التزليق
تزليق
Lubrication -
التزليق
محمد وليد الجلاد
مواد سطوح الارتكاز و مواد التزليق
|
|
التزليق lubrication تقنية تستخدم للتخفيف من تحات سطحين متماسين يتحركان حركة نسبية أحدهما إلى الآخر. يتحقق التزليق بحشر مادة مزلقة بين سطحيهما تتحمل ضغط الحمل الواقع على أحدهما أو عليهما كليهما، أو تساعدهما على تحمله. إن استعمال المزلقات ضروري حين يعاني سطحان متماسان مقاومة لحركة انزلاق أحدهما على الآخر. تدعى هذه المقاومة احتكاكاً friction، وهي موجودة في كل الأجهزة والآلات الميكانيكية، ويسمى العلم الذي يبحث في الاحتكاك والتزليق والتحات علم الاحتكاك tribology.
يمكن أن تكون رقاقة المزلق المحشورة بين السطحين صلبةً أو مبددةً dispersant، أو صلبة/سائلة، أو سائلة، أو شحماً، أو غازاً في حالات استثنائية. كما يمكن أن يكون التزليق ظاهرة من ظواهر تخفيف الاحتكاك من دون تدخل الإنسان، والمثال على ذلك تزحلق السيارة على طريق مبلل حيث ينتفي التماس بين عجلات السيارة وسطح الطريق، وتسمى هذه الظاهرة الانزلاق المائي.
يستهلك الاحتكاك نحو 30% من طاقة أي محرك. ويمكن التخفيف منه ومنع تحات الأسطح المحتكة في أي مكنة بحشر المزلق بين تلك الأسطح. وتسمى العناصر الميكانيكية المؤهلة للقيام بهذه المهمة مضاجع أو محامل أو مدارج أو أسطح ارتكاز bearings، ويمكن تزليقها بمزلقات صلبة أو سائلة أو غازية. تتحمل لزوجة المزلق الضغط المتولد عن الحمل بفضل مقاومتها للاحتكاك بين السطحين المنزلقين.
يساعد التزليق المناسب على عمل المعدات الميكانيكية بسلاسة ومن غير توقف ومن دون أي إجهاد أو تماسك بين المحامل، مع تحات ضئيل جداً، ويعد ضرورياً لعمل المنظومات الميكانيكية بالشكل الصحيح، ولاسيما المكابس والمضخات والحدبات والمضاجع والعنفات، وكذلك أدوات القطع والقص وغيرها. وعندما يخفق التزليق في مهمته أو ينعدم تماماً يتأكل المعدن أو أي عنصر من العناصر الموجودة على تماس بعضها مع بعض إلى درجة التلف، مع ارتفاع درجات حرارتها وتماسكها وتوقفها عن العمل.
يقسم التزليق عادة إلى:
1- تزليق رقائقي مائع fluid-film lubrication، مائعي توازني: هدروسـتاتي hydrostatic ومائعي تحريـكي: هدروديناميـكي hydrodynamic وهدروديناميكي مرن (ليّن) elastohydrodynamic، حيث يفصل بين الأسطح المتماسة رقاقة متواصلة من مزلق سميك نسبياً.
2- تزليق حدّي boundary lubrication، حيث يفصل بين السطحين المتماسّين طبقات جزيئية قليلة، ولا يمكن تجنب التماس الحاد بينهما. وفي هذه الشروط يفضل استعمال المزلقات الصلبة على شكل رقائق، أو المزلقات الجزيئية بنثر الزيت أوالشحم أو الغاز لتخفيف الإجهاد عن الأسطح نسبياً. كذلك تستعمل المزلقات الصلبة في الأوساط ذات درجات الحرارة المرتفعة جداً أو المنخفضة الضغط جداً. وأكثر المزلقات الصلبة الجزيئية شيوعاً هي الغرافيت وثنائي كبريتيد المولبدينيوم (
)، كما تستعمل مركبات الرصاص والبولي تترافلوروإتلين (التفلون Teflon) polytetrafluoroethylene (PTFE) أيضاً. وثمة طريقة أخرى لاستعمال المزلقات الصلبة عن طريق الرقائق الملصقة bonded films. تثبت رقائق المزلقات الصلبة هذه -مثل ثنائي كبريتيد المولبدينيوم والغرافيت والتفلون وثنائي كبرتيد التنغستين- على سطح المعدن بمواد لاصقة مثل الراتنج أوالسيليكات أوالخزف.
رقاقات التزليق lubricant films
عندما تكون رقاقة المزلق على المضجع غير متواصلة يكون التزليق جزئياً partial أو حديّاً. في هذه الحالة يُعتمد معامل الاحتكاك 
، حيث تمثل f المركبة المماسية (الاحتكاكية) tangential (frictional) component، وN المركبة العمودية normal component لقوة الضغط وفق مواصفات المزلق وأسطح التماس. يمكن تحليل معامل الاحتكاك بطرائق كيمياء وفيزياء السطوح. وأما إذا كانت رقاقة التزليق متواصلة، كما في حالة التزليق برقاقة سائلة فتحدد مواصفات الاحتكاك وحدها بالاستناد إلى خصائص مادة التزليق وليس السطوح الرابطة. يمكن توليد رقاقة التزليق المستمرة بإحدى وسيلتين، الوسيلة الهدروستاتية المقيدة termed hydrostatic (ضغط من الخارج)، والهدروديناميكية (ذاتية العمل self-acting).
أسطح الارتكاز الهدروستاتية hydrostatic bearings:
تتولد رقاقة التزليق الهدروستاتية بحقن مزلق بضغط عالٍ بين السطحين المتقابلين، أي بين السناد (المسند) pad والجسم المتحرك runner، فيفصل أحدهما عن الآخر ويحول دون أي تماس مباشر بينهما. تحتاج أسطح الارتكاز الهدروستاتية إلى ضغط خارجي، ويبلغ ثخن رقاقة التزليق 5-50 مكرومتراً بحسب استخداماتها. ولا يعتمد التزليق الهدروستاتي اللزج على الحركة النسبية بين السطحين، فالحركة النسبية مسموح بها، بل يمكن أن تكون متقطعة (الشكل 1). وللتعامل مع الأحمال غير المتناظرة تستخدم المنظومة الهدروستاتية عموماً عدة سنادات (سطوح ارتكاز) متباعدة بالتساوي. تتغذى السنادات بالمزلق من حوض مشترك عادة، وتزود بمحدِّدات (منظِّمات) جريان flow restrictors. وهي أجهزة تضبط جريان المزلق، مثل فوهات البثق orifices والأنابيب الشعرية capillaries، ويتسبب أي تبدل في الجريان خلالها -مهما كان ضئيلاً- في هبوط الضغط. وعليه فإن تغيراً طفيفاً في متجه الحمل load vector يتسبب في تغير سمك الرقاقة على سناد بعينه، وسينجم عنه تبدل كبير في ضغط تجويف recess pressure ذلك السناد محدثاً عزماً عمودياً righting moment على الجسم المتحرك. تستعمل المدارج الهدروستاتية حيث يكون للتوضع النسبي بين الأسطح أهمية كبيرة، فالعِدد الميكانيكية machine tools التي تستعمل هذا النوع من المحامل يمكن أن تشحذ أجزاؤها في حدود 5 مكرومترات يمكن معها إنهاء السطح بنعومة 2.5 مكرومتر.
 |
|
الشكل (1) سناد المحمل الهدروستاتي. |
تستعمل سطوح الارتكاز الهدروستاتية كذلك حين يكون المطلوب معامل احتكاك منخفضاً (
إلى
) عند سرعة نسبية متلاشية vanishing relative velocity. فالمقراب البصري optical telescope فوق جبل بالومار Mount Palomar في الولايات المتحدة الأمريكية -وقطره 5م ووزنه 500 طن- يرتكز على سطح ارتكاز هدروستاتي، ويبقى متزامناً مع حركة الأجرام بمساعدة محرك ساعي clock motor استطاعته ربع حصان (190 واطاً). أما المصاعد الهدروستاتية فتركب عادة داخل المحامل الهدروديناميكية لجهاز دوار كبير من أجل تسهيل الإقلاع والتوقف حين لا يكون هناك رقاقة تزليق هدروديناميكية متواصلة.
