Что такое физико-химические показатели масла?

Основные физико-химические показатели масла

Физико-химические показатели масла оцениваются при лабораторных испытаниях с использованием специальных приборов и установок.

При создании смазочных материалов использование лабораторных методов позволяет в короткий срок оценить влияние состава композиций базовых масел и присадок на основные физико-химические характеристики разрабатываемого продукта. Также на базе накопленного опыта прогнозировать их поведение в условиях эксплуатации. По результатам лабораторных испытаний решается вопрос целесообразности проведения других видов испытаний. При производстве масел использование лабораторных методов позволяет судить об идентичности каждой выпущенной партии с образцом, прошедшим всесторонние испытания.

Основные физико-химические показатели качества смазочного материала

Вязкость — это показатель, отражающий свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению, обусловленное внутренними молекулярными взаимодействиями в движущейся среде. Является важнейшим показателем, определяющим пусковые и эксплуатационные характеристики машин и механизмов.

В узлах трения смазочные масла должны обладать достаточно низкой вязкостью   для того, чтобы обеспечить минимальные потери энергии на перемешивание и преодоление внутреннего трения, беспрепятственное покачивание масла насосом   по смазочной системе (особенно при низких температурах). В то же время они должны иметь достаточно высокую вязкость для того, чтобы обеспечить режим трения со смазкой, гарантирующий реализацию нормального изнашивания и отсутствие повреждения поверхностей трения, а также низкий уровень утечек через уплотнения (особенно при повышенных температурах).

Вязкость зависит от состава масла, температуры, давления, скорости сдвига и времени работы масла в узле трения. С увеличением температуры вязкость масел уменьшается, а с повышением давления – увеличивается. В связи с возрастающим использованием в составе смазочных масел противоизносных, противозадирных, антифрикционных, загущающих и др. присадок значение вязкости, определяемой классическими методами, как основного показателя, характеризующего режим смазывания узлов трения, постепенно снижается. Поэтому в последние годы для оценки динамической вязкости все более широкое применение находят специфические показатели, определяемые на специальных установках, холодного пуска (Cold Cranking), прокачиваемости при низких температурах (Pumping) и динамической вязкости при высокой температуре и высокой скорости сдвига (HT/HS).

Виды вязкости

Динамическая вязкость — мера сопротивления жидкости течению. Определяется   на ротационных вискозиметрах или рассчитывается как произведение кинематической вязкости (v) жидкости и ее плотности (р) при той же температуре. Выражается в паскаль-секундах (Паoс) или пуазах (П); 1П=0,1 Паoс.

Кинематическая вязкость (v) — мера сопротивления жидкости течению под влиянием гравитационных сил. Определение проводится капиллярными вискозиметрами. Выражается в м²/с, мм²/с или сантистоксах (сСт); 1 сСт = 1 мм²/с = 10-6м²/с.

Условная вязкость (ВУ) — отношение времени истечения определенного количества испытуемой жидкости при заданной температуре из вискозиметра типа Энглера ко времени истечения дистиллированной воды. Выражается условных единицах (ВУ).

Кинематическая вязкость масел различных классов вязкости

Индекс вязкости

Индекс вязкости — это относительная безразмерная величина, характеризующая степень изменения вязкости в зависимости от температуры. Рассчитывается или находится по таблицам и номограммам в зависимости от значений кинематической вязкости при 40 и 100°С.

По индексу вязкости (ИВ) масла делят на низкоиндексные (ИВ < 80), среднеиндексные (ИВ = 80-90), высокоиндексные (ИВ = 90-100 и выше). Чем выше индекс вязкости, тем лучше качество масла и тем меньше вязкость зависит от изменения температуры. Большинство нефтяных (минеральных) базовых масел имеют индекс вязкости от 0 до 100, а загущенные всесезонные масла — более 100.

