Введение

Вещество, вводимое для уменьшения трения между соприкасающимися поверхностями.

Смазочный материал (иногда сокращенно смазка) – это вещество, которое помогает снизить трение между соприкасающимися поверхностями, что, в конечном итоге, уменьшает тепло, выделяемое при их движении. Он также может выполнять функции передачи сил, транспортировки посторонних частиц, нагрева или охлаждения поверхностей. Способность снижать трение называется смазывающей способностью (или лубрикацией). Помимо промышленного применения, смазочные материалы используются в самых разных областях. К другим областям применения относятся кулинария (масла и жиры, используемые при жарке и выпечке для предотвращения прилипания пищи), снижение коррозии и трения в механизмах, биомедицинские применения (например, смазки для искусственных суставов), ультразвуковое и медицинское обследование, а также половые контакты. Основная функция смазочного материала – уменьшение трения и обеспечение более эффективной работы механизма.

История

Смазочные материалы применяются на протяжении тысячелетий. На осях колесниц, датированных 1400 годом до нашей эры, были обнаружены кальциевые мыла. Во времена строительства пирамид строительные камни перемещали, используя пропитанную маслом древесину. В римскую эпоху смазочные материалы изготавливались из оливкового и рапсового масла, а также животных жиров. Развитие смазочных материалов ускорилось в эпоху промышленной революции с расширением использования металлического оборудования. Изначально использовались натуральные масла, но в начале 1900-х годов потребность в смазке такого оборудования перешла к материалам на нефтяной основе. Прорывным стало изобретение вакуумной дистилляции нефти, описанное компанией Vacuum Oil Company. Эта технология позволила очистить высококипящие вещества, которые широко используются в составе многих смазочных материалов.

Формулировка

Как правило, смазочные материалы содержат 90% базового масла (чаще всего нефтепродуктов, называемых минеральными маслами) и менее 10% присадок. В качестве базовых масел иногда используются растительные масла или синтетические жидкости, такие как гидрогенизированные полиолефины, сложные эфиры, силиконы, фторуглероды и многие другие. Присадки обеспечивают снижение трения и износа, повышение вязкости, улучшение индекса вязкости, устойчивость к коррозии и окислению, старению или загрязнению и т.д. Нежидкие смазочные материалы включают порошки (сухой графит, PTFE, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и т.д.), ленты из ПТФЭ, используемые в сантехнике, воздушные подушки и другие. Сухие смазочные материалы, такие как графит, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама, также обеспечивают смазку при температурах (до 350 °C), превышающих возможности жидких и масляных смазочных материалов. К низким коэффициентам трения уплотненных оксидных пленок, формирующихся при температурах в несколько сотен градусов Цельсия в металлических системах трения, проявлен ограниченный интерес, однако их физическая нестабильность пока препятствует практическому применению в течение многих лет.

Добавки

Для придания эксплуатационных характеристик смазочным материалам используется большое количество добавок. Современные автомобильные смазочные материалы могут содержать до десяти добавок, составляющих до 20% смазочного материала. Основные семейства добавок включают: Противоизносные (антизадирные) добавки формируют защитные пленки на трущихся металлических поверхностях. Эти агенты часто представляют собой соединения серы, такие как дитиофосфаты. Модификаторы трения снижают трение и износ, особенно в режиме граничной смазки, когда поверхности приходят в непосредственный контакт. В 1999 году во всем мире было потреблено около 37 300 000 тонн смазочных материалов. Автомобильные применения преобладают, включая электромобили, но значительными потребителями смазочных материалов также являются промышленность, морской транспорт и металлообработка. Хотя известны смазочные материалы на основе воздуха и других газов (например, в жидкостных подшипниках), на рынке доминируют жидкие смазочные материалы, за которыми следуют твердые смазочные материалы. Смазочные материалы обычно состоят из базового масла, составляющего основную часть, и различных добавок, предназначенных для придания желаемых свойств. Хотя смазочные материалы обычно базируются на одном типе базового масла, смеси базовых масел также используются для соответствия требованиям к производительности.

