Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел

влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел

Рассмотрены принципы классификации смазочных материалов. Систематизированы теоретические и экспериментальные данные механизма окисления и противоизносных свойств моторных масел различной базовой основы. Предложены новые критерии оценки процессов термоокислительной стабильности и противоизносных свойств масел, а также технологии определения влияния сталей на процессы самоорганизации смазочных материалов; температуры начала процессов окисления; интегральный критерий оценки процессов самоорганизации в масле и на поверхностях металлов.

ISBN 978-5-7638-3407-9

9 785763 834079

Монография

Институт нефти и газа

 

Оглавление

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет

ВЛИЯНИЕ СТАЛЕЙ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ Монография

Красноярск СФУ 2015 1

Влияние  сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

УДК 665.765.035.5-034.14 ББК 30.82-3 В586

Р е ц е н з е н т ы: В. А. Ушанов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт машинно-тракторного парка» Красноярского государственного аграрного университета; Ю. Ю. Логинов, доктор физико-математических наук, профессор, проректор по научной и инновационной деятельности Сибирского государственного аэрокосмического университета

В586

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел : монография / Е. Г. Кравцова, А. А. Метелица, Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 144 с. ISBN 978-5-7638-3407-9 Рассмотрены принципы классификации смазочных материалов. Систематизированы теоретические и экспериментальные данные механизма окисления и противоизносных свойств моторных масел различной базовой основы. Предложены новые критерии оценки процессов термоокислительной стабильности и противоизносных свойств масел, а также технологии определения влияния сталей на процессы самоорганизации смазочных материалов; температуры начала процессов окисления; интегральный критерий оценки процессов самоорганизации в масле и на поверхностях металлов. Предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся производством смазочных материалов, проектированием, конструированием и эксплуатацией машин и механизмов, работающих в условиях граничного трения, студентов и аспирантов технических специальностей.

Электронный вариант издания см.: http://catalog.sfu-kras.ru ISBN 978-5-7638-3407-9

2

УДК 665.765.035.5-034.14 ББК 30.82-3 © Сибирский федеральный университет, 2015

 

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 5 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН И АГРЕГАТОВ............................................... 7 1.1. Классификация моторных масел и их функциональные свойства .............. 7 1.2. Смазочный материал как элемент трибосистемы ....................................... 10 1.3. Влияние продуктов окисления на противоизносные свойства смазочного масла ............................................................................................ 14 1.4. Факторы, влияющие на процессы схватывания при граничном трении .................................................................................... 20 1.5. Современные представления о каталитическом влиянии металлов на окислительные процессы смазочных материалов .................................. 25 1.6 Существующие методы оценки термоокислительной стабильности и противоизносных свойств смазочных материалов ................................... 29 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТАЛЕЙ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ................................................... 35 2.1. Выбор смазочных материалов ....................................................................... 35 2.2. Техническая характеристика средств измерения ........................................ 35 2.3. Методика испытания смазочных материалов на термоокислительную стабильность и противоизносные свойства....... 43 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ТЕРМОСТАТИРОВАНИИ МОТОРНОГО МАСЛА М-10Г2К В ПРИСУТСТВИИ СТАЛИ 45 ................ 45 3.1. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45 (отпуск 600 °С) ......................................................................... 45 3.2. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45 (отпуск 400 °С) ......................................................................... 56 3.3. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45 (отпуск 200 °С) ......................................................................... 66 3.4. Альтернативный метод определения параметров процессов самоорганизации трибосистем ................................................... 76 3.5. Обоснование критерия процессов самоорганизации трибосистем ........... 79 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТАЛИ ШХ15 НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ РАЗЛИЧНОЙ БАЗОВОЙ ОСНОВЫ ......................... 82 4.1. Результаты исследования минерального моторного масла ........................ 82 3

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

4.2. Результаты исследования частично синтетического моторного масла .... 87 4.3. Результаты исследования синтетического моторного масла ..................... 92 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТАЛИ ШХ15 НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ .......................................................................... 99 5.1. Результаты исследования минерального моторного масла М-10Г2К............................................................................... 99 5.2. Результаты испытания минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC ...................................................... 103 5.3. Результаты испытания частично синтетического моторного масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF ........................................ 106 5.4. Результаты испытания частично синтетического моторного масла Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF ..................................... 109 5.5. Результаты испытания синтетического моторного масла Chevron Sypreme 5W-30 SJ /CF .................................................................... 112 5.6. Результаты испытания синтетического моторного масла Shell Helix 0W-40 SL/CF ............................................................................... 115 5.7. Влияние стали на механизм окисления масел различной базовой основы ........................................................................... 118 6. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ СТАЛЕЙ, СОВМЕСТИМЫХ СО СМАЗОЧНЫМ МАСЛОМ .......................................................................... 122 6.1. Технология определения влияния сталей на процессы самоорганизации смазочных материалов ............................ 122 6.2. Технология определения критерия влияния сталей на термоокислительную стабильность смазочных масел ........................ 125 6.3.Технология определения влияния сталей на противоизносные свойства смазочных масел........................................ 128 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 131 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................ 132

4

 

Введение

ВВЕДЕНИЕ Большинство узлов механических систем работают в условиях граничной смазки, при которой металлический контакт трущихся тел предотвращается образованием на поверхностях трения граничных смазочных слоев различного происхождения. В работах Б. И. Костецкого отмечено, что кинетические модели граничной смазки включают три этапа: адсорбция молекул реагента на поверхностях трения; взаимодействие их с поверхностью твердого тела с образованием защитного модифицированного слоя; разрушение этого слоя с обнажением поверхности активированного металла, готового к дальнейшему взаимодействию со средой. Образование защитных адсорбционных, хемосорбционных и модифицированных слоев объясняется приспосабливаемостью трибосистемы к внешним воздействиям, определяемой интенсивностью процессов самоорганизации. Сущность этих процессов заключается в том, что при взаимодействии трущихся тел и среды они реализуются в тонких слоях (пленках) материалов пар трения вследствие их структурной перестройки и взаимодействия со средой, т. е. происходит не разрушение материала, а трансформация его в некие структуры, осуществляющие защитные функции. Поэтому свойства трибосистемы, работающей в условиях граничного трения, определяются не продуктами, которые идентифицируют на поверхностях трения различными физическими методами, а возбужденным состоянием вещества в условиях фрикционного взаимодействия. Известно [1], что при граничном трении на поверхностях трения формируются: физически адсорбированный слой молекул смазочного материала, хемосорбционный слой – продукт реакции металла с продуктами окисления, и химически модифицированный слой как результат химических реакций металла с молекулами присадок. Интенсивность формирования этих слоев зависит от поверхностной энергии твердого тела, химической активности присадок и продуктов окисления, а также температурных условий [2]. Образование защитных слоев является защитной функцией трибосистемы от внешних воздействий или приспосабливаемостью к ним. Сущность процесса самоорганизации заключается в том, что все взаимодействия трущихся тел и среды локализуются в тонких слоях вторичных структур трения, образующихся на поверхностях материала вследствие их структурной перестройки и взаимодействия со средой [3]. Надежность механической системы определяется процессами самоорганизации ее элементов, которые зависят от материалов трибосопряжений, смазочного материала и температур в зоне контакта. Роль смазочных масел в этих процессах изучена недостаточно, хотя известно, что от их ка5

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

чества зависят процессы формирования защитных слоев на поверхностях трения. Необходимо отметить, что такие свойства, как надежность и долговечность сложных трибосистем, определяются способностью смазочных материалов защищать трущиеся поверхности от износа, формировать тонкие, но прочные смазочные слои на поверхностях деталей. Поэтому смазочный материал необходимо рассматривать как неотъемлемый элемент в любом трибосопряжении. Износостойкость материалов пар трения характеризуется их физикомеханическими свойствами и структурой, а сведения о совместимости сталей различной термообработки с жидкими смазочными материалами, базовой основой и комплектом присадок практически отсутствуют. Известно, что на процессы формирования защитных слоев на поверхности твердых тел существенное влияние оказывает поверхностная энергия твердого тела, которая изменяется при различной термической обработке стали. Совместимость элементов трибосистемы характеризует способность материалов пары трения и смазочного материала образовывать защитные слои на поверхностях трения, снижающие интенсивность изнашивания трущихся деталей. Для познания процессов самоорганизации, протекающих непосредственно на фрикционном контакте, необходимо создать адекватные модели, с помощью которых исследовать процессы, протекающие на поверхности твердого тела при взаимодействии со смазочной средой, и влияние твердого тела на изменение свойств самой среды. Поэтому поиск новых методов оценки влияния сталей и температурных условий на процессы окисления смазочных масел различного назначения и базовых основ, а также изменение их противоизносных свойств является актуальной задачей, решение которой позволит обоснованно осуществлять выбор смазочных масел для агрегатов и узлов, контролировать и прогнозировать их состояние в процессе эксплуатации, уточнить методики расчета и повысить надежность механических систем.

6

  1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН И АГРЕГАТОВ 1.1. Классификация моторных масел и их функциональные свойства Минеральное моторное масло состоит из масляной основы (базового масла) и комплекта присадок, обеспечивающих необходимые функциональные свойства. Смазочные масла получают на основе нефтяного сырья. Нефтяные масла по способу получения основы могут быть дистиллятными (из нефтяных дистиллятов, выделенных при вакуумной перегонке мазута), остаточными (полученными из гудрона – остатка от вакуумной перегонки мазута) и компаундированными (полученными в результате смешивания дистиллятных и остаточных компонентов) [4]. Присадки могут добавляться по отдельности и в виде готовой композиции, состоящей из нескольких специально подобранных и сбалансированных присадок различного назначения. Современные композиции могут содержать до 15 компонентов, не считая вязкостных присадок, которые вводятся дополнительно и составляют до 25 % основы масла. Важнейшими свойствами моторных масел, определяющими возможность их применения в различных условиях эксплуатации двигателей разного типа и степени форсирования, являются: моющие, противоизносные и противозадирные, диспергирующие, антикоррозионные и антиокислительные, а также нейтрализующие. Варьируя состав присадок и их содержание в масле, получают товарные масла с комплексом свойств, отвечающих современным требованиям и конструктивным особенностям двигателей внутреннего сгорания, а также изменяют ресурс смазочного материала [5]. Моющие присадки способны предотвращать образование углеродистых отложений на горячих поверхностях деталей (температура которых достигает 200–350 °С) и закоксовывание поршневых колец. Диспергирующие присадки обладают способностью предотвращать образование низкотемпературных отложений в картере, маслоканалах, фильтре маслоприемника и других зонах при работе двигателя на малых нагрузках. Данные присадки способны обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масел, тем больше продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадания 7

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров на горячих деталях (применение на форсированных двигателях). Антиокислительные присадки обеспечивают стойкость масла к окислению, так как при эксплуатации машин и агрегатов в масле происходят различного рода окислительные превращения в результате высоких температур и каталитического действия металлов трибосопряжений. Все указанные факторы приводят к нежелательному изменению свойств смазочного материала и его старению. Необходимо отметить, что на скорость и глубину окислительных процессов значительно влияют попадающие в масло продукты неполного сгорания топлива, прорывающиеся в объем масла из надпоршневого пространства, а также продукты изнашивания механических систем. Присадки способны нейтрализовать кислоты, образующиеся в процессе окисления смазочного материала [5]. В качестве противоизносных присадок используют соединения, обладающие высокой поверхностной активностью по отношению к трущимся телам. В противозадирных присадках используются соединения, обладающие значительной реакционной способностью, вследствие чего при разложении они выделяют хлор, фосфор, серу и другие элементы [4]. Вступая в химическое взаимодействие с поверхностью твердых тел, они образуют на ней модифицированные слои, препятствующие металлическому контакту трущихся тел между собой, а также снижают влияние металлов на окислительные процессы смазочного материала. Важными характеристиками смазочного масла являются его теплопроводность, температура вспышки и застывания, вязкостно-температурные свойства и ряд других, зависящих от функционального назначения масла. В целом способность жидкого смазочного материала реализовать гидродинамический режим смазки трибосопряжений зависит от вязкости (внутреннего трения), определяемой силами когезии молекул масла в объеме и зависящей от химического строения молекул. К основным показателям, характеризующим вязкость масла, относятся динамическая и кинематическая вязкость, индекс вязкости как безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости. Кинематическая вязкость – это сопротивление жидкости течению под действием гравитации. Процесс определения ее более прост и точен по сравнению с динамической. Метод определения кинематической вязкости жидких нефтепродуктов регламентирует ГОСТ 33–2000 [6]. Он рассчитывается по формуле ν = С⋅ t, (1.1) 2 2 где С – калибровочная постоянная вискозиметра, мм /с ; t – среднее арифметическое значение времени истечения, с. 8

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

Динамическая вязкость является мерой сопротивления сдвигу и определяется на ротационном вискозиметре, состоящем из коаксиальных цилиндров и помещенным между ними смазочным материалом. Внутренний цилиндр вращается с некоторой скоростью, а внешний удерживается от вращения силой, по величине которой рассчитывают динамическую вязкость, определяемую по следующему выражению η =νρ⋅10–3,

(1.2)

где ν – кинематическая вязкость, мм2/с; ρ – плотность при той же температуре, при которой определяется кинематическая вязкость, кг/м3. Классификация масел, а также их обозначение и принадлежность к определенной группе регламентированы ГОСТ 17479.1–85, согласно которому моторные масла подразделяются на классы вязкости, группы по назначению и уровню эксплуатационных свойств, что является единственной информацией для потребителей, которой необходимо руководствоваться при выборе смазочного масла. Следует отметить, что стандарт не предоставляет информации о поведении смазочного материала в различных эксплуатационных условиях и не содержит сведений о применении того или иного смазочного масла в двигателях разной конструкции и технического состояния [7]. Обозначение моторных масел включает следующие индексы и знаки: первая буква «М» указывает на то, что масло является моторным. По уровню эксплуатационных свойств моторные масла подразделяются на шесть групп (А-Е), пять из которых (Б-Е) подразделяются на две подгруппы каждая, одна из которых предназначена для бензиновых двигателей (индекс 1), другая – для дизелей (индекс 2). Когда масло подходит и для бензинового, и для дизельного двигателя, индекс опускается. За буквой назначения масла, в данном случае «М»-моторное, ставится цифровой символ класса вязкости, численное значение которого равно вязкости масла (в мм2/с или в сСт) при температуре 100 °С. Класс вязкости всесезонных масел обозначается дробным показателем. При этом в числителе за цифрой, указывающей вязкость масла, следует буквенный индекс «з», указывающий на введение в масло загустителей, уменьшающих зависимость вязкости от температуры. Далее следует буква, указывающая степень форсирования двигателя. Например, масло М-10-Г2К – моторное (М) сезонное масло с вязкостью (при температуре 100 °С) 10 сСт, предназначенное для высокофорсированных (Г) дизельных (2) двигателей. После такого обозначения марки масла за последним индексом могут быть дополнительные индексы, характеризующие специальные свойства, состав или назначение масла. В данном случае индекс «к» означает, что масло предназначено для высокофорсированных дизельных двигателей автомобилей «КамАЗ» и тракторов К-701. 9

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Следующие два индекса «и» и «т» указывают соответственно введение в масло импортных присадок и пригодность использования для трансмиссий.

1.2. Смазочный материал как элемент трибосистемы При работе в режиме граничного трения сопротивляемость изнашиванию и образованию задиров во многом определяется не только материалами трибосопряжений, но и свойствами смазочной среды. В настоящее время выбор элементов трущейся пары осуществляется с учетом их совместимости, под которой понимают способность материалов пары трения приспосабливаться один к другому в процессе эксплуатации. Роль смазочного материала в приспосабливаемости трибосистемы изучена недостаточно, но следует отметить, что от его качества зависят процессы формирования защитных слоев на поверхностях трения. Изучение совместимости трущихся пар нашло отражение в работах И. В. Крагельского, Н. А. Буше, И. С. Гершмана и других авторов [8–10]. Влияние материалов трибосопряжений на процессы окисления минерального моторного масла проявляется в способности при режиме граничного трения образовывать прочные граничные пленки, способные снизить трение и уменьшить влияние металлической поверхности на окислительные процессы. Ф. П. Боуденом [11] установлено, что при граничном трении помимо физической адсорбции полярных молекул смазки проявляется химическое взаимодействие с металлами жирных кислот, содержащихся в маслах. Некоторые металлы при взаимодействии со смазочным материалом способны образовывать защитные пленки, которые сохраняются при высоких температурах. Прочность таких пленок зависит от температуры в области контакта и тангенциальной составляющей силы трения. Взаимодействие деталей трибосопряжений и их износостойкость зависит от качества сопрягаемых поверхностей, в частности от геометрических и физико-механических параметров. К первым можно отнести шероховатость (микронеровности), волнистость и т. д., ко вторым – микротвердость поверхности, степень и глубину наклепа. Влияние микронеровности поверхностей сопряженных деталей на износ проявляется в процессе их приработки. В этот период происходит изменение направления и размеров микронеровностей. Износостойкость также зависит и от микротвердости поверхностного слоя. Упрочнение поверхностного слоя (наклеп металла) уменьшает смятие и истирание при контактировании. Необходимо отметить, что существенное влияние на износостойкость материалов пары трения оказывает смазочный материал, 10

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

который обеспечивает снижение коэффициента трения трущихся деталей, заполняя микронеровности поверхностей и образуя масляный клин, препятствующий металлическому контакту деталей, как следствие наблюдается снижение интенсивности изнашивания. Основным требованием, предъявляемым к материалам пары трения, является износостойкость, обеспечивающая заданный ресурс. Износостойкость материалов характеризуется их физико-механическими свойствами и структурой. При этом совместимость сталей различной термообработки с жидкими смазочными материалами, базовой основой и комплектом присадок недостаточно изучена. Известно, что на процессы формирования защитных слоев на поверхности твердых тел существенное влияние оказывает поверхностная энергия твердого тела. При этом чем выше, например, температура отпуска стали, тем ниже поверхностная энергия металла и медленнее процесс поглощения вещества-адсорбтива твердым адсорбентом из объема фаз на границе их раздела [12–14], т. е. модифицированные слои образуются на металлах путем регулирования их структуры с помощью термической обработки. Такие металлы при взаимодействии со смазочным материалом образуют защитную пленку на поверхности, в результате чего изменяют процесс окисления смазочного материала не только на поверхностях трения, но и в объеме. Однако влияние металлов на процессы окисления изучено недостаточно. Повышение надежности и ресурса трибосистем обеспечивается, в первую очередь, совместимостью материалов этой системы, под которой понимается способность трибосистемы реализовать оптимальное состояние по выбранным критериям в заданном диапазоне условий работы. Закономерности образования совместимых трибосистем связаны с возникновением необратимых процессов, вследствие чего изменяется энтропия (необратимое превращение или рассеивание энергии) и происходит диссипативная самоорганизация такой системы. Вторичные структуры, образующиеся при этом, обеспечивают снижение износа, температуры и трения. Управлять процессами совместимости материалов пары трения можно, изменяя их конструктивные, технологические и эксплуатационные свойства [15]. Необходимо также учитывать и индивидуальные функциональные параметры смазочного масла, изменяя состав присадок которого можно изменять эксплуатационные свойства. В настоящее время разрабатываются смазочные масла с модификаторами трения, которые могут использоваться для тяжелонагруженных узлов трения двигателей как в процессе приработки поверхностей трения и обкатки узлов, так и в условиях эксплуатации. При введении в базовую основу смазочного материала порошка чистого экстрагированного из сажи фуллерена наблюдается значительное улучшение трибологических харак11

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

теристик пар трения. Это объясняется тем, что фуллерен, добавленный в масло, имеет шарообразную форму молекул, способствующих созданию защитного антифрикционного слоя на поверхности твердого тела, а также непосредственному проникновению молекул фуллерена в поверхностные слои трущихся материалов, что облегчает процессы структурной самоорганизации при трении [16]. То есть вводимый в смазочное масло твердый фуллерен оказывает положительное влияние на процессы образования износостойких структур на поверхностях материалов в процессе трения. С появлением сложных агрегатов и двигателей внутреннего сгорания, работающих в агрессивных условиях, а также имеющих весьма высокие скорости и нагрузки возникает серьезная проблема выбора материалов для изготовления тяжелонагруженных деталей, совместимых со смазочным материалом. Предлагаются новые технологии для получения композиционных материалов, способных работать в этих условиях. Однако необходимо учитывать, что смазочный материал до сих пор остается одним из основных элементов любой трибосистемы. Поэтому современные производители нефтепродуктов легируют базовые масла различными присадками, которые значительно улучшают функциональные свойства смазочного материала. Данные о совместимости смазочных материалов с материалами пар трения отсутствуют. Для конструкторов отсутствует информация о выборе материалов на этапе проектирования, а основные характеристики, указанные на этикетках товарных масел, недостаточны для объективного выбора смазочных масел для той или иной трибосистемы. Сложность выбора заключается в том, что в одной трибосистеме, например двигателе внутреннего сгорания, применяется один смазочный материал, а контактирующие детали, входящие в эту систему, рассчитаны на соответствующие нагрузки и выполнены из материалов с широким диапазоном механических свойств и соответственно работают в различных условиях. Кроме того, на рынке представлен широкий спектр смазочных масел, а применение их на разных механических системах необоснованно. Сроки замены смазочных материалов регламентированы заводами-изготовителями по наработке в мото-часах либо километрах пробега для автомобильного транспорта. Такой подход к решению данной проблемы ничем не обоснован, так как не дает объективной информации эксплуатационникам о техническом состоянии смазочного материала, не учитывает режимы и условия эксплуатации агрегатов и машин, техническое состояние элементов трибосистемы и системы фильтрации. Очистка масел в двигателе, сложной механической системе, в процессе работы осуществляется в основном с помощью различного рода фильтров и центрифуг. При такой очистке из масел удаляются преимущественно механические примеси. Частицы продуктов разложения углеводородной основы масла размером 0,1–1 мкм, 12

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

провоцирующие процесс его «старения», не могут удалить даже фильтры с минимальным диаметром пор – 5 мкм [17]. Известно, что процессы окисления смазочного масла более интенсивно протекают на поверхностях трения ввиду высоких температур в области контакта. Каталитическое влияние оказывают и материалы пар трения. Поэтому процессы самоорганизации системы: смазочный материал-пара трения, оказывают весьма значимую роль в надежности и износостойкости этой системы. Сущность самоорганизации триботехнической системы заключается в том, что взаимодействие трущихся тел и смазочной среды локализуется в тонких слоях вторичных структур трения, которые защищают ее от внешних воздействий [18]. Являясь полноценным и незаменимым на современном этапе развития техники конструктивным элементом, смазочное масло совместно с другими элементами двигателя внутреннего сгорания обеспечивает безотказную и долговечную работу. Трибологи утверждают, что любое отклонение в марке или качестве смазочного масла неизбежно отражается на надежности машины, особенно на ее самом сложном и высоконагруженном агрегате – двигателе внутреннего сгорания [4, 19]. Работоспособное масло обеспечивает штатный режим трения в сопряжениях деталей и рациональное использование технического ресурса агрегата. Масло, потерявшее частично или полностью работоспособность, становится причиной повышенного износа поверхностей трения деталей, что обусловливает преждевременное исчерпание технического ресурса двигателя [20]. В работах Ю. А. Гурьянова приведены наблюдения за фактическим состоянием работающих в двигателях внутреннего сгорания моторных масел, по результатам которых одним из основных факторов потери маслом работоспособности является его загрязнение продуктами неполного сгорания топлива. Загрязнение смазочного масла топливом приводит к ухудшению его эксплуатационных свойств и служебных свойств легирующих присадок. Исходя из современных представлений о процессах трения, смазывания и изнашивания в трибологических системах транспортных машин пару трения в условиях смазывания следует рассматривать как самоорганизующуюся систему. Однако внимания комплексному исследованию влияния внешних физико-химических воздействий на трибологические свойства смазочной среды, триботехнические характеристики поверхностей металлических деталей не уделялось [21]. В. А. Аметов предложил классификацию внешних модифицирующих воздействий, осуществляемых через смазочное масло, на трибосистему как наиболее доступный и информативный элемент системы. Все возможные воздействия подразделены на три группы: реагентные, безреагентные и комбинированные. 13

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Первая группа включает введение функциональных присадок (модификаторов трения, кондиционеров металла), варьирование компонентами группового углеводородного состава нефтяных масел, использование наноструктур. Такие добавки, улучшая одни свойства масляной среды, ухудшают другие. Ко второй группе отнесены следующие воздействия: гидродинамические, кавитационные, ультразвуковые, механические (перемешивание, вибрация), электромагнитные поля и излучения. К третьей группе относятся различные сочетания первых двух групп [21, 22]. Таким образом, на основании изложенного показано, что смазочный материал является важнейшим элементом в любой трибологической системе, обеспечивающим снижение износа за счет введения в нее различных легирующих компонентов. Процессы самоорганизации смазочного масла и механической системы, включающей узлы трения, в значительной степени зависят от углеводородного состава базовой основы и функциональных свойств пакета присадок.

1.3. Влияние продуктов окисления на противоизносные свойства смазочного масла В Государственном стандарте и технической литературе изнашивание определяется как процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела [23, 24]. Это определение раскрывает только основную сущность процесса, существуют еще более предметные понятия изнашивания, с помощью которых часто лимитируется долговечность и работоспособность узлов и агрегатов. Они зависят от большого числа факторов, включая нагрузку, скорость скольжения, температуру, свойства трущихся материалов и смазки. Количество материала, удаленного с поверхности трения (износ), измеряется в единицах длины (например, толщина изношенного слоя), объема или массы. В этих случаях износ называется линейным, объемным или массовым соответственно [25]. На рис. 1.1 представлена зависимость износа от времени и три стадии изнашивания. Результат изнашивания в виде изменения геометрических размеров тела, его формы, качества поверхности или остаточных деформаций называется износом. Частицы материала, отделяющиеся в процессе изнашивания деталей, называются продуктами изнашивания [24]. Эти микрочастицы могут оставаться во взвешенном состоянии в масле, изменяя его оптические свойства, более крупные продукты изнашивания осаждаются на сопряженные детали и в картере двигателя. Такие частицы являются катали14

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

заторами окислительных процессов, протекающих в смазочном материале, и непосредственно способны влиять на скорость изнашивания материалов пар трения. Рассмотрим представленную графическую зависимость и стадии изнашивания деталей машин при трении. Первый участок кривой (стадия I) представляет собой начальный период изнашивания, при котором происходит приработка деталей. При этом разрушаются микровыступы и формируется более Рис. 1.1. Зависимость износа от времени гладкая поверхность, устанавлива- эксплуатации деталей машин: I – прирается равновесная шероховатость. ботка; II – нормальная работа; III – катастВ этот период изнашивание неста- рофический износ ционарно вследствие выравнивания контактных нагрузок в области трения. Процесс приработки завершается, наступает стадия II, нормальной эксплуатации трибосопряжения. Она характеризуется стабильными условиями трения и низкой интенсивностью изнашивания. Износ линейно возрастает, приводя к повреждению поверхности, увеличению зазоров, изменению формы трущейся пары, что приводит к значительному изменению условий работы и характера изнашивания. Интенсивность износа резко возрастает, и наступает стадия III, неконтролируемого износа, этот период может вызвать катастрофический износ, который называют аварийным изнашиванием. На этой стадии изнашивания сопряжения достигают предельно допустимой величины износа. Увеличение зазора и нарушение геометрических размеров пары трения ухудшают условия смазки. Она не удерживается в достаточном количестве, меняется вид трения и вид изнашивания [23, 24]. Износостойкость трибосопряжений во многом зависит от качества смазочного материала. Известно, что в процессе работы двигателя внутреннего сгорания на смазочное масло действует ряд факторов, вызывающих интенсивный процесс окисления последнего. Существует теория о трехстадийности процесса окисления смазочного материала, что объясняется образованием начальных, промежуточных и конечных продуктов окисления. Образование этих продуктов, в первую очередь, обусловлено условиями эксплуатации агрегата или машины в целом, техническим состоянием цилиндро-поршневой группы и системы фильтрации, температурами в зоне контакта тяжелонагруженных узлов трения (коренные и шатунные шейки коленчатого вала). Смазочные масла в процессе работы в машинах и механизмах соприкасаются с металлами и воздухом, загрязняются продуктами износа, раз15

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

жижаются топливом, подвергаются воздействию температуры, давления, электрического поля и других факторов, вследствие чего их физикохимические свойства (вязкость, кислотное число, зольность, температура вспышки, оптические и эксплуатационные свойства) с течением времени изменяются [26]. Антифрикционные свойства и износостойкость материалов пары трения улучшаются при взаимодействии их с химически активными соединениями, входящими в состав комплекта присадок смазочных материалов. Помимо противоизносных присадок для замедления процессов старения масла в них вводят антиокислительные и нейтрализующие присадки. Исследование и моделирование кинетических закономерностей накопления кислых продуктов (продуктов окисления) в работающих маслах показывает, что изменение во времени концентрации продуктов окисления зависит от химической активности присадок, находящихся в маслах. Подобные результаты отражены в работах Н. Н. Тупотилова и В. В. Острикова [27]. При этом в начальный период эксплуатации масла наблюдается эффективное действие антиокислительных присадок, т. е. накопление нерастворимых продуктов происходит медленно. При трении материалов сложной системы со смазкой, например двигателя внутреннего сгорания, поверхности твердых тел выступают в качестве границы двух фаз: непосредственно фазы твердого тела и фазы масляной среды. Известно, что атомы на поверхности твердого тела имеют меньше связей с другими атомами и находятся в относительно свободном состоянии. Этот очевидный факт имеет решающие последствия для геометрии и физики поверхности: изменяется взаимодействие таких атомов с «соседями», и возникшее искажение силового поля охватывает слой в несколько межатомных расстояний. При этом появляется избыток энергии, который получил название поверхностной энергии. Наличие поверхностной энергии обусловливает взаимодействие поверхности с масляной средой, которое получило название адсорбции. Различают два вида адсорбции: физическую и химическую. Для физической адсорбции характерно ван-дер-ваальсово взаимодействие адсорбата с поверхностью твердого тела [25]. Такие слои сравнительно легко удаляются с поверхности и не оказывают существенного влияния на противоизносные свойства. В процессе химической адсорбции энергия взаимодействия достаточно велика, и на поверхности обычно формируется монослой, который даже при высокой температуре удаляется с большим трудом [25, 28]. Процессы формирования защитных слоев на поверхности трения, влияющие на противоизносные свойства, зависят и от легирующих компонентов присадок, добавленных в масло. Противоизносные присадки обеспечивают 16

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

защиту трущихся поверхностей в условиях граничной смазки. Такие присадки содержат серу, хлор, фосфор, бор или их сочетания. При увеличении контактной температуры они реагируют с поверхностью металла, обеспечивая формирование защитной пленки и снижая коэффициент трения. На рис. 1.2 представлена структура антизадирной/антиизносной присадки – цинкдиалкилдидиофосфат. Противоизносные присадки на основе цинкосодержащих солей дитиофосфорной кислоты очень часто встречаются в маслах. Компоненты этих присадок способны образовывать защитные слои на поверхности трения независимо от температуры смазочного материала. Вещества, содержащие в своем составе серу, действуют в смазочных маслах Рис. 1.2. Структура антиизносной/ сходно с кислородом и кислородсодержа- антизадирной присадки цинкдиалщими компонентами. Некоторые хлорорга- килдидиофосфат нические и особенно фосфорорганические соединения эффективно предотвращают интенсивное развитие схватывания металлов и даже обеспечивают их износостойкость [29, 30]. В исследованиях Г. В. Кларка выявлено, что при смазке в тонком слое при температуре 120 °С на воздухе минеральные масла выдерживают до разрушения существенно более высокие нагрузки, чем в испытаниях при трении и той же температуре, но в объеме масла [31]. Кроме того, нагрузка, требуемая для разрушения слоя масла в контакте стальных закаленных поверхностей, тем выше, чем больше кислорода содержится в масле. Важной проблемой повышения износостойкости трибосопряжений является правильный выбор смазочного материала для конкретных условий эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, который определяется параметрами трения (температура, нагрузка, скорость). Поэтому смазка трущихся поверхностей изменяет механизм изнашивания, который зависит от механизма и скорости формирования защитных слоев на поверхности материалов деталей [32]. При трении материалов триботехнической системы на поверхностях могут формироваться слои физически адсорбированных молекул смазочного масла, которые легко удаляются с поверхности, так как слабо связаны с поверхностью твердого тела. Хемосорбционные слои прочно связаны с поверхностью, они образованы преимущественно продуктами окисления и деструкции смазочного материала; химически модифицированный слой образуется в результате прямых химических реакций с молекулами комплекта присадок [33]. 17

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Роль хемосорбционных слоев на процессы изнашивания деталей изучена недостаточно, многими авторами их значение практически не учитывается, но известно, что формирование таких слоев зафиксировано как при высоких температурах, так и при относительно низких [34], при контакте смазочного материала с горячей поверхностью металла [35]. Атомы и молекулы, находящиеся в объеме (внутри) твердого тела, испытывают со стороны окружающих частиц силовое воздействие во всех возможных направлениях. Причем результирующая этих сил стремится к нулю, а частицы занимают положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии. Частицы твердого тела, находящиеся на границе раздела с другой фазой, например жидкостью, где частицы находятся в значительно меньшей концентрации, имеют нескомпенсированные связи, направленные в сторону этой среды, и испытывают избыточное силовое воздействие со стороны частиц, расположенных внутри твердого тела, которое стремится втянуть частицы поверхностного слоя внутрь более плотной среды [4, 36]. Эта энергия получила название избыточной свободной энергии, а отнесенная к единице поверхности, – удельной свободной поверхностной энергией, которая имеет тесную связь с явлением смачивания поверхностей. Необходимо отметить, что явление смачиваемости твердых тел при контакте жидкого смазочного материала с поверхностью твердого тела имеет решающее значение на процессы образования защитного монослоя на поверхности трущихся деталей. Удобный метод исследования свойств поверхности твердого тела и их изменения при адсорбции поверхностноактивных веществ из масляной среды – изучение смачивания [37]. Характер смачивания жидкостью твердой поверхности определяется соотношением молекулярных взаимодействий в твердой и жидкой фазах и между фазами. Характеристиками этих взаимодействий являются значения удельных свободных поверхностных энергий на границах раздела «твердое тело – жидкость (смазочное масло)», называемых также межфазными энергиями σтж, а также связанные с ними значения работ когезии Wк и адгезии жидкости к твердому телу Wа [38], определяемые по формулам Wк = 2 σжт,

(1.3)

Wа = σтт + σжт – σтж,

(1.4)

где σжт – поверхностная энергия жидкости; σтт – поверхностная энергия твердого тела; σтж – межфазная энергия на границе раздела (контакта двух фаз). В зависимости от соотношения работ адгезии и когезии устанавливается то или иное равновесное значение краевого угла смачивания θ, определяемого по уравнению Юнга [37, 38] : 18

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

cos θ = (σтт – σтж) / σжт ,

(1.5)

или cos θ = (Wа – σжт) / σжт , cos θ = [(Wа /( Wк/2)] – 1. Если Wа < Wк/2, то cos θ < 0 и θ > 90°, наблюдается несмачивание жидкостью твердого тела. При Wк > Wа > Wк/2 краевой угол смачивания cos θ > 0 и θ < 90°, значит, имеет место ограниченное смачивание. При Wа > Wк происходит полное смачивание, и жидкость растекается по поверхности твердого тела. Аналогичные данные о поверхностной энергии представлены в работах Тейбора, Боудена, Дюпре [11]. Если жидкость с поверхностной энергией γжв контактирует с твердым телом с поверхностной энергией γт, то поверхность их контакта имеет энергию γтж. Если θ – контактный угол смачивания, то поверхностная энергия определяется по формуле γт = γтж + γжв cos(θ).

