Смазочные масла — классификация, виды и применение
Смазочные масла являются наиболее популярным видом жидких смазок для узлов трения машин и механизмов, выполняют функции рабочего тела в гидравлических приводах и амортизаторах, используются в качестве СОЖ при металлообработке, охлаждающей и изолирующей жидкости в масляных трансформаторах.
Виды смазочных масел по химическому составу и их характеристики
По химическому составу смазочные масла делятся на следующие виды: минеральные (нефтяные), органические (животного и растительного происхождения), синтетические, полусинтетические.
Органические масла обладают отличными смазывающими свойствами и экологически безопасны, но работают в очень узком диапазоне температур. Кроме того, они дорого стоят, поэтому в чистом виде используются крайне редко.
Минеральные масла, которые производят из мазута (Рис.1), имеют самое выгодное соотношение цены и эксплуатационных характеристик для промышленного применения. В зависимости от способа получения, они разделяются на дистиллятные (продукты вакумной перегонки мазута) и остаточные (получают путем деасфальтизации тяжелых нефтяных остатков, образующихся при дистилляции мазута).
Дистиллятные масла превосходят остаточные по термостабильности и вязкостно-температурным свойствам, но существенно уступают им по смазывающей способности. Смешивая их в определенных пропорциях, получают товарные масла – компаундированные смазки с требуемыми техническими характеристиками.
С целью улучшения эксплуатационных свойств в состав минеральных смазочных масел вводят антифрикционные, противозадирные, антипенные, моющие и прочие присадки.
Синтетические масла – это продукты химической переработки нефти или природного газа, в результате которой синтезируются смазочн
ые жидкости с заданными техническими характеристиками (особо высоким индексом вязкости (Рис.2), малой склонностью к пенообразованию, низкой летучестью и т.д.). Стоят они в 2 – 3 раза дороже минеральных, но окупаются тем, что гарантируют легкий пуск и устойчивую работу механизмов в широчайшем диапазоне рабочих температур, обеспечивают экономию энергии за счет меньших потерь мощности на трение, гораздо дольше служат.
Полусинтетические смазочные материалы, в состав которых входит 50%-70% минералки и 30%-50% синтетики, объединяют в себе доступную стоимость и хорошие эксплуатационные характеристики (зависят от процентного соотношения базовой основы и пакета присадок).
Классификация смазочных масел по назначению
В соответствии с ГОСТ 4.24-84 смазочные масла делятся по основному назначению на следующие группы и подгруппы (Табл.1):
Классификацию основных групп смазочных масел по рекомендуемым областям назначения и применения, а также их маркировку регламентируют соответствующие ГОСТы. Например моторные масла, в зависимости от эксплуатационных свойств, согласно ГОСТ 17479.1-85 делятся на группы А, Б, В, Г, Д, Е (Табл.2):
Индекс 1 присваивается маслам для бензиновых двигателей, индекс 2 – для дизельных. Масла, которые подходят для использования в двигателях обоих типов с одинаковым уровнем форсирования, не имеют индекса в обозначении. Если в маркировке присутствует двойное обозначение, то первое из них указывает на возможность применения в дизельных двигателях, а второе – в бензиновых.
С появлением на российском рынке импортных смазочных материалов у автомобилистов большей популярностью пользуется классификация моторных масел по международным системам – ACEA, API, SAE.
От чего зависит область применения смазочных масел
Область применения смазочных масел зависит от их эксплуатационно-технических свойств, основными из которых являются:
вязкость и плотность при самой низкой, нормальной и максимальной рабочей температуре (эти показатели влияют на легкость холодного пуска оборудования, прочность смазывающей пленки, герметичность зазоров в цилиндропоршневых группах);
температура застывания – ее значение должно быть ниже минимальной температуры окружающей среды в предполагаемых условиях эксплуатации;
температуры вспышки и воспламенения – чем они выше, тем меньше пожаро- и взрывоопасность машин и механизмов, технологических процессов;
кислотное число – определяет антикоррозионные свойства;
маслянистость (липкость) – способность создавать на трущихся поверхностях надежную смазывающую пленку.
При работе механизмов в высокотемпературном режиме следует обращать особое внимание на зольность (с ее увеличением возрастает риск ускоренного абразивного износа трущихся деталей) и коксуемость (склонность к образованию нагара) масла.
Важные нюансы при выборе смазочных масел
Каждый вид смазочного масла имеет свои преимущества и недостатки (Рис.2).
Поэтому при подборе смазки для конкретного механизма следует учитывать:
- условия его работы (температура, влажность, степень агрессивности окружающей среды);
- эксплуатационные нагрузки (скоростной и температурный режим, удельное давление в зоне контакта);
- материалы трущихся поверхностей;
- износ контактирующих деталей (с его увеличением необходимо применять масло с большей вязкостью и плотностью).
Кроме назначения, предусмотренного ГОСТом, необходимо учитывать и стоимость смазочного масла. Так, для смазки узлов трения, работающих в щадящих условиях (при невысоких температурах и давлениях, отсутствии агрессивных сред), отлично подходит самая дешевая бесприсадочная минералка. Для механизмов, условия эксплуатации которых предъявляют повышенные требования к противоизносным, антиокислительным, противозадирным, противоскачковым, адгезионным свойствам смазочных материалов применяются более дорогие минеральные, полусинтетические или синтетические масла с соответствующими присадками.
Важнейшее значение при выборе смазочного масла имеет индекс вязкости (ИВ) — зависимость вязкости (ν) от температуры. Его можно вычислить по формулам, приведенным в ГОСТ 25371-97, или воспользоваться номограммой Виноградова (Рис.3).
Чем выше ИВ, тем шире температурный диапазон эксплуатации машин и механизмов (обеспечивается легкий холодный пуск и надежная смазка узлов трения при максимальных рабочих температурах).
Какое масло выбрать – отечественное или импортное?
В наибольшей степени этот вопрос волнует автомобилистов. Еще совсем недавно ответ на него был однозначным – импортное. Но посмотрите рейтинг лучших моторных масел 2019 года, составленный специалистами «Эксперта цен» (табл.3): оказывается, масло марки Лукойл при более низкой стоимости достойно конкурирует с передовыми мировыми брендами >LIQUI MOLY, Total, ELF, MOBIL</a> и Motul. Причем Лукойл Люкс 10W40 при вдвое меньшей стоимости переигрывает LIQUI MOLY Optimal 10W-40, а очень дешевая минералка ЛУКОЙЛ Супер SG/CD 15W-40 и вовсе не имеет конкурентов в категории «Лучшее минеральное моторное масло 15W-40»!
Конечно же, если ваше авто на гарантии, в двигатель нужно заливать исключительно масло, которое указано производителем. После снятия с гарантии для автомобилей, способных по паспорту «переваривать» масла SG/CD, нет смысла покупать дорогую импортную минералку – при соблюдении интервалов замены «Лукойл Супер» не доставит проблем при эксплуатации.
Не забывайте о том, что любые смазочные материалы стоит покупать только в авторизованных точках продаж и у официальных дилеров отечественных и зарубежных производителей. Это исключает риск приобрести подделку, которая может привести к некорректной работе и даже поломке дорогостоящей техники.
5.3.2 Смазывающие свойства
Под смазывающими свойствами масла понимают его способность препятствовать износу узлов трения, за счёт образования на трущихся поверхностях прочной плёнки, исключающей непосредственный контакт трущихся деталей.
Различают плёнки химического происхождения (хемосорбция) и физического (адсорбция).
Создание смазочных плёнок силами адсорбции обуславливается наличием в смазочных материалах поверхностно-активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. Они обладают способностью образовывать на поверхностях раздела жидкость — твёрдое тело достаточно прочные слои ориентированных молекул. Механизм образования таких слоёв показан на рисунке 5.1.
