книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

может произойти разрушение жидкостного масляного слоя и на­ ступить режим граничного трения. При граничном трении величи­ на коэффициента трения и износ трущихся деталей определяются не вязкостью масла, а другими его свойствами, получившими на­ звание противоизносных. В литературе встречается термин — сма­ зывающая способность.

Под противоизносными свойствами понимается способность ма­ сел образовывать на трущихся поверхностях тонкую пленку, пре­ пятствующую непосредственному контакту поверхностей и тем са­ мым способствующую снижению коэффициента трения и уменьше­ нию износа деталей в условиях граничного трения.

От противоизносных свойств в большой степени зависят надеж­ ность работы трущихся деталей и срок службы машин. Особенно большое значение эти свойства имеют для тяжелонагруженных узлов трения машин, как-то: шестеренчатые передачи трансмиссий, шариковые и роликовые подшипники, подпятники и т. п.

Виды и факторы износа. При трении тел наблюдаются следую­ щие виды износа трущихся поверхностей: механический, молеку­ лярно-механический и коррозионно-механический. К механическому износу относят абразивный и усталостный износы в результате истирания поверхностей абразивными частицами (металл, окислы металлов, песок, пыль и т. п.) и разрушение их под действием цик­ лических нагрузок.

Молекулярно-механический износ происходит в результате схватывания (сцепления) молекул контактирующихся металличе­ ских или других поверхностей.

Коррозионно-механический износ обусловливается воздействи­ ем кислорода воздуха или других химически активных веществ на трущиеся поверхности. Продукты коррозии отслаиваются от по­ верхности и являются абразивными частицами.

На процесс износа трущихся поверхностей оказывает влияние целый ряд факторов. Возникновение и интенсивность износа за­ висят от материала трущихся деталей, их конструкции и техноло­ гии изготовления, условий работы узлов трения, конструкции си­ стемы смазки, а также качества применяемых смазочных мате­ риалов.

Защита деталей от износа при граничном трении связана с об­ разованием адсорбированного слоя на смазываемых поверхностях. Свойства смазочного масла, способствующие образованию гранич­ ного слоя на металлических поверхностях, относят к противоизносным.

Противоизносное действие граничного слоя. Противоизносные свойства масел обусловливаются наличием в их составе веществ, имеющих полярные группы, или поверхностно-активных веществ. Эти вещества адсорбируются на металлических поверхностях и способны прочно удерживаться на них, образуя ориентированный слой, с числом молекул в состоянии покоя п = 400—500 и толщиной

§=0,9— 1,0 мкм.

260

Многие исследователи считают, и это подтверждено экспери­ ментально, что процесс смазки в условиях граничного режима тре­ ния основан на расклинивающем действии смазочного слоя, т. е. образования адсорбировавшимися молекулами масляных клиньев у выступов поверхностей в точках действительного контакта при относительном перемещении поверхностей.

Поверхностно-активные вещества, кроме того, химически взаимо­ действуют с поверхностью металла, в результате чего образуются продукты, способствующие уменьшению изнашивания поверх­ ностей.

Образование адсорбированного граничного слоя обусловлено процессами, протекающими на границе металл — масло, и зависит от свойств масла и ориентирующей способности металла. Метал­ лическая поверхность образует силовое поле, источником которого являются ионы, находящиеся на поверхности металлической ре­ шетки. Способность смазочного масла взаимодействовать с метал­ лической поверхностью объясняется наличием молекул полярных и поверхностно-активных веществ.

Металл

Рис. 77. Схема ориентации полярных молекул на поверхности металла:

а —о.—плоскость прочной связи; б—б —плоскость слабой связи;

в—в —неориентированный слой молекул.

Кполярным относятся вещества, имеющие полярные группы -г—

—СООН, — СОН, — СО, — СОО, к поверхностно-активным — ве­ щества, содержащие атомы серы, фосфора, хлора.

Полярные и поверхностно-активные молекулы под действием силового поля металла в виде диполей ориентируются на его по­ верхности (рис. 77). Полярные группы ориентируются к полярным группам, а углеводородные радикалы к углеводородным радика­

лам другого слоя молекул.

