Смазка (иногда сокращенно lube ) — это вещество, которое помогает уменьшить трение между поверхностями, находящимися в взаимном контакте, что в конечном итоге снижает выделение тепла при движении поверхностей. Он также может выполнять функцию передачи сил, транспортировки инородных частиц или нагрева или охлаждения поверхностей. Свойство уменьшения трения известно как смазывающая способность .
Помимо промышленного применения, смазочные материалы используются для многих других целей. Другие области применения включают приготовление пищи ( масла и жиры используются в сковородах и выпечке для предотвращения прилипания пищи), для уменьшения ржавчины и трения в машинах , биологическое применение на людях (например, смазочные материалы для искусственных суставов ), ультразвуковое исследование, медицинское обследование и половой акт. . В основном он используется для уменьшения трения и содействия лучшему и более эффективному функционированию механизма.
Смазочные материалы использовались на протяжении тысячелетий. Кальциевые мыла были обнаружены на осях колесниц, датируемых 1400 годом до нашей эры. Во времена пирамид строительные камни скользили по пропитанным маслом древесине. В римскую эпоху смазочные материалы изготавливались на основе оливкового и рапсового масла , а также животных жиров. Рост использования смазочных материалов ускорился во время промышленной революции , сопровождавшейся использованием оборудования на основе металлов. Первоначально использовав натуральные масла, в начале 1900-х годов потребность в таком оборудовании сместилась в сторону материалов на основе нефти. Прорыв произошел с разработкой вакуумной перегонки нефти, описанной компанией Vacuum Oil . Эта технология позволила очистить очень нелетучие вещества, которые часто встречаются во многих смазочных материалах. [1]
Хорошая смазка обычно обладает следующими характеристиками:
Обычно смазочные материалы содержат 90% базового масла (чаще всего нефтяных фракций, 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.
К нежидким смазкам относятся порошки (сухой графит , ПТФЭ , дисульфид молибдена , дисульфид вольфрама и др.), фторопластовая лента, применяемая в сантехнике, на воздушной подушке и другие. Сухие смазочные материалы, такие как графит, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама, также обеспечивают смазку при температурах (до 350 °C), которые выше, чем жидкие и масляные смазочные материалы. Ограниченный интерес был проявлен к свойствам низкого трения слоев уплотненной оксидной глазури , образующихся при нескольких сотнях градусов Цельсия в металлических скользящих системах, однако до практического использования еще много лет из-за их физически нестабильной природы.
Для придания смазочным материалам эксплуатационных характеристик используется большое количество присадок. Современные автомобильные смазочные материалы содержат до десяти присадок, составляющих до 20% смазочного материала, основными семействами присадок являются: [1]
По оценкам, в 1999 году во всем мире было потреблено 37 300 000 тонн смазочных материалов. [4] Преобладают автомобильные применения, включая электромобили [5], но другие промышленные, морские и металлообрабатывающие применения также являются крупными потребителями смазочных материалов. 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 в основном из базового масла и различных присадок для придания желаемых характеристик. Хотя обычно смазочные материалы основаны на одном типе базового масла, для удовлетворения требований к производительности также используются смеси базовых масел.
Термин « минеральное масло » используется для обозначения смазочных базовых масел, полученных из сырой нефти . Американский институт нефти (API) определяет несколько типов смазочных базовых масел: [6]
Производители смазочных материалов обычно расширяют терминологию этой группы, включив в нее:
Также можно разделить на три категории в зависимости от преобладающих составов:
Смазочные материалы, полученные из нефти, также можно производить с использованием синтетических углеводородов (полученных в конечном итоге из нефти), « синтетических масел ».
К ним относятся:
ПТФЭ: политетрафторэтилен (ПТФЭ) обычно используется в качестве слоя покрытия, например, на кухонной утвари, чтобы обеспечить антипригарную поверхность. Диапазон рабочих температур до 350 °C и химическая инертность делают его полезной добавкой в специальные смазки , где он может действовать как загуститель, так и смазка. При экстремальных давлениях порошок или твердые частицы ПТФЭ не имеют особой ценности, поскольку они мягкие и стекают из области контакта. В этом случае необходимо использовать смазочные материалы из керамики, металлов или сплавов. [7]
Неорганические твердые вещества: Графит , гексагональный нитрид бора , дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама являются примерами твердых смазочных материалов . Некоторые сохраняют свою смазывающую способность до очень высоких температур. Применение некоторых таких материалов иногда ограничивается их плохой устойчивостью к окислению (например, дисульфид молибдена разлагается при температуре выше 350 °С на воздухе, но при 1100 °С в восстановительных средах).
