Sisältö

Tribologiaa kansanomaisesti

Voiteluopin eli tribologian kehitys

Voiteluoppi eli tribologia on tieteenala, joka tutkii pintojen välistä kitkaa, kulumista ja voitelua. Tribologian kehitys on ollut merkittävää viime vuosikymmeninä, ja se on johtanut merkittäviin parannuksiin moottoreiden, koneiden ja muiden mekaanisten järjestelmien suorituskyvyssä, kestävyydessä ja energiatehokkuudessa. 

Lisäaineistuksen roolin korostuminen:

Yksi merkittävä kehityssuunta tribologiassa on ollut öljyjen lisäaineistuksen merkityksen korostuminen.  Öljyjen lisäaineilla voidaan parantaa perusöljyn ominaisuuksia, vähentää sen ei-toivottuja ominaisuuksia ja antaa sille uusia ominaisuuksia.  Esimerkiksi lisäaineilla voidaan parantaa öljyn kulumisenesto-ominaisuuksia, korroosionkestävyyttä, viskositeettia ja hapettumisenkestävyyttä.

ZDDP:n käytön rajoittaminen:

Aiemmin yleisesti käytetty kulumisenestoaine ZDDP (sinkkidialkyyliditiofosfaatti) on osoittautunut haitalliseksi katalysaattoreille.  Tämän vuoksi ZDDP:n määrää on rajoitettu nykyaikaisissa moottoriöljyissä ja sen tilalla on kehitetty muita kulumisenestoaineita.  Esimerkiksi molybdeenejä, jota on perinteisesti käytetty pesuaineena öljyissä, on alettu hyödyntää myös kulumisenestoaineena. MoDTP nykyisin vielä enemmän MoMTP

Tribofilmien merkitys:

Tribofilmien, eli voiteluaineiden lisäaineiden ja metallipintojen välille muodostuvien suojakalvojen, merkitys on korostunut tribologian kehittyessä.  Tribofilmit vähentävät kitkaa ja kulumista metallipintojen välillä, ja niiden koostumus ja ominaisuudet riippuvat käytetyistä lisäaineista.

Uusien materiaalien ja pinnoitteiden kehittäminen:

Tribologian kehitys on johtanut myös uusien materiaalien ja pinnoitteiden kehittämiseen, jotka kestävät paremmin kulumista ja kitkaa. Esimerkiksi joissakin moottorin osissa käytetään kuivakalvopinnoitteita, jotka koostuvat pienistä hiukkasista, jotka irtoavat hitaasti ja muodostavat suojakalvon. 

Tieteellisen tutkimuksen ja analyysimenetelmien kehittyminen:

Tribologian tieteenala on kehittynyt myös tieteellisen tutkimuksen ja analyysimenetelmien kehittymisen myötä. Esimerkiksi XPS-analyysillä (X-ray Photoelectron Spectroscopy) voidaan tutkia tribofilmien koostumusta ja ominaisuuksia nanometrien tarkkuudella. 

Yhteenveto:

Tribologian kehitys on johtanut merkittäviin parannuksiin koneiden ja laitteiden suorituskyvyssä ja kestävyydessä. Lisäaineistuksen, tribofilmien ja uusien materiaalien merkitys on korostunut, ja tieteellisen tutkimuksen avulla pyritään jatkuvasti kehittämään entistä tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä voiteluaineita ja lisäaineita.

Tribologian perusteet

Tribologia, eli "voiteluoppi", käsittelee kitkaa, kulumista ja voitelua. Tämä on erityisen tärkeää koneiden ja moottoreiden toiminnassa, koska oikeanlainen voiteluaineiden käyttö voi merkittävästi parantaa niiden kestävyyttä ja tehokkuutta. Monella käyttäjällä ei ole tarkkaa tietoa siitä, miten voiteluaineet toimivat tai miten niitä voidaan parantaa.

Moottoriöljyn liukkaus

Usein puhutaan öljyn liukkaudesta, ja todetaan, että joku öljy on liukkaampaa kuin toinen. Moottoriöljyn voiteluominaisuuksien yhteydessä tämä ei kuitenkaan aina pidä paikkaansa. Todellisuudessa moottoriöljyn liukkaus ei riipu pelkästään itse öljystä, vaan merkittävämmässä roolissa on öljyyn lisättyjen lisäaineiden muodostama tribofilmi.

Tribofilmi:

Tribofilmi on ohut kalvo, joka muodostuu öljyn lisäaineiden ja metallipintojen välille moottorin liikkuvissa osissa. Tämä kalvo toimii suojakerroksena, joka vähentää kitkaa ja kulumista metallien välillä.

Lisäaineiden merkitys:

Moottoriöljyihin lisätään useita erilaisia lisäaineita, jotka parantavat öljyn ominaisuuksia ja auttavat tribofilmin muodostumisessa. Näihin lisäaineisiin kuuluvat mm. sinkki (ZDDP), molybdeeni ja kloorialkaanit. 

Esimerkiksi X-1R-lisäaineessa käytetyt kloorialkaanit muodostavat erittäin liukkaan ja kestävän tribofilmin metallipinnoille. [6] Myös ZDDP muodostaa tribofilmin, joka suojaa metallipintoja kulumiselta. 

Liukkaus vs. kulumissuoja:

On tärkeää huomata, että liukkaus ja kulumisenesto eivät ole sama asia. Öljy voi olla erittäin liukas, mutta se ei välttämättä tarjoa hyvää suojaa kulumiselta. Vastaavasti öljy, joka ei ole erityisen liukas, voi silti suojata moottorin osia kulumiselta erittäin tehokkaasti. 

Esimerkiksi ZDDP lisää joissain tapauksissa hieman kitkaa, mutta suojaa moottorin metalliosia kulumasta erittäin tehokkaasti. 

Yhteenveto:

Moottoriöljyn liukkaus on monimutkainen asia, johon vaikuttavat sekä itse öljy että sen lisäaineet. Pelkkä liukkaus ei kuitenkaan takaa hyvää moottorin suojausta. Tärkeämpää on, että öljy muodostaa kestävän ja suojaavan tribofilmin moottorin liikkuviin osiin.

Omat kokemukset ja tausta

Olen opiskellut voiteluoppia ammattikoulussa 1970-luvulla, sekä myöhemmin ammattini puolesta ja osallistunut voiteluainekoulutuksiin, erityisesti autoalan korjaamoilla ja huoltoasemilla. Näiden koulutusten ansiosta hän on oppinut, että voiteluaineiden lisäaineistuksilla on suuri merkitys moottoreiden ja koneiden suorituskyvylle ja kestävyydelle. En esitä asioita kuin tietäisin kaiken, mutta uskon että esittämissäni teksteissä on paljon totuudenperää.

Tärkeintä on kuitenkin että otat itse selvää, sekä teet omat johtopäätöksesi itsenäisesti.

