Лекція 17 пластичні мастила

Пластичні мастила займають особливе місце серед мастильних матеріалів. Це обумовлене тим, що вони складаються з рідкого та твердого компонентів і, в зв’язку з цим, мають спроможність відновлювати свій структурний каркас після його руйнування. Об'єм виробництва мастил дуже малий порівняно з випуском олив і використовуються вони там, де нема можливості вживати рідкі оливи.

Мастила - високоструктуровані тиксотропні дисперсії твердих загусників у рідкому середовищі, це - багатокомпонентні колоїдні системи. Масова частина рідкої основи мастил становить 70...90%, загусника – 10...15%, близько 2% - модифікатор структури (якщо він необхідний в мастилі), близько 15% складають різні добавки (присадки, наповнювачі тощо). Якість сучасних мастил дозволяє використовувати їх як “вічні”, тобто закладати на весь період роботи агрегату без заміни і поповнення. Це особливо важливо для вузлів, в які мастило закладається під час збирання і доступ для заміни в них мастил практично неможливий або утруднений.

Загусник утворює в мастилах структурний каркас, завдяки якому у відсутності або при невеликих навантаженнях мастила поводять себе подібно твердому тілу (утримуються на вертикальних поверхнях, не розтікаються під дією своєї ваги, не скидаються під дією інерційних сил з рухомих поверхонь і т.інш.). Під дією навантажень, які перевищують границю міцності мастила, структурний каркас руйнується і мастило починає поводити себе як пластичне тіло - текти. Особливістю мастил є відновлення структурного каркасу, що був зруйнований. Мастило при цьому знов поводить себе як тверде тіло. Такі перетворення називаються тиксотропією. Наявність твердого структурного каркасу, тиксотропні перетворення є основною відзнакою мастил і забезпечують їм переваги перед рідкими мастильними матеріалами.

Загусники найбільше впливають на експлуатаційні властивості мастил, на їх структуру. Більша частка загусників припадає на органічні, зокрема, мильні і складає близько 80% загального об'єму мастил. Концентрація мильного загусника в мастилі становить не більше 15% (рідко - до 20%). Мила - це солі високомолекулярних жирних кислот. Як загусник використовують тверді вуглеводні (їх концентрація становить до 25%), деякі неорганічні продукти, наприклад, бентонітові глини, силікагелі та інш. З метою утворення відповідної структури, покращення експлуатаційних властивостей до складу мастил вводять добавки, присадки.

На експлуатаційні якості мастила також впливає дисперсійне середовище - олива, на якій виготовлене мастило. Тип оливи (мінеральна, синтетична та їх якість) впливає на стабільність мастила, на утворення структури: її розмір, орієнтацію часток.

На структуру мастила впливають такі сполуки як присадки та модифікатори структури, менше впливають наповнювачі. Наповнювачі, як правило, не розчиняються в мастилах і не діють як загусники, бо не мають загусних властивостей. Наповнювачі - це тверді високодисперсні неорганічні сполуки, наприклад, графіт, дисульфід молібдену, деякі метали чи їх оксиди. Наповнювачі підсилюють міцність граничних шарів мастил. Такі наповнювачі як оксиди цинку, титану, міді, порошки деяких металів використовують здебільшого для виготовлення різьбових і ущільнювальних мастил, а також мастил для деяких зубчастих і ланцюгових передач. Більший ефект дає одночасне введення наповнювача і присадки (табл.), яка адсорбується на наповнювачі, тобто є поверхнево-активною речовиною. Введення металовмісних наповнювачів дозволяє підвищити температурний режим використання мастила. Одночасне введення наповнювача і присадки зводить до мінімуму зношення поверхонь, має місце ефект “беззношування” - переносу матеріалу, бо при зношенні плівки можлива її відбудова. Мастила з добавками металів, їх оксидів називаються металоплакувальними.

Таблиця. Протизношувальні та протизадирні властивості літієвого мастила з присадкою і наповнювачем

Добавка	Критичне навантаження заїдання, Рк, Н	Навантаження зварювання шарів, Рз, Н
Без добавки	700	1400
КИНХ-2*(1%)	700	2000
MoS2(1%)	700	2000
MoS2(4%)	850	2100
КИНХ-2(1%)+MoS2(4%)	1150	2300

*Примітка. Полісульфід (до 40% сірки)

Найпростіше мастило складається з двох компонентів: оливи і загусника.