В плоскости контакта активных групп молекул силовое взаи­ модействие между ними очень прочное, а в плоскости соприкосно­

261

вения углеводородных радикалов значительно слабее. Поэтому смещение адсорбированных слоев масла происходит по этим плос­ костям, чем и обусловливается снижение коэффициента трения.

Граничный слой смазочного вещества при повышении темпе­ ратуры разрушается вследствие десорбции молекул. Критическая температура разрушения обычно не. превышает 200° С. В этих усло­ виях трущиеся поверхности лишаются защитного слоя, оголяются, а это приводит к их свариванию и заеданию. Хороший защитный эффект от износа в этом случае дает химическая пленка, обра­ зующаяся при взаимодействии некоторых веществ с металличе­ ской поверхностью.

Способы улучшения и оценки противоизносных свойств. Все смазочные масла обладают способностью снижать износ трущихся деталей при граничном трении, но в разной степени. Противоизносные свойства масел зависят от их химического состава.

Растительные масла и животные жиры в условиях граничного трения при умеренных температурах более надежно предохраняют трущиеся поверхности от износа, чем соответствующие им по вяз­ кости минеральные масла. Объясняется это тем, что они содержат большое количество глицеридов жирных кислот (эфиров глице­ рина). Однако растительные масла из-за недостаточной термоокис­ лительной стабильности в чистом виде для смазки машин практи­ чески не применяют, а иногда добавляют к минеральным маслам.

В последнее время довольно широкое применение получили синтетические масла на базе сложных органических эфиров и дру­ гих продуктов, обладающих хорошими противоизносными свой­ ствами.

Остаточные нефтяные масла, не подвергающиеся очистке, со­ держат большое количество смолистых веществ, а следовательно, серу- и кислородсодержащих соединений, обладают высокой сма­ зывающей способностью и хорошими противоизносными свойства­ ми. Но применение этих масел весьма ограничено. Они использу­ ются в основном в качестве компонентов трансмиссионных масел.

При очистке из моторых и других минеральных масел удаля­ ются полярные и поверхностно-активные вещества, поэтому базо­ вые масла в своем большинстве имеют сравнительно низкие противоизносные свойства. Многократная практика применения сма­ зочных масел показывает, что при добавлении к минеральным мас­ лам некоторых присадок их противоизносные свойства улучшают­ ся. Присадки снижают потери мощности на трение и уменьшают износ сопряженных деталей в условиях граничного трения

(табл. 32).

Все присадки, улучшающие противоизносные свойства масел, по характеру действия могут быть разделены на две группы: рас­ клинивающие и полирующие. К расклинивающим относятся жионые кислоты, высокомолекулярные эфиры и кетоны и другие кис­ лородсодержащие вещества.

262

Т а б л и ц а 32

Изменение коэффициента трения при введении в минеральные масла присадок

Кинетический коэффициент трения

В качестве присадок расклинивающего действия практическое применение получили кислоты: стеариновая (С17Н35СООН), олеи­ новая (С17Н34СООН), лауриновая (СцН2 зСООН), а также эфиры органических кислот R — С = 0

О — Rj.

Действие расклинивающих присадок связано с адсорбцией по­ лярных и поверхностно-активных веществ на металлических по­ верхностях и образованием прочного масляного клина, разделяю­ щего поверхности при их взаимном перемещении.

К полирующим присадкам относятся вещества, содержащие серу, фосфор и хлор: осерненные масла, сульфокислоты, ксантогенаты, осерненные полимеры, эфиры фосфорной и фосфиновой кис­ лот, совол, хлор-фосфорные соединения и др.

Осерненное масло, полученное путем обработки минеральных или растительных масел элементарной серой при температурах 150—250°С, было первой противоизносной присадкой.

На основе ксантогенатов практическое применение получили присадки Л3-23к и Л3-25к, ЛЗ-6/9, этилен-бис-бутилксантогенат

С4Н9 - О — С — S — СН2 — СН2 — S — С — О — CtH9.

Присадка ОТП представляет собой осерненный тетрамер про­ пилена, содержит сернистые соединения в виде сульфидов и ди­ сульфидов.

