Свойства жидких и пластичных смазочных материалов

Способность смазочного материала выполнять заданные функции в различных условиях эксплуатации машины характеризуется совокупностью эксплуатационных свойств. Эксплуатационные свойства масел оценивают с помощью соответствующих показателей.

Основные эксплуатационные свойства масел и их показатели приведены в табл. 6.1.

Противоизносные свойства смазочных масел оценивают по пока­зателю износа Ди и критической нагрузке Nкр. Противозадирные — по нагрузке сваривания Nc, показателю износа Ди и индексу задира Из.

Для определения этих показателей проводят испытания масел на четырехшариковой машине. Критической считают нагрузку Nкр (H), при которой средний диаметр пятен износа нижних шариков соответствует предельному износу, установленному для данной на­грузки, и увеличение которой на величину последующей нагрузки по ряду нагрузок вызывает увеличение среднего диаметра пятен износа более чем на 0,1 мм.

Нагрузкой сваривания Nс (H) называют наименьшую нагрузку, при которой произошла автоматическая остановка машины при достижении момента трения 12·103 Нм или сваривание шариков.

Индекс задира Из — безразмерная величина, вычисленная по резуль­татам измерения износа шариков от начальной нагрузки сваривания.

Эксплуатационные свойства масел

Таблица 6.1

Свойства Показатели Обеспечение свойств Примеры механизмов
Противозадир- ные Из, Nc Присадки: ОТП, Л3-23к, ЛЗ-28, АБЭС, Савол, ДФ-1 Работающие при высоких нагрузках и температурах: трансмиссия грузового автомобиля, двигатели внутреннего сгорания, гидродинамические передачи    
Продолжение таблицы 6.1
Свойства Показатели Обеспечение свойств Примеры механизмов
Противоиз- носные Дв ДФ-П, ВНИИ-НП-354, МНИ-ИП-22К, ЭФО Срок службы, которых определяется величиной износа рабочих поверхностей: ДВС, элементы трансмиссии
Приработочные Дв, Nc Специальные присадки Новые — в период обкатки
Антифрикционные μ, v, ИB Полярные при­садки МВЧ-1, КГП, ГС-1, АДТФ или синтетические масла С низким КПД, червячные передачи и др.
Вязкостные ИB, v, p пьезокоэффициент вяз­кости Глубокая очистка высокоиндексных масел из специальных нефтей и загущающие присадки к мало­вязким базовым маслам ПИБ, КП-5, КП-10, ПМАд Работающие при больших перепадах температур
Сжимаемость Модуль объем­ной упругости Использование масел соответствующего фракционного и углеводородного состава Гидравлические системы
Застывание Температура застывания Применение маловязких масел или масел из специальных нефтей. Использование депрессорных присадок Работающие в условиях низких температур
Низкая вспениваемость Противопенные присадки типа ПМС-200А Для всех механизмов и систем
Эмульгируе-мость (низкая) Антиэмульсион­ные присадки -деэмульгаторы Работающие в условиях повышенной влажности
Антикоррозионные Антикоррозионные присадки АКОР-1,В15/41 Работающие во влажной или агрессивной среде
Стабильность против окисления и старения Приращение кислотного числа окис­ленного масла КОН на 1 г масла. Приращение смол, % не более Антиокислитель­ные присадки ЛАНИ-317, Ионол Для всех механизмов
Липкость и не-растекаемость Поверхностное натяжение Полярно-активные и полимерные присадки Открытые сопряжения
Отсутствие воздействия на неметалличес- кие материалы Масла с минимальным допустимым содержанием ароматических углеводородов Гидросистемы, ДВС
Нетоксичность Присадки, не обладающие токсичностью и неприятным за­пахом Для всех механизмов и систем


Показателем износа Дн (мм) считают среднее арифметическое значение диаметров пятен износа нижних шариков по результатам двух параллельных испытаний.

Показателями вязкостных свойств масел являются кинематическая и динамическая вязкость, а также индекс вязкости ИВ.

Динамическая вязкость μ характеризует связь силы внутреннего трения F со скоростью υ относительного перемещения слоев смазки при трении

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

где Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru – градиент скорости; у — толщина масляной пленки; S — площадь трущихся поверхностей.

Единица измерения μ — паскаль-секунда (Па·с) или сантипуаз (сП).

Знак минус означает, что сила F направлена в сторону, обратную направлению движения слоя, обладающего большей скоростью.

Кинематическая вязкость v представляет собой отношение динамической вязкости μ к плотности масла р, v = μ/р.