Принципова відзнака мастил від олив полягає в наявності границі міцності у мастил завдяки структурному каркасу; залежності в’язкості мастил від температури і швидкості деформації або зрушення, тобто наявності аномального внутрішнього тертя (їх в’язкість не описується законом Ньютона); здатності до відбудови свого структурного каркаса і властивостей після зруйнування каркаса. Завдяки цьому іноді мастила є єдиним, незамінним мастильним матеріалом в окремих вузлах тертя.

При роботі структурний каркас мастил руйнується під дією навантажень, потім самовідбудовується. Легкість переходу з пластичного стану у в’язкотекучий і навпаки, так звані тиксотропні перетворення, і забезпечують переваги мастилам перед рідкими оливами. Також перевагами мастил перед оливами є малі питомі витрати, здатність утримуватись в негерметизованих вузлах тертя, кращі змащувальні властивості, більш високі захисні властивості, висока економічність застосування. Незвичайний стан мастил, якого не мають оливи, і визначив назву - високоструктуровані тиксотропні дисперсії, що можуть вживатись як антифрикційні (змащувальні), консерваційні (захисні) і ущільнювальні матеріали.

Таким чином, мастила призначені для зменшення тертя та зношування тертьових поверхонь, захисту металевих поверхонь від корозійного впливу зовнішнього середовищам і ущільнення зазорів. Деякі мастила використовують як електроізоляційні матеріали, для зниження вібрації і шуму, для захисту деталей від ударних навантажень тощо. В реальних умовах експлуатації немає необхідності мати мастила, які виконували б одночасно всі перелічені функції. Тому випускають мастила з високими експлуатаційними властивостями для конкретних умов, які використовують як довгопрацюючі або для одноразової заправки на весь період експлуатації - так звані “вічні”.

Незалежно від умов застосування, мастила повинні виконувати свої функції за призначенням у широкому діапазоні температур, питомих навантажень і швидкостей переміщення тертьових поверхонь; мінімально змінювати свої властивості при роботі; не впливати на контактуючі з мастилом матеріали; не бути токсичними, відповідати правилам техніки безпеки; мати широку сировинну базу і невелику вартість.

Залежно від роду загусника мастила поділяють на мильні і немильні.

Мильні мастила - це ті, в яких в якості загусника використовують солі вищих карбонових кислот. Залежно від катіона солі (мила) мастила підрозділяють на літієві, кальцієві, алюмінієві тощо. Якщо аніоном мила є природні жири (рослинні чи тваринні), мастила називають жировими, а при використанні синтетичних жирних кислот як аніона для приготування мила - синтетичними.

Немильні мастила виготовляють на термостабільних неорганічних загусниках (наприклад, силікагель, бентонітові глини тощо), на термостабільних органічних загусниках (наприклад, полімерних), на високоплавких вуглеводнях (парафінах, церезинах, озокериті, восках).

Технологія приготування мастил складна, для кожного мастила є свої специфічні особливості. Процес виготовлення мастил складається з таких основних стадій: підготовка сировини, приготування загусника, термомеханічне диспергування загусника в оливі (варіння мастила), охолодження розплаву, обробні операції (гомогенізація, деаерація), розфасування.

Приготування загусника є однією з основних операцій виробництва мастил. Ця стадія вимагає ретельного дозування компонентів і суворої послідовності їх завантаження. Приготування загусника - хімічний процес, який триває іноді дуже довго (до 30 годин). Термін і температура нагрівання, режим і термін охолодження суттєво впливають на структуру мастила та його експлуатаційні властивості. На стадії охолодження розплаву загусника в оливі формується структурний каркас мастила. Розміри і форма частинок загусника залежать від початкової температури і швидкості охолодження. Обробні операції (гомогенізація та деаерація - виділення повітря) потрібні для одержання однорідних і тиксотропних мастил, тобто таких, що при подальших руйнуваннях можуть багаторазово відновлювати свою структуру.

Під час роботи мастила можуть змінювати свої експлуатаційні властивості - старіти. Швидкість спрацювання мастил залежить від багатьох факторів: впливу підвищених температур, швидкостей і навантажень, дії кисню повітря, води, газів, що містяться в повітрі, радіації тощо. Тому в мастилах можуть відбуватись зміни під час роботи такі як термічний розклад, термоокислення, полімерізація, випаровування оливної основи, механічна деструкція загусника, виділення оливи з мастила.

Використання у вузлах тертя високоякісних мастил економічно і технічно виправдано. Економічність використання мастил (як і інших мастильних матеріалів) визначається конструктивними особливостями вузла тертя, умовами експлуатації. Мастила за призначенням підрозділяються на декілька груп, основна з яких - антифрикційна. Але ця класифікація має умовний характер, що пояснюється в якійсь мірі багатофункціональністю мастил. Наприклад, антифрикційні мастила одночасно повинні мати високі захисні властивості, хоча превалюють в них мастильні властивості; консерваційні (захисні) -антифрикційні; ущільнювальні мастила повинні одночасно мати хороші антифрикційні та захисні властивості.