تمتاز المحامل الهدروستاتية بقلة الاحتكاك، والتوضع النسبي الدقيق للسطوح الحاملة، وعدم تحسسها بمقدار الحركة النسبية واستمرارها. غير أن من سيئاتها حاجتها إلى معدات مساعدة، وفي غياب منظومة بديلة back-up system فإن إخفاقها خطير جداً، كما أن تكاليفها عالية. وبسبب هذه العيوب فإن المدارج الهدروستاتية أقل استعمالاً من المدارج الهدروديناميكية.
المدارج الهدروديناميكية:
المدارج الهدروديناميكية ذاتية العمل. ويلزم لتوليد رقاقة هدروديناميكية حاملة للحمل والمحافظة عليها أن يكون أحد سطحي الحمل متحركاً حركة نسبية بالنسبة إلى الآخر، وأن يكون المزلق متوفراً بما يكفي. ويجب أن تكون الأسطح ذات ميل لتشكل فراغاً على شكل إسفين موجه باتجاه الحركة النسبية. عندئذٍ تتولد رقاقة التزليق بمجرد أن يدخل المزلق في الفراغ نتيجة الحركة النسبية. ويتحقق فعل اللزوجة بالضغط المتولد داخل الرقاقة (الشكل 2). وإن حقيقة كون المدارج الهدروديناميكية ذاتية التوليد ولا تعتمد على أي معدات مساعدة تجعلها مضمونة العمل ويمكن الاعتماد عليها.
 |
|
الشكل (2) تكوّن رقاقة التزليق الهدروديناميكي. |
يمكن أن يعمل التزليق الهدروديناميكي حتى إن لم يكن مطلوباً، وغير مرغوب فيه إطلاقاً، مثل ظاهرة الانزلاق المائي.
تصمم محامل الارتكاز الهدروديناميكية hydrodynamic journal bearings (الشكل3)، ومدارج الدسر المحورية thrust bearings (الشكل4) بحيث تستند الأحمال القطرية والمحورية radial and axial loads، على التوالي إلى العمود الدوار .rotating shaft تبلغ ثخانة الرقاقة 
في هذه المحامل
مكرومتر، ومعامل الاحتكاك 
حتى
.
 |
| الشكل (3) محامل الارتكاز الهدروديناميكية. |
 |
|
الشكل (4) مدارج الدسر المحورية. |
وبسبب مساحة التماس الكبيرة في هذه المدارج فإن الضغوط المتولدة فيها تكون منخفضة، وتراوح بين
1 و10 ميغاباسكال (10-100 ضغط جوي). وهي تعمل مع بقاء أسطح المحامل قاسية ولو كانت التشوهات الحرارية والمرنة ذات شأن في السرعات العالية والأحمال الكبيرة.
تزلق المدارج الهدروديناميكية عادة بمزلقات سائلة (كالزيت المعدني)، وذلك في وجود الأحمال الخفيفة والسرعات العالية. أما في المعدات الملاحية المعقدة. يكون التزليق الغازي هو المفضل. حدث إقبال شديد على تطوير تقانات التزليق الغازي منذ خمسينيات القرن العشرين نتيجة تزايد الطلب على المنظومات الملاحية المعقدة، وفي عمليات مصادر الطاقة النووية المبردة بالغاز، وفي المكنات المبتكرة الغريبة في تطبيقات الفضاء. وتولي صناعة التسجيل المغنطيسي أهمية أكثر إلى هذه التقانة. إذ إن متابعة تخزين المعلومات الكثيفة المطردة الزيادة أوصل إلى تصميم محركات أقراص disk drives ذات محامل منزلقة slider bearings، أو "زلاجات" sliders تحمل رؤوس القراءة/الكتابة، وتمكنها من تصفح أسطح الأقراص على مسافات الحروف الصغيرة جداً، أي كِسرة من متوسط المسار الحر fraction of the mean free path (وهي المسافة المتوسطة التي تقطعها جزيئات الغاز بين تصادماتها، أي نحو 60 نانومتراً في الهواء الجوي).
المدارج المكيفة الشكل
تعد سطوح الارتكاز والمدارج المحورية مدارج متطابقة، بمعنى أن الأسطح المتقابلة من المحامل تتطابق في الشكل. أما المدارج الكروية والبلحية والأسطوانية ball and roller bearings فتعرف بأنها مدارج متماسة بالدحاريج rolling contact bearings فهي لامتطابقة؛ كما يبين الشكل (5).
 |
|
الشكل (5) المدارج الكروية. |
تعمل المدارج اللامتطابقة وفق النموذج الهدروديناميكي، غير أن الضغط فيها له قيم كبيرة، ويراوح بين 1 و3 غيغا باسكال (10000-30000 ضغط جوي)؛ لأن مساحة التماس في هذه المدارج صغيرة. وعليه فإن الأسطح تتشوه تشوهاً مرناً ويزداد المزلق لزوجة عدة درجات في المرتبة، يخضع اختلاف لزوجة المزلق 
في الضغط P للقانون التقريبي (1):
|
|
حيث: 
تمثل اللزوجة في الضغط الجوي.
ثابت مادي.
يقال إن المدارج المتطابقة تعمل وفق النموذج الهدروديناميكي المرن. يمكن أن تصمم المدارج المتماسة بالدحاريج بحيث تدعم الحمل قطرياً أو محورياً أو أي تركيب منهما. ولكن السيئة الرئيسية لهذه المدارج أن تخميدها الضروري لتبديد طاقة الاهتزاز حين تقترب المنظومة من حالة الطنين ضئيل جداً أو لا تخميد لها. أما معامل الاحتكاك في هذه المدارج فهو يماثل تقريباً المدارج المحورية، غير أن ثخن رقاقة التزليق أصغر بمرتبتين أو مقدارين، ولا يمكن تجاهل خشونة أسطح هذه المدارج إلا إذا نُعِّمت تنعيماً خاصاً.
مواد سطوح الارتكاز و مواد التزليق
يتوقف اختيار مواد سطوح الارتكاز (المدارج) من أجل استعمال معين على نوع السطح، ونوع المزلق، وشروط الوسط. فالبطائن البابتية babbitts هي الأكثر استعمالاً للمدارج الهدروديناميكية. وهي خلائط معدنية أساسها القصدير أو الرصاص، وتملك مقدرة رائعة على احتضان الأقذار أو المواد الغريبة الأخرى، وتخفف من تلف المحاور إلى الحد الأدنى، كما تملك خاصة التكيف مع الشكل. غير أن هذه الخلائط ذات قدرة منخفضة عموماًعلى تحمل الأحمال. ولزيادة قدرتها على الحمل تربط هذه الخلائط بمواد دعم أقوى منها كالفولاذ والحديد الصب والبرونز.