Плотность смазочного материала определяется как масса едини­цы его объема [кг/м3], р = m /V (здесь m — масса смазочного материала; V— объем смазочного материала).

Измеряют кинематическую вязкость в м2/с или сантистоксах (1 сСт = 10-6 м2/с). Обычно характеризуют свойства смазочного мате­риала кинематической вязкостью при температуре 50 и 100 °С. Простых экспериментальных методов определения динамической или кинематической вязкости не существует. Для оценки этих величин измеряют условную вязкость, которую затем переводят в абсолютные единицы вязкости.

Условную вязкость (ВУ) измеряют с помощью вискозиметра, принцип действия которого основан на регистрации времени истечения установленного объема масла через калиброванное отверстие диаметром 2-3 мм, ВУ = τ/τв(здесь τ и τв- время истечения 200 см3 соответственно испытуемого масла при заданной температуре и дистиллированной воды при температуре 20 °С).

Для определения кинематической вязкости по условной вязкости используют выражение

v = 0,073ВУ– (0,063/ВУ).

Для оценки склонности масла к изменению вязкостных свойств при изменении температуры применяют показатель, называемый индексом вязкости (ИВ). Этот показатель дает возможность оценить вязкостно-температурные свойства определенного сорта масла по сравнению с эталонными маслами.

За эталонные приняты лучшие рафинированные масла, которым присвоен индекс вязкости ИВ-100, и худшие масла из богатой нафтенами нефти, для которых принято ИВ=0. Значения вязкости масел при температу­рах 38 °С (100 °F) и 990С (210 °F) наносят на график v = φ(t) (рис. 6.7).

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

Рис. 6.7. График определения индекса вязкости масел

Из соотношения

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

находят индекс вязкости исследуемого масла.

Изменение вязкости масел от температуры описывается линейной зависимостью в логарифмических осях координат или нелинейной — при равномерных шкалах. Для определения индекса вязкости обычно пользуются формулой

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

где v50min — кинематическая вязкость масла, для которого ИВ = 0; вязкость измеряется при 50°С; v50 — кинематическая вязкость оцениваемого масла при 50 °С; v50max— кинематическая вязкость масла, для которого ИВ =100; вязкость изме­ряется при 50°С; р — поправка, вносимая при оценке свойств масла в области отрицательных температур.

Величины v50min и v50max находят по таблицам значений индекса вяз­кости. Чем выше значение ИВ, тем меньше изменяется вязкость масла при изменении температуры, а, следовательно, тем выше его вязкостные свойства. Высокий индекс вязкости имеют хорошо очищенные масла. Индекс вязкости современных масел равен 120—150.

Повышение значения ИВ и обеспечение эксплуатационных свойств масел достигается применением различных присадок. Для масел со специальными присадками и синтетических масел ИВ-250. В связи с этим возникает необходимость экстраполяции при определении индекса вязкости, превышающего эталонный.

При изменении температуры объем смазочного материала также меняется. Способность смазочного материала к температурному расширению оценивают по температурному коэффициенту объемного расширения

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

где Δt— приращение температуры.

Коэффициент, ат характеризует относительное изменение объема смазочного материала вследствие изменения его температуры на 10. Температурный коэффициент объемного расширения зависит от плотности смазочного материала, которая также меняется с изменением температуры (рис. 6.8). Значения, ат для смазочных материалов с различной плотностью (при t = 15 °С) приведены ниже.

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

Рис. 6.8. Зависимость относительного из­менения плотности масла от температуры: р и рt — плотность масла соответственно исходная и при температуре t

р, кг/м3 ат · 10-3,1/°С

700-720….………1,255

720-740…………..1,183

740-760……………1,118

760-780…………….1,054

780-800……………..0,995

800-820………………,937

820-840………………,882

840-860……………..0,831

860-880……………..0,782

880-900……………..0,734

900-920………………0,688

920-940………………0,645

940-960……………….0,604

960-980……………….0,565

980-1000………………0,526

Показателем свойств смазочных материалов является также удельная теплоемкость — количество теплоты, необходимое телу (системе) для повышения температуры единицы массы на 1 К. Для минеральных масел при температуре до 100 °С удельная теплоемкость С= 2,05÷2,1 кДж/кг·К).

Способность смазочных материалов проводить теплоту характеризуется теплопроводностью λ, равной отношению удельного теплового потока φт к абсолютной величине температурного градиента

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

где Q—количество теплоты, подводимой к смазочному материалу;

gradt — разность температур двух сечений слоя масла, отстоящих на рас­стоянии l; τ— время; S— площадь.