Для визначення експлуатаційних якостей мастил досліджують структурно-механічні властивості (часто їх називають реологічними), які характеризують поведінку мастил при механічній та термічній дії в експлуатаційних умовах. У зв’язку з тим, що в умовах експлуатації мастила витримують тиски зсуву, що перевищують їх границю міцності, основними показниками якості мастил прийняті: границя міцності на зсув, ефективна в'язкість і механічна стабільність (тиксотропні перетворення мастил). Структурно-механічні властивості особливо важливі для антифрикційних мастил. Ці мастила одночасно повинні мати високі захисні властивості від зовнішньої корозії та впливу вологи, тобто стійкість мастил до зовнішнього впливу, та інші такі як термічна, колоїдна і хімічна стабільність.

Границя міцності характеризує мінімальне зусилля (навантаження), яке необхідно прикласти до мастила, щоб почалась незворотна деформація (зсув) мастила. При навантаженнях, що перевищують границю міцності, мастила починають деформуватись.

Для досягнення надійної роботи підшипників кочення мастила повинні забезпечувати достатні надходження їх до робочих поверхонь і не повинні скидатись з робочих поверхонь під дією відцентрових сил. Для цього необхідно, щоб вони мали достатні пружньо-еластичні властивості, що характеризуються границею міцності.

Мастила з малим значенням границі міцності скидаються з рухомих деталей, стікають з вертикальних поверхонь, погано утримуються в негерметизованих вузлах тертя. Але й велике значення границі міцності також небажане, тому що таке мастило погано надходить до тертьових поверхонь.

Підвищення температури зумовлює зменшення границі міцності. Температура, при якій значення границі міцності наближається до нуля, вважається верхньою температурною межею працездатності мастила. У деяких мастил, наприклад, комплексних кальцієвих, силікагелевих, спостерігається зворотне явище: з підвищенням температури збільшується границя міцності.

Ефективна в’язкість характеризує рівень і сталість енергетичних затрат у вузлі тертя і виражається в одиницях динамічної в’язкості при визначених температурі і градієнті швидкості руйнування каркасу (швидкості деформації).

В'язкість мастил - величина змінна і тим менше її значення, чим вища температура і більша швидкість деформації. В’язкість мастила залежить від властивостей оливної основи і структурного каркасу - загусника. Після зруйнування структурного каркасу мастило починає текти як рідина і тече тим легше, чим більша швидкість деформації (руйнування) при постійній температурі, бо при цьому в’язкість мастила змінюється швидше, ніж при малій швидкості деформації. Внаслідок того, що в’язкість мастила залежить від швидкості деформації, тобто від швидкості руйнування структурного каркаса, введено поняття ефективної в’язкості при заданому градієнті швидкості деформації і визначеній температурі, наприклад, 0⁰С, 20⁰С. В’язкісно-температурні властивості мастил більш високі порівняно з в'язкісно-температурними властивостями олив, на яких виготовлені певні мастила, тому що значна доля опору течії мастил витрачається на руйнування структурного каркаса, орієнтацію частинок зруйнованого каркаса за ходом течії мастила.

Механічна стабільність та тиксотропні властивості. Здатність мастила витримувати механічні навантаження, протистояти руйнуванню називається механічною стабільністю.

Мастила при роботі постійно піддаються механічному впливу, в результаті чого руйнується їх структурний каркас. При роботі частина мастила “працює”, частина – “відпочиває”. Під час відпочинку структурний каркас мастила самовідновлюється, самовідбудовується. Властивість мастил до самовідновлення механічно зруйнованих структурних зв'язків під час відпочинку називається тиксотропією. Механічна стабільність мастил (тиксотропні перетворення) є дуже важливим показником, особливо для антифрикційних мастил, що використовуються в підшипниках, шарнірах, плоских опорах, тому що в них мастило безперервно деформується. Механічна стабільність є функцією тиксотропних властивостей. Мастила з низькою механічного стабільністю швидко руйнуються. Механічну стабільність визначають за зміною границі міцності під час руйнування структурного каркаса або зразу після його закінчення. Показником механічної стабільності є коефіцієнти: індекс руйнування та індекс тиксотропного самовідновлення.

