Trybologia – czym się zajmuje i jakie ma zastosowanie?

Czym jest trybologia?

Trybologia (tribologia) definiowana jest jako nauka i technologia dotycząca powierzchni pozostających w ruchu względnym i wzajemnym oddziaływaniu. Obejmuje badanie zjawisk tarcia, zużycia oraz smarowania, a także interakcji zachodzących na styku kontaktujących się ciał. Procesy te obejmują m.in. przenoszenie sił, konwersję energii mechanicznej, przemiany fizykochemiczne oraz zjawiska mechanicznego zazębiania wynikające z morfologii i topografii powierzchni.

Kluczowym celem trybologii jest zrozumienie interakcji powierzchniowych, a tym samym możliwość rozwiązywania problemów i znajdowania właściwych rozwiązań. Dziedzina ta ma charakter interdyscyplinarny – wykorzystuje umiejętności z zakresu inżynierii mechanicznej, materiałoznawstwa, inżynierii chemicznej oraz wielu innych. Tak szerokie podejście jest niezbędne, by w pełni wyjaśnić złożone zjawiska fizyczne zachodzące w strefie tarcia.

Mechanizm tarcia

Tarcie to, z definicji styczny opór ruchu między dwoma stykającymi się ciałami stałymi. Wielkość tego oporu jest funkcją materiałów, geometrii i cech powierzchni stykających się ciał, a także warunków pracy i środowiska. Mechanizm ten jest wynikiem oddziaływań fizycznych zachodzących przede wszystkim w skali mikroskopowej.

Wyróżnia się:

• Tarcie kinetyczne (ruchowe) – opór między dwoma powierzchniami stykającymi się i poruszającymi względem siebie,
• Tarcie statyczne (spoczynkowe) – obecne podczas przejścia ze stanu spoczynku w ruch, a także podczas zatrzymania ruchu. Na ogół większe od kinetycznego.

Powierzchnie ciał, nawet te sprawiające wrażenie idealnie gładkich, na poziomie molekularnym są pełne zagłębień i nierówności. W trakcie ruchu wzajemnie się one blokują i zazębiają, a pokonanie tych barier wymaga dostarczenia energii zewnętrznej.

Kluczowym zjawiskiem w kontekście tarcia jest także adhezja. W punktach rzeczywistego styku ciał dochodzi do powstawania wiązań międzycząsteczkowych, w tym oddziaływań van der Waalsa oraz sił kapilarnych. Dodatkowo podczas procesu tarcia na powierzchniach generowane są ładunki elektryczne (zjawisko tryboelektryczne). Ładunki te zwiększają siły jonowe powierzchni, co sprzyja powstawaniu siły styku adhezyjnego.

Zobacz ofertę środków antyadhezyjnych.

Warto zaznaczyć, że tarcie występuje nie tylko na styku dwóch różnych obiektów, ale również wewnątrz jednego ciała, gdy jego warstwy lub cząsteczki przemieszczają się względem siebie. Zjawisko to nazywamy tarciem wewnętrznym. Jego charakter zależy od stanu skupienia materii – w gazach i cieczach objawia się jako lepkość (siły relatywnie niewielkie), natomiast w ciałach stałych jest znacznie silniejsze, co wynika z uporządkowania elementów struktury.

Środki smarne jako substancje zmniejszające tarcie

Smarowanie jest podstawową metodą stosowaną w konserwacji maszyn do produkcji wyrobów. W przypadku elementów ślizgowych, takich jak układy tłokowo – cylindrowe, koła zębate i krzywki, smarowanie między dwoma lub więcej elementami jest niezbędne do zapewnienia płynnej pracy maszyny.

Środek smarny to substancja mająca na celu zmniejszenie tarcia między powierzchniami stykającymi się ze sobą, co ostatecznie obniża ciepło wytwarzane podczas ruchu tych powierzchni. Mechanizm działania opiera się na zastąpieniu tarcia suchego (ciał stałych) tarciem wewnętrznym płynu o niskiej lepkości lub wytworzeniu trwałej warstwy granicznej.

Oprócz zmniejszenia tarcia, właściwe smarowanie przyczynia się do:

• Rozpraszania ciepła,
• Redukcji hałasu,
• Ochrony przed korozją,
• Skuteczności uszczelniania,
• Usuwania zanieczyszczeń.

Olej bazowy – podstawowy czynnik zmniejszający tarcie

Oleje bazowe to materiały wyjściowe do produkcji środków smarnych, a ich właściwości mają ogromny wpływ na wydajność i charakterystykę gotowego produktu, w tym lepkość, stabilność/trwałość czy nośność.

