Рассмотрим основные группы присадок к смазочным маслам.
Для предотвращения или уменьшения образования лаковых отложений и осадков на преимущественно горячих металлических рабочих поверхностях, предупреждения пригорания поршневых колец, а также повышения коллоидной стабильности масла (поддержание во взвешенном состоянии примесей органического и неорганического характера – сажи, нагара, частиц солей свинца размером 0,04 мкм, которых в масле может быть до 10 %) в моторные масла вводят моющие (детергенты) и диспергирующие (диспергенты) присадки.
Моющие присадки блокируют агломерацию асфальтенов в твердые частицы (нагар) размером 0,6…1,5 мкм. Таким образом они препятствуют возникновению и росту отложений на металлических поверхностях, повышению вязкости масла и возникновению шлама, чем значительно снижают абразивный износ деталей двигателя.
Шлам – темный осадок, по консистенции подобный гелю, который накапливается на неподвижных внутренних поверхностях двигателя. Обычно легко удаляется, если не превращается под действием нагрева в углеродистые отложения. Его образование связывают с перегрузкой масла нерастворимыми загрязнениями.
Моюще – диспергирующие присадки условно делят на зольные и беззольные. В молекуле зольных присадок содержатся полярные группы, которые адсорбируются на частицах – продуктах окисления масла, препятствуя их росту и предотвращая образование отложений и лаков на деталях двигателя. Зольные моющие присадки повышенной щелочности способствуют нейтрализации кислот, оксидов азота, ди– и триоксидов серы (что особенно важно в случае дизельных видов топлива), образовавшихся при окислении масла в процессе эксплуатации двигателя. Это достигается за счет протекания щелочной реакции. Моющие присадки выбирают в зависимости от условий работы масла, особенностей конструкции двигателя и специфики его эксплуатации. Концентрация моющих присадок в масле составляет 3…15 % (иногда выше). Она не должна быть слишком большой, иначе может наблюдаться повышенное абразивное изнашивание из‑за высокой зольности масла.
Число нейтрализации – мера кислотности или щелочности масла. Число представляет собой массу в миллиграммах кислоты (НСl) или основания (КОН), требуемых для нейтрализации одного грамма масла.
При производстве отечественных моторных масел применяют детергенты трех классов: алкилфеноляты, сульфонаты и алкилсалицилаты щелочноземельных металлов. В нормальных солях содержатся стехиометрические соотношения количества металлов, соответствующие щелочности кислот, а щелочные (высокощелочные, суперщелочные, гиперщелочные) соли содержат значительное количество оксидов металлов, гидроксидов, карбонатов и т. д. в коллоидно – дисперсной форме. Моющие присадки, содержащие соли металлов, долгое время находили широкое применение. Однако в последнее время их применение стало ограничиваться в связи с повышением доли беззольных дисперсантов и антиокислительных присадок.
Практически одновременно с проблемой улучшения моющих свойств масел встала задача повышения их окислительной стабильности при повышенных рабочих температурах. При высоких температурах в присутствии атмосферного воздуха происходит окисление (старение) смазочного материала.
В оптимально очищенных минеральных маслах изначально содержатся природные сернистые и азотные ингибиторы, обеспечивающие стабильность и срок службы масел, достаточные для применения во многих областях, но они не отвечают всем необходимым требованиям в случае моторных и трансмиссионных масел. К тому же сера, являясь эффективным ингибитором окисления, оказывает коррозирующее действие. Соединения, в которых одновременно содержатся сера и фосфор, значительно эффективнее, чем ингибиторы, содержащие эти элементы по– отдельности, поэтому они применяются главным образом в виде ингибиторов для моторных масел.
Для предотвращения каталитического ускорения окисления углеводородных масел под действием ионов металлов и сплавов, особенно цветных (таких как медь, марганец, кобальт), они должны быть связаны в виде комплексов и осаждаться в виде нерастворимых соединений металлов. Для этих целей в смазочные масла добавляются антиокислительные присадки (до 2 %), которые отвечают за стабильность химического состава масла, особенно при высоких температурах.
Соединения селена (диалкилселенид) также могут применяться в качестве ингибиторов, имея хорошие антиокислительные свойства в синтетических маслах при температуре до +270 °C. Однако они применяются довольно редко из‑за коррозионной активности по отношению к меди, алюминию, серебру (иногда, к стали и чугуну), а также вследствие высокой стоимости.
С 1951 года для эксплуатации двигателя при высоких рабочих температурах, а также его запуска при низких температурах стали выпускать всесезонные масла. Оптимизация зависимости вязкости таких масел от окружающей температуры и рабочей температуры двигателя достигается сочетанием маловязкой базовой основы, которая обеспечивает пониженные вязкостные свойства масла при низких пусковых температурах, и специальных синтетических вязкостных присадок, создающих требуемую вязкость при повышенных рабочих температурах.
Известно, что в момент пуска трущиеся детали двигателя подвергаются значительному износу. Имеется термин – пусковой износ. При одном только пуске ДВС длительностью несколько секунд износ значительно больше, чем при работе двигателя на установившемся режиме в течение нескольких часов. Пусковой износ зависит от вязкости масла – малая вязкость обеспечивает более низкий пусковой износ вследствие лучшего поступления масла к узлам трения.
Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.
В установившемся режиме, наоборот, лучше работают более вязкие масла.
Для уменьшения трения и изнашивания различных узлов и деталей двигателя масла должны обладать такими вязкостно – температурными свойствами, которые бы обеспечивали и быстрый пуск двигателей, и надежную работу в последующий период.
Для повышения вязкости смазочных масел и индекса вязкости при нагреве в них добавляют вязкостные (загущающие) присадки («модификаторы вязкости»). Такие масла называют загущенными. Загущающие присадки в сочетании с присадками, улучшающими трибологические свойства моторных масел, позволяют создавать энергосберегающие масла.
В то же время масла с загущающими присадками постепенно теряют свою вязкость (загустевают). Это не только результат испарения самых низкокипящих фракций, так как температура в картере двигателя может достигать 180 °C, но и механической, а также термохимической деструкции (окисления) полимерных молекул загущающих присадок на мелкие фрагменты, эффективность которых значительно снижается.
В отличие от незагущенных масел, вязкость которых зависит в основном от температуры смазочного материала и рабочего давления, загущенные масла обладают еще способностью изменять свою вязкость в зависимости от напряжения и градиента скорости сдвига. Они проявляют временное падение вязкости с увеличением скорости сдвига, например, между поршнем и стенками цилиндра двигателя. Такие вещества (резиновый клей, густотертая краска, битум и др.) называют «разжижаемые сдвигом», а их вязкость называют кажущейся, так как она снижается при определенном градиенте скорости сдвига, и тем больше, чем ниже температура базового масла.
Загущающие присадки на основе полиметакрилатов ПМА В-1, ПМА В-2, «Дизакрил» представляют собой масляные растворы эфиров метакрилатовой кислоты и масел синтетических жирных спиртов. При низкой температуре, когда масло достаточно вязкое, молекулы полиметакрилатов находятся в скрученном состоянии и мало влияют на вязкость. С ростом температуры они расправляются и повышают вязкость (рис. 5). Полимеры компенсируют значительную потерю вязкости самого масла при повышении температуры, таким образом, индекс вязкости масла повышается.
Граничная смазка – смазка двух трущихся поверхностей без создания непрерывной смазочной пленки. Она имеет место при высоких нагрузках и требует использования противоизносных или противозадирных присадок для предотвращения непосредственного контакта металлов.