketefoltok rétegvastagságának megállapítása röntgen-fotoemissziós (XPS) méréssel történik. Nehéz exakt mérést végezni a µm értékű eti érdesség és a nm értékű rétegvastagság közötti nagy különbség miatt. Azonban nm rétegvastagsággal lehet számolni. A feketefoltosság tartalmaz foszfort, ként, Ca-t, Na-t és N-t is. A foltosodás színének valószínűleg több oka is van. A vas-oxid réteg barna színt ad, de a mangán-oxid sötétít, a mangán foszfor és a mangán kén vegyületek kékes árnyalatot okoznak. A feketefoltok hatása a súrlódási viszonyra A 6. ábra összehasonlító jellegben mutatja a csúszósebesség függvényében a súrlódási tényező változását GG 30 ágyvezeték foltosodott etein. A különböző görbék növekvő csúszási utakhoz tartoznak, de mindegyiknél látható, hogy a súrlódási tényező a kezdeti értékhez viszonyítva 50 60%-kal növekszik, majd kb. 20 m csúszási út után lecsökken és a foltok nélküli vezeték vizsgálati eredmény értékeit eléri. A vizsgálatok azt mutatták, hogy a foltosodás nélküli vezeték értékeivel 20 m csúszási út után teljesen azonosak. Akadozó csúszás nem lépett fel a foltosodás miatt.

8 csúszósurlódási diagram a vezetéken feketefoltosság 0,15 súrlódási tényező, f 0,10 1 kísérlet 2. kísérlet 0,05 3. kísérlet 4. kísérlet 5. kísérlet 6. kísérlet 0,00 0, csúszási sebesség v, mm/min 6. ábra Csúszósúrlódás GG30 anyagú vezetősínen, amelyen feketefoltosság van. Növekvő csúszási úttal (1 6. kísérlet) csökken a súrlódási tényező Az eredmény a gépszerkesztők és a kenőanyagipar számára igen érdekes. A kísérlet keretein belül látható, hogy a súrlódási tényező növekedése a feketefoltok miatt csak átmeneti természetű. Ha a vezetősíneken a rétegvastagság kb. 20 nm és a eti érdesség R a = 0,2 µm, akkor a feketefoltok csupán optikai problémát jelentenek. (Dr. Zsáry Árpád) Gerbauchsverhalten von Industrieschmierstoffen in Maschinenbau.= Tribologie + Schmierungstehnik, 48. k. 5. sz p Rakić, R.: Schmierstoffe in Zahnradgetrieben. = Tribologie und Schmierungstechnik, 44. k. 5. sz szept./okt. p Manfred, B.: Möglichkeiten der Verlängerung der Gebrauchsdauer von Mineralölen und anderen Druckflüssigkeiten durch konsequente Überwachung und Pflege. = Mineralöl Technik, sz. dec. p