ЖИДКИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (МАСЛА)

Представляют собой основу (базовое масло) нефтяного, синтетического, растительного или смешанного происхождения и присадки - продукты, введение которых придает жидкому смазочному материалу те или иные свойства: антифрикционные, противоизносные, противозадирные, моющие, защитные и др. Кроме смазывающих функций масла обеспечивают эффективный отвод тепла и продуктов износа от места контакта и поддержание загрязняющих частиц (продуктов износа и продуктов превращений масла в процессе эксплуатации) во взвешенном состоянии, выполняя тем самым "моющие" функции.

Классификация масел по основному назначению:

• моторные - масла для смазывания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Включает масла для смазывания бензиновых (карбюраторных) двигателей (карбюраторные масла), дизелей (дизельные масла), а также универсальные масла, которые предназначены для смазывания обоих типов двигателей внутреннего сгорания;
• трансмиссионные - масла, применяемые для смазывания механических, гидромеханических и гидрообъемных трансмиссий, - и редукторные масла;
• индустриальные - масла для смазывания узлов трения различного промышленного оборудования. Делят на масла общего и специального назначения;
• турбинные, авиационные, гидравлические, энергетические, компрессорные и др. - масла специального функционального назначения.

Масла классифицируют также по происхождению (нефтяные, синтетические, растительные), а масла нефтяного происхождения - также по способу их получения (дистиллятные, остаточные, компаундированные).

Масла должны обладать определенным уровнем эксплуатационных свойств. Определяющее свойство - способность смазывать, т.е. обеспечить требуемые антифрикционные, противоизносные и противозадирные характеристики узлу трения. Способность жидкого смазочного материала обеспечить оптимальный (гидродинамический) режим смазки зависит от его вязкости (внутреннего трения), определяемой силами когезии молекул жидкости в объеме и зависящей от химического строения молекул масла, их размеров и формы. Вязкость - это основная характеристика масла, по величине которой выбирают масло для применения в каждом конкретном случае. К основным показателям, характеризующим вязкость масла, относятся динамическая вязкость, кинематическая вязкость и индекс вязкости (ИВ).

Динамическая вязкость η - отношение напряжения сдвига к градиенту скорости сдвига жидкости [Па·с]. Характеризует текучесть масла в экстремальных условиях - при низкой температуре, а также при высокой температуре, высокой и низкой скоростях сдвига. Определяется согласно ГОСТ 1929-87.

Кинематическая вязкость ν - сопротивление жидкости истечению под действием силы тяжести [мм²/c]. Характеризует текучесть масла при нормальной и повышенной температурах.Определяется согласно ГОСТ 33-2000 (обычно при 40 и 100°C).

Индекс вязкости ИВ - это относительная величина, показывающая степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры в градусах Цельсия и определяющая пологость кривой кинематической вязкости от температуры. Позволяет сравнивать изменение вязкости с температурой масла с вязкостно-температурными свойствами двух эталонных масел, одному из которых одному из которых с неудовлетворительными вязкостно-температурными свойствами (вязкость сильно изменяется с температурой) присвоен индекс ИВ=0, а другому - с хорошими вязкостно-температурными свойствами (вязкость мало изменяется с температурой) - присвоен индекс вязкости 100. Определяется по ГОСТ 25371-97. Масла с ИВ<80 называют низкоиндексными, а масла с ИВ<80 - высокоиндексными.

Значение индекса вязкости масла следует учитывать при выборе масла для эксплуатации в конкретных условиях. Так, при низких (минусовых) температурах вязкость низкоиндексных масел настолько возрастает, что они теряют подвижность и не проникают в зазор между подлежащими смазыванию деталями при пуске, а при повышенной температуре их вязкость снижается настолько, что масло легко выдавливается из зоны контакта. Высокоиндексные масла, наоборот, эффективно выполняют свои функции в широком диапазоне температур. Таким образом, определяющее влияние на возможность реализации гидродинамического режима смазки играет вязкость масла в условиях эксплуатации. Вязкость должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить реализацию жидкостной смазки, но не столь велика, чтобы затруднять поступление масла в зону контакта и увеличивать потери на внутреннее трение.

Чем более быстроходен узел трения, тем меньшую вязкость при рабочей температуре должно иметь масло. Маловязкие масла обеспечивают низкие пусковые износы, вследствие лучшей подтекаемости к узлам трения. Более вязкие масла эффективны при установившемся режиме. Для  обеспечения гидродинамической смазки при увеличении удельной нагрузки на этот узел необходимо повысить эффективную вязкость масла (т.е. вязкость при рабочей температуре).