Из фосфорсодержащих присадок применяют: трибутилфосфиг, трикрезилфосфат, фосфорные эфиры жирных кислот.

Присадка совол является смесью тетра- и пентахлордифенила <СвН5 — СаНС14 и С6Н6 — QCU).

263

Наиболее эффективны присадки, содержащие вместе серу и

сн, —сн —о

сн3

Полирующие противоизносные присадки добавляют к транс­ миссионным и некоторым моторным маслам. Присадки этого типа взаимодействуют с металлической поверхностью более активно, чем расклинивающие. Вещества, входящие в состав указанных присадок, химически взаимодействуют с металлами и сплавами. Взаимодействие ускоряется под влиянием высоких местных тем­ ператур, возникающих в точках контакта поверхностей.

В результате этого взаимодействия химический состав, а следо­ вательно, и свойства металла на поверхности изменяются. Про­ дукты взаимодействия имеют более низкую температуру плавле­ ния, чем металл. Под действием высоких давлений и температур, в точках действительного контакта они плавятся и текут. Неров­ ности поверхностей сглаживаются; площадь действительного кон­ такта увеличивается, а удельное давление уменьшается.

Оценка противоизносных свойств смазочных масел в основном производится с помощью машин трения. На многих машинах сущ­ ность методики оценки заключается в установлении максимальной нагрузки, при которой наблюдается чрезмерный износ или заеда­ ние деталей. Чаще всего испольуюгся шариковые и роликовые ма­ шины.

В некоторых машинах определяют коэффициент трения в усло­ виях граничного трения. Результаты испытаний наносятся на тра­ фик в виде кривых (рис. 78).

264

Осебая нагрузка

Рис. 78. Кривая износа шариков на четырех­ шариковой машине трения:

А — В—участок равномерного изн оса; В —С—возникнове­ ние зади ра, связанного с разры вом масляной пленки; С—Д —сваривание ш аров.

ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА

Значение защиты металлических изделий от коррозии. Защита деталей машин и различного оборудования от коррозии является важнейшей народнохозяйственной задачей. Особенно важное зна­ чение эта проблема имеет для эксплуатации и сбережения военной техники, в том числе и технических средств службы снабжения горючим.

Металлические детали двигателей внутреннего сгорания газо­ вых и паровых турбин, а также различных агрегатов, механизмов

и оборудования подвергаются коррозионному воздействию окру­ жающей среды.

Источниками коррозии являются кислород и влага, содержа­ щиеся в воздухе, а также коррозионно-активные вещества, обра­ зующиеся в процессе превращений топлив и масел.

Атмосферной коррозии подвержены в основном наружные по­ верхности машин и оборудования. Продукты, образующиеся при сгорании топлив и окислении масел, в основном, вызывают корро­ зию внутренних поверхностей деталей двигателей внутреннего сго­ рания и других машин, агрегатов и оборудования.

Вследствие коррозии разрушаются нерабочие поверхности, а также трущиеся поверхности машин и оборудования. Коррозион­ ное разрушение деталей двигателей и других машин и агрегатов

265

при длительном хранении иногда превосходит их износ при обыч­ ной эксплуатации.

Для защиты машин, изделий и оборудования от коррозии ча­ сто используют нефтяные покрытия, в том числе и смазочные

масла.

Механизм защитного действия. Слой масла или смазки, нахо­ дящийся на поверхности металлических деталей, оказывает недо­ статочное сопротивление проникновению влаги и коррозионно-ак­ тивных паров и газов или жидкостей к смазанным поверхностям. Это приводит, в конечном счете, к возникновению и развитию кор­ розионных процессов под слоем масла. Для улучшения защитных свойств масел и смазок и уменьшения коррозии металлов широко используют разнообразные присадки, которые в зависимости от ме­ ханизма действия подразделяются на антикоррозионные присадки и ингибиторы коррозии.

Антикоррозионные присадки защищают металлы от химической коррозии прежде всего путем образования на их поверхности хемосорбционной пленки, устойчивой к воздействию коррозионно­ активных веществ, образующихся в масле в процессе его приме­ нения.

