UA-75651220-1

Мастильні матеріали

Мастильні матеріали класифікують за агрегатним станом, способом отримання і цільовим призначенням.

Речовини, які використовуються як мастильні матеріали, залежно від їх агрегатного стану поділяють:
   - на рідкі - мастила;
   - тверді - тверді мастила;
   - мазеподібні - пластичні мастила.

За способом отримання мастильні матеріали поділяють:
   - на нафтові;
   - синтетичні;
   - змішані.

До нафтових належать усі мастильні матеріали на нафтовій основі, до змішаних - такі, що містять нафтові й синтетичні компоненти.

Залежно від призначення розрізняють:
   - моторні мастила, що використовуються для поршневих ДВЗ;
   - газотурбінні мастила - для мащення газотурбінних двигунів;
   - трансмісійні мастила - для мащення зубчастих передач різних типів та інших рухомих елементів машин і механізмів (шарнірів, рейкових передач тощо);
   - індустріальні мастила - для мащення промислового обладнання і приладів;
   - спеціальні мастила - використовуються у конкретних галузях машинобудування (компресорні, трансформаторні, холодильні тощо).

Властивості мастильних матеріалів мають максимально задовольняти вимогам, що висуваються під час їх експлуатації, а також під час зберігання і транспортування.

У загальному випадку до мастильних матеріалів висувають такі вимоги (рис. 1.4.13):
   - наявність мастильних властивостей, тобто поєднання антифрикційних, протизносних і протизадирних властивостей;
   - в’язкісно-температурні й депресорні властивості, тобто мінімальна залежність в’язкості і інших фізичних показників від температури;
   - стабільність властивостей, тобто здатність зберігати показники якості як при зберіганні, так і при роботі у двигунах за заданих експлуатаційних умов протягом якомога більшого часу експлуатації;
   - антикорозійні та консерваційні властивості, тобто здатність захищати конструкційні матеріали від корозії;
   - мийно-диспергуючі і промивні властивості, тобто здатність запобігати утворенню відкладень у двигуні;
   - здатність відводити тепло і продукти зносу від деталей двигунів і ущільнювати зазори між поверхнями тертя;
   - мінімальна токсичність і пожежна безпека;
   - висока економічна ефективність.

 
Рис. 1.4.13. Основні вимоги до властивостей мастильних матеріалів
Мінеральні мастила поділяють на конструкційні (індустріальні, моторні, трансмісійні тощо) і технологічні, що застосовуються для обробки металів (рис. 1.4.14).
Рис. 1.4.14. Класифікація мінеральних мастил
До конструкційних належать мастила, що застосовуються для змащування виробничого обладнання, яке експлуатується в закритих приміщеннях при більш чи менш сталих навантаженнях і швидкостях і відсутності агресивних середовищ. ГОСТ 20799-75 передбачає випуск індустріальних мастил загального призначення таких марок: И-5А, И-8А, И-12А, И-20А, И-25А, И-30А, И-40А, И-50А, И-70А, И-100А. У позначеннях марок літера «И» означає, що мастило індустріальне, А - без присадок, цифри - середнє значення кінематичної в’язкості в сСт (сантистоксах) при 50 °С.

Моторні мастила застосовують для змащування двигунів внутрішнього згоряння. Залежно від призначення їх поділяють на шість груп:
А - для нефорсованих карбюраторних і дизельних двигунів;
Б - для малофорсованих карбюраторних (Б1) і дизельних (Б2) двигунів;
В - середньофорсованих карбюраторних (В1) і дизельних (В2) двигунів;
Г - високофорсованих карбюраторних (Г1) і дизельних (Г2) двигунів;
Д - високофорсованих дизельних двигунів, що працюють у важких експлуатаційних умовах;
Е - дизельних малооборотних двигунів із лубрикаторною системою мащення.

Асортимент моторних мастил - кілька десятків, і він регламентується такими стандартами: ГОСТ 10541-78, ГОСТ 8581-78, ГОСТ 12337-84. Марки цих мастил мають цифрові і літерні позначення. Наприклад, М-8А - мастило моторне (М) в’язкістю 8 сСт при 100 °С для нефорсованих (А) карбюраторних і дизельних двигунів. Додатковими (уточнюючими) елементами в марках моторних мастил можуть бути літери: з - мастило усесезонне, и - містить імпортні присадки, к - для двигунів типу «КамАЗ», тс - можна використовувати як трансмісійне (наприклад, М-20-В2(3)).