Metallurgia ja öljykemia

Moottoreiden osien ja voiteluöljyjen kehitys kulkee käsi kädessä. On virheellistä ajatella, että vanhoihin moottoreihin tulisi käyttää vain vanhan aikakauden öljyjä, koska parempia vaihtoehtoja ei silloin ollut saatavilla. Nykyään on olemassa tehokkaampia, moderneja voiteluaineita, jotka sopivat myös vielä paremmin vanhoihin moottoreihin.

Lisäaineistuksen merkitys

Voiteluaineiden lisäaineet, kuten sinkkifosfaatit, vähentävät metallipintojen kulumista ja suojaavat niitä korkeissa lämpötiloissa ja paineissa. Nämä aineet estävät metallipintojen kosketuksen äärimmäisissä olosuhteissa. Ilman lisäaineistusta ei tämän päivän moottoriteknologiaa voisi hyödyntää lainkaan.

Tribofilmi

Tribofilmi on metallipinnoille syntyvä suojaava kalvo, joka muodostuu voiteluaineen lisäaineiden avulla. Tämä "kolmas" pintakerros suojaa metallipintoja kulumiselta.

Viskositeetti

Viskositeetti on voiteluaineen keskeinen ominaisuus, joka vaikuttaa voitelukalvon muodostumiseen koneen osien väliin. Liian alhainen viskositeetti aiheuttaa pintojen kosketuksen, kun taas liian korkea viskositeetti estää öljyn nopean liikkumisen voitelukohteeseen.

Voiteluaineiden lisäaineet ja sovellukset

EP-lisäaineet ja klooratut parafiinit

EP-lisäaineet ovat erityisen tärkeitä voimansiirrossa, jossa voitelukalvoon kohdistuu kova paine. Klooratut parafiinit jopa lyhytketjuiset ( C10 - C13 ) olivat aiemmin yleisiä EP-lisäaineita, mutta ne lyhytketjuiset on osittain korvattu ympäristösyistä.

Moottoriöljyt

Moottoriöljyt koostuvat perusöljystä, viskositeettiaineista ja lisäaineista. Öljyjen tärkeimmät erot ja ominaisuudet syntyvät lisäaineistuksella. Perusöljyt ovat lähtökohtaisesti samanlaisia, mutta lisäaineilla ne muokataan sopiviksi eri käyttötarkoituksiin.

Kotikäyttäjän lisäaineet

Monet kotikäyttäjille tarkoitetut lisäaineet perustuvat samoihin tribologisiin periaatteisiin kuin teollisuuden käyttämät voiteluaineet. Öljyn lisäaineet sisältävät usein sinkki- ja fosforiyhdisteitä, jotka parantavat kulumissuojaa ja voitelua.

Tribofilmi ja sen muodostuminen

Tribofilmi syntyy, kun metallipinnat ovat toistuvassa kosketuksessa äärimmäisissä olosuhteissa. Tietyt lisäaineet, kuten jo tunnettu esimerkki sinkkidialkyyliditiofosfaatti (ZDDP), muodostavat tribofilmin, joka suojaa pintoja kulumiselta ja vähentää kitkaa.

tribofilmin syntyyn vaikuttaa kolme tekijää:

  1. Kitka ja lämpö: Metallipintojen välinen kitka nostaa lämpötilaa, mikä edistää tribokemiallisia reaktioita.
  2. Lisäaineet: Tietyt lisäaineet, kuten fosforiyhdisteet, sinkkifosfaatit ja klooratut parafiinit, ovat erityisen tehokkaita tribofilmin muodostamisessa. Ne reagoivat metallipintojen kanssa muodostaen suojakerroksen.
  3. Paine: Korkeissa paineissa metallipinnat puristuvat toisiaan vasten, jolloin tribofilmi kehittyy aktiivisesti näiden pintojen välille estäen vakavan kulumisen.

(  Protective Tribofilms on Combustion Engine Valves .pdf )

Olleellista on että tribofilmi muodostuu metallipinalle. Sanana tribofilmi, tribokeraaminen tms tarkoitetaan filmin ohutta suojaavaa kerrosta tai tiivistymää joka syntyy metallipinnalle ollen "kolmatta" materiaalia. Eli materiaalia joka muodostuu metallien sekä lisäaineen yhteisvaikutuksesta ollen jotain muuta kuin alkuperäiset ainesosat.

Esim kahden pahvin välille ei saada kemiallista reaktiota syntymään vaikka muut olosuhteet täyttyisivätkin. Toisaalta vaikutuksia voi joissain olosuhteissa jonkin verran muodostua pahvin ja metallin välisessä kosketuksessa, mutta pinta voi muodostua vain metallin pinnalle.

Moottoriöljyn viskositeetin sekä oman lisäainepaketin yms ominaisuuksien tarkoitus on jo alunperinkin vähentää kitkaa. Lisäaineistuksen toimimiseksi vaaditaan kuitenkin tilanne jossa siitä huolimatta muodostuu kitkaa, lämpöä sekä painetta. Ikävä tosiasia on että moottorissa, vaihteistossa yms muodostuu aina tilanteita joissa voi esiintyä ylimääräistä kitkaa. Tämä seikka johtaa moottorin kulumiseen yms oheisvaikutteisiin. Tätä seikkaa ei saada pois edes lisäaineita lisäämällä. Vähentää toki voidaan.

Tribofilmin ominaisuudet

Tribofilmi on kova, mutta ohut kerros, joka estää metallipintojen kulumisen erityisesti silloin, kun öljykalvo pettää.

Jotta ymmärtäisi mitä tai periaatteen miten hyvin monet kitkanpoistoon kehitetyt lisäaineet toimivat, on hyvä perehtyä perusasiaoihin kuten yleiseen EP lisäaineistukseen. Tribofilmillä tarkoitetaan kemiallisesti syntynyttä suojaavaa pintaa kahden metallin välille. Tribofilmi kehittyy metallien pinnalle moottorissa tribologisen ilmiön seurauksena, erityisesti kitkan ja kulumisen aikana. Tribofilmi, eli kitkakerros, muodostuu, kun kaksi metallipintaa ovat toistuvassa kosketuksessa, kuten moottorin liikkuvissa osissa (männät, laakerit, vaihteistot jne.). Tämä kerros syntyy kemiallisten ja mekaanisten reaktioiden tuloksena, jotka vähentävät kitkaa ja suojaavat metallipintoja kulumiselta.

Joskus puhutaan ns "uhrimetallista" kuten esim ZDDP sinkin osalta. "Uhrimetallilla tarkoitetaan paineen sekä lämmön yhteisvaikutuksesta syntynyttä ohutta filmimäistä pintaa joka uhrautuu kulumiselle alttiiksi jättäen varsinaisen metallipinnan alleen suojattuna kulumiselta. Sama pätee lähestulkoon kaikkia EP eli paineenkesto lisäaineita. Toisilla tribokemiallisilla filmipinnoilla on eritysominaisuuksia, kutten erittäin tasainen ns liukas pinta, ja toisilla taas pehmeämpi sekä vähemmän liukas pinta. Tribokeraaminen tarkoittaa että syntyneessä pinnassa on jollain tavalla "keraaminen" pinta. Joidenkin tribokemiallisten pintojen pysyvyys sekä kulumiskestävyys on erittäin pitkäkestoinen. Toisen vastaavan pinnan kesto on lyhytaikaisempi, jolloin pintaa tulee ylläpitää jatkuvalla uudella lisäaineistuksella esim. aina öljynvaihdon yhteydessä joko uuden öljyn myötä tai omaehtoisesti erikseen lisätyllä lisäaineistuksella.

