Эксплуатационные свойства пластичных смазок

Применяемые на автомобилях пластичные смазки должны иметь определенные эксплуатационные свойства для создания оптимальных условий эксплуатации и хранения техники. Это такие свойства, как термостойкость, упругопластичные свойства, противоизносные свойства, стабильность, водостойкость, тиксотропные свойства, испаряемость и термоупрочнение.

Термостойкость смазки определяет возможность ее использования при повышенных температурах. При нагревании смазки разжижаются (плавятся) или расслаиваются. По температуре, при которой смазка начинает течь, судят о верхнем пределе работоспособности смазки. Это свойство смазки условно оценивают по показателю, который называется температурой каплепадения. Температура каплепадения нормируется для большинства смазок и изменяется в широком диапазоне от 40 до 200 ºC и выше. Решающую роль при этом играет загуститель. Углеводородные смазки имеют низкую температуру каплепадения. Смазки, загущенные литиевыми, натриевыми и особенно комплексными загустителями, имеют высокую температуру каплепадения.

В зависимости от температуры каплепадения, смазки по наибольшей температуре применения разделяют на:

– низкоплавкие (до 65 ºC);

– среднеплавкие (до 100 ºC);

– тугоплавкие (более 100 ºC).

Температура каплепадения позволяет установить верхний температурный предел применения смазок. Обычно рекомендуется, чтобы температура каплепадения была на 15…20 ºC выше рабочей температуры.

Температура каплепадения пластичных смазок это такая температура, при которой через отверстие в чашечке прибора, нагреваемого в определенных условиях, падает первая капля или вытянутый столбик смазки касается дна пробирки (расстояние 25 мм).

Кроме температуры каплепадения, определяют температуру сползания смазки с нагретой поверхности.

Упругопластичные свойства пластичных смазок – их прочность и удерживаемость на поверхности, как и температура каплепадения, во многом определяется температурным режимом. Но, в данном случае, большое значение имеет и механическое воздействие на смазку. Смазки, имеющие невысокий предел прочности сбрасываются с движущихся деталей, стекают с наклонных и вертикальных поверхностей, плохо удерживаются в негерметизированных узлах трения. Завышение предела прочности также нежелательно: хуже прокачиваемость смазок и поступление их в узкие зазоры узлов трения. Это происходит в результате возрастания сопротивления разрушению каркаса.

Верхняя граница предела прочности смазок при рабочих температурах не должна превышать 500 Па. В целом величина предела прочности смазок для большинства узлов и механизмов должна быть в пределах от 100 до 500 Па.

Вязкость смазок, как и предел прочности, имеет большое эксплуатационное значение. Она определяет возможность подачи смазок в узлы трения. Существующими солидолонагнетателями можно вводить в узлы трения смазки вязкостью не более 1100 Па·с. Для большинства машин вязкость смазок при минимальной рабочей температуре и скорости деформации 10 с^-1 не должна превышать 2000 Па·с.

Противоизносные свойства смазок проявляются в их способности предупреждать все виды изнашивания и предотвращать заедание трущихся деталей. Особенно большое значение противоизносные свойства пластичных смазок имеют в узлах с тяжелыми условиями трения, в подшипниках скольжения, гипоидных и червячных передачах.

Обычно смазки обладают лучшими противоизносными свойствами, чем масла, на основе которых они изготовлены. Это объясняется рядом причин. Прежде всего, необходимо учитывать противоизносную способность загустителей, являющихся в большинстве своем эффективными поверхностно-активными веществами. В некоторые смазки вводят специальные добавки – вещества, повышающие противоизносную способность пластичных смазок. Вязкость смазок выше, чем масел, что создает большую надежность обеспечения гидродинамической смазки.

Смазки на силиконовых жидкостях и неорганических загустителях имеют недостаточный уровень противоизносных свойств, поэтому в них обычно вводят противоизносные присадки.

Для особо тяжелых режимов трения, когда контактные нагрузки достигают 5 МПа, используют смазки с антифрикционными добавками (МоS₂, графит). Весьма эффективен в качестве эффективной и многоцелевой антифрикционной добавки дисульфид молибдена МоS₂ в литиевых смазках. Его концентрация в смазках изменяется в широких пределах, в основном, в зависимости от назначения смазок. В подшипниках качения – 3–5%, редко до 10%. В механических передачах до 30%, а в резьбовых смазках – до 50–80%. Нежелательно присутствие в дисульфиде молибдена кремнезема SiO₂ в количестве более 2%.

