Классификация масел, физико-химические, эксплуатационные и технические свойства масел

ГОСТ 4.24–84 «Система показателей качества продукции. Масла смазочные. Номенклатура показателей» применяют при разработке и производстве масел, в нормативно-технической документации и при оценке качества и аттестации продукции и в этом же ГОСТе приведена классификация масел на группы (табл. 2.23).

Моторные масла: авиационные масла, автомобильные масла, дизельные масла. Трансмиссионные масла (иногда трансмиссионные и моторные масла объединяют под термином «транспортные масла»). Индустриальные, гидравлические и компрессорные масла и все другие масла объединяют под термином «прочие масла».

Щелочность и кислотность масел. Очищенное минеральное масло является нейтральным. В процессе работы двигателя при сгорании бензина или дизельного топлива, которые содержат примеси сероoрганических соединений, образуются кислоты.

Для нейтрализации этих кислот в моторные и трансмиссионные масла добавляют щелочные присадки – детергенты. Чем выше щелочность масла, тем больше его рабочий ресурс.

Общее щелочное число (total base number, TBN). Для моторных и трансмиссионных масел в качестве эксплуатационной характеристики указывают общее щелочное число. Это число показывает общую щелочность масла, включая вносимую моющими и диспергирующими присадками, которые обладают щелочными свойствами.

Моторное масло должно обладать определенной щелочностью для сохранения моющих свойств, способности к нейтрализации кислот и подавления процессов коррозии.

Чем больше щелочное число, тем большее количество кислот, образующихся при окислении масла и сгорании топлива, может быть переведено в нейтральные соединения. В противном случае эти кислоты вызывают коррозионный износ деталей двигателя и усиливают процессы образования отложений.

При работе масла в двигателе щелочное число неизбежно снижается, нейтрализующие присадки срабатываются. Такое снижение имеет допустимые пределы, по достижении которых масло считается утратившим работоспособность.

Считают, что при уменьшении щелочности масла примерно на 50 % от начальной величины, масло следует заменить.

Число нейтрализации (neutralization number) показывает щелочность или кислотность масла и выражается через количество соляной кислоты или гидроокиси калия в мг, необходимое для нейтрализации оснований и кислот, находящихся в 1г масла.

Число нейтрализации определяют потенциометрическим титрованием (по ASTM D664) или колориметрическим титрованием.

Общее кислотное число (total acid number, TAN). В качестве показателя химических свойств индустриальных масел указывают общее кислотное число.

Кислотные компоненты нового масла могут иметь слабую кислотность, которая не оказывает заметного влияния на коррозию металлов. В некоторые индустриальные масла (охлаждающие смазочные жидкости и др.) добавляют активные сернистые присадки, которые имеют слабую кислотную реакцию.

При анализе работающих жидкостей автоматической коробки передач, а также трансмиссионных и моторных масел, иногда определяется TAN, как один из показателей, характеризующих образование кислот при окислении масел.

Число сильных кислот (strong acid number). В автомобильных маслах сильные кислоты должны отсутствовать, но они могут образовываться при продолжительной работе моторного масла.

Появление в масле сильных кислот означает необходимость замены масла, так как такие кислоты вызывают интенсивный коррозионный износ и образование шлама. SAN, как и TAN, выражают через количество КОН, необходимого для нейтрализации соответствующих (сильных) кислот.

Химический состав масла (chemical constitution of oil). Качество масла, в значительной степени, зависит от его группового химического состава, т. е. от соотношения парафинов, ароматических соединений и нафтенов.

При оценке качества масла, химический состав масла не определяют, поскольку многие свойства масел можно существенно улучшить путем введения соответствующих присадок.

Иногда, в описаниях масла производители указывают основной класс соединений, так как они характеризуют некоторые общие эксплуатационные свойства.

Например, парафиновые масла отличаются высоким индексом вязкости, хорошей стойкостью к окислению, а нафтеновые масла – высокой липкостью, хорошими смазывающими свойствами и т. д.

Химические методы анализа более широко применяют при анализе работающего масла для идентификации и определения количества продуктов окисления и загрязнения.

Например, по результатам определения количества металлов делаются выводы о процессах износа деталей двигателя, по содержанию карбонильных групп (ИК-спектроскопия) – о степени окисления масла и ресурсе работы.

Летучесть, испаряемость, потери от испарения (volatility, oil loss by evaporation). Во время работы двигателя, вследствие высокой температуры, наиболее легкие фракции масла улетучиваются.

Склонность масла к испарению, согласно требованиям АСЕА, оценивают метолом Нок (Noack volatility test, CEC-L-40-A-93, DIN 51 581). По этому методу испарение определяют при температуре масла 250 °С в течение одного часа.

Для масел дизельных двигателей в США обычно определяют общие потери масла в моторных испытаниях (IK, IN, Т8) в г/кВт·ч.

Согласно ГОСТ 10306–75 потери от испарения определяют пропусканием воздуха через нагретое масло. Испаряемость в чашечке определяют по ГОСТ 20354–74.

Вязкость является одной из важнейших характеристик смазочных масел, определяющих силу сопротивления масляной пленки разрыву. Чем прочнее масляная пленка на поверхности трения, тем лучше уплотнение колец в цилиндрах, в частности для моторных масел, меньше расход масла на угар.

Индекс вязкости – это относительная величина, показывающая степень изменения вязкости при изменении температуры.

Индекс вязкости рассчитывают по значениям кинематической вязкости при 40 и 100 °С или находят по таблицам. Вязкостно-температурные свойства масел оценивают также по кинематической вязкости при низкой температуре (при 0 °С и –18 °С).