Vaikka moottoriöljyyn lisätään omaehtoisesti tai valmistajan toimesta tribologisia lisäaineita, kuten kitkaa ja kulumista vähentäviä aineita, moottori ei voi olla täysin kulumaton. Lisäaineet ja voiteluaineet parantavat moottorin kestävyyttä ja pidentävät sen käyttöikää, mutta ne eivät poista kulumista kokonaan. Moottorin öljyyn voi ajan myötä kertyä epäpuhtauksia, kuten pölyä, metallihippuja ja palamisjätettä. Nämä epäpuhtaudet voivat aiheuttaa hankaavaa kulumista, jota tribologiset lisäaineet eivät pysty täysin estämään. Huolellinen huolto, kuten säännöllinen öljynvaihto ja laadukkaiden voiteluaineiden käyttö, on tärkeää moottorin käyttöiän pidentämiseksi.

RVS ja X-1R lisäaineet

X-1R on tribologinen seos monesta ainesosasta, sekä aineseoksesta koostuva keskipitkiö kloorialkaaneja sisältävä lisäaine, joka muodostaa tiheän sekä kovan suojakerroksen metallipinnoille ja vähentää siten voimakkaasti kitkaa. X -1R ainesosat suojaavat erityisesti korkeissa paineissa ja lämpötiloissa. X -!R ainesosat muodostavat halogenoituja yhdisteitä, jotka suojaavat metallipintoja kulumiselta. X -1R ainesosien yhteisvaikutuksella haetaan erityisesti kitkan vähennystä. X -1R tribofilmi on koostumukseltaan metallin huokosiin muodostuva hyvin tiheä, ohut sekä kova pinta. Siksi sitä kutsutaankin metallinhoito aineeksi

RVS on tribologinen monen ainesosan ( Huom ! myös Pii)  lisäaine jonka vaikutuksesta syntyy tribokeraaminen pinta. Klassisessa mielessä keraaminen pinta koostuu epäorgaanisista, ei-metallisista materiaaleista, kuten oksideista, nitraateista tai karbideista, jotka kestävät korkeita lämpötiloja ja ovat mekaanisesti erittäin kovia. RVS kehittämä pinta ei todennäköisesti ole täysin perinteinen keraaminen materiaali, mutta se voi sisältää yhdisteitä tai ominaisuuksia, jotka muistuttavat vahvasti keraamisen materiaalin kovuutta ja lämmönkestoa.

Lisäaineiden tapauksessa tribokemialliset reaktiot voivat muodostaa kovan, kestävän kerroksen, joka toimii samanlaisella tavalla kuin keraaminen kerros, vaikka se koostuisi eri kemiallisista yhdisteistä. Näin ollen RVS "tribokeraaminen pinta" ei ole klassinen keraaminen pinta, mutta se saattaa sisältää paljonkin samankaltaisia ominaisuuksia, jotka voivat kestää kulumista ja lämpöä huomattavan pitkään.

RVS:n ja X-1R:n Yhteisiä Toimintaperiaatteita

RVS ja X-1R ovat molemmat lisäaineita, jotka toimivat moottorissa ja muissa mekaanisissa järjestelmissä vähentäen kitkaa ja kulumista. Vaikka niiden tarkka kemiallinen koostumus vaihtelee, molemmilla on tiettyjä yhteisiä toimintaperiaatteita:

  • Tribofilmien muodostuminen: Sekä RVS että X-1R reagoivat metallipintojen kanssa muodostaen suojaavia tribofilmejä. Nämä kalvot toimivat eräänlaisena "voitelukalvona" metallipintojen välillä, vähentäen kitkaa ja kulumista.
  • Kitkalämmön hyödyntäminen: Molemmat lisäaineet vaativat toimiakseen kitkalämpöä. Kitka metallipintojen välillä tuottaa lämpöä, joka aktivoi lisäaineen ja käynnistää tribokemiallisen reaktion.
  • Autoreaktiivisuus: Sekä RVS:n että X-1R:n reaktio on autoreaktiivinen eli se tapahtuu itsestään ilman ulkoista ohjausta. Reaktio myös pysähtyy automaattisesti, kun keraaminen pinnoite on muodostunut ja energiaa ei ole enää saatavilla.
  • Yhteisvaikutus muiden lisäaineiden kanssa: Molemmat lisäaineet voivat toimia synergisesti yhdessä muiden öljyssä olevien lisäaineiden, kuten ZDDP:n, kanssa. Tämä yhteisvaikutus voi vahvistaa kulumisenesto-ominaisuuksia ja parantaa tribofilmin kestävyyttä.

Erot toimintatavoissa:

Vaikka RVS:llä ja X-1R:llä on yhtäläisyyksiä, on niillä myös eroja:

  • Tribofilmien koostumus: RVS-käsittelyllä muodostettu tribofilmi kuvataan keraamiseksi, kun taas X-1R muodostaa metallin huokosiin ja pinnalle tasoittavan pinnan. 
  • Tribofilmien kesto: RVS-käsittelyn vaikutukset kestävät valmistajan mukaan jopa 100 000 kilometriä, kun taas X-1R:n vaikutus heikkenee ajan myötä ja vaatii ylläpitoa.

On tärkeää huomata, että lähteet eivät tarjoa täydellistä kuvaa RVS:n ja X-1R:n kemiallisesta koostumuksesta tai niiden toiminnan kaikista yksityiskohdista.  Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta ymmärrettäisiin paremmin näiden lisäaineiden vaikutusmekanismeja ja niiden optimaalista käyttöä.

EP-lisäaineet

EP-lisäaineet, kuten rikkipitoiset yhdisteet ja fosforiyhdisteet, toimivat tribologisissa reaktioissa korkeissa paineissa ja lämpötiloissa. Ne muodostavat metallisulfidikalvon, joka suojaa osia kulumiselta.

EP-lisäaineet (Extreme Pressure) ovat voiteluaineissa käytettyjä lisäaineita, jotka parantavat voiteluaineen paineenkestävyyttä ja estävät metallipintojen kulumista korkeissa paineissa ja lämpötiloissa.  Niitä tarvitaan erityisesti kohteissa, joissa voitelukalvoon kohdistuu kova paine, kuten esimerkiksi voimansiirrossa.  EP-lisäaineet aktivoituvat korkeassa paineessa ja lämpötilassa. 

EP-lisäaineiden toimintaperiaate:

EP-lisäaineet reagoivat metallipintojen kanssa muodostaen suojaavan tribofilmin, joka estää metallien suoraa kosketusta ja vähentää kitkaa.  Tribofilmi on ohut kerros, joka muodostuu voiteluaineen ja metallipinnan välille.  Se toimii kuin "kolmas materiaali" ja muodostuu kahden metallisen pinnan ja niiden välissä olevan EP-lisäaineen vuorovaikutuksesta. 