تعمل المدارج التدحرجية التماسية rolling contact bearings في شروط إجهادات الضغط العالية لملايين الدورات كالكرات أو الدحاريج التي تدور في منطقة الحمل من المدرجة. إن مثل هذه التطبيقات تفرض أن تكون مدارات المدارج وكرياتها قاسية ولها مقاومة كبيرة للتعب. والمادة الأكثر استعمالاً هي الفولاذ المقسى بالكروم. وفي التطبيقات التي ترتفع فيها درجات الحرارة كثيراً تستعمل الأدوات الفولاذية العالية السرعة مع تقسية خاصة. وفي درجات الحرارة العالية يستعمل مزلق ذو ثبات حراري، بدلاً من مواد المدارج التي تحد من درجات الحرارة القصوى.
مواد التزليق lubricants أو المزلِّقات هي مواد غازية أو سائلة أو صلبة تستعمل لمنع التماس المباشر بين أسطح الأجزاء المتحركة حركة نسبية، والتخفيف من احتكاكها وتحات أسطحها. تدعى هذه الخاصة"خاصة الزَّلْق lubricity أو الانزلاق slipperiness. كذلك تقوم المزلقات بمهمة التخلص من الشوائب والملوثات والجسيمات الغريبة الناجمة عن التأكل أو التحات، إلى جانب تبريد الأجهزة الميكانيكية ونقل الحرارة وتحويل الطاقة. كما يمكن أن تمنع الصدأ rusting وترسب المواد الصلبة في الأجزاء المحكمة الإغلاق وتمنع تسرب الغازات.
- الفصل بين الأجزاء المتحركة: تفصل المُزلِّقات بين الأجزاء المتحركة في أي منظومة؛ فتخفف الاحتكاك والحرارة المتولدة عنه، وتحول دون تعب الأسطح، إضافة إلى تخفيف الأصوات والاهتزازات. تحقق المُزلِّقات هذه المهام بتشكيل حاجز فيزيائي، أي طبقة رقيقة (رقاقة) من المزلق تفصل بين الأجزاء المتحركة. تسمى هذه الظاهرة التزليق الهدروديناميكي hydrodynamic lubrication. وفي حال وجود ضغوط أو درجات حرارة مرتفعة على الأسطح تغدو الرقاقة المائعة بالغة الرقّة فتنتقل بعض قوى الاحتكاك إلى الأسطح المتحركة من خلال المزلق.
- تخفيف الاحتكاك: إن الاحتكاك بين المزلق والسطح أقل بكثير من الاحتكاك بين السطح والسطح من دون تزليق، ولذلك فإن استعمال المُزلِّقات يخفف من الاحتكاك الإجمالي في أي منظومة، ويخفض درجة حرارة الاحتكاك ويمنع تحات القطع وتشكل الجسيمات والشوائب، كما يحسّن من فاعلية المنظومة. ولدى احتواء المُزلِّقات على إضافات تعديل الاحتكاك فإنها ترتبط كيميائياً بالأسطح المعدنية وتخفف من تحاتها وإن كانت كتلة المُزلِّقات غير كافية لتحقيق التزليق الهدروديناميكي، كما يحدث في محرك السيارة عند بدء تشغيله.
- نقل الحرارة: المُزلِّقات الغازية والسائلة جميعها ناقلة للحرارة. غير أن السائلة أكثر فاعلية بسبب سعتها الحرارية النوعية العالية high specific heat capacity؛ لأنها تدور في المنظومة باستمرار فتنتقل من الأجزاء المبَرَّدة لتعود إليها من جديد. كذلك قد تستعمل المزلقات للتسخين كما تستعمل للتبريد، حين يكون المطلوب ضبط درجات الحرارة. ودوران السائل هو الذي يحدد كمية الحرارة التي سوف يحملها بعيداً في وحدة زمنية معينة. تستطيع المنظومات السريعة الجريان أن تتخلص من كميات كبيرة من الحرارة، وتخفف الإجهاد الحراري عن المزلق نفسه. غير أن من سيئاتها حاجتها إلى أحواض متسعة ووحدات تبريد كبيرة، واعتمادها على معدل جريان عالٍ يحمي المزلق من الإجهاد الحراري، مثال ذلك زيت تبريد الشاحن العنفي turbocharger في السيارة. إذ تغدو درجة حرارته عالية جداً في أثناء العمل، ولا يبقى الزيت في مكانه إلا برهة قصيرة لجريانه السريع، فإذا توقف عمل المنظومة فجأة يتأكسد الزيت المتبقي في الشاحن على الفور، وتترسب شوائبه في مجاري الزيت فتسدها، ويخف مفعول التبريد، فتتماسك المدارج ويتوقف الشاحن عن العمل. أما المُزلِّقات غير السائلة كالشحوم greases والمعاجين pastes فغير فاعلة في نقل الحرارة.
- التخلص من الشوائب والملوثات: تتميز منظومات دوران المُزلِّقات lubricant circulation systems، بوجود إضافات منظِّفة ومبدِّدة detergent and dispersant additives، تُحمل نواتج التحات debris والشوائب في الدارة مع الملوثات الخارجية إلى مصفاة (مرشح filter) فتتخلص منها؛ لذلك ينصح بتبديل مصفاة زيت المحرك عند كل غيار للزيت. أما المنظومات المغلقة، مثل علب السرع gear boxes فيمكن أن يحل مغنطيس محل المصفاة يجذب إليه الذرات الحديدية الناجمة عن التحات.
- نقل الطاقة: المُزلِّقات موائع هدروليكية hydraulic fluids تنقل الطاقة الهدروستاتية. ويعد مبدل العزم torque converter في منظومة نقل الحركة المؤتمتة تطبيقاً على نقل الطاقة بوساطة المُزلِّقات.
- الحماية من التحات: تمنع المُزلِّقات التحات بإبقاء القطع المتحركة على غير تماس بعضها مع بعض. كذلك قد تحتوي على إضافات مضادة للتحات أو عالية الضغط جداً تحول دون حدوث التحات والتعب fatigue.
- منع التأكل: تحتوي المُزلِّقات عالية الجودة عادة على إضافات تشكل روابط كيميائية مع الأسطح المنزلقة، وتُبعد عنها الرطوبة فتمنع التأكل والصدأ.
- إحكام حبس الغازات: تحتل المُزلِّقات الفراغات في التسامحات clearances بين القطع المتحركة بفضل الخاصة الشعرية capillary force، وتُحكم سد الفراغات. ويمكن الإفادة من هذا الفعل في إحكام سد الفراغات في منظومة المكابس.
تتمتع المزلقات الجيدة بالخصائص التالية: نقطة غليان مرتفعة، نقطة تجمد منخفضة، مؤشر لزوجة مرتفع high viscosity index، ثبات حراري، منع تأكل، مقاومة عالية للأكسدة.