Для мащення коробок передач, кермового керування задніх мостів, гіпоїдних передач і різноманітних редукторів застосовують трансмісійні мастила. Нафтопереробна промисловість випускає близько двох десятків трансмісійних мастил, їх основні марки зазначені в ГОСТ 23652-79. Це ТАп-15В, ТСп-14,5, ТАд-17И, ТСп-14ГИП та ін.

Для виготовлення практично всіх моторних мастил використовують базові нафтові мастила, які за способом виготовлення поділяють на три види: дистилятні, які отримують шляхом очищення окремих дистилятів, що відділяються при перегонці мазуту; залишкові, які отримують при переробці гудрону; змішані (компаундовані), що отримують змішуванням дистилятних мастил із залишковими.

Вибір базового мастила визначається заданою величиною в’язкості: для малов’язких моторних мастил використовують дистилятні, для середніх - змішані, для високих - залишкові.

Для підвищення техніко-експлуатаційних і економічних показників мастил у них вводять присадки, кількість яких змінюється від часток відсотка до 25-35 %. Після введення присадок у мастила можуть утворюватися істинні (молекулярні) розчини, колоїдні розчини, суспензії й емульсії з різним ступенем дисперсності. Молекулярні розчини є гомогенними системами і здатні зберігати однорідність необмежено тривалий час на відміну від колоїдних розчинів, суспензій і емульсій, які є фізично неоднорідними.

Під мастильними властивостями мастил розуміють поєднання їх антифрикційних, протизносних і протизадирних властивостей (рис. 1.4.15). Мастильні властивості мастил виявляються у трьох аспектах: механічному, фізичному і хімічному. Механічний аспект, який виявляється при гідродинамічному режимі мащення, характеризується наявністю між поверхнями тертя шару мастила, який має об’ємні властивості. Фізичний аспект, який виявляється при граничному режимі мащення, полягає у здатності мастила утворювати на поверхнях тертя адсорбовані плівки.
Рис. 1.4.15. Основні показники мастильних властивостей мастил
В’язкість і депресорні властивості мастил. Величина в’язкості визначає мастильні і протизносні властивості адсорбованої плівки мастила, витрати енергії на забезпечення пуску холодного двигуна і циркуляції мастила в системі мащення, умови його потрапляння до поверхонь тертя на несталих режимах роботи і під час запуску двигуна, ефективність ущільнення зазорів між поверхнями тертя тощо. В’язкість нафтових мастил значною мірою залежить від температури.

Зміна в’язкості мастила за температурою визначається його вязкісно-температурною характеристикою (ВТХ).

Специфічною особливістю нафтових моторних мастил є застигання при зниженні температури до визначеної межі. Застигання характеризується втратою мастилом рухомості (плинності).

Розрізняють структурне застигання, при якому рухомість мастила зменшується внаслідок кристалізації, і в’язкісне застигання, при якому рухомість мастила зменшується внаслідок збільшення в’язкості.

Температура, за якої мастило втрачає рухомість, називається температурою застигання.

Здатність мастила не втрачати рухомість до певних температур визначається його депресорними властивостями.

Для зниження температури, за якої мастила втрачають рухомість, до них додають речовини-депресатори. Додавання 0,5 % депресорної присадки знижує температуру застигання мастила на 15-20 °С.

Пенетрація - показник консистенції (густоти) мастил, що визначається на пенетрометрі за глибиною занурення стандартного конуса за 5 с під дією навантаження масою 150 г при 25 °С.

Зольність - частка неорганічних домішок у відсотках, яка залишається після прожарювання деякої маси мастильного матеріалу при 600 °С протягом 1,5-2 год.

Стабільність мастила. Під стабільністю мастила розуміють його здатність зберігати показники якості у межах визначених допусків у заданих умовах експлуатації. Розрізняють хімічну і фізичну стабільність мастил.

Хімічна стабільність визначається здатністю мастила зберігати хімічний склад при зберіганні, транспортуванні й використанні. Основною причиною порушення хімічної стабільності мастила є окиснення вуглеводів, що входять до його складу, киснем, що міститься в газах, які контактують з мастилом.

