Smary i oleje, czyli walka z tarciem w maszynach

2600 p.n.e. Pierwsze ślady smarowania znaleziono w pojeździe na płozach, który był podobny do sań i służył prawdopodobnie do przewożenia ładunków, a należał do egipskiego władcy Ra-At- Ka. Analiza wskazała na zastosowanie wołowego i baraniego łoju. Uczeni wywnioskowali, że łój miał umożliwić poruszanie się pojazdu. Warto dodać, że na wyrytej płaskorzeźbie na ścianie grobowca egipskiego faraona, datowanej na 2400 r. p.n.e., można zobaczyć postać człowieka lejącego substancję smarną, redukującą tarcie podczas przesuwania bloków kamiennych i posągów (1).

XIV w. p.n.e. Uważa się, że piasty rydwanów z innego grobowca faraona egipskiego, sprzed ok. 1400 r. p.n.e., były pokrywane substancją smaropodobną na bazie tłuszczu zwierzęcego. Są dowody również, że w tych czasach stosowano pierwszy naturalny asfalt, a większość olejów smarnych i substancji smarujących była pochodzenia roślinnego i zwierzęcego oraz dodatków mineralnych (wapieni).

77 p.n.e.-393 n.e. W rydwanach używanych podczas starogreckich igrzysk olimpijskich na osie kół nakładano smar z wykorzystaniem tłuszczów pochodzenia zwierzęcego.

V-XII w. Smarowanie staje się coraz powszechniejsze. Oprócz wozów kołowych (piasty, osie), stosowano je np. w mechanizmach opuszczających i podnoszących wrota zamków.

XV w. Wraz z nastaniem ery wielkich odkryć geograficznych i podróży dalekomorskich rozpoczęło się wielkie smarowanie rozlicznych roboczych części jednostek pływających – od wielokrążków linowych po stery. Do użytku wchodzą też m.in. oleje mineralne, pochodne tzw. oleju skalnego i nafta.

1470 Leonardo da Vinci głosi, że tarcie zależy od obciążenia, czyli działających sił, a nie od powierzchni. W 1699 r. w sposób niezależny francuski fizyk Amontons odkrył te prawa ponownie.

XVII Isaac Newton (2) wprowadza do fizyki pojęcie lepkości. Hydrodynamiczne prawo Newtona to fundamentalne prawo mechaniki płynów rzeczywistych. Zgodnie z nim naprężenie ścinające w płynie jest wprost proporcjonalne do występującej w nim szybkości ścinania, a współczynnik proporcjonalności, zwany lepkością, jest parametrem charakterystycznym dla danego rodzaju płynu. Newton wprowadza pojęcie tarcia wewnętrznego między poruszającymi się względem siebie i sąsiadującymi warstwami płynu. Miarą wielkości tego tarcia jest właśnie lepkość płynu, traktowana jako fizykalna cecha charakterystyczna dla danego rodzaju płynu.

1706 Gottfried Leibniz wprowadza rozróżnienie pomiędzy tarciem ślizgowym a tarciem tocznym, które staje się podstawą do dalszych prac nad tym zjawiskiem.

1750 Leonhard Euler jako pierwszy odkrył różnicę między współczynnikiem tarcia statycznego i dynamicznego (tzw. wspinanie się jednej piłokształtnej powierzchni na drugą).

1785 Pierwszy pełny matematyczny opis zjawiska tarcia przedstawił Charles Coulomb (tzw. elastyczne odginanie nierówności połączone z koncepcją piłokształtnych nierówności Eulera). Odkrył on, że tarcie statyczne nie jest stałe i wskazał na zmienność tarcia kinematycznego (3). Według modelu Coulomba siła tarcia jest zależna od siły nacisku (N) stykających się ciał oraz współczynnika tarcia (μ). Zależność pierwotnie została zapisana przez Coulomba w postaci: T = Nx μ + A, gdzie A oznaczało adhezję.

połowa XIX wieku Do olejów smarnych zaczyna się dodawać różne typy mydła jako zagęszczacze. Mydła litowe, wapniowe, sodowe aluminiowe i inne są do dziś powszechnie stosowane jako zagęszczacze smarów, choć w tej roli stosuje się też inne substancje chemiczne.

1845 W USA wynaleziony zostaje smar wapniowy na bazie oleju mineralnego i tłuszczu zwierzęcego. Obecnie smary wapniowe stosuje się głównie do smarowania łożysk ślizgowych i tocznych, pracujących pod niewielkim obciążeniem.

1846-1854 Wynalezienie i zastosowanie procesu rafinacji kopalnych związków węgla. Abraham Gessner z Nowej Szkocji w Kanadzie opracował metodę produkcji kerozenu z węgla. Wkrótce, w 1854 r., Ignacy Łukasiewicz (4) rozpoczął produkcję kerozenu z ropy, wydobywanej ręcznie z szybów niedaleko Krosna. Pierwsza większa rafineria powstała w Ploesti, w Rumunii, w 1856 r.

