Основное назначение нефтяных масел состоит в том, чтобы снизить трение между твердыми поверхностями движущихся частей различных механизмов, станков, двигателей, машин и тем самым предотвратить их износ. При наличии масляной смазки сухое трение металлических поверхностей заменяется трением слоев вязкой жидкости между собой. Сила сцепления между молекулами масла и материала смазываемой поверхности превышает силу взаимного сцепления молекул масла, вследствие чего на поверхности металла образуется прочный слой смазывающего материала. Наличие такого слоя исключает возможность сухого трения, а так как коэффициент трения между слоями жидкой смазки в несколько десятков раз ниже коэффициента сухого трения, то энергетические затраты на преодоление сил трения при использовании смазки значительно снижаются.
Нефтяные масла представляют собой смесь жидких высококипящих фракций, очищенных от нежелательных примесей. Нефтяные масла иногда называют минеральными - с тем, чтобы отличить от синтетических масел, которые представляют собой органические соединения, полученные многоступенчатым синтезом. По способу выделения из нефти минеральные масла подразделяют на дистиллятные, остаточные и компаундированные, т. е. получаемые смешением дистиллятных и остаточных компонентов.
В зависимости от метода очистки различают следующие масла: неочищенные (полученные непосредственно при перегонке нефти), выщелоченные, кислотно-щелочной, кислотно-контактной, селективной и адсорбционной очистки, гидрокрекинга.
По области применения нефтяные масла подразделяют на смазочные и специальные. В свою очередь смазочные масла делят на индустриальные, моторные, масла для прокатных станов, накуумные, цилиндровые, энергетические, трансмиссионные, осевые, приборные, гидравлические.
Индустриальные масла предназначены для смазывания различного промышленного оборудования. В марках всех индустриальных масел цифра показывает значение кинематической вязкости при 50 °С. Основные группы индустриальных масел охарактеризованы ниже:
1) масла общего назначения серии И (И-5А, И-8А, И-12А и т. д.) применяют для смазки текстильных машин, металлорежущих станков, подшипников, контрольно-измерительных приборов; используют в качестве рабочих жидкостей в гидравлических системах станочного оборудования и автоматических линий, а также для технологических нужд (жирование кож,изготовление пластичных смазок, косметических кремов и т.д.);
эти масла не содержат присадок, их вязкость колеблется от 4—5 (И-5А) до 90—118 (И-100А) мм2/с;
2) масла для высокоскоростных механизмов (ИГП-4, ИГП-6 и др.) применяют для смазки различного станочного-оборудования, зубчатых, червячных и винтовых передач; они содержат различные присадки (антиокислительные, противоизносные, антикоррозионные);
3) масла для гидравлических систем промышленного оборудования (ИГП-18, ИГП-30, ИГП-72, ИГП-91) используют
для обеспечения надежной работы станков, автоматических линий, прессов, редукторов;
4) масла серий ИРп и ИСп служат для смазывания зубчатых передач и червячных механизмов, а масла серии ИТП — для смазывания тяжелонагруженных редукторов и коробок скоростей;
5) масла серий ИНСп и ИГНСп используют для направляющих скольжения;
6) телеграфное масло и сепараторные масла Л и Т применяют в специфических областях.
Важную группу смазочных масел составляют моторные масла для карбюраторных, автотракторных, дизельных и авиационных двигателей. В зависимости от вязкости моторные масла делят на классы (табл. 16.3).
В марке масла указывают значение кинематической вязкости при 100 °С, а для загущенных масел существует двойная маркировка: в числителе приводят вязкость при —18 °С, в знаменателе — вязкость при 100 °С, индекс «з» указывает на присутствие загущающей присадки.
А Б
В зависимости от эксплуатационных свойств предусмотрено деление моторных масел на группы и подгруппы. Масла соответствующих групп к подгрупп применяют для определенных видов двигателей.
Масла для автомобильных карбюраторных двигателей выпускаются на основе дистиллятных или смешанных масел селективной очистки. Вырабатываются масла шести классов вязкости (6, 8, 10, 12, 4з/6, 6з/10) и четырех групп (А, Б,, Вь Г,). В маслах группы А (М-6А, М-8А) содержатся моющие, антиокислительные и депрессорные присадки, а в маслах группы Bi (M8Bl5 М4з/6В!), предназначенных для всесезонной эксплуатации, — комплекс высокоэффективных присадок.
В число дизельных масел входит более 50 сортов, относящихся к различным группам и подгруппам. В зависимости от условий применения эксплуатационные характеристики этих масел изменяются в широких пределах, например вязкость при 100 °С составляет 8—20 мм2/с. Для быстроходных дизелей предназначены масла МТ-16п, МТ-8п, для малофорсированных транспортных дизелей — масло М-20А, для автотракторных дизелей —М8В2, М-10В2, М-10В2С, М-8Г2к, М-10Г2к. Температура застывания дизельных масел колеблется от —10 до —43 °С, индекс вязкости — от 80 до 100.