قدرت كمية المُزلِّقات المستهلكة على مستوى العالم في مطلع القرن الحالي بنحو 38 مليون طن. وتحتل استعمالاتها في المركبات المرتبة الأولى، غير أن استهلاكها في التطبيقات الصناعية والبحرية والأشغال المعدنية كبير جداً أيضاً. ومع أن المُزلِّقات الهوائية وغيرها من المُزلِّقات التي أساسها الغاز معروفة منذ زمن -مثل المدارج المائعة fluid bearings- تبقى للمُزلِّقات السائلة والصلبة المرتبة الأولى في السوق العالمية.
تتنوع المزلقات بحسب الغاية والاستعمال، وتضم غالباً مجموعات أساسها الزيت المعدني، ومُزلِّقات حيوية مصنَّعة من الزيوت النباتية ومن المصادر المتجددة، ومُزلِّقات صنعية، ومُزلِّقات صلبة، ومُزلِّقات مائية.
أما أكثر المُزلِّقات استعمالاً فهي السوائل الهدروكربونية؛ لأنها غير مكلفة وسهلة الاستعمال وجيدة التبريد، وفي طليعتها زيت المحركات motor oil. يستحصل معظم هذه المزلقات من مشتقات النفط. وثمة حالات خاصة تستدعي استعمال الزيوت النباتية، أو سوائل صنعية synthetic مختارة ولا سيما في درجات الحرارة الاستثنائية. وفي الحالات التي يستحيل فيها تجديد السوائل المزلقة يلجأ إلى استعمال المزلقات الصلبة، مثل الغرافيت أو المولبدنيوم ومركباته.
المزلقات النفطية
النفط الخام مصدر ممتاز لمواد التزليق لأنه يشتمل على مجال واسع من السوائل المناسبة للتزليق، يُراوح وزنها الجزيئي بين 150 و1000، وتراوح لزوجتها بين زيت المكنات الخفيف وزيت المسنّنات الثقيل، ويمكن استخلاصها بعمليات تصفية وتقطير مختلفة.
تتألف مشتقات النفط الخام من فحوم هدروجينية (برافينات paraffins) مشبعة (نظامية normal ومتماثلة iso- وحلقية cyclo-)، وزيوت عطرية (أروماتية) أحادية monoaromatics يمكن أن تحتوي على حلقات مشبعة saturated rings وسلاسل جانبية مشبعة saturated side chains، ومن بدائل عطرية متعددة polyaromatics ومركّبات متغايرة النوى hetero compounds تحتوي على الكبريت والآزوت (النتروجين) والأكسجين، إضافة إلى مواد إسفلتية مؤلفة من مواد عطرية ومركّبات متغايرة. يستخلص من كل هذه المركّبات في النهاية زيت مشبع خالٍ من الشمع wax-free، ومواد عطرية أحادية. ويتمتع هذا الزيت باللزوجة المطلوبة والاستقرار الحراري، كما أنه مضاد للأكسدة.
تحتوي المُزلِّقات كلها عادة على 90% من زيت أساس base oil ، مع أقل من 10% مواد مضافة. ويأتي معظم هذا الزيت- المسمى الزيت المعدني -من مشتقات النفط. وبالتقطير تحت الضغط الجوي تستخلص المواد الحيادية على شكل مستقطرات distillates، ويعالج ما يتبقى منها بصلصال مفعّل (منشّط) activated clays يخلصها من المواد الإسفلتية والمغايرة الأخرى للحصول على الزيت الناصع العالي اللزوجة bright stock.
في عمليات تكرير النفط الحديثة يخلّص التقطير في الخلاء vacuum distillation كل الهدروكربونات المرغوب فيها من المكونات الإسفلتية (التي قد تصل كمياتها إلى 40% من الإجمالي) للحصول على زيت باللزوجة ومجال الغليان المطلوبين. وإن استخلاص المشتقات المقطّرة بالمذيبات، مثل ثنائي أكسيد الكبريت السائل والفورفورال furfural والفينول، يسمح بالتخلص من المركبات العطرية المتعددة والمغايرة لتحسين خواص اللزوجة (مؤشر اللزوجة VI) ودرجات الحرارة واستقرار الزيت. وعن طريق فصل الشمع تزال البرافينات العالية الانصهار.
إذا لم يكن للزوجة الزيت أهمية من أجل استعمال معين يمكن إزالة معظم العطريات المتعددة والمركبات المغايرة الفاعلة بمعالجتها بحمض الكبريت المركز. وفي كلتا الحالتين يعالج الزيت في خاتمة المطاف بالصلصال المفعَّل للتخلص من آثار الحموض والراتنجات المتبقية. يمكن أن تتخلف في الزيت النهائي كميات ضئيلة من الحلقيات المتغايرة heterocyclics، مثل البنزتيوفينات benzthiophenes والكينـولينات quinolines والإندولات indoles البديـلة. تؤدي المركّبات المتخلفة التي تحتوي علي الكبريت غرضاً مفيداً بأن تعمل وسيطاً مضاداً للأكسدة. أما مركّبات الآزوت فقد تكون ضارة في بعض الاستعمالات بسبب نزوعها propensity إلى تشكيل رواسب على الأسطح الساخنة، كما تخفف عموماً من تركيز الزيت.
تعد اللزوجة الحركية kinematic viscosity عاملاً رئيسياً في اختيار المزلق. فالمكنات مصممة عموماً لكي تعمل بأدنى لزوجة مناسبة؛ لأن المائع الأخف يؤمن أقل احتكاك وأفضل معدل لنقل الحرارة. ويعد المزلق الأكثر لزوجة والأقل تطايراً volatile هو المفضل إذا كان الحمل كبيراً، أو كانت درجات الحرارة عالية (الجدول 1)، لأن لتبدل اللزوجة مع درجات الحرارة أهمية عملية جداً، وهو ما يسمى "مؤشر اللزوجة" viscosity index.
|
الجدول (1) جدول مواصفات المزلقات في مختلف التطبيقات. |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
يمثّل مؤشر اللزوجة في سلَّم جرى اختياره تجريبياً، يبدأ بالرقم 100 الدال على الزيت المستخلص من نفط بنسلفانيا الخام، ومحتواه عطري وحيد monoaromatic ومشبع جيداً، وينتهي بالزيوت الأخرى التي تحتوي على كميات كبيرة نسبياً من الهدروكربونات الحلقية cyclohydrocarbons، سواء أكانت برفينية أم عطرية ( من الخامات النفتينية naphthenic crudes)، وتراوح درجتها بين 50 و0 على سلم مؤشر اللزوجة. ويستطيع القائم على تصفية النفط إنتاج زيوت عالية مؤشر اللزوجة من الزيوت النفتينية، غير أنها قد تميل إلى أن يكون مؤشر لزوجتها منخفضاً.
مجموعة زيوت الأساس
مع أن المزلقات تتألف غالباً من نوع واحد من زيت الأساس قد يستعمل مزيج من عدة زيوت أساس لتلبية متطلبات ذات أداء معين. ويستعمل مصطلح الزيت المعدني للدلالة على زيت الأساس المزلِّق المستخرج من النفط الخام. ويحدد معهد النفط الأمريكي American Petroleum Institute (API) عدة مجموعات من زيوت الأساس المزلقة:
- المجموعة I- زيوت مشبعة 
مع كبريت 0.03% أو أقل، ومؤشر اللزوجة (VI) 80-120 بحسب الجمعية الأمريكية لمهندسي المركبات Society of Automotive engineers (SAE). تُنتج المجموعة باستخلاصها بوساطة مذيب، مع التخلص من الشمع بمذيب أو حفّاز catalyst، ثم تخضع لعمليات الإنهاء المهدرِجة.
