ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها

با درود و احترام به کلیه مخاطبین محترم این وبلاگ، هدف از این پست ارائه مرجع و راهنمایی در خصوص ادتیو EP (Extreme Pressure) در روغن های چرخدنده است. این پست، بعنوان یک پیش درآمد بر پست مفصلی تلقی می گردد که با عنوان «انتخاب روغن های چرخدنده و گیربکسی» بزودی در همین وبلاگ انتشار خواهد یافت. یکی از مشکلاتی که طراحان و سازندگان گیربکس با آن مواجهند، انتخاب مواد مناسب برای چرخدنده های درگیر و پوسته ای است که قرار است این مجموعه از چرخدنده ها را درون خود نگه دارد. از سوی دیگر، روغن های چرخدنده نیز بعنوان سیستمی پایدار از انواع متفاوتی از ترکیبات شیمیایی فعال، اغلب دارای انواع و اقسام ادتیو های شیمیایی در ساختار خود هستند که برای حفظ عملکرد آن لازم و حیاتی محسوب می شوند، اما، در برخی شرایط، حضور بعضی از این ادتیو ها می تواند برای سیستم مکانیکی حاوی آنها خطرناک و مضر باشد.

در این پست، قصد داریم راجع به ادتیوی صحبت کنیم که با نام عمومی EP، مخفف Extreme Pressure، شناخته شده و در روغن های چرخدنده به وفور یافت می شود. حضور این ادتیو، مطابق آمار جمع آوری شده در ایالات متحده در خلال سال های 2012 تا 2015 در بیش از 62 درصد روغن های چرخدنده ای مصرفی در این کشور مشاهده شده است.

بطورکلی، ادتیو های کلاس EP از دیدگاه ساختار شیمیایی به سه دسته تقسیم می شوند:

• کلرین دار؛

• سولفور-فسفر دار؛ و

• پتاسیم بورات

مکانیزم عملکردی این تیپ از ادتیو ها، تشکیل لایه تبدیلی ناشی از واکنش شیمیایی بین ترکیب پایه ادتیو و سطح فلز و تشدید فعالیت بر اثر گرما است. در برخی مکانیزم ها، این لایه تبدیلی می تواند فدا شونده نیز باشد. مشکل، اما، از همین جا شروع می شود! بدین ترتیب که تشکیل این لایه تبدیلی گاه در برخی آلیاژ های مس دار (مانند برنز که به وفور در ساخت قطعات چرخدنده و گیربکس استفاده می شود) موجبات خوردگی شدید سطح قطعه و بروز خرابی مکانیکی را فراهم می آورد.

شکل 1: شماتیکی از نحوه عملکرد ادتیو های EP

این مورد در گیربکس های دنده مارپیچ نمود بیشتری دارد. چراکه در این تیپ از گیربکس ها استفاده از آلیاژ های برنزی رایج تر است. بطورکلی، یک گیربکس دنده مارپیچ یا Worm Gear از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: ماردان (Worm Rod) و چرخ مارپیچ (Worm Wheel). شکل 2 را ببینید.

شکل 2: شماتیکی از گیربکس دنده مارپیچ

ماردان معمولا از گرید های پرکربن و مقاوم به حرارت فولادی ساخته می شود. اما، چرخ مارپیچ جنسش از آلیاژ های نرم مس داری مانند انواع برنج یا برنز است. البته در برخی طرح ها، هر دو قطعه از آلیاژ مس ساخته می شوند. علت استفاده وسیع از آلیاژ های مس را می توان در دو جنبه خواص بی نظیر ساخت و تولید (اعم از ماشینکاری و شکل پذیری عالی، و در عین حال، قیمت تمام شده کمتر، در عین فراوانی و دسترسی بهتر نسبت به فولاد های آلیاژی) و انعطاف پذیری متالورژیک آنها در آلیاژ پذیری با انواع مختلفی از عناصر شیمیایی، مانند سرب، و...، دانست.