Yleisiä EP-lisäaineita:

  • Klooratut parafiinit (CP): Näitä ( lyhyt ketjuisia ) käytettiin aiemmin laajasti EP-lisäaineina, mutta niiden käyttöä on rajoitettu myrkyllisyyden vuoksi.  Kloorialkaanit muodostavat erittäin kovan rautakloridikalvojen tribokerrostuman metalliin.  X-1R-lisäaine sisältää myös kloorattuja parafiineja ( keskipitkiä ), ja erityisesti CAS 61788-76-9 viittaa keskipitkiin ja pitkiin kloorialkaaneihin. 
  • Rikkipitoiset yhdisteet: Nämä ovat nykyisin yleisimmin käytettyjä EP-lisäaineita.  Ne muodostavat metallipinnoille kalvoja, joilla on erittäin korkea tarttuvuus ja alhainen leikkauslujuus.  Esimerkkejä rikkiyhdisteistä ovat rikkirasvat, orgaaniset rikkiyhdisteet ja epäorgaaniset sulfidit, kuten sinkkidialkyyliditiofosfaatti (ZDDP). 
  • Fosforia sisältävät yhdisteet: Näitä käytetään myös EP-lisäaineina ja esimerkkejä ovat fosfaatit, tiofosfaatit ja metalliditiofosfaatit. [9] ZDDP sisältää sekä rikkiä että fosforia ja muodostaa sekakalvoja metallipinnoille. [9]

EP-lisäaineiden valinta:

Sopivan EP-lisäaineen valintaan vaikuttavat useat tekijät, kuten kuormitus, lämpötila, metallien tyyppi ja yhteensopivuus muiden lisäaineiden kanssa. 

EP-lisäaineiden ja muiden lisäaineiden yhteisvaikutus:

On tärkeää huomioida, että EP-lisäaineet voivat toimia synergisesti muiden lisäaineiden kanssa, kuten esimerkiksi X-1R:n sisältämät kloorialkaanit ja ZDDP.  Eri lisäaineiden yhdistelmä voi tehostaa tribofilmin muodostumista ja parantaa voiteluaineen ominaisuuksia.

Lisähuomioita:

  • Vaihteistö öljyjen EP-lisäaineistusta ei suositella liukulaakereille. 
  • EP-lisäaineiden, kuten X-1R:n ja RVS:n, toimintaperiaate muistuttaa ZDDP:tä, sillä ne kaikki vaativat aktivoituakseen kitkan ja lämmön. 
  • Liiallista EP-lisäaineistusta tulee välttää, sillä se voi laimentaa öljyn omaa lisäaineistusta ja heikentää sen ominaisuuksia. 

Öljyn lisäaineet sisältävät tyypillisesti sinkkiä ja fosforiyhdisteitä. Joitakin suosittuja AW-lisäaineita ovat:

-sinkkiditiofosfaatti (ZDP)
-sinkkidialkyyliditiofosfaatti (ZDDP), luultavasti yleisimmin käytetty formuloiduissa moottoriöljyissä, toimii myös korroosionestoaineena ja antioksidanttina
-trikresyylifosfaatti (TCP), jota käytetään korkean lämpötilan toiminnassa, jota käytetään usein AW- ja EP-lisäaineina turbiinimoottoreiden voiteluaineissa ja myös joissakin kampikammioöljyissä ja hydrauliikkanesteissä
-Halohiilivedyt (klooratut parafiinit) äärimmäisen paineen leikkauksiin
-Glyserolimonooleaatti
-Steariinihappo, joka tarttuu pintoihin palautuvan adsorptioprosessin kautta alle 150 °C:ssa, mikä rajoittaa sen käytön lieviin kosketusolosuhteisiin. "

Näistä jaoteltuna

pesu- eli dispergointiaineita
Sodium, Natriumpurkkiöljy
Barium ( Ba )
Boron, Boori
Calsium, Kalsium
Magnesium, Magnesium
Kulumisen estoaineita ( EP lisäaineita, tribologisia eli reaktiivisia voiteluaineita )
Molybdenum, Molybdeeni
Rasvahapot
Phosphorus, Fosfori
Fosfaatit
Zinc,  ( ZDDP )
HHND (Hydrotreated heavy naphthenic distillate )
Klooratut parafiinit / Fosforisulfidit ( metalliset sekä ei metalliset )

Yksin käytettynä kiinteitä ei tribologisia, eikä reaktiivisia voiteluaineita
Molybdeeni disulfidi
PTFE ( Teflon )
Grafiitti
Booritrifluoridi eli trifluoriboraani (BF3) on boorin ja fluorin muodostama molekyyliyhdiste

Erilaisia kloorattuja parafiineja käytetään hyvin yleisesti vaativiin olosuhteisiin tehdyissä öljyissä tai erikoisvoiteluaineissa. Mainospuheissa tällaiset kloorialkaanit sekä metallisufidit mainitaan usein vain valmiin tribofilmin koostumuksessa olevan kemian mukaan kuten esim "rautasulfidi, metallisulfidi jne. Klooratut parafiinit toimivat yleensä synergisesti eritoten erilaisten ZDDP yhdisteiden kanssa, sekä Molybdeenisulfidin kanssa.

Paineenkestolisäaineistus (Extreme Pressure). EP-lisäaineistusta tarvitaan kohteissa, jossa voitelukalvoon kohdistuu kova paine kuten esimerkiksi voimansiirrossa. EP-lisäaineistus vaatii aktivoituakseen korkean paineen ja lämpötilan.

Tribologisesti syntyneitä metalliklorideita

Mitä tarkoitetaan tribologiassa kun sanotaan kehittyneen metalliklorideja, metallisulfideja

Metallikloridit. Tribologiassa, joka on kitkan, kulumisen ja voitelun tutkimusta, "kehittyneet metallikloridit" voivat viitata voiteluaineissa tai materiaaleissa käytettyihin erityisiin metalliklorideihin, jotka parantavat tribologisia ominaisuuksia. Metallikloridit, kuten molybdeenikloridi (MoCl₃) tai rautakloridi (FeCl₃), voivat muodostaa suojakalvoja kitkapintojen väliin, mikä vähentää kulumista ja kitkaa.

Kun metallikloridit altistuvat korkeille lämpötiloille ja paineille tribologisessa kontaktissa, ne voivat reagoida ja muodostaa ohuita kalvoja tai kerroksia, jotka auttavat estämään pintojen suoran kosketuksen toisiinsa, parantaen voitelua ja suojaamalla pintoja kulumiselta. Näitä kutsutaan usein "kehittyneiksi" siksi, että niiden ominaisuuksia on parannettu tiettyjä tribologisia sovelluksia varten, kuten korkealämpöisten tai äärimmäisen paineen alaisissa olosuhteissa toimivissa koneissa.