(1.6)

Тогда термодинамическая работа адгезии двух фаз равна работе обратимого адгезионного отрыва [4, 25, 39]: Wа = γт + γжв – γтж ,

(1.7)

где γт – поверхностная энергия твердого тела; γжв – поверхностная энергия жидкости; γтж – избыточная межфазная энергия (энергия нарушения взаимодействия). Предельная адгезия возникает при соприкосновении ювенильно чистых твердых тел в пластическом или эластичном состоянии, а также при образовании новой фазы на поверхности твердого тела при взаимодействии его с масляной средой. Частицы, находящиеся на поверхности раздела фаз, занимают, подобно жидкости, менее выгодное положение. Однако в отличие от жидкостей их частицы закреплены в пространстве и не могут свободно перемещаться. Поверхностная энергия непосредственно зависит от шероховатости, а наибольшая плотность свободной поверхностной энергии наблюдается во впадинах поверхностного слоя твердых тел (микротрещинах, на выходах дислокации), поэтому можно определить лишь усредненные ее значения [4]. Свободная поверхностная энергия твердого тела способна оказывать существенное влияние на взаимодействие с окружающими материалами, приводить к новым процессам на поверхности тел и изменению теплофизических и механических свойств исходных твердых материалов [39]. При протекании химической реакции между поверхностью металла и поверхностно-активными компонентами жидкой среды образуются новые фазы на поверхности [25], которые способны при высоких 19

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

температурах сохранять свои защитные функции контактирующих поверхностей. Следует отметить, что адгезия трущихся поверхностей определяет закономерности изнашивания, поэтому роль смазочного материала в этих процессах весьма значима. Экспериментальное измерение поверхностной энергии в твердых телах представляет собой трудную задачу из-за медленного протекания релаксационных процессов и большой диссипации энергии при разрушении и образовании новой поверхности в процессе трения, что обычно затрудняет проведение этого процесса как изотермически обратимого. Метод Обреимова применим для определения межфазной энергии на границе раздела «твердое тело – жидкость», а в первом приближении свободная поверхностная энергия равна 1/6 энергии сублимации (энергии, требуемой для перевода твердого вещества в газообразное). Таким образом, в результате межмолекулярного взаимодействия жидкой фазы с твердым телом на границе их раздела образуется монослой, который при высоких температурах и в результате химических реакций поверхностно-активных веществ присадок способен выдерживать высокие контактные нагрузки и обеспечить отсутствие металлического контакта между сопряженными деталями. Все вышеперечисленные факторы влияют на образование продуктов окисления, которые в свою очередь существенно влияют на противоизносные свойства.

1.4. Факторы, влияющие на процессы схватывания при граничном трении Большинство тяжелонагруженных узлов трения работают в режимах граничной смазки. Поверхности трения при этом не разделены слоем первоначального смазочного материала, а непосредственный металлический контакт, приводящий к их повышенному изнашиванию и заеданию узла трения, предотвращается вследствие образования на рабочих поверхностях пар трения граничных слоев, представляющих собой продукты взаимодействия активных компонентов смазочного масла с поверхностным слоем твердого тела [4, 40]. Граничное трение возникает при толщине смазочного слоя менее 0,1 мкм. В этом случае сила трения зависит от природы и состояния трущихся поверхностей. Коэффициент граничного трения находится в пределах 0,08–0,15. Граничное трение связано с молекулярно-механическим видом изнашивания, который характеризуется явлениями молекулярного сцепления (схватывания) материалов на отдельных участках поверхностей трущихся деталей и последующим разрушением металла в местах связей. 20

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

Молекулярно-механическое изнашивание происходит при высоких контактных напряжениях в зоне сопряжения деталей. Оно начинается с локального пластического деформирования и разрушения окисных пленок на отдельных участках поверхности контакта, а заканчивается молекулярным сцеплением (схватыванием) материала этих участков деталей и последующим разрушением зон схватывания при относительном движении [36, 41]. Процесс развития повреждений трущихся поверхностей деталей вследствие схватывания называют заеданием. Интенсивность заедания увеличивается с ростом контактных напряжений (давлений), скорости относительного перемещения, температуры в зоне контакта и других факторов. Для предупреждения схватывания на поверхности контактирующих деталей наносят защитные покрытия и окисные пленки, подают смазочный материал в зону контакта, повышают поверхностную прочность (твердость) деталей, ограничивают контактные напряжения и скорость относительного перемещения [33, 42]. Существует понятие химического влияния смазки. В условиях граничного трения химические свойства смазочного материала, а именно легирующие присадки, оказывают наиболее положительное воздействие, снижают трение и износ, а также минимизируют молекулярномеханическое изнашивание. При граничном трении роль физических свойств смазочного масла не так существенна. Основным фактором в условиях граничного трения является химическая структура молекул смазочного материала [32]. В процессе работы машины или агрегата граничное трение нежелательно. При вращении коренной шейки коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания в установившемся режиме вал и подшипник скольжения разделены слоем жидкости (в результате внутреннего давления), где и происходит жидкостное трение. При остановке двигателя «гидравлический подпор» шейки вала прекращается, и слой смазки уменьшается вследствие выдавливания ее силой тяжести вала. При повторном запуске двигателя до начала установившегося движения наблюдается период граничного трения. В этот период и происходит интенсивный износ сопряженных деталей. Роль смазочного материала, а именно поверхностно-активных веществ (присадок), в процессе граничного трения весьма существенна. Образование монослоя на поверхности твердого тела при селективной химической адсорбции и высокой температурной нагрузке позволяет значительно повысить износостойкость материалов пары трения, исключить схватывание сопряженных деталей (местное соединение двух твердых тел), происходящее при трении вследствие действия молекулярных сил [25, 36]. Молекулярное взаимодействие способствует механическому взаимодействию и проявляется в молекулярном притяжении и в отдельных случаях 21

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

схватывании поверхностей на участках фактического контакта. Молекулярное схватывание возникает при пластическом течении поверхностных слоев и разрыве поверхностных пленок. При этих условиях происходит активизация атомных связей. Молекулярное схватывание наступает при разрыве масляной пленки из-за резкого повышения температуры контакта. Сопротивление изнашиванию из-за молекулярного схватывания можно повысить за счет уменьшения внедрения микровыступов трущихся поверхностей и их пластического деформирования. При этих условиях сближение контактирующих участков на расстояние, при котором возникает молекулярная связь, может не наступить. Проявление молекулярного схватывания у различных материалов зависит от строения их атомнокристаллической решетки, твердости и способности к окисляемости. С повышением твердости, хрупкости и окисляемости способность материала к схватыванию уменьшается [43, 44]. Формирование граничных смазочных слоев зависит от влияния на эти процессы твердой фазы (металлической поверхности). А. С. Ахматов установил: чем больше давление, воздействию которого подвергаются граничные слои, тем больше упругость этих слоев, т. е. способность сопротивляться давлению. Автор показал критическую толщину граничного смазочного слоя, изменяющегося от 0,1 до 0,05 мк [45]. Смазочный материал может оказывать двойственное воздействие на триботехническое сопряжение. Доказано, что смазочное действие проявляется всегда как на наружной поверхности металла, на границе раздела твердой фазы с окружающей средой, так и внутри металла в его наружном слое. Поверхностно-активные молекулы граничных слоев в результате присущего им свойства взаимодействия с твердыми телами и способности к миграции по поверхности могут проникать в микротрещины, тем самым углублять их и разрушать тонкий поверхностный слой [46]. В работах И. В. Крагельского подробно рассмотрена теория молекулярно-механического трения и изнашивания, предполагающая постоянное возникновение и нарушение фрикционных связей между трущимися поверхностями. Фрикционные связи возникают вследствие взаимодействия микронеровностей сопряженных поверхностей и молекулярных взаимодействий в местах контакта. Из-за сложности микрорельефа соприкасающихся поверхностей реальных деталей суммарная площадь фактического контакта значительно меньше видимой площади трения. Поэтому происходит периодическое деформирование микрообъемов материала, характер и значение которого зависит от нагрузки, температуры и механических свойств материала. Пластические деформации приводят к вытеснению микрообъемов металла в зоны более низкого давления. Молекулярные взаимодействия в зонах 22

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

контакта не только обусловливают сопротивление сдвигу контактирующих поверхностей, но и могут привести к явлениям схватывания. В процессе молекулярного взаимодействия выделяется тепло. Повышение температуры в зонах трения может изменить свойства материалов, вызвать отпуск закаленных сталей, плавление антифрикционных слоев и другое [24, 40, 47, 48]. Существует четыре типа адгезионно-инициируемого катастрофического изнашивания, которые отражены в работах Д. П. Маркова, И. В. Крагельского, Н. М. Алексеева. Если твердость адгезионного зародыша превышает твердость обеих поверхностей трения, то изнашивание развивается по механизму задира, имеющего несколько стадий развития: начальный контакт неровностей, взаимная ротационная деформация зоны взаимодействия микронеровностей с поворотом поверхностей, формирование зародышевого завихрения (адгезионного ядра) и формирование клиньев. Они зацепляются чисто механически и легко отделяются друг от друга как до среза, так и после среза одного из них [49]. Если твердость какой-либо из поверхностей трения превышает твердость адгезионного зародыша, то изнашивание развивается по механизму схватывания. Схватывание развивается путем переноса и локального аккумулирования порций мягкого металла на продольных гребнях твердого контртела. Отдельные островки перенесенного металла при последовательном взаимодействии микронеровностей объединяются в твердый выступ, который на поздней стадии начинает пропахивать мягкую поверхность аналогично клину при задире, оставляя на ней глубокую борозду. Однако в отличие от клина выступ или нарост более прочно связан с обеими поверхностями, и при попытке разъединить их после остановки часть нароста хрупко отламывается. Задир и схватывание не зависят от состояния поверхностей, а определяются только соотношением твердости поверхностей трения и твердости адгезионного ядра, формирующегося при взаимодействии микронеровностей [50]. При заедании первого рода скорости деформирования поверхностного слоя настолько большие, что деформация осуществляется за счет мгновенного аморфного сдвига атомной решетки. Сцепленные микронеровности размазываются аморфно по поверхности трения, формируя сверхтвердые наросты при повторных взаимодействиях. Заедание второго рода реализуется в условиях более медленного повышения нагрузки или скорости скольжения, чем при заедании первого рода, и ему предшествует значительный рост температуры смазочного слоя и металла. Поскольку для начала заедания второго рода необходим нагрев поверхностей, повысить сопротивляемость можно с помощью применения более термостойких материалов или легкоплавкой фазы, исполняющей роль смазки после рас23

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

плавления. Причем если в процессе нагрева протекает отпуск закаленных поверхностей, то применение термических и механических методов упрочнения малоэффективно. Заедание первого рода начинается с высокоэнергетического аморфного среза микронеровностей, на который упрочнение наклепом, закалкой, легированием примесями не оказывает влияния, и поэтому бесполезно пытаться устранить заедание первого рода путем упрочнения поверхностей трения. Заедание первого рода можно устранить только подбором смазочного материала, а заедание второго рода – повышением теплостойкости материалов пары трения [50, 51]. Одной из актуальных задач в области трения, износа и смазки машин является расширение температурного диапазона работоспособности смазочных материалов, т. е. диапазона, в котором обеспечиваются низкий коэффициент трения и умеренное изнашивание. За пределами этого диапазона происходит разрушение граничных слоев, резкое увеличение коэффициента трения и переход к заеданию. Для исключения такого рода процессов и расширения температурного диапазона в смазочные масла вводятся поверхностноактивные и химически активные соединения, образующие на поверхности трения слои продуктов взаимодействия. Эти слои обладают пониженным сопротивлением сдвигу и имеют более высокую температурную стойкость, чем исходный смазочный материал [52, 53], однако не обеспечивают износостойкость материалов трибосопряжений при высоких нагрузках, температурный диапазон работоспособности этих слоев также относительно мал. Альтернативой методу расширения температурного интервала работоспособности масел и повышению их смазочной способности за счет присадок может служить нанесение на рабочие поверхности контактирующих тел специальных покрытий-ориентантов [54–56]. В работах авторов И. А. Буяновского и Р. М. Матвеевского смазочный слой на межфазной границе раздела твердое тело (покрытие) – жидкость (масло), который представляется возможным рассматривать как жидкокристаллическую фазу, повторяет высокоупорядоченную структуру, задаваемую поверхностью покрытия. Это предопределяет его более высокую температурную стойкость и пониженную склонность к заеданию. Таким образом, разрушение граничных слоев в процессе трения имеет сложную природу и зависит от ряда факторов: нагрузки в зоне контакта, температуры на границе раздела фаз, качества и геометрии сопряженных поверхностей, физико-химических свойств конструкционных материалов и смазочного масла. Легирующие присадки в базовых маслах имеют сложную структуру и обладают способностью химически модифицировать на поверхностях трения защитные слои, которые оказывают непосредственное воздействие на процессы трения и изнашивания, а также предотвращают явление схватывания. 24

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

1.5. Современные представления о каталитическом влиянии металлов на окислительные процессы смазочных материалов Смазочное масло должно обладать стабильностью против окисления и при эксплуатации не должно претерпевать значительные химические и физические изменения заданных свойств. Одним из наиболее вероятных изменений является окисление масла, так как возрастает коррозионная агрессивность масла по отношению к металлическим поверхностям, повышается вязкость масла или образуются нерастворимые продукты окисления. Известно, что процесс окисления смазочных масел ускоряется под действием высоких температур и в присутствии катализаторов: непосредственно металлов и металлических солей органических кислот, образующихся при взаимодействии продуктов окисления с металлом (масляная среда и контактирующие поверхности деталей). Следует отметить, что интенсивность окисления масла (так же, как и скорость химической реакции) с повышением температуры на 10 °С практически удваивается. Чем выше температура масла при работе агрегатов и время его работы, тем интенсивнее протекает процесс окисления и больше продуктов окисления накапливается в масле [5]. Для построения теории катализа необходимо, прежде всего, решить вопрос о характере взаимодействия между катализатором и реагирующими веществами. Подавляющее большинство исследователей считает, что изменение скорости химических реакций при катализе является результатом промежуточного химического взаимодействия реагирующих веществ с катализатором. Это справедливо для процессов гетерогенного катализа на твердых катализаторах, во время которых происходит промежуточное химическое поверхностное взаимодействие реагирующих веществ с катализатором. Гетерогенный катализ является одним из наиболее важных и распространенных проявлений поверхностного химического взаимодействия. Химическая природа промежуточного взаимодействия при катализе проявляется в соответствии химических свойств катализатора свойствам участвующих в реакции веществ и специфичности действия большинства катализаторов. Это представление подтверждается всей практикой изыскания катализаторов, показывающей, что решающим фактором, определяющим каталитическую активность, является химический состав катализатора [57, 58]. Катализатором называется вещество, изменяющее скорость химической реакции и участвующее в образовании активного комплекса данной реакции, а после завершения химического превращения возвращающееся в исходное состояние. Изучение каталитических свойств металлов представля25

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

ет особый интерес вследствие их весьма высокой каталитической активности в отношении некоторых реакций, простоты химического состава металлических катализаторов и большого их практического значения [58, 59]. Известно, что имеют место электронные переходы между реагирующими веществами и катализатором. Энергия активации зависит от электронной структуры катализатора. Эта зависимость определяется работой выхода электрона и энергией взаимодействия катализатора с остальными компонентами активного комплекса. Если при протекании химической реакции возникает переход электронов от катализатора к реагирующим веществам, то энергия активации будет возрастать с увеличением работы выхода. Если же при образовании активного комплекса электрон переходит от реагирующих веществ к катализатору, то зависимость будет обратной – с увеличением работы выхода энергия активации реакции будет снижаться [60]. Катализ связан с промежуточным химическим взаимодействием реагирующих веществ с катализатором, открывающим новый реакционный путь, обычно более сложный по числу стадий, но более легкий в отношении высоты энергетических барьеров на всех стадиях. При этом катализатор входит в состав активного комплекса всех или части стадий нового реакционного пути [58–60]. В трибосистемах с граничным трением особую роль играют координационные соединения, образующиеся на поверхности трущихся тел и в объеме смазочного материала по общим схемам [61]. МеО + LH → Ме(OH)L,

(1.8)

Ме + LH → МеL + H,

Реакции на поверхности трения (1.9)

МеО + 2LH → МеL2 + H2O,

(1.10)

Ме + 2LH → МеL2 + H2,

Реакции в объеме смазочного материала (1.11)

где МеО и Ме – оксидные или металлические поверхностные слои трущихся тел, или частицы износа; LH – свободный лиганд, специально введенный в состав смазочного материала или образующийся в нем в процессе трения за счет трибодеструкции и (или) трибоокисления основы смазочного материала; Ме(OH)L, МеL – поверхностные соединения лиганда с оксидом металла или металлом; МеL2 – координационные соединения металлов трущейся пары в объеме смазочного материала. 26

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

Поскольку количество накапливаемой в системе энергии конечно, то необходим стационарный или периодический сброс избыточной энергии с верхних уровней на нижележащие, а так как процесс трения необратим и система не может вернуться в исходное состояние, то существуют промежуточные энергетические уровни. Поэтому в простейшем случае при неизменных внешних условиях трибосистема представляет собой как минимум трехуровневую систему [3]. При взаимодействии металлических поверхностей со средой и высоких температурах происходят аналогичные процессы сбрасывания избыточной тепловой энергии за счет образующихся продуктов окисления и поверхностных соединений с металлами. К1

Ме(ОН)L* + L′H ↔ Ме(OH)L′ + LH*. К2

(1.12)

В этом случае происходит постоянный обмен лигандов объема смазочного материала с лигандами поверхностных комплексов [2]. В данной реакции механически возбужденный поверхностный комплекс Ме(ОН)L* обменивается лигандом L′H из смазочного материала, а уходящий в объем смазочного материала лиганд LH* уносит с собой избыточную энергию и диссилирует ее по тепловому или излучательному каналу в поверхность или объем смазочного материала, т. е. лиганд является своеобразным молекулярным энергетическим контейнером. Кроме химической дезактивации реализуются другие механизмы диссипации избыточной энергии за счет накопления структурных дефектов в контактирующих твердых телах, вплоть до образования частиц износа. Авторами работы [18, 61] отмечается, что в момент перехода из одного стационарного состояния в другое толщина граничного слоя и ее энергонапряженность меняются скачком. Кроме того, каждое стационарное состояние в процессе самоорганизации реализуется в строго определенных условиях трения и не наблюдается при выходе за границы этих условий. Каталитический процесс в основном сводится к энергии связи между реагирующими веществами и катализатором, характеру этой связи, в первую очередь ее полярности, и возможности образования нескольких связей на определенных расстояниях. Минимальное количество энергии, которую требуется сообщить системе, чтобы произошла реакция, называется энергией активации [62]. Термин введён С. А. Аррениусом в 1889 г. В химической модели есть три условия, необходимые для того, чтобы произошла реакция, – молекулы должны столкнуться и обладать необходимой энергией. В процессе химической реакции взаимодействующие молекулы должны пройти через промежуточное состояние, которое может обладать большей энергией. То есть молекулы должны преодолеть 27

Влияние сталей на прроцессы окиссления и трибботехническиее свойства см мазочных массел  

энергеетический й барьер, и третьее условиее – молеккулы доллжны бытть правильноо ориенти ированы друг отноосительно о друга. При П низккой темпеературе больш шинство молекул м об бладают энергией э меньшей, чем энерргия акти ивации, а с еее увеличеением происходитт увеличеение доли и молекуул, обладаающих достатточной эн нергией, чтобы прреодолетьь энергеттический барьер. Таким образоом, повыш шается сккорость рееакции [62, 63]. В при исутствии и катали изатора для начала н рееакции треебуется меньше м энергии. Ускорение рреакции при п гетерогенном катализе к (металл в масляно ой среде) в больш шинстве случаев с обуссловливаеется тем (см. рисс. 1.3), что энергия активаци ии всех этапов ново ого реакц ционногоо пути, возникающ щего в реезультатее поверхн ностного взаимодей йствия с катализаатором, нижее энергии и активаации реаккции в отсуттствие каатализаторра. Лишь в редких сслучаях ускореу Рис. 1.3. Соотношение энерргии активание процессаа связано с возн никноции и энтропии реакции окисления вени ием цепноой реакци ии, перехо одящей в об бъем. Пооэтому в подавляю ющем больш шинстве случаев с к каталитич ческая акттивность твердыхх катализзаторов пропоррциональьна велич чине их работающ щей повеерхности и можетт быть выраж жена как произвед дение вееличины этой повверхности и на удеельную катали итическую ю активноость – акктивностьь, отнесен нную к ед динице поверхп ности [59, 63]: k = kуд⋅S S,

(1.13)

ическая активность; kуд – удельная у ическая каталити где k – общая каталити ность; S – работаю ющая повеерхность катализат к тора. активн С Следует о отметить , что еди инство катталитичесского прооцесса каак процесса, включаю ющего взааимодействие реаггирующихх веществв с твердым катализаатором, разрывает р тся. Катаализатор, по сущ ществу, ррассматри ивается лишь как геом метрическое место протекан ния реакц ции, хараактеризую ющееся опредееленным потенциаалом, возд действие реагирую ющих вещ ществ на каталик затор, приводящ щее к изм менению его свой йств, игноорируетсяя. Известн но, что действвительные зависим мости хем мосорбци ионных и каталити ических свойств металллов от ихх электрон нной струуктуры могут м в зн начительн ной степеени осложняяться изменениями и состава катализааторов поод воздей йствием реакцир онной системы, а следоввательно, с изменеением вид да термообработки и [64]. 28

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

В работах многих авторов отсутствуют объективная информация о поведении твердого тела в масляной среде и количественные показатели каталитического действия на реакции окисления смазочного материала на поверхности металла и в объеме, позволяющие раздельно оценить процессы самоорганизации элементов трибосистем при статических условиях испытания.

1.6. Существующие методы оценки термоокислительной стабильности и противоизносных свойств смазочных материалов Термоокислительная стабильность смазочных материалов характеризует их сопротивляемость окислению. Основным фактором, оказывающим влияние на скорость окислительных процессов, является температура, которая генерируется на поверхностях трения. Данный показатель выбран в качестве предмета исследования, так как при механическом, тепловом и химическом воздействии на трибросистему основным фактором является температура, возникающая при механическом воздействии и ускоряющая химические процессы. Механизм окисления смазочных материалов различных базовых основ изучен недостаточно, особенно влияние продуктов окисления на фрикционные характеристики и процессы, происходящие на фрикционном контакте. Рассмотрим наиболее эффективные методы и средства контроля термоокислительной стабильности, которые представлены в монографии [65] и обзоре [66]. Метод [67] позволяет оценивать лакообразующие свойства масел и действие на них присадок. В этой связи предложен коэффициент лакообразования, который можно использовать для определения степени окисления масла. Метод реализуется с помощью стандартного лакообразователя. Прибор для оценки термоокислительной стабильности масел [68] состоит из узлов предварительного окисления масла в объеме и окисления в тонком слое. Предварительное окисление проводится при температуре и подаче окислителя (воздух) в масло через перфорированное кольцо. Стабильность масла оценивается по изменению его физико-химических и эксплуатационных свойств, а также количеству отложений и летучести. Способ определения стабильности растворов присадок в маслах [69] заключается в измерении их электропроводности, изменяющейся в зависимости от их состояния (высаживание присадок, превращение раствора в коллоидный, изменение химического состояния присадок). По характеру 29

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

зависимости время испытания – сила тока, проходящего через образец, судят о влиянии различных факторов на стабильность растворов присадок в маслах. При определении термической стабильности масел графическую зависимость строят в координатах температура-сила тока, а для определения термических границ взаимодействия присадок с различными металлами электроды изготовляют из соответствующего металла. Способ определения термоокислительной стабильности низкомолекулярных нефтепродуктов [70] заключается в определении разности удельной мощности диэлектрических потерь в присутствии катализатора и без него и определяется по формуле Ρ = ε . ε0 .ω . tg δ·

Е2 , 2

(1.18)

где ε – диэлектрическая проницаемость нефтепродукта; ε0 – диэлектрическая постоянная; ω – угловая частота; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь; Е – напряженность электрического поля, кВ/м. В ходе определения tgδ каждый исследуемый нефтепродукт нагревают от комнатной температуры до появления максимума tgδ, при этом скорость нагрева должна составлять 2,2–2,4 град/мин. По максимуму tgδ определяют удельную мощность при наличии и отсутствии катализатора по формулам Е2 Ρ1 = , 2 2 . . . .Е Ρ2 = ε2 ε0 2πf tg δ2 , 2

ε1.ε0.2πƒ.tg

δ1.

