MAE 493N 593T Lec13

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“Tribology in Mechanical Engineering” MAE 493N/593T Dr. Konstantinos A. Sierros West Virginia University Mechanical & Aerospace Engineering ESB Annex 263 [email protected]

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“Tribology in Mechanical Engineering”

MAE 493N/593T

Dr. Konstantinos

 A.

 Sierros

West Virginia University

Mechanical & Aerospace Engineering

ESB Annex

 263

[email protected]

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Boundary lubrication and friction

• Introduction

• Mechanism of  boundary lubrication

‐ Importance of  molecular films

‐ Effect of  temperature on surface films

• Elasto‐hydrodynamic lubrication 

‐Lubrication of  soft surfaces

• Breakdown of  lubrication: Scuffing

‐The Blok

 temperature hypothesis

• Test methods in boundary lubrication

• Solid lubricants

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Introduction

 Satisfactory operation of  bearings requires that solid bearing surfaces are 

completely separated by the intervening fluid film

 The bearing surfaces are not in contact and resistance to tangential motion is due 

to viscous loses in the lubricant

 If  lubricant is Newtonian (constant viscosity) the coefficient of  friction will 

increase with the value of  the tangential sliding velocity 

**A

 Newtonian fluid

 is a

 fluid

 whose

 stress

 versus

 strain

 rate

 curve is linear and passes 

through the origin. The constant of  proportionality is known as the viscosity 

 LUn

22

7=μ 

μ

 is friction coefficient

U is

 relative

 sliding

 speed

 of 

 surfaces

W/L is normal load supported per unit length

n is Newtonian viscocity

U

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U

Introduction

 LUn

22

7=

μ 

•  However, when

 the

 load

 is

 very

 high

 or

 the

 speed

 too

 slow

 it

 is  hard

 to

 build

 up

 a thick film that entirely separates the two surfaces

 Therefore some mechanical interaction will be observed between opposing 

asperities

•  The highest

 regions

 of 

 the

 surfaces

 may

 be

 protected

 by

 lubricant

 films

 that

 are

 only a few molecules thick  – This is known as boundary  lubrication

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• Hydrodynamic lubrication  – two surfaces are separated by a fluid film

 Elastohydrodynamic

 lubrication  – two surfaces are separated by a very thin fluid 

film

• Mixed lubrication  – two surfaces are partly separated, partly in contact

 Boundary lubrication  – two surfaces mostly are in contact with each other even 

though a fluid is present.

Lubrication regimes

Hydrodynamic BoundaryMixed

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Boundary lubrication

 For

 boundary

 lubrication,

 the

 bulk

 properties

 of 

 the

 fluid

 (density,

 viscosity)

 are

 

of  little importance

 However, the chemical compositions of  both the fluid and the underlying 

substrate become important

 Coefficient

 of 

 friction

 can

 increase

 substantially

 with

 transition

 to

 boundary

 

conditions (as much as two orders of  magnitude compared to fully

 hydrodynamic 

regime!!)

• For  journal bearings the changes are described by the Stribeck diagram

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Stribeck diagram

ω is rotational speed

p is

 nominal

 bearing

 pressure

n is Newtonian viscosity

• Above A bearing operation is hydrodynamic

• Below B considerations of  surface physics and chemistry predominate

•  For 

small 

nω/p, 

considerable 

amounts 

of  

solid‐

to‐

solid 

contact 

exist 

and 

coefficient 

of  

friction 

depends on the particular set of  materials 

 Materials operating near points C and D show surface damage and

 effective lubrication may 

breakdown (scuffing)

• Intermediate region from A to B is known as mixed  lubrication

 Minimum

 point

 in

 Stribeck

 curve

 associated

 with

 very

 low

 viscous

 shear

 losses

 in

 the

 lubricant

 

film and low friction 

 journal

bearing

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Mechanism of  boundary lubrication

Importance of  molecular films

 Boundary lubrication  – We need to distinguish between surface greasiness and 

inherent oiliness/lubricity of  an exceedingly thin film of  the lubricant

Oiliness (from SAE): differences in

 friction

 greater

 than

 can

 be

 accounted

 for

 on

 the

 basis of  viscosity when comparing different lubricants under identical test conditions

 We need to appreciate the very small scale at which these films operate. The 

molecular structure

 of 

 the

 lubricant

 becomes

 important

 Commercial lubricating oils contain small additions of  chemical

 compounds designed 

to enhance boundary lubrication by forming protective surface films

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Mechanism of  boundary lubrication

Importance of  molecular films

• Stearic

 acid is a ‘classic’

 boundary lubricant

 When a drop of  stearic

 acid is floated on a bath of  clear water, it spreads until it is 

everywhere one molecule thick

 In

 addition,

 all

 the

 molecules

 will

 be

 oriented

 with

 their

 longest

 dimension

 

perpendicular to the surface 

Surface

Number of  layers

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Mechanism of  boundary lubrication

