Основные показатели качества смазочных масел.

Важной характеристикой смазочных масел является вязкость и вязкостно-температурные свойства.

Вязкостью называют свойство жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению ее слоев под действием внешней силы. От вязкости масла зависит легкость пуска двигателя в холодную погоду, износ трущихся деталей, расход масла, а также мощность двигателя (потери на трение).

Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость. Динамическая вязкость (h) измеряется в пуазах (Пз), размерность пуаза в системе СИ Па^.с (кг/м^.с). Чаще пользуются кинематической вязкостью (n), числено равной отношению динамической вязкости нефтепродукта к его плотности

n= h/r, где h- динамическая вязкость, Па^.с

r - плотность нефтепродукта, кг/ м^з.

Единицей кинематической вязкости является стокс (1 Ст = 1 см²/ с), сотая его часть называется сантистоксом (1 сСт=1 мм²/с).

Для оценки высоковязких темных продуктов пользуются условной вязкостью (ВУ), под которой понимают отношение времени истечения через стандартное отверстие вискозиметра определенного объема (например, 200 мл) испытуемой жидкости ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20^оС. УВ, также как и кинематическая, может быть определена при различных температурах. Для взаимного пересчета различных единиц вязкости пользуются формулами, таблицами и номограммами.

Вязкость жидких продуктов зависит от их температур выкипания. Чем выше температура кипения фракции, тем больше ее вязкость. Среди различных углеводородов наименьшую вязкость имеют парафиновые, наибольшую - ароматические углеводороды. Вязкость возрастает с увеличением числа циклов в молекулах нафтеновых и ароматических углеводородов, а также с удлинением их боковых цепей. Абсолютное значение вязкости положено в основу классификации и маркировки смазочных масел. Так, например, моторные масла М-8 В и М-6_з/ 12 Г и компрессорное К-19 имеют кинематическую вязкость при 100^оС соответственно 8, 12 и 19 мм²/с, а индустриальные И-12А и ИГП-38 - кинематическую вязкость при 50^оС соответственно 12 и 38 мм²/с.

Для определения вязкости жидких нефтепродуктов используются приборы, которые называются вискозиметрами. По принципу действия эти приборы делятся на три группы:

1. Капиллярные вискозиметры, основанные на определении текучести жидкости через капилляры - кинематическая вязкость.

2. Ротационные, основанные на измерении сопротивления сдвига относительно слоев жидкости и объемные - времени перемещения стандартного тела в объеме жидкости для определения динамической вязкости.

3. Вискозиметры, в которых измерение вязкости жидкости основано на измерении времени истечения стандартного объема жидкости к времени истечения такого же количества эталонного образца (например, воды) предназначены для измерения условной вязкости.

Для измерения вязкости топлив, масляных дистиллятов, масел и других светлых нефтепродуктов наибольшее распространение получили капиллярные вискозиметры. Для измерения вязкости темных нефтепродуктов пользуются условной вязкостью.

Особо важное значение при эксплуатации механизмов в широком интервале температур приобретает зависимость вязкости от температуры. При пуске холодного двигателя температура масла, как правило, равна температуре окружающей Среды. При работе двигателя температура масла возрастает и может превышать 100^оС. Для облегчения пуска двигателя вязкость масла должна быть как можно меньше, а при работе прогретого двигателя желательно, чтобы вязкость была достаточно высокой для обеспечения жидкостного трения между его деталями. Вязкостно-температурные свойства смазочных масел оцениваются индексом вязкости (ИВ). Этот показатель определяется расчетным путем при известных кинематических вязкостях при 40 и 100^оС. Чем меньше меняется вязкость масла с изменением температуры, тем выше его индекс вязкости. Индекс вязкости зависит от углеводородного состава. наибольшим индексом вязкости обладают парафиновые углеводороды, наименьшим полициклические конденсированные нафтеновые и нафтеноароматические углеводороды.

Смазочная способность. Основными функциями нефтяных масел являются снижение трения между твердыми поверхностями движущихся деталей, уменьшение износа и предотвращение задира, заедания и сваривания металлических поверхностей Под смазочной способностью следует понимать способность масел обуславливать малое сопротивление контактирующих поверхностей тангенциальным силам сдвига и высокое сопротивление сближению их под действием нормальной нагрузки. Различаю два основных режима трения, в которых проявляется действия масел - жидкостной гидродинамический) и граничный. В условиях жидкостного трения трущиеся поверхности разделены непрерывным слоем смазочного материала, в условиях граничного трения - его тонкой (0, 1 - 0, 5 мкм) и неравномерной пленкой. В реальных условиях в большинстве случаев трение бывает смешанным: и жидкостным, и граничным.

