Классификация пластичных смазок по числу пенетрации
| Класс | Диапазон пенетрации | Визуальная оценка консистенции |
| 445…475 400…430 355…385 310…340 265…295 220…250 175…205 130…160 85…115 | Очень мягкая, аналогичная очень вязкому маслу То же Мягкая То же Вазелинообразная Почти твёрдая Твёрдая То же Очень твёрдая мылообразная |
Коллоидная стабильность зависит от размеров, формы и прочности связей структурных элементов. Большое влияние оказывает вязкость дисперсной среды: чем выше вязкость масла, тем труднее ему вытекать из объёма смазки.
Коллоидная стабильность оценивается по объёму масла, отпрессованного из смазки при комнатной температуре в течении 30 минут и выражается в % - для смазок она не должна превышать 30 %. Проводят это на разных приборах, но самым простым и удобным является механическое отпрессовывание масла из некоторого объёма, помещенного между слоями фильтровальной бумаги.
Химическая стабильность. Под химической стабильностью понимают стойкость смазок против окисления кислородом воздуха, хотя в широком смысле - это отсутствие изменения свойств смазок под воздействием на них химических реагентов (кислот, щелочей, кислорода и т.д.). Окисление приводит к образованию и накоплению в смазках кислородосодержащих, активных веществ, к изменению реологических свойств (как правило, разупрочнению), ухудшению коллоидной стабильности, понижению температуры каплепадения, смазочной способности и т.д.
Стабильность против окисления особенно важный показатель для смазок, которые
- заправляют в узлы трения 1...2 раза в течение 10...15 лет;
- работают при высоких температурах;
- работают в тонких слоях;
- в контакте с цветными металлами.
Медь, бронза, олово, свинец и ряд других металлов и сплавов ускоряют окисление смазок.
Об образовании и накоплении в смазке продуктов окисления судят по данным ИК-спектроскопии. Исследования проводят методом ускоренного окисления под действием высокой температуры в присутствии катализаторов.
Имеется несколько способов повышения стойкости смазок против окисления:
- подбор масляной основы;
- выбор типа и концентрации загустителя;
- варьирование технологическими режимами производства;
- введение антиокислительных присадок (амино- и фенолосодержащих соединения, фосфор- и серосодержащие органические продукты и т.д.).
Термическая стабильность. Способность смазок не изменять свои свойства и прежде всего не упрочняться при кратковременном воздействии высоких температур характеризует их термическую стабильность. Особенно подвержены упрочнению вплоть до потери пластичности при повышенных температурах смазки из мыл синтетических жирных кислот, натриевые, натриево-кальциевые и в меньшей степени кальциевые. Упрочнение затрудняет поступление смазки к узлу трения, ухудшает его адгезионные свойства. Особенность термоупрочнения - полная и многократная обратимость - перетирание затвердевшей смазки приводит к восстановлению её первоначальных свойств.
Испаряемость - один из показателей смазок, определяющих стабильность состава при хранении и в эксплуатации. Испарение масла из-за высоких температур, вакуума и отсутствия частой смены приводит к повышению концентрации загустителя, что сопровождается увеличением предела прочности и ухудшением низкотемпературных свойств: на поверхности образуются корки и трещины, снижается защитная способность.
Скорость испарения зависит от условий хранения и эксплуатации, фракционного состава масла. Чем тоньше слой и больше его поверхность, тем выше испаряемость. Тип и концентрация загустителя мало влияют на испаряемость масла.
Выражается испаряемость в %. Определяется измерением потери массы образца, который выдерживают в стандартных условиях в течение определённого времени при постоянной температуре.
Температура каплепадения. Минимальная температура, при которой происходит падение первой капли смазки, нагреваемой в приборе Уббелоде. Эта температура зависит от условий оценки и не всегда определяется одними и теми же свойствами смазок. Она условно характеризует температуру плавления загустителя. Считается, что температура каплепадения должна быть на 15...20 0С выше максимальной температуры применения смазки. Однако температура каплепадения не всегда позволяет правильно судить о высокотемпературных свойствах смазки. Например, температура каплепадения литиевых смазок лежит в пределах 170...200 0 С, а работоспособны они до 130 0 С.