Единица теплопроводности масел — Вт/(м·К). В интервале тем­ператур от 0 до 120 °С теплопроводность обратно пропорциональна температуре масла. При 100 °С для масла веретенного-2 λ = 129·10-3, для машинного масла СУ

λ = 131· 10-3, для цилиндрового-2 λ = 140·10-3 Вт/(м·К).

Температурными показателями эксплуатационных свойств масел являются также температура вспышки, температура воспламенения и температура застывания масла.

Температурой вспышки масла называют минимальную температуру, при которой пары нагретого масла образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при контакте с открытым пламенем. Этот показатель характеризует наличие в масле легких углеводородов. Низкая температура вспышки свидетельствует о повышенной огне­опасности масла и указывает на присутствие в нем примесей, главным образом топлива.

Температурой воспламенения масла называют температуру, при которой масло загорается при поднесении к нему пламени и горит не менее 5 с.

Температурой застывания масла называют температуру, при ко­торой масло теряет свою подвижность и переходит из жидкотекучего в пластичное состояние. Температура застывания является одним из важнейших показателей эксплуатационных свойств масел, поскольку определяет условия их применения.

Сжимаемость — способность смазочного материала к уменьшению объема под нагрузкой, — характеризуется коэффициентом сжимаемости. Коэффициент сжимаемости характеризует относительное изменение объема масла, приходящееся на единицу изменения давления:

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

где Δр — приращение давления; ΔV— приращение объема; V— объем смазочного материала до приложения давления.

Это свойство особенно важно для масел, используемых в качестве рабочих жидкостей гидравлических систем машин. При решении инженерных задач применяют величину, обратную коэффициенту сжимаемости, которая получила название модуль объемной упругости Е=1/β. Модуль объемной упругости составляет для масла цилиндрово­го 1,85, турбинного 1,75, индустриального И-50А –1,5, индустриального И-20А- 1,4, МГ-15Б –1,33 ГПа.

Модуль объемной упругости зависит не только от типа, но и от со­стояния масла. Если масло находится в диспергированном (вспененном) состоянии, то значение его модуля объемной упругости существенно отличается от номинального. В реальных условиях эксплуатации содержание воздуха в масле составляет 6—18 %. Таким образом, в сборочных единицах машин роль смазочного материала выполняет воздушно-масляная смесь, для которой модуль объемной упругости можно определить по формуле

Свойства жидких и пластичных смазочных материалов - student2.ru

где Vf — объем жидкой фазы; V— полный объем воздушно-масляной смеси; р — давление в системе.

Вспениваемость — способность масла к поглощению воздуха с пенообразованием. Это эксплуатационное свойство оказывает существенное влияние на окислительные процессы при трении и изнашивании. Оно особенно важно для тех масел, которые используют в механизмах, работающих в условиях повышенной температуры.

Эмульгируемость— способность масла к поглощению воды. Оно оказывает влияние на интенсивность коррозионных процессов, сопровождающих трение и изнашивание. Для механизмов, работающих в условиях повышенной влажности, подбирают масла с низкой эмульгируемостью. Вспениваемость и эмульгируемость масел оценивают в баллах на стадиях их разработки и производства экспертными методами по пятибалльной шкале.

Противокоррозионные свойства характеризуют способность жидких и пластичных смазочных материалов оказывать влияние на процессы коррозионного разрушения металлических деталей. При разработке и производстве смазочных материалов их противокоррозионные свойства обычно оценивают в баллах по результатам сравнительных испытаний. Косвенно эти свойства характеризуются щелочным и кислотным числами КОН.

Кислотное число выражается в миллиграммах едкого кали, требующегося для нейтрализации 1 г масла. По кислотному числу можно судить о количестве органических кислот, содержащихся в масле.

Щелочное число масла свидетельствует о наличии в нем присадок. За общее щелочное число принимают количество едкого кали в миллиграммах, эквивалентное количеству соляной кислоты, израсходованной на нейтрализацию всех основных соединений, содержащихся в 1 г анализируемого масла.

Зольность — показатель, характеризующий содержание в масле солей органических и минеральных кислот. Этот показатель для масел с присадками выражает количество присадки, а для масел без присадок — количество несгораемых примесей.

Липкость и нерастекаемость характеризуют способность масел образовывать на твердых поверхностях прочную пленку, не разрушающуюся при повышении давления, скорости и температуры. Простых и достаточно надежных методов оценки этого свойства масел пока не существует. Косвенной оценкой липкости масел является поверхностное натяжение.