Ингибиторы коррозии предотвращают электрохимическую кор­ розию, возникающую при воздействии на металл влаги и раство­ римых в ней коррозионно-активных продуктов, попадающих на по­ верхность металла из окружающей среды через слой смазки (мас­ ла). Механизм их действия также связан прежде всего с образо­ ванием на металлах защитной пленки, надежно отделяющей ме­ талл от коррозионно-активных продуктов.

Механизм действия антикоррозионных присадок и ингибиторов коррозии не исчерпывается созданием защитной пленки. Они мо­ гут содержать компоненты, нейтрализующие коррозионно-актив­ ные продукты. Пленки предотвращают каталитическое действие металлов на окисление масла. Возможны и другие направления положительного действия рассматриваемых присадок. Однако основным является их способность создавать на поверхности ме­ таллов пленку, защищающую ее от коррозионно-активных про­ дуктов.

Процесс образования присадками пленок на металлах являет­ ся сложным и длительным. При этом на поверхности металлов про­ текают сложные физико-химические процессы, характер, скорость и глубина которых зависят прежде всего от химического состава присадок, их концентрации в масле, свойств металла и условий взаимодействия.

Электронографические исследования показали, что пленки, соз­ даваемые на металлах маслами и смазками, содержащими самые разнообразные присадки, являются многослойными и имеют кри­ сталлическую структуру. Кристаллические пленки создаются не только при повышенных температурах, например на смазываемых деталях работающих двигателей внутреннего сгорания, но и при

266

обычных температурах на деталях техники, находящейся на кон­ сервации.

Характеристика ингибиторов коррозии и защитных нефтяных покрытий. Ингибиторы коррозии, содержащие группы N 02, С = 0, 50з и другие функциональные группы с сильным отрицательным суммарным электронным эффектом, например сульфаты, нитро­ ванные масла, относятся к ингибиторам анодного действия, т. е. являются донорами электронов. При взаимодействии таких инги­ биторов с металлом электроны активных групп смещаются на сво­ бодные валентные орбиты атомов металла и на его поверхности создается положительный слой диполей.

Ингибиторы коррозии, имеющие в своем составе группы NH2, NH, ОН, M e- с положительным суммарным электронным эффек­ том, например амины и некоторые их соли с органическими кисло­ тами, сульфоамид мочевины и другие, относятся к ингибиторам катодного действия. При взаимодействии с металлами они явля­ ются акцепторами электронов металла и электронная плотность на поверхности пленки, образующейся на металле, возрастает.

Существуют еще экранирующие ингибиторы коррозии, к кото­ рым относят жирные кислоты, их мыла, окисленные нефтепродук­ ты, эфиры, кислые эфиры и т. п. Они образуют на металлах ад­ сорбционные пленки, которые легко вытесняются коррозионно ак­ тивными продуктами и не обеспечивают надежной защиты метал­ лов от коррозии.

Ингибиторы коррозии подразделяют на маслорастворимые и немаслорастворимые. Маслорастворимые ингибиторы — органиче­ ские соединения, имеющие высокомолекулярный углеводородный радикал, обеспечивающий хорошую растворимость в масле, и функ­ циональную группу, придающую им хорошие защитные свойства.

В качестве ингбиторов коррозии применяют окисленный петро­ латум (присадка МНИ-5), окисленный церезин (присадка МНИ-7), их добавляют в основном к составам, используемым для защиты от коррозии наружных поверхностей изделий.

К покрытиям, применяемым для защиты от коррозии рабочих поверхностей машин, добавляют концентрат сульфоната кальция (КХЖ), нитрованное масло, присадки Акор-1, Акор-2, БМП, ИНГА-1, ИНГА-2, КП (композиция присадок). Присадки Акор-1 и Акор-2 представляют собой кальциевую соль нитрованного масла с добавлением к первой стеарата кальция, а ко второй — сульфи­ рованного масла и синтетических жирных кислот (СЖК). БМП является беззольной маслорастворимой защитной присадкой, по­ лученной на базе мочевины и соли сульфокислоты. Присадка

Нефтяные покрытия, используемые для консервации военной техники и оборудования, должны удовлетворять следующим тре­ бованиям:

267

—надежное и длительное сохранение техники в различных ус­ ловиях хранения;

—универсальность защиты различных металлов и сплавов;

—минимальные затраты времени, материальных средств и

труда на консервацию и расконсервацию техники.