Табл. 4.4 дает наглядное представление об уменьшении износа (в процентах) деталей автомобилей при применении дисульфида молибдена в составе твердого смазочного покрытия. Для подпитки этих покрытий рекомендуется дополнительно вводить в масла и смазки присадки на основе МоS₂ типа «Моликот» и т. п.

Таблица 4.4

Уменьшение износа деталей автомобиля

при использовании твердых смазочных материалов на основе МоS₂

Графит уступает по противоизносным свойствам дисульфиду молибдена, и графитсодержащие смазки применяют в основном в рессорах, узлах подвески, открытых зубчатых передачах и т. п.

В качестве присадок используют соединения серы, хлора, фосфора, фтора.

Эффективность присадок зависит и от природы смазок. Так, хлорфторсодержащие присадки хорошо улучшают противоизносные свойства Са- и Li- смазок. Гораздо худшие результаты дает их введение в Al-смазки.

Стабильность смазок очень важна, так как смазки рассчитаны на длительное использование, поэтому сохранение качества весьма актуально. Чем стабильнее смазка, тем меньше она изменяет свои свойства, тем надежнее работа узла трения и более длительны возможные сроки её хранения и применения.

Коллоидная стабильность антифрикционных смазок имеет эксплуатацион-ное значение. Смазки с достаточной коллоидной стабильностью не расслаиваются в условиях нагрузок и температур, возникающих в узлах трения. Однако и завышение коллоидной стабильности нежелательно – смазки не будут выделять достаточного количества масла для смазки деталей. Такие смазки называют «сухими». Оптимальная коллоидная стабильность позволяет длительно хранить смазки без ограничения объема тары и сроков хранения.

Высокой коллоидной стабильностью отличаются углеводородные смазки, представляющие собой плотные гомогенные сплавы минеральных масел с твердыми углеводородами, распределенными в смазках в виде тонких мономолекулярных слоев.

Смазки, загущенные мылами менее стабильны, так как их структурный каркас не так плотен, а кристаллическая решетка менее маслоёмка, чем кристаллическая решетка углеводородов.

Повышение коллоидной стабильности смазок достигается введением дополнительных загустителей, модифицирующих структуру смазок и приближающих её к углеводородным. Увеличение вязкости масла также повышает стабильность.

Выделение масла из смазок ускоряется под действием нагрузок – собственной массы, прилагаемого давления, центробежных сил и при повышении температуры.

Химическая стабильность антифрикционных смазок является решающим фактором при определении сроков службы и хранения пластичных смазок. Для высокотемпературных смазок окисление является одной из причин потери качества. Существенно окисление смазок проявляется при рабочих температурах уже выше 50 ºC. Химически стабильными считают смазки, у которых эксплуатационные свойства остаются в пределах нормы в течение всего срока службы, исчисляемого обычно годами. При окислении возрастает кислотность и, как следствие, коррозийность смазок, а также уплотнение (редко – разжижение).

Химическая стабильность смазок определяется их составом: жидкая основа должна быть химически стабильной. Загустители влияют на стабильность в меньшей степени. Стабильность смазок возрастает по ряду металлов, входящих в мыла загустителей: Li – Na – Ca – Mg – Ba – K – Al.

Очень высокая стабильность у смазок на основе синтетических загустителей. Углеводородные и мыльные смазки по стабильности примерно равноценны.

Большое влияние на химическую стабильность смазок оказывает наличие примесей: глицерина, органических кислот, влаги, щелочей, увеличивающих скорость окисления. Задерживают окисление соединения фенольного типа.

Заметно усиливается окисление смазки при уменьшении толщины её слоя (рис. 4.2). Количество щелочи, необходимой для нейтрализации образовавших-ся кислот возрастает.

Рис. 4.2. Изменение кислотного числа смазки ЦИАТИМ-201 в зависимости от толщины ее слоя на стеклянной пластине

(при 120 С за 5 ч)

Водостойкость антифрикционных смазок – важнейшее эксплуатацион-ное свойство, определяющее их работоспособность. Водостойкость определяется двумя факторами. Первый – растворимость смазок, их способность не смываться водой с поверхности металлов и не вымываться из узлов трения. Второй – степень гигроскопичности и изменения свойств под действием попавшей в смазку воды.

Растворимость в воде нежелательна для всех смазок и определяется главным образом природой загустителя. Абсолютное большинство загустителей в воде не растворяется. Исключение составляют некоторые мыла. Ряд уменьшения растворимости в воде мыл некоторых металлов выглядит так: K – Na – Li – Mg – Ca – Hg – Pb – Al. Влияет на растворимость в обратной зависимости и длина цепи карбоновых кислот, использующихся для получения мыла. Высокая растворимость калиевых и натриевых смазок обусловила очень малое распространение первых и все более ограниченное – вторых. Снижает смываемость смазок с металлов и увеличение их адгезии.

Гигроскопичность – поглощение воды не только при контакте с ней, но и из воздуха. Однозначно говорить о вредности гигроскопичности нельзя. Вода в большинстве случаев ухудшает эксплуатационные свойства смазок, но, поглощая воду, смазка предотвращает проникновение ее к металлу. Высокой гигроскопичностью обладают комплексные кальциевые смазки (кСа-смазки). Они поглощают воду из воздуха при его относительной влажности более 60%. В условиях меньшей влажности возможна обратимость процесса. Возможно насыщение влагой из воздуха и Na-смазок. Это происходит при негерметичности тары и узлов трения. Из числа водостойких смазок наиболее гигроскопичны кальциевые, менее – литиевые и еще меньше поглощают влагу углеводородные смазки.

Тиксотропные свойства смазок – быстрое восстановление разрушенного при механическом воздействии каркаса и приобретение свойств твердого тела после снятия нагрузки. При механическом воздействии снижается предел прочности и вязкого сопротивления смазки. Тиксотропное восстановление структуры очень важно для смазок, особенно предназначенных для открытых узлов трения.

После изготовления в смазках имеется большое число особо прочных связей. Восстанавливаются они не все (тиксолабильность). Поэтому уделяется большое внимание организации возможно большего числа менее прочных, но быстро (практически мгновенно) восстанавливающихся связей.

Смазки, загущенные мылами Са, Na или Li, имеют практически одинаковые способности сохранять свои свойства при механическом перемешивании.

Смазки на комплексных мылах при отдыхе после механического воздействия даже упрочняются. Их вязкость и предел прочности измеренные сразу после окончания деформирования, не изменяются, а предел прочности, в некоторых случаях даже увеличивается (кСа-смазки), что является недостатком.

Малой склонностью к тиксотропным изменениям обладают смазки на неорганических загустителях. Это объясняется прочностью частиц дисперсионной фазы (загустителя), а также интенсивной предварительной гомогенизацией смазок во время изготовления.

Синтетические смазки (на жирных синтетических кислотах) изменяют свои свойства больше, чем смазки на основе натуральных кислот и естественных жиров.

Температура на большую часть Са- и Li-смазок и некоторых Na-смазок почти не влияет. Улучшение механической стабильности наблюдается у таких Na-смазок, как консталины и 1-13.

Испаряемость смазок наблюдается при их длительном использовании, особенно при нанесении тонким слоем, а также при повышенной температуре. Чрезвычайно ускоряет испарение высокое разрежение. На испаряемость влияет фракционный состав жидкой основы. При испарении масла смазки растрескиваются, на поверхности слоя смазки появляются корочки. После сильного испарения на поверхности металла остаются только мыла, образующие сухие, иногда осыпающиеся слои. В целом испарение ведет к уплотнению смазок и ухудшению их вязкостно-температурных характеристик, особенно при низких температурах.

Влияние загустителя, присадок и технологии приготовления смазок на испаряемость смазок практически отсутствует.

Испарение сильно замедляется при герметизации узлов трения, а в герметичной таре испарения даже самых легких масел не наблюдается.

Термоупрочнение смазок имеет отрицательное значение, т. к. при этом происходит повышение предела прочности, что приводит к затруднению поступления смазки в зоны трения.

Термоупрочнение зависит от свойства смазок. Оно определяется изменением сил связи между частицами загустителя, влиянием на этот процесс масла и поверхностно-активных веществ.

Изменение сил связи между частицами загустителя мыльных смазок связывают с полярностью и поляризуемостью молекул. Чем ниже полярность и выше поляризуемость молекул загустителя, тем интенсивнее протекает термоупрочнение.

Склонны к термоупрочнению смазки на Na-мылах, а Li-смазки практически не термоупрочняются. Сильно термоупрочняются некоторые неорганические смазки при нагреве до 200…250 ºC, что объясняется главным образом образованием «спаек» между частицами загустителя. Снижает термоупрочнение наличие в составе смазок поверхностно-активных веществ. Влияет на термоупрочнение и температура, причем весьма разнообразно: у некоторых смазок термоупрочнение развивается за несколько минут, у других, например у Na-смазок узких фракций жидких синтетических кислот, оно достигает десятков часов.