Importance of  molecular films

• Best boundary lubricants  – Long chain molecules with an active end group

‐Organic alcohols, amines, fatty acids

• Polar end

 groups

 are

 attached

 to

 the

 surface

 Monolayers of  such films may breakdown to allow mechanical contact of  the two 

surfaces

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Mechanism of  boundary lubrication

Oiliness additives

 In general, the longer the chain length of  the attached molecule the greater the 

degree of  separation of  the sliding surfaces and the lower the friction coefficient

 Effectiveness of  boundary lubricant depends on tenaciousness of 

 the bond between 

the 

active 

end 

of  

the 

protecting 

molecule 

and 

the 

metal 

surface 

to 

which 

it 

adheres• The bond can be formed:

‐Physically from electrostatic or dipole forces and is completely

 reversible

 Chemically by reaction between the metal surface and the lubricant and is 

irreversible (ie  can

 not

 be

 removed

 without

 leaving

 some

 ‘mark’  on

 the

 surface)

Surface

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Mechanism of  boundary lubrication

Oiliness additives

 Some results on slow speed friction of  a steel slider against metal surfaces lubricated 

by paraffin oil and paraffin oil+1% lauric

 acid C12

 H23

 COOH (highly polar compound)

 Upper four metals are not reacting with lauric

 acid whereas lower four are more 

reactive•

 The results indicate that lubrication is mostly affected by the

 product of  reaction 

between the metal surface and the acid which form a metallic soap

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Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

 During sliding the surface temperatures of  contacting solid surfaces can be 

significantly higher than those in the bulk

 When using a boundary lubricant, the temperature increase will make the molecule 

more mobile

 and

 will

 tend

 to

 gradually

 reduce

 the

 extent

 of 

 surface

 coverage

 

 Increased temperature minimizes lubricant effectiveness and leads to an increased 

coefficient of  friction

 The degree of  surface coverage (density of  ‘pile on the carpet’) is influenced by the 

concentration of 

 the

 active

 molecules

 (solute)

 in

 the

 base

 oil

 (solvent)

 The lower the concentration the greater the tendency for the surface to be 

unprotected

Surface

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Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

 There is always a dynamic equilibrium between the mechanisms of 

 attachment and 

detachment from the substrate

 The reversible nature of  the physical effects

 lead to gradual increase in friction 

coefficient with

 temperature

 for

 paraffin

 oil

 (curve

 A)

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Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

 If  we have a chemical reaction (not reversible) then the increase in temperature will 

tend to increase the rate of  reaction (curve B)  – Eg. fatty acids

 This can be also thought of  as a mild form of  surface corrosion

 since it involves a 

reaction of 

 the

 surface

 of 

 the

 component

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Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

 For surface temperatures higher than 150 

oC, physical adsorption becomes negligible 

and most metallic soaps undergo thermal decomposition

 At such temperature levels frictional forces increase significantly and lead to 

increased surface

 damage.

 We

 then

 say

 that

 surfaces

 start

 to

 scuff 

Study of  a novel anti‐wear additive used in ashless anti‐wear hydraulic fluid

Longhua

 et al, Ind. Lub. Technol. 61, 

2009

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Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

 To provide surface protection against scuffing, extreme pressure (e.p.) additives are 

used

• They help lubricating at relatively high temperatures (300‐400 oC) 

• Compounds of 

 chlorine,

 sulphur,

 phosphorus

• At low temperatures these additives remain inert

• Curve C illustrates the e.p. behaviour

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Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

• Curve D shows a combination of  an oil based on both fatty acid and an e.p. additive

 We have to be careful when transition from boundary to e.p. activity so our surface 

will not get exposed

 Transition

 period

 between

 losing

 the

 physically

 adsorbed

 layer

 and

 the

 formation

 of 

 

the protecting chemical layer  –

 Temperature distress gap 

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Transition period between losing the physically adsorbed layer and the formation of  

the protecting chemical layer  –

 Temperature distress gap

Illustrated by the ‘hump’

 in the friction trace of  the chlorinated paraffin

Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

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Mechanism of  boundary lubrication

Effect of  temperature on surface films

 A range of  additives has been developed for surface protection at high working 

temepratures

  –

 antiwear 

 additives

• ZDDP: zinc dialkyl

 dithiophosphate

 (1% in motor oils)

 Phosphorous

‐containing

 antiwear

 additives

 that

 form

 relatively

 thick

 (0.05

‐0.5

 

μm) 

polymeric viscous layers 

Study of  a novel anti‐wear additive used in ashless anti‐wear hydraulic fluid

Longhua

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2009

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Summary

• Introduction

• Mechanism of boundary lubrication

-

 Importance of molecular films

-

 Effect of temperature on surface films

Surface