При тиксотропних перетвореннях мастил показники їх якості не повинні мінятись і в першу чергу це стосується властивості міцності. Однак у деяких мастил значення границі міцності і в'язкості стають меншими від попередніх значень, тобто вони розріджуються, а в деяких, навпаки, значення границі міцності та в'язкості набувають більш високих значень порівняно з початковими. В таких випадках механічно нестабільні мастила або витікають з вузлів тертя, або погано до них поступають, а мастила, що сильно затверділи, взагалі не поступають до тертьових поверхонь. До останніх можна віднести мастила на змішаному натрієво-кальцієвому загуснику.

Механічно нестабільні мастила використовувати недоцільно.

Термічна стабільність і термозміцнення. Термічна стабільність - це здатність мастил не змінювати своїх експлуатаційних властивостей при довгочасній роботі, коли мастила нагріваються, а після закінчення роботи вони охолоджуються.

Антифрикційні мастила працюють при дії високих температур. Декотрі мастила під дією температур і подальшому охолодженні (це повторюється багаторазово) зазнають деяких змін своїх властивостей, зокрема, вони можуть термозміцнюватися навіть до втрати пластичності. Це відбувається з часом. Термозміцнення негативно впливає на експлуатаційні якості мастил, тому що такі мастила не надходять до робочих поверхонь, бо вони мають високі значення границі міцності і в'язкості. Отже, незважаючи на те, що в підшипнику, наприклад, може бути достатня кількість мастила, тертьові поверхні будуть сухими, що веде до передчасного зношування вузлів.

Механічна стабільність та термозміцнення взаємопов'язані: термозміцнюються мастила, які мають низьку механічну стабільність.

Колоїдна стабільність характеризує здатність мастил утримувати у своєму складі оливу, чинити опір її виділенню при зберіганні та експлуатації.

Виділення оливи з мастила збільшується при підвищенні температури і тиску. Дуже впливає на виділення оливи з мастила дія на нього одностороннього тиску, наприклад, дія на мастило відцентрових сил і тисків. З підвищенням температури колоїдна стабільність погіршується - виділяється більша кількість оливи, бо зменшується в'язкість дисперсійного середовища. Виділення великої кількості оливи (більше 30%) з мастила при експлуатації призводить до його зміцнення. Але занадто стабільні (“сухі”) мастила також погано змащують вузли тертя.

Під час початку руху автомобіля чи іншої техніки, тобто в стартовий період, особливо важливе виділення деякої частини оливи з мастила для запобігання підвищеному зношуванню, бо, власне, вона в цей період є єдиним мастильним матеріалом.

Виділення великої кількості оливи, поява оливного шару на поверхні оливи під час зберігання свідчить про “старіння” мастила, погіршення його експлуатаційних властивостей. Такі мастила непридатні до використання.

Хімічна стабільність - це стійкість мастила проти окислення киснем повітря під час зберігання та експлуатації.

Окислення мастил погіршує їх антикорозійні властивості, спричинює погіршення колоїдної стабільності, змащувальних властивостей, захисної здатності. Мастила працюють в різних умовах: у тонкому шарі, при підвищених температурах, у контакті з киснем повітря і з кольоровими металами. Деякі метали, наприклад, мідь, свинець, олово, бронза, є каталізаторами окислення. Хімічна стабільність особливо важлива для мастил, що заправляються у вузли тертя 1-2 рази протягом 10-15 років (“довгопрацюючі”) чи один раз на весь період експлуатації (“вічні” – працюють до списання техніки), а також мастил, що працюють при температурах вищих від 100⁰С. Мастила з низькою хімічною стабільністю мають невеликий термін експлуатації і вимагають частої заміни. Сучасні мастила готують з високоякісних олив і хімічно стійких загусників з добавленням антиокисних присадок та дезактиваторів металів.

Якщо при зберіганні мастила на його поверхні з'явилась плівка, що утворилась в результаті окислювальних процесів, таке мастило не придатне до використання.

Водостійкість важлива передусім для мастил, що працюють у негерметизованих вузлах або в контакті з водою. Мастила не повинні змиватись водою чи змінювати свої властивості при попаданні в них вологи.

Оцінюючи водостійкість, беруть до уваги гігроскопічність деяких мастил. Обводнені мастила втрачають свої властивості. Водостійкість залежить від роду загусника. Більшість мастил водостійкі. Недостатньо водостійкі комплексні кальцієві мастила, незважаючи на те, що вони нерозчинні у воді. Низьку водостійкість комплексних кальцієвих мастил обумовлює наявність мил низькомолекулярних органічних кислот, які є стабілізатором їх структури. Тому до кальцієвих комплексних мастил, що працюють в умовах підвищеної вологості, вводять гідрофобізуючі присадки. Низьку водостійкість мають мастила, виготовлені на деяких синтетичних оливах (наприклад, складних ефірах) як оливної основи і натрієві мастила. Високу водостійкість мають консерваційні (захисні) мастила.

