В процесі роботи машин і механізмів відбувається зношування сполучених пар. Інтенсивність зношування і сила тертя залежать від цілого ряду факторів, обумовлених режимом тертя (температура, вологість і т.п.), а також складом і властивостями мастильних матеріалів, що застосовуються. Однак останні в процесі роботи (в залежності від умов експлуатації) самі перетерплюють значні перетворення, що виражаються у зміні їх хімічного складу. Ці зміни, в свою чергу, впливають на протизносні та антифрикційні властивості. Більшість мастильних матеріалів піддається окислюванню, в результаті якого в системі відбувається нагромадження кисневоутримуючих з'єднань, які при визначеному вмісті можуть поліпшувати протизносні властивості масел. Однак нагромадження їх в маслах в значній кількості (і особливо низькомолекулярних кислот) небажано, тому що різко підсилюється корозія і зношування тертьових пар.
З метою запобігання зміни складу і властивостей мастильних матеріалів і поліпшення їх експлуатаційних характеристик більшість масел і мастил містять різні добавки. Маслорозчинні добавки органічного походження одержали назву присадки. Тверді нерозчинні речовини, як правило, неорганічного походження називають наповнювачами або антифрикційними добавками. Вводять їх у мастила в значних кількостях, більших за присадки (до 20-30% проти 2-5% відповідно).
Присадки підвищують стабільність масел проти окислювання, регулюють їх в'язкість і зменшують залежність в'язкості від температури, знижують температуру застигання, поліпшують триботехнічні властивості (знижують тертя і знос, запобігають схоплювання і задирам), захищають метали від корозії, перешкоджають відкладенню нагарів на деталях двигунів внутрішнього згоряння, перешкоджають емульгуванню води в маслах і спінюванню останніх. За функціональним призначенням присадки розділяють на антиокисні, в’язкостні, миючо-диспергуючі, антифрикційні, протизносні, депрессорні, протипінні та інші.
Присадки вводять в масла в порівняно невеликих кількостях: від долів відсотка до декількох відсотків (у композиціях їх загальна концентрація може доходити до 15% і більш).
Виключення складають в’язкостні присадки, що можуть додаватися до 20-30% і більш, будучи в цьому випадку в більшому ступені компонентом масла, ніж присадкою. Більшість присадок поверхнево-активні речовини. Їх молекули складаються з однієї або декількох полярних груп йодної або декількох неполярних. До складу полярних груп входять атоми кисню, сірки, галоїдів, фосфору, азоту або бору. Може бути присутнім один з цих атомів або тимчасово два-три.
Більшість присадок незалежно від свого функціонального призначення тією чи іншою мірою впливають на антифрикційні і протизносні властивості мастильних матеріалів. Цей вплив може виявлятися безпосередньо (прямий ефект) або через процеси, що протікають в маслі (побічний ефект). Так, антиокисні присадки знижують нагромадження в маслі продуктів окислення, що є поверхнево-активними речовинами.
За характером взаємодії з металом антиокисні присадки умовно поділяють на деактиватори і пассиватори. Деактиватори запобігають або знижують каталітичну дію з'єднань металів, що накопичуються в маслі. Пассиватори утворять нерозчинну плівку на поверхні металу. Ця плівка блокує його поверхню від корозійної дії середовища (пасивує поверхню металу). Детергенти виявляють ефект власне миючої дії внаслідок утворення на поверхні металу подвійного електричного шару. Останній істотно впливає на тертя і знос. Вплив зольних миючих присадок підсилюється в зв'язку з тим, що вони вводяться в масла в значній кількості (3-5% і більше). Дисперсанти також впливають на протизносні та антифрикційні властивості внаслідок своєї високої поверхневої активності.
Зниження корозійної активності мастильного середовища досягається шляхом підвищення антиокисних властивостей масла, а також додаванням до масел спеціальних антикорозійних присадок. Їх механізм заснований на хімосорбційній взаємодії з металом. При цьому поверхня металу захищається від дії навколишнього середовища та одночасно знижується каталітична дія металу на окислювання компонентів масла. Інтенсифікація атмосферної корозії, особливо у вологому середовищі, а отже, і зносу спряжених пар запобігається або зводиться до мінімуму введенням в масло інгібіторів корозії.
Підвищення в'язкості масла, у тому числі і шляхом його загущення в’язкостними (полімерними) присадками, знижує знос внаслідок переходу від граничного до еластогідродинамічного мащення.
В табл. 2.7 приведені марки і хімічна назва присадок, найбільше широко використовуваних в маслах.
Таблиця 2.7
Марки деяких функціональних присадок до мастил
| Присадка | Хімічна назва |
| Антиокисні | |
| Іонол Агидол-2 ВНИИНП-354 ДФ-11 ДФ-1 ИХП-21 | 4-метил-2,6-ди-третбутилфенол 2,біса-біса-2-метилен-біс-(4-метил-6-третбутилфенол) Ди (алкилфенил)дитиофосфат цинку Диалкилдитиофосфат цинку Диалкилдитиофосфат барію Барієва сіль продукту конденсації алкилфенол з формальдегідом і аміаком, обробленого п'яти сірчистим фосфором |
| Миюче-диспергуючі детергенти (зольні) | |
| МАСК АСК АСБ С-150; ПМС«А»; Пмся БФКУ ЦИАТИМ-339 | Колоїдна дисперсія карбонату кальцію алкилсалицилатом кальцію Алкилсалицилат кальцію Алкилсалицилат барію Колоїдна дисперсія карбонату кальцію, сульфонатом кальцію Барієва сіль ди (оксиалкилфенил)метану Нейтральна барієва сіль алкилфенол сульфіду |
| Дисперсанти (беззольні) | |
| Днепрол С-5А | Модифікована підстава Манниха маслаизобути-ленфенола і пмаслютиленпмаслаамина Сукцинимид (імідопохідні бурштинової кислоти) |
| Інгібітори корозії | |
| АКОР-1 ЦИМ | Очищений-очищені-селективно-очищені нітрованні масла Сукцинимид сечовини |
| В'язкістні | |
| ПМА «У-1»; ПМА «У-2» КП-10 | Масламетакрилати Поліізобутилен |
| Депрессори | |
| АзНИИ-ЦИАТИМ-1 АФК | Барієва сіль бисульфідалкилфенола Кальцієва сіль алкилфенола масламетакрилат |
| Протизносні і противозадирні | |
| АБЗС КИНХ-2 Л3-23до | Бісалкілбензилтиоетан Масласульфінірованні поліізобутилен Діізопропилксантогенат етилена |
| ОТП Хлореф-40 ЭФО ЛЗ-309/2; ЛЗ-318 - | Осірчанені тетрамери пропілена ПРО, О-Дибутиловий ефір трихлорметилфосфоновой кислоти, Цинкобарієва сіль изобутилового ефіру арилдитиофосфорной кислоти Трихлорпентилдизопропілдитиофосфат |
Примітка. Віднесення деяких присадок до відповідної групи за функціональним призначенням є певною мірою умовним. Наприклад, дитиофосфати цинку володіють не тільки антиокисною, але і протизносною дією.
Антиокисні присадки поділяють на беззольні (які не містять металів у своєму складі) і зольні (до складу яких входить метал). До числа беззольних присадок відносять з'єднання фенольного й аміного типу. Широко розповсюдженою зольною антиокисною присадкою є дитиофосфати різних металів. Найбільше поширення серед них одержали дитиофосфати цинку. Дитиофосфати металів виконують також функції протизносних і антикорозійних присадок. Для зниження корозійної агресивності масел стосовно міді і її сплавів при високих робочих температурах застосовують бензотриазол і його похідні, стосовно свинцю - пропіловий ефір галлової кислоти.
В якості миюче-диспергуючих присадок, які застосовуються в основному в моторних маслах, використовують з'єднання, що володіють детергентною і диспергуючою дією. До найбільш розповсюджених детергентів відносять сульфонати і саліцилати металів (зольні детергенти), переважно кальцію і барію. Крім сульфонатів і саліцилатів, знайшли застосування також феноляти металів. У якості диспергуючих присадок, або дисперсантів, використовують в основному беззольні з'єднання-сукцинимиди різної будови.