Metallisulfideja, kuten molybdeenisulfidia (MoS₂) ja volframisulfidia (WS₂), käytetään yleisesti tribologisina lisäaineina tai voiteluaineina, erityisesti korkeissa lämpötiloissa ja äärimmäisissä paineolosuhteissa. Niiden pääasiallinen tehtävä on vähentää kitkaa ja kulumista, mikä on samanlaista kuin metallikloridien rooli tribologiassa.

Molybdeenisulfidi (MoS₂) on tunnettu kiinteä voiteluaine, joka muodostaa ohuen, liukkaan kerroksen liukupintojen väliin. Tämä kerros mahdollistaa sujuvan liikkeen jopa äärimmäisissä olosuhteissa ja vähentää merkittävästi kulumista ja kitkaa. Samoin volframisulfidi (WS₂) on hyvin tehokas tribologinen materiaali, jota käytetään vaativissa sovelluksissa.

Vaikka metallikloridit ja metallisulfidit ovat kemiallisesti erilaisia yhdisteitä, niiden toiminta tribologiassa on usein samansuuntainen: ne voivat muodostaa suojaavia kerroksia liukupintojen väliin ja parantaa voitelua, erityisesti silloin kun olosuhteet ovat vaativat.

EP (extreme pressure )lisäaineita ovat muun muassa 

Klooratut parafiinit (CP) olivat aikoinaan kaikkialla läsnä olevia EP-lisäaineita vaativissa teollisuusvoiteluaineissa, sekä rasvoissa. Mutta eivät niinkään yksityisautoilijoiden tai yksityiskäyttäjien käyttöön tehdyissä tuotteissa. Ne sisältävät parafiinivahoja tai öljyjä, joissa klooria on sisällytetty hiiliketjuun. Tämä kloorattu parafiini antaa erittäin erinomaisen ja iskunkestävän EP-suorituskyvyn, kun hiili-kloorisidokset hajoaa muuntuen eri rautakloridikalvojen erittäin kovaksi kerrostumaksi metallin pintahuokosiin sekä pintaan. 

Useissa käyttö paikoissa, sekä useissa maissa monet näistä lyhytketjuisista alkaaneja ( C10 - C13 ) sisätävistä CP lisäaineistetuista rasvoista sekä voiteluaineista on kielletty myrkyllisyysominaisuuksien vuoksi. Myrkyllisyyden vuoksi on viimeisten vuosien aikana kehitetty tilalle tai yhteisvaikutukselliseksi toisenlaisia yhdisteitä hyvän EP ominaisuuden ylläpitämiseksi.

Rikkipitoiset yhdisteet ovat voiteluaineissa nykyisin yleisimmin käytettyjä ja tehokkaimpia EP-lisäaineita. Yleisiä esimerkkejä ovat:

  • Rikkirasvat ja -öljyt - Nämä ovat kasvi- tai eläinrasvoja ja öljyjä, jotka reagoivat alkuainerikin kanssa korkeissa lämpötiloissa. Rikki lisää sulfidi- ja disulfidiryhmiä.
  • Orgaaniset rikkiyhdisteet - Esimerkkejä ovat rikkipitoiset olefiinit, dihydrokarbyylipolysulfidit ja bentsotriatsolit. Monet sisältävät reaktiivisia S-S-sidoksia.
  • Epäorgaaniset sulfidit.  Nämä ovat epäorgaanisia suoloja, kuten sinkkidialkyyliditiofosfaatti ( ZDDP ) ja molybdeenidisulfidi.

Rikkipitoisten EP-lisäaineiden keskeinen mekanismi perustuu lämmöstä sekä paineesta syntyviin tribokemiallisiin reaktioihin metallisulfidikalvojen muodostamiseksi. Metalliosien välisissä korkeissa paineissa lisäaineiden S-S- ja C-S-sidokset rikkoutuvat ja vapauttavat reaktiivista rikkiä. Tämä rikki reagoi sitten altistuneiden metalliatomien kanssa muodostaen metallisulfideja tämän yleisen reaktion jälkeen:

Näillä metallisulfideilla on kerrostettu kiteinen rakenne, joka tarjoaa erinomaisen voitelukalvon. Rikkipitoiset EP-lisäaineet voivat muodostaa kalvoja monenlaisille seoksille. Kalvoilla on erittäin korkea tarttuvuus, alhainen leikkauslujuus ja ne täydentyvät nopeasti, kun ne kuluvat. Tämä tarjoaa kestävän EP-suojan.

Fosforia sisältävät yhdisteet ovat toinen suuri EP-voiteluaineiden lisäaineiden luokka. Esimerkkeinä:

  • Fosfaatit – kuten trikresyyli- ja trialkyylifosfaatit
  • Tiofosfaatit – kuten myös sinkkidialkyyliditiofosfaatti (ZDDP)
  • Metalliditiofosfaatit – esimerkiksi molybdeeniditiofosfaatit

( ZDDP Sekä rikkiä että fosforia sisältävänä molekyylinä tämä yhdiste muodostaa sekakalvoja metallipinnoille. )

ZDDP eli kansankielellä sinkki, on yleinen EP lisäaine moottoriöljyissä, kuten myös vaihteistoöljyissä vahvana EP lisäaineena.

Moottoriöljyissä voi olla lähes 50 erilaista ZDDP-yhdistettä (sinkki-dialkyyliditiofosfaattia), joita käytetään kulumissuojan parantamiseen. ZDDPjaetaan kolmeen pääluokkaan: primäärisiin, sekundäärisiin ja aryyli-ZDDP. Lisäksi näitä luokkia voidaan yhdistellä erilaisilla ketjun pituuksilla (lyhyet ja pitkät ketjut) sekä molekyylipainoilla (korkea ja matala), mikä luo laajan valikoiman yhdistelmiä. Näiden yhdistelmien avulla voidaan säätää ZDDPominaisuuksia esimerkiksi katalysaattorien yhteensopivuuden ja kulumissuojan suhteen​.

Näillä metallisulfideilla on kerrostettu kiteinen rakenne, joka tarjoaa erinomaisen voitelukalvon. Rikkipitoiset EP-lisäaineet voivat muodostaa kalvoja monenlaisille seoksille. Kalvoilla on erittäin korkea tarttuvuus, alhainen leikkauslujuus ja ne täydentyvät nopeasti, kun ne kuluvat. Tämä tarjoaa kestävän EP-suojan.

Yhteenveto

Tribologia on keskeinen osa koneiden ja moottoreiden kestävyyttä. Voiteluaineiden oikeanlainen valinta ja lisäaineet voivat merkittävästi parantaa niiden toimintaa ja pidentää käyttöikää.

Mitä muuta 

Voitelusta yleensä

LISÄOSIA

Lisäosa1

Liite (  Protective Tribofilms on Combustion Engine Valves .pdf )

tiivistelmä

Asiakirja käsittelee suojaavien tribokalvojen muodostumista ja niiden merkitystä polttomoottorien venttiileissä. Tässä on suomenkielinen jäsennelty tiivistelmä asiakirjan keskeisistä teemoista:

1. Johdanto

  • Polttomoottorit: Käytetään laajasti eri sovelluksissa, kuten ajoneuvoissa ja sähkön tuottamisessa.
  • Venttiilijärjestelmä: Venttiilit avaavat ja sulkevat kanavat kaasujen sisään- ja ulosvirtaukselle sylinterissä, toimien tiivisteinä erittäin vaativissa olosuhteissa (korkea lämpötila ja paine).