تضم المجموعة 1 الشائعة من زيت الأساس الزيوت 150SN(مذيب حيادي)، و500SN و150BS (زيت ناصع عالي اللزوجة brightstock).
- المجموعة II - زيوت مشبعة <90% مع كبريت أكثر من 0.03%، مع مؤشر اللزوجة بحسب جمعية مهندسي المركبات SAE: 80 - 120.
تُنتج زيوت هذه المجموعة عن طريق التكسير المهدرج hydrocracking ومذيب أو حفّاز، ثم تُخلص من الشمع. يتمتع زيت الأساس من المجموعة II بخصائص مضادة للأكسدة عالية جداً؛ لأن المفروض أن كل الجزيئات الهدروكربونية مشبعة. ولون هذه الزيوت أبيض مائي water-white color.
- المجموعة III- زيوت مشبعة < 90% وكبريت > 0.03 %، ومؤشر لزوجة بحسب SAE يزيد على 120.
تنتج زيوت هذه المجموعة في عمليات خاصة، مثل التماكب المهدرج isohydromerization. ويمكن أن تنتج من زيت أساس أو من تحويل الشمع اللين slack wax في عملية نزع الشمع.
- المجموعة IV- زيوت البولي ألفا أوليفين Polyalphaolefins (PAO).
- المجموعة V- كل ما لم تشمله المجموعات السابقة، مثل النفتينات naphthenics وبولي الكين غليكول Poly alkykene Glycol (PAG) والإسترات esters.
تعمل صناعة المزلقات عموماً على التوسع في مجموعة المصطلحات هذه لتشمل المجموعة I+ مع مؤشر لزوجة 103-108، والمجموعة II+ مع مؤشر لزوجة 113-119، والمجموعة III+ مع مؤشر لزوجة 140 على الأقل.
كذلك يمكن تصنيفها في ثلاث فئات بالاستناد إلى التراكيب الغالبة فيها:
1-برافينية.
2- نفتينية.
3- عطرية.
تحتوي المزلّقات المستعملة في محركات الاحتراق الداخلي على إضافات تقلل من الأكسدة وتحسن التزليق. والمكوِّن الرئيسي فيها زيت الأساس -أو المؤونة الأساس base stock- العالي الدرجة، ومن المهم اختيار الإضافات المناسبة له. وهكذا فإن مفعول بعض التركيب المختار من مزلق البولي ألفا أولفين يمكن ألا يدوم كدوام التركيب الأغلى ثمناً من مزلقات المجموعة III+.
الزيوت المتعددة الدرجات multigrade oils
حددت الجمعية الأمريكية لمهندسي المركبات (SAE) درجات اللزوجة لمختلف الأنواع التي تهمها، بهدف توحيد تسمياتها nomenclature (الجدول1). ومع استعمال كميات كبيرة نسبياً من الإضافات لتحسين مؤشر اللزوجة غدا بالإمكان تشكيل زيت يقع ضمن المجال الصالح لأكثر من درجة واحدة من درجات الجمعية، وهو ما يسمى "زيتاً متعدد الدرجات" (الشكل 6). ولما كان كل تحسين في مؤشر اللزوجة يزيد في اللزوجة نفسها غدا من الضروري استعمال زيت أساس قليل اللزوجة لتشكيل مثل هذه الزيوت. ولأن مفعول زيادة اللزوجة بالإضافات يتضاءل مع زيادة معدل الجهد shear rate فإن الزيت المغلظ القوام صناعياً يعمل تحت الجهد المرتفع عمل الزيت الخفيف في أجزاء المحرك، و يكون الاحتكاك خفيفاً، كما يعمل عمل الزيت الثقيل في المناطق ذات الجهد المنخفض أو في درجات الحرارة العالية. وعلى كل حال فإن درجة تطاير الزيت وقدرته على حماية القطع التي تخضع لجهد عالٍ تضع حدوداً لاستعمال الزيوت الخفيفة في هذه التركيبة.
 |
| الشكل (6) العلاقة بين اللزوجة ودرجة الحرارة في الزيوت المتعددة الدرجات المغلّظة بإضافات. |
المزلقات الحيوية المعدة من الزيوت النباتية وغيرها من المصادر المتجددة
هذه المزلقات هي بالدرجة الأولى إسترات ثلاثية الغليسريد triglyceride esters مستخلصة من النباتات والحيوانات. والمزلق المفضل لزيت الأساس هو المستخرج من النباتات وخاصة النباتات الخضرية الغنية بحامض الأولييك high oleic، مثل زيت الكانولا canola oil وزيت الخروع castor oil وزيت النخيل palm oil وزيت بذور عباد الشمس sunflower seed oil وزيت بذور اللفت rapeseed oil، وكذلك زيت الصنوبر tall oil من مصدر شجري. يخضع كثير من الزيوت النباتية للحلمهة hydrolyzation لتعديل الحموض التي تصنّع منها انتقائياً إسترات صنعية متخصصة، وتستعمل أحياناً زيوت أساس.
ومن المزلقات الأخرى المستخلصة طبيعياً اللانولين lanolin (شحم الصوف)، وهو كاره طبيعي للماء، وبديل للمزلقات البتروكيميائية الأكثر شيوعاً، ومانع للتأكل أيضاً ويحمي من الصدأ والأملاح والأحماض.
وقد كان زيت الحوت whale oil مزلقاً مهماً فيما مضى، وظل يستخدم حتى زمن متأخر من القرن العشرين مادة معدِّلة للاحتكاك في سوائل منظومات نقل الحركة المؤتمتة.
الإضافات المستعملة في زيوت التزليق
الإضافات مركبات كيميائية مختلفة تُحسن خصائص المزلقات الفيزيائية وتزيد في لزوجتها، وتُخفف الاحتكاك والتحات، وتقاوم التأكل corrosion والأكسدة والتشيخ aging والتلوث contamination وغير ذلك..
- مُحسِّنات مؤشر اللزوجة viscosity-index improvers: يمكن التخفيف التدريجي من انهيار لزوجة الزيت عند ارتفاع درجة حرارته بتغليظ قوامه بإضافة مركبات بوليمرية، مثل بولي بوتنات polybutenes، وبوليمرات مساعدة، من قبيل بولي ميتاكريلات polymethacrylates. يمكن للمبلمر أن يزيد في قابلية الانحلال مع ارتفاع درجة الحرارة، ومن ثم تتفكك الجزيئات ويتغلظ قوام زيت الأساس في درجات الحرارة العالية فيعاكس إلى حد ما تناقص اللزوجة الطبيعي في الزيت (الشكل 6).
- خافضات نقطة الانصباب pour-point depressants: تزيل عملية نزع الشمع الهدروكربونات الأعلى انصهاراً، غير أن بعض مكوناتها يبقى، ويمكن أن تتسبب في تصلب الزيت أو تحوله إلى هلام gel ، فتقل ميوعته في درجات الحرارة المنخفضة. وثمة مواد كيميائية قليلة المقدار تزيد في ميوعة الزيت في درجات الحرارة المنخفضة، مثل الصوابين المعدنية، والنواتج المكثفة من الشمع المكَلور، وألكيل النفتينات أو الفينولات، والبولي ميتاكريلات، وغيرها كثير. وما تزال آلية مفعول هذه المركبات غير مؤكدة، غير أنها قد تشتمل على امتصاص جزيئات الإضافات على سطح بلورات الشمع المتنامية.