При жидкостном трении основную роль в проявлении антифрикционного действия масла играют состав и строение входящих в него углеводородов, при гранитном трении этот эффект зависит прежде всего от состава растворенных в масле природных поверхностно-активных веществ (ПАВ) и специально вводимых добавок. В условиях граничной смазки микронеровности металлических поверхностей приводят к деформации отдельных микроучастков или отрыву микрочастиц металла при перемещении поверхностей

Таким образом, смазочное действие масел зависит от многих физических, физико-химических и химических явлений и обусловлено процессами адсорбции и хемосорбции на поверхностях твердого тела и их модифицированием.

Стабильность к окислению кислородом воздуха является одним из важнейших показателей эксплуатационных свойств масел. Особенно важен этот показатель для моторных и других нефтяных масел, многократно прокачиваемых через узлы трения (циркуляционная система смазки) или предназначенных для длительного применения без замены и дозаправки. Исследованию окисления нефтяных масел и решению многих важных проблем посвящены фундаментальные работы Н.И.Черножукова, С.Э.Крейна и К.И.Иванова.

При окислении масел в условия эксплуатации увеличивается их кислотность и ухудшаются другие эксплуатационные свойства. Первое обусловлено накоплением в маслах низко- и высокомолекулярных кислот. Низкомолекулярные кислоты вызывают повышенную коррозию металлов, особенно цветных. Повышение кислотности масел за счет высокомолекулярных кислот (до 3-5 мг КОН/г) может и не влиять на коррозию и износ смазываемых деталей. Химическая активность высокомолекулярных кислот проявляется только при повышенных температурах и попадании в масло воды. В этих условиях они взаимодействуют с гидроокисью железа, образуя соли, выпадающие в осадок и катализирующие первичные реакции окисления. Накопление кислородсодержащих продуктов вызывает нежелательный рост электропроводности электроизоляционных масел. Высокомолекулярные продукты окисления (смолы, асфальтены и др.) плохо растворяются в маслах и являются причиной образования на металлических поверхностях лаковых пленок, нагаров и углистых отложений, вызывающих пригорание и потерю подвижности поршневых колец, а также перегрев деталей двигателя. При этом увеличивается износ цилиндро-поршневой группы двигателя; осадки и углистые отложения (размер частиц может достигать 1-2 мм) забивают фильтры и форсунки, вязкость масла повышается, что затрудняет его доступ к узлам трения.

Окисление масел ускоряется при повышенных температурах, каталитическом воздействии некоторых металлов (меди, свинца и др.), автокаталитическом воздействии продуктов окисления и т.п. Масла окисляются в объеме (в картере двигателя и т.п.) и в тонком слое (на поверхности подшипников, колец, поршней, шестернях и др.). В результате окисления тонких пленок масел на нагретых деталях двигателя на поверхности металла образуются лаковые пленки. Лакообразование обычно начинается при 230 - 260 ^оС и достигает максимума при 300 - 320 ^оС. При более высокой температуре происходит термическое разложение лаковой пленки с выделением газообразных продуктов. Интенсивность лакообразования определяется температурой, составом масла и металла. В связи с этим в условиях повышенных температур и каталитического воздействия металлов обычно говорят о термоокислительной стабильности масел. Устойчивость масел к окислению в объеме называют иногда химической стабильностью. Основные закономерности окисления масел в объеме и в тонком слое при температурах до 250^оС близки. Более высокие температуры вызывают глубокие термоокислительные превращения углеводородов и усиленное образование летучих продуктов.

Об окислении масел при эксплуатации судят по изменению кислотного числа, накоплению осадков и другим показателям (см. приложение 2). наиболее резко кислотность и содержание осадков увеличивается в первые часы работы двигателя на свежем масле. В дальнейшем свойства масла стабилизируются, способствует фильтрование и центрифугирование, периодический долив свежего масла и другие факторы. Процесс окисления эффективно тормозится смолистыми веществами, содержание которых в маслах регулируется глубиной их очистки. В промышленной практике стабильность масла повышают введением антиокислительных присадок.

Коррозионные и защитные свойства. Надежность и долговечность работы машин и механизмов во многом определяются эффективностью защиты металлических поверхностей от коррозии. Отсутствие коррозионного воздействия на металлы и защита их от коррозионно-агрессивных компонентов внешней Среды - требования ко всем нефтяным маслам. Особенно высоки эти требования к консервационным маслам, специально предназначенным защиты машин и оборудования от атмосферной коррозии. Под слоем смазочного материала могут протекать химическая и электрохимическая коррозия металла.