از میان انواع فوق الذکر برای ادتیو های EP، آنهایی که برپایه ترکیبات سولفور دار تولید شده باشند، بیشترین رفتار تخریبی را در مورد آلیاژ های مس از خود نشان می دهند. در این دسته، دو تیپ از سولفور می تواند مورد استفاده کامپاندساز قرار گرفته باشد:

• سولفور فعال:

کامپاند های حاوی سولفور فعال پس از واکنش دهی با سطح فلز تشکیل لایه ای نرم و چکش خوار از صابون فلزی داده و این شرایط را فراهم می آوردند که دو سطح متقابل بدون صدمه رساندن و زخمی کردن یکدیگر به تبادل نیرو بپردازند. این لایه تبدیلی، با توجه به شرایطی که گفته شد، فدا شونده محسوب می شود. بدین ترتیب که پس از تحمل تنش های وارده، بدلیل نرم و چکش خوار بودن ساییده شده و بصورت تکه های بسیار ریز وارد جریان روغنی می شود که وظیفه شستشو و تمیزکاری فضای بین سطوح درگیر را نیز دارد. سولفور در حالت فعال خود از نظر شیمیایی رفتاری خورنده در برابر فلزاتی مانند فولاد و آلیاژ های مس دارد. از این رو، می تواند خواص مکانیکی سطوح تشکیل شده از آلیاژ های مس یا برخی فولاد ها را دچار عوارض ناشی از خوردگی مانند سوراخ های ریز (Pitting Corrosion) یا تورق (Spalling) کند. از دیگر سو، افزایش حرارت نیز می تواند واکنش بین سولفور فعال و سطح فلز را تشدید و تسریع کند. این تشدید و تسریع از قانون آرِنیوس (Arrhenius rule) پیروی می کند که شامل دو برابر شدن سرعت واکنش شیمیایی بازای هر 10 درجه سلسیوس افزایش دمای روغن است؛

• سولفور غیرفعال:

کامپاند های سولفور غیر فعال تمایل کمتری به چسبیدن به سطوح و واکنش دهی شیمیایی از خود نشان داده و از این رو، روغن های حاوی ادتیو های EP سنتز شده با این کلاس از کامپاند ها، رفتار خوردگی مناسبتری در برابر آلیاژ های فولاد، و بویژه مس، از خود نشان می دهند.

ادتیو های EP کامپاند شده با سولفور فعال در مواجه با آلیاژ های مس (اعم از برنج یا برنز) اقدام به برقرار زنجیره ای از واکنش های شیمیایی می کنند که حاصل آنها سولفید مس یا دی سولفید مس است. گرما نیز، با توجه به قانون آرِنیوس، شدت و دوام این زنجیره واکنشی را تضمین می کند. هر دو ترکیب سولفید و دی سولفید مس از سختی بالاتری نسبت به آلیاژ مس برخوردار بوده و می توانند موجب خراشیدگی و فرسایش شدید سطوح قطعات تشکیل شده از این آلیاژ های مس و برخی فولاد ها را فراهم آورند.

شکل 3: نمونه ای از تخریب سطح قطعه برنجی یک گیربکس دنده مارپیچ

با این تفاسیر، سوال اینست که مالک تجهیز چگونه می تواند تشخیص بدهد که روغن گیربکسی که قصد خرید دارد برای تجهیز مناسب است یا خیر؟ آیا بجای افزایش کارآیی، از عمر آن نمی کاهد؟

پاسخ به این سوال در تست تطابق با مس روغن گیربکس نهفته است که مطابق با استاندارد ASTM D130 و براساس جدول نشان داده شده در شکل 4 انجام می شود. این آزمون، بویژه، برای گیربکس های مناسب است که مطمئن هستیم در ساختار آن از آلیاژ های مس استفاده شده است. البته، گفتنی است که برخی از آلیاژ های فولاد خوشتراش نیز مقادیر معتنابهی از مس در ساختار خود دارند. لذا، استفاده از آنها نیز ریسک بالایی خواهد داشت. این آزمون که نام کامل آن «Copper Strip Corrosion Test» یا «آزمون خوردگی تسمه مسی» است، ابزاری بی نظیر در پیش بینی رفتار خوردگی روغن گیربکس حاوی ادتیو های EP در زمان عملکرد در گیربکس تجهیز به شمار می رود. بوسیله این آزمون می توان تشخیص داد که کدام کلاس از ادتیو EP سولفور دار در سنتز روغن گیربکس بکار رفته است.

شکل 4: چارت استاندارد آزمون خوردگی تسمه مسی (ASTM D130)

روش انجام این آزمون بدین ترتیب است که یک تسمه مسی در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس درون نمونه روغن فروبرده شده و پس از مدت زمان معینی و پس از بیرون کشیده شدن از نمونه روغن، وضعیت ظاهری و تغییر رنگ سطحی آن مطابق چارت شکل 4 بررسی می شود. نتیجه آزمون به چهار کلاس تقسیم می شود که از حداقل تغییر رنگ (کلاس 1a) تا سیاه شدگی کامل (کلاس 4c) متغیر است. در صورتیکه نتیجه آزمون بین کلاس های 1a و 2b قرار گیرد، ریسک واکنش دهی شیمیایی بین روغن و قطعات مسی بالاست.