Авиационные смазочные масла делят па масла для поршневых и газотурбинных двигателей. В поршневых двигателях применяют масла селективной очистки МС-14 и МС-20, масло кислотной очистки МК-22; в турбореактивных двигателях — масла фенольной очистки МС-6 и МС-8, синтетические масла на основе сложных эфиров жирных кислот Б-ЗВ, 36/1 -КуА. Для турбовинтовых двигателей применяют смеси, приготавливаемые из масел МК-8 и МС-20 (или МС-20с), а также синтетическое масло ВНИИНП-7. Эти масла содержат загущающую, противоизносную и антиокислительную присадки.
Масла для прокатных станов предназначены для смазывания зубчатых передач и подшипников жидкостного трения. Выпускают масла для прокатных станов марок П-28, ПС-28, П-8П (цифры —вязкость при 100 °С в мм2/с).
Масла вакуумные применяют в качестве рабочих жидкостей вакуумных насосов; отличаются узким фракционным составом, малой испаряемостью и низким давлением насыщенных паров; вырабатываются марки ВМ-1, ВМ-3, ВМ-4, ВМ-5, ВМ-6.
Масла цилиндровые предназначены для смазывания горячих частей паровых машин; в машинах, работающих с использованием насыщенного пара, применяют легкие масла 11 и 24, а в машинах, где рабочим телом является перегретый пар,— тяжелые масла 38 и 52 (цифры —средняя вязкость при 100 °С в мм2/с).
Энергетические масла подразделяют на:
а) турбинные масла, предназначенные для смазывания и охлаждения подшипников паровых, гидравлических и газовых
турбин, турбонасосов, турбокомпрессоров, для систем регулирования турбоагрегатов; смена отработавшего масла в этих
машинах является сложной операцией, поэтому турбинные масла должны обладать повышенной стойкостью против окисления, не выделять продуктов коррозии и окисления; выпускают масла Тп-22, Тп-30, Тп-46, Т22, Тзо, Т46, Т57 (цифры —вязкость при 50 °С в мм2/с, буква «п» — присадка);
б) компрессорные масла, служащие для смазки цилиндров и клапанов компрессорных машин и в качестве уплотнительной
среды для герметизации камеры сжатия; масла К-8з, К-12, К-19, КС-19, К-28 применяют в поршневых и ротационных ма
шинах, а масла ХА (фригус), ХА-23, ХА-30, ХФ-12-16 и др. для холодильных компрессоров; получают глубокой очисткой нефтяных фракций;
в) электроизоляционные масла, обеспечивающие изоляцию токонесущих частей электрооборудования, служат теплоотводящей средой; в эту группу входят трансформаторные масла Т-750, Т-1500, ТКп; кабельные КМ-25, МН-4;конденсаторное.
Трансмиссионные масла используют и зубчатых зацеплениях коробки передач, зацеплениях картера, заднего моста и рулевого управления транспортных машин; они работают в условиях трении, более жестких, чем трение в других механизмах, в широком интервале температур (от —50 до 150 °С и выше). Выпускают трансмиссионные масла без присадок (ТС-14,5), с противоизносными (ТЭп-14,5) и противозадирными (ТСп-10, ТСЗп-8) присадками.
Осевые масла служат для смазывания осей колесных пар железнодорожных вагонов и тепловозов, подшипников и других узлов трения. Осевые масла представляют собой неочищенные мазуты ярегской и некоторых эмбенских нефтей. Выпускают осевые масла марок Л (летнее), 3 (зимнее), С (северное).
Приборные масла предназначены для смазывания контрольно-измерительных приборов (масло МВП), счетно-аналитических машин (ПАРФ-1), микроэлектродвигателей, часовых механизмов.
Рабочие жидкости для гидравлических систем (гидравлические масла) подразделяют по назначению на жидкости для гидросистем летательных аппаратов (МГЕ-4А, РМ, ЛЗ-МГ-2), подвижной наземной (ВМГЗ) и корабельной (АУП) техники, гидротормозные и амортизаторные жидкости. Гидравлические масла могут выпускаться без присадок, с добавлением загущающих присадок, ингибиторов коррозии и окисления.
В группу специальных масел входят технологические (поглотительное, висциновое, нафтеновые и др.) и белые (вазелиновое и парфюмерное) масла.
Основными эксплуатационными характеристиками нефтяных смазочных масел являются вязкостно-температурные свойства, подвижность при низких температурах, устойчивость против окисления.
Вязкость. Требования, предъявляемые к вязкости смазочных масел, весьма различны; они зависят от характера и скорости движения трущихся поверхностей, удельных нагрузок. Так, вязкость автомобильных масел составляет 6—12 мм2/с, а для смазывания подшипников машин резиновой промышленности необходимо масло вязкостью 175—220 мм2/с (оба значения при 100 °С).
Вязкость масляных фракций, полученных из одной и той же нефти, растет с увеличением температурных пределов перегонки фракций. Вязкость фракций с одинаковыми пределами перегонки, полученных из разных нефтей или даже полученных из одной нефти, но очищенных разными способами, может оказаться неодинаковой. Вязкость зависит от углеводородного состава масляных фракций, который в свою очередь определяется химическим составом нефти и способом удаления нежелательных компонентов (очистки).