Микробиологическая стабильность. Под действием микроорганизмов, попавших в смазку и развившихся в ней, происходит изменение состава и свойств смазок. При развитии микроорганизмы потребляют те или иные компоненты смазки, продукты обмена накапливаются и, как правило, увеличивают кислотность смазки. При этом происходит разупрочнение и изменение эксплуатационных свойств.
Для борьбы с микроорганизмами в смазки вводят антисептики - органические вещества, например, бензойную и салициловую кислоты, фенолы, производные ртути, олова и др. Бактерицидными действиями обладают некоторые антиокислительные, противоизносные присадки и ингибиторы коррозии.
Радиационная стойкость. Воздействие на смазки излучений высоких энергий приводит к глубоким изменениям их структуры и свойств. В значительной степени стойкость смазок к облучению зависит от состава масла, на основе которого они приготовлены. По дисперсионной стойкости смазки располагаются следующим образом в порядке возрастания: кремнийорганические жидкости -сложные эфиры - нефтяные масла - простые эфиры. Смазки в зависимости от типа загустителя при облучении могут приобретать «наведённую» радиоактивность. Наиболее легко радиоактивность приобретают натриевые смазки.
Ассортимент смазок
Автомобильный транспорт один из основных потребителей пластичных смазок. Здесь применяют антифрикционные, защитные и уплотнительные смазки. Более всего при эксплуатации расходуются антифрикционные смазки.
Основными узлами трения являются:
- подшипники качения ступиц колёс;
- подшипники качения насоса системы охлаждения (раньше);
- шарниры рулевого управления;
- шаровые опоры независимой подвески;
- шарниры карданные равных и неравных угловых скоростей и т.д.
Ассортимент антифрикционных смазок промышленного производства превышает 100 наименований. В инструкциях по эксплуатации для одних и тех же узлов разных автомобилей рекомендуются различные смазки.
Антифрикционные смазки
Самыми распространёнными мыльными смазками из кальциевых смазок общего назначения являются солидолы. Готовят две марки синтетического солидола – пресс-солидол С и солидол С, и две марки жирового солидола – пресс-солидол УС-1 и солидол УС-2 (УС – универсальная среднеплавкая). Жировые солидолы готовят загущением нефтяных индустриальных масел кальциевыми мылами. Солидолы нерастворимы в воде, обладают высокой коллоидной стабильностью, но не могут использоваться при температурах выше + 75 0 С и ниже – 30 0 С.
Кроме солидолов выпускают другие кальциевые гидратированные смазки – УссА, ЦИАТИМ-208 и др.
К комплексным кальциевым смазкам, изготавливаемым на нефтяных или синтетических маслах, относятся – униол-1, униол-2, ЦИАТИМ-221 и др. Эти смазки по сравнению с обычными мыльными смазками более термостойки: температура каплепадения у них выше 200 0С (у солидолов 80…90 0С), что позволяет использовать их при температурах до 160 0С. Они обладают хорошими противоизносными и противозадирными свойствами, то есть их можно применять в тяжелонагруженных узлах. Они так же обладают хорошими защитными и противокоррозионными свойствами. К недостаткам этих смазок относится склонность к термоупрочнению.
Натриевые и натриево-кальциевые смазки.По объёму производства эти смазки занимают второе место после гидратированных кальциевых. Распространёнными натриевыми смазками являются консталины УТ-1 и УТ-2 (УТ – универсальная тугоплавкая), которые в отличии от солидолов работоспособны при температурах до 115 0С и хорошо удерживаются при таких температурах в тяжелонагруженных узлах. Однако натриевые и натриево-кальциевые смазки растворимы в воде и, следовательно, смываются с металлических поверхностей. При низких температурах (ниже – 20 0С) применять эти смазки не рекомендуется. Преимущественно консталины используются как железнодорожные смазки.
Среди натриево-кальциевых смазок самой массовой является смазка 1-13. Эту смазку и её вариант 1-Л3 или ЛЗ-ЦНИИ применяют в роликовых и шариковых подшипниках.