2 — граничная фаза;
3 — адсорбированный монослой;
4 — химические соединения (хемосорбированная граничная плёнка);
5 — зона деформированного металла;
Рисунок 5.1 — Схема структуры граничных слоёв
Хемосорбированные плёнки являются результатом химических реакций химически — активных веществ, содержащихся в масле с металлом смазываемых деталей.
Как адсорбированные, так и хемосорбированные плёнки, обладая некоторой прочностью и стойкостью, защищают поверхности трения от механических и тепловых воздействий, препятствуют взаимной адгезии (микросвариванию) трущихся поверхностей. Граничные слои с повышением температуры ослабляются, а при достижении критических значений разрушаются, что способствует задиру и заклиниванью подвижного сопряжения.
Поверхностно активные (ПАВ) и химически активные вещества (ХАВ) являются основными компонентами противоизносных и противозадирных присадок. От их состава во многом зависит структура, прочность, критическая температура работоспособности граничных слоёв.
5.3.3 Противоокислительные и диспергирующие свойства
Срок работы масел в двигателях зависит от их стабильности, под которой понимают способность масел сохранять свои первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температурах. В основном на стабильность масел, применяемых в ДВС, оказывают влияние следующие факторы: химический состав масел, температурные условия, длительность окисления, каталитическое действие металлов и продуктов окисления, присутствие воды и механических примесей, поверхность окисления. Ускоряет окисление повышенное давление воздуха.
По условиям химического превращения масла в двигателе выделяют три зоны — камера сгорания, поршневая группа, картер двигателя. Отложения, образующиеся в двигателе в результате превращения углеводородов, также принято подразделять на три группы: нагары, лаки и осадки.
Нагары — твёрдые углеродистые вещества (продукты глубокого окисления углеводородов), откладываются на стенках камеры сгорания, клапанах, свечах, днище поршня и на верхнем пояске боковой поверхности поршня.
Количество образующегося нагара зависит от качества топлива, масла, его расхода, а предельная толщина от теплового режима работы двигателя. Чем холоднее стенки камеры сгорания, тем больший слой нагара на них формируется.
Отрицательные последствия нагарообразования:
ухудшается охлаждение камеры сгорания, уменьшается её объём;
появляется возможность преждевременного воспламенения смеси;
происходит абразивный износ поверхностей трения.
Лаковые отложения представляют собой богатые углеродом вещества, формирующиеся в виде отложений на поршне — в зоне колец, на юбке и на внутренних стенках.
На процесс лакообразования влияют температура, количество и качество поступающего масла, техническое состояние поршневой группы двигателя. Наличие лаковых отложений значительно затрудняет работу двигателя: пригорают (теряют подвижность) поршневые кольца; затрудняется отвод тепла от деталей из-за теплоизоляционного действия лаковой плёнки; пригорают сепараторы подшипников качения.
На механизм лакообразования влияют такие свойства масла, как термоокислительная стабильность и моющие свойства.
Чтобы замедлить реакции окисления и уменьшить образование отложений в двигателе, в масло вводят антиокислительные присадки, действие которых основано на торможении образования активных радикалов в начальной стадии процесса окисления и разложении уже образовавшихся перекисей, переводе их в устойчивое к окислению состояние.
Под моющими (детергенно-диспергирующими) свойствами понимают способность масла противостоять лакообразованию на горячих поверхностях за счёт предотвращения слипания и окисления углеродистых частиц, удержания их в состоянии устойчивой суспензии.
Для улучшения моющих свойств масел в них вводят моющие присадки. Применяют два типа моющих присадок — зольные и беззольные. Масла с зольными присадками, сгорая, образуют золу, прилипающую к поверхности деталей. Беззольные моющие присадки не дают золу.
Осадки — это мазеобразные сгустки, откладывающиеся на стенках поддона картера, крышки клапанной коробки, фильтрах, в шейках коленчатого вала, маслопроводах и других деталях двигателя. Отложение осадков в маслопроводах может привести к прекращению подачи масла к трущимся поверхностям. Осадки состоят из масла, воды, продуктов их окисления (оксикислот, карбенов, карбоидов, асфальтенов), а также механических примесей различного происхождения.
Образование осадков происходит при пониженном тепловом режиме работы двигателя, когда ухудшается процесс сгорания топлива и возрастает попадание в картер продуктов его неполного сгорания. Низкая эффективность системы вентиляции картера — причины наиболее интенсивного протекания этого процесса. Чтобы моторные масла эффективно препятствовали образованию осадков, они должны сохранять высокие диспергирующие свойства на протяжении длительного периода эксплуатации.
5.3.4 Защитные и коррозионные свойства
Проблемы защиты металлов от коррозии возникают при изготовлении, эксплуатации и хранении автомобилей. Роль масла в этом случае двояка: с одной стороны, оно защищает поверхности деталей от агрессивного влияния внешней среды, а с другой стороны, само вызывает коррозию из за присутствия в нём веществ, обладающих коррозионным действием.
Коррозионные свойства масел зависят от наличия в них органических кислот, перекисей и других продуктов окисления, сернистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды. Коррозионность свежего масла по сравнению с резко возрастающей в процессе эксплуатации коррозионностью работавшего масла незначительна.
В процессе использования масла содержание кислот в нём возрастает в 3 — 5 раз, что зависит от химической стабильности масла, содержания антиокислителей и условий его работы.
Коррозионное действие масел связано также с содержанием в них сернистых соединений в виде сульфидов, компонентов остаточной серы и других веществ, видоизменение которых при высоких температурах приводит к появлению сероводорода, меркаптанов и других более активных продуктов. Содержание сернистых соединений в масле в процессе эксплуатации увеличивается, особенно, при работе двигателя на топливе с большим содержанием серы.
Протеканию коррозии в определённой мере способствует вода, являющаяся средой для электрохимических процессов и катализатором процесса окисления масла.
Защитные свойства масел обуславливаются созданием барьера — защитного слоя на пути агрессивных продуктов к металлическим поверхностям. Нижний слой представляет собой результат взаимодействия химических компонентов масла с металлом, средний — адсорбции поверхностно-активных веществ. Верхний слой — объёмный слой масла не защищает в необходимой мере металлические поверхности от проникновения влаги и газов. Поэтому основным барьером на их пути служат поверхностно-активные и химически активные вещества — ингибиторы коррозии, способствующие образованию на металлических поверхностях адсорбированных или химических плёнок.
Коррозионные процессы в двигателях подавляют следующими способами: нейтрализацией кислых продуктов; замедлением процессов окисления; созданием на металле защитной плёнки.
5.4 Особенности синтетических смазочных материалов
Синтетические масла — масла полученные методами синтезирования из соединений на основе диэфиров и других химических соединений (полиалкенгликоли, полисилоксаны, фторуглероды, хлоруглероды). Основной способ их производства — каталитические процессы этерификации. Практическое применение в качестве смазочных масел получили полимеры с метильными радикалами.
Одно из основных преимуществ синтетических масел — это их значительно более высокий индекс вязкости, чем у нефтяных масел даже лучших сортов. Лучшая вязкостно — температурная характеристика в зоне отрицательных температур, а также более низкая температура потери подвижности обеспечивают благоприятный пусковой режим при более низких температурах. У синтетических масел меньшая склонность к образованию низкотемпературных отложений, что способствует нормальной эксплуатации двигателей в районах севера. В то же время высокие показатели вязкости при рабочих температурах, которые обеспечивают условия гидродинамической смазки при более жёстких нагрузочных и тепловых режимах, термическая стабильность, низкая испаряемость и малая склонность к образованию высокотемпературных отложений дают возможность применять синтетические масла в высоконагруженных теплонапряжённых агрегатах и при эксплуатации автомобиля в условиях жаркого климата.
