Физико-химические показатели масла: вязкость, зольность, TBN

Физико-химические показатели масла оцениваются при лабораторных испытаниях с использованием специальных приборов и установок. Именно по ним снабженец и инженер судят о пригодности смазочного материала для конкретного узла, а производитель — об идентичности каждой выпущенной партии эталонному образцу.

Лабораторные методы позволяют в короткий срок оценить влияние состава композиций базовых масел и присадок на основные характеристики продукта и прогнозировать его поведение в условиях эксплуатации. По результатам этих испытаний решается вопрос о целесообразности проведения других, более длительных и дорогих видов проверок.

Вязкость: кинематическая, динамическая и индекс вязкости

Вязкость — показатель, отражающий свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению, обусловленное внутренними молекулярными взаимодействиями в движущейся среде. Это важнейшая характеристика, определяющая пусковые и эксплуатационные свойства машин и механизмов.

В узлах трения масло должно иметь достаточно низкую вязкость, чтобы обеспечить минимальные потери энергии на перемешивание и беспрепятственную прокачку насосом по смазочной системе (особенно при низких температурах). В то же время вязкость должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать режим трения со смазкой, нормальное изнашивание поверхностей и низкий уровень утечек через уплотнения (особенно при повышенных температурах).

Вязкость зависит от состава масла, температуры, давления, скорости сдвига и времени работы в узле трения. С ростом температуры вязкость уменьшается, с повышением давления — растёт. В связи с массовым применением противоизносных, противозадирных, антифрикционных и загущающих присадок значение вязкости, определяемой классическими методами, постепенно снижается. Поэтому всё шире используют специфические показатели, измеряемые 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 (ν) и плотности (ρ) при той же температуре. Выражается в паскаль-секундах (Па·с) или пуазах (П); 1 П = 0,1 Па·с.
• Кинематическая вязкость (ν) — мера сопротивления течению под влиянием гравитационных сил. Определяется капиллярными вискозиметрами. Выражается в м²/с, мм²/с или сантистоксах (сСт); 1 сСт = 1 мм²/с = 10⁻⁶ м²/с.
• Условная вязкость (ВУ) — отношение времени истечения определённого объёма испытуемой жидкости при заданной температуре из вискозиметра типа Энглера ко времени истечения дистиллированной воды. Выражается в условных единицах (ВУ).

Индекс вязкости

Индекс вязкости — 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 °C.

По индексу вязкости (ИВ) масла делят на низкоиндексные (ИВ < 80), среднеиндексные (ИВ = 80–90) и высокоиндексные (ИВ = 90–100 и выше). Чем выше индекс, тем стабильнее вязкость при изменении температуры и тем выше качество продукта. Большинство нефтяных (минеральных) базовых масел имеют ИВ от 0 до 100, а загущенные всесезонные масла для гидравлических систем — более 100.

Характеристики низкотемпературной вязкости

• Максимальная вязкость, обеспечивающая запуск холодного двигателя, — мера способности масла течь и смазывать узлы трения на холоде. Определяется имитатором запуска CCS (Cold Cranking Simulator, DIN 51377, ASTM D2602), измеряется в сантипуазах (сП) при заданных температурах с учётом степени вязкости SAE.
• Максимальная вязкость прокачиваемости (pumping viscosity) определяется по методу ASTM D4684 и характеризует способность масла течь и создавать давление в системе смазки на начальной стадии работы холодного двигателя. Показатель важен для масел, склонных желировать при медленном охлаждении (чаще всего — всесезонные минеральные). Наименьшая температура прокачивания близка к наименьшей температуре эксплуатации.
• Температурная зависимость вязкости при низкой температуре и низком напряжении сдвига определяется по ASTM D5133 на сканирующем вискозиметре Брукфильда. Применяется в основном при разработке новых рецептур.

Характеристики высокотемпературной вязкости

• Вязкость при высокой температуре и высокой скорости сдвига (HTHS) при 150 °C и скорости сдвига 10⁶ с⁻¹ определяется: в США — по ASTM D4683, в Европе — по CEC L-36-A-90 или ASTM D4741.
• Стабильность к сдвигу — способность масла сохранять постоянную вязкость под воздействием высокой деформации сдвига. При быстром скольжении поверхностей трения возникает деструкция молекул полимеров-загустителей. Особенно важна для высокоскоростных, высоконагруженных и малогабаритных двигателей.

Сводные требования к низко- и высокотемпературной вязкости по классам SAE:

Методы измерения: ASTM D2602 — имитатор холодного пуска CCS; ASTM D4684 и D3829 — мини-ротационный вискозиметр MRV; ASTM D445 — стеклянный капиллярный вискозиметр; конический имитатор подшипника — HTHS.

Зольность и сульфатная зольность

Зольность — показатель наличия золообразующих компонентов (главным образом металлсодержащих присадок) и примесей в составе не работавших масел. Выражается в % масс. Основной источник золы — металлсодержащие присадки, поэтому «зольность» и «сульфатная зольность» используют для оценки их присутствия в товарных маслах. Под действием температуры в узлах трения зола (как правило, сульфаты металлов) образуется и при эксплуатации, что снижает износостойкость узлов.