2. Tribologia ja kulumisen hallinta

  • Tribologia: Tutkii kitkaa, kulumista ja voitelua. Venttiilijärjestelmässä kulumisen hallinta on erityisen tärkeää, sillä venttiilien on kestettävä miljardi toimintasykliä ilman merkittävää kulumista.
  • Erittäin alhaiset kulumisnopeudet: Yleisimmin saavutetaan voitelulla, mutta polttomoottorien venttiileissä ei voida käyttää suoraa voitelua.

3. Tribokalvot

  • Tribokalvot: Muodostuvat polttoaineen ja öljyn jäämistä. Nämä kalvot suojaavat venttiilipintoja kulumiselta. Ne eivät toimi tavallisena voiteluaineena, vaan muodostavat kiinteän suojakerroksen, joka kestää kulutusta paremmin kuin venttiilimateriaalit itse.
  • Öljyadditiivit: Etenkin öljyn lisäaineet, kuten rikki ja fosfori, edistävät tribokalvojen muodostumista, mikä suojaa venttiilejä.

4. Venttiilijärjestelmän kuluminen

  • Kulutusmekanismit: Mikroliukuminen ja korroosio ovat keskeisiä syitä venttiilien kulumiselle. Jos tribokalvot kuluvat pois, venttiilit kuluvat nopeasti.
  • Venttiiliregressio: Hidas kulumisprosessi, jossa venttiili painuu syvemmälle, vaikuttaen polttomoottorin tehokkuuteen ja käyttöikään.

5. Tribokalvojen ominaisuudet ja kestävyys

  • Suojaavuus: Tribokalvot ovat tehokkaita suojaamaan venttiilejä, mutta niiden kestävyys riippuu öljyn lisäainepitoisuudesta ja kalvon paksuudesta.
  • Uudelleenrakennuskyky: Tribokalvot voivat muodostua uudelleen, mikä mahdollistaa venttiilien pitkäaikaisen suojaamisen vähäisellä öljyjäämällä.

6. Teksturointi ja additiivien vaikutus

  • Pintojen teksturointi: Teksturoitujen venttiilipintojen on havaittu edistävän tribokalvojen muodostumista ja kestävyyttä.
  • Erilaiset öljyadditiivit: Eri lisäainekoostumukset vaikuttavat tribokalvojen muodostumiseen ja venttiilien kulumisen ehkäisyyn. Korkeampi rikki- ja fosforipitoisuus edistää kalvojen muodostumista.

7. Yhteenveto ja johtopäätökset

  • Tärkeä tutkimusalue: Tribokalvojen tutkiminen on tärkeää, koska ne tarjoavat merkittävää suojaa venttiileille. Tämä on keskeinen osa moottorien kehitystyötä, erityisesti pyrittäessä vähentämään polttoaineen kulutusta ja parantamaan moottoreiden kestävyyttä.
  • Teollisuuden haasteet: Moottoriteknologian kehitys, kuten tehokkaampi palaminen ja pidemmät käyttöiät, luovat uusia haasteita tribokalvojen kestävyyden varmistamisessa.

Tribokalvojen muodostuminen

Tribokalvojen muodostuminen on keskeinen mekanismi, joka suojaa polttomoottorien venttiilejä kulumiselta. Seuraavassa on jäsennelty kuvaus tribokalvojen muodostumisesta asiakirjan pohjalta:

1. Määritelmä ja tausta

  • Tribokalvot ovat kiinteitä suojakalvoja, jotka muodostuvat moottoriöljyn ja polttoaineen jäämistä venttiilien tiivistyspintoihin. Niiden tehtävä on vähentää kitkaa ja estää metallipintojen suoraa kontaktia, mikä estää kulumista.
  • Tribokalvot eroavat tavanomaisista voiteluainekalvoista siinä, että ne eivät ole jatkuvia nestemäisiä voitelukerroksia, vaan kiinteitä kerrostumia, jotka voivat korvata toisiaan kulumisen yhteydessä.

2. Muodostumisen mekanismi

  • Öljyn ja polttoaineen jäämät: Moottoriöljyssä olevat lisäaineet, kuten kalsium, sinkki, fosfori ja rikki, ovat avainasemassa tribokalvojen muodostumisessa. Nämä aineet pääsevät venttiilien tiivistyspintoihin polttokammion kaasujen kautta, erityisesti pakoventtiileissä, joissa kuumat palamistuotteet kulkeutuvat ulos.
  • Partikkelit ja jäämät: Öljyn ja polttoaineen jäämät, jotka sisältävät lisäaineita ja karbonaattihiukkasia, laskeutuvat venttiilipinnoille. Nämä partikkelit agglomeroituvat ja muodostavat vähitellen suojakalvon pinnalle.

3. Kerrosten kasvu ja suojaavuus

  • Kun tribokalvo peittää venttiilin pinnan, se toimii suojaavana kerroksena, joka kestää kulumista paremmin kuin venttiilin oma materiaali.
  • Tribokalvojen kerrokset voivat olla muutaman mikrometrin paksuisia. Nämä kalvot sisältävät lisäaineista muodostuvia oksideja, fosfaatteja ja sulfaattiyhdisteitä, jotka ovat erityisen tehokkaita estämään kulumista.
  • Paksuus ja tasaisuus: Parhaimmillaan tribokalvo peittää koko tiivistyspinnan tasaisesti ja kestää kulumista pitkään. Jos kalvo kuluu pois, uusi kalvo voi muodostua, mikä mahdollistaa pinnan suojautumisen jatkuvasti.

4. Kalvojen uudelleenmuodostuminen

  • Itseuudistuminen: Tribokalvot pystyvät uudistumaan, mikäli pinnalle pääsee uusia öljy- tai polttoainejäämiä. Tämä uudistumiskyky on tärkeää, koska kulumisen yhteydessä kalvot voivat osittain kulua, mutta lisäaineet pystyvät rakentamaan uuden suojakalvon.
  • Tärkeimmät elementit: Rikki, fosfori ja kalsium ovat erityisen tärkeitä tribokalvojen muodostumisessa. Niistä syntyvät yhdisteet, kuten kalsiumfosfaatti ja kalsiumsulfaatti, tarjoavat kestävän suojan.

5. Tekijät, jotka vaikuttavat tribokalvojen muodostumiseen

  • Pintojen teksturointi: Venttiilipintojen teksturointi voi parantaa tribokalvojen muodostumista ja niiden pysyvyyttä. Tämä lisää öljyjäämien kerääntymistä ja tasaisempaa peittävyyttä.
  • Öljyadditiivit: Öljyn lisäainepitoisuus vaikuttaa suoraan kalvojen muodostumiseen. Korkeampi lisäainepitoisuus (erityisesti rikki ja fosfori) auttaa tribokalvojen peittävyyden ja kestävyyden lisäämisessä.

6. Suojaava vaikutus

  • Korkea kulutuskestävyys: Tribokalvot ovat erittäin kestäviä kulumista vastaan, ja niiden suojaavuus voi olla tehokasta, vaikka pinnalle ei jatkuvasti päätyisi uusia jäämiä. Tämä tekee venttiileistä kestävämpiä pitkäaikaisessa käytössä.
  • Jos tribokalvo kuluu pois ja uusia jäämiä ei pääse muodostumaan, venttiilin pinnat altistuvat nopealle kulumiselle.

Tribokalvojen muodostuminen on siis monivaiheinen prosessi, joka vaatii öljyn lisäaineiden riittävän saannin sekä suotuisat olosuhteet, kuten korkean lämpötilan, jotta kalvojen suojaavat ominaisuudet voidaan hyödyntää venttiilien kulumisen estämisessä.

Ulkoinen linkki

Lisäosa 2

 Influence of Bulk Oil Temperature and Contact Pressure on Tribological Performance and Subsurface Changes

Tässä on jäsennelty suomenkielinen tiivistelmä asiakirjasta "Industrial Gear Oils: Influence of Bulk Oil Temperature and Contact Pressure on Tribological Performance and Subsurface Changes":

1. Johdanto

  • Teolliset vaihteistoöljyt: Vaihteistot ovat yhä kompaktimpia ja tuottavat enemmän tehoa, mikä kasvattaa niiden kuormitusta ja lämmöntuottoa.
  • Kulutus ja kitka: Öljyyn lisätään kitkaa ja kulumista vähentäviä lisäaineita, jotka edistävät tribokalvojen muodostumista. Tribokalvot jakavat kuorman ja vähentävät lämpötilaa ja painetta.

2. Tutkimuksen tavoitteet

  • Tutkimuksessa tarkasteltiin kolmen vaihteistoöljyn vaikutusta tribologiseen suorituskykyyn eri lämpötiloissa ja kosketuspaineissa. Lisäksi tutkittiin, miten nämä muuttujat vaikuttavat metallipintojen alla tapahtuviin mikrorakenteellisiin muutoksiin.

3. Menetelmät

  • Öljyt: Tutkittiin kolmea eri vaihteistoöljyä, joilla oli sama viskositeettiluokka (ISO 320). Eri öljyissä oli lisäaineita, kuten molybdeeniyhdisteitä, fosfaatteja ja rikkiyhdisteitä.
  • Testaus: Testit suoritettiin käyttämällä pallon ja levyn välistä kitkatestiä, jossa palloa liikutettiin vasten levyä eri lämpötiloissa (30 °C, 80 °C ja 120 °C) ja paineissa (0,44 GPa, 0,75 GPa ja 0,94 GPa).

4. Tulokset

4.1. Lämpötilan vaikutus

  • Korkeampi lämpötila (80 °C ja 120 °C): Näillä lämpötiloilla havaittiin tribokalvon muodostumisen lisääntyvän ja kitkan vähenevän. Erityisesti MoS2- ja FeS2-yhdisteiden muodostuminen vähensi kitkaa.
  • Alhaisin lämpötila (30 °C): Tällä lämpötilalla tribokalvojen muodostuminen oli epävakaampaa ja kitkaa ei onnistuttu merkittävästi vähentämään.

4.2. Kosketuspaineen vaikutus

  • Korkeampi paine (0,75 GPa ja 0,94 GPa): Korkeammalla paineella tribokalvot olivat vakaampia ja kitka väheni. Alhaisemmat paineet (0,44 GPa) johtivat epävakaampaan kitkaan.
  • Kuluminen: Kuluminen lisääntyi merkittävästi korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa johtuen heikentyneestä mikrostruktuurista pintojen alla.

4.3. Alapinnan muutokset

  • Kovettuminen: Korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa metallin alapinta kovettui, mutta mikrorakenteellinen eheys heikkeni.
  • Rakeisuuden hienontuminen: Alue lähellä metallipintaa koki merkittävää rakeisuuden hienontumista, mikä liittyy suureen muoviseen muodonmuutokseen.

5. Johtopäätökset

  • Vaihteistoöljyjen tribologinen suorituskyky paranee korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa, mutta tämä lisää samalla kulumista.
  • Öljyjen lisäaineet, kuten ZDDP ja MoDTC, auttavat tribokalvojen muodostumisessa, mutta ne vaikuttavat eri tavoin alapinnan kovettumiseen ja rakeisuuden muutoksiin.

Tämä tiivistelmä kattaa asiakirjan tärkeimmät havainnot vaihteistoöljyjen tribologisesta käyttäytymisestä sekä siihen liittyvistä mikrorakenteellisista muutoksista.

 Ulkoinen linkki

Lisäosa 3

X -1R kitkanpoistotehtävissä

Hyvin huomaa kuinka kitka, lämpö sekä paine muodostavat olosuhteen joissa molybdenisuldia+ muita ainesosia sisältävä X -1R muodostaa todella liukkaat tribologiset metallipinnat.

Lisäosa 4

Moottorissa käytetetään kolmea täysin siihen kuulumatonta öljyä. Tuloksista huomaa etteivät öljyt todellakaan sovellu pitkäaikaseen käyttöön. Kyseessä siis hydrauliöljy, vaihteistoöljy, rypsiöljy

https://youtu.be/a7keMy4To_g?si=vXKUvtGcOIEugqgU

Lisäosa 5

Artikkeli (PDF) Gosvami.SM

Tutkimuksessa käytettiin sinkkidialkyyliditiofosfaattia (ZDDP), joka on yleinen voiteluaineissa käytetty lisäaine. ZDDP muodostaa suojaavan tribofilmin voiteluaineeseen liuottamalla, ja se reagoi kosketuspinnan metallien kanssa tribokemiallisesti korkean lämpötilan ja paineen alaisena.

Tribofilmin koostumus ja käytetyt materiaalit olivat seuraavat:

  1. Lisäaine (ZDDP): ZDDP on organometallinen yhdiste, joka sisältää sinkkiä, rikkiä, fosforia ja hiiltä. Kun ZDDP reagoi tribokemiallisesti, se muodostaa kerroksittain järjestäytyneitä sinkki- ja rautafosfaatteja ja -sulfaatteja sisältäviä rakenteita, jotka estävät kulumista ja vähentävät kitkaa liukupinnoilla.
  2. Metallit ja substraatit: Kokeet suoritettiin raudalla (Fe) päällystetyllä piialustalla. Tätä metallipinnoitetta käytettiin, koska se edustaa monien käytännön sovellusten kaltaisia kosketuspintoja, kuten terästä. Raudan lisäksi tutkimuksessa käytettiin myös piitä, koska se on vakaa ja tunnettu materiaali tarkkojen mikroskooppisten mittausten suorittamiseksi.
  3. Tribofilmin rakenne: ZDDP-reaktioissa syntynyt tribofilmi on kemiallisesti ja mekaanisesti gradienttinen, mikä tarkoittaa, että sen alemmat kerrokset ovat kovempia ja kestävämpiä, kun taas pinnan läheiset kerrokset ovat pehmeämpiä ja alttiimpia kulumiselle. Tämä rakenne vähentää kitkaa ja estää tehokkaasti kulumista luomalla pysyvän suojakerroksen, joka korjautuu liikkeen aikana.