بدین ترتیب و براساس مقدمات بالا، می توان موارد احتیاطی زیر را برای روغن های چرخدنده حاوی ادتیو های EP لازم دانست:

الف) برای گیربکس های با سرعت چرخش کمتر از 10FPM، استفاده از روغن های حاوی ادتیو های EP می تواند موجب بروز فرسایش سطحی با مکانیزم Polishing شوند که در درازمدت برای قطعات مسی و فولادی خطرناک است و موجب از دست رفتن مقطعی راندمان انتقال قدرت خواهد شد. برای روغنرسانی به این دسته از گیربکس ها، استفاده از روغن های چرخدنده حاوی ادتیو EP توصیه نمی شود؛

ب) ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر دار از نظر شیمیایی بسیار فعال محسوب شده و در اثر گرما و فشار مقطعی، موجب بروز فرسودگی سطحی قطعات گیربکس با مکانیزم Polishing خواهند شد. این مکانیزم، از آنجا که موجب ساییدگی لبه های نوک دندانه ها خواهد شد، علت اصلی عدم کنترل و دقت گیربکس در انتقال قدرت خواهد بود. در مواردی از این دست، ادتیو های EP نوع پتاسیم بورات جایگزین مناسبی خواهند بود؛

ج) فعالیت شیمیایی ادتیو های EP (بویژه انواع سولفور دار) در زمان عملکرد نوک دندانه چرخدنده ها در پیک دمایی به اوج خود می رسد. بنابراین، در برخی از کاربرد ها، که دمای عملکرد گیربکس به میزان لازم برای فعالسازی شیمیایی ادتیو های EP نمی رسد، ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس اهمیت پیدا می کند. چراکه هرچه ویسکوزیته سینماتیک روغن بالاتر باشد، ضخامت فیلم روغن بین دو سطح چرخدنده بیشتر از حد معمول شده و انتقال حرارت بیشتری انجام خواهد شد. در نتیجه نوک دندانه چرخدنده ها نیز دمای کمتری را تجربه خواهند کرد. بدین ترتیب، و با عدم فعالسازی ادتیو های EP درون روغن، شاهد افزایش سرعت و شدت فرسایش دو سطح درگیر خواهیم بود. بنابراین، در گیربکس هایی که از سرعت چرخش پایین، تبادل بار اندک، و دمای عملکردی پایین برخوردار باشند، در صورت استفاده از روغن حاوی ادتیو EP، بهتر است ویسکوزیته سینماتیک پایینتری انتخاب شود تا محدوده دمای فعالسازی این ادتیو حفظ گردد؛

د) در برخی کاربرد ها یا طراحی ها، که دمای گیربکس بسیار بالا یا بسیار پایین باشد، جایگزین کردن روغن های حاوی ادتیو های EP با لوبریکانت های پودری (جامد) حاوی دی سولفید مولیبدن، گرافیت، یا دی سولفید تنگستن راهکار بسیار مناسبی خواهد بود. البته باید توجه داشت که این تیپ از لوبریکانت ها توانایی تحمل بار به مراتب کمتری نسبت به روغن ها دارند؛

هـ) ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر نباید در دما های عملکردی بیش از 95 درجه سلسیوس مورد استفاده قرار گیرند. البته، بطور کلی، این کلاس از ادتیو های EP برای محدوده دمایی گرمتر از 60 درجه سلسیوس مناسب نیستند و خورندگی شدیدی نسبت به آلیاژ های مس از خود نشان می دهند؛

و) بسته به مقدار استفاده، ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر با روغن های حاوی ادتیو ضد سایش (AW) حاوی زینک (Zn) سازگار نبوده و واکنش شیمیایی بین این دو ادتیو منجر به تولید نمک های فلزی فرساینده در سطوح درگیر بین چرخدنده ها می شود که نتایج اصلی آن افزایش شدید دما و فرسودگی موضعی خواهد بود. بنابراین، باید در زمان تعویض روغن های گیربکسی با انواع جدید دقت نمود که روغن قبلی و جدید از این دو ادتیو برخوردار نباشند؛

ز) در کاربرد هایی که احتمال نفوذ آب یا ترکیبا آبدار (هیدراته) به فضای درونی گیربکس بالاست، استفاده از روغن های گیربکسی حاوی ادتیو های EP کلاس بورات و کلرین، بدلیل تشکیل ترکیبات اسیدی قوی بهیچوجه توصیه نمی شود.