Tribological and rheological investigation of the applicability of biogenic lubricating greases as separating medium in highly stressed friction systems
- Autores: Martin Fiedler
- Directores de la Tesis: José María Franco Gómez (dir. tes.), Erik Kuhn (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 188
- Tribunal Calificador de la Tesis: Josefa Fernández Pérez (presid.), Miguel Ángel Delgado Canto (secret.), Andreas Meyer Eschenbach (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
- Resumen
- español
Actualmente existe una gran demanda de grasas lubricantes medioambientalmente amigables que sólo puede ser satisfecha parcialmente. El propósito de este trabajo es investigar, fundamentalmente, el efecto que los principales componentes de diferentes bio-grasas lubricantes ejercen sobre las características Teológicas y tribológicas resultantes. Se ha seleccionado un número limitado de componentes, cuatro aceites base diferentes y cuatro espesantes con diferente estructura, que califican a estas grasas como bio-lubricantes. Las dieciséis grasas analizadas han sido formuladas con idéntico grado de NLGI con el fin de eliminar la influencia de la consistencia en los resultados. Se ha estudiado, en particular, el efecto de la polaridad de los diferentes aceites base y su interacción con los diferentes espesantes. Las grasas han sido sometidas a experimentos tribológicos en un nano-tribómetro aplicando cuatro fuerzas normales diferentes y dos combinaciones diferentes de materiales que dan como resultado un conjunto de esfuerzos hertzianos para cada grasa estudiada. Adicionalmente, se ha llevado a cabo un análisis de microscopía de fuerza atómica con el fin de clarificar la microestructura de cada una de ellas. Asimismo, las grasas han sido Teológicamente caracterizadas aplicando diferentes situaciones de deformación. Por un lado, el comportamiento de flujo en modo transitorio fue monitorizado en ensayos rotacionales y, por otro lado, las grasas fueron Teológicamente caracterizadas a través de ensayos oscilatorios de baja amplitud en función de la frecuencia y la amplitud aplicadas. Estos resultados fueron también evaluados desde un punto de vista energético. Además, se ha realizado una serie de experimentos no convencionales tales como los ensayos de tensión extensional, realizados en un reómetro usando una geometría placa-placa donde se fuerza a la separación de las placas registrando la fuerza normal aplicada, y experimentos de rebote donde una bola de acero golpea una superficie también de acero, lubricada con grasa, después de caer desde una distancia determinada. En estos últimos ensayos se ha evaluado la altura de rebote y la marca del impacto.
Los principales hallazgos de este trabajo se refieren a la influencia que ejerce la polaridad de los diferentes aceites sobre las características tribológicas y Teológicas de las grasas. En primer lugar, los experimentos tribológicos muestran el tipo, la intensidad y la extensión de las marcas de desgaste producidas entre las dos superficies en contacto. Se ha demostrado que la influencia de la polaridad del aceite base depende en gran manera del tipo de espesante y de la combinación de materiales utilizados. También se demuestra que la influencia de la polaridad puede ser reducida dependiendo de la combinación de materiales. En segundo lugar, la influencia de la polaridad fue detectada en los resultados Teológicos de las grasas. Se ha demostrado igualmente que el efecto de la polaridad está altamente influenciado por el espesante utilizado. Por otra parte, la polaridad del aceite afecta el porcentaje de espesante necesario para alcanzar una determinada consistencia dependiendo de la naturaleza de éste. En los ensayos de flujo transitorio se ha intentado eliminar la dependencia del porcentaje de espesante. Esto se ha realizado mediante la evaluación de la energía de activación necesaria para la degradación estructural del espesante, mostrando una gran diferencia entre grasas formuladas con aceites altamente polares respecto a aquellas basadas en aceites con baja polaridad. Nuevamente, se ha demostrado que este efecto también depende en gran medida de la naturaleza del espesante empleado. Igualmente, los resultados obtenidos en ensayos oscilatorios de baja amplitud dependen altamente del tipo de espesante, así como de la influencia de la polaridad en cada tipo de espesante. Así pues, se han observado diferentes efectos que habían sido detectados en los ensayos transitorios anteriormente realizados.
