Friktions- och nötningstester av smörjmedelstillsatsen Zero Friction Abstract

Transkript

1 Author(s) Kent Ekholm och Roland Larsson Date Reg. No Commissioned by Bilvårdcentrum AB, Stora Höga Circulation Bengt Sundqvist, Bilvårdcentrum AB Status Not classified Approved by Dr. Roland Larsson Commission date April 2003 No. Apps - Title Friktions- och nötningstester av smörjmedelstillsatsen Zero Friction Abstract Friktion, nötningstakt och skärningslast har uppmätts för ett antal olika smörjmedelsblandningar. Dels en motorolja av hög kvalitet utan tillsatser och dels samma olja med ett antal olika tillsatser. Den tillsats som i första hand studerats är den s.k. Zero Friction (ZF-1). Syftet med undersökningen var att avgöra om ZF-1 förbättrar de ovan nämnda parametrarna. Testen har utförts i tribologisk provningsutrustning av standardtyp. Dels en oscillerande nötnings- och friktionstestmaskin och dels i en s.k. Four ball maskin. Testresultatet visar att tillförsel av ZF-1 ej påverkar friktionen. I alla fall inte under de testförhållanden som använts. Dessa innebär höga kontaktkrafter och glidande kontakt mellan testytorna. Testresultatet visar att tillförsel av ZF-1 ger en markant minskning av nötningstakten och en höjning av skärningslasten. ZF-1 kan alltså ses som ett AW/EP additiv. Denna undersökning är inte tillräckligt omfattande för att man ska kunna säga att ZF-1 ger gynnsamma eller ogynnsamma effekter om den tillförs smörjmedlet i verkliga system som t.ex. bilmotorer och fordonstransmissioner. En tillförsel av ZF-1 kan ha gynnsamma effekter på livslängden och prestandan i hårt belastade system men eftersom ZF-1 ska tillföras i stora mängder (10%) måste man vara medveten om att smörjmedlets övriga funktioner kan påverkas som i sin tur istället kan ge en drastiskt förkortad livslängd. Tribolab Division of Machine Elements Luleå University of Technology SE Luleå SWEDEN Tel: Fax: braham.prakash@mt.luth.se Internet: The Tribolab/ME Division has carried out the work as conscientiously as conditions allow, but will not accept any economic or legal responsibility of any kind as a consequence of work carried out at Tribolab/ME Division and should the work not lead to expected results. 1 (5)

2 Inledning Zero Friction ZF-1 är ett syntetiskt additiv som i Sverige marknadsförs av Bilvårdscentrum AB. Enligt tillverkaren ska detta additiv sänka friktionen och minska slitaget i smorda stålkontakter. Användningsområdena är t.ex. fordon, järnväg, fartyg och industri. Eftersom produkten är relativt ny i Sverige har Tribolab fått i uppdrag att göra en enkel studie av additivets prestanda. Resultatet av denna studie redovisas i denna rapport. Resultaten är på inget sätt generellt tillämpbara men kan ge en fingervisning av hur friktion och nötningstakt förändras då ZF-1 tillförs i ett smort system. Testutrustningar Två olika testutrustningar har utnyttjats. Båda är frekvent använda inom tribologisk provning i hela världen. Den första utrustningen kallas reciprocating friction and wear test machine med tillverkningsbeteckning Cameron-Plint TE77. Den fungerar så att en cylinder gnids fram och åter över en yta enligt figur 1, samtidigt som den överförda kraften mäts och lagras i datafiler. Ur det kan sedan friktionskoefficienten räknas fram. Den andra utrustningen kallas four ball test machine med tillverkningsbeteckning Phoenix Tribology TE92DL. Denna är en testbänk där provbitarna består av fyra stålkulor som monteras tre i botten samt en ovanpå så att en liten pyramid bildas enligt figur 2. Den övre kulan är kopplad till en motor för att roteras. Kulorna i botten kan monteras i en kullagerbana för rullningstest eller som i det här fallet fast för glidtest. Figur 1. Cameron-Plint TE77 Figur 2. Four ball test machine Material i tester I Cameron-Plint TE77 användes SKF kullagerrullar som provbitar. Den undre rullen är 10 mm i diameter och står på högkant. Den övre rullen är 6 mm lång, med effektiv längd 5.4 mm samt 6 mm i diameter, och är monterad liggande enl. figur 1. Som smörjmedel har en delsyntetisk 10W-40 motorolja av hög kvalitet använts som referens, och 10% av testprodukten ZF-1 har blandats i samma motorolja och testats, vidare har även en konkurrerande produkt Slick50 testats, även denna som 10% blandning i motoroljan. Alla smörjmedel (motorolja och additiver) har levererats av uppdragsgivaren. Four Ball testet har körts med kulor från Phoenix Tribology enligt teststandard AISI standardstål no med diameter 12,7 mm (0.5 ) Grad 25 EP (Extra polerade). Med ythårdhet på Rockwell C. Som smörjmedel användes även här den delsyntetiska 10W- 40 motoroljan av hög kvalitet som referens, och 10% av testprodukten ZF-1 har blandats i samma motorolja och testats, vidare har även en konkurrerande produkt Slick50 testats, även denna som 10% blandning i motoroljan. Vidare gjordes här även jämförande tester med 2% av ett EP-additiv Additin RC (5)

