Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Aditiva s nanočásticemi a vlastnosti procesních kapalin
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Aditiva s nanočásticemi a vlastnosti procesních kapalin

Myšlenka, že lze v různých výrobních procesech použít kovoobráběcí kapaliny - Metalworking Fluids (MWF), aby se zajistila kvalita obrobku, snížilo opotřebení nástroje a zvýšila produktivita procesu, je velmi stará. Už Leonardo da Vinci vytvořil několik testovacích sestav umožňujících analýzu tření za různých podmínek.

Jde především o využití dvou základních vlastností kapalin: jejich schopnost odvádět teplo a snižovat tření mazáním. Kromě použití čistých tuků a olejů tvořily rané MWF také směsi vody (která má vyšší koeficient přenosu tepla) a dalších látek pro zlepšení zejména mazacích schopnosti. Ale výsledky současného výzkumu v podobě nanočástic IF-WS2 přináší do problematiky tribologie zcela nový rozměr, který mění zažitá a léty prověřená paradigmata v oblasti tření, mazání a opotřebení. Trvalo 20 let, než se podařilo vyvinout technologie, které umožňují tyto nanočástice vyrábět průmyslově – tedy ve velkém množství a levně. (Pozn. Česká republika tady opět ukazuje svůj nano-potenciál, protože firma Nanotech-Europe, která je zastoupením amerického výrobce pro Evropu a Afriku, sídlí v Brně.)

Volba chemického složení aplikované kapaliny by měla záviset na specifických potřebách a rozsahu aplikace. Dokonce i malé změny složení MWF mohou výrazně ovlivnit jejich výkonnost.

MWF jsou definovány jako kapaliny pro zpracování kovů účastnící se výrobního procesu způsobem, který umožňuje zvýšení produktivity na základě jejich mazacích a chladicích účinků. Podle DIN 51385 jsou klasifikovány na základě jejich složení jako MWF na bázi oleje nebo vody, podle výrobního procesu – řezná kapalina, brusný olej, formovací olej atd., nebo podle množství či funkce užití – zaplavení, MQL (Minimum Quantity Lubrication) atd.

Klasifikace typů MWF v souladu s DIN 51385 (zjednodušeno).
(Zdroj: Nanotech-Europe)

Se sírou a fosforem

S postupem industrializace ve 20. století rostla potřeba MWF s vyšším výkonem. Bylo zjištěno, že přidání látek obsahujících síru a fosfor vede ke zlepšení jejich mazacích schopností. Hnacími silami vývoje bylo letectví a automobilový průmysl.

Kolem 50. let začalo nabývat na významu používání MWF na vodní bázi. Emulze typu olej ve vodě obvykle sestávala z organické části s obsahem lubrikačních látek a z vody, což představovalo první specifický přístup ke kombinaci chlazení a mazání v rámci jedné procesní kapaliny. Kombinace hydrofilních a lipofilních látek v jedné kapalné fázi vyžaduje mimo jiné použití stabilizačních látek –emulgátorů. Výběr emulgačních složek úzce souvisí s vědeckým výzkumem a studiemi týkajícími se některých základních teorií, jako je teorie povrchového napětí, teorie adsorpčního filmu, teorie hydratace a teorie molekulární orientace. Ve stejné době začaly být vlastnosti kapalin na bázi oleje vylepšovány přidáním dalších přísad, které obsahovaly síru, fosfor, chlor nebo bor. Bylo zjištěno, že tyto látky jsou vhodné pro zvýšení mazací schopnosti při vysokém tlaku a také pro prevenci koroze.

 

Množství dalších přísad

Poptávka po vysoce výkonných MWF zapříčinila použití dalších a dalších tříd aditiv, což vedlo k vysoce komplexním tekutinám s přísadami více než 300 různých látek. V posledních několika desetiletích naštěstí řada předpisů týkajících se ochrany životního prostředí a ochrany zdraví při práci omezila používání některých chemikálií. Kromě dodržování právních předpisů je důležitá i ekonomika – dostupnost a náklady na základní tekutinu a přísady kapalin.

V důsledku toho, z environmentálních a ekonomických důvodů, průmysl vyrábějící MWF neustále hledá nové suroviny bez minerálních olejů, které splňují jak zákonné specifikace, tak i technologické požadavky. Tribologické systémy „obrábění“ a „tváření“ jsou charakterizovány povrchy nástroje a obrobku, které se navzájem pohybují spolu s prostředím (MWF), což významně ovlivňuje tribologické podmínky.


Fyzikální a chemické aspekty aplikace MWF.
(Zdroj: Nanotech-Europe)

Výkonnost MWF je výsledkem kombinace chemických a fyzikálních jevů a účinků. V praxi se tyto efekty vzájemně překrývají.

Jedním z rozhodujících faktorů mechanismu MWF je pochopení typu interakce kovových povrchů. V roce 1970 byl publikován teoretický koncept týkající se těchto interakcí za přítomnosti přísad obsahujících síru. Nezávisle na typu interakce mohou kovové povrchy a aditivní molekuly vzájemně interagovat pouze na základě těsné fyzické blízkosti. Inter- a intra-molekulární interakce jsou důležité pro schopnost přísad zlepšit funkčnost MWF. Tedy když se aditivní molekula přiblíží ke kovovému povrchu tak, že v určitém bodě klesne minimální vzdálenost mezi molekulou a povrchem pod kritickou mez, což vede ke slabým intermolekulárním interakcím typu van der Waalsových sil.