Металл/сплав: Металлические сплавы, композиты и чистые металлы могут использоваться в качестве добавок к смазкам или в качестве единственных компонентов поверхностей скольжения и подшипников. Кадмий и золото используются для покрытия поверхностей, что придает им хорошую коррозионную стойкость и свойства скольжения. В качестве подшипников скольжения используются сплавы свинца , олова , цинка и различные бронзовые сплавы, либо их порошок можно использовать только для смазки поверхностей скольжения.
Водная смазка представляет интерес для ряда технологических применений. Сильно гидратированные щеточные полимеры, такие как ПЭГ, могут служить смазками на границе раздела жидкостей и твердых веществ. [8] Благодаря непрерывному быстрому обмену связанной воды с другими молекулами свободной воды эти полимерные пленки удерживают поверхности разделенными, сохраняя при этом высокую текучесть на границе раздела щетка-щетка при высоких сжатиях, что приводит к очень низкому коэффициенту трения.
Биосмазочные материалы [9] получают из растительных масел и других возобновляемых источников. Обычно это сложные эфиры триглицеридов (жиры, полученные из растений и животных). Для использования базового масла смазочных материалов предпочтительны материалы растительного происхождения. Общие из них включают высокоолеиновое масло канолы , касторовое масло , пальмовое масло , подсолнечное масло и рапсовое масло из овощей, а также талловое масло из древесных источников. Многие растительные масла часто подвергаются гидролизу с образованием кислот, которые впоследствии избирательно объединяются с образованием специальных синтетических эфиров. Другие смазочные материалы природного происхождения включают ланолин (шерстяной жир, природный водоотталкивающий агент). [10]
Китовый жир был исторически важным смазочным материалом, который вплоть до второй половины 20-го века использовался в качестве присадки-модификатора трения для жидкости для автоматических трансмиссий . [11]
В 2008 году рынок биосмазок составлял около 1% продаж смазочных материалов в Великобритании при общем объеме рынка смазочных материалов в 840 000 тонн в год. [12]
По состоянию на 2020 год [обновлять]исследователи из австралийского CSIRO изучали сафлоровое масло в качестве моторного масла и обнаружили более высокие характеристики и более низкий уровень выбросов, чем смазочные материалы на нефтяной основе, в таких устройствах, как газонокосилки с приводом от двигателя , бензопилы и другое сельскохозяйственное оборудование. Производители зерна , опробовавшие этот продукт, приветствовали эту инновацию, а один из них описал ее как не требующую особой переработки, биоразлагаемую , биоэнергетическую и биотопливную . Ученые модернизировали растение, используя подавление генов , создав сорт, который производит до 93% масла, что является самым высоким показателем, доступным в настоящее время из любого растения. Исследователи из Центра передового топлива Университета штата Монтана в США, изучающие характеристики масла в большом дизельном двигателе и сравнивая его с обычным маслом, назвали результаты «меняющими правила игры». [13]
Одним из крупнейших применений смазочных материалов в виде моторного масла является защита двигателей внутреннего сгорания в автомобилях и силовом оборудовании.
Противоклейкие или антипригарные покрытия предназначены для уменьшения адгезионного состояния (клейкости) данного материала. Производство резины, шлангов, проволоки и кабелей является крупнейшим потребителем антипригарной продукции, но практически каждая отрасль использует ту или иную форму антипригарного агента. Антипригарные вещества отличаются от смазочных материалов тем, что они предназначены для снижения свойств адгезии данного соединения, тогда как смазочные материалы предназначены для уменьшения трения между любыми двумя поверхностями.
Смазочные материалы обычно используются для разделения движущихся частей системы. Преимущество такого разделения заключается в уменьшении трения, износа и поверхностной усталости, а также уменьшении тепловыделения, рабочего шума и вибрации. Смазочные материалы достигают этого несколькими способами. Наиболее распространенным является создание физического барьера, т. е. тонкого слоя смазки, разделяющего движущиеся части. Это аналогично аквапланированию: потеря трения наблюдается, когда автомобильная шина отрывается от поверхности дороги при движении через стоячую воду. Это называется гидродинамической смазкой. В случае высокого поверхностного давления или температуры пленка жидкости становится намного тоньше, и часть усилий передается между поверхностями через смазку.
Обычно трение смазочного материала о поверхность намного меньше, чем трение между поверхностью и поверхностью в системе без смазки. Таким образом, использование смазки снижает общее трение системы. Уменьшение трения имеет преимущество в виде уменьшения тепловыделения и образования частиц износа, а также повышения эффективности. Смазочные материалы могут содержать полярные присадки , известные как модификаторы трения, которые химически связываются с металлическими поверхностями, уменьшая поверхностное трение, даже когда объем смазочного материала недостаточен для гидродинамической смазки, например, для защиты клапанного механизма в двигателе автомобиля при запуске. Само базовое масло также может быть полярным по своей природе и, как следствие, способным связываться с металлическими поверхностями, как в случае с полиэфирными маслами.