Здатність мастила протистояти окисненню при підвищених температурах характеризується його термоокисною стабільністю. Для підвищення стійкості мастил проти окиснення у них вводять антиокисні присадки.

Здатність мастила протистояти радіаційному опроміненню характеризується його радіаційною стійкістю (стабільністю). Радіаційна стійкість мастил багато у чому залежить від їх термоокисної стабільності.

Фізична стабільність мастила змінюється внаслідок його випарювання під час роботи у двигуні. Оцінювання фізичної стабільності мастила здійснюється за температурою спалахування парів. Температурою спалахування парів мастила називають мінімальну температуру, за якої пари мастила і повітря утворюють суміш, що спалахує на відкритому повітрі й горить не менше 5 с.

Температура застигання (тверднення) - температура, за якої мастило настільки затужавіє, що при нахиленні пробірки під кутом 45° його поверхня залишається нерухомою протягом 1 хв.

Температура краплепадіння - температура, за якої відбувається падіння першої краплі мастила, що, нагріваючись при певних умовах, переходить у рідкий стан.

Фізична гомогенність мастила визначається рівномірністю розподілу в ньому домішок і присадок, які не розчиняються у мастилі.

Вплив мастила на утворення відкладень. Основною причиною утворення відкладень є старіння моторного мастила й осадження продуктів, що при цьому утворилися, на внутрішніх поверхнях двигуна. Розрізняють три основні види відкладень: високотемпературні - нагар, середньотемпературні - лакові відкладення, чи лаки, і низькотемпературні - шлам, чи осадок.

Антикорозійні та консерваційні властивості мастил. Корозійну агресивність мастил обумовлюють водорозчинні кислоти, що містяться в них і утворюються з оксидів сірки і азоту (оксиди утворюються під час згоряння сірчаних з’єднань, що містяться в паливі й окиснення атмосферного азоту у камері згоряння двигуна), а також органічні кислоти і галоїдні сполуки, які утворюються при окисненні та згорянні етилованого палива.

Зі збільшенням кислотності мастила збільшується корозійне зношення вузлів тертя в машинах і механізмах.

Для зменшення корозійного зношення деталей двигунів у моторні мастила вводять антикорозійні присадки, які мають лужні властивості й забезпечують нейтралізацію кислих продуктів.

Протипінні і деемульсійні властивості мастил. Насичення мастила газом називається аерацією. В мастилі може бути до 25 % об’єму газу. Аерація значно зростає при перегріві мастила.

Властивість мастила утворювати піну характеризується його піноутворенням. Аерація є основною причиною утворення піни в мастилі. Вона чинить негативний вплив на стан мастила й умови його роботи у двигуні. Кероване мастило має гірші мастильні властивості, меншу хімічну стабільність і підвищену корозійну агресивність. Для зменшення ймовірності утворення піни в мастило вводять протипінні присадки.

При потраплянні води в моторне мастило утворюється емульсія, що являє собою суміш дрібних крапель води з мастилом. Такі емульсії погіршують мастильні властивості мастила і підсилюють його корозійний вплив. Для зменшення кількості емульсії і прискорення її розшарування в моторні мастила вводять спеціальні речовини - деемульгатори.

Обкочувальні властивості мастила. Експлуатаційна надійність і довговічність двигуна значною мірою визначається якістю його обкатки, при якій відбувається припрацювання поверхонь тертя, змінюється мікрогеометрія, мікротвердість і маслоємність. Від властивостей мастила залежать якість і тривалість припрацювання деталей. Тому для забезпечення якісної й ефективної обкатки двигунів необхідно використовувати спеціально дібрані мастила, які мають високі мийні, диспергуючі, антиокиснювальні й антикорозійні властивості, а також можливість забезпечувати інтенсивне припрацювання поверхонь тертя. Для підвищення цієї можливості в мастила вводять обкат присадки, які складаються з поверхнево-активних речовин на основі сірки, хлору, фосфору, жирних кислот тощо.

Тверді та пластичні мастильні матеріали

Тверді шаруваті мастила (ТШМ) - кристалічні речовини, що мають мастильні властивості: графіт, дисульфіди молібдену і вольфраму, нітрид бору, броміди олова і кадмію, сульфат срібла, йодиди вісмуту, нікелю і кадмію, селеніди і телуриди вольфраму і титану тощо.