Температура крапання - це температура падіння першої краплі при нагріванні мастила в спеціальному приладі (термометрі Уббелоде).

Показник чисто емпіричний, умовно характеризує робочі температури деяких мастил, що повинні бути на 10-20°С нижчими за температуру крапання. Не для всіх мастил можна визначити робочу температуру за значенням температури крапання. Наприклад, для літієвих мастил температура крапання становить 180-200⁰С, тоді як робочі температури не перевищують 130⁰С. За температурою крапання можна визначити робочі температури вуглеводневих (захисних) мастил, вище значення яких вони стікають з поверхонь. Велика частина високотемпературних мастил взагалі не мають температури крапання.

За міжнародною класифікацією мастил ISO максимальні робочі температури позначаються у вигляді літера C, D – до +60⁰С; E, F - до +80⁰С; G, Н - до +100⁰С К, М - до +120⁰С; N - до +140⁰С і т.д. Ця літера стоїть після цифри консистенції - “2”, “3” та інші, в позначці мастила, наприклад, КР2К-30. Остання цифра визначає мінімальну робочу температуру, в даному випадку - мінус 30⁰С.

Пенетрація характеризує густину мастила. Число пенетрації показує глибину занурення стандартного конуса в мастило протягом 5 с при стандартних умовах.

Число пенетрації має емпіричний характер і не має експлуатаційного значення. Наприклад, літієві та гідратовані кальцієві мастила мають однакове значення пенетрації, але експлуатаційні властивості літієвих мастил відрізняються від експлуатаційних властивостей кальцієвих.

Чим м'якше мастило, тим глибше занурюється конус, тим більше число пенетрації.

У позначення мастила входить клас консистенції, який встановлюється залежно від значення числа пенетрації: 00, 0, 1, 2, ...7. Найм’якіші мастила мають клас консистенції 00 та 0, а найтвердіші - 7. Антифрикційні мастила мають клас консистенції 2 та 3.

В міжнародній класифікації ISO для позначення класу консистенції використовується шкала NLGI (National Lubricating Grease Institute), що підрозділяє мастила в залежності від значення числа пенетрації також на 9 класів консистенції, які починаються з 000, далі - 00, 0, 1, 2, 3,....6. Найм’якіші мастила мають клас консистенції 000, 00, найтвердіші - 6. Антифрикційні мастила, як правило, мають клас консистенції 2, 3.

Позначення наявності деяких присадок в складі мастил за міжнародною класифікацією відбувається введенням відповідних літер (після першої, яка визначає призначення мастила), наприклад, літер P, F - присадки для роботи мастил в умовах високих тисків: KP2N-30, KF2N-30 (добавки графіту, дисульфіду молібдену відповідно).

За призначенням мастила поділяють на 4 основних групи: антифрикційні, консерваційні, канатні, ущільнювальні.

Антифрикційні мастила призначені для зниження зношування і тертя спряжених пар. У цій групі є декілька підгруп: загального призначення для звичайних температур (робочі температури до +70⁰С); загального призначення для підвищених температур; багатоцільові; морозостійкі; термостійкі та інші.

Консерваційні мастила призначені для запобігання корозії металевих поверхонь, механізмів при зберіганні, транспортуванні, експлуатації.

Канатні мастила призначені для запобігання зношуванню і корозії сталевих канатів. Використовуються для сталевих канатів, тросів, органічних сердечників сталевих канатів.

Ущільнювальні мастила призначені для герметизації зазорів, полегшення складання і розбирання арматури, різьбових та інших будь-яких рухомих з'єднань, у тому числі вакуумних систем. Ущільнювальні мастила поділяють на арматурні, різьбові та вакуумні.

Мастила можуть мати технічні назви - літол, графітна тощо, або мати додаток відповідно до загусника, наприклад, літієве, кальцієве тощо.

За класифікацією DIN 51502 призначення мастила позначається першою літерою, наприклад, К - для підшипників кочення та підшипників і поверхонь ковзання; G - для закритих коробок передач і таке інше (див.додаток 6).

Різні мастила не можна зміщувати. Наприклад, при попаданні в літієве мастило літол-24 таких як гідратоване кальцієве мастило - солідол чи інших, експлуатаційні властивості якісного мастила різко погіршуються.

Основний асортимент вітчизняних мастил та їх застосування наведені в додатку 7.