3 Experiment I Cameron-Plint TE77 regleras frekvensen in och stabiliseras vid angivet värde, därefter loggas signalerna från kraftgivaren under en sekund. Proceduren upprepas för frekvenser från 3 Hz upp till 10 Hz med steg på 1 Hz. Samtidigt regleras temperaturen. Alla tre blandningarna har testats vid 25 C och 100 C, den lägsta temperaturen har valts något över rumstemperatur för att lättare kunna reglera temperaturen då en viss värmeutveckling sker vid testet. Blandningarna testades också vid tre olika normalkrafter 100N,200N och 300N. Först utfördes testet på motoroljan utan någon tillsats därefter motoroljan med 10% ZF-1, och sist med 10% Slick50. För varje test har nya provbitar använts och hållare har rengjorts med nysolvin, toluen, bensin, sprit och aceton. Four Ball testet har utförts enligt standard ASTM D2783 som är ett skärningstest. Det går till så att en viss last appliceras vertikalt på kulorna och testet körs 10 sekunder vid ca 1760 rpm. Om kulorna svetsas samman eller om skadan på de fasta kulorna är större än 4 mm så räknas den lasten som skärningspunkten. Om skärning inte uppstår ökas lasten till nästa punkt enligt tabell 1. Efter att skärningspunkten funnits körs tio tester vid lasten under skärningslasten för att säkerställa att ingen skärning sker vid denna last. Tabell 1, Laster enligt standard ASTM D2783. Load(L), kg Load, N Resultat och diskussion Ett typiskt resultat från Cameron-Plint TE77 visas i figur 3. I detta fall var normalkraften 300 N, temperaturen 100 C samt frekvensen 3 Hz. Medelvärden och procentuell förbättring med respektive tillsats har räknats ut för de olika testerna och redovisas i tabell 2. Minustecken framför procentsiffra indikerar alltså en försämring jämfört med motorolja utan tillsatsen. Förändringen på friktionskoefficienterna är små, mindre än metodens mätnoggrannhet. Detta innebär att friktionstestet ej kan påvisa någon minskning av friktionen om ZF-1 eller Slick 50 tillförs till en redan formulerad motorolja av god kvalitet. Notera t.ex. friktionskoefficienten för ZF-1 i första testet, 25 C, har så gott som samma friktion som ren motorolja. Därefter vid 100 C är friktionskoefficienten 1.7% lägre. Friktionskoefficienten som funktion av pålagd normallast kan studeras i figur 4. Beteckningen ZF1_kallnad i figur 4 gäller ett test där motorolja+zf-1 låtits kallna från 100 C till 25 C innan testet utförts. Tabell 2. Medelfriktion och friktionsförbättring Enbart motorolja Motorolja + ZF-1 Motorolja + Slick 50 Medelfriktion vid 25 C Medelfriktion vid 100 C Friktionsförbättring vid 25 C % -1.6% Friktionsförbättring vid 100 C - 1.7% 2.2% 3 (5)