Синтетические масла имеют в несколько раз больший срок службы, чем нефтяные, и обеспечивают хорошее состояние смазываемых агрегатов, так как характеризуются лучшими противоокислительными, диспергирующими свойствами и механической стабильностью, равными или лучшими противоизносными и противозадирными свойствами. Большой срок службы синтетических масел до замены на 30 — 40 % сокращает расход масла. Для улучшения свойств в синтетические масла возможно введение композиции присадок. Их можно смешивать в промышленных условиях с минеральными (на синтетическую основу приходится, как правило, 30 — 40 %). В среднем стоимость синтетических масел в 2 — 3 раза выше нефтяных. Тем не менее они перспективны не только с эксплуатационной точки зрения, но и с экономической, так как обладают, как уже отмечалось, большим сроком службы до замены, и позволяют снизить затраты на ремонт.
5.5 Особенности работы масла в гидромеханических передачах
Поскольку гидромеханическая передача (ГМП) включает несколько разнохарактерных узлов — гидротрансформатор, шестерённую коробку передач, сложную систему автоматического управления — к маслу, работающему в ГМП, предъявляются более жёсткие требования, чем к маслу для обычных механических коробок передач.
К специфичным требованиям следует отнести:
высокая теплопроводность и теплоёмкость (ГМП — наиболее теплонапряжённый узел трансмиссии, температура в летний период достигает 150 0С);
повышенная плотность (с повышением плотности увеличивается мощность, передаваемая передачей);
малая вязкость (с понижением вязкости уменьшаются потери на трение);
высокие фрикционные свойства (необходимы для нормальной работы фрикционных дисков сцепления);
высокие противоокислительные свойства и устойчивость к вспениванью;
5.6 Изменение свойств масел при эксплуатации
Изменения, происходящие с маслом в двигателях, можно охарактеризовать как количественные и качественные. Количественные изменения происходят при испарении лёгких масляных фракций, сгорании масла (угар), частичном вытекании через уплотнительные устройства. Качественные изменения связаны со старением масла и с химическими превращениями его компонентов, попаданием в масло пыли, продуктов износа деталей, воды и несгоревшего топлива.
Старение масел при работе двигателей представляет собой очень сложный процесс. Повышенная температура и кислород воздуха, с которым контактирует масло, вызывают окисление и окислительную полимеризацию его молекул. Такие продукты окисления углеводородов, как смолы, органические кислоты, присутствующие в масле в растворённом состоянии, способствуют увеличению вязкости и кислотного числа, а асфальтеновые соединения являются основой образующихся лаков, особо опасных липких осадков способствующих залеганию и пригоранию поршневых колец. Ещё одна группа продуктов окисления — мелкая устойчивая механическая взвесь — является источником образования нагара и шлама.
Выделяют две основные группы примесей, загрязняющих масло: органические (продукты неполного сгорания топлива, продукты термического разложения окисления и полимеризации масла) и неорганические (пылевые частицы, частицы износа деталей, продукты срабатывания зольных присадок, технологические загрязнения, оставшиеся в двигателе после его изготовления). Из камеры сгорания в масло могут попадать вода, соединения серы и свинца.
На интенсивность процесса загрязнения влияют следующие факторы: вид и свойства топлива; качество масла; тип, конструкция, техническое состояние, режим работы и условия эксплуатации двигателя и другие факторы.
Срабатывание присадок приводит к изменению многих показателей качества масла, снижается щелочное число, ухудшаются моющие свойства, повышается коррозионность и т.д.
Скорость срабатывания введённых в масло присадок зависит прежде всего от следующих факторов: типа и теплонапряжённости двигателя, его технического состояния, условий эксплуатации, качества используемого топлива. Основной расход присадок приходится на выполнение ими своих основных функций. Часть присадок теряется с угоревшим маслом. Оптимальный уровень концентрации присадок в какой-то мере поддерживают своевременными доливами свежего масла.
Несмотря на глубокие изменения качества при работе масла в двигателях, основной его углеводородный состав меняется незначительно. Если из масла удалить все механические примеси и продукты окисления, то вновь можно получить базовое масло хорошего качества.
Основные свойства смазочных масел
Методические указания составлены на основе отечественных и зарубежных стандартов и опубликованных данных, которые обобщены, систематизированы и методически обработаны автором. Во втором издании отражены новые стандарты и публикации.
Назначение смазочных масел
Смазочные масла по назначению разделяются на моторные, турбинные, трансмиссионные, индустриальные и масла различного назначения – компрессорные, цилиндровые, холодильные и изоляционные.
Независимо от назначения смазочные масла выполняют следующие основные функции:
1) уменьшают трение между движущимися поверхностями;
2) снижают их износ и предотвращают заедание;
3) удаляют из зоны трения продукты изнашивания;
4) отводят тепло от трущихся поверхностей;
5) защищают поверхности деталей от коррозии;
6) уплотняют зазоры между сопряженными деталями;
7) демпфируют ударные нагрузки;
8) снижают вибрацию и шум.
Основные свойства смазочных масел
Совокупность свойств смазочного масла устанавливается в соответствии с его назначением. Качество смазочного масла в значительной степени обусловливается уровнем основных свойств. Ниже рассмотрены те свойства, которые являются основными для всех или для большинства группировок смазочных масел.
Вязкостные свойства
Вязкостные свойства характеризуют вязкость смазочных масел и зависимость вязкости от температуры и давления.
Вязкостью называют объемное свойство жидкого вещества оказывать сопротивление при течении. Большинство смазочных масел (кроме загущенных) относится к ньютоновским жидкостям. По закону Ньютона касательное напряжение пропорционально градиенту D скорости перемещения слоев жидкости при ламинарном течении
где D = – градиент скорости, равный производной от скорости V по толщине h слоя жидкости, с -1 ;
– динамическая вязкость, Паּс.
Динамическую вязкость как меру внутреннего трения смазочных масел используют во всех расчетах гидродинамической смазки.
В условиях производства смазочных масел легче определить кинематическую вязкость , которую измеряют стеклянными капиллярными вискозиметрами по времени истечения определенного объема масла под действием силы тяжести. Динамическую вязкость вычисляют как произведение кинематической вязкости масла на его плотность при той же температуре
где подставляют в м 2 /с, – кг/м 3 .
Плотность смазочных масел определяют стеклянными ареометрами и пикнометрами.
Изменение вязкости смазочного масла с изменением температуры характеризует его вязкостно-температурные свойства.
 |
Вязкость масла увеличивается при понижении температуры. В области положительных температур изменение вязкости смазочных масел в зависимости от температуры характеризуют индексом вязкости (ИВ). Безразмерную величину индекса вязкости определяют расчетом по стандартной шкале на основе кинематической вязкости масла при температурах 40 и 100ºС. График, поясняющий принцип расчета индекса вязкости смазочных масел по ГОСТу 25371-97, приведен на рис. 2.1. Расчет основан на сравнении пологости вязкостно-температурной кривой испытуемого масла с аналогичными кривыми двух эталонных масел, кинематическая вязкость которых при температуре 100 ºС такая же, как у испытуемого масла. Индексы вязкости эталонных масел с крутой и пологой кривой приняты соответственно за 0 и 100 единиц. Значения кинематической вязкости эталонных масел при температуре 40ºС приведены в таблицах. Индекс вязкости испытуемого масла вычисляется по значениям кинематической вязкости испытуемого и эталонных масел при температуре 40ºС. Масло с высоким индексом вязкости имеет пологую вязкостно-температурную кривую.