- مضادات الأكسدة antioxidants: تتعرض المزلقات للأكسدة بأكسجين الجو في كل استعمالاتها عموماً. وينجم عن ذلك تكون حامض ووحول sludges تعوق الوظيفة الأساسية لمادة التزليق. ويمكن زيادة عمر خدمة المزلِّق باستعمال كميات ضئيلة (0.1 - 1%) من مضادات الأكسدة. تعد الفينولات المعوقة hindered مثل ثنائي بوتيل P- كريزول dibutyl -p cresol فعّالة في الزيوت الخفيفة جداً، مثل زيوت العنفات البخارية. أما المزلقات الثقيلة، مثل زيوت المحركات، فتستعمل إضافات من الأمينات (فينيل- ألفا - نفتيلامين phenyl-α-naphthylamine)، والفينات المعدنية metal phenates، وأملاح الزنك من التيوفسفات thiophosphates والكربَمات carbamates.
- الإضافات المانعة للتحات والمخففة للاحتكاك Antiwear and friction-reducing additives: يكون الاحتكاك والتحات أقل ما يمكن عند إمكان فصل الأسطح المنزلقة بطبقة رقيقة جداً من الزيت. وهناك منظومات كثيرة لايمكن المحافظة فيها على تلك الرقاقة المزلِّقة باستمرار بسبب التركيب التصميمي للعناصر وشروط عملها، وينجم عن ذلك تماسك تام بين القطع، فإذا كانت الضغوط ودرجات الحرارة بين السطوح المتماسة معتدلة فسوف يكون تسرب رقاقة التزليق الحدية كافياً، أما إذا كانت تلك الشروط قاسية - كما في بعض المسننات - فسوف يكون من الضروري إحداث نوع من الضغط الأعظمي Extreme Pressure (EP) للتزليق. يختلف شكل التحات الذي يحدث في عناصر المكنة اختلافاً كبيراً بحسب الشروط، ويراوح بين الالتحام الكارثي catastrophic welding بين أسنان المسننات وبين تأكل أسطوانة المحرك تأكلاً بطيئاً ومستمراً. وقد يحدث تغير كبير في المنظومة الميكانيكية نفسها، مع تغير شروط العمل والشروط المحيطية. ففي محركات الاحتراق الداخلي العاملة بدرجة حرارة منخفضة للأسطوانات قد يحدث تحات أكّال corrosive wear نتيجة تراكم الحموض على أسطح الأسطوانات وأساور الإحكام من منتجات الاحتراق الغازية. وتعد إضافة الفينات القلوية الترابية alkaline-earth phenates مفيدة لتحييد فعل الحموض والتخفيف من التحات.
- إضافات الضغط الأعظمي extreme pressure additives: ثمة أنواع من المسننات -ولا سيما المسننات الهيبودية hypoids- في مجموعة نقل الحركة تعمل في شروط قاسية من الأحمال وسرعة الانزلاق sliding speed، ينجم عنها ارتفاع درجات الحرارة وزيادة الضغط، بحيث لا يمكن للمزلقات العادية توفير الحماية الكاملة بين المعادن. وهذا ما يؤدي إلى التماسك والالتحام وانتقال سطح المعدن، وتَلَف المسننات في خاتمة المطاف. كذلك من الضروري، في بعض العمليات الميكانيكية، منع الشظايا (النثرات) chips من الالتحام في أداة القطع أو القص cutting tool؛ لذلك تستعمل مزلقات تحتوي على مركبات الكبريت والكلور chlorine تتفاعل كيميائياً مع سطح المعدن، وتشكل رقاقات الكبريتيد sulfide والكلوريد chloride مقاومة احتراق penetration-resistant وقوة قص مخففة low-shear-strength تحول دون تلف الأسطح.
- المبددات (المبعثرات) dispersants: تتسرب بعض نواتج الاحتراق في محركات الاحتراق الداخلي إلى رقاقة الزيت على جدران الأسطوانات، وتشتمل على جسيمات كربونية وآثار من الوقود المحترق وحمض الكبريت وماء. تتفاعل هذه المواد لتشكل برانيق lacquers ووحولاً تترسب على الأجزاء العاملة من المحرك، وتقع مهمة تنظيف هذه البرانيق على عاتق ما يسمى زيوت التنظيف detergent oils (الشكل 7).
 |
|
الشكل (7) أثر المبددات في خطوط التنظيف: أ - زيت عادي ب – زيت يحتوي على مبدد مضاف. |
وأكثر المبددات شيوعاً الأملاح القلوية الترابية. وأفضلها الأملاح الناجمة عن تفاعلات حموض السلفونيك النفطية، والفيناتات والسالسيلات والتيوفسفات وخماسي كبريتيد الأولفين الفسفوري المؤكسد oxidized olefinphosphorus pentasulfide. تُعزى فاعلية هذه المواد جزئياً إلى نشاطها السطحي؛ مما يضمن إبقاء الجزيئات الغريبة معلقة في زيت التزليق، وجزئياً إلى قلويتها التي تساعدها على تحييد حموض الاحتراق التي تحفز تكوّن البرانيق. وقد أدخلت مؤخراً الإضافات البوليمرية -من أجل التبديد- على شكل سلسلة طويلة من الميتاكريلات، والأولفينات المحتوية الآزوت مثل فينيل بيروليدون vinyl pyrrolidone. تتفوق هذه المبددات على الإضافات المحتوية على المعادن في العمليات ذات درجات الحرارة المنخفضة، ويمكن استعمالها بفاعلية في زيوت المحركات. ولأن الإضافات البوليمرية أضعف قلوية من الإضافات المعدنية فهي أقل فاعلية في محركات الديزل التي ينجم عن وقودها عادة نواتج احتراق أكثر حامضية من محركات البنزين.
- الزيوت الصنعية Synthetic oils
استعملت ألمانيا في الحرب العالمية الثانية الزيوت الصنعية استعمالاً مكثفاً بدلاً من الزيوت المعدنية التي كانت تعاني نقصاً في الإمداد بها. وقد تفوق بعض هذه الزيوت الصنعية -مثل الزيوت الإسترية ester oils- على المزلقات المعدنية في بعض التطبيقات.
وبعد الحرب توسع استعمال الزيوت الصنعية في التطبيقات الخاصة، وسوغ أداؤها الجيد تكاليفها العالية. ومن ميزاتها الرئيسية أن لها مجال استعمال أكبر من الزيوت المعدنية (الشكل8)، إذ تحتوي الإسترات، مثل 2- إتيل هكسيل السيباكيت 2-ethylhexyl sebacate، على مثبطات أكسدة وعلى إضافات ملطفة للضغط العالي، وتستعمل مزلقات لمحركات الطائرات النفاثة. كذلك تعد السليكونات silicones مثالية من حيث الاستقرار الحراري واللزوجة، ولكنها مزلقات ضعيفة للفولاذ على الفولاذ، ولها استعمال محدود، ولا قيمة لها في بعض التطبيقات.
 |
| الشكل (8) مجال درجات الحرارة المفيدة للزيوت الصنعية. |
ثمة صنف آخر من الزيوت الصنعية المستعملة على نطاق واسع هو متعددات الغليكول polyglycols، مثل أكسيد بولي بروبيلين وأكسيد الإتلين polypropylene and ethylene oxides. وهذه المبلمرات polymers متوفرة ولها مجال واسع من الوزن الجزيئي، وتختلف كثيراً من حيث قابليتها للذوبان في الماء وفي الهدروكربونات. وعليه يمكن تكوين مزلقات أساسها الماء وتستعمل في وجود خطر الحريق.