4 300N, 3Hz, 100 C 0,14 Friktionskoefficient 0,07 0-0, Motoroljeblandning 300N 3Hz 100 C ZF-1 300N 3Hz 100 C Slick50 300N 3Hz 100 C -0,14 Figur 3. Typiska friktionskurvor vid test i Cameron-Plint TE77 0, C friktionskoefficient 0,114 0,112 0,11 0,108 0,106 0, Last [N] Motoroljeblandning ZF1 ZF1_kallnad Slick50 Figur 4. Friktionskoefficienten som funktion av normalkraft. I Four ball testet gjordes först tester på ren oljeblandning av motoroljetyp och då uppstod skärning vid lasten 1.96 kn, därefter testades samma oljeblandning med tillsats av 10 % Slick 50, denna visade något högre friktion, samt en aning mer nötning. Med 10 % ZF-1 noterades en 42 % högre friktion, en kraftig reducering av nötningen och skärning uppstod vid 2.45 kn. Som jämförelse testades även motoroljan med ett EP-additiv, Additin RC2540. Med 2 % av denna noterades en ytterligare något högre last innan skärning 3.09 kn. Nötningen reducerades även i detta fall kraftigt men mindre än med ZF-1, och friktionen ökade med 79 %. Dessa tester visar att ZF-1 fungerar som både nötnings- och skärningsskydd om det tillförs i den dos som använts här. Man ska ej fästa alltför mycket uppmärksamhet till friktionsvärdena från denna mätmetod då ett Four-ball skärningstest utan inkörning av provbitarna inte är en lämplig friktionsmätmetod. Därför kan den verkliga förändringen av friktionskoefficienten med de olika tillsatserna skilja sig en del från den angivna förändringen. För bestämning av friktionen vid laster lägre än skärningslasten är därför Cameron-Plint TE77 testet mer tillförlitligt. 4 (5)

5 Tabell 3. Resultat från Four ball test Medelfriktionsmoment vid 1.6 kn [Nm] Motorolja Slick 50 ZF-1 RC Nötningsspårets medeldiameter vid 1.6 kn [mm] Standardavvikelse nötningsspår [mm] Bortnött volym [mm 3 ] Nötningsförändring jämfört med ren motorolja [%] % -59% -43% Skärningslast [kn] Största förbättringen då ZF-1 tillförts noterades för nötningen i Four-ball-testet där minskningen var 59% jämfört med ren motorolja. Man kan anta att ZF-1 i är ett AW (Anti Wear) additiv men även ett EP (Extreme Pressure) additiv då även en höjning av skärningspunkten noterades. Additivet RC2540 som testades är ett EP-additiv vilken med 2% inblandning noterade bättre skärningsskydd än med 10% av ZF-1. Denna undersökning är dock inte tillräckligt omfattande för att man ska kunna avgöra om ZF-1 är ett bättre eller sämre AW/EP additiv än andra liknande produkter. Slutsatser och kommentarer Undersökningen visar tydligt att nötningstakten minskas och skärningslasten ökas om ZF-1 tillförs. Men denna undersökning är inte tillräckligt omfattande för att man ska kunna avgöra om ZF-1 är ett bättre eller sämre AW/EP additiv än andra. Men man ska samtidigt komma ihåg att en tillförsel på 10% av en ny substans till en motorolja som utvecklats för att uppfylla vissa krav kan påverka motoroljans övriga funktioner. De additivpaket som används i motoroljor har utvecklats för att uppnå en balans mellan alla funktioner och denna balans störs förmodligen om hela 10% av ett ytaktivt ämne som ZF-1 tillförs. Tillverkare av motoroljor ger ingen som helst garanti för funktionen om nya tillsatser tillförs. Vad gäller friktion kan inte denna undersökning påvisa några förbättringar eller försämringar om ZF-1 tillförs. Detta gäller förstås friktionen vid laster under skärningslast. Denna undersökning ska inte användas som garanti för längre livslängd i motorer eller transmissioner om ZF-1 tillförs, eftersom undersökningen inte omfattar ett verkligt system studerat under en hel livslängdscykel. Four ball testet är förvisso ett smort system, men det har bara varit i funktion under några minuter. Om ZF-1 påverkar t.ex. rostskyddet som är inbyggt i de flesta smörjoljor, kan livslängden snarare förkortas än förlängas vid tillförsel av ZF-1. Men om parametrar som t.ex. korrosion och oljans oxidationsstabilitet kan hållas under kontroll kan ZF-1 mycket väl ge positiva effekter på livslängden hos högt belastade smorda ytor. Citat bestående av lösryckta meningar från denna rapport får inte förekomma i marknadsföring av ZF-1. Luleå tekniska universitet och Tribolab får ej nämnas i marknadsföring som massdistribueras t.ex. via annonser, Internet och reklamutskick utan att tillstånd inhämtats. 5 (5)