Рис. 2.1. Вязкостно-температурные кривые смазочных масел
В области отрицательных температур (от минус 60ºС) динамическую вязкость моторных и трансмиссионных масел определяют на ротационном вискозиметре как частное от деления напряжения сдвига на градиент D скорости
Для моторных автотракторных масел предусмотрено определение при отрицательных температурах двух показателей кажущейся (динамической) вязкости:
на минироторном вискозиметре (MRV) при малом градиенте скорости (D ≈ 10 с -1 ) для того чтобы обеспечить прокачиваемость;
на имитаторе холодной прокрутки (ССS) при градиенте скорости D ≈ 105 с -1 для оценки момента сопротивления вращению при пуске холодного двигателя.
При определенной температуре масло застывает и теряет подвижность. Для определения температуры застывания масло охлаждают в стандартной стеклянной пробирке, которую затем наклоняют на угол 45º на 1 мин и наблюдают мениск. За температуру застывания принимают наивысшую температуру, при которой мениск масла остается неподвижным относительно кольцевой метки на пробирке в течение 1 мин. При контроле масла убеждаются в том, что мениск смещается при температуре, которая на 2 ºС выше указанной температуры застывания масла.
Вязкость смазочных масел увеличивается с повышением давления. Динамическую вязкость при избыточном давлении p определяют приближенно по формуле
где – вязкость масла при атмосферном давлении; е – основание натуральных логарифмов; p – избыточное давление, МПа; — пьезокоэф-фициент вязкости, равный для нефтяных масел 0,015…0,04 МПа -1 .
Смазочная способность
Смазочная способность – свойство смазочного материала, не зависящее от его вязкости, снижать износ и силу трения. Масла с одинаковой вязкостью в условиях граничной смазки могут обладать разной смазочной способностью. Притом масла, имеющие более высокую смазочную способность, обеспечивают меньшее трение, износ и вероятность заедания трущихся деталей.
Смазочную способность масел оценивают на машинах трения. Наибольшее распространение получили четырехшариковые машины (ЧШМ). Узел трения ЧШМ представляет собой пирамиду из четырех стальных шариков, контактирующих друг с другом. Три нижних шарика закреплены неподвижно в чашке с испытуемым маслом. Верхний шарик закреплен в патроне. Он вращается с частотой 1460 мин -1 относительно нижних шариков под заданной осевой нагрузкой.
На ЧШМ при температуре окружающей среды определяют следующие трибологические характеристики смазочных материалов:
1) противоизносные свойства – по диаметру пятна износа Dи;
2) несущую способность – по критической нагрузке Рк;
3) предельную нагрузочную способность – по нагрузке сваривания Рс;
4) противозадирные свойства – по индексу задира Из.
Испытание на износ проводят в течение одного часа при заданной осевой нагрузке на верхний шарик, обычно Р = 392 Н. Диаметр пятна износа Dи определяют как среднее значение диаметра пятен износа нижних шариков в двух испытаниях.
Другие трибологические характеристики определяют в кратковременных испытаниях при ступенчатом увеличении осевой нагрузки, начиная с Р1 = 196 Н. При каждой нагрузке испытания проводят в течение 10 с на новой пробе испытуемого масла и с новыми шариками; за результат принимают среднее значение диаметров пятен износа трех нижних шариков.
Несущую способность оценивают по критической нагрузке Рк, выше которой происходит скачкообразное увеличение диаметра пятна износа на величину более 0,1 мм (рис. 2.2.).
 |
Рис. 2.2. Зависимость от нагрузки на ЧШМ диаметра пятна:
dг – упругой деформации по Герцу; dи – износа
Нагрузкой сваривания Рс считают наименьшую нагрузку, при которой происходит автоматическая остановка машины вследствие заедания или сваривания шариков.
Индекс задира определяют как среднее значение частных от деления осевой нагрузки Рi на относительный износ dиi/dгi нижних шариков, вычисляя по формуле:
где n – число ступеней нагрузки Рi от начальной Р1 до Рn, предшествующей нагрузке сваривания; dгi – диаметр зоны упругой дефор-мации шариков по Герцу при нагрузке Рi; dиi – средний диаметр пятен износа нижних шариков при нагрузке, равной Рi.
Чтобы повысить смазочную способность масел, в них вводят присадки. Массовую долю активных элементов противоизносных и противозадирных присадок определяют стандартными методами.
Содержание бария, кальция и цинка в маслах определяют комплексометрией. Метод заключается в разложении солей металлов, содержащихся в маслах с присадками, соляной кислотой и комплексоно-метрическом титровании.
Содержание фосфора в маслах определяют фотометрическим методом. Испытуемое масло сжигают в калориметрическое бомбе в среде кислорода в присутствии воды с образованием ортофосфорной кислоты Н3РО4. Массовую долю фосфора определяют замером оптической плотности раствора кислоты на спектрометре или фотоэлектроколориметре с фильтром, используя градуировочный график »содержание фосфора – оптическая плотность».
Содержание серы в маслах определяют гравиметрическим (весовым) способом. Для чего исходную массу масла сжигают в калориметрической бомбе в среде кислорода. После охлаждения бомбу промывают дистиллированной водой. Промывные воды обрабатывают соляной кислотой НСl и водным раствором хлорида бария ВаСl2. Образовавшийся осадок сульфата бария ВаSO4 отфильтровывают, просушивают, прокаливают и взвешивают. По массе масла и сульфата бария вычисляют массовую долю серы в масле.
Прокачиваемость
Прокачиваемость характеризует перемещение смазочных масел сквозь трубопроводы, фильтры, сепараторы, отверстия и зазоры.
Наряду с вязкостными свойствами важными показателями прокачиваемости смазочных масел являются их чистота, цвет и вспениваемость.
В смазочных маслах не должно быть воды и механических примесей. Контроль за выполнением этих требований осуществляется стандартными методами.
Массовую долю воды в масле определяют на аппарате Дина и Старка. Для этого 100 г испытуемого масла смешивают с нерастворимым в воде нефтяным растворителем, температура начала кипения которого выше 100 ºС. Затем смесь нагревают в дистиллятной колбе до кипения. После того, как в приемнике-ловушке объем конденсированной воды перестанет увеличиваться, прекращают нагревание и определяют объем воды. Объем воды 0,03 см 3 и меньше считается как следы. Если в нижней части приемника-ловушки не видно капель воды, то принимается, что она в масле отсутствует.
Для определения массовой доли механических примесей пробу масла растворяют в бензине или толуоле и фильтруют через бумажный фильтр; осадок на фильтре промывают растворителем, высушивают и взвешивают.
Чистоту моторных масел характеризуют специальным показателем. Для его определения испытуемое масло растворяют в бензине-растворителе и фильтруют через мембранные фильтры с диаметром пор 0,8…0,9 мкм. Фильтры сменяют через каждые 5 мин фильтрования. Затем фильтры с осадком высушивают и взвешивают. Степень чистоты масла оценивают по массе осадка в миллиграммах на 100 г масла.
Цвет смазочных масел определяют на колориметре ЦНТ, сравнимая визуально цвет масла или его раствора с цветными стеклянными светофильтрами. Цвет выражают в единицах ЦНТ, соответствующих номеру светофильтра от 0,5 до 8,0. Если цвет масла больше 8,0 единиц ЦНТ, то масло разбавляют растворителем в соотношении 15:85. Цвет нефтяного масла без присадок является показателем степени его очистки и месторождения нефти.
Вспениваемость характеризует свойство смазочных масел образовывать пену. Пена представляет собой дисперсию воздуха в масле. Она состоит из пузырьков воздуха, окруженных тонкой пленкой масла. Стабильность пены чистых минеральных масел зависит от их вязкости, поверхностного натяжения и температуры. Маловязкие масла образуют пену, состоящую из крупных пузырьков воздуха, которые быстро исчезают. В высоковязких маслах образуются мелкие пузырьки, которые создают стабильные пены. Чем выше поверхностное натяжение, тем меньше пенообразование. С повышением температуры стабильность пены снижается.