- المزلقات المائية
للتزليق المائي دوره في عدد من التطبيقات التقنية. حيث يمكن أن تعمل البوليمرات الفرجونية (الشبيهة بالفرشاة) المرطبة hydrated brush polymers، مثل كحول البولي إتلين (PEG) Polyethylene Glycol عمل المزلقات على السطوح البينية السائلة-الصلبة. وبتبادل الماء المحتجز في البوليمر السريع والمستمر مع جزيئات الماء الحرة فإن رقاقات البوليمر polymer films هذه تبقي السطحين منفصلين مع المحافظة على السيولة العالية عند السطوح البينية للفرجون- فرجونbrush-brush interface وفي حالة انضغاط عالية، مولدة احتكاكاً منخفضاً جداً. كذلك يمكن أن يُستعمل الماء مزلقاً لوحده أو مكوناً رئيسياً في مركّب يضم واحداً من زيوت الأساس الأخرى. وغالباً ما يستعمل في العمليات الصناعية كالخراطة والطحن.
فالماء له تأثير تبريد طبيعي يقلل تأثير توليد الحرارة في المكون، مما يؤدي إلى كفاءة أفضل إلى حد كبير، علاوة على ذلك، تعمل زيوت التشحيم المائية على تقليل الاحتكاك والتأكل، مما يساهم في إطالة عمر المكونات بشكل كبير. وقد طورت هذه المزلقات لتطبيقات حزام النقل الصناعي إذ تشكل مكونات الماء والزيت محلولاً متجانساً يسهل قياس مادة التشحيم وتقليل درجة الحرارة في أثناء التشغيل. ومن مميزات التزليق المائي أيضاً تنظيف أسهل في أثناء التشغيل مع حد أدنى من التوقف التام تبعاً لظروف العمل المحسنة نظراً لأن الماء يقلل من مخاطر الحريق فهو غير قابل للاشتعال وغير سام عند استنشاقه.
المزلقات الصلبة
أكثر المزلقات الصلبة إفادة تلك التي تنزلق صفيحاتها الجزيئية platelets molecular بعضها فوق بعض تلقائياً. فالغرافيت graphite وثنائي كبريتيد المولبدنيوم وذرور الطلق talc ونتريد البور boron nitride، كلها تتمتع بهذه الخاصية. والصعوبة الرئيسية التي تعترض استعمال المزلقات الصلبة هي المحافظة على طبقة التزليق المناسبة بين أسطح المعدن المنزلقة. وإذا ما استعمل المزلق الصلب معلقاً في مائع فثمة ميل لترسب جزيئاته، وعدم وصولها إلى المنطقة المرادة. أما إذا استعمل هذا المزلق معجوناً سميكاً منعاً لترسبه فسوف يكون من الصعب إجبار المعجون على المرور في الفراغات الضيقة بين الأسطح. ثمة طريقة ثالثة هي معالجة الأسطح سلفاً برقاقة سميكة نسبياً من مزلق صلب معلق في راتنج resin مع التحميص.
يتأكسد بعض هذه المواد، مثل الغرافيت وثنائي كبريتيد المولبدنيوم بسرعة في الهواء بدرجة حرارة 400°س. وإذا لم يكن في الإمكان استبعاد الهواء يجب استعمال مزلق آخر في درجات الحرارة العالية. وثمة مزلق صلب فريد من نوعه توفره اللدائن هو البولي تترافلوروإتلين، ويستعمل هذا النوع من التركيب مادة للمدارج الذاتية التزليق، كما يستعمل طبقة إكساء على أوعية الطبخ مثلاً، ليوفر سطحاً غير لاصق. ومعدل درجة الحرارة المفيدة عنده حتى 350°س، كما أن عطالته الكيميائية تجعله إضافة مفيدة لبعض الشحوم الخاصة. وفي حال الضغوط المرتفعة يصبح ذرور البولي تترافلوروإتلين -أو الحالة الصلبة منه- قليل القيمة لأنه يلين وينساح من منطقة التماس. وفي هذه الحالة يجب استعمال المزلقات المعدنية أو خلائطها. ويعد التيفلون نوعاً من البولي تترافلوروإتلين، وهو علامة مسجلة لشركة دوبونت.
ومن المواد التي يمكن استعمالها مزلقات صلبة أيضاً، وغالباً في درجات حرارة عالية جداً، الغرافيت، ونتريد البور السداسي hexagonal boron nitride، وثنائي كبريتيد الموليبدنيوم، وثنائي كبريتيد التنغستن. يقيد استعمال مثل هذه المواد أحياناً بسبب مقاومتها الضعيفة للتأكسد. كما يمكن أن تستعمل المعادن النقية والخلائط المعدنية ومركباتها إضافات إلى الشحوم أو مكونات لوحدها على السطوح المنزلقة والمدارج. ويستعمل الكادميوم والذهب لإلباس الأسطح المعدنية فتمنحها مقاومة ضد الصدأ وخصائص انزلاق جيدة. كما تستعمل خلائط الرصاص والقصدير والزنك ومختلف أنواع خلائط البرونز مدارج، أو يستعمل ذرورها وحده على السطوح المنزلقة أو تستعمل إضافات.
استعمال السوائل المتأينة (الشاردية) ionic liquids مزلِّقات
تعد السوائل المتأينة -وتعرف كذلك باسم مانعات التأكّل- مادة ذات شأن في تقانات التزليق بفضل ضغط بخارها الهامشي وعدم قابليتها للاشتعال، ولبعضها خصائص جريان واحتكاك مدهشة، وثبات حراري وكيميائي وتوتر سطحي شديد، وهي أقل ميلاً إلى التكهف من المواد الأخرى. تعتمد فاعلية السائل المتأين أساساً على طبيعة الكاتيون (الإيون الموجب) والأنيون (الإيون السالب) فيه. إذ يتمتع السائل الذي أساسه الفسفونيوم بمعامل احتكاك أقل من السائل الذي أساسه الأمونيوم أو السلفونيوم، كما أن السلاسل الطويلة للبدائل الألكيلية تزيد في فاعلية التزليق، غير أنها تقلل من الثبات الحراري للسوائل المتأينة. وعلى العموم فإن السوائل المتأينة الكارهة للماء hydrophobic تبدي أداءً تزليقياً أفضل من السوائل المحبة للماء hydrophilic. ويلفت النظر كونها مزلقات خاصة لتطبيقات التزليق في درجات الحرارة العالية والخلاء الكبير. وبإمكانها تخفيف التأكل والاحتكاك أكثر من زيت محرك الديزل 15W40.