Литиевые смазки.Эти смазки работоспособны в широком интервале температур и до – 50 0С, нагрузок и скоростей. Их свойства стабильны во времени. К недостаткам можно отнести низкую механическую стабильность и ограниченный верхний предел температуры – не выше 120…130 0С. Первой литиевой смазкой была ЦИАТИТМ-201. Сейчас выпускают: литол-24, фиол-2 или 2М, фиол-3 и др. Литол-24 используется в качестве единой автомобильной смазки.
Алюминиевые смазки. Наиболее распространённой является смазка АМС-1,3. Она используется в механизмах, работающих в морской воде или соприкасающихся с ней. Относится к защитно-антифрикционным смазкам. Выпускается смазка МС-70 имеющая такие же свойства.
В ассортименте антифрикционных смазок имеются также смазки на бариевыхицинковыхмылах. Бариевые смазки обладают хорошей стойкостью к воде и нефтепродуктам, повышенной химической и механической стабильностью. В шаровых шарнирах подвески и наконечниках рулевых тяг автомобилей ВАЗ применяется бариевая смазка ШРБ-4.
В качестве антифрикционных смазок используют смазки на неорганических загустителях – силикагелевые, бентонитовые и др. У них хорошие высокотемпературные свойства, высокая химическая стабильность и удовлетворительные смазочные свойства. К их недостаткам можно отнести низкую защитную стабильность. К селикагелевым относятся смазки – ВНИИНП-262, ВНИИНП-264,
ВНИИНП-279. В основном они предназначены для высокоскоростных подшипников качения, работающих в жёстких режимах трения. Смазки эти дорогие.
К бентонитовым смазкам для подшипников качения относится смазка ВНИИНП-226.
Консервационные смазки
Ассортимент консервационных смазок значительно уступает ассортименту антифрикционных смазок. Наибольшее распространение получили углеводородные смазки. Их низкая температура плавления (40…75 0С) позволяет наносить их на поверхность в расплавленном виде путём окунания или распыливания. Можно наносить и при помощи кисти. Предварительно поверхность очищают от следов коррозии и прочих загрязнений.
К углеводородным смазкам относятся ПВК, ГОИ-54п, УНЗ (пушечная), вазелин технический волокнистый ВТВ-1, ВНИИСТ-2 и др.
Смазка ПВК имеет высокую водостойкость и стабильность, низкую испаряемость, что позволяет использовать её в течение 10 лет. Недостатком её является потеря подвижности при температуре ниже – 10 0С.
ГОИ-54п используют для защиты от коррозии машин и механизмов, работающих на открытом воздухе. Смазка сохраняет работоспособность при температуре до – 50 0С, однако, как большинство углеводородных смазок, её не рекомендую использовать при температурах выше + 50 0С.
Смазку ВТВ-1 применяют для смазывания клемм аккумуляторов. От смазки ПВК она отличается лучшими низкотемпературными свойствами.
ВНИИСТ-2 применяется для защиты от коррозии наземных трубопроводов.
Удовлетворительные защитные свойства имеют и некоторые мыльные смазки: АМС-1, АМС-3, МС-70, ЗЭС и др.
Смазки АМС-1, АМС-3 и МС-70 используют как антифрикционные, обладающие хорошими защитными свойствами в условиях контакта с морской водой. Они обладают высокой липкостью и водостойкостью.
Смазку ЗЭС применяют для защиты линий электропередач и другой высоковольтной аппаратуры от коррозии.
Особую группу консервационных смазок составляют канатные смазки: 39у, БОЗ-1, торсиол-35, торсиол-55 Е-1 и др. Они занимают промежуточное положение между консервационными и антифрикционными смазками. Предназначены эти смазки для защиты стальных канатов и тросов при эксплуатации и хранении, а так же снижать износ, уменьшать трение, предотвращать обрывы.
Уплотнительные смазки
По составу и свойствам эти смазки специфичны, что не позволяет, как правило, заменять их смазками других типов. В качестве дисперсионной среды используют касторовое масло, глицерин, синтетические масла и смеси с нефтяными. Смазки на основе касторового масла и его смеси с нефтяным или синтетическим маслом практически нерастворимы в нефтепродуктах.
