Страница:
В зависимости от вида базового масла (основы) моторные масла подразделяются на:
1. Минеральные масла, получаемые в процессе переработки (перегонки) нефти и состоящие из молекул разной длины (длина углеводородных цепочек – 20…35 атомов) и разного строения (рис. 3).
К основным примесям, присутствующим в минеральных основах, относятся:
– соединения серы (sulfur compounds) и органические кислоты (organic acids), способные вызывать коррозию металлов;
– непредельные углеводороды (unsaturated hydrocarbons), снижающие антиокислительную стойкость масла;
Рис. 3. Схема взаимодействия синтетического (вверху) и минерального (снизу) масел с поверхностями трения
– смолистые и асфальтеновые соединения (resins, bitumen), образующие при работе лаковые отложения и нагар на горячих поверхностях деталей, ухудшающие низкотемпературные свойства и подавляющие эффективность антиокислительных и антикоррозионных присадок;
Как видим, все эти соединения в той или иной степени снижают качество готового нефтехимического продукта. Вследствие неоднородности основы и наличия многих примесей наблюдается нестабильность вязкостно – температурных свойств, высокая испаряемость, низкая стойкость к окислению и другие отрицательные свойства. Индекс вязкости (ИВ) лучших минеральных основ не превышает 100 единиц. Повышение вязкостных характеристик минеральных масел достигается специальными загущающими присадками.
Благодаря высокому индексу вязкости, синтетическое масло позволяет поддерживать оптимальную толщину масляного клина как при низких, так и при высоких температурах, что, в свою очередь, снижает износ деталей двигателя, особенно в условиях экстремальных температур.
Так, при низких температурах «синтетика» сохраняет свою текучесть, что обеспечивает максимально быстрое поступление масла к узлам трения и снижает износ деталей при пуске, а низкая испаряемость позволяет экономить на угаре масла.
Более равномерная молекулярная структура способствует снижению внутреннего трения, за счёт чего повышается эффективность работы двигателя и снижается температура масла.
Синтетические масла имеют лучшую термическую стабильность, низкую испаряемость и малую склонность к образованию высокотемпературных отложений. Они превосходят минеральные масла по антиокислительным свойствам, диспергирующей и механической стабильности, обладают равными или лучшими противозадирными и противоизносными свойствами. Поэтому синтетические масла с успехом применяются в высокофорсированных теплонапряженных ДВС.
3. Частично синтетические (полусинтетические) масла (Semi‑Synthetic, Teil Synthetic, Synthetic, Synthetic Based, Synthetic Blend), состоящие из смесей минеральных и синтетических базовых масел.
Как показывает практика, большинство моторных масел, позиционируемых как полусинтетические, а частично и полностью синтетические масла, на самом деле являются гидрокрекинговыми (НС) маслами, которые достаточно успешно совмещают высокие качества синтетики с неагрессивностью «минералки» при более доступной цене.
Рис. 4. Примерное содержание присадок в моторном масле:
1 – базовое масло (80 %); 2 – вязкостные присадки (10 %); 3 – остальные присадки (10 %)
При аналогичном качестве стоимость гидрокрекинговой основы всего в 2 раза выше минеральной, но в 2,5 раза ниже стоимости ПАО и в 3–5 раз дешевле эстеров.
Современные моторные масла используются для уменьшения трения, снижения износа и предотвращения задира контактируемых поверхностей. Масло отводит теплоту от трущихся деталей и уплотняет зазоры, в первую очередь в зоне цилиндропоршневой группы двигателя.
Износ различных узлов и деталей двигателей внутреннего сгорания зависит от ряда факторов, определяемых особенностями конструкции и техническим состоянием двигателя, условиями его эксплуатации, качеством применяемого топлива и масла и т. п.