Указанным требованиям удовлетворяют пластичные и жидкие нефтяные покрытия, консервационные масла или смазки.

Для консервации наружных поверхностей металлических изде­ лий широко используют пластичные неингибированные и ингиби­ рованные покрытия. Консервационные масла используют для за­ щиты от коррозии как наружных, так и внутренних поверхностей различных машин, оборудования и вооружения. Для особо жест­ ких условий хранения целесообразно применять консервационные масла в сочетании с летучими ингибиторами коррозии и герметиза­ цией техники. Номенклатура и объем производства ингибирован­ ных нефтяных покрытий быстро растут. В настоящее время только консервационные масла выпускают следующих марок: К-17, НГДОЗА, Б, В, НГ-204, НГ-204у, НГ-207 и др.

КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА

Причины и механизм коррозии. При контакте смазочного мас­ ла с металлами в условиях повышенных (выше 50° С) температур наблюдается как химическая, так и электрохимическая коррозия.

В связи с применением на двигателях сернистых топлив решаю­ щее значение имеет электрохимическая коррозия.

Проблема коррозии металлов в маслах приобрела особое зна­ чение тогда, когда вместо вкладышей из оловянного баббита во многих двигателях стали устанавливать вкладыши из других спла­ вов, обладающих более высокой механической прочностью и лучше сопротивляющихся усталости.

Для изготовления вкладышей подшипников стали использовать­ ся медно-свинцовые (свинцовистая бронза), кадмиево-серебряные и другие сплавы. Оказалось, что эти сплавы, обладая лучшими ме­ ханическими свойствами, сильно разрушаются вследствие корро­ зии под действием масла.

Коррозионная стойкость различных сплавов, из которых изго­ тавливаются вкладыши подшипников, характеризуется данными таблицы 33.

Многочисленные исследования показывают, что коррозионно­ механическое разрушение нагруженных подшипников происходит значительно (в 10 раз) быстрее, чем ненагруженных. При этом, как правило, наиболее интенсивно разрушаются вкладыши нагружен­ ной части подшипника (нижние рамовые и верхние мотылевые), Екладыши ненагруженной части разрушаются в меньшей степени.

В процессе работы нагруженного подшипника на вкладыше об­ разуются усталостные трещины Это приводит к увеличению по­ верхности контакта масла со сплавом и ускорению процесса кор-

268

Т а б л и ц а . 33

Сравнительные данные по коррозионной стойкости различных сплавов

(Г= 163 °С, т = 30 ч)

розии. Вследствие коррозии еще в большей степени ослабляется механическая прочность сплавов и подшипник с течением времени может выйти из строя.

При эксплуатации двигателей на маслах без присадок вклады­ ши подшипников двигателей из легкокорродирующих сплавов вы­ ходят из строя при работе двигателей в течение 150—250 часов.

Коррозионность смазочных масел обусловливается наличием содержащихся в них или образующихся во время работы двига­ телей следующих веществ:

—органических кислот;

—сернистых соединений;

—минеральных кислот.

Органические кислоты в небольших количествах содержатся в свежих маслах, но основная масса их образуется при окислении масла в двигателе (агрегате). В условиях высоких температур об­ разуются как высокомолекулярные, так и низкомолекулярные ор­ ганические кислоты. Однако основная масса последних в этих условиях улетучивается. Поэтому основной причиной коррозии вкладышей подшипников двигателя является воздействие высоко­ молекулярных органических кислот.

Многие исследователи, изучая коррозионное действие высоко­ молекулярных органических кислот, установили, что они действуют на металл только в присутствии других окислителей. Проф. Черножуков Н. И. пришел к выводу, что они вызывают коррозию ме­ таллов в присутствии воды и кислорода.

Механизм процесса коррозии может быть выражен следующи­ ми уравнениями:

269