الشحم مزلق صلب أو نصف مائع، يتألف من عامل تثخين (تغليظ) thickening أو هلام gell في مزلق سائل. ويمكن إضافة مكونات أخرى تسهم في منح الشحم مواصفات خاصة. من خصائص الشحم المهمة طبيعته المتماسكة، وإجهاد خضوعه متدنٍ yield value. وهذا ما يساعد الشحم على المحافظة على نفسه في مجموعة المدارج من دون مساعدة مانعات التسرب seals الباهظة الثمن، وكذلك قدرته على تحقيق الإحكام بذاته ضد تسرب الرطوبة والأوساخ، والبقاء على الأسطح العمودية وحمايتها من الصدأ والرطوبة، وخاصة في فترات التوقف عن العمل. إن عوامل تشكيل الهلام المستعملة في معظم أنواع الشحوم هي صوابين حموض دسمة من الليثيوم والصوديوم والكلسيوم والألمنيوم. كذلك تستعمل صوابين البوتاسيوم والباريوم والرصاص في بعض الأحيان. أما الحموض الدهنية المستعملة فهي حمض الأولييك oleic وحمض النخيل وحمض الستياريك stearic وغيرها من الحموض الكربوكسيلية المشتقة من زيوت الحيوانات والسمك والنباتات. إن استعمال الصوابين في الشحوم مقيد بتبدل الأطوار phase changes (أو نقاط الانصهار melting points) الذي يحدث في المجال 50-200°س. ولأن الكثير من الاستعمالات تتطلب عمليات تزيد درجات حرارتها على ذلك فقد أدخلت شحوم جرى تثخينها بمواد صلبة عالية درجات الانصهار، مثل الصلصال والسيليكا والأصبغة العضوية organic dyes والأميدات العطرية ومشتقات اليوريا. وفي هذه الحالات يحدد الحد الأعلى للاستعمال على أساس قابلية زيت الأساس للتطاير أو قابليته للتأكسد واستقراره الحراري. ولإطالة مجال العمل حتى الحدود القصوى لدرجات الحرارة الدنيا والعليا يمكن استعمال الزيوت الصنعية مادةً أساساً. وقد استعملت إلى اليوم السليكونات والإسترات والفلوروكربونات fluorocarbons لهذه الأغراض. وكثيراً ما تستعمل في الشحوم مختلف الإضافات كما هي الحال في المزلقات السائلة.
- بنية الشحوم: إن العامل الهلامي في معظم الشحوم التي أساسها صابوني هو ألياف بلورية crystalline fibers تراوح أطوالها بين 1 و100 مكرومتر، وأقطارها بين 1/10 و1/100 من طولها. تغلّظ هذه الألياف قوام الزيت ببنية شبكية تبقي الزيت معلقاً بها بقوة الخاصة الشعرية. ويتوقف تحقيق التركيز الصابوني على نسبة أطوال الألياف إلى قطرها، فكلما كانت النسبة أكبر كان احتمال تماسك الشبكة أكبر، وكان الشحم أكثر غِلَظاً. وعلى كل حال لا تشكل كل الصوابين مثل هذه الألياف البلورية. ويعد الصابون الألميني استثناءاً لأن جزيئاته تكوِّن شبكة شبيهة بتلك التي تكونها جزيئات البوليمر. وهناك مغلِّظات غير صابونية مكونة من جزيئات إيزومترية isometric أصغر بكثير من
1 مكرومتر(μm) طولاً. أما جزيئات السيليكا فمدورة، وبعض جزيئات الصلصال صفيحية. يدمر الماء بسهولة قوى التفاعل بين السيليكا وجزيئات الصلصال والزيت؛ لذا من الضروري تحصين الجزيئات الأولية من الماء waterproof بمعالجة خاصة. ويبين الشكل (9) رسوماً مجهرية إلكترونية لبعض أنواع الشحوم.
 |
| الشكل (9) صورة بالمجهر الإلكتروني لبنية أحد أنواع الشحوم. |
- الصفات الميكانيكية للشحوم: عندما يتجاوز الإجهاد المطبق على الشحم إجهاد الخضوع الأدنى yield stress يسيل الشحم وتتهاوى لزوجته بسرعة مع تزايد الإجهاد حتى يصل إلى قيمة أعلى بقليل من قيمة إجهاد زيت الأساس. إن فقد اللزوجة هذا قابل للعكس غالباً، لأنه ينجم عن تقطع وصلات الشبكة التي تعود للتكون بمجرد رفع الإجهاد. غير أن استمرار إجهاد القص الشديد يؤدي عادة إلى تقطع الألياف نفسها وتلين الشحم على نحو دائم. وثمة شحوم بعينها تعد متفوقة على مثيلاتها، كتلك المشتقة من أملاح الليثيوم، مع أن لطريقة تحضير الشحم تأثيراً كبيراً.
في الاستعمالات الرئيسية للشحم -كالمدارج الكروية والبلحية and roller bearings ball مثلاً- يكون القص بين عناصر المدرجة والدحاريج شديداً جداً. والسبب في عدم تلين شحم المدارج الجيد وسيلانه خارجاً هو أن جزءاً صغيراً جداً من هذا الشحم يتعرض في المدرجة لإجهاد القص. وما إن يدخل جزء جديد في الحركة حتى يعاد توزيع الشحم إلى أماكن يرتاح فيها، ويبقى ساكناً في تجاويف غطاء المدرجة ثم يلتحق من جديد في الفراغ بين الدحاريج. أما الشحم الذي يبقى على الأسطح العاملة في المدرجة فينهار بسرعة إلى مادة زيتية لينة لزوجتها منخفضة، تزلق تلك الأجزاء وتخفف كثيراً من الاحتكاك.
ثمة طرائق عدة لقياس إجهاد الخضوع الأدنى واللزوجة في درجات الحرارة المختلفة. ومن أقدم اختبارات الشحم التي مازالت تستعمل عالمياً اختبار التماسك consistency، الذي يحدد فيه عمق اختراق مخروط بوزن وأبعاد معينة كتلة الشحم. ومع وجود اختبارات كثيرة، فإن القليل منها يساعد على التنبؤ بالأداء المتوقع للشحوم. وغالباً ما يلجأ في عمليات التطوير، إلى معطيات الأداء الفعلية، وإلى الأجهزة التي تقلد الشروط الحقلية.
المزلقات الحدية Boundary lubricants
تصادف الشروط الحدّية في كثير من عمليات تشكيل المعادن، وفيها تكون الضغوط اللازمة لتعديل شكل المعدن عالية جداً كي تسمح لرقاقة الزيت بالتكون. ففي مثل هذه التطبيقات تستعمل زيوت دهنية fatty oils، مثل زيت النخيل، أو مزلقات تحتوي على مواد دسمة. تتفاعل الحموض الدهنية مع سطح المعدن لتكون رقاقة صابونية زلقة توفر التزليق في درجات حرارة تصل إلى 120°س.
|
مراجع للاستزادة - C. M. Mate, R. W. Carpick, Tribology on the Small Scale: A Modern Textbook on Friction, Lubrication, and Wear, Oxford University Press 2019. - S. Mathura, Lubrication Degradation Mechanisms,CRC Press 2020. - D. M. Pirro, M. Webster, E. Daschner, Lubrication Fundamentals,CRC Press 2016. - P.C. Nalam, J.N.Clasohm, A.Mashaghi, N.D. Spencer, Macrotribological Studies of Poly (L-lysine)-graft-Poly(ethylene glycol) in Aqueous Glycerol Mixtures. TribolLett, 2010.
|
- التصنيف : التقانات الصناعية - النوع : التقانات الصناعية - المجلد : المجلد الثامن مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