1853 W Wielkiej Brytanii wynaleziony zostaje smar sodowy na bazie łoju wołowego i sodu. Smary zawierające mydła sodowe produkuje się w niewielkich ilościach, ponieważ są one rozpuszczalne w wodzie i mogą być stosowane wyłącznie do urządzeń, w których kontakt z wodą jest wykluczony. Smary tego typu wykorzystuje się do smarowania łożysk ślizgowych w temperaturze do 120°C, w otoczeniu naturalnym oraz w pewnego rodzaju połączeniach przegubowych i łożyskach tocznych.

1859 Edwin Drake pracuje w USA (Titusville, stan Pensylwania) nad pierwszymi odwiertami w poszukiwaniu ropy naftowej. Z pierwszego roponośnego szybu (5) o głębokości 21 m wydobywa 3200 litrów ropy dziennie. Oleje mineralne, dotychczas dostępne w niewielkich ilościach, stają się masowym produktem. Z surowca wydobywanego z Ziemi powstają oleje i smary o właściwościach zgodnych z wymaganiami maszyn epoki industrializacji. Moce maszyn, a co za tym idzie siły tarcia w częściach roboczych, rosły bowiem w błyskawicznym tempie, co wymagało nowej generacji środków smarnych.

1866 Dr John Ellis postanowił znaleźć medyczne zastosowanie dla ropy naftowej. Nie udało mu się, ale przypadkiem odkrył jej świetne właściwości smarne. Założył firmę o nazwie Continuous Oil Refining Company, znaną później jako Valvoline, produkującą oleje silnikowe (6).

Lata 20. XX wieku Dynamicznie rozwijająca się branża motoryzacyjna rodzi potrzebę udoskonalenia olejów smarujących robocze elementy silników. Naukowcy starają się odpowiadać na to zapotrzebowanie, pracując zwłaszcza nad technikami rafinacji. W kolejnych dekadach rozpoczęły się badania nad dodatkami zapobiegającymi utlenianiu olejów, antykorozyjnymi, a także zwiększającymi trwałość olejów stosowanych w samochodach.

1927 I.G. Farben Industrie wdraża pierwszy komercyjny proces hydrokrakingu – w celu wytwarzania benzyny z węgla brunatnego (pierwszy nowoczesny węzeł hydrokrakingu destylacyjnego w przemyśle rafineryjnym zastosowano w koncernie Chevron w roku 1958). Nazwą tą określa się proces krakingu prowadzony z udziałem wodoru, mający na celu zmniejszenie masy cząsteczkowej składników surowca oraz zmianę proporcji, w jakich te składniki występują. W wyniku hydrokrakingu z wysokowrzących frakcji olejowych otrzymanych poprzez destylację frakcyjną ropy naftowej oraz pozostałości destylacyjnych, takich jak gudron, otrzymuje się gaz płynny, benzynę hydrokrakingową i frakcje olejowe (7).

1935 Firma C.C. Wakefield Co. wprowadziła na rynek olej Patent Castrol. Ten nowatorski produkt powstał w wyniku odkrycia naukowców, którzy zaobserwowali, że oleje izolacyjne stają się bardziej odporne na utlenianie po dodaniu pewnych mydeł metalicznych. 1938 Frank Bowden i David Tabor opracowują tzw. adhezyjną teorię tarcia. Zakłada ona, że styk ciał nie zachodzi na powierzchni nominalnej, ale rzeczywistej. Nierówności znajdujące się na powierzchni ulegają deformacji. W strefie rzeczywistego styku zachodzi silna adhezja, w rezultacie której pojawiają się tzw. mostki zwarcia. Siła tarcia potrzebna jest do zerwania kontaktów adhezyjnych.

1938 Roy J. Plunkett przypadkowo wynajduje teflon. Stało się to podczas sprawdzania zamrożonego zbiornika tetrafluoroetenu, stosowanego w produkcji chłodziwa do lodówek. Gdy Plunkett go otworzył, odkrył, że w pojemniku powstał biały proszek, nieprzylegający do ścian zbiornika. Okazało się, że tetrafluoroeten uległ polimeryzacji, tworząc politetrafluoroeten, substancję o zaskakujących właściwościach: niezwykle małej energii powierzchniowej oraz dużej odporności cieplnej i chemicznej. W ten sposób narodził się jeden z najbardziej śliskich materiałów, jakie znamy.