(1.19) (1.20)

где f – частота переменного напряжения, при которой определяется tg δ. Термоокислительную стабильность определяют по величине разности удельной мощности потерь. Способ [71] определения термоокислительной стабильности предусматривает нагревание и перемешивание пробы смазочного материала при испытании, определение температуры начала окисления и скорости окисления, которая принята за критерий, характеризующий склонность смазочного материала к образованию растворимых и нерастворимых продуктов окисления и определяемый по зависимости оптической плотности от времени испытания. Способ [72] позволяет определить степень загрязненности работавшего моторного масла путем измерения физических параметров исходного и работавшего масел и вычисления степени загрязненности. В качестве физических параметров используют плотности исходного и работавшего 30

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

масел и плотности нерастворимых в масле загрязнений. Степень загрязненности χ определяют по формуле χ=

ρ ( ρсм − ρ2 ) , ρсм ( ρ1 − ρ2 )

(1.21)

где ρсм – плотность работающего масла; ρ1 – плотность нерастворимых в масле загрязнений; ρ2 – плотность исходного масла. Степень загрязненности χ хорошо коррелирует с результатами определения концентрации нерастворимых в бензине примесей методом центрифугирования. Обычно при расчетах ρ1 – плотность нерастворимых примесей, принимают равной 1,64 г/см3. ГОСТ 20457–75 [73] предусматривает проведение испытаний на установке ИКМ в течение 40 ч и последующую оценку антиокислительных свойств по изменению вязкости масла и отложений на поршне. Изменение вязкости за время испытания Yв в процентах определяют по формуле Yв = Δν50 ⋅ 100 , ν50

(1.22)

где Δν50 – прирост вязкости за время испытания, сСт, равный ν′50 − ν50 ,

(1.23)

где ν 50′ – кинематическая вязкость масла при температуре 50 °С после 40 ч испытания, сСт; ν50 – кинематическая вязкость масла при температуре 50 °С до испытания, сСт. Общее количество отложений на поршне О0, г, определяется по формуле О0 = (m1 – m0) + mк,

(1.24)

где m1 – масса поршня в комплекте с кольцами после испытания, г; m0 – масса поршня в комплекте с кольцами до испытания, г; mк – суммарный износ поршневых колец за время испытания, г, равный m2 – m3, где m2 – масса колец до испытания, г; m3 – масса чистых колец после проведения испытания, г. ГОСТ 23175–78 [74] предусматривает определение моторных свойств и термоокислительной стабильности и заключается в нагревании тонкого слоя масла на металлической поверхности, испарении летучих фракций, содержащихся в масле и образующихся при разложении, с последующим разделением остатка на рабочую фракцию и лак, и определении термоокислительной стабильности по испаряемости массовых долей рабочей фракции масла и лака. 31

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

ГОСТ 11063–77 [75] устанавливает метод определения стабильности по индукционному периоду осадкообразования моторных масел с присадками. Сущность метода заключается в окислении масла при 200 °С в приборе ДК–НАМИ с последующим определением осадка и вязкости окисленного масла. Вязкость испытываемого масла определяют при 50 и 100 °С по ГОСТ 33–66, а прирост вязкости в результате окисления определяют по формулам (1.13 и 1.14). Массовую долю осадка, г, в окисленном масле (χ0) в процентах вычисляют по формуле m − m1 χ= 2 ⋅ 100 , (1.25) m где m – масса навески окисленного масла, г; m1 – масса бюксы с чистым фильтром, г; m2 – масса бюксы с фильтром и осадком, г. ГОСТ 981–71 [76] предусматривает термоокислительную стабильность определять на приборе ВТИ в присутствии кислорода и катализаторов при повышенной температуре. Стабильность масла характеризуется кислотным числом, количеством летучих низкомолекулярных кислот и осадка, образующихся при окислении. ГОСТ 20944–75 [77] предусматривает окисление жидкости в контакте с металлами и воздухом при нагреве до 200 °С или техническим азотом при нагреве до 300 °С. Термоокислительную стабильность оценивают по изменению внешнего вида, кислотного числа и вязкости, а коррозионную активность – по изменению массы металлических пластин (катализаторов). ГОСТ 18136–72 [78] предусматривает определение термоокислительной стабильности по таким показателям, как кислотное число, число омыления, вязкость, коксуемость, содержание смол, нерастворимого осадка, тангенс угла диэлектрических потерь, удельное электрическое объемное сопротивление, цвет и масса катализатора, внешний вид, цвет и масса конденсата. Регламентированный ГОСТ 23797–79 [79] метод предусматривает оценку термоокислительной стабильности по количеству образовавшегося осадка, нерастворимого в изооктане, изменению вязкости, кислотному числу и наличию отложений в реакционном сосуде, а также коррозионности масла по изменению массы пластинок-катализаторов. Испытания проводят при температуре 300–400 °С. Экспресс-методом оценки окислительной устойчивости минеральных масел и тестирования присадок по их влиянию на окислительную устойчивость является метод хемилюменесценции [80]. В синей области видимого спектра при окислении масел выделяется квант света, интенсивность свечения которого определяется скоростью протекания окислительных процессов. 32

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…

Для оценки эксплуатационных свойств масел по таким параметрам, как температурная область работоспособности, скорость окисления, коррозионная активность и лаконагарообразование, разработан прибор [81] (рис. 1.5). Прибор позволяет исследовать как чистые, так и работавшие масла, с катализатором и без него, и оценивать эксплуатационные свойства масел, что дает возможность отбирать лучшие образцы для применения в различных механизмах. Рис. 1.5. Прибор для оценки термоокислительной стабильности: 1 – камера предварительного окисления; 2 – теплоизоляционный кожух; 3 – корпус-подставка; 4 – электронагреватель; 5, 6 – регулировочные клапаны; 7 – крышка; 8 – барботажная трубка; 9 – перфорированное кольцо; 10 – труба; 11 – соединительная трубка; 12 – штуцер; 13 – змеевик; 14, 27 – термопара; 15 – U-образная трубка; 16 – емкость для окисления масла в тонком слое; 17 – мерная трубка; 18 – кожух; 19 – микролампочка; 20 – фоторезистор; 21 – теплоизоляционный кожух; 22 – крышка; 23 – нагреватель; 24 – стакан, 25 – термопара; 26 – трубка отвода паров масла; 28 – реометр-расходомер для подачи окислителя; 29 – конденсатор; 30 – краны слива конденсата; 31 – электропневмоклапан (ЭПК); 32 – реле времени с регулируемым диапазоном задержки срабатывания ЭПК; 33 – блок регулирования и контроля температуры масла и нагрева стакана

26 29 25 30 24 21 16

27 22 23 19

15

11 33 13 14

12

20 18 17 32

8

31

10 7 1 2

29 30 28

9 4

6

3 5

Влияние масел на изнашивание материалов в лабораторных условиях определяют при испытании на машинах трения с помощью образцов простой геометрической формы – шаров, цилиндров, роликов и плоских брусков [82]. В России обобщенный показатель износа, характеризующий интенсивность изнашивания и задирание поверхностей в определенном диапазоне нагрузок, определяют по ГОСТ 9490–75, а противоизносные свойства масел – с помощью четырехшариковой машины трения. Противоизносные свойства масел определяются по методике, предусматривающей определение диаметра пятна износа на нижних шарах [83]. Способ оценки вида изнашивания поверхностей трения [84]. Эксплуатируют смазанную пару трения, затем берут пробы масла, определяют оптическую плотность и площадь пятна износа, по которым находят 33

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

границы видов изнашивания. С целью повышения достоверности способа часть пробы масла подвергают центрифугированию за счет учета действия нерастворимых примесей. С помощью оптической плотности оценивают влияние растворимых примесей на вид изнашивания. Способ определения противоизносных свойств [85] масел. Эксплуатируют пару трения при наличии масляной среды, затем пропускают через нее электрический ток и определяют параметр трения, по которому оценивают противоизносные свойства масел. С целью снижения трудоемкости испытаний пробы масла фотометрируют и определяют их оптическую плотность, измеряют диаметр пятна износа; отношение оптической плотности масла к площади пятна износа принимают в качестве приведенной плотности эксплуатационных примесей, а в качестве параметра вида изнашивания принимают отношение коэффициента электропроводности фрикционного контакта к приведенной плотности эксплуатационных примесей. Способ определения смазывающей способности масел [86]. Цель – повышение достоверности результатов за счет определения времени формирования вторичных структур. С элементов пары трения снимают статическое напряжение. На неподвижную несмазанную пару трения подают постоянный ток, величину которого выбирают в диапазоне 50–200 мкА. Разъединяют элементы пары трения, смазывают их, приводят в относительное движение, нагружают и измеряют при установившемся режиме трения постоянный ток при разной полярности, а смазывающую способность масел определяют по отношению разности токов при разной полярности к току при неподвижной паре трения. Проведенный анализ показал, что существующие методы недостаточно информативны и не позволяют количественно оценить влияние металлов на процессы окисления и противоизносные свойства при статических условиях испытания. Из результатов видно, что оценка термоокислительной стабильности должна быть комплексной и учитывать зависимости вышеперечисленных показателей от противоизносных и противозадирных свойств окисленных масел. На основании изложенного можно сделать следующий вывод: для осуществления оптимального выбора масел, совместимых с материалами деталей машин и агрегатов, необходимо применять методы, которые оценивают влияние металлов на процессы окисления и противоизносные свойства.

34

  2. Методика исследования влияния сталей на процессы окисления и противоизносные свойства…

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТАЛЕЙ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. Выбор смазочных материалов При эксплуатации машин и агрегатов применяются минеральные частично синтетические и синтетические масла, поэтому для выявления различий в процессах окисления и влияния сталей на эти процессы выбраны моторные масла: минеральные: М-10Г2К; Spectrol Syper Universal 15W-40 CD/SF; частично синтетические Mobil Super 10W-40 SJ/CF и синтетическое Visco 5000 5W-40 SJ/CF. Все исследуемые моторные масла, кроме М-10Г2К, являются всесезонными, универсальными и применяются в бензиновых и дизельных двигателях. Масло М-10Г2К предназначено для дизельных двигателей в летних условиях эксплуатации, по классификации API относится к группе эксплуатационных свойств СС, частично синтетические и синтетические к более высоким группам SJ/CF, SL/CF. Предстоит определить влияние базовой основы и сталей ШХ15, стали 45 на процессы окисления и влияние продуктов окисления на противоизносные свойства окисленных масел.

2.2. Техническая характеристика средств измерения Прибор для определения термоокислительной стабильности

Для исследования термоокислительной стабильности смазочных материалов разработан прибор [87] (рис. 2.1), включающий измерительный блок 1 с органами управления процессом окисления и механический блок 2, обеспечивающий нагрев и перемешивание пробы масла. Прибор снабжен двумя механическими блоками. Механический блок (рис. 2.2) включает стеклянный стакан 1, на наружной поверхности которого намотан нагреватель 2, изолированный термоизоляцией 3 и установленный в кожух 4. На поворотную платформу 5 устанавливается стакан 1 и крепится фиксатором 6. В стакан 1 соосно установлена стеклянная мешалка 7, закрепленная на валу 8, установленном на подшипниках 9 в подшипниковом узле 10, закрытом крышкой 11. 35

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Вал 8 с помощью упругой муфты 12 соединен с микроэлектродвигателем 13, установленным в кронштейне 14. Для обеспечения соосности валов мешалки и электродвигателя подшипниковый узел установлен в кронштейне 16. Оба кронштейна 14 и 16 крепятся к передней панели с помощью винтов 15 и 17. Температура исследуемого масла измеряется с помощью термопары 18 (хромель-капель). 14

13

15

12

16

11 10 9

17 8

18 1 2

1 2 3 4

7

5 Рис. 2.1. Прибор для определения термоокислительной стабильности смазочных масел

6

Рис. 2.2. Механический блок прибора для определения термоокислительной стабильности смазочных масел: 1 – стакан для испытуемого масла; 2 – нагреватель; 3 – теплоизоляция; 4 – кожух; 5 – платформа; 6 – фиксатор платформы; 7 – мешалка; 8 – вал; 9 – подшипник; 10 – узел подшипниковый; 11 – крышка; 12 – муфта; 13 – микроэлектродвигатель; 14, 16 – кронштейн; 15, 17 – винт; 18 – термопара

Измерительный блок включает схемы питания, задания и сравнения температуры, настройки частоты вращения мешалки, задания и автоматического поддержания температуры. Органы управления, регистрации и установки температуры вынесены на лицевую панель и выполнены с надпи36

2. Методика исследования влияния сталей на процессы окисления и противоизносные свойства…

сями. Напряжение питания на нагревательные элементы подается через штепсельные разъемы от измерительного блока. Температура испытуемого масла регистрируется цифровым индикатором. Необходимая температура задается дискретно, а в процессе испытания поддерживается автоматически с точностью ±0,5 ºС. Частота вращения мешалки устанавливается дискретно, регистрируется цифровым индикатором и в процессе испытания поддерживается автоматически с точностью ±2 об/мин за счет счетчика оборотов и наличия обратной связи с электродвигателем. После каждого испытания в течение выбранного времени стакан с пробой масла взвешивается для определения летучести, для измерения вязкости и оптических свойств по коэффициенту поглощения светового потока отбирается часть пробы. Термоокислительная стабильность исследуемого смазочного материала соответственно оценивается по изменению летучести, вязкости и оптических свойств. Прибор позволяет осуществлять два метода испытания: при постоянной температуре и циклическом повышении или понижении температуры. При втором методе испытания оценка термоокислительной стабильности производится дополнительно по числу циклов изменения температуры до заданного значения коэффициента поглощения светового потока. Таблица 2.1 Техническая характеристика прибора для определения термоокислительной стабильности Наименование параметра Напряжение питания Потребляемая мощность Частота вращения мешалки (регулируемая) Температурный диапазон Масса испытуемого масла Датчик температуры Габариты: высота длина ширина Масса

Единица измерения В ВА об/мин ºС г

Значение параметра ~220±10 % 400±10 % от 0 до 350±2 от 50 до 300 100±0,1 хромель – капель

мм

кг

450±5,0 170±5,0 740±5,0 8,5±0,5

Техническая характеристика прибора для определения термоокислительной стабильности приведена в табл. 2.1.

37

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Прибор для определения оптических свойств смазочных материалов при окислении. Фотометрическое устройство

Предназначен для прямого фотометрирования смазочных материалов (рис. 2.3) и состоит из блока измерения 1 и фотометрической кюветы 2 [88, 89, 90]. Прибор оснащается кю1 ветами, обеспечивающими фотометрирование при толщинах фотометри2 руемого слоя 0,03; 0,15; 2,0 и 8,0 мм, что позволяет измерять как товарные, так и работающие масла. Эффективность применения этого метода доказана в работах [94–104]. Рис. 2.3. Фотометрическое устройство: Техническая характеристика 1 – блок измерения; 2 – кювета фотометфотометрического устройства приверическая дена в табл. 2.2. Таблица 2.2 Техническая характеристика фотометрического устройства Наименование параметра Диапазон измерения Фотоэлемент Погрешность измерения Время одного измерения с учетом вспомогательного Время непосредственного измерения Толщина фотометрируемого слоя при фотометрировании: моторных масел дизельных двигателей бензиновых двигателей трансмиссионных масел гидравлических и индустриальных масел Напряжение питания Потребляемая мощность Время нагрева прибора для нормальной работы Габариты: высота ширина длина масса

38

Единица измерения мкА – %

Значение параметра 0…300 Сф 2-1А ±2,0

мин с

3,0±0,1 5,0±0,1

мм В

0,03 0,15 0,15 (2,0) 8,0 (2,0) 9 (батарейка «Крона») 0,2±0,01 3,0±0,5

ВА мин мм

кг

105±1 225±1 40±1 1,2±0,1

2 Методика исследовани 2. и я влияния сталей на проццессы окисления и противооизносные сввойства…

Степень окислени С ия моторн ных масеел оцениввалась поо коэффиц циенту поглощ щения моонохроматтическогоо светового потокаа Кп : 300 0−П Кп = , (2.2) 3000 поток, пр где П – показаания фотоометра, реегистриру ующего световой с рошедший через ч задаанную толлщину маасляного слоя, с мкА А; 300 – п показанияя фотометра при отсуттствии в кювете к м масляного слоя, мкА А. М Малообъ ъемный вискозим в метр Прибор предназна П п ачен для измерени ия вязкоссти малыхх объемо ов нефтепрод дуктов прри 100 и 50 ºС [991]. Техни ическая характери х истика ви искозиметра (рис. 2.4)) приведена в табл. 2.3. П Принцип п работы прибораа основан на измеррении времени поогруженияя плоскогго диска в нефтеепродукт при зааданной темпераатуре на зад данную гллубину под п собсттвенным весом. в Пллоский диск д устаановлен наа коромысле электтромагниттной систем мы. Измеерительнаая схема прибора предусмат п тривает за з 1 ºС доо заРи ис. 2.4. При ибор для измерения вяязкости данной й температуры откключениее нагреваттеля и имп пульсноее включен ние с помощ щью электтромагни итной систтемы кор ромысла с диском для переемешивания испытывваемого смазочно с го матер риала в стакане. с П Перемеши ивание осущеествляетсяя до тех пор, п покаа темпераатура не приблизи п ится к зад данной, при эттом кором мысло фиксируетсяя в верхн нем полож жении, а п при дости ижении заданн ной темпеературы электром магнитнаяя система обесточи ивается, и диск под сообственны ым весом опускаеттся [65]. Время В егоо опускан ния фикси ируется оптичееской паррой и зави исит от вяязкости жидкости. ж Табл лица 2.3 Технич ческая хар рактеристи ика вискоззиметра Единиц ца Значени ие Наимен нование паараметра измерени ия параметр ра Напряяжение питания В –12±1,0~220± ±10 % Макси имальная мощность м нагревателяя Вт 42±2 Погрешность изм мерения % ±2 Объем м испытывааемого масла (РЖ) мл 8,5 Темпеература изм мерения вяззкости: ºС мотторных и тррансмиссиоонных масеел 100 50 гид дравлически их и индустриальныхх масел 39

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Окончание табл. 2.3 Единица измерения мин мм кг

Наименование параметра Время одного измерения Габариты прибора Масса прибора

Значение параметра 5 100×160×260±5 3,0±0,1

Кинематическая вязкость определяется выражением: μ=

П−К , tg α

(2.3)

где П – показания счетчика импульсов, имп.; К и tg α – коэффициенты (рис. 2.4), зависят от геометрических размеров диска, глубины погружения диска и определяются экспериментально при тарировке вискозиметра по графику. В качестве вспомогательных П средств использовались электронные весы, с помощью которых измерялась летучесть масел при окислении и наличие нерастворимых продуктов окисления. Достоверность результатов К µ, сСт измерения вязкости оценивалась при десятикратном испытании моторного масла М-10Г2К из пяти опыРис. 2.4. Тарировочный график тов. Данные статистической обрамалообъемного вискозиметра ботки сведены в табл. 2.4. Таблица 2.4 Показания вискозиметра для минерального масла М-10Г2К при температуре 100 ºС и результаты статистической обработки данных Показания вискозиметра, сСт

40

Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 9,3 9,1 9,3 9,3 9,1 9,1 9,1 9,1 9,1 9,1 9,1 9,1 9,1 8,9 8,9 9,1 8,9 9,1 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9

Опыт 4 9,5 9,1 9,1 9,1 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9

Опыт 5 9,3 9,3 9,1 9,1 9,1 9,1 8,9 8,9 8,9 8,9

2. Методика исследования влияния сталей на процессы окисления и противоизносные свойства…

Окончание табл. 2.4 Среднее значение вязкости, сСт Средняя квадратичная погрешность, Sп Относительная погрешность, % Доверительный интервал ∆τx

Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 9,06 8,98 9,02 0,16 0,1 0,14 2 1 2 ±0,32 ±0,2 ±0,28

Опыт 4 9,02 0,19 2 ±0,38

Опыт 5 9,06 0,16 2 ±0,32

Таким образом, в доверительные интервалы будут укладываться 95 % результатов всех измерений. Значение относительной погрешности каждого измерения не превышает 2 %. Трехшариковая машина трения

Предназначена для определения противоизносных свойств товарных, отработанных, окисленных и термостатированных смазочных масел (рис. 2.5) [92–94]. Машина трения выполнена со схемой трения «шар – цилиндр», причем каждый из трех шаров взаимодействует с цилиндром по индивидуальной дорожке трения, что позволяет фотографировать рельеф изношенной поверхности. В качестве испытательных образцов используются шары от шарикоподшипника № 204 (ГОСТ 8338) диаметром 9,5 мм и обойма роликового подшипника № 42416 (ГОСТ 8328) диаметром 80 мм, изготовленные из стали ШХ15. Параметры трения выбраны с максимальной чувствительностью на изменение свойств масел: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла 80 °С, время испытания 2 ч. В качестве противоизносных свойств испытуемых масел принято Рис. 2.5. Трехшариковая среднеарифметическое значение диамашина трения метров пятен износа на трех шарах. Техническая характеристика трехшариковой машины трения приведена в табл. 2.5. Диаметры пятен износа замерялись на оптическом микроскопе, «Альтами МЕТ 1М», выполненном с возможностью фотографирования рельефа пятен износа (рис. 2.6) и исследовать хемосорбционные слои на поверхностях трения. 41

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Таблица 2.5 Техническая характеристика трехшариковой машины трения Наименование параметра Напряжения питания Потребляемая мощность Тип пары трения Диаметр шарика Диаметр цилиндра Скорость скольжения Нагрузка на шарики Объем пробы масла Температура масла Габариты прибора Масса прибора

Единица измерения В ВА – мм мм м/с Н мл °С мм кг

Значение параметра ≈380±10 % 650±5 шар – цилиндр 9,5 80,0 0,68 0-40 20,0±1,0 0-120 500×460×400 72

Рис. 2.6. Микроскоп электронный «Альтами МЕТ 1М»

Представленные средства контроля позволяют решить поставленные задачи. 42

2. Методика исследования влияния сталей на процессы окисления и противоизносные свойства…

2.3. Методика испытания смазочных материалов на термоокислительную стабильность и противоизносные свойства Методика определения влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства

Для исследования выбраны следующие моторные масла: минеральное всесезонное универсальное Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC; частично синтетическое Mobil Super 10W-40 SJ/CF и синтетическое Visco 5000 5W-40 SJ/CF. Исследования проводились на приборе для термостатирования в несколько этапов. На первом этапе масло массой 100±0,1 г подвергалось окислению без стали при температуре 180 °С с перемешиванием стеклянной мешалкой при частоте вращения 300 об/мин. Через каждые 8 ч испытания проба окисленного масла взвешивалась для определения массы испарившегося масла, отбиралась часть пробы для фотометрирования при толщине фотометрируемого слоя 2 мм и определения коэффициента поглощения светового потока, а другая часть для определения кинематической вязкости. Измененные пробы сливались в стеклянный стакан прибора для термостатирования, который повторно взвешивался. Исследования прекращались при достижении коэффициента поглощения светового потока 0,7–0,8 ед. В качестве образца стали ШХ15 использовалась обойма шарикоподшипника № 302 диаметром 42 мм и шириной 13 мм. На втором этапе масло испытывалось по аналогичной технологии, только после каждых 8 ч термостатирования дополнительно отбиралась проба 15 г окисленного масла для испытания на трехшариковой машине трения со схемой «шар – цилиндр». После достижения значений коэффициента поглощения светового потока приблизительно равных 0,1; 0,2…0,8 ед. в стакан доливалось масло до первоначальной массы (100±0,1 г). В качестве образцов были выбраны шары диаметром 8,5 мм подшипника № 204 (ГОСТ 8338) и верхняя обойма конического подшипника № 42416 (ГОСТ 8328). Режимы трения: нагрузка 13Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла 80 ºС, время испытания 2 ч. Противоизносные свойства масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах. На третьем и четвертом этапах масло испытывалось вместе со сталью по технологиям первого и второго этапов.

43

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Методика исследования процессов самоорганизации при термостатировании минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45

Процессы самоорганизации смазочного масла как конструктивного элемента трибосистемы оценивались на специально разработанном приборе для определения термоокислительной стабильности. Разработанная методика предусматривает исследование процессов самоорганизации трибосистем в статических условиях испытания (т. е. без трения), протекающих раздельно в масле и на поверхности твердых тел. Смазочное масло заливалось в стеклянный стакан и перемешивалось стеклянной мешалкой. Частота вращения мешалки составляет 300±1 об/мин. Испытания проводились при температурах 180, 170, 160 и 150 ºС, которые поддерживались автоматически с точностью ±1 ºС. После 5 ч испытаний отбиралась проба масла для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока, измерения вязкости и летучести. Для определения различий в процессах самоорганизации, протекающих на поверхности твердого тела и в смазочной среде, сравнительные испытания проводились отдельно для масляной среды и масляной среды с твердым телом в выбранном диапазоне температур. В качестве твердых тел использовались образцы стали 45 (ГОСТ 2590–88): высокого (600 °С), среднего (400 °С) и низкого (200 °С) отпусков, выполненные в виде дисков диаметром 50 мм и толщиной 2 мм. Поверхности образцов шлифовались и перед испытаниями обезжиривались. В качестве параметров оценки процессов самоорганизации минерального моторного масла приняты: коэффициенты поглощения светового потока, относительной вязкости, летучести и коэффициент влияния сталей. Испытания проб масел без стали и со сталью проводились при равных условиях. В стеклянный стакан заливалось товарное моторное масло массой 100 г, на его дно погружался один из образцов стали 45. Далее проводилось термостатирование пробы, через равные промежутки времени измерялись вязкость, оптическая плотность и летучесть смазочного масла. Испытания пробы масла прекращались по достижении значения коэффициента поглощения светового потока 0,7–0,8 ед. [105]. Результаты исследований после соответствующей математической обработки использовались для построения графических зависимостей, затем проводился регрессионный анализ полученных зависимостей с помощью программы ЭВМ «Advanced Grapher». Определялись среднее арифметическое и квадратическое отклонения, коэффициент корреляции и средняя погрешность аппроксимации. По результатам регрессионного анализа определялись параметры влияния металлов на процессы окисления, протекающие в минеральном моторном масле, и устанавливались новые критерии оценки. 44

  3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ТЕРМОСТАТИРОВАНИИ МОТОРНОГО МАСЛА М-10Г2К В ПРИСУТСТВИИ СТАЛИ 45 3.1. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45 (отпуск 600 °С) Испытания масла М-10Г2К проводились по методике, описанной в главе 2. Сравнительная оценка процессов окисления масла со сталью и без нее проводилась по коэффициентам поглощения светового потока Кп, относительной вязкости Кµ и летучести G [106]. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45 и без нее (отпуск 600 °С) представлены на рис. 3.1. Анализ зависимостей Кп = ƒ(t) поКп 1,1′ казал, что действие стали на окис2′ лительные процессы проявляется 0,8 3′ 4′ 2 3 после определенного периода вре4 мени испытания, который соста- 0,6 вил для температур: 170 °С – 40 ч; 160 °С – 45 ч; 150 °С – 90 ч. Можно полагать, что влияние стали 0,4 проявляется при образовании в масле кислых продуктов окисле- 0,2 ния, так как в начальный период испытания происходит полная их t, ч нейтрализация щелочными при120 160 200 240 40 80 садками. В этот период времени на Рис. 3.1. Зависимость коэффициента Кп поверхности стали 45 протекают от температуры и времени испытания мопроцессы адсорбции и десорбции. торного масла М-10Г2К: 1–4 – товарное С появлением кислых продуктов масло при температурах соответственно окисления проявляются хемосорб180 °С, 170 °С, 160 °С, 150 °С; 1′–4′ – то ционные процессы, в результате же со сталью 45 (отпуск 600 °С) которых поверхность стали покрывается химическими комплексными соединениями. Избыток тепловой энергии сталь сбрасывает в виде этих комплексных соединений в объем 45

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

смазочного материала, из-за этого оптические свойства масла изменяются более интенсивно. При температуре 180 °С процессы окисления протекают настолько быстро, что влияние стали незначительно. В целом с понижением температуры испытания процесс окисления замедляется, но время увеличивается, и действие стали проявляется более активно за счет сбрасывания в объем масла комплексных соединений, что подтверждается исследованиями поверхности стали. После испытания масла со сталью образец вынимался из стакана, промывался в бензине и подвергался сушке. Установлено, что на поверхности стали существует два слоя, первый легкостираемый, а второй плотный, цвет которого зависит от температуры испытания и изменяется от светло-коричневого до темного. Поэтому можно утверждать, что легкосмываемый слой и есть комплексное соединение, сбрасываемое металлом в объем смазочного материала при его термостатировании. Легкосмываемый слой образуется из плотного несмываемого слоя. В этом заключается процесс самоорганизации трибосистем – взаимодействии продуктов реакции смазочного масла с металлом. Механизм защитных функций металлов при трении также может объясняться этими процессами. Регрессионные уравнения процесса окисления моторного масла имеют вид Кп = αt2 + bt + с,

(3.1)

где a и b – коэффициенты, характеризующие склонность исследуемого масла к окислению; с – начальные оптические свойства масла. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью Кп = 9,89·10–5t2 + 0,01t + 0,03 Кп = 9,89·10–5t2 + 0,01t + 0,03 Кп = 5,41·10–5t2 + 0,044t + 0,035 Кп = 7,69·10–5t2 + 0,0036t + 0,044 –5 2 Кп = 2,98·10 t + 0,0015t + 0,031 Кп = 2,22·10–5t2 + 0,0025t + 0,028 Кп = 6,83·10–6t2 + 8,48·10–4t + 0,03 Кп = 7,69·10–5t2 + 8,1·10–4t + 0,026

Коэффициент корреляции составил от 0,985 до 0,990. Исследованиями влияния температуры испытания и стали 45 (отпуск 600 °С) на окислительные процессы от времени испытания 10, 30 и 50 ч (рис. 3.2) установлено, что сталь (рис. 3.2, б) за 30 и 50 ч понижает температуру начала окисления на 10 °С, а за 10 ч – не оказывает влияния на процессы окисления. 46

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

Уравнения регрессии имеют вид Кп = аТn,

(3.2)

где a – коэффициент, характеризующий склонность исследуемого масла к окислению. Кп

Кп

3

0,8

3

0,8

0,6

0,6

2

0,4

2

0,4 1

0,2 120 140

160 180

0,2

1

Т, оС

Т, оС 120 140 160 180

а

б

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры и времени испытания моторного масла М-10Г2К: а – без стали; б – со сталью 45 (отпуск 600 °С); 1 – 10 ч; 2 – 30 ч; 3 – 50 ч

Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.2. Таблица 3.2 Результаты регрессионного анализа Время испытания, ч 10 30 50

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью Кп = 1,53·10–27Т11,6 Кп = 2,88·10–30Т12,77 Кп = 7,27·10–25Т10,5 Кп = 1,86·10–22Т9,47 Кп = 3,71·10–27Т11,7 Кп = 9,24·10–25Т10,6

Коэффициент корреляции составил от 0,985 до 0,99. Сталь 45 (отпуск 600 °С) оказывает влияние на летучесть масла (рис. 3.3). С понижением температуры испытания от 180 до 150 °С влияние стали на летучесть уменьшается. Процесс летучести описывается регрессионным уравнением второго порядка: (3.3) G = аt2 + bt + с, где a и b – коэффициенты, характеризующие склонность исследуемого масла к испарению; с – коэффициент, характеризующий концентрацию легких фракций в масле. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.3. 47

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Коэффициент корреляции составил от 0,98 до 0,997. Сталь 45 (отпуск 600 °С) не оказывает влияния на летучесть при времени испытания 10 ч (рис. 3.4. б), (кривая 1), а с увеличением времени испытания до 30 и 50 ч (кривые 2 и 3) температура начала испарения понижается на 10 °С, поэтому для точного определения температуры начала испарения необходимо не более 10 ч. Процесс испарения описывается степенной функцией G = аTn,

(3.4)

где a – коэффициент, характеризующий склонность исследуемого масла к испарению. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.4. Коэффициент корреляции составил от 0,97 до 0,99. Связь между коэффициентом поглощения светового потока и леРис. 3.3. Зависимость летучести от времени тучестью исследована их зависимои температуры испытания моторного ми- стью (рис. 3.5). Показано, что с понерального масла М-10Г2К (условные обонижением температуры испытания значения см. на рис. 3.1) показатель летучести уменьшается, а коэффициент поглощения светового потока увеличивается, причем сталь 45 (отпуск 600 °С) снижает летучесть и повышает показатель Кп. Поэтому можно утверждать, что сталь 45 (отпуск 600 °С) оказывает большее влияние на процессы окисления масла М-10Г2К в температурном интервале от 150 до 180 °С. Таблица 3.3 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью G = –8,33·10–4t2 + 0,14t + 0,34 G = –4,89·10–4t2 + 0,11t + 0,11 G = 1,26·10–5t2 + 0,069t + 0,13 G = –1,36·10–4t2 + 0,058t + 0,27 –5 2 G = –4,8·10 t + 0,048t + 0,19 G = –2,63·10–5t2 + 0,04t + 0,063 G = –5,96·10–6t2 + 0,018t + 0,4 G = –2,92·10–6t2 + 0,017t + 0,3

Вязкость масла при окислении оценивалась коэффициентом относительной вязкости Кµ, определяемым отношением вязкости окисленного масла к товарному. Вязкость масла при термостатировании зависит от состава продуктов окисления и объема испарившегося масла, а эти показате48

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

ли зависят от температуры испытания (рис. 3.6). Влияние стали 45 на вязкость осуществляется косвенно посредством продуктов окисления, деструкции вязкостных присадок и испарения легких фракций. Представленные данные (рис. 3.6) показывают, что вязкость масла при испытании его со сталью уменьшается при температурах 170 и 160 °С.