Пьезокоэффициент вязкости. Характеризует возрастание вязкости при увеличении давления в трибологическом контакте. Зависит от химического состава масел и от температуры. Для минеральных масел составляет (1,5…4)^.10^-2 МПа^-1. При повышении давления от атмосферного до 50…500 МПа и умеренной температуре вязкость увеличивается в 100…200 раз. При более высоких давлениях (для минеральных масел - при 700 МПа, для эфирных – при 2000 МПа, для полисилоксанов – при 500…2500 МПа)  вязкость может возрасти настолько, что масло теряет подвижность и превращается в пластичное или квазитвёрдое тело. 

В тех случаях, когда гидродинамический слой не обеспечивает разделения поверхностей контактирующих деталей, узел трения работает в режиме граничной смазки. В этом случае большое значение имеют антифрикционные, противозадирные и противоизносные свойства масел. Эти свойства определяются способностью смазочных материалов образовывать на поверхностях трения прочные граничные слои, препятствующие непосредственному контакту трущихся поверхностей.

ГОСТ 9490-75 устанавливает наиболее распространённый метод оценки основных характеристик смазочной способности масел на четырёхшариковой машине.

Оценка эксплуатационных свойств масел включает также ускоренные испытания на модельных установках, стендах и натурных агрегатах. Так, противоизносные свойства моторных масел оценивают по износу поршневых колец и гильз  цилиндра двигателя. Уровень противопиттинговых свойств масел оценивают на стендах «кулачок – толкатель» или на моторных стендах.

Высоко- и низкотемпературные характеристики масел

Температура вспышки – минимальная температура, до которой нужно нагреть масло, чтобы его пары образовали с окружающим воздухом смесь, воспламеняющуюся при контакте с открытым пламенем. Имитирует верхний предел температурного интервала применения смазочного масла. Для коммерческих масел составляет 160…240°С. Определяется: при нагреве масла в открытом тигле  – по ГОСТ 4333-87 и при нагреве масла в закрытом тигле – по ГОСТ 6356-75.

Температура застывания (температура потери текучести)-  температура, при которой масло теряет подвижность и переходит из жидкотекучего в пластичное состояние (ГОСТ 20287-91). Это – нижний предел температурного интервала работоспособности смазочных масел.

Химические свойства масел

Щелочность и кислотность масел выражаются через количество (в мг) гидроксида калия (КОН), эквивалентное соответственно содержанию всех видов щелочей в 1 г масла или необходимое для нейтрализации всех видов кислот в 1 г масла.

Общее щелочное число (число омыления) характеризует наличие в масле присадок и прежде всего – высокощелочных детергентов. 

Кислотное число характеризует содержание органических кислот в масле. Определяется в соответствии с ГОСТ 5985-79 и ГОСТ 11362-96. Возрастание кислотного числа свидетельствует об окислении масел и срабатывании щелочных присадок.

Коррозионные свойства масел  имеют большое значение, т.к. продукты их окисления (пероксиды), содержащиеся в масле присадки, а также пары воды, попавшие в масло, стимулируют коррозию деталей, работающих в масле (особенно цветных металлов). Коррозионность масел определяют по уровню поражения  стальных и медных пластинок (ГОСТ 2917-76) и свинцовых пластинок (ГОСТ 20502-75). Оценивают также защитные свойства масел, т.е.  их способность защищать металл от атмосферной коррозии.

Термоокислительная стабильность – показатель, оценивающий стойкость масла к образованию нагара на горячих поверхностях (ГОСТ 23175-78).

Коксуемость масел – склонность масел при нагревании образовывать остаток после испарения летучих фракций с последующим термическим разложением этого остатка в отсутствие воздуха. Определяется по ГОСТ 19932-99 только для базовых масел.

Зольность характеризует количество золы, образующейся после сгорания масла. Для масла без присадок характеризует его засорённость; для масла с зольными присадками – их наличие (ГОСТ 1461-75).

Сульфатная зольность характеризует содержание присадок и органических соединений металлов в масле. Для автомобильных масел определяется по ГОСТ 12417-94.

Моющие свойства масел характеризуют их способность противостоять образованию отложений (осадков, лаков, нагаров) на горячих (100 – 150°С и выше) поверхностях, обеспечивать диспергирование продуктов окисления и удержание их в масле во взвешенном состоянии. Оцениваются в баллах по ГОСТ 5726-2013.

Другие характеристики масел

Теплофизические свойства масел определяют условия теплоотвода от поверхностей трения, а следовательно – тепловую напряжённость трибосопряжения. Для нефтяных и синтетических масел удельная теплоемкость c_p = 0,82…2,1 Дж/(кг·К); теплопроводность  λ=0,1…0,15 Вт/(м·К).

Сжимаемость масел характеризуется модулем упругости при всестороннем сжатии (800…2000 МПа). Гидравлические масла должны иметь высокий модуль упругости, а масла, которые должны иметь хорошие демпфирующие свойства, наоборот – низкий модуль упругости.

Литература

1. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.