Твердые смазочные материалы

ПТФЭ: политетрафторэтилен (ПТФЭ) обычно используется в качестве покрытия, например, для кухонной посуды, обеспечивающего антипригарные свойства. Диапазон рабочих температур до 350 °C и химическая инертность делают его полезной добавкой в специальные смазки, где он может выступать как загуститель и смазывающий компонент. При экстремальных давлениях порошок или твердый ПТФЭ малоэффективен из-за своей мягкости и способности вытесняться из зоны контакта. В таких случаях необходимо использовать керамические, металлические смазки или сплавы. Неорганические твердые вещества: графит, гексагональный нитрид бора, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама являются примерами твердых смазочных материалов. Некоторые из них сохраняют смазывающие свойства при очень высоких температурах. Применение некоторых материалов ограничено их недостаточной устойчивостью к окислению (например, дисульфид молибдена разлагается выше 350 °C на воздухе, но стабилен до 1100 °C в восстановительной среде). Металлы и сплавы: металлические сплавы, композиты и чистые металлы могут использоваться в качестве добавок к смазкам или в качестве основных материалов для скользящих поверхностей и подшипников. Кадмий и золото применяются для нанесения покрытий, обеспечивающих хорошую коррозионную стойкость и скольжение. Свинец, олово, сплавы цинка и различные бронзовые сплавы используются в качестве подшипников скольжения, либо их порошок применяется для самостоятельной смазки скользящих поверхностей.

Водная смазка

Водная смазка представляет интерес для ряда технологических применений. Сильно гидратированные полимеры, такие как ПЭГ, могут служить смазочными материалами на границе раздела жидкость-твердое тело. Благодаря непрерывному и быстрому обмену связанной воды со свободными молекулами воды, эти полимерные пленки поддерживают разделение поверхностей, сохраняя при этом высокую текучесть на границе раздела «щетка-щетка» при высоких степенях сжатия, что обеспечивает очень низкий коэффициент трения.

Биосмазочные материалы

Биосмазочные материалы получают из растительных масел и других возобновляемых источников. Обычно это триглицериды (жиры, полученные из растений и животных). Для использования в качестве базовых масел предпочтительны материалы растительного происхождения. К распространенным относятся высокоолеиновое масло канолы, касторовое масло, пальмовое масло, масло из семян подсолнечника и рапса, а также талловое масло древесного происхождения. Многие растительные масла часто подвергаются гидролизу для получения кислот, которые затем селективно соединяются с образованием специализированных синтетических эфиров. К другим смазочным материалам природного происхождения относится ланолин (шерстяной жир, естественный водоотталкивающий агент). Китовое масло исторически являлось важным смазочным материалом, и его использовали до конца 20-го века в качестве присадки, модифицирующей трение, для жидкостей автоматических трансмиссий. В 2008 году доля биосмазочных материалов на рынке Великобритании составляла около 1% от общего объема продаж смазочных материалов, который оценивался в 840 000 тонн в год. С 2020 года исследователи из австралийского CSIRO изучают масло сафлора в качестве смазочного материала для двигателей, обнаружив превосходную производительность и более низкие выбросы по сравнению с нефтяными смазочными материалами при использовании в таких устройствах, как газонокосилки, бензопилы и другое сельскохозяйственное оборудование. Фермеры, испытывающие продукт, положительно оценили инновацию, один из них отметил, что масло требует минимальной переработки, биоразлагаемо и может использоваться как источник биоэнергии и биотоплива. Ученые модифицировали растение с помощью генного подавления, создав сорт, производящий до 93% масла – самый высокий показатель среди всех известных растений. Исследователи из Центра передовых топлив Университета штата Монтана в США, изучая эффективность масла в крупном дизельном двигателе и сравнивая его с обычным маслом, назвали результаты "прорывными".

Функции смазочных материалов

Одним из самых крупных применений смазочных материалов, в форме моторного масла, является защита двигателей внутреннего сгорания в автотранспортных средствах и силовой технике.

Смазочная жидкость против антиклеящего покрытия

Антиадгезионные или антипригарные покрытия предназначены для снижения липкости материала. Резиновая, шланговая, кабельная и проволочная промышленность – основные потребители антиадгезионных средств, однако практически в каждой отрасли используются те или иные антипригарные агенты. Антипригарные агенты отличаются от смазочных материалов тем, что они разработаны для уменьшения изначально присущих материалу адгезионных свойств, в то время как смазочные материалы предназначены для снижения трения между любыми двумя поверхностями.

Держите движущиеся части в стороне

Смазочные материалы обычно используются для разделения движущихся частей в системе. Это разделение позволяет снизить трение, износ и усталость поверхности, а также уменьшить тепловыделение, рабочий шум и вибрацию. Смазочные материалы достигают этого несколькими способами. Наиболее распространенный – формирование физического барьера, то есть тонкий слой смазки разделяет движущиеся части. Это аналогично эффекту аквапланирования, потере сцепления, наблюдаемой, когда автомобильная шина теряет контакт с дорожным покрытием из-за движения по воде. Этот режим называется гидродинамической смазкой. В условиях высокого давления или температуры жидкостная пленка становится значительно тоньше, и часть нагрузки передается между поверхностями через смазочный материал.

