Смазочные материалы. 
Основы трибологии

Назначение смазочных материалов — снижение трения и (или) износа.

Соотношение стоимости смазочных материалов и затрат на смазывание техники обычно составляет от 1:5 до 1:15. Поэтому применение в промышленности смазочных материалов лучшего качества, хоть и более дорогих, почти всегда экономически оправдано.

Смазочные материалы подразделяют на жидкие, пластичные и твердые.

Жидкие смазочные материалы — это прежде всего масла (нефтяные, растительные, животные и синтетические), композиции на водной основе и жидкие металлы.

Важнейшими физическими характеристиками жидких материалов являются вязкость — свойство оказывать сопротивление при течении, а также ее зависимость от температуры и давления. Иногда для характеристики масел применяют термин маслянистость основанный на ощущении степени уменьшения трения при растирании смазочного материала пальцами.

Нефтяные масла — очищенные обычным способом масла на основе нефтяного сырья. Из всех смазочных материалов они имеют наибольшее распространение. В зависимости от назначения различают следующие разновидности нефтяных масел.

Индустриальное масло используют для смазки станков и промышленного оборудования.

Трансмиссионное — для механических трансмиссий.

Моторное — для поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Цилиндровое — для поршневых паровых колец.

Турбинное — для смазки паровых и газовых турбин, турбокомпрессоров.

Авиационное — для авиационных поршневых, турбовинтовых, турбореактивных двигателей.

Это разделение носит условный характер, например, моторные масла, часто применяют для смазки промышленного оборудования.

Растительные масла получают из семян или плодов растений отжимом или экстрагированием. Они состоят из глицеридов (сложных эфиров глицерина) и жирных кислот. Смазочные характеристики растительных масел лучше, чем нефтяных. Однако, они менее стабильны из-за быстрого окисления при высоких температурах. Наличие в растительных маслах активных радикалов обусловливает их высокую адгезию к металлам. Поэтому их применяют в качестве присадок к нефтяным маслам.

Животные масла получают из жировой ткани животных. Они сыграли большую роль на заре развития техники, но после появления нефтяных масел потеряли свое значение. Их применяют как присадки и сырье для пищевой, фармацевтической, парфюмерной промышленности.

Синтетические масла изготавливают синтезом из простейших непредельных углеводородов или других соединений. Они уступают нефтяным маслам по смазочным характеристикам, но превосходят их по способности работать при особо высоких и низких температурах. Поэтому их применяют в технике Севера, энергетическом оборудовании, в реактивной авиации и космическом машиностроении, автомобилестроении.

Основные группы синтетических масел: эфиры, гликоли, силиконы, фтористые углероды.

Эфиры применяют для смазки авиационных приборов при температурах эксплуатации от -60 до +120, а с антиокислительными присадками — до +200⁰ С.

Гликоли имеют более узкий диапазон температур эксплуатации (от -60 до +100⁰С) и склонны к окислению. Их достоинством является малая зависимость вязкости от температуры.

Силиконы имеют в своей структуре атомы кремния. Их вязкость мало зависит от температуры от -60 до +250⁰С. Силиконовые масла термостойки, но имеют сравнительно невысокую смазывающую способность.

Фторуглеродные масла отличаются термостабильностью, превосходя по этому параметру другие синтетические масла. Их недостатки — сильная зависимость вязкости от температуры и высокая стоимость. Оптимальные области применения — узлы трения, эксплуатируемые при высоких нагрузках и температурах.

Присадки к маслам разделяют в зависимости от назначения на:

• 1) моющие — для удаления продуктов окисления масел с поверхностей трения. Представляют собой поверхностно-активные вещества, помогающие удерживать твердые частицы в масле во взвешенном состоянии;
• 2) противоокислительные — для замедления процессов окисления масел;
• 3) противозадирные — для образования на поверхностях трения прочных пленок, препятствующих схватыванию;
• 4) противокоррозионные — для защиты металлов от коррозии;
• 5) антифрикционные — для уменьшения коэффициента трения (животные и растительные масла, органические соединения серы, фосфора, металлов и др.);
• 6) противоизносные — для уменьшения износа (соли бария, цинка и др.);
• 7) противопенные — для устранения вспенивания масел в системах смазывания двигателей;
• 8) многофункциональные.

Особую группу составляют трибополимеризующиеся присадки. Они инициируют сшивку молекул масла или самообразуют высокомолекулярные соединения под действием трения, что приводит к формированию на поверхностях трения раздедительных пленок. Последние имеют высокую адгезию к металлам и прочность. Они оказывают противоизносное и антифрикционное действие, не растворяются в масле и регенерируются по мере истирания.

Смазочные композиции на водной основе содержат гликоли или глицерин, а также водорастворимый загуститель, придающий композиции нужную вязкость. Их стали разрабатывать из-за дефицита нефтяного сырья. Композиции имеют структуру золей — жидких коллоидных систем с частицами дисперсной фазы — мицеллами. Мицелла — в данном случае, молекула гликоля или глицерина, окруженная слоем молекул воды или ионов ее составляющих. При адсорбции мицелл на поверхностях трения формируются пленки с хорошей нагрузочной и смазочной способностью.

Концентраты смазочных композиций применяют как технологические материалы при обработке металлов давлением. Их водные растворы (5−10%) используют в узлах трения машин и в качестве буровых растворов при проходке нефтяных и газовых скважин.

Жидкие металлы применяют как смазочные материалы главным образом в вакуумных системах, где они обеспечивают смазку и герметизацию узлов трения. Для герметизации ввода вращающихся валов в космические аппараты используют калий, ртуть, эвтектические сплавы галлия с индием и оловом. В подвижных уплотнениях вакуумного оборудования применяют плавкие вставки из сплава Вуда, олова, серебра, индия.