Сульфатная зольность — показатель содержания металлсодержащих присадок (с барием, кальцием, магнием, цинком, калием, натрием, оловом, а также серой, фосфором, хлором) в не работавших маслах. Выражается в % масс. Использование масла с высокой зольностью приводит к отложениям в камере сгорания, ухудшает работу свечей зажигания и вызывает абразивный износ поверхностей трения.

В моторных маслах сульфатная зольность не должна превышать:

• в бензиновых двигателях — 1,5 %;
• в дизелях малой мощности — 1,8 %;
• в дизелях высокой мощности — 2,0 %.

Щелочное (TBN) и кислотное число

Щелочное число (TBN) — показатель склонности масел к отложениям, указывающий на количество щёлочи (в мг KOH), эквивалентное содержанию всех щелочных компонентов в 1 г испытуемого масла. Выражается в мг KOH/г. С ростом щелочного числа повышается способность масла нейтрализовывать коррозионно-агрессивные кислые продукты окисления. Однако избыточная щёлочность отрицательно влияет на противоизносные и противозадирные свойства.

Кислотное число характеризует коррозионную и защитную способность масла и указывает количество мг KOH, расходуемое на нейтрализацию всех кислых компонентов, содержащихся в 1 г масла. Выражается в мг KOH/г.

Коррозионность — показатель степени коррозионной агрессивности масла. Зависит от состава базовых масел и типа присадок; в процессе старения коррозионность возрастает.

Прочие показатели чистоты и содержания присадок

• Испаряемость — потери от испарения при работе масла, %. Зависит от фракционного состава базы; чем ниже испаряемость, тем меньше потери, степень загущения и склонность к отложениям.
• Коксуемость — склонность масла к коксованию, % масс. Используется для контроля степени очистки.
• Массовая доля активных элементов — содержание присадок; применяется для контроля качества при производстве и хранении, оценки срабатывания присадок и совместимости с каталитическими нейтрализаторами.
• Массовая доля воды — содержание воды в масле. Вода вызывает низкотемпературные отложения, затрудняет фильтрацию и прокачку, повышает коррозионность.
• Массовая доля механических примесей — загрязнённость масла инородными частицами (пыль, песок), попавшими при производстве, транспортировке или хранении.
• Механическая стабильность — способность загущенного масла противостоять механической деструкции вязкостных полимерных присадок. Выражается в мм²/с или %.
• Склонность к пенообразованию — показатель прокачиваемости; пена нарушает нормальную работу систем смазывания.
• Совместимость с резиновыми уплотнениями — отсутствие взаимодействия масла с резиной, способного изменить форму, размеры и прочность уплотнений.
• Степень чистоты — чистота масел и присадок, мг на 100 г. Контролирует степень очистки и качество присадок.

Плотность

Плотность — физическая константа, масса единицы объёма. Выражается в кг/м³ или г/см³ и зависит от фракционного состава базовых масел. Используется главным образом для контроля качества при производстве и хранении, а также для пересчёта объёмных единиц в массовые при отпуске масел потребителю.

Температура вспышки и застывания

Температура вспышки — минимальная температура, при которой пары продукта образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении пламени. Выражается в °C. При дальнейшем нагреве масло достигает температуры воспламенения и горит не менее 5 с. Показатель отражает пожароопасность, наличие летучих фракций (расход на угар) и позволяет выявить разбавление масла топливом — то есть характеризует физическую стабильность. Определяется в открытом тигле (ГОСТ 4333) и в закрытом (ГОСТ 6356). Для моторных масел — не ниже 200 °C, для трансмиссионных — 128 °C и выше.

Температура застывания — температура, при которой нефтепродукт теряет подвижность, °C. Застывшее масло не прокачивается и не смазывает детали, узлы работают при сухом трении с повышенным износом. Снижают температуру застывания депарафинизацией и введением депрессаторов. По ГОСТ: для незагущенных моторных масел — от −20 до −30 °C, для загущенных — от −35 до −45 °C, для трансмиссионных — от −18 до −55 °C.

Термоокислительная и трибологические свойства

Термоокислительная стабильность служит для условной оценки склонности масла к образованию лаковых отложений и эффективности противолаковых присадок. При работе на повышенных температурах в сочетании с каталитическим действием металлов и кислорода воздуха происходит окисление масла с осаждением нерастворимых веществ на нагретых деталях; при этом растут вязкость, кислотное число и коррозионность, ухудшаются противозадирные свойства.

Трибологические свойства — комплекс показателей, характеризующих противоизносные, противозадирные и антифрикционные свойства масла. Показатель отражает присутствие и эффективность соответствующих присадок и применяется для оценки качества при производстве и хранении.

Стандартные методы оценки физико-химических свойств

Каждый показатель измеряется по утверждённым методикам. Ниже — соответствие основных параметров стандартам ГОСТ, ASTM, DIN, IP, ISO и CEC.