Смазочные материалы

Смазочные материалы

Смазка в технике, термин, имеющий различные значения: режимы трения деталей машин (смазывание); материалы, облегчающие трение и процессы; обработки металлов резанием и давлением; подача смазочных материалов в узлы трения; материалы, служащие для защиты поверхностей от коррозии и уплотнения соединений деталей машин. 

1) Смазывание — смазочное действие смазочного материала на поверхности трения, в результате чего уменьшаются трение и изнашивание поверхностей. Между трущимися поверхностями создаётся смазочный слой, обеспечивающий минимальное сопротивление тангенциальному сдвигу и достаточно большое сопротивление нормальным нагрузкам (см. также Трение внешнее). Наиболее благоприятные режимы С. обеспечиваются подбором оптимальных смазочных материалов, подачей их к трущимся поверхностям в необходимых количествах, рациональной конструкцией узлов трения, а также выбором правильной технологии.  

2) Смазочные материалы — вещества, используемые для предотвращения задира и заедания, уменьшения и упорядочения износа взаимно перемещающихся поверхностей. Особая группа смазочных материалов — смазочно-охлаждающие жидкости, например применяемые при обработке металлов резанием, технологические масла, используемые при обработке металлов давлением (ковке, прокатке, волочении и т. п.). 

3) Способы подачи смазочного  материала к трущимся поверхностям  определяются свойствами материала,  функциями и условиями работы  узла трения. Для масел характерны  картерная и циркуляционная системы  С. В первом случае узел трения  помещают в герметичный картер, на дно которого наливают масло. В циркуляционных системах масло из картера или бака насосом по маслопроводу подаётся в узел трения, откуда самотёком или принудительно возвращается в картер. Циркуляционная система С. включает в себя фильтры, сепараторы, отстойники, радиаторы, контрольно-измерительную аппаратуру. Существуют фитильная и капельная подача смазочных масел, С. масляным туманом и т. п. Пластичные С. закладывают непосредственно в узлы трения при изготовлении машин или пропрессовывают их в узел через устройства, называемые пресс-маслёнками, с помощью ручных или механических шприцев. Для С. применяют также колпачковые, пружинные и другие маслёнки. Некоторые машины (например, прокатные станы, шагающие экскаваторы) имеют централизованные системы С. 

4) Консервационные (защитные) материалы  — вещества, служащие для предотвращения  коррозионного разрушения металлических  изделий и деталей машин при  их хранении (консервации) и эксплуатации. Обычно для этого используют  углеводородные пластичные С. — вазелины. Находят применение жидкие консервационные масла и твёрдые покрытия. Для получения твёрдого покрытия на защищаемую поверхность наносят раствор парафина и церезина с ингибиторами коррозии в летучих нефтепродуктах. После испарения растворителя на поверхности остаётся твёрдое покрытие толщиной около 0,1 мм. 

 5) Уплотнительные материалы — вещества, используемые для герметизации вакуумных систем, трубопроводной арматуры, резьбовых соединений труб и т. п. Уплотнительные материалы применяют также для облегчения монтажа и разборки резьбовых и других соединений. Обычно применяют пластичные С., содержащие до 20% порошка графита, дисульфида молибдена, мягких металлов и т. п.

Смазочное действие, способность некоторых веществ снижать трение, уменьшать износ и повреждение трущихся поверхностей. С. д. обусловлено уменьшением сил сцепления, действующих между соприкасающимися телами, и сил сопротивления деформациям сдвига, которым подвергаются поверхностные слои трущихся тел. 

 При граничном трении толщина смазочной прослойки обычно не превышает 0,1 мкм, иногда составляет один или несколько молекулярных слоев. С. д. в этом случае определяется физико-химическими свойствами тончайшего слоя, образованного в результате адсорбции или хемосорбции веществ из жидкой или газовой среды на поверхности твёрдого тела. В случае органических поверхностно-активных веществ (ПАВ) адсорбционный слой имеет вид «молекулярного ворса», по котором у и происходит скольжение трущихся поверхностей. С. д. ПАВ часто обусловлено также адсорбционным понижением прочности (см. Ребиндера эффект) и пластифицированием материала в поверхностном слое. ПАВ и вещества, химически взаимодействующие с поверхностью, специально вводят в качестве присадок в технические масла и смазочно-охлаждающие жидкости для улучшения их С. д. При трении полимерных материалов С. д. могут проявлять низкомолекулярные вещества, образующиеся в результате механохимической деструкции полимеров. 

 При жидкостном трении, когда толщина смазочной прослойки превосходит десятые доли мкм, уменьшение трения определяется главным образом разъединением трущихся тел и объясняется гидродинамической теорией С. д., разработанной Н. П. Петровым, О. Рейнольдсом и др. 

 С. д. твёрдых веществ (например, графит, дисульфид молибдена) обусловлено их слоистой структурой и слабым межслойным сцеплением. Мягкие металлы (свинец, олово, кадмий) и другие материалы, наносимые на поверхность более твёрдых тел, образуют прослойку с малым сдвиговым сопротивлением; в этом случае С. д. обусловлено локализацией деформации сдвига в тонком поверхностном слое (см. Трение внешнее).