Загустителями могут быть твёрдые углеводороды и неорганические продукты (силикагель, бентонит).
Большинство уплотнительных смазок содержат наполнители – графит, слюду, тальк, дисульфид молибдена, асбест, оксиды металлов и др. В уплотнительной смазке для запорной арматуры вводят 10…15 % наполнителей.
Широкое применение уплотнительные смазки нашли в резьбовых соединениях. В таких соединениях, рассчитанных на высокое давление, уплотнительные смазки подвергаются воздействию высоких контактных нагрузок. Роль самой смазки при жёстких условиях работы резьбового соединения сводится только к функции носителя наполнителя. В смазках для резьбовых соединений концентрация наполнителей, как правило, превышает 50 %.
Твёрдые смазки
Характерная особенность твёрдых смазок заключается в том, что эти материалы, так же как пластичные смазки, находятся в агрегатном состоянии, исключающем их вытекание из узла трения. Благодаря этому их можно использовать в негерметизированных узлах трения. Достоинства их перед маслами таки же, как у пластичных смазок:
- уменьшение расхода смазочного материала;
- уменьшение эксплуатационных расходов.
Твёрдые слоистые смазки. Это кристаллические вещества, обладающие смазочными свойствами: графит, дисульфиды молибдена и вольфрама, нитрид бора, бромиды олова и кадмия, сульфат серебра, иодиды висмута, никеля и кадмия, фталоцианин, селениды и теллуриды вольфрама, титана и пр.
Все эти смазки обладают слоистой структурой, характеризующиеся тем, что атомы, лежащие в одной плоскости – одном слое – находятся друг к другу ближе, чем в различных слоях. Это обусловливает различную прочность между атомами в различных направлениях. В результате под действием внешних сил происходит скольжение одних слоёв кристаллов относительно других. Это свойство необходимо, но недостаточно. Нужна также хорошая адгезия твёрдой смазки к материалу поверхности трения, поэтому дисульфид титана и многие алюмосиликаты (слюда, тальк и др.), обладая ярко выраженной слоистой структурой, не отличаются смазочными свойствами, так как имеют плохие адгезионные свойства с металлами.
Наиболее распространённые твёрдые слоистые смазки.
Графитобладает антифрикционными свойствами в паре трения со сталью, чугуном и хромом. Несколько хуже эти свойства с медью и алюминием. В присутствии воздуха и воднографитная смазка улучшает свои показатели. Графит адсорбируется на поверхности трения, образуя прочную плёнку, ориентированную в направлении скольжения. Наличие на поверхности металла плёнки оксидов облегчает адсорбцию графита, поэтому использование графита особенно эффективно для металлов, образующих прочную оксидную плёнку – хром, титан, несколько меньше сталь. Предел работоспособности графитной смазки равен 6000 С. Из-за наличия свободных электронов графит обладает высокой электропроводностью, что способствует отводу электростатических зарядов и сохранению прочности смазочного слоя. С увеличение нагрузки и повышения температуры коэффициент трения графита возрастает. По стали коэффициент трения равен 0,04…0,08.
Дисульфид молибденаМоS2 – синевато-серый порошок с металлическим блеском, обладает хорошими адсорбционными свойствами по отношению к большинству чёрных и цветных металлов. Его смазочная способность обусловлена выраженным слоистым строением кристаллов и сильной поляризацией атомов серы в процессе трения. В отличии от графита при увеличении нагрузки и температуры коэффициент трения МоS2 уменьшается. Средняя величина коэффициента трения равна 0,05…0,095.
Несущая способность граничной смазочной плёнки дисульфида молибдена выше, чем у любых смазочных масел. При температуре выше 5000 С дисульфид молибдена окисляется с выделением SO2. К недостаткам можно отнести высокую химическую активность, в результате чего он легко вступает в реакцию с водой и кислородом. Поэтому максимальная температура ограничена 4500 С. Водород восстанавливает дисульфид молибдена до металла.