Характеристики низкотемпературной вязкости:

• Максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая запуск холодного двигателя, является показателем способности масла течь и смазывать узлы трения в холодном двигателе. Определяется при помощи имитатора запуска холодного двигателя CCS (Cold Cranking Simulator) (DIN 51 377, ASTM D2602), измеряется в сантипуазах (сП) при разных заданных температурах, с предполагаемой степенью вязкости SAE для моторного масла.
• Максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая прокачиваемость масла в двигателе, определяется по методу ASTM D4684. Вязкость прокачивания (pumping viscosity) является мерой способности масла течь и создавать необходимое давление в системе смазки в начальной стадии работы холодного двигателя, измеряется в сантипуазах (сП = мПа с). Показатель важен для масел, способных желировать при медленном охлаждении, таким свойством чаще всего обладают всесезонные минеральные моторные масла. При испытании определяется либо напряжение сдвига, необходимое для разрушения желе, либо вязкость при отсутствии напряжения сдвига. Наименьшая температура, при которой масло может прокачиваться, называется нижней температурой прокачивания, ее значение близко к наименьшей температуре эксплуатации.
• Температурная зависимость вязкости при низкой температуре и низком напряжении сдвига определяется по методике ASTM D5133 при помощи сканирующего вискозиметра Брукфильда. Этот показатель необходим для оценки способности масла поступать в систему смазки и к узлам трения в холодном двигателе после его длительного пребывания при низкой температуре. Перед измерением масло должно пpoйти определенный цикл охлаждения, как и при определении равновесной температуры застывания. Такое испытание занимает много времени и применяется в основном при разработке новых рецептур масел.

Характеристики высокотемпературной вязкости:

• Вязкость при высокой температуре и высокой скорости сдвига HTHS при температуре 150°С и скорости сдвига 106 с-1 определяется: в Америке – по методике ASTM D4683, а в Европе – по методикам СЕС L-36-A-90 или ASTM D4741.
• Стабильность к сдвигу — это способность масла сохранять постоянную величину вязкости под воздействием высокой деформации сдвига при эксплуатации. При быстром скольжении поверхностей трения достигается высокая скорость течения масла в узких зазорах и проявляется высокая деформация сдвига, которая вызывает деструкцию молекул полимеров (загустителей), входящих в состав масла. Устойчивость к деформации сдвига является важным показателем масел, применяемых в современных высокоскоростных, высоконагруженных, мощных и малогабаритных двигателях. Способность масла сохранять стабильную вязкость определяется временем, в течение которого вязкость изменяется до определенной величины.

Низкотемпературная вязкость Высокотемпературная вязкость 

1. ASTMD 2602 – имитатор холодного пуска CCS

2. ASTMD 4684 и D 3829 – мини-ротационный вискозиметр MRV

3. ASTMD 445 – стеклянный капиллярный вискозиметр

4. ASTMD – конический имитатор подшипника HTHS

Зольность

Зольность — показатель, указывающий на наличие золообразующих компонентов  (гл. обр. металлсодержащих присадок) и примесей в составе не работавших масел. Выражается в % масс.

Основным источником образования золы являются металлсодержащие присадки, поэтому показатели «зольность» и «сульфатная зольность» чаще всего используются для оценки их присутствия в товарных маслах. Вместе с тем, под действием температуры в узлах трения может происходить образование золы (как правило, сульфаты металлов), что может привести к существенному снижению износостойкости узлов трения и понижению других эксплуатационных характеристик машин и механизмов.

Сульфатная зольность — показатель, указывающий на содержание металлсодержащих присадок (в т. ч. содержащих барий, кальций, магний, цинк, калий, натрий, олово, а также элементарную серу, фосфор, хлор) в составе не работавших масел. Выражается в % масс.

Использование масла с высоким значением зольности приводит к образованию отложений в камере сгорания, неблагоприятно влияет на работу свечей зажигания, вызывает повышенное изнашивание деталей вследствие абразивного воздействия золы на поверхности трения.

В моторных маслах сульфатная зольность не должна превышать:

• в бензиновых двигателях — 1,5%;

• для дизелей малой мощности — 1,8 %;

• для дизелей высокой мощности — 2,0 %.

Щелочное число

Щелочное число — показатель склонности масел к отложениям, указывающий на количество щелочи, выраженное в мг КОН, эквивалентное содержанию всех щелочных компонентов в 1 г испытуемого масла. Выражается мг КОН/г.

С увеличением щелочного числа повышается способность масла нейтрализовывать коррозионно-агрессивные кислые продукты, образующиеся при его окислении. Вместе с тем, избыточная щелочность оказывает отрицательное влияние на противоизносные и противозадирные свойства масел.

Коррозионность — это показатель, указывающий на степень коррозионной агрессивность масел. Он зависит от состава базовых масел и типа используемых присадок. В процессе старения коррозионность масел возрастает.