Уменьшить трение

Как правило, трение смазки о поверхность значительно меньше, чем трение поверхности о поверхность в системе без смазки. Таким образом, использование смазочного материала снижает общее трение в системе. Снижение трения приводит к уменьшению тепловыделения и образования частиц износа, а также к повышению эффективности. Смазочные материалы могут содержать полярные присадки, известные как модификаторы трения, которые химически связываются с металлическими поверхностями, уменьшая трение даже при недостаточном количестве смазки для гидродинамической смазки, например, для защиты газораспределительного механизма в автомобильном двигателе при запуске. Само базовое масло также может быть полярным и, как следствие, обладать способностью связываться с металлическими поверхностями, как, например, полиолестерные масла.

Передача тепла

Как газовые, так и жидкие смазочные материалы способны отводить тепло. Однако жидкие смазочные материалы значительно эффективнее благодаря их высокой удельной теплоемкости. Обычно жидкая смазка постоянно циркулирует между более холодной частью системы и ею, хотя смазочные материалы могут использоваться и для нагрева, и для охлаждения, когда требуется поддержание заданной температуры. Этот циркулирующий поток также определяет количество тепла, отводимого за единицу времени. Системы с высокой пропускной способностью могут отводить большое количество тепла и имеют дополнительное преимущество – снижение тепловой нагрузки на смазочный материал. Это позволяет использовать более дешевые жидкие смазочные материалы. Основной недостаток заключается в том, что для обеспечения высокой пропускной способности обычно требуются большие поддоны и более мощные охладители. Вторичный недостаток состоит в том, что система с высокой пропускной способностью, полагающаяся на скорость потока для защиты смазочного материала от тепловой нагрузки, подвержена катастрофическому отказу при внезапной остановке системы. Типичным примером является автомобильный турбокомпрессор, охлаждаемый маслом. Турбокомпрессоры сильно нагреваются во время работы, и масло, которое их охлаждает, сохраняет свои свойства только благодаря короткому времени пребывания в системе (то есть высокой скорости потока). Если система отключается внезапно (например, при въезде в зону обслуживания после движения на высокой скорости и остановке двигателя), масло, находящееся в турбокомпрессоре, немедленно окисляется и забивает масляные каналы отложениями. Со временем эти отложения могут полностью перекрыть масляные каналы, снижая эффективность охлаждения, что приводит к полному выходу турбокомпрессора из строя, как правило, из-за заклинивания подшипников. Нетекучие смазочные материалы, такие как консистентные смазки и пасты, неэффективны для отвода тепла, хотя они способствуют снижению образования тепла в первую очередь.

Убрать загрязнители и мусор

Системы циркуляции смазочных материалов обладают преимуществом в том, что отводят внутренне образующиеся отходы и внешние загрязнения, попадающие в систему, к фильтру, где они могут быть удалены. Смазочные материалы для машин, регулярно генерирующих отходы или загрязнения, таких как автомобильные двигатели, обычно содержат моющие и диспергирующие присадки для облегчения транспортировки отходов и загрязнений к фильтру и их удаления. Со временем фильтр забивается и требует очистки или замены, поэтому рекомендуется менять масляный фильтр автомобиля одновременно с заменой масла. В закрытых системах, таких как коробки передач, фильтр может быть дополнен магнитом для улавливания образующихся железных опилок. Очевидно, что в системе циркуляции масло будет настолько чистым, насколько это позволяет фильтр, и, к сожалению, не существует отраслевых стандартов, по которым потребители могли бы легко оценить фильтрующую способность различных автомобильных фильтров. Некачественные автомобильные фильтры значительно сокращают срок службы машины (двигателя) и снижают эффективность системы.

Мощность передачи

Смазочные материалы, известные как гидравлическая жидкость, используются в качестве рабочей жидкости в гидростатической трансмиссии. Гидравлические жидкости составляют значительную часть всех смазочных материалов, производимых в мире. Гидротрансформатор автоматической коробки передач – еще одно важное применение смазочных материалов для передачи мощности.

Защита от износа

Смазочные материалы предотвращают износ, снижая трение между двумя поверхностями. Смазочные материалы также могут содержать противоизносные или присадки, работающие под экстремальным давлением, для повышения их эффективности в борьбе с износом и усталостью.

Предотвращает коррозию и ржавчину

Многие смазочные материалы формулируются с добавками, которые образуют химические связи с поверхностями или отталкивают влагу, для предотвращения коррозии и ржавчины. Это снижает коррозию между двумя металлическими поверхностями и предотвращает их контакт, чтобы избежать коррозии в растворе.

Пломба для газов

Смазочные материалы будут заполнять зазоры между движущимися частями за счет капиллярных сил, тем самым герметизируя эти зазоры. Этот эффект можно использовать для герметизации поршней и валов.