Наименьшую вязкость имеют алкаиы. Вязкость алканов Сго—См при 50 "С составляет 7—9 мм2/с. Удаление алканов из масляных фракций увеличивает вязкость масел. Разветвленные алканы по вязкости незначительно отличаются от нормальных.
Вязкость циклоалканов и аренов заметно выше, чем алканов, причем вязкость аренов выше, чем вязкость циклоалканов. При удалении из масляных фракций аренов и циклоалкано-аренов наблюдается снижение вязкости масел.
Вязкостно-температурные свойства. Для масел, работающих в широком диапазоне температур, в частности моторных, большое значение имеют вязкостно-температурные свойства. Необходимо, чтобы вязкость масел с уменьшением температуры повышалась не резко, т. е. чтобы кривая зависимости вязкости от температуры была по возможности более пологой.
Для оценки вязкостно-температурных свойств применяют два показателя: коэффициент вязкости и индекс вязкости. Коэффициент вязкости представляет собой отношение кинематической вязкости масла при 50 и 100 °С или при двух любых других температурах, соответствующих крайним значениям интервала температур работы исследуемого масла. Для масел с пологой температурной кривой вязкости характерны низкие значения коэффициента вязкости. Коэффициент вязкости не полностью отражает ход кривой изменения вязкости масел в зависимости от температуры и потому не получил широкого распространения.
Общепринятой является оценка вязкостно-температурных свойств масел по индексу вязкости (ИВ). В СНГ индекс вязкости определяют по специальным стандартным таблицам в зависимости от вязкости масла при 50 и 100 °С.
Вязкость масел зависит от температуры и углеводородного состава масел. Наиболее пологую кривую зависимости вязкости от температуры имеют нормальные алканы, ИВ у них превышает 200. У алканов с разветвленной цепью он ниже и уменьшается с увеличением степени разветвленности.
Для циклических аренов и циклоалкапои характерны следующие особенности:
1) вязкостно-температурные свойства улучшаются с увеличением отношения углеродных атомов боковых алкильных цепях к числу углеродных атомов в циклической части молекул;
2) ИВ снижается при увеличении числа колец в молекуле углеводорода;
3) ИВ алкилзамещенных бензола, циклогексана, нафталина и декалина растет почти пропорционально числу углеродных атомов в молекуле;
4) циклоалканы имеют лучшие вязкостнотемпературные свойства, чем арены.
Чтобы получить масла с высокими вязкостно-температурными свойствами, необходимо максимально удалить из масляных фракций смолисто-асфальтеновые вещества, извлечь (но не полностью) полициклические арены с короткими боковыми цепями. В масле должны быть полностью сохранены алкилзамещенные циклоалканов, аренов и циклоалканоаренов с большим числом углеродных атомов в боковой цепи.
Подвижность при низких температурах. Потеря подвижности масел при низких температурах происходит по двум причинам: из-за резкого повышения вязкости масла и вследствие появления в масле структур, состоящих из кристаллов твердых углеводородов. В первом случае масло сохраняет все свойства ньютоновской жидкости, хотя и становится практически неподвижным. Во втором случае оно приобретает свойства, присущие дисперсным (неньютоновским) системам: вязкость масла начинает зависеть от скорости сдвига и от времени приложения нагрузки.
Показателем, контролирующим подвижность масел при низких температурах, является температура застывания. Температура застывания автомобильных и дизельных масел колеблется от —10 до —40 °С, а для масел, применяющихся в турбореактивных авиационных двигателях, должна быть не выше —55 °С. Низкозастывающие масла получают, удаляя из фракций твердые алканы, полициклические арены и циклоалканоарены с короткой цепью.
Смазывающая способность. В ряде случаев, когда смазочные масла применяют при больших нагрузках и малых скоростях, не удается получить стабильный смазывающий слой определенной толщины. Поэтому большое значение приобретает возможность создания на металлической поверхности очень тонкого (0,1—1,0 мкм), но прочного смазочного слоя. Этот тип смазки носит название граничной смазки, а способность масел создавать такой слой характеризуют термином маслянистость, или смазывающая способность.
Химическая стабильность. Для масел (турбинных, компрессорных, моторных и др.), которые многократно циркулируют через узлы трения, одним из важнейших показателен является стойкость против окисления кислородом воздуха. Окисление компонентов масла представляет собой сложный процесс, развитие которого зависит от химического и прежде всего углеводородного состава масел, а также от условий эксплуатации. Показано, что первичными продуктами окисления углеводородов являются пероксиды, которые затем разлагаются и превращаются в другие кислородсодержащие соединения.
Накопление кислородсодержащих соединений в масле вредно сказывается на эксплуатационных свойствах.
Установлено, что по химической стабильности наилучшими свойствами обладают малоцикличные циклоалканы и арены, а также гибридные углеводороды с длинными боковыми цепями.
Стойкость масел к воздействию кислорода характеризуют следующие показатели: общая склонность масел к окислению; коррозионная активность масел; склонность к лакообразованию; склонность к образованию осадка в двигателях внутреннего сгорания. Для определения этих показателей предложен комплекс методов лабораторных и моторных испытаний.