Склонность к пенообразованию оценивают по объему пены, которая образуется при продувании воздуха через масло. Вспениваемость смазочного масла определяют при температуре 24 ºС. Затем опыт проводят с новой порцией масла при 94 ºС и после отстаивания пены повторяют при 24 ºС.
Коррозионные свойства
Коррозионные свойства характеризуют склонность смазочных масел оказывать корродирующее действие на металлы.
Коррозионное разрушение металлов могут вызвать органические кислоты, активные сернистые соединения, а также минеральные кислоты и щелочи, оставшиеся в масле в процессе производства. Особенно склонны к коррозии цветные металлы и сплавы.
Наличие водорастворимых кислот и щелочей в смазочных маслах не допускается вследствие их высокой коррозионности. При контроле их извлекают из масла водой и определяют водородный показатель водной вытяжки. Значение рН = 6…8 принимается за отсутствие в масле водорастворимых кислот и щелочей.
Присутствие в масле органических кислот характеризуется кислотным числом, которое определяют титрованием масла раствором гидроксида калия. Кислотное число выражают массой КОН в миллиграммах, которая требуется для нейтрализации кислот в 1 г масла. Способность масла нейтрилизовать кислоты оценивается щелочным числом, которое нормируют в мг КОН на 1 г масла.
Содержание серы в смазочных маслах не является прямым признаком их коррозионности, так как сера входит в состав присадок. Хотя активные сернистые соединения и могут вызвать коррозию деталей из меди и ее сплавов, но это считается одним из видов управляемой коррозии, которую компенсирует повышенная смазочная способность масел.
Коррозионное воздействие смазочных масел на металлы определяют на металлических пластинах, которые выдерживают в испытуемом масле при повышенной температуре в течение установленного времени. После испытания поверхности пластин из стали, меди и медных сплавов сравнивают с эталонами коррозии, а у свинцовых пластин определяют потерю массы, выраженную в г/м 2 .
Моторные масла испытывают на двигателе ЯАЗ-204 в течение 125 ч. Коррозионную активность масел оценивают по потере массы комплекта шатунных вкладышей и состоянию их рабочих поверхностей.
Консервационные свойства
Консервационные свойства характеризуют способность смазочных масел предохранять поверхности металлов от коррозионных агентов.
Стандартами установлено несколько методов ускоренных испытаний защитной способности смазочных масел, охватывающих различные условия. Испытания масел проводят как на металлических пластинах, так и на круглых стержнях. Полированные пластины из стали, меди и алюминия с нанесенным на них слоем масла подвергают испытаниям:
в климатических камерах при повышенной влажности и температуре воздуха с периодической конденсацией влаги путем охлаждения камеры;
при постоянном погружении в электролит;
при воздействии бромводородной кислоты НВr.
Стальные стержни погружают на 24 часа в смесь испытуемого масла и дистиллированной воды, которая непрерывно перемешивается при температуре 60 ºС.
Защитную способность смазочных масел оценивают по площади коррозионного разрушения или по изменению цвета и блеска поверхности образцов за определенное время испытаний, либо по времени появления первого коррозионного очага.
Смазочные масла по способности защищать металлические поверхности от коррозии условно разделяют на четыре группы:
1) рабочие масла, предназначенные для постоянной эксплуатации техники;
2) рабоче-консервационные масла, предназначенные для хранения изделий с их периодической эксплуатацией;
3) консервационно-рабочие масла, предназначенные для консервации изделий и пригодные для одноразового использования при введении в эксплуатацию (до первой смены масла);
4) консервационные масла, предназначенные для консервации изделий на время хранения и не пригодные для их эксплуатации.
2.6. Склонность к образованию отложений
Это свойство характеризует способность смазочных масел образовывать жидкие и твердые отложения. Отложения подразделяются на низкотемпературные (осадки), среднетемпературные (лаки) и высокотемпературные (нагары). Склонность смазочных масел к образованию отложений определяют лабораторными и моторными методами.
Осадки представляют собой липкие мазеобразные вещества, в состав которых входят продукты окисления смазочных масел. Процесс окисления смазочных масел при эксплуатации ускоряется в условиях повышенных температур и каталитического действия металлических поверхностей и продуктов их изнашивания.
Стабильность смазочных масел против окисления можно определить несколькими стандартными методами в различных аппаратах. Метод испытаний выбирают в соответствии с условиями эксплуатации масла. Испытуемое масло окисляют воздухом или кислородом в присутствии катализатора или без него при заданной температуре (от 70 до 180 ºС) и в указанный промежуток времени. Стабильность смазочных масел против оксиления оценивают по повышению вязкости, по увеличению кислотного числа или числа омыления, по массовой доле нерастворимого осадка (шлама) или коксового остатка и по другим показателям.
Число омыления выражается массой КОН в миллиграммах, необходимой для нейтрализации содержащихся в 1 г масла свободных жирных кислот и омыления их сложных эфиров.
Коксовый остаток получают в приборе Конрадсона после удаления из масла летучих компонентов и прокаливания в отсутствие воздуха. Массовая доля кокса, полученная из пробы масла, называется коксуемостью.
Моторные масла испытывают на установке ИКМ с одноцилиндровым бензиновым двигателем воздушного охлаждения в течение 40 ч. Антиокислительные свойства оценивают по изменению вязкости масла за время испытания.
Стабильность моторных масел по индукционному периоду осадкообразования (ИПО) определяют в приборе ДК-НАМИ, где масло в колбах окисляется при температуре 200 ºС. Максимальное время окисления, в течение которого массовая доля осадка, образующегося в окисленном масле, не превышает 0,5%, принимают за индукционный период осадкообразования.
Склонность моторных масел к образованию низкотемпературных отложений определяют на одноцилиндровой бензиновой установке НАМИ-1М. После испытания масла в течение 120 ч оценивают массу отложений при низких температурах в роторе центрифуги.
Лаковые отложения представляют собой твердую нерастворимую пленку лака, которая прочно удерживается на поверхностях деталей. Склонность смазочных масел к образованию лаковых отложений определяют в аппарате Папок. Тарелочки с тонким слоем испытуемого масла выдерживают при температуре 250 ºС и вынимают по одной через установленные интервалы времени. После испарения летучих веществ остаток масла в каждой тарелочке состоит из лака и рабочей фракции, которую извлекают (экстрагируют) с помощью растворителя. По результатам взвешивания остатка и лака строят график зависимости массовой доли лака в остатке от времени окисления масла. Термоокислительную стабильность смазочного масла выражают временем, в течение которого масло при температуре 250ºС превращается в остаток, состоящий из 50% лака и 50% растворимой рабочей фракции.
Нагар представляет собой твердый нарост, который откладывается на деталях камеры сгорания двигателей. В состав нагара входят продукты термического разложения смазочных масел.
Моторные масла испытывают на одноцилиндровой бензиновой установке НАМИ-1М в течение 120 ч. Оценку склонности испытуемого масла к образованию отложений при высоких температурах проводят по суммарной загрязненности поршня отложениями нагара и лака с учетом степени подвижности компрессионных колец.
В отложениях могут содержаться твердые частицы, вызывающие абразивное изнашивание поверхностей деталей. Твердые частицы образуются при разложении присадок, в состав которых входят металлы. Склонность смазочных масел к образованию абразивных частиц оценивают по массовой доле золы, остающейся после полного сгорания масла. Зольность масел определяют стандартными методами.
ГОСТ 12417-94 устанавливает метод определения сульфатной золы в смазочных маслах с присадками. Исходную массу масла сжигают. Остаток после обугливания масла обрабатывают серной кислотой, прокаливают при температуре 775 ºС до постоянной массы и взвешивают.
В смазочных маслах без зольных присадок, в которых золообразующие компоненты нежелательны, содержание золы определяют по ГОСТу 28583-90. Испытуемое масло сжигают; остаток прокаливают при температуре 775 ºС до полного озоления и взвешивают.
Детергентность
Детергентность определяет способность смазочных масел диспергировать и удерживать во взвешенном состоянии частицы отложений.
Отложения на поверхностях деталей образуются из продуктов окисления масла, разложения присадок, изнашивания трущихся поверхностей и загрязнений. Детергентность смазочных масел оценивают различными методами, из которых самыми распространенными являются методы определения моющего потенциала и моющих свойств масел.
Моющий потенциал служит оценкой способности моющей присадки обеспечить высокую дисперсность частиц по объему масла. Чтобы определить моющий потенциал, составляют смеси испытуемого масла с разной массовой долей эталонного загрязнителя. Смеси окисляют при температуре 250 ºС, охлаждают и фильтруют. За показатель моющего потенциала принимают максимальную долю эталонного загрязнителя в испытуемом масле, при которой время фильтрования и степень загрязнения фильтра не превышают установленных норм.
Моющие свойства моторных масел определяют на установках УИМ-6-Нати и ИМ-1 с одноцилиндровыми дизельными двигателями. После испытания на исследуемом масле в течение заданного времени установку разбирают и определяют моющие свойства масла по сумме загрязненности порщня нагаро- и лакоотложениями и по подвижности поршневых колец.
Совместимость
Различают функциональную и конструкционную совместимость смазочных масел.
Функциональная совместимость определяет способность двух или нескольких смазочных масел смешиваться между собой без ухудшения их эксплуатационных свойств и стабильности при хранении. Другими словами, масла считаются совместимыми, если их смесь физически стабильна, и качество ее не уступает качеству »худшего» из смешиваемых масел.
Конструкционная совместимость характеризует воздействие смазочного масла на конструкционные материалы. Совместимость масла с неметаллическими материалами (пластмассами, эластомерами и др.) означает, что при контакте с маслом детали из этих материалов сохраняют работоспособность.
ГОСТ 9.030-74 устанавливает методы испытаний резин и резиновых изделий на стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию жидких агрессивных сред. При испытании образцы выдерживают в смазочном масле при заданной температуре в течение определенного времени. Стойкость резин и резиновых изделий к воздействию смазочных масел оценивают по одному или нескольким показателям:
1) изменению массы, объема и размеров образца;
2) массе веществ, экстрагированных (извлеченных) маслом из образца;
3) изменению физико-механических свойств образца: условной прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве, условного напряжения при заданном удлинении, твердости по Шору А, сопротивления раздиру и т.п.
Испаряемость
Испаряемость характеризует способность смазочных масел переходить из жидкого в парообразное состояние.
Показателями испаряемости смазочных масел являются фракционный состав и потери на испарение. Фракционный состав смазочных масел можно определить вакуумной перегонкой. Метод довольно трудоемкий и потому редко применяется.
Потери от испарения смазочных масел определяют в динамических условиях путем пропускания воздуха через испытуемое масло. Скорость пропускания воздуха, давление, температура и продолжительность испытаний должны быть указаны. Потери от испарения испытуемого масла выражают в процентах по массе.
Воспламеняемость
Воспламеняемость характеризует пожаро- и взрывоопасность смеси паров смазочного масла с воздухом.
Показателем пожаровзрывоопасности смазочных масел служит температура вспышки. При ее определении испытуемое масло нагревают в открытом тигле со скорость 5…6 ºС в минуту. Через каждые 2 ºС повышения температуры масла зажигают его пары и фиксируют появление первого синего пламени над поверхностью. За температуру вспышки в открытом тигле принимают наименьшую температуру масла, при которой происходит кратковременное воспламенение его паров в воздухе от пламени.
Базовые масла
По происхождению базовые масла делятся на минеральные (нефтяные) и синтетические.
Нефтяные базовые масла получают из мазута – остатка после атмосферной перегонки нефти. При этом применяются следующие основные промышленные процессы:
1) вакуумная перегонка мазута для получения фракций с заданной вязкостью и температурой вспышки;
2) деасфальтизация – удаление асфальто-смолистых веществ из высоковязкого остатка после вакуумной перегонки мазута;
3) очистка вакуумных дистиллятов и остатка от нежелательных примесей для улучшения стойкости к окислению и вязкостно-температурных свойств, при этом используются три различных процесса:
а) кислотная очистка и отделение остатка сернокислотной очистки;
б) селективная (избирательная) очистка;
в) каталитическое гидрирование (гидроочистка);
4) депарафинизация – снижение содержания высокоплавких парафинов в вакуумных дистиллятах для улучшения низкотемпературных свойств;
5) каталитический гидрокрекинг вакуумных дистиллятов для получения углеводородных масел с высоким индексом вязкости, называемых гидрокрекинговыми маслами.
Современные проблемы смазки не могут быть решены только с помощью нефтяных масел. Синтетические базовые масла отличаются от нефтяных базовых масел лучшими вязкостно-температурными свойствами, низкой испаряемостью, высокой стойкостью к окислению, термоокислительной стабильностью, детергентностью и т.п.
Синтетические базовые масла получают из сравнительно однородного химического сырья в контролируемых условиях. Они относятся к различным классам органических соединений. В табл. 3.1. представлены соединения, которые находят наибольшее применение.
Синтетические базовые масла
| Тип соединений | Основные продукты |
| Синтетические углеводороды | |
| Алкилароматические Олигомеры олефинов (алкенов) Полибутены | Алкилбензолы Поли- -олефины Полиизобутилены |
| Органические эфиры | |
| Эфиры двухосновных кислот Эфиры многоатомных спиртов Полиэфиры Полигликолевые эфиры | Адипинаты, азелаинаты Простраственно-затрудненнные эфиры – Полиалкиленгликоль |
| Гетероорганические соединения | |
| Галогензамещенные углеводороды Сложные эфиры фосфорной кислоты Эфиры кремниевой кислоты Силиконы | – Изопропилфенилфосфаты – Метил- и диметилфенилсилоксаны |
При смешивании нефтяных и синтетических базовых масел получаются частично синтетические масла, которые иногда называются полусинтетическими (Semisynthetic).
Присадки к смазочным маслам
Присадка – вещество, добавляемое к смазочному материалу для придания ему новых свойств или усиления существующих свойств.
Все присадки должны хорошо растворяться в базовых маслах и не должны образовывать осадка. В качестве присадок используют органические соединения с разными функциональными группами. Присадки делятся на беззольные, не содержащие в своем составе металл, и зольные, в состав которых входит металл. По основному функциональному действию известны присадки следующих типов.
1. Присадки, улучшающие индекс вязкости, понижают изменение вязкости относительно температуры и увеличивают в связи с этим индекс вязкости масел. Они обычно представляют собой полимеры.
Все присадки, улучшающие индекс вязкости, вызывают загущение базовых масел. Причем загущающая способность присадок при высоких температурах больше, чем при низких температурах. Поэтому загущенное масло имеет более пологую вязкостно-температурную кривую по сравнению с базовым маслом (рис. 3.1.). Кроме того, загущенное масло не является ньютоновской жидкостью: при увеличении градиента скорости уменьшается вязкость масла.
Рис. 3.1. Вязкостно-температурные кривые:
1 – базового масла; 2 – загущенного масла
2. Депрессорные присадки понижают температуру застывания жидких смазочных материалов.
Высокоплавкие парафины, содержащиеся в смазочном масле, при низкой температуре кристаллизируются в виде игл и пластин с образованием пространственной решетки, что приводит к потере подвижности масла. Температуру застывания можно понизить глубокой депарафинизацией базовых масел. Поскольку затраты при этом возрастают пропорционально снижению температуры застывания и из масел удаляются ценные компоненты, базовые масла обычно депарафинизируют лишь частично. Дальнейшее понижение температуры застывания достигается введением депрессорных присадок. Они снижают температуру застывания смазочных масел на 10…25 ºС.