Дисульфид вольфрамаWS2 по сравнению с дисульфидом молибдена обладает большей термостойкостью. Предельная температура его применения равняется 5800 С. У него больше стойкость к окислению и в 3 раза большая несущая способность. Химически дисульфид молибдена инертен, коррозионно неагрессивен, нетоксичен. Его применение ограничено высокой стоимостью. Из-за высокой плотности дисульфид молибдена мало используется в качестве добавки к маслам, так как затруднено получение однородной смеси с маслом. Рекомендуется использовать при температуре свыше 4500 С.
Нитрид кремния имеет низкий коэффициент трения в парах со стальными деталями и некоторыми металлокерамическими материалами. Обладает хорошими механическими характеристиками и высокой термической и термоокислительной устойчивостью до 12000 С. Благодаря сочетанию этих качеств нитрид кремния является перспективным материалом для изготовления деталей цилиндро-поршневой группы.
Нитрид бораобладает высокой термической и термоокислительной устойчивостью. Разлагается при температуре свыше 10000 С.
Фталоцианины (меди C32H16N6Cu, железа C32H16N8Fe и пр.) – металлосодержащие полициклические органические соединения, обладающие крупными плоскими молекулами со слабыми межмолекулярными связями. Наряду с физической адсорбцией они образуют хемосорбированные плёнки на поверхностях металлов. Фталоцианины имеют хорошую термическую стойкость до 6500 С, стабильны при контакте с воздухом и водой. При температурах до 3000 С коэффициент трения у них выше, чем у графита и дисульфида молибдена, но понижается до 0,03…0,05 с увеличением температуры до 5000 С.
Из фталоцианинов делают защитный слой на юбках поршней.
Коэффициенты трения некоторых твёрдых слоистых смазок:
· дисульфид молибдена – 0,05;
· иодистый кадмий – 0,06;
· хлористый кадмий – 0,07;
· сернокислый вольфрам – 0,08;
· сернокислое серебро – 0,14;
· иодистый свинец – 0,28;
· графит – 0,10;
· хлористый кобальт – 0,10;
· иодистая ртуть – 0,18;
· бромистая ртуть – 0,06;
· иодистое серебро – 0,25.
Твёрдые смазки могут использовать и в качестве добавок к маслам. Большинство твёрдых смазок нерастворимы в углеводородах, поэтому их вводят в моторное масло в виде коллоидных дисперсий. При этом увеличивается ресурс узлов трения и снижается вероятность задира в условиях масляной недостаточности.
Мягкие металлы.Свинец, индий, олово, кадмий, медь, серебро, золото и т.д. обладают низкой прочностью на срез. Благодаря этому они используются как твёрдые смазки в виде тонких плёнок, наносимых на более прочные основы. Плёнки этих металлов ведут себя как масло. Кроме того, они облегчают и ускоряют процесс приработки. Важным требование является высокая адгезия к материалу основы и низкая к материалу пары.
Полимерные материалы – фторопласт-4 (тефлон), капрон, нейлон, полиэтилен, политетрафторэтилен, полиамид и др. обладают смазывающими свойствами. Их наносят на поверхности трения в виде плёнок различной толщины или используют как прессованные проставки. Применение твёрдых смазок на основе полимеров ограничивается низкой термической стойкостью этих материалов, маленьким коэффициентом теплопроводности и большим коэффициентом теплового расширения.
Они имеют недостаточные механические свойства, поэтому для обеспечения прочности при средних и высоких нагрузках их армируют. Используемый для армирования материал должен быть мягче материала поверхности трения.
Композиционные смазочные материалы.Это комбинация отдельных видов твёрдых смазок, обеспечивающая оптимальное сочетание их смазывающих свойств, механической прочности и обрабатываемости.
Физически композиционные смазочные материалы представляют собой механическую смесь двух или более различных по свойствам твёрдых веществ. При этом одно вещество является основой, может образовывать структурный каркас, обеспечивающий механические свойства. Основа изготавливается из полимерных, металлических или керамических материалов. В основе зафиксирован материал, являющийся наполнителем, обеспечивающим смазочные свойства.