Трение внешнее, механическое сопротивление, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Сила сопротивления F, направленная противоположно относительно перемещению данного тела, называется силой трения, действующей на это тело. Т. в. — диссипативный процесс, сопровождающийся выделением тепла, электризацией тел, их разрушением и т.д. 

 Различают Т. в. скольжения  и качения. Характеристика первого — коэффициент трения скольжения f_c — безразмерная величина, равная отношению силы трения к нормальной нагрузке; характеристика второго — коэффициент трения качения f_k представляет собой отношение момента трения качения к нормальной нагрузке. Внешние условия (нагрузка, скорость, шероховатость, температура, смазка) влияют на величину Т. в. не меньше, чем природа трущихся тел, меняя его в несколько раз. 

 Трение скольжения. Если составляющая приложенной к телу силы, лежащая в плоскости соприкосновения двух тел, недостаточна для того, чтобы вызвать скольжение данного тела относительно другого, то возникающая сила трения называется неполной силой трения (участок OA на рис.); она вызвана малыми (~ 1 мкм) частично обратимыми перемещениями в зоне контакта, величина которых пропорциональна приложенной силе и изменяется с увеличением последней от 0 до некоторого максимального значения (точка А на рис.), называемого силой трения покоя; эти перемещения называются предварительными смещениями. После того как приложенная сила превысит критическое значение, предварительное смещение переходит в скольжение, причём сила Т. в. несколько уменьшается (точка A₁) и перестаёт зависеть от перемещения (сила трения движения). 

 Вследствие волнистости и  шероховатости каждой из поверхностей, касание двух твёрдых тел происходит лишь в отдельных «пятнах», сосредоточенных на гребнях выступов. Размеры пятен зависят от природы тел и условий Т. в. Более жёсткие выступы внедряются в деформируемое контртело, образуя единичные пятна реального контакта, на которых возникают силы прилипания (адгезия, химические связи, взаимная диффузия и др.). В результате приработки пятна касания бывают «вытянуты» в направлении движения. Диаметр эквивалентного по площади пятна касания составляет от 1 до 50 мкм в зависимости от природы поверхности, вида обработки и режима Т. в. При скольжении эти пятна наклоняются под некоторым углом к направлению движения, материал раздвигается в стороны и подминается скользящей неровностью, а пятна прилипания, образующиеся из поверхностных плёнок, покрывающих твёрдое тело, называются мостиками, непрерывно разрушаются (срезаются) и формируются вновь. В этих пятнах реализуются напряжения лишь в несколько раз меньшие теоретической прочности материала. Сопротивление оттеснению материала при сдвиге зависит от безразмерной характеристики h/R — отношения глубины h внедрения единичной неровности, моделированной сферическим сегментом, к его радиусу R. Это отношение определяет механическую составляющую силы Т. в. 

 Большей частью описанное формоизменение упруго и рассеяние энергии обусловлено потерями на гистерезис. В пятнах касания возникают силы межмолекулярного взаимодействия, потери на преодоление которого оцениваются безразмерной характеристикой t/s_s , где t — сдвиговое сопротивление молекулярной связи, s_s — предел текучести основы. Молекулярное сдвиговое сопротивление t = t₀ +bP_r, где t₀ — прочность мостика при отсутствии сжимающей нагрузки, P_r — фактическое давление на пятне касания, b — коэффициент упрочнения мостика. Каждое пятно касания (так называемая фрикционная связь) существует лишь ограниченное время, так как выступ выходит из взаимодействия. Продолжительность жизни фрикционной связи — важная характеристика, так как определяет температуру, развивающуюся при Т. в., износостойкость и др. Таким образом, процесс Т. в. представляет собой двойственный процесс — с одной стороны он связан с диссипацией энергии, обусловленной преодолением молекулярных связей, с другой — с формоизменением поверхностного слоя материала внедрившимися неровностями. 

 Общий коэффициент Т. в.  определяется суммой механической  и молекулярной составляющих

 где К — коэффициент, связанный с расположением выступов по высоте, a_г — коэффициент  гистерезисных потерь. Из уравнения следует, что коэффициент Т. в. в зависимости от давления при постоянной шероховатости или от шероховатости при постоянном давлении переходит через минимум. При приработке пар трения устанавливается шероховатость, соответствующая минимуму коэффициента Т. в. Для эффективной работы пары трения существенно, чтобы поверхностный слой твёрдого тела имел меньшее сдвиговое сопротивление, чем глубжележащие слои. Это достигается применением различных жидких смазок. В этом случае трущиеся тела разделены слоем жидкости или газа, в котором проявляются объёмные свойства этих сред и вступают в силу законы жидкостного трения, характеризующиеся отсутствием трения покоя. Иногда необходимо иметь ослабленным поверхностный слой самого тела; это достигается применением поверхностно-активных веществ (присадки к смазкам), покрытий из мягких металлов, полимеров или созданием защитных плёнок с пониженным сопротивлением сдвигу. 

 В зависимости от характера  деформирования поверхностного  слоя различают Т. в. при  упругом и пластическом контактированиях  и при микрорезании. В определённых условиях, зависящих от нагрузки и механических свойств каждой пары трения, Т. в. переходит во внутреннее трение, для которого характерно отсутствие скачка скорости при переходе от одного тела к другому. Нагрузка, при которой Т. в. нарушается для данной пары трения, называется порогом внешнего трения.  

 Трение качения. Значения силы трения качения очень малы по сравнению с силами трения скольжения. Трение качения обусловлено: а) потерями на упругий гистерезис, связанный со сжатием материала под нагрузкой перед катящимся телом; б) затратами работы на передеформирование материала при формировании валика перед катящимся телом; в) преодолением мостиков сцепления. При достаточно протяжённых размерах пятна касания в зоне контакта возникает проскальзывание, приводящее к уже рассмотренному выше трению скольжения. При больших скоростях качения, сопоставимых со скоростью распространения деформации в теле, сопротивление перекатыванию резко увеличивается, и тогда выгоднее переходить к трению скольжения. 

 Управление трением путём подбора пар трения, конструкций узлов и правильной их эксплуатации — тема новой технической науки, называемой триботехникой.

Смазочные материалы, вещества, обладающие смазочным действием. Применяются для смазки трущихся деталей машин и приборов, а также при обработке металлов давлением. В качестве С. м. используют жидкие масла преимущественно нефтяного происхождения (см. Масла нефтяные), синтетические масла, пластичные смазки, твёрдые вещества (графит, дисульфид молибдена, полимеры с наполнителями), газообразные вещества (воздух, пары углеводородов, галогенопроизводные метана и др.) и поверхностно-активные вещества (мыла, глицерин и пр.). По агрегатному состоянию, свойствам и назначению разделяются на группы и сорта. См. также Смазочно-охлаждающие жидкости.

Масла нефтяные, смеси высокомолекулярных углеводородов, получаемые из нефти и применяемые в основном в качестве смазочных материалов. М. н. используются также как гидравлические и смазочно-охлаждающие жидкости, электроизоляционные среды, поверхностно-активные вещества, мягчители, компоненты пластичных смазок, лекарственных препаратов и др. Существует две основные системы классификации М. н.: по способу их производства и по областям применения. По способу производства М. н. делят на дистиллятные, получаемые вакуумной перегонкой мазутов; остаточные, получаемые из деасфальтизированных масляных гудронов, и компаундированные — подобранные по вязкости и другим показателям смеси дистиллятных и остаточных масел. 

 Современные процессы производства (включающие вакуумную перегонку, деасфальтизацию, селективную очистку, депарафинизацию, контактную или гидродоочистку) обеспечивают достаточно полное извлечение масляных фракций из нефти, необходимую их очистку и требуемые физико-химические свойства; при этом качество масел зависит от химического состава и свойств исходной нефти. Перспективные, каталитические процессы получения масел (гидрокрекинг, гидроизомеризация, алкилирование, полимеризация и другие) позволяют получать масла заданных химического состава и свойств, с более высоким выходом из перерабатываемого сырья. Для производства М. н. в СССР используются в основном сернистые нефти Урало-Волжского района (ромашкинская, мухановская, туймазинская и другие) и нефти Западной Сибири (усть-балыкская, самотлорская и другие). Эти нефти по своему химическому составу и свойствам обеспечивают получение масел с высокими эксплуатационными качествами. Перспективной для производства масел является также мангышлакская нефть.  

 По областям применения М.  н. разделяются на моторные масла, реактивные масла, трансмиссионные масла, индустриальные масла, цилиндровые масла (для паровых машин), электроизоляционные масла, технологические масла и так называемые белые масла, используемые в медицине и парфюмерии. Первые 5 из перечисленных групп относятся к смазочным маслам, остальные — к несмазочным маслам. 

 Для каждого вида масел  разработан и строго нормируется  стандартами перечень физико-химических  свойств, зависящий от условий  использования. Существует, однако, ряд характеристик, относящихся практически ко всем М. н. Это прежде всего вязкость (или внутреннее трение), измеряемая обычно при температурах 50 и 100 °С. Диапазон колебания вязкостей товарных масел очень велик — от 2,0 — 2,5 сст (1 сст = 10^-6 м²/сек) при 100 °С у лёгких индустриальных масел до 60 — 70 сст у тяжёлых цилиндровых. Для масел, используемых в арктических условиях («северные масла»), вязкость определяется также и при отрицательных температурах, - 40 °С и ниже; важным показателем для них является так называемый индекс вязкости, характеризующий температурную зависимость вязкости. Температура застывания М. н. может быть от 17 °С у тяжёлых цилиндровых до минус 45 - 60 °С у некоторых моторных и индустриальных. Эту характеристику следует учитывать при выборе условий транспортировки, хранения и использования смазочных продуктов. Допустимый высокотемпературный предел использования М. н. косвенно характеризуется температурой вспышки. Важный показатель для М. н. — фракционный состав, однако для подавляющего большинства М. н., в том числе моторных, он техническими стандартами не нормируется. Основным показателем электроизоляционных масел являются высокие диэлектрические свойства, характеризуемые прежде всего тангенсом угла диэлектрических потерь.