В якості протизносних і протизадирних присадок до мастильних матеріалів (див. табл. 2.7) використовують сіро-, фосфор-, хлормісткні з’єднання (сульфіди, полісульфіди, ксантогенати, фосфати, дитиофосфати тощо). Роль в’язкісних присадок виконують поліізобутилени, поліметакрилати і сополімери різної молекулярної маси.
При твердих режимах експлуатації пластичних змащень, незважаючи на значний вміст у них ПАР, поверхневої активності мил - найбільш розповсюдженого типу згущувача - виявляється недостатньо для утворення на металі міцного і стійкого граничного шару. У таких випадках триботехнічні властивості найбільше істотно можна поліпшити введенням у пластичні мастила речовин адсорбційно і хімічно більш активних, ніж згущувачів.
Такими речовинами є протизносні і протизадирні присадки. Протизносні присадки не допускають прогресуючого зносу металу при високих навантаженнях і температурах, а протизадирні – відвертають заїдання і задири, зменшують руйнування поверхні при підвищених навантаженнях. Антифрикційні присадки, що стабілізують процес тертя, у масла, як правило, не вводять, оскільки їх антифрикційні властивості і так досить гарні.
У маслах використовують переважно протизносні і протизадирні присадки, призначені для масел. Присадки, що містять активні елементи сірку, хлор і фосфор, як правило, погіршують мастило, колоїдну, термічну і механічну стабільність. Виключення складають осірчені жири (бавовняне і касторове масло, кашалотовий жир) і присадка КИНХ-2. Вітчизняна промисловість випускає більше десяти антифрикційних пластичних мастил, що містять протизносні і протизадирні присадки.
Для присадок характерно значна зміна ефективності дії в залежності від їх концентрації, а також від складу, властивостей, умов виробництва і застосування мастильних матеріалів.
У загальному випадку при підборі присадок до пластичних мастил, крім властивостей самої присадки (наявність домішок, змін в умовах збереження й ін.), варто враховувати:
1) хімічний склад дисперсійного середовища;
2) тип і концентрацію загущувача, а у випадку мильних загущувачів - склад жирової сировини і луг, які для цього використовуються;
3) реакцію мащення (лужну або кислу), в залежності від якої рекомендуються присадки різних типів;
4) сумісність з іншими функціональними добавками (модифікаторами структури, присадками і наповнювачами), що присутні у мастилах;
5) технологію виробництва мастил і спосіб введення присадки;
6) умови експлуатації мастил (температуру, навантаження, контакт із різними металами, тривалість роботи тощо).
Наповнювачі (антифрикційні добавки). Наповнювачі – це тверді високодисперсні речовини, як правило, неорганічного походження (виключення складають порошкоподібні полімери). Вони практично не розчиняються в дисперсійному середовищі та утворюють в мастильних матеріалах самостійну тверду фазу: розмір часток наповнювачів, як правило, складає 1...20 мкм. Найбільше поширення одержали шаруваті наповнювачі кристалічної структури: графіт, дисульфід молібдену, нітрид бора, слюда, тальк, вермикуліт та деякі сульфіди, селеніди і іодіди металів, а також високодисперсні порошки металів і їх оксиди (табл. 2.8).
Наповнювачі відрізняються від згущувачів істотно меншою згущувальною здатністю, однак границя між окремими неорганічними згущувачами і наповнювачами з високою поверхневою активністю не завжди чітко виражена. Ті самі продукти в залежності від їх дисперсності, поверхневої активності, концентрації і технології введення можуть бути віднесені як до наповнювачів, так і до згущувачів. Наприклад, дисульфід молібдену МО2 при високій концентрації (40-60%) і інтенсивному механічному впливі утворить у рідких середовищах структуровані системи-пасти, за своїми властивостями близькі до пластичних мастил. Той же продукт у малих кількостях (1-5%) поводиться в мастилах і маслах як наповнювач (антифрикційна добавка). Таким чином, наповнювач відрізняється від згущувачів і присадок складом і фізичним станом.
