Témata
Zdroj: Sci-line

Pokročilé mazání pro úspornost a spolehlivost

Věda a výzkum přinášejí zcela unikátní řešení i pro procesy zdánlivě zavedené a v oblastech, kde by inovace laik neočekával. Každý pozitivní a použitelný krok ke zlepšení klimatické situace naší planety je přínosem a jednou z nesmírně efektivních, užitečných, a vlastně poměrně snadných a finančně nenáročných záležitostí. Takovými by mohly být aplikace pokročilých tribologických řešení především pro dopravu, průmysl a výrobu energií.

Leoš Kopecký

Leoš Kopecký, *1958, vystudoval VUT v Brně, elektrotechnologie, Konzervatoř Jaroslava Ježka v Praze, text a scénář. Od 1990 působí jako novinář a mediální expert, 2009-2012 Akademie věd ČR (SSČ) - popularizace vědy, marketing, od 2013 externí redaktor pro TA ČR, nezávislý novinář, publikování pro propagaci vědy, výzkumu a inovací. V 2015 založen nezávislý projekt Sci-line - online platformupro komunikaci R&D, nových materiálů a technologií. Projekt je zastřešen aktivitami společnosti ArtCom 3000, s.r.o., jejíž je spoluzakladatelem.

Reklama

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.

Možné úspory energie, nákladů a CO2 v krátkodobém horizontu. (Zdroj: Sci-line)

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.

Reklama
Reklama

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.

Aditiva pro nanotechnologickou ochranu

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.

Maziva s nízkou viskozitou

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.

Detail strojírenského výrobku Vítkovice, Machinery Group – MSV 2014. (Zdroj: Sci-line)

Mazání v parní fázi

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.

Nové materiály

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.

Úpravy materiálů a povrchové úpravy

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.

Silné kompozitní povrchové povlaky

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.

Řez převodovkou v expozici Škoda Auto – MSV 2016. (Zdroj: Sci-line)

Tenké povrchové vrstvy

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.

Reklama

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.


Vydání #11
Kód článku: 211136
Datum: 03. 11. 2021
Rubrika: Redakce / Věda a výzkum
Firmy
Související články
Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Novinky značky IMAO pro upínání obrobků

V dnešní době je velká poptávka po efektivní produkci různorodých výrobků v malém objemu a klíčem k vyšší produktivitě je použití přípravků, které lze flexibilně přizpůsobit mnoha různým obrobkům. Upínací prvky ONE-TOUCH se vyrábějí v mnoha různých provedeních, snadno z nich lze vybrat prvky vhodné pro upnutí požadované součásti. Upnutí a odepnutí součásti je jednoduché, bez použití dalšího nářadí a rychlé, zkracuje se čas potřebný pro manipulaci s obrobkem a tím i celkové náklady na výrobu.

Související články
Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Opřít se o silného partnera

V dnešní době hospodářského růstu mnoho firem přemýšlí o rozšíření výroby. To se však neobejde bez úvah o tom, kde získat prostředky na nové stroje a zařízení. Řešení má jméno SGEF.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Ozubené řemeny v pohonech ekologických taxi člunů

Britská firma vyvinula hybridní pohon pro 550 vodních taxíků pro Benátky. Kombinace dieselového motoru a elektromotoru zde snižuje hluk, emise i náklady, přičemž vysoce výkonný řemen Synchrochain Carbon umožňuje použití kompaktního motoru s nízkou hmotností.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

Chytré stroje přivádějí továrny k životu

Bezpečné balicí stroje připojené k Ethernetu zvyšují produktivitu, zlepšují flexibilitu, snižují komplexnost konstrukce a řeší problémy pracovníků v provozu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit