Пластичные смазки

ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ (консистентные смазки, от лат. consisto-состою, застываю, густею), мазе- или пастообразные смазочные материалы, получаемые введением твердых загустителей в жидкие нефтяные или синтетич. масла и их смеси. Как правило, пластичные смазки (в литературе их для краткости часто наз. просто смазками)-трехкомпонентные коллоидные системы, содержащие дисперсионную среду (жидкая основа), дисперсную фазу (загуститель), модификаторы структуры и добавки (наполнители, присадки). Благодаря высокой концентрации коллоидные частицы загустителя образуют пространств. структурный каркас, в ячейках к-рого прочно удерживается масло. Большинство пластичных смазок имеет волокнистое строение.

Высокая степень структурирования дисперсной фазы придает смазкам пластичность, упругость и др. св-ва (см. ниже), к-рыми они значительно отличаются от жидких смазочных материалов. При малых нагрузках или в их отсутствие пластичные смазки проявляют св-ва твердых тел: не растекаются под действием собств. массы, удерживаются на вертикальных пов-стях, не сбрасываются инерционными силами с движущихся деталей. Однако при нек-рых критич. нагрузках (обычно 0,1-0,5, реже 2-3 кПа), превышающих предел прочности структурного каркаса, происходят т. наз. тиксотропные превращения: смазки разрушаются и начинают деформироваться-течь как пластичное тело без нарушения сплошности; после снятия нагрузок течение прекращается, разрушенный каркас восстанавливается и смазки снова приобретают св-ва твердых тел.

Основные свойства. Оценка качества пластичных смазок включает определение комплекса св-в, к-рые лежат в основе подбора и применения смазок.

Предел прочности на сдвиг -миним. нагрузка, вызывающая переход от упругопластич. деформации к течению смазки. С повышением т-ры он обычно уменьшается. Т-ра, при к-рой предел прочности приближается к нулю, характеризует верх. предел работоспособности пластичных смазок. Оценка прочности производится на пластометре: сдвиг смазки осуществляется в спец. оребренном капилляре под давлением термически расширяющейся жидкости. Для большинства пластичных смазок предел прочности на сдвиг 0,1-1 кПа (при 20⁰C).

Вязкость определяет прокачиваемость при низких т-рах и др. эксплуатац. св-ва смазок, возможность заправки ими узлов трения. Для измерения вязкости используют, напр., капиллярные и ротац. вискозиметры. При миним. рабочих т-рах и скорости деформации 10с^-1 вязкость пластичных смазок не должна превышать 2 кПа · с.

Мех. стабильность характеризует реологич. св-ва смазок, т.е. их способность восстанавливаться после разрушения. Вследствие неблагоприятного влияния изменения мех. св-в пластичных смазок на функционирование узлов трения (затруднены их запуск, ухудшены рабочие характеристики, поступление смазочного материала к контактным пов-стям и увеличено его вытекание) стремятся приготовлять механически стабильные смазки. Для этого, напр., уменьшают (до определенных пределов) размеры частиц загустителей и увеличивают их концентрацию, изменяют хим. состав масел, вводят соответствующие добавки. Мех. стабильность оценивается на ротац. приборе - таксометре изменением прочности пластичных смазок при их деформировании.

Пенетрация-показатель прочности смазок. Глубина погружения конуса (стандартной массы) в течение 5 с в смазку, выраженная в десятых долях мм, наз. числом пене-трации. Чем смазка мягче, тем глубже в нее погружается конус и тем выше число пенетрации. Этот показатель используют для установления идентичности рецептур и соблюдения технологии получения смазок. Число пенетрации пластичных смазок составляет 170-420.

Коллоидная стабильность характеризует способность смазок при хранении и эксплуатации сопротивляться выделению масла (под действием т-ры, давления и др. факторов или самопроизвольному вследствие структурных изменений, напр. под воздействием собственной массы). Коллоидная стабильность смазок определяется степенью совершенства их структурного каркаса и вязкостью дисперсионной среды: чем выше вязкость масла, тем труднее ему вытекать из объема смазки. Mн. пром. смазки на основе маловязких масел или с малым содержанием загустителей недостаточно коллоидостабильны. Для предотвращения либо понижения выделения масла из таких смазок их расфасовывают в небольшую тару. Коллоидная стабильность оценивается по массе масла (в %), отпрессованного из смазки при комнатной т-ре в течение 30 мин; для пластичных смазок она не должна превышать 30% во избежание резкого упрочнения, нарушения их нормального поступления к смазываемым пов-стям и ухудшения вязкостных и смазывающих св-в.

Хим. стабильность-стойкость смазок к окислению кислородом воздуха (в широком смысле - отсутствие изменения св-в смазок при воздействии на них к-т, щелочей и др.). Окисление приводит к образованию и накоплению кислородсодержащих соед. в смазках, снижению их прочности и коллоидной стабильности и ухудшению иных показателей. Хим. стабильность пластичных смазок удается повысить тщательным подбором масляной основы и загустителей, введением антиокислит. присадок, изменением технол. режимов приготовления. Стойкость к окислению особенно важна для таких смазок, к-рые заправляются в узлы трения 1 -2 раза в течение 10-15 лет, работают при высоких т-рах, в тонких слоях и в контакте с цветными металлами. Большинство методов определения этого показателя для пластичных смазок основано на их окисляемости в тонком слое на к.-л. пов-сти (стекло, сталь, медь) при повыш. т-ре, оцениваемой по величине индукц. периода и скорости поглощения кислорода.

Термич. стабильность-способность смазок не изменять св-ва и не упрочняться при кратковрем. воздействии высоких т-р. Термоупрочнение затрудняет поступление к узлам трения смазок, ухудшает их адгезионные св-ва. Термич. стабильность пластичных смазок оценивается на приборе, наз. проч-номером, по изменению предела их прочности до и после выдерживания при повыш. т-рах.

Испаряемость-показатель стабильности состава смазок при хранении и применении; зависит гл. обр. от испаряемости масла, к-рая тем выше, чем ниже хим. стабильность смазочного материала, тоньше слой и больше его пов-сть. Количеств. оценка испаряемости смазок основана на измерении потери массы (в %) образца, к-рый выдерживается в стандартньйс условиях в течение определенного времени при постоянной т-ре.

Микробиол. стабильность-стойкость смазок к изменению состава и св-в под действием микроорганизмов. Для предотвращения микробиол. поражения смазок в них вводят бактерицидные препараты-антисептики (напр., салициловую к-ту, фенолы, орг. производные Hg, Sn и др.) и нек-рые присадки. Этот показатель оценивают по отсутствию или росту, напр., грибков на пов-сти пластичных смазок в чашках Петри либо на металлич. пластинках.

Радиац. стойкость-показатель стабильности смазок при воздействии излучений высоких энергий (a- и b-частицы, g-кванты, своб. электроны). Стойкость пластичных смазок к облучению в значит. степени определяется составом дисперсионной среды и м. б. представлена след. рядом: полисилоксаны < < сложные эфиры < нефтяные масла < простые эфиры. В зависимости от типа загустителей смазки могут приобретать "наведенную" радиоактивность; наиб. легко становятся радиоактивными Na-смазки (см. ниже). О радиац. стойкости пластичных смазок судят по изменению их св-в после облучения определенной интенсивности. Суммарная доза 5·(10⁴-10⁶) Gr вызывает, как правило, разрушение волокон загустителей и изменение св-в смазок.

Температура каплепадения-миним. т-ра, при к-рой происходит падение первой капли нагреваемой смазки; условно характеризует т-ру плавления загустителя. Макс. т-ру применения смазок обычно принимают на 15-20⁰C ниже их т-ры каплепадения. Однако далеко не для всех пластичных смазок она позволяет правильно судить об их высокотемпературных св-вах. Так, т-ра каплепадения Li-смазок (см. ниже) отличается от т-р, соответствующих верх. пределу их работоспособности, на 40-70 ⁰C.

Для оценки антикоррозионных св-в пластичных смазок металлич. пластинку погружают в них при повыш. т-ре, зависящей от т-ры каплепадения; об агрессивности смазок судят по изменению состояния пов-сти пластинки. Противоизнос-ные св-ва пластичных смазок определяют на четырехшариковой машине трения; предельно допустимые значения износа шариков устанавливают в зависимости от назначения смазок и условий их эксплуатации. Защитные (консервационные) св-ва пластичных смазок оценивают при воздействии на смазку, нанесенную на металлич. пластинку, повышенных влажности и т-ры, SO₂, тумана HCl и др. агрессивных сред. Оценка эксплуатац. св-в пластичных смазок включает также определение в них содержания воды, к-т и своб. щелочей.

Повышение требований к надежности и долговечности работы совр. машин и механизмов, а также ужесточение условий применения пластичных смазок обусловливают необходимость регулирования и улучшения их качества путем тщательного подбора дисперсионных сред, дисперсных фаз, введения добавок и их композиций, совершенствования технологии приготовления.

Дисперсионная среда. Жидкая основа в значит. мере определяет вязкостно-температурные характеристики, стабильность и др. св-ва пластичных смазок. В качестве дисперсионной среды, содержание к-рой в смазках составляет 70-90% по массе, используют товарные нефтяные масла малой и средней вязкости (не более 50 мм²/с при 50 ⁰C). При подборе жидкой основы учитывают также хим. состав (содержание смол, полициклич. ароматич. углеводородов, кислородных соед.), заметно влияющий на формирование структуры смазок. Для приготовления пластичных смазок, работоспособных при высоких т-рах (150-200⁰C и более), служат обычно синтетич. масла (полисилоксаны, полигликоли, сложные эфиры, перфтор- и перхлоруглероды и др.). Регулирование эксплуатац. св-в смазок и более эффективное их использование достигаются применением композиций синтетич. и нефтяных масел.

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПИЧНЫХ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК

Дисперсная фаза. Содержание загустителей в смазках составляет, как правило, 10-15%, при низкой загущающей способности-до 20-50% по массе. Загустители оказывают наиб. влияние на структуру и св-ва пластичных смазок и подразделяются на органические и неорганические.

Смазки на орг. загустителях: мыльные [загустители-соли высших жирных к-т (мыла)]; углеводородные (твердые предельные углеводороды C₁₈-C₃₅, C₃₆-C₅₅ и др.); пигментные (орг. красители); полимерные (напр., фторопласты); уреатные (алкил-, ацил- и арилпроизводные мочевины); на основе целлюлозы, солей терефталевой к-ты и т.д.

Мыльные смазки различают по катионам-кальциевые, натриевые, литиевые и др. Среди Са-смазок, выпуск к-рых в СССР составляет 75% выработки всех пластичных смазок, особенно важны составы на гидратир. Са-мылах-солидолы, работоспособные при т-рах от -30 до 70⁰C. Широко используют безводные пластичные смазки на основе комплексных Са-мыл (кСа-смазки), в к-рых загустителями служат комплексные соед. солей высо-комол. (обычно стеариновой) и низкомол. (как правило, уксусной) жирных к-т; эти смазки более термостойки по сравнению с обычными кальциевыми и работоспособны до 160⁰C. Распространены (10% выпуска всех пластичных смазок) также Na-смазки, особенно консталины, работоспособные до 110-120⁰C; однако они р-римы в воде и легко смываются с металлич. пов-стей. Все большее применение получают многоцелевые Li-смазки, совмещающие достоинства кальциевых (водостойкость) и натриевых (т. каплепад. 170-200⁰C) смазок и работоспособные при т-рах от —50 до 130⁰C (см., напр., Литол). Кроме перечисленных пластичных смазок в ряде случаев используют смазки на основе солей Al, Ba, Pb, Zn и др.