Т, оС

Т, оС а б Рис. 3.4. Зависимость летучести от времени и температуры испытания моторного минерального масла М-10Г2К: а – без стали; б – со сталью 45 (отпуск 600 °С) (условные обозначения см. на рис. 3.2)

Таблица 3.4 Результаты регрессионного анализа влияния температуры и стали 45 на летучесть Уравнения регрессии Время испытания, ч товарного масла масла со сталью –15 6,33 10 G = 9,21·10 Т G = 1,82·10–10Т4,3 –15 6,84 30 G = 1,29·10 Т G = 1,58·10–12Т5,43 50 G = 1,49·10–16Т7,33 G = 2,98·10–14Т6,27

Зависимость Кµ = f(t) описывается полиномом (3.5) Кµ = а1 t n + а2 t n–1 +…+ аm t + с, где a1, a2,… am – коэффициенты, характеризующие влияние продуктов окисления на вязкость испытуемого масла; с – коэффициент, характеризующий значение вязкости при температуре начала окисления; t – время испытания, ч. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.5. Приведен также анализ зависимостей коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока (рис. 3.7), полученных при соответствующих температурах испытания без стали (кривая 1) и со сталью (кривая 2). При температуре 180 °С сталь оказывает влияние на вязкость при значениях Кп, изменяющихся в пределах от 0,1 до 0,4 ед., 49

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

а при температуре 150 °С сталь уменьшает вязкость и действует до значения коэффициента Кп ≈ 0,68 ед. Такое влияние стали можно объяснить влиянием температуры испытания на летучесть масла и процессы деструкции вязкостных присадок [107,108]. Кµ 3

1,2

3′ Кп 0,8

2′ 1′

4′ 4

1,1

2 1

0,6

1

1, 1′

0,4 0,9 0,2

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от летучести моторного масла М-10Г2К и температуры испытания: 1, 1′ – 180 °С; 2, 2′ – 150 °С; 1, 2 – испытания товарного масла; 1′, 2′ – испытания масла со сталью 45 (отпуск 600 °С)

Рис. 3.6. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Характерной особенностью полученных зависимостей является сохранение общей тенденции изменения вязкости масла при испытании его без стали и со сталью. Процессы самоорганизации при термостатировании минерального масла М-10Г2К определяются такими параметрами, как коэффициент поглощения светового потока Кп и летучесть. Параметр летучести выражается через коэффициент летучести КG, определяемый как отношение КG = m/M,

(3.6)

где m – масса испарившейся пробы масла при испытании; M – масса оставшейся пробы масла после испарения части пробы за данное время испытания. 50

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

Таблица 3.5 Результаты регрессионного анализа влияния температуры и стали 45 на вязкость ТемпеУравнения регрессии ратура испытатоварного масла масла со сталью ния, °С 180 Кµ = –(6,24⋅10–9)t5 + (1,14⋅10–6)t4– Кµ = –(2,13⋅10–8)t5 + (2,92⋅10–6)t4 – – (7,93⋅10–5)t 3 + 0,0025t 2 – 0,032t + 0,95 – (1,46⋅10–4)t3 + 0,0033⋅t2 – 0,026⋅t + 0,89 170 Кµ=(4,11⋅10–10)t 5–(1,54⋅10–7)t 4+ Кµ = (1,9⋅10–9)t5– (3,75⋅10–7)t 4 + –5 3 4 2 (1,62⋅10 )⋅t – (5,92⋅10– )⋅t + + (2,76⋅10–5)t3– (9,066⋅10–4)t2 + 0,014⋅t + + 0,81 + 0,0077⋅t + 0,82 –11 5 –8 4 160 Кµ = (3,06⋅10 )t – (1,11⋅10 )t + Кµ = –(7,5⋅10–11)t5 + (2,26⋅10–8)t4 – + (1,35⋅10–6)t3 – (6,016⋅10–5)t2 + – (2,26⋅10–6)t3 + (8,69⋅10–5)t2 – + 0,0023t + 0,98 – (2,21⋅10–4)⋅t + 1,02 150 Кµ = –(3,66⋅10–12)t5 + (2,32⋅10–9)t4 – Кµ = –(1,99⋅10–12)t5 + (1,28⋅10–9)t4 – – (5,17⋅10–7)⋅t3 + (5,041⋅10–5)t2 – – (2,7⋅10–7)t3 + (2,14⋅10–5)t2 + – 0,0019t + 0,96 + (3,92⋅10–4)t + 0,83 Кµ 1,1 1

Кµ 1,1 1

2

0,9 0,8

0,9

1 0,2

0,4

2

0,6

0,8

Кп

0,8

1 0,2

0,4

а Кµ 1,1 1 0,9 0,8

2

2

Кµ 1,1 1

1

1

0,9

2

0,4 в

0,8

Кп

б 1

0,2

0,6

0,6

0,8 Кп

0,8

0,2

0,4

0,6

0,8

Кп

г

Рис. 3.7. Зависимость коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока и температуры испытания моторного масла М-10Г2К: а – 180 °С; б – 170 °С; в – 160 °С; г – 150 °С; 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью 45 (отпуск 600 °С)

Сумма этих коэффициентов позволяет количественно оценить процессы самоорганизации, происходящие по двум направлениям: с образованием продуктов окисления и продуктов испарения. Полученный коэффи51

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

циент называется коэффициентом тепловых преобразований Етос и является критерием оценки термоокислительной стабильности смазочного материала: Етос = Кп + КG,

(3.7)

где Кп и КG – соответственно коэффициенты поглощения светового потока и летучести. На рис. 3.8 представлены зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания моторного 1, 1′ 2′ 0,8 4′ масла без стали и со сталью. Установ2 3′ лено, что сталь 45 (отпуск 600 °С) не 4 влияет на коэффициент термоокисли0,6 тельной стабильности при температуре испытания 180 °С (кривая 1), а при 0,4 температурах 170–150 °С данный коэффициент увеличивается. Поэтому 0,2 можно утверждать, что температура испытания 180 °С для данного масла является высокой. Зависимость Етос = f(t) описывается уравнением второго порядка : Рис. 3.8. Зависимость коэффициента (3.8) Етос= а1 t 2 + а2 t + с, термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания ми- где a1, a2 – коэффициенты, характеринерального моторного масла М-10Г2К: зующие изменение оптических 1–4 – товарное масло; 1′– 4′ – масло со свойств испытуемого масла; с – коэфсталью 45 (отпуск 600 °С)

фициент, характеризующий начало процесса преобразования; t – время испытания, ч. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.6. Таблица 3.6 Результаты регрессионного анализа влияния температуры и стали 45 на коэффициент термоокислительной стабильности

Температура испытания, °С 180 170 160 150

52

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –5 2 Етос = 6,32·10 t + 0,013t + 0,028 Етос = 6,32·10–5t2 + 0,013t + 0,028 –5 2 Етос = 4,1·10 t + 0,0059t + 0,029 Етос = 7,43·10–5t2 + 0,0043t + 0,046 Етос = 2,4·10–5t2 + 0,0015t + 0,045 Етос = 2,22·10–5t2 + 0,0029t + 0,029 –6 2 –4 Етос = 6,78·10 t + 9,45·10 t + 0,034 Етос = 7,7·10–6t2 + 9,77·10–4t + 0,029

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

Коэффициент корреляции составил от 0,993 до 0,997. Действие стали на процессы самоорганизации зависит от температуры испытания и проявляется при значениях коэффициентов термоокислительной стабильности для температур: 180 °С – 0,65 ед.; 170 °С – 0,4 ед.; 160 °С – 0,11 ед.; 150 °С – 0,17 ед., т. е. с понижением температуры испытания количество сбрасываемой тепловой энергии в виде энергии взаимодействия внутримолекулярных частиц двух фаз при испытании масла со сталью уменьшается, но увеличивается время испытания. Влияние стали 45 (отпуск 600 °С) на состав продуктов окисления исследовалось зависимостью Етос = f(Кп) (рис. 3.9), согласно которой сталь практически не оказывает влияния на состав продуктов окисления.

1–4, 1′–4′ 0,8

0,6

0,4

0,2

Кп 0,2 0,4 0,6 0,8 Рис. 3.9. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Етос от коэффициента поглощения светового потока Кп моторного минерального масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Для образования одинаковой концентрации продуктов окисления требуется одинаковое количество теплоты, подводимой к масляной среде, но время их образования различно и зависит от времени испытания. По данным [3] сброс избыточной тепловой энергии (диссипация) происходит либо непрерывно, либо периодически. Зависимость приращения коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания (рис. 3.10) устанавливает, что смазочный материал не способен бесконечно поглощать тепловую нагрузку, в результате чего 53

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

внутренняя энергия смазочного масла возрастает, преодолевая переходное состояние.

0,12

1′

0,08

1

0,08

2′

4′

3 3′

2

0,04

0,04

4 а

б

Рис. 3.10. Зависимость приращения коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К: а – температура испытания 180 и 170 °С; б – температура испытания 160–150 °С; 1–4 – товарное масло; 1′–4′ – масло со сталью

Происходит разрушение или преобразование старых молекулярных связей и образование новых, способствующих либо образованию защитной хемосорбционной пленки, либо ускорению процесса окисления. Причем преодоление переходного энергетического барьера зависит от температуры испытания. Значительные колебания с высвобождением внутренней энергии происходят в конце испытания при больших значениях коэффициента Кп. Величина и частота возникновения переходного состояния молекул смазочного материала зависит от сопротивляемости масляной среды тепловым воздействиям. Изменение физико-химических свойств минерального масла происходит по двум направлениям: окислительный процесс и испарение части пробы масла. Поэтому процесс самоорганизации можно представить в виде имитационной модели, представленной на рис. 3.11. Коэффициент сопротивляемости Rc смазочного масла тепловым воздействиям определяется по формуле Rс =

Кп ⋅ КG , Кп + КG

(3.9)

где Кп и КG – соответственно коэффициенты поглощения светового потока и летучести. Зависимость коэффициента сопротивляемости смазочного масла тепловым воздействиям от времени и температуры испытания представлены на рис. 3.12. Данные зависимости имеют линейный характер, результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.7, они описываются уравнением 54

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

Rс = аt + с,

(3.10)

где a – коэффициент, характеризующий скорость изменения коэффициента сопротивляемости; с – коэффициент, характеризующий начальное сопротивление масляной среды, при котором начинается превращение продуктов реакции при тепловом воздействии. Из представленных данных (рис. 3.12) видно, что сталь 45 (отпуск 600 °С) снижает сопротивляемость масляной среды, а значит, увеличивает поток сбрасываемой тепловой энергии.

1 0,04

1′

2 2′

3

3′

4 4′

Кп 0,02 КG Рис. 3.11. Имитационная модель изменения внутренних свойств смазочного материала при тепловом воздействии (СМ – смазочное масло)

Рис. 3.12. Зависимость коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям от времени и температуры испытания минерального масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Таблица 3.7 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью Rс= 9,8·10–4t + 0,0068 Rс= 8,95·10–4t + 0,0017 Rс= 6,91·10–4t + 4,28·10–4 Rс= 6,1·10–4t + 0,0029 Rс= 4,11·10–4t + 0,0018 Rс= 3,77·10–4t + 4,31·10–4 Rс= 2,1·10–4t + 0,0029 Rс= 1,6·10–4t + 0,0021

Коэффициент корреляции составил от 0,992 до 0,997. По скорости изменения коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям можно построить зависимость этого показателя от температуры испытания (рис. 3.13). Зависимость VRc = f(Т) определяет температуру начала процесса самоорганизации масляной среды. Уравнение регрессии скорости изменения коэффициента сопротивляемости для товарного масла имеет вид VRc= аT2 + bT + с = 2,6·10–7t2 – 6,258·10–5t + 0,0037.

(3.11)

Для масла со сталью 45 (отпуск 600 °С) VRc*= аT2 + bT + с = 3,4·10–7t2 – 9,09·10–5t + 0,0061.

(3.12) 55

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Температура начала процесса самоорганизации составила для товарного масла Т = 138 °С, для товарного масла со сталью – Т = 141 °С. Ккв

Т, оС

Т, оС Рис. 3.13. Зависимость скорости изменения сопротивляемости масла тепловым воздействиям от температуры испытания масла М-10Г2К: 1 – товарное масло; 1′ – масло со сталью 45 (отпуск 600 °С)

Рис. 3.14. Зависимость коэффициента влияния стали 45 (отпуск 600 °С) на процессы самоорганизации от температуры испытания моторного масла М-10Г2К

По результатам полученных зависимостей влияние металлов на процессы самоорганизации [109] предложено оценивать интегральным критерием, названным коэффициентом влияния сталей (рис. 3.14) на процессы самоорганизации. Этот коэффициент определяется как отношение скоростей сопротивляемости тепловым воздействиям товарного масла и масла со сталью 45 и вычисляется по формуле Ккв = VRс / V′Rс,

(3.13)

где VRс – скорость сопротивляемости тепловым воздействиям товарного масла; V′Rс – скорость сопротивляемости тепловым воздействиям для масла со сталью 45.

3.2. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45 (отпуск 400 °С) Процессы самоорганизации материалов пары трения и смазочного материала характеризуются их физико-химическими свойствами. На интенсивность механохимических процессов при работе агрегатов и машин оказывают влияние не только внешние воздействия (нагрузка, скорость 56

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

перемещения поверхностей, температура), но и взаимное влияние материалов пары трения и продуктов окисления смазочного масла [3]. Известно, что при взаимодействии металлов со смазочным материалом при температурном нагружении на поверхности твердого тела формируются хемосорбционные слои как результат прямых химических реакций с молекулами присадок. Интенсивность формирования этих слоев зависит от поверхностной энергии твердого тела, химической активности присадок и температурных условий эксплуатации. На рис. 3.15 представлена графическая зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени и температуры испытания товарного минерального масла со сталью 45 среднего отпуска. Зависимость Кп = ƒ(t) описывается уравнением второго порядка по формуле (3.1). Так, при температуре 180 °С 1, 1′ 2′ Кп сталь не оказывает существенного 3′ 3 влияния на окислительные процессы, 4′ 2 0,8 следовательно, данная температура 4 для исследуемого масла является вы0,6 сокой. При последующих температурах наблюдается интенсивное химическое взаимодействие твердого тела 0,4 с молекулами смазочного материала. Пологость зависимостей 3–4 и 3′–4′ 0,2 объясняется снижением температуры испытания. Однако следует отметить, что образец стали среднего отпуска аналогично образцу, представленному Рис. 3.15. Зависимость коэффициента Кп в п. 3.1, оказывает каталитическое от температуры и времени испытания мовлияние на изменение оптических торного масла М-10Г2К: 1–4 – товарное свойств смазочного масла. При анали- масло при температурах соответственно зе зависимостей Кп =ƒ(t) установлено, 180 °С, 170 °С, 160 °С, 150 °С; 1′–4′ – то же со сталью 45 (отпуск 400 °С) что действие стали проявляется после определенного периода испытания, что можно объяснить приспосабливаемостью смазочного материала к условиям внешних воздействий и образованием в нем кислых продуктов. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.8. Коэффициент корреляции составил от 0,993 до 0,998. Влияние температуры испытания и стали 45 (отпуск 400 °С) на окислительные процессы оценивалось при времени испытания 10, 30 и 50 ч (рис. 3.16, а), что позволило установить влияние стали на температуру начала окисления. Показано (рис. 3.16, б), что сталь 45 (отпуск 400 °С) понижает температуру начала окисления на 10 °С при времени более 10 ч. 57

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Зависимость Кп=ƒ(T) описывается уравнением степенной функции по формуле 3.2. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.9. Таблица 3.8 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150 Кп

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –5 2 Кп = 9,89·10 t + 0,01t + 0,03 Кп = 6,13·10–5t2 + 0,012t + 0,015 –5 2 Кп = 5,41·10 t + 0,044t + 0,035 Кп = 8,54·10–5t2 + 0,0047t + 0,021 Кп = 2,98·10–5t2 + 0,0015t + 0,031 Кп = 2,99·10–5t2 + 4,94·10–4t + 0,053 Кп = 6,83·10–6t2 + 8,48·10–4t + 0,03 Кп = 6,79·10–6t2 + 7,7·10–4t + 0,03 Кп 3

0,8

0,8 0,6

0,6

2

2

0,4 0,2

3

0,4 1

0,2 Т, оС

1 Т, оС

а б Рис. 3.16. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры и времени испытания моторного масла М-10Г2К: а – без стали; б – со сталью 45 (отпуск 400 °С); 1 – 10 ч; 2 – 30 ч; 3 – 50 ч Таблица 3.9 Результаты регрессионного анализа Уравнения регрессии Время испытания, ч товарного масла масла со сталью –27 11,6 10 Кп = 1,53·10 Т Кп = 1,032·10–24Т10,28 30 Кп = 7,27·10–25Т10,5 Кп = 1,44·10–27Т11,8 50 Кп = 3,71·10–27Т11,7 Кп = 5,1·10–27Т11,61

Коэффициент корреляции составил от 0,985 до 0,997. Сталь 45 (отпуск 400 °С) оказывает влияние на летучесть масла (рис. 3.17). С понижением температуры испытания от 180 до 150 °С влияние стали на летучесть уменьшается. При температурах 180 °С и 170 °С наблюдается высокая летучесть смазочного материала, что обусловлено высокой скоростью протекания окислительных процессов и испарением 58

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

легких фракций. При понижении температуры испытания процесс испарения смазочного масла замедляется.

1

2 1′

3 2′

4 3′

4′

Рис. 3.17. Зависимость летучести от времени и температуры испытания моторного минерального масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Методика позволяет моделировать различные условия эксплуатации смазочного материала, поэтому при высоких температурах наблюдается интенсивное испарение масляных фракций, а с ее понижением уменьшение летучести и значительное увеличение времени испытания. Зависимости G = ƒ(t) описывается уравнением второго порядка по формуле 3.3. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.10. Таблица 3.10 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –4 2 G = –8,33·10 t + 0,14t + 0,34 G = –1,67·10–4t2 + 0,1t + 0,2 –5 2 G = 1,26·10 t + 0,069t + 0,13 G = –3,3·10–5t2 + 0,068t + 0,17 G = –4,8·10–5t2 + 0,048t + 0,19 G = 2,61·10–5t2 + 0,026t + 0,37 –6 2 G = –5,96·10 t + 0,018t + 0,4 G = –1,07·10–5t2 + 0,017t + 0,27

Коэффициент корреляции составил от 0,98 до 0,997. Влияние времени, температуры испытания и стали 45 (отпуск 400 °С) на летучесть масла (рис. 3.18) при окислении позволили определить влияние стали на температуру начала испарения. Установлена по аналогии испытания стали 45 высокого отпуска тенденция снижения температуры начала испарения легких масляных фракций [110, 111]. 59

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Зависимость G= ƒ(Т) описывается уравнением степенной функции по формуле (3.4). Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.11.

3

3

2

2

1

1 Т, оС

Т, оС

а б Рис. 3.18. Зависимость летучести от времени и температуры испытания моторного минерального масла М-10Г2к: а – без стали; б – со сталью 45 (отпуск 400 °С); 1 – 10 ч; 2 – 30 ч; 3 – 50 ч Таблица 3.11 Результаты регрессионного анализа влияния температуры и стали 45 на летучесть Время испытания, ч 10 30 50

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –15 6,33 G = 9,21·10 Т G = 2,87·10–19Т8,3 –15 6,84 G = 1,29·10 Т G = 2,86·10–15Т6,7 G = 1,49·10–16Т7,33 G = 1,46·10–14Т6,45

Коэффициент корреляции составил от 0,993 до 0,997. Связь между коэффициентом поглощения светового потока и летучестью исследована зависимостью, представленной на рис. 3.19. Показано, что сталь 45 (отпуск 400 °С) снижает летучесть и повышает показатель Кп. Поэтому можно утверждать, что сталь 45 (отпуск 400 °С) при взаимодействии с масляной средой в большей степени влияет на окисление масла М-10Г2К, в частности на изменение его оптических свойств в температурном интервале от 150 до 180 °С. Графические зависимости (рис. 3.20) коэффициента относительной вязкости от времени и температуры испытания Кµ= f(t) и сам коэффициент следует рассматривать как один из информативных показателей процессов старения моторного масла. Вязкость смазочного материала зависит от режимов эксплуатации и степени его загрязнения нерастворимыми продуктами окисления, а также диспергирующе-стабилизирующих свойств [112]. 60

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

На представленной функциональной зависимости Кµ = f(t), описываемой полиномом по формуле (3.5), наблюдается увеличение вязкости с увеличением времени термостатирования для каждой из температур. Кµ

Кп

1′

0,8

1

2,2′

2

3 3′

4 4′

1,1

0,6 0,4

1,2

2′

1 0,9

0,2

Рис. 3.19. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от летучести моторного масла М-10Г2К и температуры испытания: 1, 1′ – 180 °С; 2, 2′ – 150 °С; 1, 2 – испытания товарного масла; 1′, 2′ – испытания масла со сталью 45 (отпуск 400 °С)

Рис. 3.20. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.12. Таблица 3.12 Результаты регрессионного анализа Температура Уравнения регрессии испытания, товарного масла масла со сталью °С 180 Кµ =–(6,24⋅10–9)⋅t5 + (1,14⋅10–6)⋅t4– Кµ= (1,89⋅10–8)⋅t5 – (2,2⋅10–6)⋅t4 + – (7,93⋅10–5)⋅t3 + 0,0025⋅t2 – 0,032⋅t + + (9,34⋅10–4)⋅t3 – 0,0017⋅t2 + + 0,95 + 0,016⋅t + 0,8 –10 5 –7 4 170 Кµ = (4,11⋅10 )⋅t – (1,54⋅10 )⋅t + Кµ = (2,3⋅10–9)⋅t5 – (4,02⋅10–7)⋅t4 + + (1,62⋅10–5)⋅t3– (5,92⋅10–4)⋅t2 + + (2,5⋅10–5)⋅t3 – (6,37⋅10–4)⋅t2 + + 0,0077⋅t + 0,82 + 0,0081⋅t + 0,98 –11 5 –8 4 160 Кµ = (3.06⋅10 )⋅t – (1.11⋅10 )⋅t + Кµ = – (8,39⋅10–11)⋅t5 + (2,94⋅10–8)⋅t4 – + (1,35⋅10–6)⋅t3 – (6.016⋅10–5)⋅t2 + – (3,49⋅10–6)⋅t3 + (1,62⋅10–5)⋅t2 – + 0,0023⋅t + 0,98 – 0,0015⋅t + 0,89 61

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Окончание табл. 3.12 Температура Уравнения регрессии испытания, товарного масла масла со сталью °С 150 Кµ = –(3,66⋅10–12)⋅t5 + (2,32⋅10–9)⋅t4 – Кµ = (1,05⋅10–12)⋅t5 – (8,49⋅10–9)⋅t4 + – (5,17⋅10–7)⋅t3 + (5,041⋅10–5)⋅t2 – + (2,5⋅10–7)⋅t3 – (3,07⋅10–5)⋅t2 + – 0,0019⋅t + 0,96 + 0,0021⋅t + 0,83

Коэффициент корреляции составил от 0,89 до 0,997. При высоких температурах (кривые 1,1′–2,2′) наблюдается интенсивное увеличение вязкости, что указывает на высокую скорость образования продуктов окисления. С другой стороны, высокая температурная нагрузка моделирует агрессивные условия эксплуатации машины или агрегата, а следовательно, и высокую температуру масла в объеме и на поверхностях деталей. При температурах 160 и 150 °С (кривые 3,3′ и 4,4′) проявляется аналогичная тенденция к увеличению вязкости при длительном времени испытания, что характерно для минеральных моторных масел. На рис. 3.21 представлена графическая зависимость относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока. Сталь оказывает влияние на оптические свойства масла и процессы деструкции вязкостных присадок. Процесс окисления характеризуется образованием продуктов окисления, концентрация которых определяется коэффициентами поглощения светового потока и летучести. Эти два параметра определяют коэффициент тепловых преобразований и характеризуют процесс самоорганизации триботехнической системы [112], определяемый суммой коэффициентов Кп и КG. Представленные на рис. 3.22 зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания товарного моторного масла без стали и со сталью описываются уравнениями второго порядка (3.8). Установлено, что сталь 45 (отпуск 400 °С) увеличивает величину этого коэффициента при температурах 170–150 °С, при температуре 180 °С не происходит значительных изменений, что объясняется высокой температурной нагрузкой. Действие стали на процессы окисления зависит от температуры испытания и проявляется при значениях коэффициентов термоокислительной стабильности для температур: 180 °С – 0,6 ед.; 170 °С – 0,25 ед.; 16 °С – 0,13 ед.;150 °С – 0,11 ед. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.13. Коэффициент корреляции составил от 0,993 до 0,997. 62

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

Кµ 1,1 1

Кµ 1,1 1 0,9

2

0,9

1

0,8

0,2

0,4

0,6

0,8

Кп

2

0,8

0,2

а Кµ

2

1,1 1 0,9 0,8

1,1 1

1

1 0,4 б

0,6

0,8

Кп

Кµ 1

0,9

2 0,2

0,8

Кп 0,4 0,6 0,8 0,4 0,6 0,8 в г Рис. 3.21. Зависимость коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока и температуры испытания моторного масла М-10Г2К: а – 180 °С; б – 170 °С; в – 160 °С; г – 150 °С; 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью 45 (отпуск 400 °С) Кп

0,2

1′ 0,8

1 2′ 2

3′

3

4′ 4

0,6

0,4 0,2

Рис. 3.22. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К: 1–4 – товарное масло; 1′–4′ – масло со сталью 45 (отпуск 400 °С) 63

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

В результате термостатирования масла, в процессе испытания, часть тепловой нагрузки оказывает воздействие на образование продуктов окисления, а часть на испарение масляных фракций, поэтому изменение оптических свойств, летучести, а также влияние металлов на старение минерального масла можно оценить по представленной графической зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от коэффициента поглощения светового потока (рис. 3.23). Зависимость Етос= f(Кп) показывает, что с увеличением концентрации продуктов окисления коэффициент термоокислительной стабильности увеличивается. Таблица 3.13 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –5 2 Етос= 6,32·10 t + 0,013t + 0,028 Етос = 1,43·10–4t2 + 0,01t + 0,029 –5 2 Етос = 4,1·10 t + 0,0059t + 0,029 Етос = 9,2·10–5t2 + 0,049t + 0,032 Етос = 2,4·10–5t2 + 0,0015t + 0,045 Етос = 3,0·10–5t2 + 0,0019t + 0,034 –6 2 4 Етос = 6,78·10 t + 9,45·10 t + 0,034 Етос = 6,74·10–6t2 + 0,001t + 0,032 1, 1′–4–4′

Угол наклона зависимости Етос = = f(Кп) определяет сопротивляемость испытуемого масла тепловым воздей0,8 ствиям, для проб товарных масел (кривые 1–4) и масел со сталью 45 0,6 (отпуск 400°С), (кривые 1′–4′) подводимая температура по большей части 0,4 расходуется на испарение масляных фракций. 0,2 В работах Г. К. Борескова ускорение реакции при гетерогенном каКп тализе (металл в масляной среде) в 0,2 0,4 0,6 0,8 большинстве случаев объясняется Рис. 3.23. Зависимость коэффициента тем, что энергия активации всех этатермоокислительной стабильности Етос пов нового реакционного пути, возниот коэффициента поглощения светового кающего в результате поверхностного потока Кп моторного минерального масла М-10Г2К (условные обозначения взаимодействия с катализатором, ниже энергии активации реакции в его см. на рис. 3.1) отсутствие [78]. Во время взаимодействия металлических поверхностей со средой при высоких температурах происходят аналогичные процессы сбрасывания избыточной тепловой энергии за счет образующихся продуктов окис64

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

ления и поверхностных соединений с металлами. В этом случае происходит постоянный обмен лигандов объема смазочного материала с лигандами поверхностных комплексов: чем выше температура, тем быстрее молекулы преодолевают энергетический барьер (см. рис. 3.24) и образуется больше комплексных соединений. 0,12

1 1′

0,08

2′

0,08

2

0,04

4′

3 3′

4

0,04

а

б

Рис. 3.24. Зависимость приращения коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К: а – температура испытания 180 и 170 °С; б – температура испытания 160 – 150 °С; 1–4 – товарное масло; 1′–4′ – масло со сталью

Коэффициент сопротивляемости масла тепловым воздействиям уменьшается при испытании масла (рис. 3.25) со сталью 45 (отпуск 400 °С). Наблюдается аналогичная тенденция, что и для стали высокого отпуска. Зависимости Rс= f(t) описываются линейными уравнениями (3.10). Данные регрессионного анализа сведены в табл. 3.14. 1 0,04

3

2 1′

2′

3′

4 4′

0,02

Рис. 3.25. Зависимость коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям от времени и температуры испытания минерального масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Коэффициент корреляции составил от 0,992 до 0,997. Зависимость скорости изменения коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям (рис. 3.26) от температуры испытания VRс= f(T) описывается уравнением второго порядка (3.12). 65

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Таблица 3.14 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –4 Rс = 9,8·10 t + 0,0068 Rс = 9,8·10–4t + 0,0026 Rс = 6,91·10–4t + 4,28·10–4 Rс = 6,13·10–4t + 0,001 –4 Rс = 4,11·10 t + 0,0018 Rс = 3,68·10–4t + 0,002 Rс = 2,1·10–4t + 0,0029 Rс = 1,25·10–4t + 0,003

Температура начала процесса самоорганизации масляной среды составила для товарного масла Т = 138 °С, для масла со сталью – Т = 142 °С. 0,001 Ккв 1

1′

Т, оС Рис. 3.26. Зависимость скорости коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям от температуры испытания масла М-10-Г2к: 1 – товарное масло; 1′– масло со сталью 45 (отпуск 400 °С)

Т, оС Рис. 3.27. Зависимость коэффициента влияния стали 45 (отпуск 400 °С) на процессы самоорганизации от температуры испытания моторного масла М-10Г2К

Интегральный критерий (рис. 3.27), оценивающий процессы самоорганизации масляной среды и твердого тела, а также влияние последнего на изменение физико-химических свойств минерального моторного масла, определялся коэффициентом влияния сталей по формуле (3.13).

3.3. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К со сталью 45 (отпуск 200 ºС) В параграфе приведены результаты испытаний минерального моторного масла со сталью 45 (отпуск 200 ºС). Влияние стали на процессы самоорганизации смазочного масла оценивалось зависимостью коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры испытания (рис. 3.28), описываемой уравнением второго порядка по формуле (3.1). 66

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

Оптические свойства масла изменялись с различной интенсивностью в зависимости от температуры испытания. При этом чем выше температура испытания и больший интервал времени, тем быстрее происходят переходные процессы и растет концентрация продуктов окисления [113], которые в свою очередь изменяют оптические свойства смазочного масла. Поэтому по результатам проведенных исследований можно установить ресурс по изменению оптических свойств минерального масла и температурную область работоспособности. Необходимо отметить, что при температуре 180 °С не наблюдается существенное изменение коэффициента поглощения светового потока в присутствии стального образца, как в начале испытания. При анализе зависимостей Кп = ƒ(t) установлено, что действие стали проявляется также после определенного периода испытания. При температуре 170 °С наблюдается каталитическое влияние после 20 ч испытания, что рассмотрено в работах [114, 115], при температурах 160 °С и 150 °С сталь 45 (отпуск 200 ºС) оказывает воздействие после 40 и 90 ч соответственно. Кп 1, 1′ 2′ 0,8

2

3′ 3

4′ 4

0,6

0,4 0,2

Рис. 3.28. Зависимость коэффициента Кп от температуры и времени испытания моторного масла М-10Г2К: 1–4 – товарное масло при температурах соответственно 180 °С, 170 °С, 160 °С, 150 °С; 1′–4′ – то же со сталью 45 (отпуск 200 ºС)

Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.15. Коэффициент корреляции составил от 0,993 до 0,998. Влияние температуры испытания и стали 45 (отпуск 200 °С) на окислительные процессы оценивалось при времени испытания 10, 30 и 50 ч (рис. 3.29), что позволило установить влияние стали на температуру начала 67

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

окисления. Показано, что сталь (рис. 3.29, б) понижает температуру начала окисления на 10 °С, аналогично результатам, полученным ранее. Таблица 3.15 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –5 2 Кп = 9,89·10 t + 0,01t + 0,03 Кп = 9,89·10–5t2 + 0,01t + 0,03 Кп = 5,41·10–5t2 + 0,044t + 0,035 Кп = 8,71·10–5t2 + 0,0051t + 0,036 Кп = 2,98·10–5t2 + 0,0015t + 0,031 Кп = 4,66·10–5t2 + 4,064t + 0,071 Кп = 6,83·10–6t2 + 8,48·10–4t + 0,03 Кп = 4,08·10–5t2 + 3,89·10–5t + 0,04 Кп

Кп

0,8

3

0,8

3

0,6 0,6

2

0,4

2

0,4 0,2

1

0,2

1 Т, оС

Т, оС

а

б Рис. 3.29. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры и времени испытания моторного масла М-10Г2К: а – без стали; б – со сталью 45 (отпуск 200 °С): 1 – 10 ч; 2 – 30 ч; 3 – 50 ч

Зависимость Кп = ƒ(T) описывается уравнением степенной функции по формуле (3.2). Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.16. Таблица 3.16 Результаты регрессионного анализа Время испытания, ч 10 30 50

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –27 11,6 Кп = 1,53·10 Т Кп = 9,21·10–25Т10,31 –25 10,5 Кп = 7,27·10 Т Кп = 1,53·10–26Т11,23 Кп = 3,71·10–27Т11,7 Кп = 1,53·10–25Т10,97

Коэффициент корреляции составил от 0,985 до 0,997. 68

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

На рис. 3.30 представлена зависимость летучести от времени и температуры испытания G = ƒ(t), которая описывается уравнением второго порядка по формуле (3.3). Летучесть может служить критерием для оценки и обоснования температурного режима, при котором масло способно выполнять заданные функции в течение длительного времени эксплуатации. В данном случае летучесть испытуемого масла со сталью 45 (отпуск 200 °С) значительно снижается. При этом с понижением температуры испытания испарение легких масляных фракций уменьшается. Следовательно, минеральное моторное масло М-10Г2К и входящие в него присадки способны выполнять служебные функции в течение длительного времени только в диапазоне температур от 150 по 170 °С.