Wyróżnia się pięć głównych grup olejów bazowych:

Grupa I, II, III – oleje będące pochodnymi ropy naftowej

Grupa I to najtańsze oleje otrzymywane przez prostą rafinację rozpuszczalnikową. Charakteryzują się nasyceniem węglowodorów < 90% oraz wskaźnikiem lepkości 80–120. Oleje bazowe z drugiej grupy powstaje w oparciu o proces hydrokrakingu. Wykazują lepsze właściwości niż oleje z grupy I. Zawierają mniejszą ilość zanieczyszczeń i mają wyższy indeks lepkości.

Oleje z grupy III to produkty o najwyższej czystości, poddane głębokiemu hydrokrakingowi. Ich właściwości zbliżone są do olejów syntetycznych.

Grupa IV – oleje syntetyczne

Charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną i oksydacyjną. Ponadto wykazują niską zmienność lepkości w szerokim zakresie temperatur.

Ta grupa związków obejmuje polialfaolefiny (PAO), które są popularnymi, syntetycznymi węglowodorami. To produkty polimeryzacji etylenu otrzymanego z ropy naftowej przez kraking surowej benzyny. Dzięki całkowitemu nasyceniu (brak wiązań podwójnych), oleje te są odporne na utlenianie i degradację w wysokich temperaturach.

Grupa V – pozostałe oleje bazowe

Ta grupa obejmuje wszystkie pozostałe bazy, w tym estry, polialkilenoglikole (PAG), silikony. Coraz częściej pojawiają się również roślinne alternatywy dla olejów mineralnych i syntetycznych. Są to głównie naturalne trójglicerydy jak np. olej rzepakowy czy słonecznikowy.

Oleje bazowe – oferta Grupy PCC

Grupa PCC oferuje całą gamę specjalistycznych olejów bazowych stosowanych w syntetycznych środkach smarowych. Produkty te wykorzystywane są do płynów hydraulicznych, płynów obróbczych, kompresorów, przekładni przemysłowych, czy w przemyśle tekstylnym.

Bogata oferta produktów dostępna jest w ramach serii o nazwie Rokolub. Są to przede wszystkim:

• Polialkilenoglikole (PAG) rozpuszczalne w wodzie (Rokoluby serii 50-B i Rokoluby serii 60-D),
• Polialkilenoglikole (PAG) nierozpuszczalne w wodzie (Rokoluby serii P-B oraz Rokoluby serii PO-D),
• Estry fosforowe (Rokolub serii FR I i Rokoluby serii FR T).

Dodatki typu AW oraz EP, a charakterystyka trybologiczna tarcia

W olejach i smarach wykorzystywanych w przemyśle oleje bazowe są głównym składnikiem. Istotną rolę spełniają dodatki uszlachetniające, zwiększające naturalne właściwości olejów bazowych.

Dodatki poprawiające właściwości smarne to związki chemiczne, które uczestniczą w reakcjach tribochemicznych. Najczęściej wykorzystywane są dodatki kontrolujące zużycie i tarcie. Występują w postaci dodatków przeciwzużyciowych (AW) lub dodatków przeciwzatarciowych (EP).

Zobacz ofertę dodatków przeciwzużyciowych

Dodatki przeciwzużyciowe  (ang. Anti – Wear, AW)

Dodatki AW to składniki smarów, które reagują chemicznie z chronioną powierzchnią metalu, tworząc powłokę ochronną, chroniącą metal przed zużyciem w warunkach smarowania granicznego. Dodatki przeciwzużyciowe tworzą powierzchnię mniej podatną na uszkodzenia niż niezabezpieczony metal bazowy.

Popularne rodzaje dodatków przeciwzużyciowych to m.in. związki cynku (np. dialkiloditiofosforan cynku, ZDDP), molibdenu (np. ditiokarbaminian molibdenu), dodatki na bazie fosforu i boru.

Grupa PCC ma w swojej ofercie dodatki AW – są to produkty z serii Rokolub AD (np. Rokolub AD 246 ultra).

Dodatki przeciwzatarciowe (ang. Extreme-pressure, EP)

Ich głównym zadaniem jest zapobieganie kontaktowi powierzchni przy ekstremalnie wysokich obciążeniach. Działają chemicznie na powierzchnie metalowe, tworząc warstwę ochronną, która chroni je przed zatarciem i zużyciem. Dodatki EP pozwalają smarowi wytrzymywać krótkotrwałe ciśnienia przekraczające jego normalną nośność, bez uszkodzeń. Zwykle działają mocniej i bardziej agresywnie niż dodatki przeciwzużyciowe.

Typowe przykłady dodatków EP to związki na bazie siarki (np. siarkowane tłuszcze i oleje), związki fosforu (np. fosforany, tiofosforany) lub substancje takie jak grafit i siarczki molibdenu.

W portfolio Grupy PCC dodatki EP to przede wszystkim produkty z serii EXOfos (np. EXOfos PA-080S, EXOfos PB-184).

Zobacz pełną ofertę dodatków przeciwzatarciowych.