С увеличением количества деталей, выполненных из полимерных материалов, все большее значение приобретает свойство масел, определяющее отсутствие их воздействия на неметаллические мате­риалы. Масла с высоким содержанием ароматических углеводородов легко вступают в химическое взаимодействие с полимерными мате­риалами и вызывают интенсивное разрушение деталей. Поэтому при подборе смазочных материалов необходимо учитывать их углеводородный состав.

Нетоксичность — это отсутствие отрицательного воздействия смазочного материала или продуктов его окисления на организм чело­века. Это свойство важно для всех смазочных материалов и учитывается при разработке масел и пластичных смазочных материалов.

Пластичные смазочные материалы имеют в своем составе загуститель, образующий своего рода каркас, в котором удерживается базо­вое (минеральное или синтетическое) масло. К основным свойствам пластичных смазочных материалов относят вязкость, водостойкость, температуру каплепадения, коллоидную, механическую и химическую стабильность, предел прочности на сдвиг, консистенцию, испаряемость, коррозионность, термоупрочнение.

Вязкостьпластичных смазочных материалов в отличие от вяз­кости масел зависит от скорости деформирования и характеризуется прокачиваемостью по трубопроводам. Измеряют вязкость пластичных смазочных материалов на капиллярных вискозиметрах.

Водостойкость характеризует способность смазочных материалов не растворяться и минимально изменять свои свойства при попадании в них воды.

Температура каплепадения условно отражает среднюю температуру, при которой плавятся пластичные смазочные материалы. Для того чтобы смазочный материал не вытекал из узла трения, температура его плавления должна превышать температуру поверхностей трения на 15—20 °С. Температура каплепадения смазочного пластичного мате­риала зависит от использованного в нем загустителя.

В зависимости от температуры каплепадения различают:

•низкоплавкие пластичные смазочные материалы (УН), в кото­рых загустителем служат твердые углеводороды; температура каплепа­дения до 65 °С;

•среднеплавкие (УС) — загустителем являются кальциевые мыла; температура каплепадения до 100 °С;

•тугоплавкие (УТ) — загустителем служат натриевые и литиевые мыла; температура каплепадения свыше 100 °С.

Коллоидная стабильность отражает способность пластичных смазочных материалов сопротивляться выделению из них масла при хранении.

Механическая стабильность характеризует способность пластичного смазочного материала сохранять заданные свойства после интенсивного деформирования.

Химическая стабильность характеризует способность пластичных смазочных материалов противостоять окислительному воздействию воздуха при повышенной температуре.

Предел прочности на сдвиг отражает способность пластичных смазочных материалов удерживаться на поверхности деталей при наличии инерционных сил. Он определяется минимальным напряжением, при котором происходит разрушение структурного каркаса загустителя.

Консистенция— свойство пластичных смазочных материалов оказывать сопротивление деформации при внешнем воздействии.

Испаряемость характеризует процесс испарения минерального или синтетического масла, входящего в состав пластичного смазочного материала.

Коррозионность характеризует способность компонентов смазочного материала активизировать процессы коррозионного разрушения металлических поверхностей. Оценивается так же, как у масел.

Термоупрочнение характеризует увеличение предела прочности на сдвиг пластичного смазочного материала после его термообработки.

Пластичные смазочные материалы на 80—90 % состоят из минеральных или синтетических масел, поэтому их эксплуатационные и физико-химические свойства в значительной степени определяются свойствами базовых масел. Противозадирные, противоизносные, окислительные и прочие свойства, определяющие качество масел, имеют столь же важное значение и для пластичных смазочных материалов.

Присадки

Для улучшения эксплуатационных свойств смазочных масел и пластичных материалов в их состав вводят присадки. Содержание при­садки в смазочном материале колеблется в зависимости от типа масла или пластичного смазочного материала от 0,01 до 20 % и выше. Присадки классифицируют по назначению и составу.

По назначению различают следующие присадки: адгезионные, деэмульгаторы, моющие (ПМС, СК-3, MACK), противопенные (ПМС-200А), вязкостные (ПИБ, КП-10), противокоррозионные (АКОР-1, МНИ-7), депрессорные (ВНИИНП-157, ПМАД), антиокислительные (ЛАНИ-317, ДФ-11), приработочные (АЛП-2), фрикционные (АЛП-2), противозадирные (ОТП, ЛЗ-28, АБЭС), противоизносные (ДФ-11, ЭФО, Хлорэф-40), многокомпонентные (ВНИИНП-360 + ПМС + ВНИИНП-354; ДФ-11 + ПМС-200А).

Адгезионные присадки предназначены для повышения липкости и нерастекаемости масел. В эту группу присадок входят полярно-активные вещества, повышающие адгезионные силы притяжения пленки масла к твердой поверхности детали.