Формирование "глазур" (износ при высоких температурах)

Еще одно явление, которое исследовалось в контексте предотвращения высокотемпературного износа и смазки, – это формирование глазури из уплотненного оксидного слоя. Такие глазури образуются в результате спекания уплотненного оксидного слоя. В отличие от аморфных глазурей, встречающихся в керамике, эти глазури имеют кристаллическую структуру. Необходимые высокие температуры возникают при скольжении металлических поверхностей друг о друга (или металлической поверхности о керамическую). Образование оксида устраняет металлический контакт и адгезию, что приводит к снижению трения и износа. По сути, такая поверхность обладает самосмазывающимися свойствами. Поскольку "глазурь" уже является оксидом, она способна выдерживать очень высокие температуры в воздушной или окисляющей среде. Однако ее недостатком является необходимость первоначального износа основного металла (или керамики) для образования достаточного количества оксидных частиц.

Удаление и воздействие на окружающую среду

По оценкам, около 50% всех смазочных материалов попадает в окружающую среду. Распространенные методы утилизации включают переработку, сжигание, захоронение на полигонах и сброс в водные объекты, хотя, как правило, захоронение на полигонах и сброс в водные объекты строго регулируются в большинстве стран, поскольку даже небольшое количество смазочного материала может загрязнить значительный объем воды. Большинство нормативных актов допускают пороговый уровень смазочных материалов, который может присутствовать в сточных водах, и компании ежегодно тратят сотни миллионов долларов на очистку сточных вод для достижения допустимых уровней. Сжигание смазочного материала в качестве топлива, как правило, для производства электроэнергии, также регулируется, главным образом из-за относительно высокого содержания в нем присадок. Сжигание приводит к образованию выбросов в атмосферу и золы, богатой токсичными веществами, в основном соединениями тяжелых металлов. Поэтому сжигание смазочных материалов осуществляется на специализированных предприятиях, оснащенных специальными системами очистки для удаления загрязняющих веществ из воздуха и имеющих доступ к полигонам, имеющим разрешения на утилизацию токсичной золы. К сожалению, большая часть смазочных материалов, попадающих непосредственно в окружающую среду, связана с тем, что население выбрасывает их на землю, в ливневые стоки и на полигоны вместе с бытовыми отходами. Другие источники прямого загрязнения включают сток с дорог, случайные разливы, стихийные или техногенные катастрофы и утечки из трубопроводов. Улучшение технологий и процессов фильтрации сделало переработку жизнеспособным вариантом (в связи с ростом цен на базовые масла и сырую нефть). Как правило, различные системы фильтрации удаляют твердые частицы, присадки и продукты окисления и восстанавливают базовое масло. В процессе переработки масло может быть очищено. Это базовое масло затем обрабатывается аналогично первичному базовому маслу, однако существует значительное нежелание использовать переработанные масла, поскольку они обычно считаются менее качественными. Базовые масла, полученные фракционной вакуумной перегонкой отработанных смазочных материалов, обладают превосходными свойствами по сравнению со всеми натуральными маслами, но экономическая эффективность зависит от многих факторов. Отработанные смазочные материалы также могут использоваться в качестве сырья для нефтеперерабатывающих заводов, чтобы стать частью сырой нефти. Опять же, существует значительное нежелание использовать их в этом качестве, поскольку присадки, сажа и износ металлов могут серьезно отравлять/дезактивировать критические катализаторы в процессе. Стоимость препятствует проведению как фильтрации (удаление сажи, присадок), так и переработки (дистилляция, изомеризация, гидрокрекинг и т.д.). Однако основным препятствием для переработки остается сбор отработанных жидкостей, поскольку нефтеперерабатывающим заводам требуется непрерывное снабжение в объемах, измеряемых цистернами и железнодорожными резервуарами. Иногда требуется утилизация неиспользованного смазочного материала. В таких ситуациях наилучшим решением является возврат его производителю, где он может быть переработан как часть новых партий. Окружающая среда: как свежие, так и отработанные смазочные материалы могут нанести значительный вред окружающей среде, главным образом из-за их высокого потенциала серьезного загрязнения воды. Кроме того, присадки, обычно содержащиеся в смазочных материалах, могут быть токсичными для флоры и фауны. В отработанных жидкостях продукты окисления также могут быть токсичными. Стойкость смазочного материала в окружающей среде во многом зависит от базовой жидкости, однако использование высокотоксичных присадок может негативно повлиять на его стойкость. Ланолиновые смазочные материалы нетоксичны, что делает их экологически безопасной альтернативой, безопасной как для пользователей, так и для окружающей среды.