En este trabajo se han postulado y validado diferentes modelos que conciernen los mecanismos físicos por los que polaridades de los aceites base afectan el comportamiento tribológico y reológico de las grasas, así como la interdependencia de estos dos.
Este trabajo concluye con un examen riguroso de los efectos que ayudan a esclarecer los mecanismos de trabajo en contactos lubricados con grasas y que originan resultados de desgaste en todas las grasas y en las combinaciones de materiales utilizados. Uno de estos efectos se refiere al mecanismo por el que las diferentes polaridades de los aceites base influencian directamente el desgaste. El otro efecto resalta el mecanismo que actúa sobre la estructura interna de las grasas, el cual ha sido esclarecido mediante un análisis reológico. Finalmente, se ha demostrado que estos dos efectos están afectados mutuamente.
- English
There is a growing demand of environmentally friendly lubricating greases that presently can only be satisfied partially. The purpose of this work is to fundamentally investigate the effects that grease components exert on the resulting Theological and tribological characteristics. A limited number of different components—that is four different base oils and four structurally different thickener systems—were selected, which qualify these greases as bio-lubricants. All sixteen greases were formulated at identical NLGI grades to eliminate the consistency’s influence on the results. Polarity effects were expected to come to light during the tests. For this reason, the polarity of the matrix of different base oil candidates used for the grease formulation was determined. These greases then underwent a series of tribological experiments on a nano tribometer test rig with the application of four different normal forces and two different material combinations resulting in individual sets of Hertzian stresses. Additionally, atomic force microscopy observations of all model greases were carried out to give evidence to their micro structural setup. The model greases were also Theologically investigated under different deformation situations. On the one hand, the flow response in transient shear was monitored in rotational tests, on the other hand, the greases were Theologically characterized by both, the frequency and amplitude dependent responses in small-amplitude oscillatory shear. All thus found results were also evaluated from an energetic point of view. In addition, a series of rather unconventional test were performed with the model greases. These were tensile tests with a plate-plate rheometer where a defined gap was filled with grease and then subjected to a separation of the plates while logging the normal force and bouncing ball tests where a steel ball hit a grease- covered steel plate after having fallen a preset distance. In latter tests the resulting bouncing height, the length of the drawn grease string as well as the impact mark were investigated.
The main findings of this work are based on influences that the different base oil polarities exerted on the tribological as well as the rheological grease characteristics. For one thing, they were revealed in the type, severity and extent of wear marks produced in the contacting surfaces of tribological tests. Here it was shown that these base oil polarity influences highly depend on the applied thickener system and the investigated material combination. It has even shown that polarity influences can be also significantly dampened depending on the material combination. For another thing, polarity influences were detected in the outcome of the rheological grease investigation. Here it was shown that extend with which they come to act highly depends on the employed thickener system. It has also shown that the base oil polarity influenced the percentage thickener share depending on the type of thickener system. In the transient shear flow tests an attempt has been made to eliminate the rheological results from this thickener percentage. This is done by the evaluation of the activation energy, necessary for the structural thickener degradation revealing a large difference between greases based on highly polar oils and those based on low-polarity oils. It is shown that this effect also highly depends on the applied thickener type. The results of small amplitude oscillatory shear tests also highly depended on the applied thickener type with still clearly evident polarity influences in each type of thickening system. Here, different effects come to act that had partially been shown in the prior performed transient shear tests. Different models were postulated and proved in this work that pertain to the physical working mechanisms of base oil polarities and their effects on the tribological and the rheological grease behavior as well as the interdependence of these two.
This work is concluded by a disquisition of effects that help to elucidate the working mechanisms in the lubricated grease contact and which evoke individual wear results in all grease systems and material combinations. One of these effects pertains to the mechanisms that come to act with different base oil polarities and the direct influence they exert on wear results. The other effect highlights the mechanisms that come to act in the internal grease structure which has been elucidated by rheometric assessment. It is also shown that these two effects influence each other.
- español