Углеводородные смазки (напр., пушечная, ЦИАТИМ-205) получают загущением гл. обр. вязких остаточных или высокоочищенных нефтяных масел твердыми углеводородами -парафином, церезином, их смесью, а также петролатумом, к к-рым иногда добавляют пчелиный и др. прир. воски. Эти смазки отличаются низкой т-рой каплепадения (45-70⁰C), высокими водо- и морозостойкостью, а также хим. стабильностью, способностью после расплавления и послед, охлаждения восстанавливать структуру и св-ва.

Пигментные смазки (напр., ВНИИ НП-235) приготовляют введением преим. в синтетич. масла (полисилоксаны, поли-фениловые эфиры) в кол-вах 20-50% по массе красителей -индантрена, изовиалонтрона, фталоцианина меди и др. Отличаются высокими мех., коллоидной и хим. стабильностью, работоспособны при т-рах от -80 до 250-300⁰C и выше.

Полимерные смазки (напр., ВНИИ НП-233) получают загущением перфторполиэфиров, перфтор- и перфторхлор-углеродов сходными с ними по хим. природе высокомол. твердыми полимерами (напр., полиуретанами). Чрезвычайно химически стабильны и работоспособны до 300⁰C.

Смазки на неорг. загустителях. Получают загущением нефтяных и синтетич. масел неорг. соединениями: силикагелем (напр., смазки ВНИИ НП-279 или 282), стекловолокном, асбестом, бентонитовыми глинами (напр., смазка ВНИИ НП-273) и т. д. Эти смазки стабильны при высоких т-рах (200-300⁰C, в перспективе - при 400-600⁰C), радиоактивном облучении и др. сильных внеш. воздействиях.

Загустители используют как в отдельности, так и в сочетании друг с другом. В случае смешанных загустителей каждый компонент выполняет свою ф-цию: так, мыла улучшают смазочную способность, твердые углеводороды повышают водостойкость, неорг. загустители расширяют температурный диапазон применения смазок.

Нек-рые важные характеристики пластичных смазок приведены в таблице.

Модификаторы структуры и добавки. Улучшение качества смазок достигается присутствием в них модификаторов структуры и введением наполнителей и присадок.

Прочность пространств. структурного каркаса смазок повышается благодаря т. наз. модификаторам структуры. Причины их присутствия в смазках: вносятся дисперсионной средой (напр., смолы и нефтяные к-ты); образуются при приготовлении-т. наз. технол. ПАВ (продукты окисления жидкой основы, избыток жирового сырья и продукты его превращений); накапливаются при хранении и применении (кислородсодержащие соед.) и т.д.

Наполнители (1-15%, реже до 20% по массе и более)-твердые высоко дисперсные (размер частиц до 10 мкм) в-ва-графит, техн. углерод (сажа), MoS₂, BN, алюмосиликаты, порошки Sn, Cu и др. металлов. Обладают слабым загущающим действием, практически нерастворимы в дисперсионной среде, образуют самостоят. фазу в смазках и способствуют упрочнению их граничных слоев.

Присадки (0,001-5% по массе) - обычно орг. соед., р-римые в дисперсионной среде, оказывают существ. влияние на формирование структуры и реологич. св-ва смазок. Осн. присадки: антиокислительные (напр., ионол), антикоррозионные (нитрованный окисленный петролатум и др.), противоизносные (напр., трикрезилфосфат), вязкостные (по-лиизобутилены и др.) и т.д. (см. также Присадки к смазочным материалам). Эффективно также использование в пластичных смазках композиций присадок и наполнителей.