Температура застывания – это предельная температура, при которой масло теряет подвижность. Масла, имеющие температуру застывания –15 °С и выше, относят к летним. Если же температура застывания –20 °С и ниже, то масла относят к зимним.

Противоизносные свойства характеризуют способность масла уменьшать интенсивность изнашивания трущихся деталей, снижать затраты энергии на преодоление трения.

Моюще-диспергирующие свойства подразделяют на моющие и диспергирующие. Моющие свойства характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя и противостоять лакообразованию на горячих поверхностях, а также препятствовать прилипанию углеродистых соединений.

Диспергирующие свойства характеризуют способность масла препятствовать слипанию углеродистых частиц, удерживать их в состоянии устойчивой суспензии и разрушать крупные частицы продуктов окисления при их появлении.

Противоокислительные свойства определяют стабильность масла, от которой зависит срок работы масел в двигателях, характеризуют их способность сохранять первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температурах.

Содержание серы (sulfur content) – это показатель для оценки сернистости масла. Соединения серы попадают в масло из нефти или с серосодержащими присадками.

По содержанию серы в масле без присадок делаются выводы об антикоррозионных свойствах базового масла. При наличии серосодержащих присадок, содержание серы указывает на их наличие (не сработанность).

Коксуемость, склонность к коксованию (coceability, coking tendency, carbonization). При высокой температуре масло разлагается и образуются твердые углеродистые продукты. Термостойкость масла определяется его склонностью к коксованию.

Это показатель чистого масла, так как присадки могут оказывать значительное влияние на коксуемость. Поэтому коксуемость определяется только для базовых масел.

Зольность (ash content) – это количество золы, образующееся при сгорании масла. Чистое свежее масло без присадок должно сгорать без остатка. Образование золы из масла без присадок является показателем его загрязненности неорганическими веществами.

Присадки в товарном масле значительно увеличивают зольность. При очистке базового масла зольность должна быть минимальной и составляет менее 0,005 % масс. Зольность масел, не содержащих присадок, не должна превышать 0,02–0,025 % масс.

Сульфатная зольность (sulfated ash) – это прямой показатель содержания присадок, в основном металлоорганических соединений, которые содержат такие атомы металлов, как Ba, Ca, Mg. Поэтому в золе содержатся оксиды (например, BaO, CaO, MgO) и сульфаты этих металлов (например, BaSO4, CaSO4, MgSO4).

Для сравнения зольности разных масел, все окиси металлов переводятся в сульфаты. Масло нагревается до образования твердого углеродистого остатка, который обрабатывается серной кислотой для превращения окисей металлов в сульфаты. Затем сульфаты прокаливаются при температуре 775 °С до образования сульфатной золы.

Сульфатная зольность является прямым показателем количества присадок в масле, поэтому присутствие присадок проверяется именно по сульфатной зольности.

Довольно высокая сульфатная зольность моторных масел (по сравнению с другими маслами) в основном обусловлена наличием в их составе моющих присадок, содержащих металлы. Эти присадки необходимы для предотвращения отложений на поршнях и придания маслам способности нейтрализовывать кислоты.

Излишне зольность может приводить к преждевременному воспламенению рабочей смеси из-за образования отложений в камере сгорания, неблагоприятно влиять на работоспособность свечей зажигания, способствовать повышенному износу деталей вследствие абразивного воздействия на поверхности трения.

Величина сульфатной зольности ограничивается нормативной документацией на производство моторных масел только в Европе (классификация АСЕА).

В моторных маслах для бензиновых двигателей сульфатная зольность не должна превышать 1,5 %, для дизельных двигателей малой мощности – 1,8 % и для дизельных двигателей высокой мощности – 2,0 %.

Сульфатная зольность – это прямой показатель содержания присадок, в основном металлоорганических соединений, которые содержат Ba, Ca, Mg и (моющие присадки). Поэтому в золе содержатся оксиды и сульфаты этих металлов.

Для того чтобы сравнить зольность различных масел, их нагревают до образования твердого углеродистого остатка, который затем обрабатывают серной кислотой для превращения оксидов в сульфаты. Сульфаты прокаливают при 775 °С до образования сульфатной золы. Сульфатную зольность определяют по стандартам DIN 51 575, ASTM D874, ГОСТ Р 12417–73.

Сульфатная зольность ограничивается нормативной документацией на производство моторных масел только в Европе (классификация АСЕА).

Излишне зольное масло может приводить к преждевременному воспламенению рабочей смеси из-за образования отложений в камере сгорания, неблагоприятно влиять на работоспособность свечей зажигания, способствовать повышенному износу деталей из-за абразивного воздействия на поверхности трения.

Содержание механических примесей и воды. Механических примесей в маслах без присадок не должно быть, а в маслах с присадками их значение не должно превышать 0,015 % масс., причем механические примеси не должны оказывать абразивного действия на трущиеся поверхности.

Вода в моторных маслах должна отсутствовать. Даже небольшое количество воды вызывает деструкцию присадок, происходит процесс «шламообразования». Присадки применяют для придания маслам новых свойств.

Присадки подразделяют на антиокислительные – повышают антиокислительную устойчивость масел; противокоррозионные – защищают металлические поверхности от коррозионного воздействия кислото- и серусодержащих продуктов; моюще-диспергирующие – способствуют снижению отложений продуктов окисления на металлических поверхностях; противоизносные, противозадирные и антифрикционные – улучшают смазочные свойства масел; депрессорные – понижают температуру застывания масел; антипенные – предотвращают вспенивание масел.