Полимерная основа имеет хорошие смазочные свойства, химическую инертность, более высокую, чем у металлов, усталостную прочность, малую массу, низкую чувствительность к местным нарушениям структуры – трещинам, надрезам. Наиболее термостойки материалы на основе ароматических полиамидов. Они могут длительное время эксплуатироваться при температуре до 4500 С. Основными недостатками являются большой коэффициент термического расширения, низкие теплопроводность, термическая стойкость и стабильность.
В полимерных материалах наиболее часто в качестве наполнителей используются дисульфид молибдена, графит, нитрид бора, порошки алюминия, меди, никеля, молибдена и др.
Композиционные смазочные материалы на основе металлических материалов получают путём прессования и спекания из порошков металлов с последующей пропиткой полученной пористой основы твёрдыми слоистыми смазками, мягкими металлами или полимерами. Для получения материалов, работающих в особо тяжёлых температурных условиях, в качестве основы используют никель, кобальт и их сплавы. В качестве наполнителя применяют материалы на основе молибдена или вольфрама.
Например, для получения направляющих втулок клапанов двигателя получили распространение композиционные смазочные материалы на металлической основе, поры которых заполнены фторопластом-4 с добавками сульфидов, селенидов и теллуридов молибдена, вольфрама. Такая смазка кроме смазочного действия обеспечивает высокую несущую способность и износостойкость.
Композиционные смазочные материалы на керамической основе обладают высокой термической и химической стойкостью. Для этого используют окислы бериллия, циркония и других металлов. Основным недостатков этих материалов является их хрупкость и низкая прочность на растяжение.
Узлы трения на основе композиционных смазочных материалов могут долгое время работать без дополнительного подвода смазки, вплоть до всего моторесурса узла. Большинство композиционных смазочных материалов хорошо работают совместно с жидкими и консистентными смазками. Это обеспечивает существенное повышение надёжности двигателя, особе в режиме недостатка масла. Для вкладышей коренных и шатунных подшипников можно использовать композиции из медно-молибденового материала CuO + MoS2. Для подшипников распределительного вала применяют вкладыши, изготовленные из металлокерамических композиций на основе мягких металлов, насыщенных фталоцианиновой твёрдой смазкой. Изготовляют материал, состоящий из стальной ленты, на которую спеканием нанесён тонкий слой сферических частиц пористой оловянистой бронзы, пропитанной смесью фторопласта со свинцом. Сталь обеспечивает необходимую прочность подшипника, бронза – теплопроводность, смесь тефлона со свинцом – смазочные свойства.
Библиографический список
1. Васильева Л.С. Автомобильные эксплуатационные материалы: Учеб. для вузов / Л.С. Васильева – М.: Наука-Пресс, 2003. – 421 с.
2. Обельницкий А.М. и др. Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости. Учебник для ВУЗов по спец. «Двигатели внутреннего сгорания» / А.М. Обельницкий, Е.А. Егорушкин, Ю.Н. Чернявский; под ред. проф. А.М. Обельницкого. - М.: ИПО «Полиграм», 1995. – 272с.
3. Сафонов А.С. и др. Автомобильные автоэксплуатационные материалы / А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, Н.Д. Юскавец. – СПб.: Гидрометиоиздат, 1998. – 233 с.
4. Анисимов И.Г. и др. Топливо, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение. Справочник / И.Г. Анисимов. – М.: Техинформ, 1999. – 596 с.
5. Гуреев А.А. и др. Химмотология: учебник для ВУЗов / А.А. Гуреев, И.Г. Фукс, В.Л. Лашхи. – М.: Химия, 1986. – 367 с.
6. Гуреев А.А. и др. Автомобильные эксплуатационные материалы / А.А. Гуреев, Р.Я. Иванова, Н.В. Щёголев. – М.: Транспорт, 1974. – 280 с.
7. Кириченко Н.Б. Автомобильные эксплуатационные материалы: Учеб. пособие для сред. проф. образования / Н.Б. Кириченко. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 208 с.
8. Трансмиссионные масла. Пластичные смазки / Р. Балтенас, А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В. Шергалис. – СПб.: ООО «Издательство ДНК», 2001. – 208 с.