Депрессорные присадки оказывают на процесс кристаллизации парафинов объемное и поверхностное действие. В присутствии присадок объемного действия вместо игольчатых и пластинчатых кристаллов образуются сферические кристаллы, которые в меньшей степени препятствуют подвижности масла. Присадки поверхностного действия адсорбируются на кристаллах парафина, препятствуя их сближению и коагуляции – объединению в более крупные кристаллы.
3. Антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки повышают смазочную способность масел. Их действие связано с адсорбцией на металле и с химической активизацией по отношению к материалам пары трения по мере повышения температуры.
Антифрикционные присадки снижают трение между сопряженными поверхностями. Действие антифрикционных присадок основано на физической адсорбции, а при повышении температуры масла – на химической адсорбции. При хемосорбции происходит насыщение свободных связей поверхностных атомов металла без нарушения их связей с кристаллической решеткой. Некоторые присадки образуют на поверхностях металла пленку мыл, которая стабилизирует трение между сопряженными поверхностями.
Противоизностные присадки препятствуют изнашиванию и уменьшают скорость или интенсивность изнашивания трущихся поверхностей. По мере повышения температуры масла в объеме действие противоизностных присадок проходит следующие стадии: физическую адсорбцию, хемосорбцию и химическое воздействие на металлы. В отличие от хемосорбции при химической реакции поверхностные атомы металла покидают безвозвратно кристаллическую решетку, образуя новую структуру поверхностной пленки.
Противозадирные присадки препятствуют, ограничивают или задерживают заедание трущихся поверхностей. В их составе содержатся соединения активных элементов S, P, Cl, Са, Ва, Zn и др. Эффективное действие противозадирных присадок основано на явлении контролируемой коррозии. В диапазоне рабочей температуры масла в объеме противозадирные присадки не реагируют с металлами и не вызывают коррозию. Однако в условиях высоких нагрузок и температур в контакте трущихся поверхностей присадки разлаются, активные элементы вступают в реакцию и образуют прочные пленки на поверхности металла. Пленки предотвращают прямой контакт между металлами, обеспечивая высокую нагрузочную способность смазочного масла.
4. Антиокислительные присадки препятствуют окислению смазочных материалов или ограничивают время их окисления.
Углеводороды окисляются кислородом воздуха в условиях каталитического действия металлических поверхностей и продуктов их изнашивания. Реакция окисления протекает по цепному механизму с разветвлением. Промежуточными продуктами цепной реакции являются активные радикалы и гидропероксиды.
По механизму действия антиокислительные присадки подразделяют на ингибиторы окисления (антиоксиданты) и на дезактиваторы и пассиваторы металлов. Ингибиторы окисления воздействуют на промежуточные продукты цепной реакции. Они обрывают окислительные цепи, разлагая пероксиды и связывая свободные радикалы. Дезактиваторы связывают ионы металлов в комплексы, нейтрализуя их каталитическое действие на окисление масла. Пассиваторы образуют на поверхностях металлов хемосорбционные пленки, которые подавляют каталитическую активность металлов.
5. Антикоррозионные присадки препятствуют коррозии смазываемых металлических поверхностей или ограничивают время коррозии.
Они образуют на металле защитные пленки, которые препятствуют непосредственному корродирующему действию смазочных масел на металл. Кроме того, многие антикоррозионные присадки одновременно являются дезактиваторами и пассиваторами металлов; они эффективны особенно против коррозии, вызываемой активными элементами противоизносных и противозадирных присадок.
Ввиду того, что повышение коррозионности масел является в основном следствием их окисления, разграничить четко антиокислительные и антикоррозионные присадки невозможно. Многие антиокислительные присадки выполняют в то же время функции антикоррозионных присадок.
6. Ингибиторы коррозии – присадки, препятствующие, ограничивающие или задерживающие время образования ржавчины на поверхностях деталей из сплавов на основе железа.
Для улучшения защитных свойств смазочных масел от электрохимической коррозии металлов во время хранения и перерывов в работе техники к ним добавляют МИК – маслорастворимые ингибиторы коррозии. МИК подразделяются на соединения экранирующего, анодного и катодного действия. Ингибиторы коррозии экранирующего действия адсорбируются на металлических поверхностях. Они характеризуются хорошими водовытесняющими свойствами и сохраняют защитные свойства при температуре до 80 ºС.
Свойства моторных масел
Рассмотрим, какими же свойствами должно обладать хорошее масло, чтобы выполнять все функции, возложенные на него.
В двигателе внутреннего сгорания неизбежны высокотемпературные отложения. Умение их смывать — одно из важнейших свойств моторного масла. Но смыть недостаточно, частицы этих отложений необходимо измельчить и нейтролизовать. За это отвечают диспергирующие свойства масла.
Моюще-диспергирующие свойства характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще — диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ — продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, и тем меньше нагаров и лакообразных отложений образуется на поверхности деталей. А вследствие этого — может достигаться более высокая допустимая температура в двигателе (степень форсирования ДВС).
В составах моторных масел в качестве моющих присадок используют сульфонаты, алкилфеноляты, алкилсалицилаты и фосфонаты кальция или магния. Рациональное сочетание этих зольных присадок друг с другом и с беззольными дисперсантами-присадками, обеспечивает уменьшение низкотемпературных отложений в двигателе и положительно влияет на скорость загрязнения масляных фильтров. Модифицированные термостойкие беззольные дисперсанты также способствуют уменьшению нагарообразования на поршнях и кольцах.
При работе ДВС на топливе с увеличенным содержанием серы, моющие присадки, повышающие в масле щелочное число, препятствуют образованию отложений на деталях двигателя путем нейтрализации кислот, образующихся из продуктов сгорания топлива.
Металлсодержащие моющие присадки повышают зольность масла, что может привести к образованию зольных отложений в камере сгорания, замыканию электродов свечей зажигания, преждевременному воспламенению рабочей смеси, прогару выпускных клапанов, снижению детонационной стойкости топлива. Поэтому сульфатную зольность моторных масел ограничивают верхним пределом. Ее допустимое значение зависит от типа и конструкции двигателя, расхода масла на угар, условий эксплуатации, (в частности, от вида применяемого топлива). Наименее зольные масла необходимы для смазывания двухтактных бензиновых двигателей, а также двигателей работающих на газе.
Антиокислительные свойства в значительной степени определяют стойкость масла к старению. Условия работы моторных масел в двигателях настолько жестки, что предотвратить их окисление полностью практически не возможно.
Окисление масла приводит к росту его вязкости и коррозионности, склонности к образованию отложений, загрязнению масляных фильтров и другим неблагоприятным последствиям (затруднение холодного пуска, ухудшение прокачиваемости масла).
Значительно затормозить процессы окисления масла можно соответствующей очисткой базовых масел от нежелательных соединений, присутствующих в сырье, использованием синтетических базовых компонентов, а также введением эффективных антиокислительных присадок.
Окисление масла в двигателе наиболее интенсивно происходит в тонких пленках масла на поверхностях деталей, нагревающихся до высокой температуры и соприкасающихся с горячими газами (поршень, цилиндр, поршневые кольца, направляющие и клапаны). В объеме масло окисляется менее интенсивно, так как в поддоне картера, радиаторе, маслопроводах температура ниже и поверхность контакта масла с окисляющей газовой средой меньше.
На скорость и глубину окислительных процессов значительно влияют загрязнения неорганического происхождения, которые накапливаются в масле в результате изнашивания деталей двигателя, (соединения меди, железа и других металлов, образующиеся в результате коррозии деталей двигателя). Еще больше на окисление масла влияют попадающие в него продукты неполного сгорания топлива. Они проникают в масло вместе с газами, прорывающимися из надпоршневого пространства в картер.
Стойкость моторных масел к окислению, повышается введением в его состав антиокислительных присадок. Наилучший антиокислительный эффект достигается при добавлении в масло присадок, обладающих различным механизмом действия. В качестве антиокислительных присадок к моторным маслам применяют диалкил и диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают противоизносные и антикоррозионные свойства. Их часто комбинируют друг с другом и с беззольными антиокислителями. Довольно энергичными антиокислителями являются некоторые моюще-диспергирующие присадки, в частности, алкилсалицилатные и алкилфенольные.
Противоизносные свойства моторного масла зависят от химического состава базового масла, общего состава присадок и вязкостно-температурных характеристик масла. Это в основном и определяет температурные пределы его применяемости (защита деталей от износа при холодном запуске двигателя и максимальных температурных нагрузках).
При работе на топливе с высоким содержанием серы, а также в условиях, способствующих образованию азотной кислоты из продуктов сгорания (газовые двигатели, дизели с высоким наддувом), важнейшей характеристикой способности масла является предотвращение коррозионного износа поршневых колец и цилиндров.
Множественность факторов, влияющих на износ деталей в ДВС и принципиальные различия режимов трения, затрудняют оптимизацию противоизносных свойств моторных масел. Придание маслу максимальной нейтрализующей способности и введение в его состав дитиофосфатов цинка, часто оказывается достаточным для предотвращения коррозионно-механического изнашивания и избежание задиров. Однако тенденция к применению маловязких масел, для достижения экономии топлива и уменьшения расхода на угар, требует улучшения противоизносных свойств масел. Это достигается введением специальных присадок, содержащих серу, фосфор, галогены, бор, а также беззольные дисперсанты, содержащие противоизносные фрагменты.
Большое влияние на износ оказывает наличие в масле абразивных загрязнений. Их наличие в свежем масле не допускается, а масло, работающее в двигателе, должно подвергаться очистке в фильтрах, центрифугах, сепараторах. Высокие диспергирующие свойства масла так же уменьшают вред, оказываемый действием абразивных частиц.
Антикоррозионные свойства моторных масел зависят от состава базовых компонентов, концентрации и эффективности антикоррозионных, антиокислительных присадок и деактиваторов металлов. Антикоррозионные присадки защищают антифрикционные материалы, образуя на их поверхности прочную защитную пленку. Антиокислители препятствуют образованию агрессивных кислот, а присадки-деактиваторы предохраняют поверхности металлов от коррозионного разрушения. Минеральные масла из малосернистой нефти, с высоким содержанием парафиновых углеводородов, наиболее подвержены коррозионности в процессе старения. Их углеводороды, в ходе окисления, образуют органические кислоты, которые взаимодействуют с цветными металлами и их сплавами.
Вязкостно-температурные свойства — одна из важнейших характеристик моторного масла. От этих свойств зависит в каком диапазоне температур окружающей среды, данное масло сможет обеспечить запуск двигателя без предварительного подогрева, беспрепятственное прокачивание насосом по всей системе, надежное смазывание, очистка и охлаждение деталей двигателя при наибольших допустимых нагрузках.
Даже в умеренных климатических условиях, диапазон изменения температуры масла от холодного пуска зимой до максимального прогрева, в подшипниках коленчатого вала или в зоне поршневых колец составляет от -30° до +150°С. Вязкость масел в этом интервале температур изменяется многократно.
Летние масла, имеющие достаточную вязкость при высокой температуре, обеспечивают легкий запуск двигателя при температуре окружающей среды не ниже 0°С. В свою очередь зимние масла, обеспечивающие холодный пуск при отрицательных температурах, имеют недостаточную вязкость при высокой температуре. Таким образом, сезонные масла независимо от их наработки (пробега автомобиля) необходимо менять дважды в год, или использовать так называемые «всесезонные» масла.
Вязкостно-температурные свойства «всесезонных» масел таковы, что при отрицательных температурах они подобны зимним, а в области высоких температур — летним. Вязкостные присадки относительно мало повышают вязкость базового масла при низкой температуре, но значительно увеличивают ее при высокой температуре.
В отличие от сезонных, «всесезонные» масла изменяют вязкость под влиянием не только температуры, но и скорости сдвига, причем это изменение временное. С уменьшением скорости относительного перемещения смазываемых деталей вязкость возрастает, а с увеличением — снижается. Этот эффект больше проявляется при низкой температуре, но сохраняется и при высокой, что имеет два позитивных последствия: большее снижение вязкости в начале проворачивания холодного двигателя стартером, облегчая его запуск, а в прогретом двигателе, небольшое снижение вязкости масла в зазорах между поверхностями трения деталей, уменьшает потери энергии на трение и дает экономию топлива.
Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат кинематическая вязкость, динамическая вязкость, а также индекс вязкости — безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости, рассчитываемый по значениям кинематической вязкости масла, измеренной при 40° и 100°С. Синтетические базовые компоненты имеют индекс вязкости 120-150, что дает возможность получать на их основе всесезонные масла с очень широким температурным диапазоном работоспособности.
К низкотемпературным характеристикам масел относят температуру застывания, при которой масло не течет под действием силы тяжести, т. е. теряет текучесть. Она должна быть на 5-7°С ниже той температуры, при которой масло должно обеспечивать прокачиваемость. В большинстве случаев застывание моторных масел обусловлено образованием в объеме охлаждаемого масла кристаллов парафинов.
Температура застывания масла указывает только на возможность перелить масло из канистры в картер двигателя, не прибегая к предварительному подогреву. Однозначной взаимосвязи температуры застывания масла с его пусковыми свойствами на холоде не существует.
Температура вспышки. Если масло нагревать, то его пары образуют с воздухом смесь. Температуру, при которой эти пары способны воспламениться, называют температурой вспышки. Температура вспышки связана с фракционным составом масла и структурой молекул базовых компонентов. При прочих равных условиях высокая температура вспышки предпочтительна. Она существенно снижается по сравнению с исходным значением, если в процессе работы масло разжижается топливом из-за неисправностей двигателя. В сочетании со снижением вязкости масла, понижение температуры вспышки служит сигналом для поиска неисправностей системы подачи топлива, системы зажигания или карбюратора.
Сульфатная зольность. При сгорании масла образуется зола, которая, в свою очередь, состоит из солей и минералов, находящихся в масле во взвешенном состоянии. При очистке базового масла зольность должна быть минимальной и составляет порядка 0,005% и меньше. Однако, при введении необходимых для качественного масла присадок, зольность резко возрастает и достигает 1-1,5%. Сульфатная зольность масла в процессе работы двигателя, почти не изменяется и в нормативной документации ограничена верхним пределом. Это обусловлено тем, что излишне зольное масло может способствовать повышенному износу деталей, вследствие абразивного воздействия на поверхности трения, а также приводить к преждевременному воспламенению рабочей смеси из-за образования отложений в камере сгорания и неблагоприятно влиять на работоспособность свечей зажигания.
Базовые масла практически беззольны. Довольно высокая сульфатная зольность моторных масел в основном, обусловлена наличием в их составе моющих присадок, содержащих металлы. Эти присадки необходимы для предотвращения нагара и лакообразования на поршнях, кольцах, клапанах и придания маслам способности нейтрализовывать кислоты. Чем больше щелочное число, тем большее количество кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива, может быть переведено в нейтральное соединение. В противном случае эти кислоты вызвали бы коррозионный износ деталей двигателя и усилили процессы образования различных углеродистых отложений. При работе масла в двигателе, щелочное число неизбежно снижается. Такое снижение имеет допустимые пределы, по достижении которых масло считается утратившим свою работоспособность. Поэтому, при прочих равных условиях, предпочтительнее масло у которого щелочное число выше.