Pokročilé mazání pro úspornost a spolehlivost

Studie, kterou zpracovali Kenneth Holmberg (VTT Technical Research Centre of Finland) a Ali Erdemir (Texas A&M University, USA), prezentuje vliv tření a opotřebení na klima planety, zejména na emise CO₂, pro čtyři hlavní energeticky náročná odvětví: dopravu, průmysl, výrobu elektřiny a bydlení.

Současná situace je taková, že tribologické kontakty představují asi 23 % celkové světové spotřeby energie. 20 % tvoří energie použitá k překonávání tření a 3 % připadají na repasování opotřebovaných dílů či jejich nahrazování. Využitím výhod nových povrchových, materiálových a mazacích technologií pro snížení tření a lepší ochranu proti opotřebení ve vozidlech, strojích a dalších zařízeních po celém světě by mohlo dojít ke snížení energetických ztrát vyvolaných třením a opotřebením v krátkodobém horizontu (osm let) o asi 18 % a v dlouhodobém výhledu (15 let) až o 40 %. Velkou roli hrají nanotechnologie a procesy odehrávající se v submikronovém světě, ať už se jedná o maziva, nebo úpravy povrchů.

Největší krátkodobé úspory energie se předpokládají v dopravě – asi 25 % a ve výrobě energie, kde představují 20 %. Potenciální úspory ve výrobním a obytném sektoru se odhadují krátkodobě na 10 % s předpokladem výrazného nárůstu. Je tedy zřejmé, že zavádění pokročilých tribologických technologií může globálně snížit emise CO₂.

Interakce povrchů je složitá kategorie jak z praktického, tak i z teoretického pohledu. Jeden z průkopníků kvantové fyziky, Wolfgang Pauli, kdysi pronesl: „Bůh vytvořil většinu – hmotu, povrchy vynalezl ďábel.“

Tribologické procesy a jejich průběh je možno principiálně ovlivňovat především mazivy, jejich vlastnostmi a vlastnostmi povrchů, které se procesů účastní. Pokročilé technologie umožňují úspěšně oba faktory významně upravovat ku prospěchu snižování tření i opotřebení.

Minerální i syntetické oleje se stále zdokonalují a doposud v dopravě a dalších průmyslových sektorech jsou používány nejčastěji. Výsledky tribologického výzkumu nabízejí několik způsobů, jak dále zlepšit výkon a vlastnosti olejů, nebo je nahradit.

Ochranná tekutina s nanočásticemi umožňuje, aby tloušťka mezního filmu mohla být jen několik mikrometrů, a v mnoha případech dokonce i hodně pod jeden mikrometr. Takové kontakty snášejí i velké tlaky, až 3–4 GPa. Tyto oleje stále poskytují dobrou ochranu proti opotřebení a odření. V laboratorních podmínkách byl naměřen koeficient tření v hodnotě 0,005. Zkoumají se nanomateriály pro aditiva na bázi uhlíku, včetně nanodiamantů, cibulovitého uhlíku, uhlíkové nanotrubičky, grafen, grafit, nanočástice na bázi mědi, polymerů a boru, a také některé anorganické fullereny dichalkogenidů přechodných kovů, jako MoS2 a WS2.

Analýza ukázala, že viskozita může mít za následek značné energetické ztráty. Jednou alternativou pro minerální a syntetické oleje je polyalkylenglykol (PAG) – mazivo na bázi koloidní suspenze s nižší viskozitou a lepší ekologickou kompatibilitou. Použití organických modifikátorů, mezogenní kapaliny z tekutých krystalů nebo iontové kapaliny jako přísady do mazacích olejů také poskytlo nízké hodnoty tření, koeficient tření bal dokonce i pod 0,001.

V mnoha případech mazané tribologické kontakty, například u válečkových ložisek, využívají jen zlomek maziva z celkového aplikovaného objemu. Neaktivní objem maziva způsobuje viskózní ztráty. Tyto ztráty je možno eliminovat mazáním v plynné fázi, kde proud plynu transportuje odpařené mazivo do mechanického systému. Mazání v parní fázi je obzvláště výhodné v prostředí s vysokými teplotami, kde mazání kapalným olejem nemůže fungovat, a v mikroelektromechanických systémech (MEMS), kde je problémem kapilární účinek kapalného mazání. Materiály použité v tribologických komponentách mají velký vliv na opotřebení i tření. Vyhledávání nových materiálových řešení se v posledních desetiletích nesmírně zintenzivnilo, vzrostly nároky na houževnatost, pevnost, tvrdost materiálů, a současně i na trvanlivost a nízkou hmotnost.

Erozivní opotřebení lze snížit změnou tradiční litiny na pogumované povrchy, např. u čerpadel a potrubí. Záměnou kovové složky za polymery se obvykle sníží tření, zatímco keramika je tribologicky prospěšná pro použití v olejem i vodou mazaných kontaktech. V poslední době se prosazují slitiny s vysokou entropií, které vykazují nanokrystalickou mikrostrukturu, a slibují tak vynikající mechanické vlastnosti.