Механическая стабильность

Механическая стабильность — способность внесезонного (загущенного) масла противостоять процессам механической деструкции вязкостных полимерных присадок. Выражается в мм²/с или %.

Уменьшение вязкости в результате деструкции (разрушения) молекул полимера может привести к изменению режима смазки, проявлению процессов повреждаемости поверхностей трения, а также увеличению утечки масел из систем смазывания.

Плотность

Плотность — физическая константа, масса единицы объема.

Выражается в кг/м³, г/см³.

Зависит от фракционного состава базовых масел.

Используется, главным образом, для контроля качества при производстве и хранении масел.

Применяется также для пересчета объемных единиц в массовые при отпуске масел потребителю.

Склонность масла к пенообразованию

Склонность масла к пенообразованию — это показатель прокачиваемости масел.

Пенообразование вызывает нарушение нормальной работы систем смазывания агрегатов и узлов машин и механизмов. Зависит от свойств масел и эксплуатационных характеристик систем смазывания (температура, давление, кратность циркуляции, скорость перемешивания).

Совместимость с резиновыми уплотнениями

Совместимость с резиновыми уплотнениями — это показатель, указывающий на наличие взаимодействия масла с резиной или резиновыми изделиями.

Взаимодействие масла с материалами уплотнений может привести к изменению формы, размеров, прочности и пластичности уплотнений и выходу их из строя.

Степень чистоты

Степень чистоты — показатель, указывающий на степень чистоты смазочных масел и присадок. Выражается в мг на 100 г масла или присадки.

Показатель используется, главным образом, для контроля степени очистки масел и качества присадок, вводимых в масла для повышения их эксплуатационных свойств.

Температура вспышки

Температура вспышки — показатель, указывающий на минимальную температуру, при которой пары продукта, нагреваемого в условиях, установленных стандартом, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Выражается в °С.

При дальнейшем нагревании масло достигает температуры воспламенения и горит не менее 5 с. Температура вспышки является важным качественным показателем масла: во-первых, пожароопасности, во-вторых, он сообщает о наличии в масле летучих фракций, которые быстро испаряются в работающем двигателе (расход масла на угар), в-третьих, по этому показателю легко определить разбавление масла топливом.

Температура вспышки характеризует физическую стабильность масла. Чем выше температура вспышки,  тем меньше испаряемость масла, и, следовательно, лучше его физическая стабильность.

Температура вспышки масла определяется двумя методами – в открытом тигле (ГОСТ 4333—48) и в закрытом (ГОСТ 6356-75).

Тeмпература вспышки: для моторных масел — не ниже 200 °С, для трансмиссионных — 128 °С и выше.

Температура застывания

Температура застывания — показатель, указывающий на температуру, при которой нефтепродукт теряет подвижность. Выражается в °С.

При понижении температуры вязкость масла повышается, оно теряет свою текучесть, т. е. застывает. Застывшее масло не прокачивается и не смазывает детали. В результате они работают при сухом трении с большим изнашиванием.

Снижения температуры застывания масла добиваются путем депарафинизации и введения соответствующих добавок – депрессаторов. Значение температуры застывания масла нормируется ГОСТом: для незагущенных моторных масел — от минус 20 до минус 30 °С, для загущенных — от минус 35 до минус 45 °С, для трансмиссионных — от минус 18 до минус 55 °С.

Термоокислительная стабильность

Термоокислительная стабильность — показатель, служащий для условной оценки склонности смазочных масел к образованию лаковых отложений на деталях и эффективности присадок, уменьшающих лакообразование.

В процессе работы масел при повышенных температурах в сочетании с каталитическим действием металлов и активным влиянием кислорода воздуха происходит окисление масел с образованием нерастворимых веществ и осаждению их на нагретых деталях. При этом ухудшаются эксплуатационные характеристики масел: повышается вязкость, кислотное число, коррозионность, ухудшаются противозадирные свойства.

Трибологические свойства

Трибологические свойства — комплекс показателей, характеризующих противоизносные, противозадирные и антифрикционные свойства смазочных масел.

Этот показатель характеризует присутствие и эффективность в маслах противоизносных, противозадирных и антифрикционных присадок. Используются для оценки качества масел при их производстве и хранении.

Стандартные методы оценки физико-химических свойств масел