1942 Wynaleziono smar litowy, który szybko stał się uniwersalnym produktem wykorzystywanym na całym świecie. Ponad połowa smarów plastycznych należy do tej grupy. Są one często określane jako uniwersalne, ponieważ znajdują bardzo szerokie zastosowanie w różnych tzw. skojarzeniach trących: łożyskach tocznych, łożyskach ślizgowych, sworzniach i innych obciążonych elementach, zarówno w środkach transportu, jak i w urządzeniach przemysłowych, w szerokim zakresie temperatury pracy. Kompleksowe smary litowe pozwalają na podwyższenie temperatury użytkowania w stosunku do zwykłych smarów litowych, przy jednoczesnym zachowaniu innych korzystnych właściwości.

1949 Narodziny pierwszej polialfaolefiny (PAO) i początek drugiej rewolucji w historii środków smarnych. Siedem lat później firma Socony-Vacuum (później weszła w skład koncernu ExxonMobil) tworzy pierwszy syntetyczny olej polialfaolefinowy. Był to ogromny krok naprzód w dziedzinie smarowania urządzeń mechanicznych, zarówno w wysokich, jak i niskich temperaturach. Do samochodów produkt trafił jednak dopiero w latach 70.

1962 Powstaje smar kompleksowo-glinowy do zastosowań wysokotemperaturowych, przede wszystkim w maszynach i urządzeniach dla przemysłu spożywczego. Tego typu smary są również używane w połączeniach przegubowych, łożyskach ślizgowych, otwartych przekładniach zębatych w środowisku wilgotnym, do temperatury rzędu 65°C. W przypadku kompleksowych smarów glinowych temperatura kroplenia jest znacznie podwyższona, do 240°C.

1966 Kształtuje się nauka o nazwie trybologia (tribologia). Wcześniej poszczególne jej działy wchodziły w skład różnych dziedzin. Przykładowo, zagadnienia tarcia suchego rozpatrywane były w zakresie fizyki, tarciem granicznym zajmowała się chemia fizyczna, smarowaniem – technologia produktów naftowych, zaś zużywanie na skutek tarcia badało maszynoznawstwo. W 1966 r. użyto nazwy „trybologia” w raporcie dla rządu brytyjskiego o stanie techniki, szkolnictwa i badań w zakresie smarowania maszyn, autorstwa brytyjskich uczonych pod kierownictwem Petera Josta.

1974 Prace specjalistów firmy Mobil (od 1972 r. ExxonMobil) nad olejami syntetycznymi sięgają II wojny światowej. Światowa gospodarka stanęła wówczas w obliczu deficytu ropy naftowej, co zdopingowało amerykańskie firmy do szukania alternatywnych metod produkcji środków smarnych wykorzystujących surowce niepochodzące z ropy. Celem było stworzenie syntetyków zachowujących się podobnie do oleju mineralnego, który w tamtych czasach smarował praktycznie wszystkie silniki. Badania naukowców były obiecujące, ale nie zawsze kończyły się szybkim sukcesem. Przełomowe okazały się spostrzeżenia dotyczące cech wynalezionej w 1949 r., wspominanej wyżej, polialfaolefiny. Płyn bardzo przypominał olej mineralny. Łatwo się z nim mieszał, a jednocześnie pod pewnymi użytkowymi względami wyraźnie go przewyższał. Po pierwsze, doskonale smarował w bardzo wysokich temperaturach, przy których warstwa oleju mineralnego była zbyt cienka. Po drugie, zachowywał płynność w ekstremalnie niskich temperaturach, w których oleje mineralne stawały się bardzo gęste lub całkowicie traciły płynność. Pierwszy syntetyczny olej silnikowy Mobil 1 (9) miał ograniczać zużycie paliwa, a jego późniejsze udoskonalenia były odpowiedzią na nowe oczekiwania rynku. Przykładowo, wprowadzenie oleju Mobil 1 o obniżonym poziomie fosforu wydłużyło żywotność katalizatora.

Lata 80. Odkrycie fulerenów, które obecnie stosowane są coraz szerzej jako nanotechnologiczne dodatki do substancji smarujących. Fulereny to cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Zawierają od 28 do ok. 1500 atomów węgla. Na początku wydawało się, że są tylko kolejną „ciekawostką przyrodniczą”. W toku badań okazało się jednak, że mogą znaleźć wiele praktycznych zastosowań. Można je przyłączać do polimerów, uzyskując w ten sposób środki smarujące.

2004 Andriej Geim i Konstantin Novoselov z Uniwersytetu w Manchesterze wytwarzają grafen. Szybko okazało się, że ma on ogromny potencjał z trybologicznego punktu widzenia. Rozpoczyna się wiele badań nad tym materiałem, a w konsekwencji dochodzi do wielu odkryć. Jednego z ostatnich dokonali naukowcy z Laboratorium Argonne, należącego do amerykańskiego Departamentu Energii. Zastosowali oni pojedynczą warstwę grafenu pomiędzy stalową kulką a stalową powierzchnią obręczy, podobnie jak to ma miejsce w łożyskach. Okazało się, że grafen radzi sobie z tarciem znacznie lepiej niż znane substancje smarujące.