1, 1′

2

3 2′

3′ 4 4′

Рис. 3.30. Зависимость летучести от времени и температуры испытания моторного минерального масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.17. Таблица 3.17 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью G = – 8,33·10–4t2 + 0,14t + 0,34 G = – 8,33·10–4t2 + 0,14t + 0,34 G = 1,26·10–5t2 + 0,069t + 0,13 G = – 9,89·10–5t2 +0,063t + 0,18 –5 2 G = – 4,8·10 t + 0,048t + 0,19 G = 8,8·10–6t2 + 0,037t + 0,31 G = – 5,96·10–6t2 + 0,018t + 0,4 G = – 2,79·10–6t2 + 0,013t + 0,37

Коэффициент корреляции составил от 0,98 до 0,997. 69

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Влияние времени, температуры испытания и стали 45 низкого отпуска (отпуск 200 °С) на летучесть масла (рис. 3.31) при окислении позволили определить температуру начала испарения. Установлена по аналогии со сталью 45 высокого и среднего отпуска тенденция к снижению температуры начала испарения легких масляных фракций. Температура начала испарения снизилась от 110 ºС для товарного масла, до 100 ºС – для масла со стальным образцом при времени испытания 30 и 50 ч. Зависимости G = ƒ(Т) описываются уравнением степенной функции по формуле (3.4), результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.18. 3 3 2 2 1

1 Т, оС

Т, оС

Рис. 3.31. Зависимость летучести от времени и температуры испытания моторного минерального масла М-10Г2к: а – без стали; б – со сталью 45 (отпуск 400 °С); 1 – 10 ч; 2 – 30 ч; 3 – 50 ч Таблица 3.18 Результаты регрессионного анализа влияния температуры и стали 45 на летучесть Время испытания, ч 10 30 50

Уравнения регрессии товарного масла масла со сталью –15 6,33 G = 9,21·10 Т G = 1,33·10–17Т7,81 G = 1,29·10–15Т6,84 G = 1,8·10–16Т7,23 –16 7,33 G = 1,49·10 Т G = 1,3·10–12Т5,35

Коэффициент корреляции составил от 0,993 до 0,997. На рис. 3.32 представлены зависимости, устанавливающие связь между коэффициентом поглощения светового потока и летучестью. Показано, что сталь 45 низкого отпуска снижает летучесть и повышает показатель Кп. Поэтому можно утверждать, что химическое взаимодействие масляной среды со сталью 45 (отпуск 400 °С) интенсифицирует окислительные процессы масла М-10Г2К в температурном интервале от 150 до 180 °С. 70

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

На рис. 3.33 представлена зависимость коэффициента относительной вязкости от времени и температуры испытания минерального моторного масла Кµ = f(t), описываемая полиномом по формуле (3.5). Вязкость масла оказывает заметное влияние на противоизносные свойства сопряжений. Увеличение вязкости моторного масла снижает износ деталей узлов и агрегатов, а также интенсивность абразивного изнашивания, но при пуске двигателя, наоборот, более эффективны маловязкие масла, способные проникать и смазывать поверхности трибосопряжений в микрообъемах [4,61]. Поэтому в настоящее время эту проблему пытаются решить легированием базовой основы масла депрессорными присадками, позволяющими сохранять исходные функции масла в широком диапазоне температур, нагрузок и скоростей. Кµ 1,2 Кп 0,8

1′ 2, 2′

3 1′

1

1,1

3′ 1

0,6

2′

2

4′ 4

0,4 0,2

Рис. 3.32. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от летучести моторного масла М-10Г2К и температуры испытания: 1, 1′ – 180 °С; 2, 2′ – 150 °С; 1, 2 – испытания товарного масла; 1′, 2′ – испытания масла со сталью 45 (отпуск 200 °С)

0,9

Рис. 3.33. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

При температурах 180 и 170 ºС (кривые 1, 1′ и 2, 2′) наблюдается интенсивный рост относительной вязкости с течением времени испытания. При температурах 160 и 150 ºС (кривые 3′ и 4′) значения коэффициента относительной вязкости масел ниже, чем у товарного масла (кривые 3 и 4), следовательно, наличие твердого тела в масляной среде является дополнительным фактором, снижающим вязкость. Известно, что пологость вязкостно-температурной характеристики указывает на оптимальный режим 71

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

эксплуатации масла в том или ином агрегате машины. По данным [116, 117], вязкость смазочного материала при эксплуатации не должна превысить допустимое увеличение на 25–30 %. Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.19. Таблица 3.19 Результаты регрессионного анализа Температура Уравнения регрессии испытания, товарного масла масла со сталью °С 180 Кµ = –(6,24⋅10–9)⋅t5 + (1,14⋅10–6)⋅t4 – Кµ= –(4,53⋅10–8)⋅t5 + (6,15⋅10–6)⋅t4 – – (7,93⋅10–5)⋅t3 + 0,0025⋅t2 – – (3,12⋅10–4)⋅t3 – 0,0072⋅t 2 + – 0,032⋅t + 0,95 + 0,071⋅t + 1.26 –10 5 –7 4 170 Кµ = –(1,08⋅10–9)⋅t 5 + (1,33⋅10–7)⋅t 4 – Кµ = (4,11⋅10 )⋅t –(1,54⋅10 )⋅t + + (1,62⋅10–5)⋅t3 – (5,92⋅10–4)⋅t2 + – (3.32⋅10–5)⋅t 3–(1,18⋅10–4)⋅t 2 + + 0,0077⋅t + 0,82 + 0,0073⋅t + 0,99 –11 5 –8 4 160 Кµ = (3,06⋅10 )⋅t – (1,11⋅10 )⋅t + Кµ = (3,55⋅10–10)⋅t5 – (1,022⋅10–7)⋅t4 + + (1,35⋅10–6)⋅t3 – (6,016⋅10–5)⋅t2 + + (1,06⋅10–6)⋅t3–(4,89⋅10–5)⋅t 2 + + 0,0023⋅t + 0,98 + 0,01⋅t + 0,92 –12 5 –9 4 150 Кµ = –(3,66⋅10 )⋅t + (2,32⋅10 )⋅t – Кµ = (3,58⋅10–12)⋅t5 – (2,83⋅10–9)⋅t4 + – (5,17⋅10–7)⋅t3 + (5,041⋅10–5)⋅t2 – + (8,38⋅10–7)⋅t3 – (1,09⋅10–4)⋅t2 + – 0,0019⋅t + 0,96 + 0,0064⋅t + 0,81

Современные масла должны отвечать многим требованиям, таким как стойкость к старению, способность химически модифицировать поверхности металла, снижая каталитическое воздействие, а также обладать оптимальными вязкостно-температурными характеристиками при высоких температурах. Последнее наиболее справедливо в том случае, если обеспечивается пологость вязкостно-температурной характеристики. Согласно представленным зависимостям температуры 180 °С и 170 °С способствуют быстрому изменению всех перечисленных свойств, что указывает на более низкую температурную область работоспособности испытуемого масла, что подтверждается зависимостями (кривые 3,3′ и 4,4′) для температур 160 и 150 °С (см. рис. 3.33). На рис. 3.34 представлена зависимость относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока. Сталь оказывает существенное влияние на вязкость при температуре испытания 150 °С. Общей тенденцией изменения вязкости является ее уменьшение в начале испытания для всех температур, причем с понижением температуры испытания уменьшение вязкости более значимо. На рис. 3.35 представлены зависимости коэффициента термоокислительной стабильности Етос от времени и температуры испытания. Из рис. 3.35 72

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

видно, что минеральное моторное масло при действии температурной нагрузки частично способно поглотить определенное количество теплоты на начальном этапе испытаний независимо от физико-химических свойств и структуры материала твердого тела. Через определенный промежуток времени проявляется влияние стального образца на процессы преобразования, протекающие в смазочном материале. Таким образом, коэффициент термоокислительной стабильности учитывает несколько факторов, влияющих на процесс окисления: температуру, оптические свойства и летучесть масла, а также наличие твердого тела в масляной среде. Кµ 1,2 1,1

Кµ

2

1,2

1

1 0,9 0,8

0,2

0,4

0,6

0,8

Кп

1

1,1 1 0,9

2

0,8

0,2

а

0,6

Кп

Кµ

Кµ 1,2 1,1 1 0,9 0,8

0,4 б

2 1 0,2

0,4

0,6

0,8 Кп

1,2 1,1 1 0,9 0,8

2 0,2

1 0,4

0,6

0,8

Кп

г в Рис. 3.34. Зависимость коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока и температуры испытания моторного масла М-10Г2К: а – 180 °С; б – 170 °С; в – 160 °С; г – 150 °С; 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью 45 (отпуск 200 °С)

На рис. 3.36 представлена графическая зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Етос от коэффициента поглощения светового потока Кп. Коэффициент корреляции составил от 0,993 до 0,997. По представленным экспериментальным данным установлено, что сталь низкого отпуска в большей степени влияет на летучесть масла. Как отмечалось ранее, внутренняя энергия смазочного масла при термостатировании возрастает, преодолевая переходное состояние. Зависимость приращения коэффициента тепловых преобразований от времени и температуры испытания (рис. 3.37) устанавливает, что сброс 73

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

тепловой энергии происходит непрерывно, но ее величина колеблется в связи с перераспределением энергии либо на испарение, либо на изменение оптических свойств масла.

0,8

1, 1′ 2′ 2

3′ 3

4′ 4

0,6

0,8 0,6 1–4 0,4

0,4

1′–4′

0,2

0,2

0,2 Рис. 3.35. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К: 1–4 –товарное масло; 1′– 4′ – масло со сталью 45 (отпуск 200 °С)

0,4

0,6

0,8

Кп

Рис. 3.36. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Етос от коэффициента поглощения светового потока Кп моторного минерального масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Результаты регрессионного анализа сведены в табл. 3.20. Таблица 3.20 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

Уравнения регрессии товарного масла

масла со сталью

Етос = 6,32·10–5t2 + 0,013t + 0,028 Етос = 4,1·10–5t2 + 0,0059t + 0,029 Етос = 2,4·10–5t2 + 0,0015t + 0,045 Етос = 6,78·10–6t2 + 9,45·10–4t + 0,034

Етос = 6,32·10–5t2 + 0,013t + 0,028 Етос = 7,92·10–5t2 + 0,0065t + 0,02 Етос = 3,73·10–5t2 + 9·10–4t + 0,059 Етос = 9,22·10–6t2 + 9,02·104t + 0,027

От величины коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям зависит поток сбрасываемой тепловой энергии. Распределение избыточной энергии происходит по двум направлениям: на окислительный процесс и изменение оптических свойств, а также на испарение масла. На рис. 3.38 представлена зависимость коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям от времени и температуры испытания. Данные регрессионного анализа сведены в табл. 3.21. 74

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

Коэффициент корреляции составил от 0,992 до 0,997. 0,16

1 1′

0,12 0,08

3′ 3

0,08

2′

4′

4

0,04 0,04

2

б а Рис. 3.37. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2К: а – температура испытания 180 и 170 °С; б – температура испытания 160 – 150 °С; 1–4 – товарное масло; 1′–4′ – масло со сталью Таблица 3.21 Результаты регрессионного анализа Температура испытания, °С 180 170 160 150

1, 1′ 2 0,06 0,04

2′

3

Уравнения регрессии товарного масла масла с катализатором –4 Rс = 9,8·10 t + 0,0068 Rс = 9,3·10–4t + 0,0068 Rс = 6,91·10–4t + 4,28·10–4 Rс = 6,41·10–4t + 6,48·10–4 Rс = 4,11·10–4t + 0,0018 Rс = 3,4·10–4t + 0,0023 –4 Rс = 2,1·10 t + 0,0029 Rс = 1,1·10–4t + 0,0035 0,001 3′

1 1′

4 4′

0,02

Рис. 3.38. Зависимость коэффициента сопротивляемости процессу самоорганизации от времени и температуры испытания минерального масла М-10Г2К (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Рис. 3.39. Зависимость скорости коэффициента сопротивляемости окислению от температуры испытания масла М-10Г2К: 1 – товарное масло; 1′– масло со сталью 45 (отпуск 200 °С)

Сталь 45 (отпуск 200 °С) значительно снижает сопротивляемость окислению, а значит, ускоряет процессы старения смазочного материала. 75

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

По скорости изменения коэффициента сопротивляемости масла тепловым воздействиям можно построить зависимость этого показателя от температуры испытания (рис. 3.39), по которой определяется температура начала процесса самоорганизации. Температура начала процесса самоорганизации составила для товарного масла Т = 138 °С, для масла со сталью Т = 145 °С. По зависимости коэффициента Ккв влияния стали 45 (отпуск 200 °С) на процессы самоорганизации (тепловые преобразования) от температуры испытания (рис. 3.40) установлено, что сопротивляемость масла температурным воздействиям в области (область II) температур от 160 Т, оС до 180 °С незначительно зависит от стали, а при температуре 150 °С Рис. 3.40 Зависимость коэффициента влияния стали 45 (отпуск 200 °С) на про- (область I) сопротивляемость масла цессы самоорганизации от температуры падает, т. е. диссипация тепловой энергии расходуется на увеличение испытания моторного масла М-10Г2К продуктов окисления. Однако хемосорбционный слой на поверхности стали при этой температуре образуется с меньшей скоростью, чем при температурах 160–180 °С.

3.4. Альтернативный метод определения параметров процессов самоорганизации трибосистем По результатам проведенных исследований в области каталитического влияния металлов на процессы самоорганизации разработан интегральный критерий, позволяющий количественно оценить процессы, протекающие на поверхности твердого тела в масляной среде [96]. Для получения количественного показателя влияния углеродистой стали на эти процессы воспользуемся полученным ранее уравнением (3.1), описывающим изменение коэффициента поглощения светового потока исследуемого смазочного материала. Влияние металлов на процессы окисления оценивалось изменением оптических свойств и содержанием продуктов окисления в объеме и определялось интегрированием зависимостей Кп = f(t), ограниченных по ординате значением коэффициента поглощения светового потока равного Кп = 0,5. Пределы интегрирования выбирались для каждой из исследуемых температур следующим образом: нижним пределом интегрирования является время начала окислительных процессов, 76

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

верхним – время, при котором коэффициент поглощения светового потока достигает фиксированного по ординате значения. Площадь, ограниченная кривыми зависимостей коэффициента поглощения светового потока, определяется по формуле tк

SКп=

∫

(аt2 + bt + с)dt.

(3.14)

tн

Подынтегральное выражение представляет собой функцию Кп = f(t). Площади определяются для соответствующих графических зависимостей при испытании товарного масла и масла со сталью. Влияние стали на термоокислительную стабильность смазочных материалов определяют коэффициентом влияния Кк.в стали на окислительные процессы по выражению Кк.в = SКп.т/SКп.к.

(3.15)

где SКп.т – площадь, ограниченная кривой зависимости коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания товарного смазочного материала без стали; SКп.к – площадь, ограниченная кривой зависимости коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания товарного смазочного материала со сталью. По формуле (3.15) определяют количественный показатель влияния стали на окислительные процессы, протекающие в смазочном материале. Установлено, что при значении Кк.в >1 процесс окисления моторного масла М-10Г2К ускоряется (сталь-катализатор), а при значении Кк.в< 1 – замедляется (сталь-ингибитор). Следовательно, при испытании масла со сталью 45, которая является катализатором окисления, происходит ускорение процессов старения смазочного материала. На рис. 3.41 представлена зависимость коэффициента Кп от времени и температуры испытания минерального моторного масла. С помощью компьютерной графической программы «Advanced Grapher» экспериментальные зависимости подвергались регрессионному анализу, полученные функциональные зависимости интегрировались в соответствующих пределах интегрирования, рассчитывались площади, ограниченные кривыми регрессионных зависимостей. Затем определялся коэффициент влияния представленных образцов стали на процессы самоорганизации в среде смазочного масла М-10Г2К по формуле (3.15). В табл. 3.22 представлены результаты проведенного регрессионного анализа зависимостей коэффициента Кп, описываемые полиномиальным уравнением 2-го порядка. Известно, что при высоком отпуске сталь приобретает хорошие механические свойства: прочность, пластичность, особенно повышается ударная вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высо77

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

кого отпуска, называют улучшением стали. Высокому отпуску подвергают конструкционные стали, которые должны обладать высокой вязкостью при достаточной прочности и воспринимать высокие динамические нагрузки. Поэтому данный критерий рассчитывался применительно к образцу стали 45 (отпуск 600 °С) как наиболее распространенной для изготовления валов-шестерен и коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. Кп 0,8

1, 1′

2′ 2

3′ 3

4′

4

0,6

0,4

0,2

Рис. 3.41. Зависимость коэффициента Кп от температуры и времени испытания при значении Кп = 0,5: 1–4 – товарное масло М-10-Г2К при температурах соответственно 180 °С, 170 °С, 160 °С, 150 °С; 1′–4′ – то же, со сталью 45 (отпуск 600 °С) Таблица 3.22 Результаты проведенного регрессионного анализа Температура испытания Проба испытуемого масла 180 °С 1 Товарное 1′ Сталь 45 (отп. 600 °С) 170 °С 2 Товарное 2′ Сталь 45 (отп.600 °С) 160 °С 3 Товарное 3′ Сталь 45 (отп. 600 °С) 150 °С 4 Товарное 4′ Сталь 45 (отп. 600 °С)

Регрессионные уравнения Кп = 9,89·10–5t2 + 0,01t + 0,03 Кп = 9,89·10–5t2 + 0,01t + 0,03 Кп = 5,41·10–5t2 + 0,044t + 0,035 Кп = 7,69·10–5t2 + 0,0036t + 0,044 Кп = 2,98·10–5t2 + 0,0015t + 0,031 Кп = 2,22·10–5t2 + 0,0025t + 0,028 Кп = 6,83·10–6t2 + 8,48·10–4t + 0,03 Кп = 7,69·10–5t2 + 8,1·10–4t + 0,026

Установлено, что при температуре испытания 180 °С процессы окисления протекают настолько быстро, что влияние стали незначительно. 78

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

С понижением температуры испытания эти процессы замедляются, увеличивается время испытания, и действие стали проявляется более активно за счет сбрасывания в объем масла ультрадисперсных фрагментов, как следствие изменяются оптические свойства смазочного материала. По окончании испытания стальной образец вынимался из стакана и обезжиривался. Установлено, что на поверхности стали образуется плотный хемосорбционный слой, цвет которого зависит от температуры и времени испытания и изменяется от светло-коричневого до темного. На рис. 3.42 представлены фотографии поверхностей образцов стали 45 высокого отпуска после испытания их в масляной среде в диапазоне температур от 180 до 150 °С.

а б в г Рис. 3.42. Изменение цвета поверхности образца стали 45 (отп. 600 °С) при температурах испытания минерального моторного масла: а – 180 °С; б – 170 °С; в – 160 °С; г – 150 °С

Следует отметить, что с понижением температуры поверхность металла становится более светлой, что может объясняться понижением скорости хемосорбционной реакции с продуктами окисления масла.

3.5. Обоснование критерия процессов самоорганизации трибосистем Предложенный в пп. 3.1–3.3 критерий процессов самоорганизации элементов трибосистем, названный коэффициентом влияния сталей, позволяет проводить сравнительную оценку изменения оптических свойств и летучести товарного масла и масла со сталью 45 различной термообработки, а также осуществлять обоснованный выбор материалов пары трения, совместимых со смазочным материалом. Коэффициент определяется отношением скоростей сопротивляемости тепловым воздействиям товарного масла и масла со сталью. На рис. 3.43 представлены зависимости коэффициента влияния стали 45 различной термообработки на процессы самоорганизации моторного масла М-10Г2К. Согласно данным по изменению значений коэффициента Ккв от температуры испытания установлены 79

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

две характерные области, первая – до температуры 160 °С, вторая в диапазоне от 160 до 180 °С. В первой области (I) происходит преимущественно влияние стали на смазочный материал, а с повышением температуры испытания смазочный материал оказывает влияние на сталь путем образования на ее поверхности хемосорбционных слоев, область (II). В области II температура отпуска стали практически не оказывает влияния на коэффициент Ккв, что позволяет установить температурную область применения элементов трибосистем. Путем анализа полученных зависимостей установлено, что Ккв сталь 45 является катализатором 3 окислительных процессов, протекающих в смазочном материале. 2 Причем с понижением температуры 1 отпуска наблюдается более активное влияние твердого тела на изменение физико-химических свойств Т, оС масляной среды, что объясняется увеличением поверхностной энерРис. 3.43. Зависимость коэффициента гии стального образца. влияния сталей различной термообраПри проведении пятикратных ботки от температуры испытания мотор- испытаний товарного минерального ного масла М-10Г2К: 1 – образец из стали моторного масла со сталью 45 и со45 (отп. 600 °С); 2 – образец из стали 45 (отп. 400 °С); 3 – образец из стали 45 ответствующей математической обработке полученных эксперимен(отп. 200 °С) тальных данных для определения интегрального критерия влияния сталей на процессы самоорганизации двумя способами установлено, что при сопоставлении результатов двух критериев альтернативный вариант обладает большей точностью и менее трудоемок. Однако он не учитывает параметр летучести смазочного материала. Оба предложенных критерия позволяют достоверно проводить сравнительную оценку и установить количественные показатели влияния твердого тела на окислительные процессы смазочных материалов. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. 1. Разработанная методика исследования процессов самоорганизации, протекающих на поверхности стали 45 и в минеральном моторном масле М-10-Г2К, основанная на термостатировании пробы постоянной массы и перемешивании ее с постоянной частотой вращения в диапазоне температур от 180 до 150 °С позволяет определить текущие параметры этих 80

3. Результаты исследования процессов самоорганизации при термостатировании моторного масла…

процессов по оптической плотности, летучести и относительной вязкости и установить влияние стали на эти параметры. 2. Установлено, что сталь независимо от температуры отпуска при термостатировании минерального масла понижает температуры начала окисления и испарения на 10 °С, что необходимо учитывать при определении температурной области применения минеральных масел. 3. Вязкость минерального масла при термостатировании независимо от температуры отпуска стали имеет тенденцию к снижению в начальный период испытания, однако при понижении температуры вязкость стабилизируется. Снижение вязкости объясняется деструкцией вязкостных присадок. 4. Предложена имитационная модель процесса самоорганизации трибосистем, характеризующая поглощение избыточной тепловой энергии продуктами окисления и испарения, поэтому сумма коэффициентов поглощения светового потока и летучести определяет термоокислительную стабильность смазочного материала, которую сталь понижает. 5. Установлено, что сталь 45 при термостатировании минерального масла влияет на оптические свойства за счет продуктов десорбции хемосорбционного слоя, и это влияние тем больше, чем выше температура испытания. 6. Предложен критерий оценки процессов самоорганизации смазочного масла, названный коэффициентом сопротивляемости масляной среды температурным воздействиям, позволяющий определить количественные параметры влияния стали на эти процессы и совместимость элементов трибосистем. 7. Предложен альтернативный интегральный критерий оценки влияния стали на процессы окисления, учитывающий количество поглощенной тепловой энергии при образовании продуктов окисления, позволяющий определить совместимость стали и смазочной среды. 8. Коэффициент влияния стали на процессы самоорганизации предложен в качестве критерия совместимости элементов трибосистем. Он определяется отношением скоростей изменения сопротивляемости смазочной среды при термостатировании без стали и со сталью, что позволяет осуществлять обоснованный выбор совместимых элементов.

81

  Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТАЛИ ШХ15 НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ РАЗЛИЧНОЙ БАЗОВОЙ ОСНОВЫ Целью данных исследований является определение различий во влиянии продуктов окисления и продуктов их химического взаимодействия со сталью на противоизносные свойства моторных масел различных базовых основ.

4.1. Результаты исследования минерального моторного масла Для исследования выбрано минеральное всесезонное универсальное моторное масло Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC. Опыты проводились на приборе для термостатирования (см. п. 2.3.2) в несколько этапов при температуре 180 °С. Результаты испытания минерального масла без стали и со сталью ШХ15 приведены на рис. 4.1. Согласно данным (рис. 4.1, а, б, г) сталь ШХ15 оказывает незначительное влияние на коэффициент поглощения светового потока Кп, летучесть G и коэффициент термоокислительной стабильности Етос. Различия составляют не более 10 % . Значительное влияние стали установлено для коэффициента относительной вязкости. В период времени испытания от 16 до 32 ч вязкость для масла, испытанного со сталью, уменьшилась на 9 %, тогда как для масла, испытанного без стали, – на 5 %. Это может объясняться адсорбцией на поверхности стали молекул с большей молекулярной массой. Влияние летучести масла на коэффициент поглощения светового потока анализировалось по характеру изменения зависимости между этими показателями (рис. 4.2). Установлено, что сталь ШХ 15 не оказывает существенного влияния на соотношение между показателями летучести и коэффициентом Кп до значения, равного 0,6 ед. Дальнейшее увеличение коэффициента Кп вызывает увеличение летучести при испытании масла со сталью. При испытании масла без стали в диапазоне изменения коэффициента Кп от 0,73 до 0,82 ед. незначительно увеличивается летучесть.

82

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

Кп 0,9

1

2 1

2

0,7 0,5 0,3 0,1 а

б

1

Кµ

2

1

0,6 2

0,9

0,2

в

г

Рис. 4.1. Зависимости коэффициентов от времени окисления минерального масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC: а – поглощения светового потока Кп; б – летучести G; в – относительной вязкости Кµ; г – коэффициента термоокислительной стабильности Етос; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15 2 1 Рис. 4.2. Зависимости летучести от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC: 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Кп 0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

83

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Для оценки параметров процессов самоорганизации, протекающих в смазочном материале и влияния стали на эти процессы построены графические зависимости приращения скоростей окисления Vкп и летучести VG от времени испытания (рис. 4.3). 0,5

VКп 0,03

0,3 2

0,01

1

1 2

0,1

б а Рис. 4.3. Зависимости приращения от времени термостатирования минерального моторного масла при температуре 180 °С: а – скоростей окисления VКп; б – летучести VG; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Показано, что сталь в начале окисления масла (кривая 2) ускоряет процесс, а затем замедляет его по сравнению с результатами испытания масла без стали (кривая 1). Летучесть масла (рис. 4.3, б) подвержена меньшим колебаниям при испытании масла со сталью (кривая 2). Сопоставление зависимостей приращения скоростей окисления и летучести показывает, что значения этих показателей изменяются либо в фазе, либо в противофазе за определенные промежутки времени. Это подтверждает явление перераспределения энергии между продуктами окисления и испарения. Для оценки влияния стали на интенсивность процессов самоорганизации предложен коэффициент интенсивности Кс, определяемый отношением (рис. 4. 4) (4.1) dVКп/dVG, где dVКп и dVG – коэффициенты, характеризующие скорости окисления и испарения. Установлено, что процессы самоорганизации более интенсивно протекают в масле со сталью (кривая 2) в период времени до 24 ч, а в масле без стали (кривая 1) этот процесс продолжается до 32 ч, дальнейшее увеличение времени испытания снижает интенсивность этих процессов. Показано, что сталь ШХ15 оказывает существенное влияние на перераспределение избыточной энергии за счет процессов, протекающих на ее поверхности. Для оценки влияния стали на процессы окисления предложен критерий каталитического влияния Ккв, определяемый отношением 84

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

Ккв = Етос/ Етос Ст ,

(4.2)

где Етос и Етос Ст – соответственно коэффициенты термоокислительной стабильности масел, испытанных без стали и со сталью ШХ15 при температуре 180 °С. Согласно данным (рис. 4.5) сталь ШХ15 является катализатором процессов окисления минерального масла в течение 30 ч (Ккв < 1,0), а затем становится ингибитором. Это объясняется тем, что продукты окисления масла взаимодействуют с поверхностью стали, образуя поверхностные слои и химические соединения металла с продуктами окисления, которые смываются с поверхности, попадают в масло и увеличивают его оптические свойства. Исследованиями поверхности стали установлено два слоя, верхний из которых легко стирается, а нижний прочно находится на поверхности стали, что видно на рис. 4.6. Кс

Ккво

0,15 2 0,05

1 0,8

Рис. 4.4. Зависимость коэффициента интенсивности процессов самоорганизации Кс от времени испытания минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC: 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Рис. 4.5. Зависимость критерия каталитического влияния стали ШХ15 на окислительные процессы Ккво от времени окисления минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC: I – ингибиторная область; II – каталитическая область

Механизм сбрасывания поверхностных слоев с металлических поверхностей рассмотрен в работах [118, 119]. Влияние стали и продуктов окисления на противоизносные свойства масел исследовалось по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах из двух опытов (4.7, а). Показано, что с увеличением коэффициента поглощения светового потока сталь ШХ15 понижает противоизносные свойства окисленных масел. Для оценки противоизносных свойств окисленных масел и влияния стали на эти свойства предложен критерий противоизносных свойств П [120], определяемый эмпирическим уравнением П = Кп/U,

(4.3)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; U – параметр износа, мм. 85

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта и имеет линейную зависимость от коэффициента поглощения светового потока (рис. 4.7, б).

а

б

в

г

д

е

Рис. 4.6. Фотографии поверхностей стали ШХ15 при окислении минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC: а – Кп = 0,18; б – Кп = 0,27; в – Кп = 0,45; г – Кп = 0,64; д – Кп = 0,71; е – Кп = 0,76 П 1

0,1

2

2

0,3

1

0,1

0,3

0,5

0,7

Кп 0,9

Кп 0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

а б Рис. 4.7. Зависимости от коэффициента поглощения светового потока при испытании минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC : a – диаметра пятна износа U; б – критерия противоизносных свойств П; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Регрессионные уравнения зависимостей критерия П от коэффициента Кп имеют вид для окисленных масел: без стали П = 4,02Кп ;

(4.4)

со сталью П = 3,47 Кп.

(4.5)

Коэффициент корреляции равен 0,995. 86

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

Коэффициенты 4,02 и 3,47 характеризуют скорость изменения критерия П в зависимости от коэффициента поглощения светового потока. В этой связи для оценки влияния стали ШХ на противоизносные свойства предложен коэффициент Квс, определяемый отношением Квс =

Vп − Vпс 100 %, Vп

(4.6)

где Vп и Vпс – соответственно скорости изменения критерия противоизносных свойств масел, окисленных без стали и со сталью ШХ15. Коэффициент влияния стали ШХ15 на противоизносные свойства минерального масла показывает, на сколько процентов понизились противоизносные свойства окисленных масел со сталью по сравнению с окисленным маслом без стали. Для минерального масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC понижение составило 13,7 %.