Таблиця 2.8
Характеристика наповнювачів
| Показники властивостей | Графіт | Дисульфід молібдену | Слюда | ПТФЕ |
| Щільність, кг/м | 1500-2000 | 4800-5000 | 2300-2800 | 2100-2300 |
| Твердість (за Моосом) | 1,0-2,0 | 1,0-1,5 | 2,3-2,8 | (за Шором) |
| Температура плавлення, °С | 3000-3500 | 1300-1500 | 1200-1400 | - |
| Термічна стабільність (на повітрі), °С | 300-400 | 600-900 | - | |
| Продукти окислювання | С, С2 | МоО3 | - | С2F4 |
| Максимальна температура застосування (на повітрі),°С: - постійна - короткочасна | 420-430 535-550 | 340-350 390-400 | - - | 250-270 310-315 |
| Хімічна стійкість | Відмінна | Гарна | Задовільна | Відмінна |
| Коефіцієнт тертя: - у вакуумі - при низьких температурах (рідкий азот) | 0,07-0,12 0,7-0,9 | 0,05-0,09 0,5-0,7 | 0,15-0,35 - | 0,06-0,08 0,02-0,05 |
Порошкоподібні наповнювачі дозволяють досить ефективно поліпшувати властивості мастильних матеріалів. Хоча наповнювач і є лише добавкою, кількість його може коливатися в широких межах, що визначається цілями його введення в мастильний матеріал.
Наповнювачі класифікують за наступними ознаками: за походженням - на природні і синтетичні, за складом - на неорганічні (мінеральні) і органічні, за впливом на структуру мастил-на інертні і активні, за функціональною дією - на поліпшуючі мастильну здатність, герметизуючу і захисну здатність, а також ряд інших властивостей мастил (тепло- і електропровідність та ін).
Структура і механічні властивості наповнювачів значною мірою визначають їх експлуатаційні властивості. Серед наповнювачів, які застосовуються у мастилах можна виділити кристалічні продукти, що мають шарувату (оксиди металів) і атомарну (порошки металів) будівлю, а також тверді аморфні тіла (деякі силікати і полімери).
Властивості наповнювачів характеризуються також рядом показників, загальних для всіх мастильних матеріалів: мастильною здатністю (триботехнічними характеристиками), хімічною стабільністю, корозійною агресивністю і захисною здатністю, визначальною є їх вологість, кислотністю (лужністю) тощо.
Висока мастильна здатність – одна з основних причин введення наповнювачів у мастила. Найбільше поширення одержали наповнювачі, що володіють кристалічною шаруватою структурою, яка забезпечує низькі коефіцієнти тертя - це графіт і дисульфід молібдену.
Мінімальна масова частка наповнювачів, необхідна для помітного поліпшення триботехнических властивостей мастил, складає 1-3%. Однак в ущільнювальних мастилах кількість наповнювачів може досягати 10-20% і більше. Протизносні та протизадирні присадки вводять у мастило у кількості не більше 5%, що лімітується їхньою розміцнюючою дією на структуру мастила. Значно поліпшується мастильна здатність при використанні в якості наповнювачів порошків різних металів, їх оксидів і солей. Мастила із зазначеними добавками на поверхні тертя утворюють шар з м'якого металу, який плакує і тому їх називають металоплакуючими. Формування на поверхні тертя металоплакуючої плівки, яка володіє високою контактною міцністю і пластичністю, гарною теплопровідністю, при низьких швидкостях збільшує фактичну площу контакту, знижує коефіцієнт тертя і знос, охороняє поверхні від схоплювання.
Відмінною рисою наповнювачів є те, що ефективність їх дії найбільше чітко виявляється в екстремальних умовах застосування мастил. Міцність структури мастил впливає на ефективність дії наповнювачів. У високоміцних мастилах наповнювачі утримуються структурою і не надходять у зону тертя. Так, введення МО2 у літієве мастило з метою зниження фреттинг-коррозії виявилося неефективним у випадку міцних мастил і привело до істотного ефекту при зменшенні межі міцності мастил.
Перевагою наповнювачів у порівнянні з присадками є те, що ефект їх дії виявляється як при низьких, так і при високих температурах, у той час як для ефективної дії присадок звичайно необхідні підвищені температури.