Nämä ainesosat yhdessä muodostavat tribofilmin, joka suojaa metallipintoja korkeissa paineissa ja lämpötiloissa, vähentäen samalla kitkaa ja parantaen voitelun tehokkuutta​(Gosvami.SM).

Artikkelissa käsitellään tribofilmin muodostumista ja sen eri vaiheita. Tribofilmin kasvu tapahtuu kahdessa päävaiheessa: aluksi tribofilmi kasvaa hitaasti, minkä jälkeen seuraa nopeamman kasvun vaihe. Tämä prosessi tapahtuu tribokemiallisten reaktioiden seurauksena kosketuspinnan ja voiteluaineen välillä. Artikkelissa käytetyt kokeelliset menetelmät, kuten atomivoimamikroskoopin (AFM) avulla tehdyt havainnot, osoittavat tribofilmin rakenteen ja muodostumisen riippuvan muun muassa kuormituksesta, lämpötilasta ja liukusykleistä. Alustavan tribofilmin koostumus ja mekaaniset ominaisuudet kehittyvät liukusykleissä ja saavuttavat tasapainotilan, jossa tribofilmi kuluu samassa tahdissa kuin sitä muodostuu​(Gosvami.SM).

Artikkelissa mainitaan useita tribofilmin muodostumiseen vaikuttavia olosuhteita:

  1. Lämpötila: Kokeet suoritettiin muun muassa 100 °C lämpötilassa, mikä on tyypillinen tribofilmin muodostumiselle voiteluainetutkimuksissa. Lämpötilan vaikutus filmien kasvuun havaittiin erityisesti siinä, miten lämpö vakauttaa tribofilmin rakenteen ja nopeuttaa sen kasvua, kun tietty lämpötilataso saavutetaan​(Gosvami.SM).
  2. Paine: Kokeissa käytettiin eritasoisia kosketuspaineita. Esimerkiksi AFM-mittauksissa korkea, noin 6,4 GPapaine saatiin aikaan ~600 nN kuormalla, kun taas toisissa kokeissa paine oli noin 4,5 GPa. Paineen määrä vaikutti suoraan tribofilmin muodostumisen nopeuteen ja paksuuteen​(Gosvami.SM).
  3. Metallien ominaisuudet: Kokeissa käytettiin raudalla päällystettyjä piialustoja (Fe-pinnoite), joiden päällä tribofilmi kasvoi. Raudan Youngin moduuliksi oletettiin 211 GPa. ZDDP-tribofilmin, joka on yleinen voiteluaineissa käytettävä lisäaine, on havaittu muodostavan kerroksia, joiden mekaaniset ominaisuudet ovat gradienttisia: tribofilmin pinta on pehmeämpi ja vähemmän jäykkä kuin alustaansa lähempänä olevat kerrokset​(Gosvami.SM).
  4. ZDDP-lisäaine: ZDDPtribokemiallinen reaktio tapahtuu kosketuspinnassa korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, mikä luo suojaavan tribofilmin metallipinnoille. Tämä filmi hidastaa kulumista ja vähentää kitkaa erityisesti teräs- ja piipinnoilla, joita testattiin tutkimuksessa​(Gosvami.SM).

Nämä olosuhteet — lämpötila, paine ja käytettyjen metallien ominaisuudet — määrittävät tribofilmin muodostumisnopeuden ja lopullisen rakenteen.

Lisäosa 6

Pinta-analyysi voiteluaineiden yhteydessä

Vaikka lähteet eivät suoraan käsittele termiä "pinta-analyysi", ne tarjoavat tietoa erilaisista analyyttisistä tekniikoista, joita käytetään voiteluaineiden ja niiden muodostamien tribofilmien tutkimiseen. Pinta-analyysillä tarkoitetaan yleisesti ottaen menetelmiä, joilla tutkitaan materiaalien pinnan koostumusta, rakennetta ja ominaisuuksia. Voiteluaineiden yhteydessä pinta-analyysillä voidaan selvittää esimerkiksi:

  • Tribofilmien koostumus: Millaisia yhdisteitä tribofilmit sisältävät ja miten niiden koostumus vaihtelee eri lisäaineiden ja metallipintojen yhdistelmissä?
  • Tribofilmien paksuus ja rakenne: Kuinka paksuja tribofilmit ovat ja miten ne ovat rakentuneet metallipinnalle?
  • Metallipintojen kunto: Onko metallipinnalla havaittavissa kulumista, korroosiota tai muita vaurioita?
  • Lisäaineiden vaikutus metallipintoihin: Miten lisäaineet vaikuttavat metallipintojen ominaisuuksiin, kuten kovuuteen ja kitkaominaisuuksiin?

Esimerkkejä pinta-analyysimenetelmistä, joita voidaan käyttää voiteluaineiden tutkimiseen:

  • ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis): ESCA on pintaherkkä menetelmä, jolla voidaan tunnistaa ja määrittää alkuaineiden pitoisuuksia materiaalin pinnassa. Sitä voidaan käyttää tribofilmien koostumuksen ja kemiallisen tilan tutkimiseen.
  • TEM (Transmission Electron Microscopy): TEM on mikroskopiamenetelmä, joka käyttää elektroneja kuvan muodostamiseen. Sen avulla voidaan tutkia materiaalien rakennetta nanometrien tarkkuudella. TEM:llä voidaan esimerkiksi tutkia tribofilmien paksuutta ja rakennetta.
  • SEM (Scanning Electron Microscopy): SEM on toinen mikroskopiamenetelmä, joka käyttää elektroneja kuvan muodostamiseen. SEM tarjoaa korkeamman resoluution kuin perinteiset valomikroskoopit ja sitä voidaan käyttää pintojen morfologian ja mikrorakenteen tutkimiseen.
  • TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry): TOF-SIMS on tekniikka, jolla voidaan analysoida materiaalin pinnan kemiallista koostumusta. Se antaa tietoa pinnan molekyyleistä ja niiden fragmenteista, ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi tribofilmien koostumuksen ja orgaanisten yhdisteiden tunnistamiseen. Lähde [1] mainitsee TOF-SIMSin käytön tribofilmin kemiallisen sisällön tutkimiseen.
  • XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure): XANES on tekniikka, jota käytetään materiaalien kemiallisen tilan ja paikallisen rakenteen tutkimiseen. Se antaa tietoa atomien elektronirakenteesta ja sidossuuntauksista, ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi tribofilmien koostumuksen ja metallien hapetusasteiden määrittämiseen. Lähde [1] mainitsee XANESin käytön tribofilmien muodostavien fosfori- ja rikkiyhdisteiden analysoimiseen.

4o