4.2. Результаты исследования частично синтетического моторного масла Для исследования выбрано универсальное всесезонное частично синтетическое моторное масло Mobil Super 10W-40 SJ/CF. Испытание масла проводилось по методике, как и для минерального, что позволило выявить принципиальные различия в механизме окисления масел различной базовой основы и влияние стали на процессы окисления и противоизносные свойства окисленных масел. На рис. 4.8 представлены зависимости, которые показывают, что сталь ШХ15 оказывает значительное влияние на окисление масла. Так, коэффициент поглощения светового потока (рис. 4.8, а) со сталью ШХ15 в начале испытания изменяется с меньшей скоростью, чем без стали. За 40 ч испытания он составил 0,893 ед. для товарного масла и 0,783 ед. для масла, испытанного со сталью ШХ15, т. е. ресурс масла увеличивается при его испытании со сталью. Летучесть масла, испытанного со сталью также уменьшается (рис. 4.8, б). Так, за 40 ч испытания она составила для товарного масла 9,9 г, а для масла, испытанного со сталью, – 8,4 г, т. е. сталь является ингибитором окисления и летучести. Вязкость масла при окислении (рис. 4.8, в) оценивалась коэффициентом относительной вязкости Кµ, определяемым отношением Кµ = μок/μтов,

(4.7)

где μок и μтов – соответственно вязкость окисленного и товарного масла. 87

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Установлено, что вязкость товарного масла при окислении максимально уменьшилась на 2 %, а вязкость масла, испытанного со сталью (кривая 2), уменьшилась на 9 %. Это может объясняться адсорбцией на поверхности стали молекул с большей молекулярной массой. 0,9

Кп

1 1

2 0,7

2

0,5 0,3 0,1

а

б 1,1

1

0,9

2

0,7 0,5 Кµ

1 0,3 2

0,9 в

0,1

г

Рис. 4.8. Зависимости коэффициентов от времени испытания частично синтетического моторного масла Mobil Super 10W-40 SJ/CF при температуре 180 °С: а – поглощения светового потока Кп; б – летучести G; в – относительной вязкости Кµ; г – коэффициента термоокислительной стабильности Етос; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Коэффициент термоокислительной стабильности ЕТОС (рис. 4.8, г) характеризует как окисляемость, так и летучесть масла при термостатировании. Показано, что сталь ШХ15 повышает сопротивляемость масла 88

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

окислению. Так, за 40 ч испытания коэффициент Етос для товарного масла составил 1,003 ед., а для масла, испытанного со сталью, – 0,875 ед. Влияние летучести стали ШХ15 на изменение коэффициента поглощения светового потока анализировалось по характеру изменения этих показателей (рис. 4.9). Для товарного масла (кривая 1) установлено более интенсивное увеличение летучести при коэффициенте Кп > 0,66 ед., при этом процессы окисления замедляются, т. е. происходят процессы перераспределения тепловой энергии между продуктами окисления и испарения. Для масла, термостатированного со сталью (кривая 2), установлено резкое увеличение летучести при значениях коэффициента Кп от 0,17 до 0,2 ед. Дальнейшее увеличение коэффициента Кп вызывает замедление процесса испарения. В диапазоне изменения коэффициента Кп от 0,3 до 0,78 ед. зависимость G = f (Кп) может описываться линейным уравнением. Этим и отличается частично синтетическое масло от минерального (см. рис. 4.2). Наличие явления перераспределения тепловой энергии между 1 продуктами окисления и летучести 2 установлено и для частично синтетического масла Mobil Super 10W-40 SJ/CF путем анализа зависимостей приращений скорости окисления VКП и летучести VG, значения которых могут находиться как в фазе, так и противофазе (рис. 4.10). Сталь Кп ШХ15 в течение 16 ч замедляет ско0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 рость окисления (кривая 2), тогда как скорость окисления масла без Рис. 4.9. Зависимости летучести от коэфстали (кривая 1) увеличивается в те- фициента поглощения светового потока чение 24 ч испытания. При умень- при окислении частично синтетического шении скорости окисления масла моторного масла Mobil Super 10W-40 без стали скорость окисления масла SJ/CF: 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15 со сталью увеличивается. Приращение скорости летучести масла (рис. 4.10, б) независимо от наличия в масле стали имеет тенденцию к уменьшению, однако сталь замедляет процесс испарения для частично синтетического масла (кривая 2). Явление перераспределения тепловой энергии подтверждает наличие процесса самоорганизации, протекающего в смазочном масле при его термостатировании, заключающемся в поглощении избыточной тепловой энергии продуктами окисления и испарения. Интенсивность процессов самоорганизации предложено оценивать коэффициентом Кс, определяемым по формуле (4.1), зависимости которого от времени окисления представле89

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

ны на рис. 4.11. Показано, что сталь ШХ15 в начале процесса окисления замедляет интенсивность процессов самоорганизации (кривая 2), а затем ускоряет их с дальнейшей стабилизацией. Для масла, испытанного без стали (кривая 1), в начале испытания интенсивность процессов самоорганизации увеличивается, а затем уменьшается, переходя к стабилизации. Влияние стали на процессы окисления предложено оценивать коэффициентом каталитического влияния ККВ, определяемым по формуле (4.2), зависимость которого приведена на рис. 4.12. Показано, что сталь ШХ15 оказывает в основном ингибиторное влияние на процессы окисления. VКп 0,05

0,5

0,03

0,3 1

2 0,01

1

2

0,1

а

б

Рис. 4.10. Зависимости приращений от времени термостатирования частично синтетического моторного масла Mobil Super 10W-40 SJ/CF при температуре 180 °С: а – скорости окисления VКп; б – летучести VG; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15 Кс 0,15

Ккв

0,05 Рис. 4.11. Зависимость коэффициента интенсивности процессов самоорганизации КС от времени окисления частично синтетического моторного масла Mobil Super 10W-40 SJ/CF: 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Рис. 4.12. Зависимость коэффициента каталитического влияния стали ШХ15 на окислительные процессы частично синтетического моторного масла Mobil Super 10W-40 SJ/CF: I – ингибиторная область; II – каталитическая область

Влияние стали ШХ15 на противоизносные свойства масла исследовалось на трехшариковой машине трения по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах из двух опытов (рис. 4.13). 90

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

Установлено, что независимо от наличия в масле стали противоизносные свойства понижаются при малых значениях коэффициента Кп < 0,2 ед., а затем повышаются, однако сталь ШХ15 в целом понижает противоизносные свойства частично синтетического масла (кривая 2). П 0,5 0,3 0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

Кп 0,1

0,3

а

0,5

0,7

0,9

Кп

б

Рис. 4.13. Зависимости коэффициента поглощения светового потока при окислении частично синтетического моторного масла Mobil Super 10W-40 SJ/CF: а – от диаметра пятна износа U; б – критерия противоизносных свойств П; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Для оценки влияния стали ШХ15 на противоизносные свойства частично синтетического масла предложен критерий П, определяемый по формуле (4.3) (см. раздел 4.1), зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока приведена на рис. 4.13, б. Установлено, что критерий противоизносных окисленных масел без стали и со сталью изменяется по линейной зависимости от концентрации продуктов окисления. Регрессионные уравнения зависимостей критерия П от коэффициента поглощения светового потока для окисленных масел имеют вид без стали П = 4,18Кп ,

(4.8)

со сталью ПС=3,37Кп,

(4.9)

Коэффициент корреляции равен 0,995. Коэффициенты 4,18 и 3,37 характеризуют скорость изменения критерия П в зависимости от коэффициента поглощения светового потока. Для оценки влияния стали ШХ15 на противоизносные свойства окисленных масел предложен коэффициент Кпс, определяемый отношением Кпс =

Vп − Vпс 100 %, Vп

(4.10)

где Vп и Vпс – соответственно скорости изменения критерия противоизносных свойств масел, окисленных без стали и со сталью ШХ15. 91

4′

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Коэффициент влияния стали ШХ15 на противоизносные свойства частично синтетического масла показывает, на сколько процентов понизились противоизносные свойства окисленных масел со сталью по сравнению с окисленными маслами без стали. Для частично синтетического моторного масла Mobil Super 10W-40 SJ/CF понижение составило 19,4 %.

4.3. Результаты исследования синтетического моторного масла В качестве синтетического масла выбрано всесезонное универсальное моторное масло Visco 5000 5W-40 SJ/CF. Масло Visco 5000 5W-40 SJ/CF является всесезонным, универсальным и может применяться в бензиновых и дизельных двигателях. Испытания проводились при температуре 180 ºC в течение 8 ч, до значения коэффициента поглощения светового потока Кп = 0,7÷0,8ед. На рис. 4.14 представлены результаты испытания синтетического масла без стали (кривая 1) и со сталью (кривая 2). Так, коэффициент поглощения светового потока в начале испытания масла со сталью незначительно ускоряет процессы окисления по отношению к маслу без стали, а после 96 ч сталь ШХ15 замедляет процесс окисления, поэтому ресурс масла со сталью увеличивается. Кп 0,7

1

2

0,5 0,3 0,1

Рис. 4.14. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF при температуре 180°С: 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Летучесть товарного масла (кривая 1) превышает (рис. 4.15) летучесть масла со сталью ШХ15 (кривая 2) после 64 ч испытания на 2 г, т. е. 92

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

сталь снижает летучесть синтетического масла, что может объясняться влиянием поверхностной энергии стали на молекулярную связь, увеличивающую энергию, необходимую для парообразования. 1 2

Рис. 4.15. Зависимость летучести G от времени испытания синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF (условные обозначения на рис. 4.14)

Коэффициент относительной вязкости Кμ (рис. 4.16) синтетического товарного масла (кривая 1) в начале испытания выше, чем масла со сталью ШХ15 (кривая 2). От 80 ч испытания до 140 ч сталь не оказывает влияния на вязкость, а после 180 ч вязкость резко увеличивается и превышает допустимое значение на 30–35 % [121]. Поэтому ресурс синтетического масла по вязкости определяется временем испытания в 200 ч. Коэффициент термоокислительной стабильности характеризует сопротивляемость масла как окислению, так и испарению при термостатировании (рис. 4.17). Установлено, что сталь ШХ15 не оказывает существенного влияния на показатель термоокислительной стабильности до значения 0,5 ед., однако за 200 ч испытания коэффициент Етос для товарного масла составил 1,137 ед., а для масла, испытанного со сталью, – 0,976 ед. Для определения влияния стали на процессы окисления и испарения масла сопоставим приращения скоростей этих процессов, протекающих в смазочном материале. На рис. 4.18 приведены графические зависимости приращений скоростей окисления Vкп и летучести VG от времени испытания. Показано, что сталь в начале окисления масла (кривая 2) ускоряет процесс окисления, а затем замедляет его по сравнению с результатами испытания масла без стали. Летучесть масла (рис. 4.18, б) подвержена меньшим колебаниям при испытании масла со сталью (кривая 2). 93

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Сопоставление зависимостей приращения скоростей окисления и летучести показывает, что значения этих показателей изменяются либо в фазе, либо в противофазе за определенные промежутки времени, что подтверждает явление перераспределения энергии между продуктами окисления и испарения. Кµ 1

2

1,6

1,2

0,8 Рис. 4.16. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени испытания синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF (условные обозначения на рис. 4.14)

1,4

1

2

1

0,6 0,4

Рис. 4.17. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности ЕТОС от времени испытания синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF (условные обозначения на рис. 4.14)

Явление перераспределения тепловой энергии подтверждает наличие процесса самоорганизации, протекающего в смазочном масле при термостатировании (рис. 4.19), заключающемся в поглощении избыточной тепловой энергии продуктами окисления и испарения. Интенсивность процес94

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

сов самоорганизации предложено оценивать коэффициентом Кс, определяемым по формуле (4.1). VКп 0,01 0,008

2

0,006 1

0,004 0,002

–0,002

а

0,5 0,3 0,1

1 2

б Рис. 4.18. Зависимости приращений от времени термостатирования синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF при температуре 180 °С: а – скорости окисления Vкп; б – летучести VG; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Установлено, что при испытании масла со сталью (кривая 2) интенсивность процессов самоорганизации выше, чем без стали (кривая 1). После 72 ч испытания установлено резкое увеличение коэффициента Кс в масле, испытанном со сталью, что объясняется увеличением скорости окисления и уменьшением скорости испарения, т. е. произошел сброс тепловой энергии. Влияние стали ШХ15 на процессы окисления оценивалось коэффициентом каталитического влияния Ккв (рис. 4.20). Установлено, что сталь вызывает как каталитическое, так и ингибиторное влияние. Причем в начале испытания сталь проявляет каталитическое влияние, так как при обра95

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

зовании комплексного соединения на поверхности твердого тела процесс окисления масла ускоряется, с увеличением времени испытания (t > 88 ч) сталь становится ингибитором, при этом процесс окисления масла замедляется за счет взаимодействия кислорода с поверхностью твердого тела и образования окисной пленки, сдерживающей проникновение кислорода или кислородсодержащих продуктов к поверхности стали. Кс

0,09 0,07 0,05 0,03

2 1

0,01 –0,01

Рис. 4.19. Зависимость коэффициента интенсивности процессов самоорганизации Кс от времени окисления синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF: 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15 1,2

Ккво

1

0,8 Рис. 4.20. Зависимость коэффициента каталитического влияния стали ШХ15 на окислительные процессы синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF: I – ингибиторная область; II – каталитическая область

Влияние стали и продуктов окисления на противоизносные свойства масел исследовалось по среднеарифметическому значению диаметров пя96

4. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства…

тен износа на трех шарах из двух опытов (рис. 4.21, а). Показано, что с увеличением коэффициента поглощения светового потока (кривая 2) противоизносные свойства окисленных масел со сталью ШХ15 по сравнению с товарным понижаются, а после значения Кп = 0,5 ед. повышаются (кривая 2), а для масла без стали (кривая 1) указанные свойства всегда понижаются. Для оценки влияния стали ШХ15 на противоизносные свойства синтетического масла предложен критерий П, определяемый по формуле (4.3) (см. п. 4.1), зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока приведена на рис. 4.21, б. Установлено, что критерий противоизносных окисленных масел без стали и со сталью изменяется по линейной зависимости от концентрации продуктов окисления до значения Кп = 0,5 ед., а после данного значения противоизносные свойства синтетического масла со сталью увеличиваются, а без стали стабилизируются. П

0,5

2

1 0,3 0,1

1

2 Кп 0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

0,1

а

0,3

0,5 б

0,7

Кп

0,9

Рис. 4.21. Зависимости коэффициента поглощения светового потока при окислении синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF: а – от диаметра пятна износа U; б – критерия противоизносных свойств П; 1 – масло без стали; 2 – масло со сталью ШХ15

Нарушение линейности зависимости критерия П от коэффициента поглощения светового потока Кп при значении > 0,5 ед. вызвано увеличением вязкости за допустимые пределы (норма увеличения 30–35 %) (см. рис. 4.16). Поэтому регрессионные уравнения определены для линейных участков зависимостей П = f(Кп) и имеют вид для масел: без стали П = 4,38Кп;

(4.11)

со сталью Пс = 2,58Кп.

(4.12)

Коэффициент корреляции равен 0,995. Коэффициенты 4,38 и 2,58 характеризуют скорость изменения критерия П в зависимости от коэффициента поглощения светового потока. Для оценки влияния стали ШХ15 на противоизносные свойства окисленных масел предложен коэффициент Кпс, определяемый отношением 97

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Кпс =

Vп − Vпс ·100 % , Vп

(4.13)

где Vп и Vпс – соответственно скорости изменения критерия противоизносных свойств масел, окисленных без стали и со сталью ШХ15. Коэффициент влияния стали ШХ15 на противоизносные свойства синтетического масла показывает, на сколько процентов понизились противоизносные свойства окисленных масел со сталью по сравнению с окисленными маслами без стали. Для синтетического моторного масла Visco 5000 5W-40 SJ/CF понижение составило 41 %. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. 1. На основании проведенных исследований установлено, что сталь ШХ15 по-разному влияет на процессы окисления в зависимости от базовой основы масел. Так, для минерального и синтетического моторных масел она вначале является катализатором, а затем ингибитором, а для частично синтетического масла сталь является ингибитором за весь период испытания. Для количественной оценки влияния стали ШХ15 на процессы окисления предложен коэффициент каталитического влияния, определяемый отношением коэффициентов термоокислительной стабильности масел, испытанных без стали и со сталью. 2. Механизм влияния стали на процессы окисления заключается в образовании на поверхности двух слоев, верхний из которых слабо адсорбируется на поверхности и возникает от нижнего слоя как продукта химической реакции продуктов окисления с металлом. При попадании продуктов этого слоя в объем масла увеличивается оптическая плотность масла и изменяются противоизносные свойства. 3. Противоизносные свойства масел независимо от базовой основы при испытании со сталью понижаются для минерального масла на 13,7 %, частично синтетического на 19,4 % и синтетического на 41 %. Предложен критерий противоизносных свойств моторных масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующему условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от концентрации продуктов окисления описывается линейным уравнением. Это позволяет сравнивать различные масла и оценивать влияние различных сталей при окислении масел на их противоизносные свойства.

98

  5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТАЛИ ШХ15 НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ 5.1. Результаты исследования минерального моторного масла М-10Г2К Термоокислительная стабильность смазочных материалов здесь в отличие от известных работ исследовалась путем циклического изменения температуры испытания в диапазоне от 150 до 180 ºС, что позволило сравнить результаты испытания минеральных, частично синтетических и синтетических масел, установить различия в процессе окисления и обосновать критерии. Температурный диапазон исследований от 150 ºС до 180 ºС выбран на основании опытных данных, так как при температуре ниже 150 ºС окислительные процессы в моторных маслах практически замедляются, а выше 180 ºС протекают с большой скоростью и вызывают аномальные процессы в связи с увеличивающейся летучестью. Для исключения влияния металлов на окислительные процессы проба испытуемого масла массой 100±0,1г заливалась в стеклянный стакан и перемешивалась стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. Данная частота вращения является оптимальной, так как при ее увеличении возможно разбрызгивание масла, а снижение частоты увеличивает длительность испытаний за счет снижения скорости окисления. Время испытания при выбранной температуре составляло 6 ч и являлось оптимальным для чувствительности фотометра. Температуры испытаний начинались для всех масел от 150 ºС и повышались до 180 ºС через каждые 10 ºС. После повышения температуры стакан с исследуемым маслом взвешивался на весах, определялась летучесть за время испытания при заданной температуре, что позволяло определить температуру, при которой летучесть была минимальной. Диапазон от 180 до 150 ºС назван циклом понижения температуры, а от 150 до 180 ºС – циклом повышения температуры. Количество циклов ограничивалось значением коэффициента поглощения светового потока, равного 0,7–0,8 ед. В качестве образца стали ШХ15 использовалась обойма шарикоподшипников № 302 диаметром 42 мм и шириной 13 мм. После взвешивания отбирались пробы окисленного масла для фотометрирования и определения коэффициентов поглощения светового потока, вязкости и летучести. По данным показателям строились зависимости, по которым осуществлялся поиск критерия, характеризующего процесс окисления, и давалось его аналитическое описание. 99

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

На рис. 5.1 представлены результаты испытания минерального моторного масла М10-Г2к без стали ШХ15 (кривая 1) и со сталью (кривая 2). Масло выдержало 5 циклов испытания. Установлено, что в циклах 2 и 4 понижения температуры испытания от 180 до 150 °С окислительные процессы замедляются и даже останавливаются, а в циклах повышения температуры от 150 до180 °С (циклы 1,3) сталь не оказывает влияния на процессы окисления, в цикле 5 окислительные процессы незначительно ускоряются, это объясняется одинаковым составом продуктов окисления масла без стали и со сталью. Кп

1

0,7 2 0,5 0,3 0,1

Рис. 5.1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени испытания минерального моторного масла М-10Г2К при циклическом изменении температуры: 1 – товарное масло; 2 – то же со сталью ШХ15; 1, 3, 5 – циклы повышения температуры; 2, 4 – циклы понижения температуры

По изменению коэффициента поглощения светового потока от температуры испытания можно судить о величине сбрасываемой избыточной тепловой энергии. Так, более интенсивный сброс произошел в цикле 5 повышения температуры испытания, он свидетельствует о появлении в масле продуктов окисления с более высокими оптическими свойствами, что установлено в работе [44]. По зависимости коэффициента поглощения светового потока КП от времени испытания можно утверждать, что окислительные процессы ускоряются в основном при температурах 170, 180 °С. Регрессионные уравнения процесса окисления для циклов повышения температуры: Товарное масло Масло со сталью ШХ15 2 Цикл 1 Кп = 0,00034t – 0,00015t – 0,014 Кп = 0,00044t2 – 0,0027t – 0,002 (5.1) Цикл 3 Кп = 0,0006t2 – 0,05t + 1,36 Кп = 0,00044t2 – 0,037t + 1,01 (5.2) (5.3) Цикл 5 Кп = 0,0001t2 – 0,156t + 6,5 Кп = 0,00907t2 – 0,15t + 6,3 Коэффициент корреляции изменяется от 0,98 до 0,99. 100

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

Регрессионные уравнения процесса окисления для циклов понижения температуры: Товарное масло Масло со сталью ШХ15 2 Цикл 2 Кп = –0,0002t + 0,0015t – 0,065 Кп = –0,000069t2 – 0,0028t + 0,21(5.4) Цикл 4 Кп = –0,00032t2 + 0,048t – 1,36 Кп = –0,00027t2 + 0,044t – 1,28 (5.5) Коэффициент корреляции изменяется от 0,97 до 0,99. Летучесть товарного масла (рис. 5.2) (кривая 1) превышает летучесть масла со сталью ШХ15 (кривая 2). Так, после 24 ч летучесть товарного масла составляет 4 г, а со сталью – 2,4 г. Таким образом, сталь ШХ15 снижает летучесть минерального моторного масла М10-Г2к, что может объясняться влиянием поверхностной энергии стали на молекулярную связь, увеличивающую энергию, необходимую для парообразования. Кроме того, летучесть масла со сталью менее чувствительна к изменению температуры испытания. Вязкость масла оценивалась коэффициентом относительной вязкости, определяемым отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного масла (неокисленного). Установлено, что коэффициент относительной вязкости Кμ (рис. 5.3) минерального товарного масла без стали (кривая 1) и со сталью ШХ 15 (кривая 2) имеет тенденцию увеличения и подвержен колебаниям за счет различий в концентрации и составе продуктов окисления. Вязкость масла со сталью ШХ15 ниже, чем без стали, это вызвано меньшей летучестью при испытании со сталью (рис. 5.2).

1 2

Кµ 0,9

1 2

0,7 Рис. 5.2. Зависимость летучести от времени испытания минерального моторного масла М10-Г2 к при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 3.1)

Рис. 5.3. Зависимость относительной вязкости Кµ от времени испытания минерального моторного масла М10-Г2к при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.1)

В результате термостатирования и перемешивания масел в процессе испытания часть избыточной тепловой энергии поглощается продуктами окисления, а часть испаряется. Поэтому суммарная энергия, затрачиваемая на образование продуктов окисления и испарения, характеризует термо101

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

окислительную стабильность масла, которую предложено оценивать коэффициентом термоокислительной стабильности Етос, определяемым по формуле Етос = Кп + КG,

(5.6)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; КG – коэффициент летучести. КG = m/М,

(5.7)

где m – масса испарившегося масла, г; М – масса пробы до испытания, г. Коэффициент термоокислительной стабильности Етос (рис. 5.4) изменяется в зависимости от циклов повышения или понижения температуры испытания. Сталь ШХ15 понижает значение коэффициента ЕтоС в циклах 2–4 изменения температуры. Особые различия наблюдаются в цикле 2 понижения температуры из-за снижения летучести (рис. 5.2) и скорости окисления (рис. 5.1). 0,9

0,7 1 0,5 2 0,3

0,1

Рис. 5.4. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания минерального масла М10-Г2к при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.1)

Для оценки влияния стали на процессы, протекающие в минеральном масле при его термостатировании, предложен критерий Ккв, названный коэффициентом каталитического влияния стали [101]. Он определяется отношением коэффициентов термоокислительной стабильности масел, ис102

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

пытанных со сталью и без стали в каждом цикле испытания (рис. 5.5). Согласно данным сталь ШХ15 начинает оказывать влияние на процессы окисления и испарения в цикле 1 изменения температуры, а в цикле 2 интенсивность этих процессов снижается. В остальных циклах соотношение коэффициентов термоокислительной стабильности не зависит от наличия стали в масле. Это объясняется тем, что на поверхности стали в начале окисления образуется пленка, которая препятствует химическому взаимодействию продуктов окисления со сталью. Этот процесс заканчивается в цикле 2. Ккв

0,8 0,6 Рис. 5.5. Зависимость коэффициента влияния стали от процессов окисления при испытании минерального моторного масла М-10Г2К: 1, 3, 5 – циклы повышения температуры; 2, 4 – циклы понижения температуры; I – область каталитического влияния стали; II – область ингибиторного влияния стали

После завершения испытания обследовалась поверхность стали ШХ15. Установлено два слоя, верхний из которых легко снимается, а нижний представляет собой несмываемое соединение. Поэтому можно предположить, что нижний слой при действии продуктов окисления масла постепенно переходит в верхний. Для определения общих закономерностей процессов окисления, испарения и работоспособности по критерию каталитического влияния стали исследования проведены еще на одном минеральном масле Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC более низкой по эксплуатационным свойствам группы.

5.2. Результаты испытания минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC На рис. 5.6 представлены результаты испытания моторного минерального масла Spectrol Super Universal без стали (кривая 1) и со сталью (кривая 2). Сталь ускоряет окислительные процессы минерального масла 103

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

после 30 ч испытания. В цикле 2 при значении коэффициента поглощения светового потока Кп = 0,32 ед. наблюдается более интенсивное окисление масла со сталью ШХ15 (кривая 2). В циклах 2 и 4 скорость окисления масла со сталью ШХ превышает скорость окисления товарного масла, что объясняется большей концентрацией продуктов окисления. В цикле 1 кривые 1 и 2 совпадают, т. е. сталь не оказывает влияния на процессы окисления, и концентрация продуктов окисления одинаковая. 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1

Кп

1 2

Рис. 5.6. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания минерального масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC: при циклическом изменении температур: 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью ШХ15; нечетные цифры–циклы повышения температуры испытания, четные цифры–циклы понижения температуры испытания

Регрессионные уравнения процесса окисления для циклов повышения температуры: Товарное масло Масло со сталью ШХ15 2 Кп = 0,0074t2 – 0,0085t + 0,02 (3.11) Цикл 1 Кп = 0,0079t – 0,01t + 0,029 (3.12) Цикл 3 Кп = 0,0011t2 – 0,094t + 2,3 Кп = 0,001t2 – 0,1t + 2,55 2 Цикл 5 Кп = 0,0076t – 0,11t + 5,2 (3.13) Коэффициент корреляции изменяется от 0,98 до 0,99. Регрессионные уравнения процесса окисления для циклов понижения температуры: Товарное масло Масло со сталью ШХ15 2 Цикл 2 Кп = –0,0036t + 0,0027t – 0,209 Кп = –0,0034t2 – 0,027t – 0,22 (3.14) Цикл 4 Кп = –0,0002t2 + 0,0026t + 0,56 Кп = –0,0018t2 + 0,027t – 0,32 (3.15) Коэффициент корреляции изменяется от 0,97 до 0,99. Летучесть масла (рис. 5.7) со сталью ШХ (кривая 2) выше летучести товарного масла (кривая 1). После 60 ч испытания летучесть товарного масла составила 7,5 г, а со сталью 8,5 г. Таким образом, сталь ШХ 15 увеличивает летучесть масла Spectrol Super. Коэффициент относительной вязкости Кμ (рис. 5.8) минерального товарного масла (кривая 1) выше, чем масла со сталью ШХ15 (кривая 2). В результате процесса окисления с использованием стали наблюдается снижение вязкости. 104

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

1 2

1,1 1 0,9

Рис. 5.7. Зависимость летучести от времени испытания минерального масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.6)

2

Рис. 5.8. Зависимость вязкости от времени испытания минерального масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.6)

1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1 Рис. 5.9. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Етос от времени испытания минерального масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.6)

Рис. 5.10. Зависимость коэффициента влияния стали от процессов окисления при испытании минерального моторного масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC: 1, 3 – циклы повышения температуры; 2, 4 – циклы понижения температуры; I – область каталитического влияния стали; II – область ингибиторного влияния стали

105

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Количество поглощенной теплоты продуктами окисления и испарения оценивалось зависимостью коэффициента термоокислительной стабильности Етос (рис. 5.9) от времени и температуры испытания. В циклах повышения температуры испытания наблюдается наиболее интенсивное увеличение коэффициента Етос. Сталь ШХ15 ускоряет процессы окисления с цикла 2. Зависимость коэффициента каталитического влияния от времени окисления представлена на рис. 5.10. В циклах повышения температуры (1,3) сталь снижает влияние на процессы окисления, однако в циклах 2 и 4 понижения температуры сталь существенно ускоряет процессы окисления и испарения и является катализатором. Это вызвано сбросом окисленной пленки поверхности стали ШХ15 в смазочное масло. Общая тенденция при испытании минеральных масел заключается в том, что масла выдержали одинаковое количество циклов. В циклах повышения температуры сталь практически не оказывает влияния на процессы окисления, а в циклах понижения температуры она оказывает каталитическое действие, что вызвано сбросом избыточной энергии в виде комплексных соединений (лигандов) в смазочный материал. Установлено, что масло с низкой группой по API классификации (Лукойл Супер15W-40 CD/SF) уступает маслу М-10Г2К как по количеству циклов, времени работоспособности, температуре начала окисления и испарения и интенсивности образования продуктов окисления, так и значению коэффициента каталитического влияния стали на окислительные процессы.

5.3. Результаты испытания частично синтетического моторного масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF На рис. 5.11 представлена зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от циклического изменения температуры испытания частично синтетического масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF без стали ШХ15 (кривая 1) и со сталью (кривая 2). Сталь ШХ15 ускоряет окислительные процессы частично синтетического масла после 48 ч испытания. В цикле 3 при значении коэффициента поглощения светового потока Кп = 0,28 ед. наблюдается более интенсивное окисление масла со сталью ШХ15 (кривая 2), т. е. сталь является катализатором процесса окисления. Период времени, в течение которого сталь не оказывает влияния на процессы окисления, связан с отсутствием в начале испытания тех продуктов, которые взаимодействуют со сталью.

106

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

Регрессионные уравнения процесса окисления для циклов повышения температуры: Товарное масло Масло со сталью ШХ15 2 Цикл1 Кп = 0,00035t – 0,0037t + 0,0025 Кп = 0,00046t2–0,0084t+0,034 (3.16) Цикл 3 Кп = 0,00058t2 – 0,048t + 1,16 Кп = 0,001t2 – 0,088t + 2,12 (3.17) Цикл 5 Кп = 0,00002t2 + 0,015t – 0,72 (3.18) Коэффициент корреляции изменяется от 0,98 до 0,99. Рис. 5.11. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания частично синтетического масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF: при циклическом изменении температуры: 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью ШХ15; нечетные цифры–циклы повышения температуры испытания; четные цифры–циклы понижения температуры испытания

Кп 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1

Регрессионные уравнения процесса окисления для циклов понижения температуры: Товарное масло Масло со сталью ШХ15 2 Цикл 2 Кп = –0,00018t + 0,016t – 0,165 Кп = –0,00023t2 + 0,02t – 0,25 (3.19) Цикл 4 Кп = –0,00095t2 + 0,14t – 4,68 Кп = –0,00022t2 + 0,04t – 1,18 (3.20) Коэффициент корреляции изменяется от 0,97 до 0,99. Вязкость масла при окислении (рис. 5.12) товарного масла без стали и со сталью имеет общую тенденцию к уменьшению, но после 24 ч испытания сталь оказывает бóльшее влияние на уменьшение этого показателя. Однако это влияние косвенное, так как вязкость зависит от состава продуктов окисления, массы испарившегося при испытании масла и деструкции вязкостной присадки. Летучесть масла (рис. 5.13) со сталью ШХ15 (кривая 2) выше летучести товарного масла (кривая 1). После 60 ч испытания летучесть товарного масла составила 6,9 г, а со сталью –7,9 г. Установлено, что зависимость G = ƒ(t) разветвляется после 24 ч испытания, т. е. тогда, когда вязкость масла при испытании со сталью ШХ15 уменьшается. Поэтому можно полагать, что сталь является катализатором температурной деструкции вязкостной присадки. В результате циклического термостатирования и перемешивания масел избыток тепловой энергии поглощается продуктами окисления и испарения, что указывает на проявление процессов самоорганизации. Суммар107

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

ную энергию превращения, затрачиваемую на образование продуктов окисления и испарения, можно выразить коэффициентом термоокислительной стабильности Етос. 2 1

Кµ

2

1

Рис. 5.12. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени испытания частично синтетического масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.11)

1,1 0,9 0,7

1 2

0,5 0,3 0,1

Рис. 5.13. Зависимость летучести от времени испытания частично синтетического масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.11)

Ккв 1,1

0,9 0,7

Рис. 5.14. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Етос от времени испытания частично синтетического масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.11)

Рис. 5.15. Зависимость коэффициента влияния стали от процессов окисления при испытании частично синтетического масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF: 1, 3 – циклы повышения температуры; 2, 4 – циклы понижения температуры; I – область каталитического влияния стали; II – область ингибиторного влияния стали

Установлено, что коэффициент термоокислительной стабильности увеличивается в зависимости от времени испытания (рис. 5.14). Термо108

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

окислительная стабильность для масла со сталью ШХ15 выше термоокислительной стабильности для товарного масла после 48 ч испытания за счет увеличения скорости окисления, вызванной химической реакцией стали с кислыми продуктами окисления. Влияние стали ШХ15 на процессы окисления оценивалось коэффициентом каталитического влияния Ккв рис. 5.15. Установлено, что сталь вызывает как каталитическое, так и ингибиторное влияние на процессы окисления и испарения. Причем в начале испытания (до 30 ч) сталь проявляет ингибиторные свойства, при этом окисление масла замедляется за счет взаимодействия кислорода с поверхностью твердого тела и образования окисленной пленки. После 30 ч испытания сталь проявляет каталитические свойства, при этом амплитуда значения коэффициента максимальная при температуре 180 ºС, а при снижении температуры до 170 ºС находится в области ингибиторного влияния (область 2). Такое скачкообразное изменение значения коэффициента каталитического влияния подтверждает цикличность процесса самоорганизации.