Усі ТШМ мають шарувату структуру, яка характеризується тим, що атоми, які лежать в одній площині (одному шарі), перебувають ближче один до одного, ніж у різних шарах. Це обумовлює різну міцність зв’язків між атомами в різних напрямках, у результаті чого під впливом зовнішніх сил відбувається ковзання (зсув) одних шарів атомів відносно інших. Ця властивість є необхідною, але недостатньою. Необхідною є також добра адгезія ТШМ до матеріалу поверхні тертя.

Зносостійкість твердих мастил оцінюється за їх схильністю до стирання. Величина стирання визначається часом роботи вузла тертя за заданих умов до стирання покриття з твердого мастила.

Тверде мастило може бути використане як домішка, що суттєво підвищує ефективність мастил. Більшість твердих мастил є нерозчинними у вуглеводах, тому їх вводять у моторне мастило у вигляді колоїдних дисперсій. У результаті збільшується ресурс вузлів тертя і знижується ймовірність задиру в умовах «мастильного голодування».

М’які метали (свинець, індій, олово, кадмій, мідь, срібло, золото й ін.) мають низьку міцність на зріз і завдяки цьому можуть застосовуватися як мастило, яке наноситься у вигляді тонких плівок на міцніші основи. Поведінка плівок цих металів багато в чому є схожою з мастилами.

Деякі полімерні матеріали (фторопласт-4, капрон, нейлон, поліетилен, поліамід та ін.) мають мастильні властивості. Їх наносять на поверхні тертя у вигляді плівок різної товщини, а мастило використовують як пресовані вкладені. Застосування мастил на основі полімерних матеріалів унаслідок їх низької термічної стійкості й малого коефіцієнта теплопровідності є обмеженим.

Перспективною галуззю використання твердого мащення є композиційні мастильні матеріали (КММ), які являють собою комбінацію окремих видів твердого мащення, що забезпечує оптимальне поєднання їх мастильних властивостей, механічної міцності й оброблюваності. Матриця КММ може виготовлятися з полімерних, металевих або керамічних матеріалів.

Пластичні мастила (ПМ) - особливий клас мастильних матеріалів, які одержують загущенням мінеральних, рослинних або синтетичних мастил. Відповідно до ГОСТ 23258-78 усі пластичні мастила поділяють на чотири групи: антифрикційні, консерваційні, ущільнювальні й канатні (рис. 1.4.16).
Рис. 1.4.16. Загальна класифікація пластичних мастил
айбільша група мастил - антифрикційні - поділяється на підгрупи, які позначаються індексами:
С - загального призначення для помірних температур (до 70 °С);
О - для підвищених температур (до 110 °С);
М - багатоцільові, працездатні при температурі -30-+130 °С за умов підвищення вологості;
Ж - термостійкі, працездатні до температури 150 °С і вище;
Н - морозостійкі, працездатні за температури нижче -40 °С;
И - протизадирні та протиспрацювальні, які працюють у підшипниках кочення з контактними напругами понад 2500 МПа, а в підшипниках ковзання - понад 150 МПа;
П - приладові;
Д - припрацьовувальні, що містять дисульфід молібдену й інші добавки;
X - хімічно стійкі.

У позначеннях марок мастил указується на тип загусника, діапазон робочих температур, консистенцію. Наприклад, літієве мастило «Литол-24» позначається МЛи4/13 = 3. Літера М означає, що мастило багатоцільове, Ли - загущене літієвим милом. Робочий діапазон температур цього мастила перебуває в межах від -40 °С до +130 °С (числа 40 і 130 зменшені в десять разів). Цифра 3 характеризує консистенцію мастила (межа пенетрації 220-250). Проте таке маркування мастил ГОСТ 23858-79 передбачається лише для нормативно-технічної документації. Основними вузлами тертя, де застосовуються антифрикційні мастила, є підшипники кочення і ковзання, шарніри і різноманітні площини, що зазнають тертя, зубчасті і ланцюгові передачі, багато інших механічних систем і конструкцій.

Основне призначення консерваційних мастил (вазелін ВТВ-1, К-17, ПВК та ін.) - запобігання корозії металевих виробів під час їх зберігання, транспортування й експлуатації.