Интенсивность изнашивания увеличивается в случае:
– попадания абразива в смазочную систему (роль абразива могут играть также продукты разложения масла, образующие зольные отложения) или при переходе с нефтяного топлива на топливо не нефтяного происхождения (в частности спиртовое);
– накопления в масле воды или другой охлаждающей жидкости;
– повышения химической активности масла;
– увеличения расхода масла на угар вследствие повышенного пенообразования масла и т. д.
Условия работы моторного масла определяются различными рабочими температурными нагрузками на узлы и детали двигателя, смазываемые моторным маслом (цилиндропоршневая группа, подшипники, механизм газораспределения и т. д.). Для обеспечения надежной подачи моторного масла к различным агрегатам двигатели оснащены специальными приспособлениями (смазочной системой): емкостью для хранения масла, средствами очистки (фильтрами), масляной магистралью, насосами и т. п.
Функциональные свойства многих масел ранее оценивали, прежде всего, по их вязкостно – температурным характеристикам и смазочной способности. В настоящее время требования к эксплуатационным свойствам масел значительно расширились и ужесточились, что потребовало введения большого числа показателей свойств масел. В общем случае смазочные масла должны обладать следующими характеристиками:
1) оптимальными вязкостно – температурными свойствами, обеспечивающими подвижность при низких температурах, и создание прочной смазочной пленки на рабочих поверхностях в широком диапазоне температур;
2) смазывающими свойствами, обеспечивающими минимизацию трения и различных видов изнашивания;
3) высокой устойчивостью к окислению, предотвращающей значительные изменения химического состава смазочных масел в процессе их работы;
4) моющими свойствами, влияющими на снижение склонности масел к образованию различного состава смолистых отложений на рабочих поверхностях и в смазочной системе;
5) низкой коррозионной активностью;
6) удовлетворительными защитными свойствами, позволяющими маслу предохранять металл от атмосферной коррозии.
Смазочные масла также должны обладать низкой испаряемостью, пенообразующей способностью, не вступать в соединение с водой (эмульгироваться), не оказывать отрицательного влияния на уплотнительные материалы, не быть токсичными, не подвергаться биоповреждениям, не изменять своих свойств при хранении и регенерации, легко транспортироваться, не вызывать загрязнения окружающей среды и т. д.
Несомненно, к важным факторам обеспечения длительного и эффективного срока службы автомобильной техники относится не только высокое качество ее эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, но и качество применяемых топливно – смазочных материалов (ТСМ) и других препаратов автохимии. Как уже неоднократно отмечалось, основным способом повышения функциональных свойств смазочных материалов является применение дополнительных присадок и добавок.
Различные препараты для применения в качестве каких‑либо добавок к топливно – смазочным материалам изначально были созданы для повышения их противоизносных, антифрикционных, экономических и экологических свойств, т. е. для профилактики износа и поддержания техники в работоспособном состоянии. Большинство из них и сейчас выпускается для этих целей.
В настоящее время, наряду с принятыми и широко распространенными показателями (противоизносными, защитными, антикоррозионными, диспергирующими, стабилизирующими, вязкостно – температурными, антиокислительными, противопенными и др.), для моторных масел введены новые – демпфирующие, противопиттинговые и др. Для их обеспечения разрабатываются новые технологии производства базовых масел и присадок к ним.
По своему действию присадки разделяют на: противоизносные, антифрикционные, антиокислительные, вязкостные (загущающие), депрессорные, противопенные и др. (табл. 5).
Таблица 5. Некоторые функциональные присадки, используемые в смазочных маслах
По химическому составу присадки к смазочным материалам представляют собой производные различных органических соединений – алкилфенолов, аминов, дитиофосфорных, дитиокарбаминовых, салициловых кислот и ряда других веществ.
Присадки состоят из молекул одной или нескольких полярных групп и одной или нескольких неполярных. Полярные группы обусловливают адсорбцию молекул ПАВ присадок на границе между маслом и металлом. По группе активной (полярной) составляющей присадки подразделяют на серо-, фосфор-, кислород-, хлор-, азот– и борсодержащие. Неполярные группы (алкильные радикалы, нафтеновые или ароматические кольца и их сочетания) определяют растворимость присадок в маслах.