Моющие присадки служат для предотвращения отложений и нага-рообразования на поверхностях деталей, работающих при повышенной температуре.

Деэмульгаторы— присадки, разрушающие водо-масляные эмульсии и, таким образом, способствующие снижению содержания воды в смазочном материале.

Антиокислительные присадки используют для замедления процессов старения и окисления масел.

Депрессорные присадки предназначены для снижения температуры застывания и, как правило, входят в состав масел, рекомендуемых для применения в зимнее время и условиях холодного климата. Назначение присадок остальных типов очевидно из их наименования.

Для улучшения эксплуатационных свойств масел в их состав вводят композицию нескольких присадок — так называемые многокомпонентные присадки, обеспечивающие противоизносные, ан­тиокислительные, противокоррозионные и моющие свойства. Состав композиции зависит от назначения присадок и совместимости компонентов.

По составу различают серосодержащие, фосфоро- и азотосодержащие присадки. Кроме этих элементов в состав присадок могут входить кислород, хлор, свинец, бор и другие элементы.

Механизм действия серосодержащих присадок (моно- и ди­сульфидов) по Форбсу и Рейду заключается в том, что молекула-дисульфида RSSR сначала адсорбируется на поверхности металла (хемосорбция). В результате химического взаимодействия присадки с металлом происходит разрыв связей S—S с образованием молекул меркаптида RS Me.

Меркаптид–органическое соединение RSMe, содержащее суль-фгидрильную (меркапто) группу S–Н, связанную с углеводородным радикалом R (=СН3, С2Н5 и др.). В результате образования меркаптида обеспечивается противоизносное действие присадки. С увеличением нагрузки в зоне трения повышение температуры приводит к разрыву связей в меркаптиде и образованию на поверхности неорганического слоя, содержащего серу. В результате этого процесса создаются противозадирные свойства масла.

Механизм действия фосфорсодержащих присадок (по Форбсу и Бэттерсбаю) основан на хемосорбции. Первой стадией противозадирного действия диалкилфосфитов, входящих в состав присадки, является образование фосфорных кислот, которые при взаимодействии с металлом трущейся поверхности образуют соли фосфорных кислот.

На второй стадии происходит гидролиз солей, ведущий к образованию на поверхности металла слоя неорганического фосфоросодер­жащего продукта. Этот слой уменьшает молекулярную составляющую сил трения, и, таким образом, уменьшается интенсивность изнашивания поверхностей деталей сопряжения.

В процессе изнашивания микроскопические участки поверхности детали постоянно обнажаются вследствие разрушения окисных пленок, поэтому более эффективное смазочное действие будут обеспечивать соединения, обладающие наибольшей скоростью взаимодействия с металлом. Примерами таких фосфорсодержащих соединений являются диэтилфосфат, диэтилфосфит, дибутилфосфит.

В условиях невысоких контактных нагрузок, когда возрастает роль противоизносного действия присадок, большое значение имеет их способность активизировать коррозию поверхностного слоя металла. Уменьшение износа обеспечивается вследствие разрыхления поверхности при химическом взаимодействии присадки с металлом. Опре­деляющая роль в этом взаимодействии принадлежит органическому радикалу, связанному в присадке с атомами Р или S.

Азотосодержащие присадки (алкилпиридины и алкилхинолины) в основном обеспечивают противоизносное свойство масла. Ключевой фазой противоизносного действия этих присадок является связывание атома азота с поверхностью металла, имеющее характер химической адсорбции.

В последнее время большое внимание исследователей привлекают так называемые трибополимеризующие присадки к смазочным материалам, создающие одновременно противоизносное, противозадирное, а в ряде случаев и антифрикционное действие. Преимуществом этих присадок является их многофункциональность и отсутствие взаимодействиях металлами за пределами зоны контакта трущихся поверхностей. По механизму защитного действия трибополимеризующие присадки принципиально отличаются от присадок остальных типов. В процессе трения эти присадки образуют на рабочих поверхностях деталей полимерные пленки, снижающие молекулярную составляющую сил трения, предотвращающие повреждение и износ трущихся поверхностей. При этом химические изменения в поверхностных слоях материалов деталей не происходят. Полимерная пленка, образующаяся благодаря присадке, прочно удерживается на поверхности металла и способна обеспечить практически безызносное трение в течение длительного времени.

Трибополимеризующие противоизносные присадки могут быть применены в составе смазочно-охлаждающих и рабочих жидкостей, пластичных смазочных материалов, а также в виде компонентов твердых смазочных материалов. В настоящее время продолжаются работы по созданию трибополимеризующих присадок и изучению их свойств.

Наши рекомендации