5.4. Результаты испытания частично синтетического моторного масла Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF Моторное масло Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF по классификации API выше, чем масло Лукойл Супер15W-40 CD/SF. Влияние стали ШХ15 на окисление универсального всесезонного частично синтетического моторного масла Сhevron Supreme 10W-40 SJ/CF исследовалось при циклическом изменении температур в диапазоне от 150 до 180 °С. Зависимость коэффициента светового потока от времени и температуры испытания представлена на рис. 5.16. Это масло выдержало 9 циклов испытания без стали ШХ15 и 7 циклов со сталью. За 66 ч испытания коэффициент поглощения светового потока масла без стали составил 0,367, со сталью 0,437, т. е. сталь в 1,2 раза ускоряет процессы окисления при температуре 170 °С и сокращает ресурс масла. Сталь ШХ15 уменьшает летучесть частично синтетического масла (рис. 5.17) с цикла 2 понижения температуры испытания. После 36 ч испытания летучесть товарного масла составляет – 7,4 г, а со сталью – 6,8 г, это объясняется влиянием поверхностной энергии стали на молекулярную связь, увеличивающую энергию, необходимую для парообразования. Изменение температуры испытания незначительно влияет на летучесть. Зависимость коэффициента относительной вязкости (рис. 5.18) от времени и температуры испытания имеет тенденцию увеличения незави109

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

симо от наличия стали ШХ15, которая незначительно увеличивает вязкость. Так, за 132 ч испытания вязкость частично синтетического масла без стали увеличилась на 10 %, а со сталью на 13 %. Температура испытания оказывает незначительное влияние на вязкость, так как она определяется составом продуктов окисления. Кп 0,9

2

1

0,7 0,5 0,3 0,1

Рис. 5.16. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания частично синтетического моторного масла Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF: при циклическом изменении температур: 1 –товарное масло; 2 – масло со сталью ШХ15; нечетные цифры–циклы повышения температуры испытания; четные цифры–циклы понижения температуры испытания

1

2

Рис. 5.17. Зависимость летучести от времени испытания частично синтетического моторного масла Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.16)

Преобразование поглощенной теплоты в продукты окисления и испарения оценивалось зависимостью коэффициента термоокислительной 110

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

стабильности Етос от времени и температуры испытания (рис. 5.19). Показано, что в циклах повышения температуры испытания наблюдается наиболее интенсивное увеличение коэффициента Етос. Сталь ШХ15 увеличивает значение коэффициента Етос с цикла 3 (кривая 2) по сравнению с результатами испытания масла без стали ШХ15. Кµ 1 2

Рис. 5.18. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени испытания частично синтетического моторного масла Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см на рис. 3.16)

1 1,1

2

0,9 0,7 Рис. 5.19. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Етос от времени испытания частично синтетического моторного масла Сhevron Sypreme 10W-40 SJ/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 3.16)

0,5 0,3 0,1

Влияние стали ШХ15 на процессы окисления оценивалось коэффициентом каталитического влияния ККВ, который определялся отношением коэффициентов термоокислительной стабильности, полученным при испытании частично синтетического моторного масла Chevron Supreme 10W40 SJ/CF (рис. 5.20) без стали и со сталью. Коэффициент ККВ в первых двух циклах испытания подвержен колебаниям за счет того, что сталь ШХ15 проявляет как ингибиторное, так и каталитическое влияние на процессы окисления. По зависимости видно, что Ккв > 1 при температурах 170 и 180 °С, 111

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

т. е. температурный предел работоспособности этого смазочного материала ограничивается температурой 160 °С. Ккв 1,1 0,9 0,7

Рис. 5.20. Зависимость коэффициента влияния стали от процессов окисления при испытании частично синтетического масла Сhevron Sypreme 10W-40 SJ/CF: 1, 3,5,7 – циклы повышения температуры; 2, 4, 6 – циклы понижения температуры; I – область каталитического влияния стали; II – область ингибиторного влияния стали

Анализ результатов испытания частично синтетических моторных масел показал, что согласно классификации по API масло Сhevron Sypreme 10W-40 SJ/CF превосходит масло Лукойл Супер 15W-40 CD/SF, что и подтверждено результатами испытания. Первое масло выдержало 7 циклов испытания, а второе 4, кроме того, значение коэффициента каталитического влияния стали масла Сhevron Sypreme 10W-40 SJ/CF ниже, чем масла Лукойл Супер, т. е. влияние стали на второе масло более интенсивное. Это свидетельствует о том, что на поверхности стали активнее протекают хемосорбционные процессы, вызывающие формирование защитных граничных слоев.

5.5. Результаты испытания синтетического моторного масла Chevron Sypreme 5w-30 SJ/CF В качестве синтетического масла выбрано всесезонное универсальное моторное масло Chevron Supreme 5W-30 SJ/CF. Данное масло выдержало (рис. 5.21) 16 циклов изменения температуры испытания в диапазоне от 150 до 180 °С без стали ШХ15 и 13 циклов со сталью, причем значения коэффициентов поглощения светового потока не превысили 0,25 при испытании масла без стали и 0,3 – со сталью, т. е. сталь ШХ15 ускоряет процессы окисления. Окислительные процессы при испытании масла без стали начинаются при температуре 170 °С, а со сталью при 160 °С. По данным рис. 5.21 видно, что коэффициент поглощения светового потока КП увеличивается в течение 8 циклов, а затем независимо от наличия стали его значение стабилизируется. Это свидетельствует о том, что данное синтетическое масло может работать при более высоких температурах, при этом начальные продукты окисления не могут преобразовываться в конечные из-за недостатка тепловой энергии, которая поглощается продуктами окисления и испарения. 112

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

Летучесть синтетического масла (рис. 5.22) при испытании со сталью (кривая 2) увеличивается. Так, 6 г товарного масла испаряется за 104 ч и за 52 ч при испытании масла со сталью, т. е. время испарения уменьшилось в 2 раза. Кп 0,3

2 1

0,1 Рис. 3.21. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания синтетического моторного масла Chevron Sypreme 5W-30 SJ/CF при циклическом изменении температур: 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью ШХ15; нечетные цифры–циклы повышения температуры испытания, четные цифры–циклы понижения температуры испытания

Вязкость масла, оцениваемая коэффициентом относительной вязкости (рис. 5.23), уменьшается при испытании синтетического масла со сталью ШХ15. Причём наибольшие различия по вязкости наблюдаются в начале испытания. Это вызвано изменениями в составе продуктов окисления и вязкостной присадки. Колебания значений коэффициента относительной вязкости Кμ вызваны процессами перераспределения тепловой энергии между продуктами окисления. Согласно полученным данным (рис. 5.21 и 5.22) установлено, что в процессе окисления Рис. 5.22. Зависимость летучести от времемасла изменяются коэффициент ни испытания синтетического моторного масла Chevron Sypreme 5W-30 SJ/CF при Кп и летучесть G, поэтому эти циклическом изменении температуры (успараметры определяют термо- ловные обозначения см. на рис. 5.21) окислительную стабильность исследуемого масла, которая в работе выражена коэффициентом термоокислительной стабильности Етос. 113

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Кµ 1,1 0,9

1

2

Рис. 5.23. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени испытания синтетического моторного масла Chevron Sypreme 5W-30 SJ/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см на рис. 5.21)

2

0,5

1

0,3 0,1

Рис. 5.24. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Етос от времени испытания синтетического моторного масла Chevron Sypreme 5W -30 SJ/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 5.21) Ккв 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 Рис. 5.25. Зависимость коэффициента каталитического влияния от времени испытания синтетического моторного масла Chevron Sypreme 5w-30 SJ/CF 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью ШХ15; нечетные цифры–циклы повышения температуры испытания, четные цифры–циклы понижения температуры испытания; I – область каталитического влияния; II – область ингибиторного влияния 114

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

На рис. 5.24 представлена зависимость коэффициента Етос от времени окисления при циклическом изменении температуры. Установлено, что коэффициент термоокислительной стабильности увеличивается при испытании синтетического масла со сталью ШХ15 (кривая 2). Так, за 120 ч испытания без стали он составил 0,26 , а со сталью 0,38, т. е. сталь увеличивает количество поглощенной теплоты, преобразованной в продукты окисления и испарения, в 1,46 раза. Зависимость коэффициента каталитического влияния Ккв (рис. 5.25) для синтетического масла показывает, что сталь ШХ 15 является катализатором. В начале испытания (до 108 ч) коэффициент каталитического влияния подвержен колебаниям, что вызвано сбросом лигандов в смазочное масло с поверхности стали ШХ15, в основном они наблюдаются в циклах повышения температуры термостатирования от 150 до 180 °С (циклы 1,3 и 5). После цикла 6 сталь снижает влияние на процессы окисления и испарения.

5.6. Результаты испытания синтетического моторного масла Shell Helix 0W-40 SL/CF Моторное масло Shell Helix 0W-40 SL/CF выдержало (рис. 5.26) 17 циклов изменения температуры испытания в диапазоне от 150 до 180 °С без стали ШХ15 и со сталью. Значения коэффициентов поглощения светового потока за 240 ч испытания масла без стали составили 0,237, со сталью 0,367 , т. е. сталь ШХ15 ускоряет процессы окисления в 1,53 раза. Летучесть G синтетического масла (рис. 3.27) со сталью (кривая 2) замедляет процесс испарения до 144 ч, а затем ускоряет, что может объясняться влиянием поверхностной энергии стали на молекулярную связь. Коэффициент относительной вязкости Кμ (рис. 5.28) синтетического товарного масла без стали (кривая 1) и со сталью ШХ 15 (кривая 2) имеет тенденцию увеличения и подвержен колебаниям. Вязкость масла при испытании со сталью ШХ15 ниже, чем масла без стали, это зависит от состава продуктов окисления, массы испарившегося масла при испытании и температурной деструкции вязкостной присадки. Коэффициент термоокислительной стабильности Етос (рис. 5.29) увеличивается при испытании синтетического масла со сталью ШХ15 после 48 ч, после 132 ч испытания без стали он составил 0,288, а со сталью 0,379, т. е. сталь увеличивает скорость окисления и испарения в 1,32 раза.

115

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Кп 0,5

4′

0,3 0,1 Рис. 5.26. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания синтетического моторного масла Shell Helix 0W-40 SL/CF при циклическом изменении температур: 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью ШХ15; нечетные цифры–циклы повышения температуры испытания; четные цифры–циклы понижения температуры испытания 2 1

Рис. 5.27. Зависимость летучести от времени испытания синтетического моторного масла Shell Helix 0W-40 SL/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 3.26)

1,2 1

1 2

0,8 Рис. 5.28. Зависимость коэффициента относительной вязкости от времени испытания синтетического моторного масла Shell Helix 0W-40 SL/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см на рис. 5.26) 116

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

Зависимость коэффициента каталитического влияния Ккв (рис. 5.30) для синтетического масла показывает, что сталь ШХ 15 является катализатором. В циклах повышения температуры испытания сталь ускоряет окислительные процессы, а в циклах понижения температуры происходит замедление реакции окисления. Эти колебания происходят за счет поглощения кислорода поверхностью твердого тела и образования окисленной пленки.

0,5 0,3

2 1

0,1 Рис. 5.29. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности ЕТОС от времени испытания синтетического моторного масла Shell Helix 0W-40 SL/CF при циклическом изменении температуры (условные обозначения см. на рис. 3.26) Ккв 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 Рис. 5.30. Зависимость коэффициента каталитического влияния от времени испытания синтетического моторного масла Shell Helix 0W-40 SL/CF: 1 – товарное масло; 2 – масло со сталью ШХ15; нечетные цифры–циклы повышения температуры испытания; четные цифры–циклы понижения температуры испытания; I – область каталитического влияния; II – область ингибиторного влияния

Масло Shell Helix 0W-40 SL/CF по классификации API превосходит масло Chevron Sypreme 5w-30 SJ/CF. Это подтверждается результатами испытания как по значениям коэффициента поглощения светового потока, так и значениям коэффициента каталитического влияния. 117

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

5.7. Влияние стали на механизм окисления масел различной базовой основы В п. 5.7 обобщены полученные в пп. 5.1–5.5 результаты, чтобы выявить отличительные особенности влияния стали ШХ15 на механизм окисления масел различных базовых основ. Оценка влияния стали ШХ15 на термоокислительные процессы моторных масел производилась по коэффициенту каталитического влияния Ккв, коэффициенту поглощения светового потока Кп, коэффициенту относительной вязкости Кμ и летучести G. Перечень исследуемых масел представлен в табл. 5.1. В ходе испытаний было установлено, что масло на минеральной основе М10-Г2к выдержало 5 циклов испытания как без стали, так и в присутствии стали ШХ15. Испытания проводились до достижения критического значения коэффициентом поглощения светового потока Кп = 0,8 ед. Критическое значение Кп обусловлено чувствительностью фотометра, толщина фотометрируемого слоя 2 мм. Значения Кп = 0,8 ед. масло М10-Г2К достигло в конце цикла 5 испытания, зависимости данного коэффициента совпадают, время составило 96 ч, при этом время термостатирования составляло 6 ч для каждой дискретно заданной температуры. Минеральное масло Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC без стали выдержало 5 циклов, а со сталью 4 цикла испытания. Значение коэффициента поглощения светового потока за время испытания 78 ч без стали составило 0,647 ед., а со сталью 0,673. Ресурс этого масла снизился на 24 ч по отношению к маслу М10-Г2к. Анализ результатов испытания частично синтетических масел показал, что согласно классификации по API масло Сhevron Sypreme 10 W-40 SJ/CF превосходит масло Лукойл Супер 15W-40 CD/SF. Это подтверждено результатами испытания. Масло Лукойл Супер 15W-40 CD/SF без стали ШХ15 выдержало 5 циклов испытания, а со сталью 4, а масло Сhevron Sypreme 10W-40 SJ/CF без стали выдержало 9 циклов. За 132 ч предельное значение коэффициента Кп при испытании без стали составило 0,727, а со сталью за 7 циклов испытания – 0,807. Обобщение полученных результатов по коэффициенту поглощения светового потока и потенциальному ресурсу моторных масел различной базовой основы представлено на рис. 5.31 в виде гистограмм. В качестве синтетических масел выбрано масло Chevron Supreme 5W-30 SJ/CF, которое выдержало 16 циклов изменения температуры испытания без стали ШХ15 и 13 циклов со сталью. Значение коэффициента поглощения светового потока после 240 ч испытания не превысило 0,213 при испытании без стали и 0,313 – со сталью. Масло Shell Helix 0W-40 SL/CF выдержало 17 циклов испытания без стали ШХ15 и со сталью. Значение коэффициента поглощения светового потока за 294 ч испытания масла без стали составило 0,2, а масла со сталью 0,333. 118

Таблица 5.1

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

Синтетические: Chevron Sypreme 15W-30SJ/CF Shell Htlix 0W-40 SL/CF

Минеральные: М-10Г2к Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC Частично синтетические: Лукойл Супер 15W-40 CD/SF Chevron Sypreme 10W-40SJ/CF

Марка моторных масел

119

Основные показатели термоокислительной стабильности при температурах 180 и 150 оС в течение 6 ч в цикле 4 понижения температуры испытаний коэффициент коэффи- Количество циклов коэффициент коэффициент испытания коэффициент термоокислициент поглощения све- относительной летучести, G, г тельной ста- каталитового потока, Кп вязкости, Кµ бильности, Етос тического влиябез с без с без с без с ния ста- без ШХ15 с ШХ 15 ШХ15 ШХ 15 ШХ15 ШХ 15 ШХ15 ШХ 15 ШХ15 ШХ 15 ли, Ккв 0,38 0,3 0,92 0,85 5,7 4 0,44 0,42 0,95 5,0 5,0 0,46 0,47 0,89 0,90 6,2 4,7 0,52 0,52 0,99 0,64 0,64 0,94 0,91 7,6 8,5 0,73 0,74 1,01 5,0 4,0 0,65 0,67 0,92 0,93 9,3 10 0,75 078 1,04 0,40 0,47 0,90 0,86 6,9 7,9 0,47 0,56 1,18 5,0 4,5 0,60 0,66 0,88 0,87 7,8 9,1 0,69 0,76 1,11 0,33 0,38 1,02 1,03 10,9 10,2 0,45 0,49 1,12 9,0 7,0 0,40 0,45 1,08 1,07 12,6 11,8 0,54 0,59 1,08 0,07 0,12 0,95 0,87 4,4 7,4 0,11 0,21 1,76 16,0 13,5 0,09 0,17 0,95 0,87 5,2 8,6 0,15 0,27 1,84 0,09 0,10 0,97 0,88 5,2 5,1 0,14 0,15 1,08 16,5 16,5 0,09 0,13 0,94 0,82 6,1 5,6 0,15 0,19 1,26

Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления моторных масел различных базовых основ

 

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Из гистограммы (рис. 5.31, а) видно, что сталь ШХ15 практически не влияет на окислительные процессы минеральных масел и ускоряет их при испытании частично синтетических и синтетических моторных масел. На интенсивность окисления оказывают влияние не только внешние воздействия (нагрузка, температура и т. д.), но и взаимное влияние металлов пар трения со смазочным материалом. Изменение потенциального ресурса моторных масел различной базовой основы представлено на (рис. 5.31, б). Для минеральных и частично синтетических масел он оценивался при коэффициенте ЕТОС =0,7, а синтетических при ЕТОС = 0,3. Следовательно, для минеральных масел ресурс одинаковый со сталью ШХ15 и без нее, в частично синтетических сталь снижает ресурс для масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF на 3,2 %, Сhevron Sypreme 10W-40 SJ/CF на 9,5 %, а в синтетических Chevron Supreme 5W-30 SJ/CF на 44 %; Shell Helix 0W-40 SL/CF – на 37 %. 0,9

Кп

0,7 0,5 0,3 0,1 а

б Рис. 5.31. Гистограммы коэффициента поглощения светового потока: а – от изменения потенциального ресурса; б – от базовой основы масел: минеральные 1 – М10-Г2к, 2 – Sрectrol Super Universal 15W-40; частично синтетические 3 – Лукойл Супер 15W-40, 4 – Chevron Sypreme 10W-40; синтетические 5 – Chevron Sypreme 5W-30, 6 – Shell Helix 0W-40; 1–6 – без стали; 1'–6' – со сталью 120

5. Результаты исследования влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении…

Выводы 1. Для моторных масел различной базовой основы доказана эффективность разработанной методики оценки влияния стали ШХ15 на процессы окисления при циклическом изменении в диапазоне от 150 до 180 °С и от 180 до 150 °С по изменению таких параметров, как оптические свойства, летучесть и вязкость. 2. Предложен критерий термоокислительной стабильности моторных масел. Он определяется суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести и характеризует количество тепловой энергии, поглощенной продуктами окисления и испарения, что позволяет сравнивать различные масла по этому показателю и оценивать влияние стали на процессы окисления. 3. Установлено, что сталь ШХ15 практически не оказывает влияния на процессы окисления минеральных масел в циклах повышения температуры испытания от 150 до 180 °С и оказывает незначительное влияние в циклах понижения температуры испытания. Для частично синтетических и синтетических масел сталь ускоряет процессы окисления. Летучесть менее вязких минеральных и частично синтетических моторных масел уменьшается при испытании со сталью, а более вязких – увеличивается. Для синтетических масел независимо от вязкости летучесть увеличивается. Вязкость масел не зависит от базовой основы и уменьшается при испытании их со сталью. 4. Предложен критерий оценки каталитического влияния стали ШХ15 на процессы окисления. Он определяется отношением коэффициентов термоокислительной стабильности масел, испытанных со сталью и без стали и характеризует циклы повышения или понижения температуры испытания, где сталь оказывает либо каталитическое, либо ингибиторное влияние на процессы окисления. Установлено, что для минеральных и частично синтетических масел сталь оказывает как ингибиторное, так и каталитическое влияние на процессы окисления, а для синтетических масел она оказывает только каталитическое влияние.

121

  Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

6. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ СТАЛЕЙ, СОВМЕСТИМЫХ СО СМАЗОЧНЫМ МАСЛОМ 6.1. Технология определения влияния сталей на процессы самоорганизации смазочных материалов При эксплуатации сложных агрегатов и машин в режиме граничного трения на поверхностях сопрягаемых поверхностей в результате температурного воздействия образуются защитные хемосорбционные пленки, способные выдерживать значительные тепловые и динамические нагрузки. Роль смазочных материалов на процессы формирования таких пленок изучена недостаточно. Предлагаемые рекомендации предусматривают ряд технологий определения влияния сталей различной термообработки, структуры и механических свойств на процессы самоорганизации с использованием простых средств контроля, включающих: прибор для определения термоокислительной стабильности, вискозиметр, спектрофотометр и электронные весы. Конструкция и принцип работы приборов не требуют высококвалифицированных специалистов и ориентированы на применение не только в лабораториях, но и эксплуатационных предприятиях. Разработанная инструментальная и методическая базы позволяют создать банк данных для широкого ассортимента сталей, нашедших широкое применение в машиностроении, и смазочных материалов различного назначения по их совместимости, оцениваемой конкретными показателями в статических условиях термостатирования элементов трибосистем, исключающих испытания на трение. Практические рекомендации включают технологии определения параметров процессов самоорганизации по блок-схеме, представленной на рис. 6.1. Технология определения влияния сталей на процессы самоорганизации предусматривает поэтапное испытание смазочного материала без стали, а затем со сталью при температуре, например 160 °С. Показателями влияния стали на окислительные процессы являются коэффициент поглощения светового потока, вязкость и летучесть. Время испытания устанавливается по достижении коэффициентом поглощения светового потока значения 0,7–0,8 ед.

122

6. Разработкка практическких рекомендааций по выбоору сталей, соовместимых со смазочным маслом

Рис. 6.1. Блок-ссхема техн нологий опр ределения влияния стталей н процесссы самооргаанизации смазочных на с материалов в статически их условияях испытани ия

123

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Через равные промежутки времени (5 ч) отбираются пробы термостатированного масла для определения указанных параметров. По полученным экспериментальным данным строятся графические зависимости коэффициентов поглощения светового потока, вязкости и летучести от времени испытания (рис. 6.2), по которым определяют влияние стали на окислительные процессы. Из числа исследованных сталей выбираются те, которые вызывают наименьшее влияние на коэффициент поглощения светового потока, вязкость и летучесть, а значит, и на ресурс испытуемого масла. Кп 1′

1 1

1′

Кµ 1 1′

а б в Рис. 6.2. Зависимость коэффициентов от времени испытания минерального моторного масла М-10Г2К при температуре 160 °С: а – поглощения светового потока; б – летучести; в – коэффициента относительной вязкости; 1 – испытания товарного масла; 1′ – испытания со сталью

Поверхность выбранной стали должна быть покрыта хемосорбционным слоем светло-коричневого цвета. Влияние стали на ресурс испытуемого смазочного материала определяется при выбранном значении коэффициента поглощения светового потока, например 0,7 ед. Разницу между временем достижения этого значения коэффициентом Кп при испытании масла без стали и со сталью определяет временной параметр изменения ресурса. На рис. 6.2, а, штриховыми линиями показано изменение времени испытания минерального масла без стали и со сталью. Ресурс масла при испытании масла со сталью снизился со 128 до 118 ч. Летучесть масла при испытании со сталью за 100 ч уменьшилась от 4,6 до 4 г (рис. 6.2, б), а вязкость за то же время уменьшилась на 4,5 % (рис. 6.2, в). По полученным экспериментальным данным с помощью предлагаемой технологии можно обоснованно принять правильное решение о совместимости элементов трибосистем. 124

6. Разработка практических рекомендаций по выбору сталей, совместимых со смазочным маслом

6.2. Технология определения критерия влияния сталей на термоокислительную стабильность смазочных масел Для определения совместимости элементов трибосистемы предложен один параметр, названный критерием влияния сталей на термоокислительную стабильность смазочного материала. Однако этот критерий зависит от температуры, времени испытания и сопротивляемости смазочного материала температурным воздействиям, поэтому если установить температурный режим и время испытания стабильными и постоянными, то критерий отражает термическую стабильность смазочного материала, по которому они могут сравниваться. Таким же образом могут сравниваться масла, испытываемые вместе со стальными образцами. В этом случае критерий будет отражать совместимость элементов трибосистемы. В данной работе предложено три метода определения параметров влияния сталей. Первый определяется интегрированием регрессионных уравнений зависимостей коэффициента поглощения светового потока от времени испытания при выбранной температуре, например 160 °С (рис. 6.3). Критерий назван коэффициентом влияния сталей Ккв на термоокислительную стабильность смазочного материала. Он определяется отношением площадей, ограниченных зависимостями Кп = f(t), при испытании масла без стали и со сталью. Ккв =SКп.т/SКп.к,

(6.1)

где SКп.т – площади кривых, ограниченные зависимостью коэффициента поглощения светового потока от времени испытания масла без стали и со сталью соответственно. Для сравнения различных масел и сталей необходимо при постоянной температуре испытания определить время достижения выбранного значения коэффициента поглощения светового потока, например 0,5 ед. Так, для масла М-10Г2К при термостатировании без стали и со сталью при температуре 160 °С коэффициент Ккв =1,03 ед. Второй метод определения критерия Ккв оценивался по коэффициенту сопротивляемости масла тепловым воздействиям Rc по формуле Rс =

Кп ⋅ КG , Кп + КG

(6.2)

где Кп и КG – соответственно коэффициенты поглощения светового потока и летучести. Если построить зависимость коэффициента сопротивляемости испытуемого масла от температуры испытания, например за время – 30 ч, видно (рис. 6.4), что сопротивляемость масла без стали (кривая 1) выше, чем со 125

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

сталью (кривая 1′). С увеличением температуры испытания сталь уменьшает сопротивляемость масла температурным воздействиям. Кп 0,8

1′

1

1 0,03

0,6

1′

0,02

0,4

0,01

0,2

Т, оС Рис. 6.3. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени испытания при температуре 160 °С: 1 – товарное масло М-10Г2К без стали; 1′ – масло со сталью 45 (отпуск 600 °С)

Рис. 6.4. Зависимость коэффициента сопротивляемости смазочного масла тепловым воздействиям от температуры при времени испытания 30 ч: 1 – товарное масло М-10Г2К без стали; 1′ – масло со сталью 45 (отпуск 600 °С)

По значениям коэффициента сопротивляемости Rc, строятся графические зависимости этого показателя от времени испытания для определения скорости изменения сопротивляемости испытуемого масла без стали и со сталью температурным воздействиям. Температурный диапазон испытаний зависит от назначения смазочного масла, например для моторных масел он принимается от 150 до 180 °С. По полученным значениям скорости изменения сопротивляемости смазочного материала температурным воздействиям определяется коэффициент влияния стали ККВ на термоокислительную стабильность данного масла в заданном интервале температур по формуле Ккв = VRс / V′Rс,

(6.3)

где VRс и V′Rс – соответственно скорости изменения сопротивляемости смазочного масла температурным воздействиям при испытании без стали и со сталью. На рис. 6.5 в качестве примера приведены зависимости коэффициента влияния стали 45 высокого, среднего и низкого отпуска на термоокислительную стабильность минерального моторного масла М-10Г2К от температуры испытания.

126

6. Разработка практических рекомендаций по выбору сталей, совместимых со смазочным маслом

Согласно данным по изменению значений коэффициента Ккв от температуры испытания установлены две характерные области: первая в диапазоне температур от 150 до 160 °С, вторая – от 160 до 180 °С. Ккв 3

Рис. 6.5. Зависимость коэффициента влияния сталей различной термообработки от температуры испытания моторного масла М-10Г2К: 1 – сталь 45 (отпуск 600 °С); 2 – сталь 45 (отпуск 400 °С); 3 – сталь 45 (отпуск 200 °С)

2 1

Т, оС

В первой области I происходит преимущественно влияние стали на смазочный материал, а с повышением температуры испытания смазочный материал оказывает влияние на сталь путем образования на ее поверхности хемосорбционных слоев (область II). Кроме того, с понижением температуры отпуска влияние стали на смазочный материал (область I) усиливается за счет повышения поверхностной энергии твердого тела. В области II температура отпуска стали практически не оказывает влияния на коэффициент Ккв. Третий метод влияния стали на процессы окисления оценивался по коэффициентам поглощения светового потока Кп, вязкости Кµ, летучести G и термоокислительной стабильности Етос. По этим данным можно судить о совместимости различных смазочных масел с испытуемыми материалами пар трения. По полученным данным определялись коэффициенты термоокислительной стабильности по формулам (6.4), (6.5) Етос = Кп + КG,

(6.4)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока окисленного масла за время t; КG – коэффициент летучести масла за время испытания t; КG = m/М,

(6.5)

где m и М – соответственно масса испарившегося масла и оставшегося после испытания в течение времени t при температуре Т. Определялся коэффициент каталитического влияния стали ККВ как отношение Ккв = Етос/ Етосс, (6.6) где Етос и Етосс – коэффициенты термоокислительной стабильности смазочного масла, испытанного без стали и со сталью. 127

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

По полученным значениям коэффициента каталитического влияния стали строились графические зависимости от времени испытания, по которым определялись области каталитического и ингибиторного влияния стали на процессы окисления. Эти данные позволяют сравнивать влияние различных сталей на процессы окисления испытуемого масла, а также одной стали на процессы окисления масел различной базовой основы или назначения. Поэтому представленная информация имеет важное значение для проектировщиков при выборе сталей и установлении температурного диапазона, в котором формируются защитные хемосорбционные слои.

6.3. Технология определения влияния сталей на противоизносные свойства смазочных масел В процессе работы трущихся пар их поверхности изнашиваются. Происходит это потому, что в большинстве узлов трения не всегда удается обеспечить жидкостное трение. Известно, что 80 % узлов работает в условиях граничного трения, что влечет за собой механический износ поверхностей. Под действием высоких скоростей, нагрузок, температур на поверхностях трения смазочные материалы подвергаются термоокислительной, механической, температурной и химической деструкции, что вызывает изменение их смазывающих свойств. Влияние сталей на процессы окисления и проивоизносные свойства смазочных масел изучено недостаточно, поэтому в п. 6.3 представлена технология определения влияния стали на противоизносные свойства смазочных масел. Предлагаемая технология определения влияния сталей на противоизносные свойства моторных масел предусматривает применение следующих средств измерения: прибор для термостатирования масел, малообъемный вискозиметр, фотометрическое устройство, электронные весы, трехшариковая машина трения. Конструкция и принцип работы приборов описаны в главе 2. Разработанная технология представлена в виде блок-схемы на рис. 6.6. Для определения влияния степени окисления масел на противоизносные свойства проводилось термостатирование при температуре 180 оС. Проба масла массой 100±0,1 г заливалась в стакан и перемешивалась мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. Степень окисления масла оценивалась по коэффициенту поглощения светового потока, изменению вязкости и летучести. После каждых 8 ч испытания проба окисленного масла взвешивалась, определялась масса испарившегося масла, отбирались пробы масла для прямого фотометрирования, измерения вязкости, а часть 128

6. Разработкка практическких рекомендааций по выбоору сталей, соовместимых со смазочным маслом

пробы ы массой 20 г испытывал и лась на трехшари иковой м машине трения т по схееме «шар--цилиндр»». По досстижении коэффиц циентом п поглощения световогоо потока значений з п приблизит тельно раавных 0,1;; 0,2…0,8 ед. в стаккан доливалоось маслоо до первоначальн ной массы ы (100±0,1г). В каччестве об бразцов выбиррались шаары диам метром 8,5 мм по одшипникка № 2044 (ГОСТ Т 8338) и верххняя обой йма конич ческого подшипни п ика № 424416 ( ГОС СТ 8328) Режимы тррения: наггрузка – 13Н, скоорость сккольжени ия 0,68 м//с, темпеература масла 80 ºС, врремя испы ытания 2 ч. Проти ивоизносн ные свойсства масеел оценивали ись по среднеариф фметическкому знач чению ди иаметров п пятен изн носа на трех шарах. ш Поо аналогич чной схем ме испыты ывались масла м со ссталью.