Большинство базовых присадок являются техническими продуктами, представляющими собой раствор активного компонента в масле или другом растворителе. В таком виде под различными условными названиями и индексами выпускаются производные мочевины, сульфонаты, сукцинимиды, эфиры фосфорной кислоты и многие другие присадки.
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.
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.
1. Минеральные масла, получаемые в процессе переработки (перегонки) нефти и состоящие из молекул разной длины (длина углеводородных цепочек – 20…35 атомов) и разного строения (рис. 3).
К основным примесям, присутствующим в минеральных основах, относятся:
– соединения серы (sulfur compounds) и органические кислоты (organic acids), способные вызывать коррозию металлов;
– непредельные углеводороды (unsaturated hydrocarbons), снижающие антиокислительную стойкость масла;
Рис. 3. Схема взаимодействия синтетического (вверху) и минерального (снизу) масел с поверхностями трения
– смолистые и асфальтеновые соединения (resins, bitumen), образующие при работе лаковые отложения и нагар на горячих поверхностях деталей, ухудшающие низкотемпературные свойства и подавляющие эффективность антиокислительных и антикоррозионных присадок;
Нагар – отложения на поверхности камеры сгорания, состоящие в основном из карбонов и карбоидов и способные вызывать интенсивное изнашивание деталей цилиндропоршневой группы.– парафины (wax) – растворенные в масле твердые углеводороды, которые повышают температуру застывания масла и ухудшают его низкотемпературную фильтруемость;
Температура застывания – показатель способности масла или дистиллятного топлива оставаться текучим при низких температурах. Это наименьшая температура, при которой жидкость остается текучей после охлаждения в определенных условиях.– полициклические соединения (polycyclic aromatics, PCA), также снижающие низкотемпературные свойства масла и способствующие образованию смолистых отложений и нагара.
Как видим, все эти соединения в той или иной степени снижают качество готового нефтехимического продукта. Вследствие неоднородности основы и наличия многих примесей наблюдается нестабильность вязкостно – температурных свойств, высокая испаряемость, низкая стойкость к окислению и другие отрицательные свойства. Индекс вязкости (ИВ) лучших минеральных основ не превышает 100 единиц. Повышение вязкостных характеристик минеральных масел достигается специальными загущающими присадками.
Индекс вязкости – эмпирическое число, которое указывает на степень изменения вязкости масла при изменении температуры. Масла с высоким индексом вязкости проявляют меньшую зависимость вязкости от температуры, чем масла с низким индексом вязкости. Для повышения индекса вязкости проводят глубокую гидроочистку базовых масел или используют вязкостные присадки (маслорастворимые полимеры) или синтетические (полимерные) масла.2. Синтетические масла (Fully Synthetic, Voll Synthetic, 100 % synthetic), получаемые путем химических реакций, направленных на образование однотипных молекул органических веществ с заданными свойствами, в качестве которых выступают полиальфаолефины (ПАО), алкилбензолы или эфиры (эстеры).
Полиальфаолефины (ПАО) – углеводороды с длиной цепочки порядка 10…12 атомов, получаемые путем полимеризации коротких углеводородных цепочек – мономеров из 3…5 атомов. Служат основой для производства синтетических моторных масел.Для производства ПАО обычно используются бензиновые молекулы или нефтяные газы – бутилен и этилен, из которых путем полимеризации (химического составления) получают короткие углеводородные цепочки – мономеры из 3…5 атомов. К достоинствам ПАО относятся: низкая температура застывания (до —60 оС), невысокая восприимчивость к перепадам температур, низкая испаряемость и окисление. В то же время стоимость такой основы моторного масла в 4,5 раза выше обычной минеральной.