Получение. Технол. процессы произ-ва смазок м.б. периодическими (обычно при выпуске большого ассортимента некрупными партиями) или непрерывными (целесообразны при выработке крупных партий одного сорта смазки). Типичная периодич. технология приготовления наиб. распространенных мыльных смазок заключается в следующем. В варочный котел загружают 15-30% нефтяного масла и всю порцию жирового компонента. Ингредиенты при перемешивании нагревают до 70-80⁰C и добавляют водный р-р щелочи. При интенсивном перемешивании и т-ре до 110⁰C происходит омыление жиров, после чего т-ру повышают до 130 ⁰C для выпаривания излишнего кол-ва воды. Затем смесь полученной мыльной основы и остатка масла нагревают до т-ры плавления мыла. По окончании варки мыльный расплав охлаждают. Режим охлаждения определяет пространств. каркас смазок: при быстром понижении т-ры образуются мелкие, при медленном - крупные частицы загустителя. Смазки, полученные путем быстрого охлаждения расплава, отличаются большей прочностью. Наиб. упорядоченная и прочная структура пластичных смазок формируется в режиме изотермич. кристаллизации.

Принципиальная технол. схема непрерывного произ-ва смазок: измельчение готового сухого мыла; приготовление суспензии его порошка в половине общего кол-ва синтетич. масла; нагревание суспензии до образования расплава; смешение последнего с остальным кол-вом нагретого масла; охлаждение мыльного расплава. Технология получения углеводородных смазок намного проще, чем мыльных, и сводится в осн. к сплавлению при перемешивании компонентов, выпарке воды и охлаждению готового расплава.

Стабильность охлажденных после приготовления пластичных смазок повышают продавливанием их через узкие кольцевые отверстия под давлением 20-25 МПа (гомогенизация) или через щелевые зазоры в полость спец. аппарата, из к-рого непрерывно откачивают воздух (деаэрация).

Применение. Св-ва пластичных смазок определяют их преимущества перед жидкими смазочными материалами: малый уд. расход (иногда в сотни раз меньший); возможность создания более простых конструкций машин и механизмов, больший их "межсмазочный" период эксплуатации и значительно более низкие затраты на обслуживание.

Благоприятное сочетание св-в жидкости и твердого тела позволяет использовать пластичные смазки в разнообразных узлах трения: открытых, негерметизированных, труднодоступных, расположенных под углом к горизонту, работающих в широких диапазонах т-р и скоростей, а также в вакууме; в механизмах с редко сменяемыми смазками, при недопустимости загрязнения ими среды или попадания на детали и перерабатываемые материалы, при вынужденном контакте с водой и др.

По назначению различают пластичные смазки (см. также табл.): для снижения трения и износа деталей машин и механизмов (см. Антифрикционные смазки, Металлоплакирующие смазочные материалы); для защиты металлич. изделий от коррозии и предотвращения износа (см. Канатные смазки, Консерва-ционные смазки); для герметизации резьбовых соед., сальников, щелей, зазоров и т. д. (см. Уплотнительные смазки); для спец. целей увеличения трения для предотвращения проскальзывания трущихся пов-стей (фрикционные смазки), улучшения их приработки (приработочные смазки) и др. Кроме этих осн. ф-ций, смазки выполняют роль электро-изоляц. материалов, защищают детали узлов трения от ударных нагрузок, снижают вибрации и шум.

Мировое произ-во пластичных смазок составляет ок. 1 млн. т/год, или примерно 4% выработки нефтяных масел (1989).

Лит.: Фукс И. Г., Пластичные смазки, M., 1972; его же, Добавки к пластичным смазкам, M., 1982; Синицын В. В., Пластичные смазки в СССР, 2 изд., M., 1984; Ищук Ю. Л., Технология пластичных смазок, К., 1986; Вава-нов В. В., Вайншток В. В., Гуреев А. А., Автомобильные пластичные смазки, M., 1986; Гуреев А. А., Фукс И. Г., Лашхи В. Л., Химмотология, M., 1986, с. 278- 363; Климов К. И., Антифрикционные пластичные смазки, M., 1988; Смазочные материалы. Справочник, M., 1989, с. 113-50; Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение. Справочное издание, под ред. В. M. Школьникова, M., 1989, с. 257-321. А. В. Виленкин.