Rozměry, ve kterých se odehrávají tribologické děje.
(Zdroj: Nanotech-Europe)

Moderní doba

O možnosti využití nanočástic v oblasti mazání strojů, opotřebení a tření se ví mnoho let. Už v roce 1992 prof. Reshef Tenne v laboratořích Weizmann Institiut of Science v Izraeli syntetizoval nanočástice IF-WS2 (inorganic fulleren – disulfid wolframu), které dokázaly výrazně zlepšit vlastnosti maziv při standardních i velmi těžkých provozních podmínkách. Během několika dalších let se podařilo najít způsob, jak tyto anorganické nanočástice ve formě fulerenů využitelné jako přísady do maziv vyrábět a stabilizovat v průmyslovém měřítku.

Nanočástice IF-WS2 zlepšující vlastnosti maziv fungují na bázi tzv. cibulového efektu, který si lze představit tak, že nanokuličky mezi třecími plochami fungují jako miniaturní ložiska, a navíc při rozbalování cibulových struktur vytvářejí na povrchu tenkou vrstvu, která zvyšuje jeho kvalitu v místě kontaktu.

TEM snímek sférického IF-WS2 – nanočástic aditiva tvořených soustřednými kroužky.
(Zdroj: Nanotech-Europe)


Obrázky TEM ukazují, že tyto částice jsou kulovitého tvaru a jsou tvořeny vrstvami soustředných prstenců. Sférické nanočástice IF-WS2 vyvolávají valivé tření při kontaktu a soustředné prstence nanomateriálu se odlupují a usazují na povrchu, aby vytvořily „benevolentní tribolayery“ při extrémním tlaku. Tento kombinovaný účinek tvarových a soustředných prstenců v IF-WS2 byl zkoumán při provozních zkouškách – frézování a broušení.

Výsledky testů pro MWF založené na IF-WS2.
(Zdroj: Nanotech-Europe)

 

Chování procesních kapalin

Jak je na první pohled zřejmé, povrchová úprava obrobku s IF-WS2 je vizuálně přitažlivější ve srovnání s konvenčními procesními kapalinami. Jednou z možností ověření je čtyřkuličkový test, který byl proveden na testovacím zařízení Ducom FBT-3 v souladu s DIN 51350. Závěry se týkají chování procesních kapalin z hlediska extrémního tlaku, tření, tepelné vodivosti a adhezní energie.

Chování IF-WS2 při extrémním tlaku (EP) bylo testováno podle normy postupným zvyšováním zatížení. Tření měřené během odírání nebo průběžné změny zatížení lze nazvat jako „oděrové tření“. Mechanismus odírání a zadírání lze dobře pochopit zachycením teplotního profilu MWF během testu. Tyto profily představují tepelnou kapacitu tekutin nebo tepelnou vodivost při extrémním tlaku.

Adhezní energie tribolayerů (mazacích vrstev) byla stanovena pomocí testovacího standardu ASTM D5183. V tomto standardu se zatížení zvyšovalo v krocích (používá se automatické nakládání v FBT-3). Porucha tribolayerů je představována náhlým skokem třecího momentu – bezpečnostní blokování zabudované v FBT-3 zastavuje test. Celková vstupní energie do selhání se používá k určení adhezní energie tribolayerů.



Zkouška extrémním tlakem na konvenčních MWF (chlorované parafiny) a kapaliny s nanočásticemi IF-WS2 (IW4110F) podle DIN 51350. Porovnání mezi MWF s ohledem na jejich svarové zatížení (A), tření (B) a průběh teploty (C). Zkušební parametry jsou popsány v tabulce (D).
(Zdroj: Nanotech-Europe)


Srovnávané kapaliny – konvenční MWF (chlorované parafiny, méně než 50% chloru, C16-20) a IF-WS2 (IW4110F) byly smíchány s vodou v objemovém množství 6 % a 4 %.

Výsledky testů EP podle DIN 51350 jsou uvedeny na obrázku 6. MWF s IF-WS2 vykazovaly vyšší svarové zatížení ve srovnání s konvenčními MWF. Kromě toho použití IF-WS2 mělo za následek nižší tření ve srovnání s konvenčními MWF. Teplotní profily během EP testu ukázaly, že kapalina s IF-WS2 byla schopna udržovat rozhraní chladnější o 15 °C ve srovnání s konvenčními MWF. Adhezní energie IF-WS2 byla přibližně šestkrát vyšší než u vrstvy tvořené chlorovanými parafiny v konvenčních MWF. Ukazuje, že mazání pomocí IF-WS2 je trvanlivější kvůli silnější adhezi tribolayerů.

Zařízení Ducom Four Ball Tester (FBT-3) s automatizovaným systémem a více senzory dokázalo zachytit klíčové metriky výkonu pro IF-WS2 v provozních kapalinách. Zařízení bylo použito ke srovnání extrémního tlaku, oděrového tření, tepelné vodivosti a adhezní energie procesních kapalin. Celkově nám tato laboratorní studie pomohla pochopit mechanismus mazání IF-WS2 používaný v provozních pokusech, které představují operace frézování a broušení. Tyto metalurgické vodní a olejové MWF kapaliny dosahují bezkonkurenční efektivity při obrábění náročných a těžkoobrobitelných materiálů. Jsou šetrné k lidskému zdraví a životnímu prostředí. Neobsahují chlór, bór, formaldehyd ani zinek.

Zdroje:
(1) Brinksmeier E, et al. Metalworking fluids — Mechanisms and performance. CIRP Annals – Manufacturing Technology (2015),
(2) How to investigate nanoadditives by NIS USA? Written by Global Applications Team, April, 2020
(3) Ing. Olga Křížová, Chematribos, s. r. o. Nanomaziva a jejich praktické aplikace,
(4) Prof. Reshef Tenne, Dr. George Diloyan, Nanotech Industrial Solutions Inc. (NIS)

Leoš Kopecký
 

 

Další články

Inovace
Průmyslové kapaliny
Výzkum/ vývoj

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: