В последние годы особый интерес приобретают такие добавки к смазочным маслам, которые помимо снижения износа могут и существенно снизить трение сопряженных пар. Такое сочетание свойств имеет большое значение, поскольку благоприятно сказывается на энергетических показателях работающего механизма (например, двигателя), что позволяет сократить расход топлива за счет снижения потерь мощности на трение. За рубежом соединения подобного типа чаще называют "модификаторами трения" или "присадками, снижающими трение". В отечественной практике бытует термин "высокотемпературные антифрикционные присадки".
Часто в качестве модификаторов трения применяют коллоидные дисперсии нерастворимых в масле соединений (дисульфида молибдена, графита). Однако перспективы применения – за маслорастворимыми соединениями, прежде всего ввиду того, что они образуют более устойчивые растворы и не выпадают в осадок.
Вязкостные свойства - это в общем случае такие свойства, которые характеризуют вязкость смазочных масел в заданных условиях применения, а также зависимость вязкости от температуры, давления и приложенного напряжения сдвига.
С уменьшением вязкости масла, при прочих равных условиях, с одной стороны, облегчается работа машины или механизма при низких температурах, снижаются потери мощности на трение и сокращается расход топлива; с другой стороны, снижение вязкости способствует износу трущихся пар и повышает вероятность вытекания масла через уплотнительные материалы, что может привести к "масляному голоданию" узла трения и выходу его из строя.
Вязкость масел заметно меняется с температурой. Изменение вязкости масла с температурой характеризует его вязкостно-температурные свойства.
С понижением температуры вязкость существенно возрастает, что затрудняет пуск или начало движения машины или механизма. При определенной температуре масло вообще может потерять подвижность. Эта температура носит название температуры застывания масла.
При выборе масла, как правило, стремятся к тому, чтобы изменение его вязкости в заданном диапазоне температур было минимальным, а вязкостно-температурная характеристика изменялась как можно меньше (иначе говоря, была пологой). Это облегчает эксплуатацию техники при низких температурах и одновременно обеспечивает надежную смазку узла трения при высоких (рабочих) температурах.
Вязкостно-температурные свойства масел, или "пологость" вязкостно-температурной кривой, обычно характеризуют при помощи безразмерной величины – индекса вязкости. Чем больше величина индекса вязкости, тем ровнее вязкостно-температурная характеристика, тем лучше ведет себя масло при изменениях температуры.
Минеральные масла, полученные по обычной технологии, имеют индекс вязкости порядка 70–80. Использование в технологических процессах возможностей гидрокрекинга позволяет достичь индекса вязкости более 100. Загущение маловязких минеральных основ полимерными присадками позволяет довести индекс вязкости до 110 и более. Дальнейшее повышение индекса вязкости минеральных масел достигается их смешением с синтетическими веществами, в частности с эфирами.
Динамическую вязкость определяют в ротационных вискозиметрах, а кинематическую – в капиллярных.
Противокоррозионные и защитные свойства смазочных масел – это очень важные эксплуатационные характеристики. Под противокоррозионными свойствами понимают способность масла в процессе работы не оказывать коррозионного воздействия на различные детали, выполненные из металлов, преимущественно из цветных металлов и сплавов.
Высокая коррозионная агрессивность масла может проявляться вследствие накопления в процессе его окисления большого количества продуктов кислотного характера, а также в результате высокой химической активности самого масла, обусловленной наличием в нем функциональных (преимущественно противоизносных) присадок. Здесь имеет место так называемая химическая коррозия. Снижение коррозионной активности смазочной среды достигается за счет повышения антиокислительных свойств масла, уменьшением содержания в нем противоизносных присадок и добавления к маслу специальных противокоррозионных добавок.
По характеру взаимодействия с металлом противокоррозионные присадки условно подразделяют на деактиваторы и пассиваторы.
Деактиваторы за счет образования комплексов предотвращают или уменьшают каталитическое действие маслорастворимых соединений металлов, накапливающихся в объеме масла в результате химического растворения.
Пассиваторы образуют на поверхности металла пленку, не растворяющуюся в масле. Эта пленка блокирует поверхность металла от коррозионного воздействия атмосферной среды.
Защитные пленки на поверхности металла формируются либо в результате химических реакций с металлом, либо вследствие адсорбционно-хемосорбционного взаимодействия присадки с поверхностью. Это по характеру действия сближает противокоррозионные и противоизносные присадки. Например, серосодержащие противокоррозионные присадки, как и близкие им по химическому составу противоизносные присадки, образуют с металлом такие продукты реакции, как сульфиды, меркаптаны и др. Аналогия в действии, очевидно, объясняет тот факт, что некоторые противоизносные присадки могут выполнять функцию и противокоррозионных добавок.
Способность смазочного масла "защищать" металл от электрохимической, в том числе и атмосферной, коррозии в присутствии электролита характеризует его защитные свойства. Как правило, процессы электрохимической коррозии протекают в период длительных остановок и хранения техники. Коррозию в этом случае вызывают влага, кислород и другие активные газы, находящиеся в атмосфере.
Для повышения защитных свойств в масла вводят ингибиторы коррозии, или защитные присадки. В качестве ингибиторов коррозии используют различные химические соединения со свободными карбоксильными и гидроксильными группами, соли аминов, карбоновые кислоты и др.
Ингибиторы коррозии являются поверхностно-активными веществами. Существуют водорастворимые, водомаслорастворимые и маслорастворимые ингибиторы. Маслорастворимые ингибиторы, в свою очередь, подразделяются на соединения анодного действия (доноры электронов), соединения катодного действия (акцепторы электронов) и соединения экранирующего действия.
Антиокислительные свойства необходимы смазочным маслам по следующим причинам. При эксплуатации машин и механизмов масла под действием высоких температур и каталитического воздействия металлов подвергаются различного рода окислительным превращениям. Окисление масла – процесс нежелательный, поскольку приводит к значительным изменениям его исходных свойств. При окислении, в частности, заметно ухудшается вязкостно-температурная характеристика масла в основном за счет снижения его подвижности при отрицательных температурах. При этом масло может полностью потерять подвижность даже при положительных температурах, то есть загустеть. В этом случае затрудняется поступление масла к смазываемым деталям, что приводит к повышенному их износу.
В процессе окисления в масле накапливаются коррозионно-агрессивные по отношению к металлам продукты, а также образуется большое количество твердых частиц, затрудняющих циркуляцию смазочного материала.
Окисляемость смазочных масел определяется их химическим составом, она также зависит от количества кислорода в системе, температуры, наличия катализаторов и т. д.
Среди углеводородов, обычно входящих в состав нефтяных масел, наименее подвержены окислению ароматические углеводороды. В большей степени склонны к окислению нафтеновые углеводороды. Самой высокой окислительной способностью при повышенных температурах обладают алканы. В смеси углеводороды взаимно влияют на окисляемость друг друга. Например, присутствие ароматических углеводородов повышает стабильность против окисления нафтеновых.
Из минеральных соединений, препятствующих интенсивному окислению масляной среды, необходимо отметить смолистые вещества и различного рода сернистые соединения. Эффективность действия последних зависит от их содержания. Таким образом, у "переочищенных" масел, лишенных природных антиокислителей, повышается окисляемость (например, у масел гидрокрекинга).
На окисляемость масла большое влияние оказывают также условия их работы. На воздухе, например, при повышенной температуре в тонком слое на металлической поверхности окисление идет легко с образованием твердых сажистых продуктов. Этому способствует высокая концентрация кислорода и каталитическое действие металлической поверхности.
Для снижения склонности масел к окислению в них вводят различные антиокислительные присадки.
Моющие свойства необходимы, прежде всего, смазочным маслам для двигателей внутреннего сгорания, в которых во время работы происходит загрязнение их узлов и деталей различного рода отложениями. Склонность к образованию отложений при прочих равных условиях определяется интенсивностью окисления масла, а также его способностью препятствовать отложению продуктов глубокого окисления на нагретой металлической поверхности. Как раз эта способность и именуется "моющим действием" масла.
С одной стороны, для улучшения моющих свойств масел повышают их антиокислительную способность. С другой, для уменьшения или предупреждения образования углеродистых отложений в моторные масла вводят специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ), называемые моющедиспергирующими присадками. К их числу относятся сульфонаты, феноляты, салицилаты металлов (преимущественно кальция, магния, бария), а также беззольные соединения (сукцинимиды, различного рода сополимерные продукты и пр.).
Моющие присадки адсорбируются на металлической поверхности, формируя на ней двойной электрический слой. Этот слой обладает экранирующим действием и препятствует образованию отложений. Участие молекул моющедисперги-рующих присадок в поверхностных процессах, результатом которых является снижение склонности к образованию отложений, принято условно называть собственно моющим действием.
Моющедиспергирующие присадки проявляют разную эффективность действия по разным направлениям. Так, при окислении они выполняют роль нейтрализующего агента продуктов кислотного характера. Это относится преимущественно к зольным присадкам, которые имеют определенный запас щелочности. Введение таких присадок в масло способствует, в частности, дальнейшему превращению оксикислот и асфальтенов (липких продуктов) в карбены и карбоиды, а они легко отделяются от металлических поверхностей и смываются маслом, образуя суспензии.
Противопенные свойства масла характеризуют его способность противостоять пенообразованию, вызываемому присутствием воздуха в масляной системе. Воздух может попадать в систему вследствие непрерывного взбалтывания и разбрызгивания масла, при его циркуляции по маслопроводам, а также по раду других причин. Воздух может находиться в масле в растворенном виде (7-10 % об.), или в виде воздушномасляной эмульсии (50–60 % об. и более), или в виде пены. В результате пенообразования нарушается надежность подачи масла к поверхностям трения, интенсифицируется окисление масла, происходит выброс масла из маслосистемы и т. д.
Пенообразование при прочих равных условиях зависит от температуры, вязкости смазочного материала и его поверхностного натяжения. Чем выше поверхностное натяжение, тем пенообразование меньше. С повышением температуры масла пенообразование снижается, а с увеличением вязкости масла, напротив, повышается. Глубина очистки масел также способствует уменьшению пенообразования.
Одним из наиболее эффективных путей снижения пенообразования в системе является введение в масло специальных добавок – противопенных присадок, в качестве которых широко используют полисил океаны.
Совместимость, сохраняемость и экологические свойства масел характеризуются целым рядом характеристик и показателей.
Из наиболее важных характеристик, определяющих сохраняемость и совместимость масел, следует отметить физическую стабильность и испаряемость.
Под физической стабильностью масел понимают их устойчивость к изменению химического состава и физических свойств вследствие колебаний температуры и внешнего давления. Изменение физического состава масел возможно, как правило, при их длительном хранении в результате испарения легких фракций, а также из-за выпадения в осадок части присадок. Интенсификация образования осадка возможно также из-за невысокой растворимости присадок при температуре хранения или при попадании в масло воды.
Поскольку указанные факторы снижают качество масла, нефтехимики стремятся различными способами повысить его физическую стабильность.
Особую актуальность физическая стабильность приобретает для загущенных масел, т. е. таких, в маловязкую основу которых введены высокополимерные присадки. Во время эксплуатации таких масел возможна деструкция высокополимерных присадок и как итог – снижение исходной вязкости масла.
Различают термическую, термоокислительную и механическую деструкции. Первые две имеют место при высокой температуре; термоокислительная деструкция сопровождается также окислением загущающей присадки. Механическая деструкция наблюдается в зоне зацепления контактирующих тел, работающих при высоких контактных нагрузках.
При хранении и эксплуатации смазочного масла в особо влажной атмосфере его химический состав меняется, а свойства ухудшаются за счет поражения масла различными микроорганизмами. Излишнее количество влаги, накапливающееся в этих условиях, активирует питательную среду для развития бактерий. Для работы в такой атмосфере требуется повышенная биостойкость смазочных масел, что достигается преимущественно введением в масло биоцидных присадок.
Смазочные масла не должны быть токсичными и оказывать нежелательных воздействий при попадании на кожу человека. Кроме того, их пары не должны вызывать отравлений при кратковременном контакте, а также не должны быть взрывоопасными.