Химическая коррозия - это взаимодействие металла с коррозионно-агрессивными компонентами Среды и смазочного материала, приводящие к его разрушению не сопровождающееся возникновением в металле электрического тока. Применительно к химической коррозии говорят о коррозионных свойствах масел, т.е. их способность вызывать (коррозионная агрессивность) или предотвращать (противокоррозионные свойства) коррозию металлов при повышенных температурах. Характерными особенностями химических процессов, протекающих на поверхности металла, являются зависимость их скорости от температуры и сопровождение их выделением или поглощением тепла.

Электрохимическая коррозия - это разрушение металла при взаимодействии с коррозионной средой (электролитом), сопровождающееся возникновением в металле электрического тока. Скорость электрохимической коррозии контролируется работой микрогальванических пар на поверхности металла и зависит от разности потенциалов ее катодных и анодных участков. При электрохимических процессах продукты реакции отводятся с поверхности металла вглубь смазочного материала; ионизация атомов металла (анодный процесс) и ассимиляция образующихся в металле избыточных электронов деполяризатором (катодный процесс) протекают в результате пространственного разделения участков реакции не единовременно, Применительно к электрохимической коррозии говорят о защитных свойствах масла, т.е. о способности его тонкого слоя защищать металл от коррозионного воздействия внешних факторов (прежде всего электролитов).

Коррозионное действие масел в отличие от их защитной способности проявляется при повышенных температурах (от 80 до 300^оС) и контактировании металла с объемом масла, в котором водный электролит отсутствует или его количество крайне незначительно. Способствуют коррозии также вторичные продукты окисления и термодеструкции масел.

В последние годы к нефтяным маслам различного назначения предъявляют повышенные требования по защитным свойствам. В основе высокого защитного действия лежит способность масел быстро вытеснять воду с поверхности металла, удерживать ее в объеме смазочного материала и образовывать на нем прочные адсорбционные и хемосорбционные пленки, препятствующие развитию электрохимических процессов. Базовые нефтяные масла не способны длительно защищать металлы от электрохимической коррозии. Их защитные свойства улучшают введением 3-5% ингибиторов коррозии (окисленных парафинов и церезинов, нитрованных масел, сульфонатов, сукцинимидов и др.).

Моющедиспергирующие свойства характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистку деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моющедиспергирующие свойства масел, тем больше нерастворимых веществ – продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, и меньше лакообразных отложений и нагаров образуется и остается на горячих деталях. 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 бария, кальция и магния), а также беззольные соединения (сукцинимиды, различного рода сополимерные продукты и др.).

Моющедиспергирующие присадки адсорбируются на металлической поверхности, формируя на ней двойной электрический слой. Этот слой обладает экранирующим действием и препятствует образованию отложений. Участие молекул моющедиспергирующих присадок в поверхностных процессах, результатом которых является снижение склонности к образованию отложений, принято условно называть собственно моющим действием, а присадки - моющими присадками.

Моющие присадки проявляют разную эффективность действия по разным направлениям. Одна присадка не состоянии обеспечить требуемый уровень моющих свойств. Поэтому в современных моторных маслах используют сочетания моющих присадок, отличающихся по характеру действия. Как правило композиции присадок в отечественных моторных маслах высокого уровня качества включают в свой состав одну – две зольные моющие присадки и одну – две беззольные.

Для оценки моющего действия, а также для получения наиболее полного представления об уровне моющих свойств масел используют различные методы. Из них самыми распространенными в отечественной практике являются методы определения моющего потенциала и моющих свойств на установке ПЗВ.

Основу смазочных нефтяных масел, как правило, составляют высококипящие фракции нефти с пределами выкипания 300-500^оС. Повышенная испаряемость масел, т.е. потеря маслом легких фракций, наблюдается преимущественно при его работе. Помимо повышения взрывоопасности высокая испаряемость масла ведет к его повышенному расходу. Испаряемость регламентируется фракционном 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.

Низкотемпературные свойства масел характеризуются температурой застывания и вязкостью при низких температурах.

Температурой застывания называют ту температуру, при которой масло теряет свою подвижность. Потерю подвижности могут обуславливать две причины: 1-я – это значительное повышение вязкости при понижении температуры; 2-я – образование структурного каркаса кристаллов твердых углеводородов, выделяющихся при охлаждении. Этот показатель имеет значение при транспортировке и применении масла в зимних условиях.

Вязкость при низких температурах, в частности при минус 18^оС влияет на пусковые свойства, в основном, моторных и трансмиссионных масел.

Коксуемость оценивает склонность масел к нагарообразованию. Этот показатель характеризует степень очистки масел от асфальтово смолистых веществ. Прсутствие присадок увеличивает этот показатель.