Эстеры (греч. aither – эфир) – сложные эфиры, получаемые нейтрализацией спиртами карбоновых кислот рапсового масла, смолы хвойных деревьев и кокосовой копры. Применяются в качестве присадок к моторным маслам. Молекулы эстеров обладают электрическим зарядом (полярны), притягивающим их к поверхности трения в зоне контакта.Электрический заряд так распределен в молекулах эстеров, что полярная молекула притягивается к металлу одним концом, образуя плотный молекулярный ворс. Исходная вязкость эстеров задается еще на этапе производства основы, так как чем более тяжелые используются спирты, тем выше получается вязкость масляной основы. При этом можно вообще отказаться от загущающих присадок, которые в процессе работы двигателя постепенно «выгорают», приводя к окислению («старению») масла. В настоящее время существуют технологии изготовления полностью биологически разлагаемых масел (биомасел) на основе эстеров.
Кинематическая вязкость – основной показатель смазочных масел, показывает зависимость между динамической вязкостью и плотностью жидкости. Ее определяют в капиллярных вискозиметрах путем измерения времени протекания известного объема жидкости через небольшое калиброванное отверстие при заданной температуре. Единицы измерения кинематической вязкости – мм2/с или сантистоксы (сСт).Моторное масло на основе эстеров обойдется потребителю примерно в 10 раз дороже, чем на минеральной основе. Например, литр эстеровой моторной «синтетики» стоит минимум 15–20 долларов США. Поэтому эстеры добавляют к другим масляным основам в качестве присадок (обычно 3…5 %).
Динамическая вязкость – внутреннее трение или свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц под влиянием действующих на них внешних сил. Она характеризует несущую способность и прокачиваемость жидкости, измеряется с помощью вискозиметров и обозначается в Па·с или пуазах.Как уже отмечалось, синтетические моторные масла обладают более высокой вязкостно – температурной характеристикой (ВТХ) по сравнению с маслами на минеральной основе. Температура потери подвижности синтетических моторных масел может быть существенно ниже (до —650 оС), чем у минеральных, а вязкость при температурах 250…3000 оС в 2–3 раза выше, чем у равновязких им минеральных масел при 1000 оС.
Благодаря высокому индексу вязкости, синтетическое масло позволяет поддерживать оптимальную толщину масляного клина как при низких, так и при высоких температурах, что, в свою очередь, снижает износ деталей двигателя, особенно в условиях экстремальных температур.
Так, при низких температурах «синтетика» сохраняет свою текучесть, что обеспечивает максимально быстрое поступление масла к узлам трения и снижает износ деталей при пуске, а низкая испаряемость позволяет экономить на угаре масла.
Более равномерная молекулярная структура способствует снижению внутреннего трения, за счёт чего повышается эффективность работы двигателя и снижается температура масла.
Синтетические масла имеют лучшую термическую стабильность, низкую испаряемость и малую склонность к образованию высокотемпературных отложений. Они превосходят минеральные масла по антиокислительным свойствам, диспергирующей и механической стабильности, обладают равными или лучшими противозадирными и противоизносными свойствами. Поэтому синтетические масла с успехом применяются в высокофорсированных теплонапряженных ДВС.
Задир – катастрофический износ, наблюдаемый в парах трения из‑за местного сваривания и разрушения мест сварки. Его можно предотвратить использованием противоизносных, противозадирных присадок и модификаторов трения.Благодаря своим свойствам синтетические масла могут эксплуатироваться 20 и более тысяч километров пробега автомобиля без замены. Расход синтетических моторных масел на угар на 30…40 % меньше по сравнению с минеральными.
Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделия до наступления разрушения или другого предельного состояния. Предельное состояние устанавливается в соответствии с изменениями параметров, условий безопасности, экономических показателей, необходимости первого капитального ремонта и т. п.В то же время, наряду с высокой ценой традиционных компонентов, таких как ПАО и эстеры, синтетические масла обладают более высокой, чем у «минералки», активностью по отношению к материалам уплотнений, в них хуже растворяются дополнительные присадки, которые используются при производстве современных моторных масел. При этом эстеры (эфиры) очень требовательны к отсутствию в масле влаги, в том числе водяного конденсата.
3. Частично синтетические (полусинтетические) масла (Semi‑Synthetic, Teil Synthetic, Synthetic, Synthetic Based, Synthetic Blend), состоящие из смесей минеральных и синтетических базовых масел.
Как показывает практика, большинство моторных масел, позиционируемых как полусинтетические, а частично и полностью синтетические масла, на самом деле являются гидрокрекинговыми (НС) маслами, которые достаточно успешно совмещают высокие качества синтетики с неагрессивностью «минералки» при более доступной цене.
Гидрокрекинг (греч. hydor – вода, англ. cracking – расщепление) – технология химического синтеза моторных масел, заключающаяся в воздействии (насыщении) водородом в присутствии специального катализатора на высококипящие (тяжелые) нефтяные фракции, а также на легкокипящие и среднедистиллятные прямогонные фракции и вторичные продукты их термокаталитической переработки для получения бензиновых фракций, реактивного и дизельных видов топлива, смазочных материалов и т. д.В отличие от ПАО, гидрокрекинговые масла получают не из коротких бензиновых мономеров, а из тяжелых и длинных углеводородов. Длинные углеводородные цепочки разрушают (крекингом) на более короткие «масляные», но с однородной структурой. К местам разрыва в новых укороченных молекулах прикрепляют водород, т. е. происходит «гидрирование + крекинг = гидрокрекинг». В результате НС – синтеза получают базовое масло с очень высокими вязкостно – температурными характеристиками с индексом до 130…150 единиц.
Гидрокрекинговое масло – смазочное масло, полученное путем перегонки и глубокой очистки нефти на основе гидрокрекинга, улучшенное специальными синтетическими присадками, обладает лучшими свойствами, чем чисто минеральное масло, но большим нагарообразованием и коррозионной активностью, чем чисто синтетическое масло.Одним из этапов изготовления гидрокрекинговых масел является введение специальных вязкостных присадок, в результате чего индекс вязкости еще больше увеличивается, и может достигать 180 единиц, что сопоставимо со 100 %-ным синтетическим маслом. К тому же, НС – масла не разрушают материал уплотнений, менее восприимчивы к наличию влаги, обладают лучшими синергетическими свойствами с дополнительными присадками, чем ПАО или эстеры.
Синергетика (греч. synergetikos – совместимый) – научное направление, изучающее общие закономерности, управляющие процессами самоорганизации в системах разного рода: биологических, технических, химических и т. д.Нужно сказать, что реальное содержание ПАО в обычной полусинтетике не более 30…35 % (чаще 15…25 %), остальное – минеральная основа и специальные присадки. Как видно, основные компоненты синтетических масел – ПАО и эстеры – также являются своего рода присадками при изготовлении моторных масел. Гидрокрекинговые масла состоят из НС – компонента примерно на 80 %, остальные 20 % приходятся на пакет присадок (рис. 4).
Рис. 4. Примерное содержание присадок в моторном масле:
1 – базовое масло (80 %); 2 – вязкостные присадки (10 %); 3 – остальные присадки (10 %)
При аналогичном качестве стоимость гидрокрекинговой основы всего в 2 раза выше минеральной, но в 2,5 раза ниже стоимости ПАО и в 3–5 раз дешевле эстеров.
Современные моторные масла используются для уменьшения трения, снижения износа и предотвращения задира контактируемых поверхностей. Масло отводит теплоту от трущихся деталей и уплотняет зазоры, в первую очередь в зоне цилиндропоршневой группы двигателя.
Износ различных узлов и деталей двигателей внутреннего сгорания зависит от ряда факторов, определяемых особенностями конструкции и техническим состоянием двигателя, условиями его эксплуатации, качеством применяемого топлива и масла и т. п.
Интенсивность изнашивания увеличивается в случае:
– попадания абразива в смазочную систему (роль абразива могут играть также продукты разложения масла, образующие зольные отложения) или при переходе с нефтяного топлива на топливо не нефтяного происхождения (в частности спиртовое);
Интенсивность изнашивания – отношение величины износа поверхностей трения (в принятых единицах) к пути трения или объёму выполненной работы. Различают линейную, весовую, энергетическую интенсивности изнашивания.– повышения содержания серы в топливе;
– накопления в масле воды или другой охлаждающей жидкости;
– повышения химической активности масла;
– увеличения расхода масла на угар вследствие повышенного пенообразования масла и т. д.
Абразивный материал – минерал естественного или искусственного происхождения, частицы которого имеют высокую твёрдость и обладают способностью микрорезания (царапания, скобления и т. д.). Разрушение поверхности детали в результате её взаимодействия с такими частицами называют абразивным изнашиванием.Повышение надежности работы двигателя достигается и другими способами, приводящими к снижению износа. Например, наличие в масле воды снижает его способность противодействовать изнашиванию трущихся поверхностей. С целью удаления из масла воды, механических примесей, и других продуктов, присутствие которых может отразиться на работе двигателя в процессе эксплуатации, увеличивают эффективность работы средств очистки.
Условия работы моторного масла определяются различными рабочими температурными нагрузками на узлы и детали двигателя, смазываемые моторным маслом (цилиндропоршневая группа, подшипники, механизм газораспределения и т. д.). Для обеспечения надежной подачи моторного масла к различным агрегатам двигатели оснащены специальными приспособлениями (смазочной системой): емкостью для хранения масла, средствами очистки (фильтрами), масляной магистралью, насосами и т. п.
Функциональные свойства многих масел ранее оценивали, прежде всего, по их вязкостно – температурным характеристикам и смазочной способности. В настоящее время требования к эксплуатационным свойствам масел значительно расширились и ужесточились, что потребовало введения большого числа показателей свойств масел. В общем случае смазочные масла должны обладать следующими характеристиками:
1) оптимальными вязкостно – температурными свойствами, обеспечивающими подвижность при низких температурах, и создание прочной смазочной пленки на рабочих поверхностях в широком диапазоне температур;
2) смазывающими свойствами, обеспечивающими минимизацию трения и различных видов изнашивания;
3) высокой устойчивостью к окислению, предотвращающей значительные изменения химического состава смазочных масел в процессе их работы;
4) моющими свойствами, влияющими на снижение склонности масел к образованию различного состава смолистых отложений на рабочих поверхностях и в смазочной системе;
5) низкой коррозионной активностью;
6) удовлетворительными защитными свойствами, позволяющими маслу предохранять металл от атмосферной коррозии.
Смазочные масла также должны обладать низкой испаряемостью, пенообразующей способностью, не вступать в соединение с водой (эмульгироваться), не оказывать отрицательного влияния на уплотнительные материалы, не быть токсичными, не подвергаться биоповреждениям, не изменять своих свойств при хранении и регенерации, легко транспортироваться, не вызывать загрязнения окружающей среды и т. д.
Несомненно, к важным факторам обеспечения длительного и эффективного срока службы автомобильной техники относится не только высокое качество ее эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, но и качество применяемых топливно – смазочных материалов (ТСМ) и других препаратов автохимии. Как уже неоднократно отмечалось, основным способом повышения функциональных свойств смазочных материалов является применение дополнительных присадок и добавок.
Различные препараты для применения в качестве каких‑либо добавок к топливно – смазочным материалам изначально были созданы для повышения их противоизносных, антифрикционных, экономических и экологических свойств, т. е. для профилактики износа и поддержания техники в работоспособном состоянии. Большинство из них и сейчас выпускается для этих целей.
В настоящее время, наряду с принятыми и широко распространенными показателями (противоизносными, защитными, антикоррозионными, диспергирующими, стабилизирующими, вязкостно – температурными, антиокислительными, противопенными и др.), для моторных масел введены новые – демпфирующие, противопиттинговые и др. Для их обеспечения разрабатываются новые технологии производства базовых масел и присадок к ним.
Питтинг – (англ. pit – делать ямки) – местная коррозия металлической поверхности вследствие разрушения граничных слоев смазки, ограниченная точкой или малой областью, которая имеет форму каверны. Питтинг уменьшается в присутствии присадок, снижающих напряжения сдвига, таких как дисульфид молибдена или графит.При эксплуатации машин и механизмов происходят значительные химические и физические изменения в маслах, т. е. изменяются их состав и свойства, что влияет на эксплуатационные свойства масел. Для предотвращения подобных изменений в большинство смазочных масел вводят специальные вещества и их композиции. В зависимости от состояния и растворимости в масле эти вещества получили разные названия. Органические маслорастворимые продукты составляют самую распространенную группу и называются присадками. Твердые нерастворимые вещества, как правило, неорганического происхождения, называются антифрикционными добавками, а полимерсодержащие композиции – модификаторами. Имеются также кондиционеры и рекондиционеры металла.
Кондиционер (рекондиционер) металла (поверхности) (англ. air – condition – состояние воздуха) – вещество и механизм воздействия на металл (поверхность), позволяющие восстанавливать структуру и состав металла (поверхности), на который он воздействует посредством доставки необходимых компонентов (среды и энергии) от внешних источников (препаратов), а также придавать трущимся поверхностям высокие антифрикционные и противоизносные свойства.Существует более ста органических и металлоорганических присадок, предназначенных для повышения устойчивости масел к окислению, абсолютного значения их вязкости, а также смазочной способности. Одновременно они снижают зависимость вязкости масла от температуры, температуру застывания, замедляют коррозию металлических поверхностей, уменьшают нагары на деталях двигателей и т. д.
По своему действию присадки разделяют на: противоизносные, антифрикционные, антиокислительные, вязкостные (загущающие), депрессорные, противопенные и др. (табл. 5).
Таблица 5. Некоторые функциональные присадки, используемые в смазочных маслах
Дисперсант – присадка, которая способствует поддержанию твердых загрязнений в картерном масле в состоянии коллоидной суспензии, предотвращая образование шламов и лаков на деталях двигателя. Обычно это беззольные, не содержащие металла соединения, используемые в сочетании с детергентами.В основном присадки вводят в масла в небольших количествах: от долей до нескольких процентов (в композициях их общая концентрация может доходить до 15 % и более). Исключение составляют вязкостные присадки, которых может добавляться до 20…30 %, что значительно изменяет свойства базовых масел. Высокий уровень концентрации присадок приводит к тому, что незначительное изменение баланса, например, вследствие попадания в масло топлива, влаги, а также окисления при работе существенно снижает его стабильность. Поверхностно – активные вещества (ПАВ) присадок теряют свои свойства, вступая в реакцию с влагой и топливом, в результате снижается не только эффективность их применения, но и ухудшаются трибологические свойства базовых смазочных материалов.
По химическому составу присадки к смазочным материалам представляют собой производные различных органических соединений – алкилфенолов, аминов, дитиофосфорных, дитиокарбаминовых, салициловых кислот и ряда других веществ.
Присадки состоят из молекул одной или нескольких полярных групп и одной или нескольких неполярных. Полярные группы обусловливают адсорбцию молекул ПАВ присадок на границе между маслом и металлом. По группе активной (полярной) составляющей присадки подразделяют на серо-, фосфор-, кислород-, хлор-, азот– и борсодержащие. Неполярные группы (алкильные радикалы, нафтеновые или ароматические кольца и их сочетания) определяют растворимость присадок в маслах.
Большинство базовых присадок являются техническими продуктами, представляющими собой раствор активного компонента в масле или другом растворителе. В таком виде под различными условными названиями и индексами выпускаются производные мочевины, сульфонаты, сукцинимиды, эфиры фосфорной кислоты и многие другие присадки.
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.