Основу смазочных нефтяных масел, как правило, составляют высококипящие фракции нефти с пределами выкипания 200–500 °C. Повышенная испаряемость масел, то есть потеря маслом легких фракций, наблюдается, прежде всего, при работе масла в двигателе. Помимо повышения взрывоопасности, высокая испаряемость масла ведет к его повышенному расходу. Испаряемость определяется фракционным составом масла и температурой вспышки.
Температура вспышки характеризует содержание в масле легких фракций: чем она ниже, тем при более низкой температуре выкипают первые фракции. Из двух равновязких масел лучшими эксплуатационными свойствами (большим индексом вязкости и высокой антиокислительной стабильностью) обладает масло с более узким пределом выкипания.
Смазочные масла одного функционального назначения должны совмещаться друг с другом, а также с конструкционными материалами, из которых изготовлены детали машин и механизмов.
Два масла считаются совместимыми, если их смесь физически стабильна и качество ее не уступает качеству "худшего" из смешиваемых масел. В практике международной сертификации масел совместимость является обязательным критерием.
Совместимость масел с конструкционными материалами, преимущественно неметаллическими (резинами, каучуками и прочими эластомерами), означает, что при контакте с маслом детали, выполненные из данных материалов, не изменяют своих размеров и формы, а сохраняют свое функциональное назначение. В частности, не происходит набухания или потери эластичности уплотнительных материалов.
5.5. Базовые масла
Основу смазочных материалов (так называемые "базовые масла") получают из тяжелых фракций продуктов перегонки нефти, то есть из мазутов. Они очищаются от механических примесей, кислот, сернистых соединений, других нежелательных веществ и превращаются в масляные дистилляты. Смешивая легкие, средние и тяжелые фракции таких дистиллятов, получают исходное сырье для приготовления высококачественных минеральных масел. Такие масла появились почти 150 лет назад, они пришли на смену маслам растительного и животного происхождения. Несмотря на меньшую стоимость, нефтяные масла не сразу заменили своих предшественников. Вначале их применяли не иначе как в смеси с сурепным и касторовым маслами, свиным жиром, воском и т. д.
Наряду с нефтяными, в последние годы все больше применяются так называемые синтетические масла. Они производятся на основе веществ, полученных из продуктов гидрокрекинга нефти либо из синтетических углеводородов. Их используют прежде всего в специфических, экстремальных условиях эксплуатации, где одновременно повышенные требования предъявляются к низко– и высокотемпературным свойствам масел. Синтетические масла, в отличие от минеральных, обладают лучшей способностью сохранять подвижность (без потери текучести) при низких температурах (-40–50 °C и ниже) и в то же время выдерживать без заметного разложения и испарения высокие рабочие температуры. В качестве синтетических базовых масел используют преимущественно полимерные альфа-олефины, диэфиры, полиолы и диалкилбензолы.
Наряду с синтетическими, применяют также частично синтетические (полусинтетические) масла, в составе которых имеются и нефтяные, и синтетические компоненты.
5.6. Моторные масла
Моторные масла, предназначенные для смазывания и охлаждения трущихся поверхностей деталей поршневых двигателей внутреннего сгорания, – это наиболее многочисленная группа смазочных материалов. На их разработку, всесторонние испытания и сертификацию на всех возможных уровнях ведущие мировые фирмы выделяют большие силы и средства.
Поскольку в настоящее время даже отечественные производители стараются классифицировать моторные масла в соответствии с общепринятыми в мировой практике стандартами, мы не будем приводить ранее существовавшую в Украине классификацию, основанную на стандартах бывшего СССР, а рассмотрим наиболее распространенные в Европе классификации SAE, API, АСЕА и допуски ведущих производителей автомобильной техники.
SAE – Общество инженеров автомобильной промышленности США, на протяжении многих десятилетий классифицирующее моторные масла по их основному показателю, то есть вязкости. Выпущенный этой организацией и откорректированный в декабре 1995 года международный стандарт SAE J300 устанавливает следующие классы вязкости моторных масел:
Таблица 3