Пластичные смазочные материалы — полутвердые или твердые продукты, состоящие из смеси минерального или синтетического масла и мыл или других загустителей. Особенностью их структуры является наличие каркаса, образованного частицами загустителя, в ячейках которого заключено масло. Благодаря каркасу пластичные материалы в обычных условиях представляют собой твердые тела. Под нагрузкой каркас разрушается, и они текут подобно маслу. При снятии нагрузки каркас восстанавливается, материал застывает и удерживается на детали.

В качестве загустителя чаще всего применяют мыла — соли жирных кислот. В зависимости от состава мыла пластичные смазки разделяют на кальциевые, натриевые, смешанные кальциево-натриевые и др.

Кальциевые смазки (солидолы) содержат свободную и связанную воду, в воде не растворяются. Оказывают смазочное действие во влажной среде, максимальная рабочая температура +55⁰С. При плавлении теряют воду и распадаются на масло и мыло. После охлаждения исходная структура солидола не восстанавливается.

Натриевые смазки (консталины) плавятся в интервале +100 — 200⁰С. Застывая после расплавления, восстанавливают исходные смазочные параметры. Легко растворяются в воде при повышенной температуре.

Кальциево-натриевые смазки сочетают достоинства двух названных классов материалов. Их применяют при повышенной температуре и небольшой влажности.

Литиевые смазки получили широкое распространение в последние десятилетия. Литиевые мыла практически не растворимы в воде и эффективны как загустители. Литий является отходом атомной энергетики и достаточно доступен. Материал с торговым названием литол широко используется в основных узлах трения отечественных автомобилей.

В качестве загустителей находят применение также парафин, церезин, петролатум, полимеры и др. Их используют главным образом для получения консервационных (пушечная смазка, технический вазелин) и уплотнительных смазочных материалов.

Антифрикционные пластичные материалы согласно ГОСТ 23 258– — 78 делят на группы: общего назначения, многоцелевые, термостойкие, морозостойкие, противоизносные и противозадирные, химически стойкие, приборные, редукторные, приработочные, узкоспециализированные, брикетные.

Твердые смазочные материалы применяют в виде порошков или тонких пленок. По составу — это органические или неорганические вещества либо их комбинации.

Неорганические материалы делят на несколько групп. Первую из них составляют графит, дисульфид молибдена MoS₂, дисульфид вольфрама WS₂, диселениды NbSe₂, TaSe₂ и др., дифториды CaF₂ и др. Они характеризуются высокой адгезией к конструкционным материалам и неодинаковой прочностью в разных направлениях, т. е. обладают анизотропией. Их кристаллическая решетка имеет слоистую структуру (рис. 8.2) с прочными связями между атомами в плоскости слоя и слабыми — между слоями.

Эти материалы добываются как полезные ископаемые или могут быть синтезированы. Они сравнительно дешевы и доступны.

Дисульфид молибдена или молибденит имеет низкий коэффициент трения в высоком вакууме (10 Па.

⁰С), так и при высоких (до +700⁰С) температурах. На его смазочное действие слабо влияют ионизирующие излучения. Поэтому молибденит входит в состав смазочных композиций, применяемых в космической, криогенной и ядерной технике.

Графит менее универсален как смазка. На межмолекулярное взаимодействие его слоев сильно влияет сорбция компонентов окружающей среды, в частности, воды. Низкомолекулярные компоненты располается между слоями и снижают их притяжение. Поэтому в высоком вакууме, когда они удаляются, смазывающая способность графита становится значительно хуже. Прочность графита увеличивается с повышением температуры. Он имеет высокую теплои электропроводность. Коэффициент трения графита мало зависит от скорости скольжения. Графит имеет хорошую адгезию к оксидам металлов и чугуну, образуя при трении устойчивую пленку, в которой кристаллические слои ориентированы параллельно поверхности трения. Оптимальные области применения графита — высокотемпературная смазка и скользящие электрические контакты.

Вторую группу неорганических твердых смазочных материалов составляют цветные и редкие металлы (литий, свинец, кадмий, серебро, золото и др.), которые используются в качестве покрытий. Механизм их смазочного действия напоминает механизм смазки маслами. Металлические покрытия применяются в условиях, неприемлемых для масел: при волочении проволоки, прокатке труб, при больших перепадах температур и т. д.

Органические материалы — мыла, воски, жиры, полимеры.

Мыла — соли высших жирных кислот, в частности, соли, получаемые из жирозаменителей — синтетических жирных кислот, таллового масла, нафтеновых и смоляных кислот. Воски — жироподобные вещества животного или растительного происхождения.

Рис 8.2 Схема кристаллической решетки графита

Они делятся на животные (пчелиный воск, спермацет, ланолин и др.), растительные (карнаубский воск), минеральные (озокерит). Жиры — вещества растительного (так называемые жирные масла) или животного происхождения, в основном, сложные эфиры глицерина и одноосновных жирных кислот (триглицериды).

Полимеры относят к твердым смазочным материалам на том основании, что механизм их смазочного действия заключается в формировании и непрерывном возобновлении на поверхностях трения пленок переноса, образующихся из продуктов механической деструкции макромолекул. С позиций трибологии наиболее интересны фторопласты — полимеры и сополимеры галогенопроизводных (F, Cl) этилена и пропилена. Коэффициенты трения фторопластов при трении скольжения и динамический одинаково малы, что обеспечивает плавность медленных перемещений подвижных сопряжений. Особенность фторопластов — исключительно высокая химическая инертность в большинстве рабочих сред.