Рис. 6.6. Блок-ссхема техн нологий опр ределения влияния стталей н противооизносные свойства смазочных материалов на м в

По получ П ченным значениям м параметтра износса определялся кри итерий противвоизносны ых свойсттв окислеенных массел П по формуле ф (6.7) П = Кп/U U, где Кп – коэффи ициент погглощенияя светового о потока, U – парам метр износса, мм. 129

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

По значениям критерия противоизносных свойств строилась графическая зависимость от коэффициента поглощения светового потока и определялось регрессионное уравнение, по которому вычислялась скорость изменения критерия П. Влияние сталей на противоизносные свойства масел оценивалось коэффициентом влияния стали Квс, определяемым по формуле Квс =

Vп − Vпс ·100 %, Vп

(6.8)

где Vп и Vпс – соответственно скорости изменения критерия противоизносных свойств в зависимости от коэффициента поглощения светового потока. По значениям коэффициента Кпс определялось влияние сталей на противоизносные свойства смазочных масел. Предложенную технологию рекомендуется применять для обоснованного выбора смазочных масел для подшипниковых узлов и создания банка по совместимости конструкционных материалов со смазочными материалами различного назначения и базовых основ. 1. Разработанные практические рекомендации по определению влияния сталей на процессы самоорганизации в трибосистемах, критерия влияния сталей на термоокислительную стабильность и противоизносные свойства смазочных масел позволяют получить дополнительную информацию по совместимости элементов трибосистем, а также обосновать критерий противоизносных свойств, коэффициент каталитического влияния стали на процессы окисления и коэффициент влияния сталей на противоизносные свойства смазочных масел, используемые при выборе смазочных материалов на стадии проектирования. 2. Использование разработанных практических рекомендаций позволяет создать банк данных о совместимости сталей с различными смазочными материалами, что на этапе проектирования машин и механизмов способствует повышению надежности и снижению эксплуатационных затрат.

130

 

Заключение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время выбор смазочного материала для различных машин и механизмов, работающих в большом интервале нагрузок, скоростей и температур, относится к наиболее сложным задачам. Это вызвано тем, что в одном механизме применяется один смазочный материал, а узлы трения выполнены из материалов с широким диапазоном механических свойств. На интенсивность механохимических процессов при трении оказывают влияние не только внешние воздействия, но и взаимное влияние материалов пары трения, смазка и продукты ее окисления. В этой связи важное научное и практическое значение приобретают исследования по выявлению роли материалов пары трения в окислительных процессах, происходящих в смазочных материалах. Однако механохимические процессы, протекающие в контакте тел качения, влияние температуры и металлов на окислительные процессы изучено недостаточно и является актуальной задачей, решение которой позволит расширить информацию о качестве масел, обоснованно осуществлять выбор на стадии проектирования машин, агрегатов и механических узлов, а также контролировать и прогнозировать их состояние в процессе эксплуатации и повысить надежность механических систем. Информацию о совместимости применяемых конструкционных материалов со смазочным маслом необходимо предоставлять конструкторам, так как надежность выпускаемой техники зависит не только от правильной эксплуатации, но и закладывается на этапах проектирования. Предлагаемые в данной работе рекомендации предусматривают ряд технологий определения влияния сталей на процессы окисления и триботехнические свойства моторных масел различной базовой основы. Это позволяет создать банк данных о совместимости сталей и различных смазочных материалов.

131

  Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кончиц, В. В. Смазочные свойства органических отложений на поверхностях трения при повышенной температуре / В. В. Кончиц, С. В. Короткевич, С. Д. Саутин // Трение и износ. – 2002. – № 2. – С. 170–175. 2. Гершман, И. С. Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосистемах / И. С. Гершман, Н. А. Буше // Трение и износ. – 1995. – Т.16. – № 1. – С. 61–70. 3. Гершман, И. С. Самоорганизация вторичных структур при тернии / И. С. Гершман, Н. А. Буше, А. Е. Миронов, В. А. Никифоров // Трение и износ. – 2003 (24). – № 3. – С. – 329–334. 4. Чичинадзе, А. В. Трение, износ и смазка / А. В. Чичинадзе, Э. М. Берлинер, Э.Д. Браун и др. – М. : Машиностроение, 2003. – 576 с. 5. Крагельский, И. В. Трение, изнашивание и смазка : справочник : в 2 кн. / под ред. И. В. Крагельского, В. В. Алисина. – М. : Машиностроение. Кн. 1, 1978. – 400 с. 6. ГОСТ 33–2000. Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости. – Введ. 01.01.02. 7. Ковальский, Б. И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов / Б. И. Ковальский. – Новосибирск : Наука, 2005. – 341 с. 8. Буше, Н. А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава / Н. А. Буше. – М. : Транспорт, 1967. – 224 с. 9. Костецкий, Б. И. Трение, смазка и износ в машинах / Б. И. Костецкий. – Киев : Технiка, 1970. – 395 с. 10. Матвеевский, Р. М. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов / Р. М. Матвеевский. – М. : Наука, 1971. – 227 с. 11. Боуден, Ф. П. Трение и смазка : пер. с англ. / Ф. П. Боуден, Д. Тейбор. – М. : Машгиз, 1963. – 232 с. 12. Фролов, Ю. Г. Курс Коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю. Г. Фролов. – М. : Химия, 1989. – 464 с. 13. Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов / И. И Новиков. – М. : Металлургия, 1986. – 480 с. 14. Башнин, Ю. А. Технология термической обработки / Ю. А. Башнин, Б.К. Ушаков и др. – М. : Металлургия, 1986. – 296 с. 15. Буше, Н. А. Совместимость трущихся поверхностей / Н. А. Буше и др. – М. : Наука, 1981. – 127 с. 16. Пат. №2146277 Российская Федерация, МКИ3 С01М 125/02. Смазочное масло / В. П. Булатов, Б. М. Гинсбург и др.; заявитель и патентооб132

Список литературы

ладатель Институт проблем машиноведения РАН. – № 1998106425/04; заявл. 18.11.98; опубл. 10.03. 00, Бюл.12. 17. Остриков, В. В. Восстановление свойств работающих моторных масел / В. В. Остриков, Н. Н. Тупотилов и др. // Химия и технология топлив и масел. – 2005. – № 6. – С. 24–27. 18. Ковальский, Б. И. Методология контроля и диагностики смазочных материалов, как элемент систем приводов многокомпонентных машин : дис. .. д-ра. техн. наук: 05.02.02: защищена 25.10.2005 : утв. 12.05.2006 / Ковальский Болеслав Иванович. – М., 2005. – 418 с. 19. Гурьянов, Ю. А. О критериях предельного загрязнения моторного масла топливом / Ю.А. Гурьянов // Химия и технология топлив и масел. – 2007. – № 1. – С. 22–26. 20. Скиндер, Н. И. О необходимости систематического контроля качества работающих моторных масел / Н. И. Скиндер, Ю. А. Гурьянов // Химия и технология топлив и масел. – 2003. – № 5. – С. 28–30. 21. Аметов, В. А. Влияние комбинированных воздействий на процессы в трибосопряжениях / В. А. Аметов, Ю. С. Саркисов и др. // Химия и технология топлив и масел. – 2004. – № 5. – С. 46–50. 22. Венцель, Е. С. Упрочнение поверхностей трения при смазывании их диспергироваными маслами / Е. С. Венцель // Трение и износ. – 1990. – Т. 1. – № 3. – С. 544–546. 23. ГОСТ 27674–88 Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения. – М. : Госкомитет СССР по стандартам. – Введ. 01.01.89. 24. Зубко, Н.Ф. Эксплуатация и ремонт портовых перегрузочных машин / Н. Ф. Зубко, В. А. Яценко : учебник для вузов. – М. : Транспорт, 1987. – 424 с. 25. Мышкин, Н. К. Трибология. Принципы и приложения / Н. К. Мышкин, М. И. Петроковец. – Гомель : ИММС НАНБ, 2002. – 310 с. 26. Мынин, В. Н. Очистка и регенерация отработавших масел с использованием неорганических мембран / В. Н. Мынин, Е. Б. Смирнова и др. // Химия и технология топлив и масел. – 2004. – № 5. – С. 53–56. 27. Тупотилов, Н. Н. Особенности кинетики «старения» работающих моторных масел / Н. Н. Тупотилов, В. В. Остриков // Химия и технология топлив и масел. – 2005. – № 3. – С. 32, 33. 28. Белый, В. А. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев / В. А. Белый, Г. Д. Карпенко, Н. К. Мышкин. – М. : Машиностроение, 1991. – 208 с. 29. Павловская, Н. Т. О противоизносных свойствах и окисляемости нафтено-парофиновых фракций вязких и маловязких нефтяных масел / Н. Т. Павловская, Г. В. Виноградов, М. Д. Безбородько // Состав и свойства высокомолекулярной части нефти. – М. : Изд-во АН СССР, 1958. – 196 с. 133

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

30. Виноградов, Г. В. Опыт исследования противозадирных свойств углеводородных смазочных сред / Г. В. Виноградов // Методы оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов. – М.: Наука, 1969. – С. 3–11. 31. Кларк, Г. В. Электродные потенциалы твердых растворов на основе алюминия / Г. В. Кларк, Г. В. Акимов, З. А. Вруцевич // Исследования в области электрохимического и коррозионного поведения металлов и сплавов. – М. : Оборонгиз, 1950. – 94 с. 32. Малышева, Н. Н. Разработка технологий идентификации и диагностирования смазочных материалов по критериям температурной стойкости : дис. … канд. техн. наук: 05.02.02, 05.02.13 : защищена 20.06.2008: утв. 14.11.2008 / Малышева Наталья Николаевна. – М., 2008. – 163 с. 33. Истицкая, Н. Н. Топливо, масла и технические жидкости / Н. Н. Истицкая, Н. А. Кузнецов. – М.: Агропромиздат, 1989. – 304 с. 34. Кончиц, В. В. Смазка скользящих электромеханических переключателей. Ч.1 / В. В. Кончиц, Ю. Е. Кирпиченко, Г. А. Лольщиков // Трение и износ. – 1992 (13). – № 3. – С. 451–459. 35. Barcroft, F. T. The mechanism of action of zinc thiophosphates as extreme pressure agents / F. T. Barcroft, R. J. Birg, J. F. Hutton, D. Park // Wear. – 1982 (77) – 355–384 с. 36. Матвеевский, Р. М. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки / Р. М. Матвеевский, И. А. Буяновский, О. В. Лазовская. – М. : Наука, 1978. – 192 с. 37. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия / Е. Д. Щукин, А. В. Перцов и др. – М. : Высш. шк., 2006. – 444 с. 38. Перцов, А. В. Методические разработки к практикуму по коллоидной химии. Ч. 2. Получение и свойства дисперсных систем / А. В. Перцов, Е. А. Амелина, В. Г. Бабак и др. – М. : Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова, хим. фак. кафедры коллоид. химии. – М., 1999. 39. Бакли, Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Д. Бакли. – М. : Машиностроение, 1986. – 359 с. 40. Дерягин, Б. В. Что такое трение? / Б. В. Дерягин. – М. : Изд-во АН СССР, 1963. – 230 с. 41. Костецкий, Б. И. Трение, смазка и износ в машинах / Б. И. Костецкий. – Киев : Техника, 1970. – 396 с. 42. Семенов, А. П. Влияние поверхностных пленок на проявление схватывания алюминия: докл. АН СССР / А. П. Семенов. – М., 1956. – Т. 86. – № 2. 43. Матвеевский, Р. М. Исследование износостойкости пар трения, применяемых в приводах автомобильных стартеров / Р. М. Матвеевский, Г. А. Иоффе, И. А. Буяновский // Вестник машиностроения. – 1975. – № 4. – С. 22–25. 134

Список литературы

44. Хрущов, М. М. Трение и износ в машинах / М. М. Хрущов, М. А. Бабичев. – М., 1941. – Т. 1. – С. 69. 45. Ахматов, А. С. Трение и износ в машинах / А. С. Ахматов // Труды всесоюзной конференции. – М. : АН СССР, 1948. – Т. 3. 46. Ребиндер, П. А. Физико-химические исследования процессов деформации твердых тел / П. А. Ребиндер // Юбилилейный сб. АН СССР к 30-летию Великой Октябрьской социалистической революции. – М.: I Издво АН СССР, 1947. 47. Крагельский, И. В. Трение и износ / И. В. Крагельский. – М. : Машиностроение, 1968. – 480 с. 48. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. – М. : Машиностроение, 1977. – 526 с. 49. Крагельский, И. В. Влияние степени упрочнения материалов в процессе трения на их стойкость против задира / И. В. Крагельский, Н. М. Алексеев, Л. М. Рыбакова, А. Н. Назаров // Машиноведение. – 1977. – № 6. – С. 88–94. 50. Марков, Д. П. Адгезионно-инициируемые типы катастрофического изнашивания / Д. П. Марков, Д. Келли // Трение и износ. – 2002. – № 5. – С. 483–493. 51. Markov, D. P. Laboratory tests for seizure of rail and wheel steels / D. P. Markov // Wear 208. – 1997. – Р. 91–104. 52. Буяновский, И. А. Влияние покрытий-ориентантов на кажущуюся энергию активации разрушения граничного слоя / И. А. Буяновский, Ю. Н. Дроздов, З. В. Игнатьева и др. // Трение и износ. – 2007 (28). – № 1. – С. 15–20. 53. Матвеевский, Р. М. Смазочные материалы: Антифрикционные и противоизносные свойства / Р. М. Матвеевский, В. Л. Лашхи, И. А. Буяновский и др. // Методы испытаний : справочник. – М. : Машиностроение, 1989. – 217 с. 54. Левченко, В.А. Влияние алмазоподобных покрытий-ориентантов на антифрикционные свойства смазочных сред при граничной смазке / В. А. Левченко, И. А. Буяновский, З. В. Игнатьева // Трение и износ. – 2000 (21). – № 6. – С. 658–663. 55. Levchenko, V. A. Influence of carbon coatings on lubricating properties of boundary layers / V. A. Levchenko, V. N. Matveenko, I. A. Buyanovsky // Proc. Inst. Mech. Eng. Part J, Journal of Engeneering Tribology. – 2004 (218). – Р. 485–493. 56. Лашхи, В. Л. Исследование эффективности действия антифрикционных присадок к моторным маслам / В. Л. Лашхи, А. Б. Виппер, И. А. Буяновский и др. // Трение и износ. – 1982 (3). – № 6. – С. 988–982. 135

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

57. Боресков, Г. К. Основные формы каталитического действия / Г. К. Боресков // Всесоюзная конференция по механизму гетерогеннокаталитических реакций. – Черноголовка, 1977. – С. 3–17. 58. Боресков, Г. К. Механизм действия твердых катализаторов / Г. К. Боресков // Гетерогенный катализ в химической промышленности. – М. : Госхимиздат, 1955. – С. 5–28. 59. Боресков, Г. К. Экспериментальные методы определения каталитической активности / Г. К. Боресков, М. Г. Слинько // Химическая промышленность. – 1955. – № 1. – С. 19–26. 60. Рогонский, С. З. Физика и физикохимия катализа / С. З. Рогонский и др. – М. : Москва, 1960. – 461 с. 61. Кужаров, А. С. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении / А. С. Кужаров, С. Б. Булгаревич, А. А. Кужаров, А. Кравчик // Трение и износ. – 2002. – Т. 23. – № 6. – С. 645–651. 62. Баландин, А. А. Современное состояние теории гетерогенного катализа / А. А. Баландин. – М. : Наука, 1968. – 202 с. 63. Киперман, С. Л. Проблемы кинетики и катализа / С. Л. Киперман, А. А. Баландин. Т.10. Физика и физикохимия катализа. – М., 1960. – С. 344–350. 64. Горбунов, А. И. Катализ изотопного обмена в молекулярном азоте переходными металлами 4-го периода / А. И. Горбунов, Г. К. Боресков // Физика и физикохимия катализа : сб. статей (Проблемы кинетики и катализа; Т.10). – М. : Изд-во АН СССР, 1960. – С. 192–198. 65. Ковальский, Б. И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов / Б. И. Ковальский. – Новосибирск: Наука, 2005. – 341 с. 66. Ковальский, Б. И. Современное состояние вопроса об исследовании термоокислительной стабильности нефтепродуктов / Б. И. Ковальский, Д. Г. Барков, Р. А. Ерашов, Е. Ю. Янаев // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 25. Транспорт. – Красноярск : ИПУ КГТУ, 2001. – С. 207–223. 67. А.с. № 113465 (СССР), МКИ3 G01№33/30. Метод оценки термической стабильности смазочных масел / К. К. Папок (СССР). – № 584056; заявл. 03.10.1957 ; опубл. 01.01.1958. – 4 с. : ил. 68. А.с. № 744325 (СССР), МКИ3 G01№33/28. Прибор для оценки термоокислительной стабильности масел / Е. П. Федоров, Н. Т. Разгоняев, В.В. Горячев, О. А. Запорожская (СССР). – № 261007723/26 ; заявл. 19.04.78 ; опубл. 30.06.80, Бюл. № 24. – 4 с. : ил. 69. А.с. №135642 (СССР), МКИ3 G01№33/28. Способ определения стабильности растворов присадок к маслам / Ю. С. Заславский, Г. И. Шор, Е. В. Евстегнеев, Н. В. Дмитриева (СССР). – № 607852/22 ; заявл. 16.09.61 ; опубл. 01.03.61, Бюл. № 3. – 2 с. : ил. 136

Список литературы

70. А.с. № 1187054 (СССР) МКИ3 G01№27/22. Способ определения термоокислительной стабильности низкомолекулярных продуктов / А. М. Соловьев, И. Г. Третьяков (СССР). – № 3647190/24-25 ; заявл. 26.09.83 ; опубл. 23.10.85, Бюл. № 39. – 4 с. : ил. 71. А.с. № 2057326 (СССР), МКИ3 G01№25/02. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б. И. Ковальский, Л. Н. Деверягина, И. А. Кириченко (СССР). – № 5046019/25 ; заявл. 04.06.92 ; опубл. 27.03.96, Бюл. №9. – 3 с. : ил. 72. А.с. №1282002 (СССР), МКИ3 G01№33/28. Способ определения степени загрязненности работающего моторного масла / Ю. Л. Шепельский, Л. А. Певзнер (СССР). – №3691695/25-06 ; заявл. 09.01.84 ; опубл. 07.01.87, Бюл. №1. – 4 с. : ил. 73. ГОСТ 20457–75. Масла моторные. Метод оценки антиокислительных свойств на установке ИКМ. Введ. 1977 – 01. – 01. – М. : Госкомитет СССР по стандартам, 1975. – 8 с. 74. ГОСТ 23175–78. Масла моторные. Метод оценки моторных свойств и определение термоокислительной стабильности. – Взамен ГОСТ 4953–49 ; Введ. 1980 – 01. – 01. – М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1978. – 7 с. 75. ГОСТ 11063–77. Масла моторные с присадками. Метод определения стабильности по индукционному периоду осадкообразования. – Взамен ГОСТ 11063–64 ; Введ. 1979 – 07. – 01. – М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1977. – 3 с. 76. ГОСТ 981–75. Масла нефтяные. Метод определения стабильности против окисления. – Взамен ГОСТ 981–55 ; Введ. 1976 – 07. – 01. – М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1975. – 7 с. 77. ГОСТ 20944–75. Жидкости для авиационных систем. Метод определения термоокислительной стабильности и коррозионной активности. – Введ. 1976 – 07. – 01. – М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1975. – 7 с. 78. ГОСТ 18136–72. Масла. Метод определения стабильности против окисления в универсальном приборе. – Введ. 1978 – 07. – 01. – М. : Госкомитет СССР по стандартам, 1972. – 6 с. 79. ГОСТ 23797-79. Масла для авиационных газотурбинных двигателей. Метод определения термоокислительной стабильности в объеме масла. – Введ. 1981 – 01. – 01. – М. : Госкомитет СССР по стандартам, 1979. – 6 с. 80. Ахматов, А. С. Молекулярная физика граничного трения / А. С. Ахматов. – М. : Изд-во физ-мат. лит., 1963. – 472 с. 81. Пат. РФ 2199114 Российская Федерация, МКИ3 G01№33/28. Прибор для оценки эксплуатационных свойств моторных масел / Б. И. Ковальский, Д. Г. Барков, Р. А. Ерашов, С. И. Васильев ; заявитель и патентооб137

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

ладатель Краснояр. гос. техн. ун-т. – № 2001115919/28; заявл. 08.06.2001 ; опубл. 20.02.2003, Бюл. № 5. – 3 с.: ил. 82. Крагельский, И. В. Трение, изнашивание и смазка : справочник : В 2 кн. / под ред. И. В. Крагельского, В. В. Алисина. – М. : Машиностроение. Кн. 1, 1978. – 400 с. 83. ГОСТ 9490–75. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине. – Взамен ГОСТ 9490-60 ; Введ. 1978 – 01. – 01. – М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1975. – 6 с. 84. А.с. 1270642 СССР, МКИ3 G01 N3/56. Способ оценки вида изнашивания поверхностей трения / Б. И. Ковальский, Г. М. Сорокин (СССР). – №3758056/25-28 ; заявл. 22.06.84; опубл. 15.11.86, Бюл. № 42. – 2 с. : ил. 85. А.с. 1315866 СССР, МКИ3 G01 N3/56. Способ определения противоизносных свойств / Б. И. Ковальский, Г. М. Сорокин (СССР). – №3991591/25-28 ; заявл. 20.12.85; опубл. 06.07.87, Бюл. № 21. – 3 с. : ил. 86. А.с. 1670521 СССР, МКИ3 G01 N3/56. Способ определения смазывающей способности масел / Н. Н. Титовский, Н. К. Мышкин, Б. И. Ковальский (СССР). – № 4727070/28 ; заявл. 07.08.89; опубл. 15.08.91, Бюл. № 30. – 3 с. : ил. 87. Ковальский, Б. И. Прибор для оценки термоокислительной стабильности смазочных масел / Б. И. Ковальский, Е. Ю. Янаев // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Машиностроение. – Вып. 32. – Красноярск, 2003. – С. 204–210. 88. Ковальский, Б. И. Комплекс для диагностики смазочных материалов / Б. И. Ковальский // Механизация строительства. – 1992. – № 2. – С. 28–30. 89. Ковальский, Б. И. Фотометрический метод оценки термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б. И. Ковальский, Г. Г. Назаров // Заводская лаборатория. – 1997. – № 12. – С. 63. 90. Ковальский, Б. И. Фотометрический метод определения термоокислительной стабильности трансмиссионных масел / Б. И. Ковальский, С. А. Кораблев, Ю. Н. Безбородов, В. И. Верещагин // Вестн. Краснояр. гос. аграр. ун-та. – Вып. 12. – Красноярск, 2006. – С. 204–209. 91. Ковальский, Б. И. Метод и средства контроля ресурса моторных масел / Б. И. Ковальский, С. И. Васильев, А. С. Попов // Химия и технология топлив и масел. – 2009. – № 4. – С. 117–123. 92. Пат. № 2428677 Российская Федерация; МПК G 01 N 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, О. Н. Петров, В. И. Тихонов ; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2010119754/28, заявл. 17.05.2010; опубл.10.09.2011, Бюл. № 25. – 3 с. : ил. 138

Список литературы

93. А.с. СССР 983522 МКИ3 G01N 19/02 Устройство испытания трущихся материалов и масел / Б. И. Ковальский, М. Е. Грибанов (СССР). – № 3290673/25-28 ; заявл. 12.05.81 ; опубл. 23.12.82, Бюл. № 47. – 5 с. : ил. 94. Ананьин, Н. Н. Метод контроля термоокислительной стабильности смазочных материалов / Н. Н. Ананьин, Н. Н. Малышева, В. С. Даниленко, Б. И. Ковальский // Сборник материалов Всерос. науч. конф. «Молодежь и наука – третье тысячелетие». – Ч. 2. – Красноярск : Интеграция, 2006. – С. 342–346. 95. Метелица, А. А. Влияние медного катализатора на окислительные процессы в минеральном моторном масле М–10–Г2к / А. А. Метелица, Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева, В. С. Даниленко // Вестн. Краснояр. гос. аграр. ун-та. – Вып. 2. – Красноярск, 2007. – С . 216–222. 96. Ковальский, Б. И. Результаты анализа отработанных моторных масел / Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева, В. И. Верещагин, В. С. Даниленко // Сборник универс. комплекса. – Вып. 8 (22) : сб. науч. тр. под ред. Н. В. Василенко. – Красноярск, 2006. – С. 96–105. 97. Ковальский, Б. И. Влияние смазочных материалов на процессы в трибологических системах / Б. И. Ковальский, М. А. Шунькина, В. В. Гаврилов, В. С. Даниленко // Транспортные средства Сибири : межвуз. сб. науч. тр. с международным участием. – Вып. 10. – Красноярск, 2004. – С. 329–336. 98. Ковальский, Б. И. Технология оценки эффективности керамической добавки ЕР–МС MIKRO CERAMIC к смазочным маслам / Б. И. Ковальский, Ю. И. Ковалев, В. В. Гаврилов, В. С. Даниленко // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Машиностроение. – Вып. 36. Красноярск, 2004 – С. 24–27. 99. Ковальский, Б. И. Результаты испытания товарных масел ZIC 10W–40 C6–4/SH / Б. И. Ковальский, М. А. Шунькина, А. А. Бадьина, В. С. Даниленко // Транспортные средства Сибири : межвуз. сб. науч. тр. с международным участием. – Вып. 9. – Красноярск, 2003. – С. 359–364. 100. Ковальский, Б. И. Влияние термоокислительной стабильности смазочных материалов на ресурс трибосопряжений / Б.И. Ковальский, М. А. Шунькина, А. А. Бадьина, В. С. Даниленко // Транспортные средства Сибири: межвуз. сб. науч. тр. с международным участием. – Вып. 9. – Красноярск, 2003. – С. 379–384. 101. Алексеев, Р. И. Руководство по вычислению и обработке результатов количественного анализа / Р. И. Алексеев, Ю. И. Коровин. – М. : Атомиздат, 1972. – 72 с. 102. Пустыльник, Е. Н. Статические методы анализа и обработки наблюдений / Е. Н. Пустыльник. – М. : Наука, 1968. – 288 с.

139

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

103. Зайдель, А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений / А. Н. Зайдель. – Л. : Наука, 1968. – 97 с. 104. Методические указания и индивидуальные задания к лабораторным работам по курсам «Информатика» и «Вычислительная техника и программирование» («Использование Advanced Grapher для исследования функций и построения графиков») / О. И. Денисенко, В. П. Пинчук, О. Ф. Куликов. – Запорожье : ЗНТУ, 2002. – 29 с. 105. Пат. № 2298173 Российская Федерация Ф МПК7 G 01 № 25/02. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Н. Н. Малышева, Б. И. Ковальский, М. А. Шунькина и др. ; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. техн. ун-т. – № 2005136316/28 ; заявл. 22.11.2005, опубл. 27.04.2007, Бюл. № 12. – 8 с. : ил. 106. Метелица, А. А. Метод оценки каталитического действия металлов на окислительные процессы в смазочных материалах / А. А. Метелица, Б. И. Ковальский // Новые функциональные материалы, современные технологии и методы исследования: материалы IV Гомельской региональной конференции молодых ученых. – Гомель, 23–24 сент. 2008 г. – Гомель : ИММС НАН Беларуси, 2008. – С. 123–125. 107. Малышева, Н. Н. Методика повышения эффективности использования смазочных материалов / Н. Н. Малышева, Б.И. Ковальский, А. А. Метелица // Энергоэффективность жизнеобеспечения города : материалы IV Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2005. – С. 308–312. 108. Малышева, Н. Н. Механизм образования продуктов деструкции в отработанных моторных маслах / Н. Н. Малышева, Б. И. Ковальский, А. А. Метелица // Механика и процессы управления. – Т.1. XXXVI Уральский семинар. – Екатеринбург : УрОРАН, 2006. – С. 204–211. 109. Метелица, А. А. Методика исследования влияния металлов на окислительные процессы смазочных материалов / А. А. Метелица, Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева // Механика XXI. VI Всероссийская научнотехническая конференция с международным участием : сб. докл. – Братск : ГОУ ВПО «БрГУ», 2008. – С. 359–362. 110. Ковальский, Б. И. Термоокислительная стабильность как показатель качества смазочных материалов / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева и др. // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. – Вып. 41. Машиностроение. – Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2006. – С. 7–17. 111. Малышева, Н. Н. Исследование влияния температурной стойкости моторных масел на надежность ДВС / Н. Н. Малышева, Б. И. Ковальский, А. А. Метелица, А. В. Кузьменко // Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе АзиатскоТихоокеанского региона: материалы научно-технической конференции 140

Список литературы

«Двигатели 2008» (Хабаровск, 15–19 сент. 2008г.). – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2008. – С. 331–336. 112. Скиндер, Н. И. Портативный комплект средств / Н. И. Скиндер, Ю. А. Гурьянов // Химия и технология топлив и масел. – 2001. – № 1. – С. 38–41. 113. Ковальский, Б. И. Результаты исследования влияния катализатора из меди на окислительные процессы минерального масла М-10-Г2К / Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева, А. А. Метелица и др. // Инновационное развитие регионов Сибири : материалы межрегиональной научнопрактической конференции : В 2 ч. – Ч. 2. – Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2006. – С. 245–249. 114. Метелица, А. А. Влияние медного катализатора на окислительные процессы в минеральном моторном масле М-10-Г2К / А. А. Метелица, Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева и др. // Вестн. Краснояр. гос. аграр. ун-та. – Вып. 2. – Красноярск, 2007. – С. 216–222. 115. Ковальский, Б. И. Метод оценки качества отработанных моторных масел / Б. И. Ковальский, В. И. Верещагин, А. А. Метелица и др.// Наука и технологии. – Т. 1. Тр. XXVI Российской школы. – М. : РАН, 2006. – 295 с. 116. Васильева, Л. С. Автомобильные эксплуатационные материалы: учебник для вузов / Л. С. Васильева. – М. : Транспорт, 1986. – С. 177–189. 117. Трембач, Е. В. Моторные и трансмиссионные масла, присадки : справ. пособие для автомобилиста / Е. В. Трембач. – Ростов н/Д. : Феникс, 2000. – 160 с. 118. Крагельский, И. В. Трение, изнашивание и смазка : справочник : В 2 кн. / И. В. Крагельский, В. В. Алисина. Кн. 2. – М. : Машиностроение, 1979. – С. 49–56. 119. Tribologia. Tribotechnika / Redakcia naukowa M. Szczerek, M. Wisniewski. Radom: Polskie Towarzystwo Tribologiczne, 2000. – 728 s. 120. Пат. № 2453832 Российская Федерация МПК G 01N 25/02. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б. И. Ковальский, Е. Г. Мальцева, Ю. Н. Безбородов и др. ; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».– № 2010153736/28(077680) ; заявл. 27.12.2010 ; опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17. – 4 с. : ил. 121. Пат. №2454654 Российская Федерация МПК G 01N 33/30. Способ определения качества смазочных масел / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева и др. ; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2011107418/28(010511) ; заявл. 25.02.2011 ; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18.

141

  Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел  

Научное издание

Кравцова Екатерина Геннадьевна Метелица Артем Александрович Ковальский Болеслав Иванович Безбородов Юрий Николаевич ВЛИЯНИЕ СТАЛЕЙ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

Монография

Редактор Н. А. Варфоломеева Компьютерная верстка Н. Г. Дербенёвой

142

 

Список литературы

Подписано в печать 29.12.2015. Печать плоская. Формат 60×84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 9,0. Тираж 500 экз. Заказ № 102 Библиотечно-издательский комплекс Сибирского федерального университета 660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел. (391) 206-26-67; http://bik.sfu-kras.ru E-mail: [email protected] 

143

  сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел Влияние  

В Библиотечно-издательском комплексе СФУ вам быстро и качественно выполнят следующие виды издательских работ: – редактирование – корректура – художественное оформление – компьютерная верстка

Наш адрес: 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, к. 0108 Тел. (391) 206-26-67 – отдел приема и сопровождения заказа   144