Zvýšení povrchové tvrdosti, houževnatosti a odolnosti proti opotřebení lze dosáhnout různými způsoby. Nauhličování, nitridace nebo boronizace jsou klasické příklady, které se používají již mnoho desetiletí v boji proti tření a opotřebení. Exotičtější metody, jako je např. brokování, přinášejí strukturální úpravy povrchů v mikro a nano rozměrech, čehož lze rovněž dosahovat třeba laserovým zpracováním – LSP (Laser Shock Peaning). Současně poslední desetiletí přineslo zájem o aditivní výrobu, jejíž nástroje se staly téměř univerzálními pro výrobu 3D objektů, které také mohou obsahovat supertvrdé nebo samomazné tuhé látky pro vylepšení vlastností tření a opotřebení. Současně se používají tradiční termické difúzní procesy, jako je nitridace, karburizace, vanadizace a boridování, které zlepšují korozní, mechanické a tribologické vlastnosti především slitin železa.

Tepelné stříkání, obklady a galvanické pokovování jsou příklady technik používaných ke snížení opotřebení. Tloušťka povlaku je obvykle v rozmezí 0,1–50 mm. Povrch je vylepšen přidaným novým materiálem, který často může mít složenou strukturu. Obecně platí, že odolnost povlaků roste s jejich hustotou a soudržnou sílou. Kompozitní struktury mají vyšší pružnost a houževnatost, a poskytují dobrou ochranu proti opotřebení. Porézní povrchová struktura může být výhodná v mazaných kluzných kontaktech – olejové kapsy v pórech mohou zlepšit mazání. Používanými materiály jsou WC/Co, WC/Ni, WC/CoCr nebo slitiny CrC/NiCr a Co-Cr-Si-Mo.

Přidání tenké vrstvy (obvykle několik mikrometrů silné) jiného materiálu na povrch může radikálně snížit tření. Depozice (PVD a CVD) často probíhá ve vakuových komorách a vzniklé vrstvy snižující opotřebení tvoří keramické povlaky jako TiN, CrN, WC/Co, AlTiN, NiSiC, amorfní i strukturované, jako je diamant, uhlík (DLC) a třeba disulfid molybdenu (MoS2). Současné technologie umožňují vytváření chytrých katalyticky aktivních nanokompozitních vrstev se schopností rozbíjet molekuly uhlovodíků základových olejů a přeměnit je na strukturu uhlíku podobnou diamantu. Výsledné tribofilmy vykazují nízký koeficient tření, vysokou ochranu před opotřebením, a navíc „samoléčení“ poškozeného povrchu katalytickou reakcí s lubrikantem.

Pozitivní vlastnosti uvedené v bodě 1 a současně i 7 splňuje doslova revoluční objev a dnes už i průmyslová výroba anorganických cibulových nanočástic IF-WS2. O možnosti využití nanočástic v oblasti mazání strojů, opotřebení a tření se ví poměrně dlouho. Už v roce 1992 prof. Reshef Tenne na Weizmann Institute of Science 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 fullerenů využitelné jako přísady do maziv vyrábět a stabilizovat v průmyslovém měřítku. Nyní je ve velkém vyrábí americká společnost NIS (Nanotech Industrial Solutions) a v Evropě je distribuuje prostřednictvím české firmy Nanotech – Europe.

Nanočástice WS2 zlepšující vlastnosti maziv fungují na bázi tzv. cibulového efektu, který si lze představit tak, že nanokuličky mezi třecími plochami fungují jako miniaturní ložiska. Navíc při rozbalování cibulových struktur vytvářejí na povrchu tenkou vrstvu, která v případě vad povrchu nerovnosti vyrovnává, a zvyšuje tak jeho kvalitu v místě kontaktu. Sférické nanočástice IF-WS2 vyvolávají valivé tření při kontaktu a soustředné prstence nanomateriálu se odlupují a usazují na povrchu, aby vytvořily „benevolentní tribolayery“ i při extrémním tlaku.

Je zcela pochopitelné, že v kontextu snahy vyrovnat se s klimatickými změnami existuje i trend nazvaný „green tribology“. Zelená tribologie představuje sérii pravidel, která mají pomoci stanovit rámce mazání, tření a opotřebení pro budoucí generace. Jsou mezi nimi pravidla jako: minimalizace odvodu tepla a energie, minimalizace opotřebení, biologicky rozložitelné mazání, principy udržitelné chemie a zeleného inženýrství, biomimetický přístup a další. Tato pravidla budou pro další vývoj tribologie nesmírně důležitá a jejich respektování přinese řadu pozitivních efektů.

Zdroje

Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions

Výsledky vědeckého výzkumu je třeba efektivně využívat, ne vždy se to ale podaří

Výsledky vědeckého výzkumu je třeba efektivně využívat, ne vždy se to ale podaří