Как газ, так и жидкие смазочные материалы могут передавать тепло. Однако жидкие смазочные материалы гораздо более эффективны из-за их высокой удельной теплоемкости . Обычно жидкая смазка постоянно циркулирует в более холодной части системы и обратно, хотя смазочные материалы могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, когда требуется регулируемая температура. Этот циркулирующий поток также определяет количество тепла, уносимого в любую единицу времени. Системы с высоким потоком могут отводить много тепла и имеют дополнительное преимущество, заключающееся в снижении термической нагрузки на смазку. Таким образом, можно использовать более дешевые жидкие смазочные материалы. Основным недостатком является то, что для больших расходов обычно требуются более крупные отстойники и более крупные охлаждающие устройства. Вторичным недостатком является то, что система с высоким расходом, которая использует скорость потока для защиты смазочного материала от термического напряжения, подвержена катастрофическому отказу во время внезапных остановок системы. Типичным примером является автомобильный турбокомпрессор с масляным охлаждением. Турбокомпрессоры во время работы нагреваются докрасна, и масло, которое их охлаждает, выживает только потому, что время его пребывания в системе очень короткое (т.е. высокая скорость потока). При внезапном отключении системы (заезде в зону обслуживания после скоростной езды и остановке двигателя) масло, находящееся в турбонагнетателе, сразу же окисляется и забивает маслопроводы отложениями. Со временем эти отложения могут полностью заблокировать масляные каналы, ухудшая охлаждение, в результате чего турбокомпрессор полностью выходит из строя, обычно из-за заклинивания подшипников . Нетекучие смазочные материалы, такие как смазки и пасты, неэффективны для теплопередачи, хотя они способствуют, в первую очередь, снижению выделения тепла.
Преимущество систем циркуляции смазочных материалов заключается в том, что они уносят образующийся внутри мусор и внешние загрязнения, попадающие в систему, в фильтр, где их можно удалить. Смазочные материалы для машин, которые регулярно выделяют мусор или загрязнения, таких как автомобильные двигатели, обычно содержат моющие и диспергирующие присадки, способствующие транспортировке мусора и загрязнений к фильтру и их удалению. Со временем фильтр засоряется 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, который притягивает образующиеся частицы железа.
Очевидно, что в кровеносной системе масло будет настолько чистым, насколько его сможет обеспечить фильтр, поэтому, 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), а также делают систему неэффективной.
Смазочные материалы, известные как гидравлическая жидкость , используются в качестве рабочей жидкости в гидростатической передаче мощности. Гидравлические жидкости составляют значительную часть всех смазочных материалов, производимых в мире. Гидротрансформатор автоматической коробки передач — еще одно важное применение для передачи мощности со смазочными материалами.
Смазочные материалы предотвращают износ за счет уменьшения трения между двумя деталями. Смазочные материалы также могут содержать противоизносные или противозадирные присадки, повышающие их эффективность против износа и усталости.
Многие смазочные материалы содержат присадки, которые образуют химическую связь с поверхностями или исключают влагу, чтобы предотвратить коррозию и ржавчину. Он уменьшает коррозию между двумя металлическими поверхностями и позволяет избежать контакта между этими поверхностями, чтобы избежать погруженной коррозии.
Смазочные материалы занимают зазор между движущимися частями под действием капиллярных сил, уплотняя зазор. Этот эффект можно использовать для уплотнения поршней и валов.
Еще одним явлением, которое было исследовано в связи с предотвращением высокотемпературного износа и смазкой, является образование уплотненного оксидного слоя глазури . Такие глазури получают путем спекания уплотненного оксидного слоя. Такие глазури являются кристаллическими, в отличие от аморфных глазурей, встречающихся в керамике. Требуемые высокие температуры возникают из-за скольжения металлических поверхностей друг по другу (или металлической поверхности по керамической поверхности). Благодаря устранению металлического контакта и адгезии за счет образования оксидов снижается трение и износ. По сути, такая поверхность является самосмазывающейся.
Поскольку «глазурь» уже представляет собой оксид, она может выдерживать очень высокие температуры на воздухе или в окислительной среде. Однако его недостатком является то, что основной металл (или керамика) должен сначала подвергнуться некоторому износу, чтобы образовалось достаточное количество оксидных частиц.
Подсчитано, что около 50% всех смазочных материалов выбрасывается в окружающую среду. [ нужна ссылка ] Общие методы утилизации включают переработку , сжигание , захоронение и сброс в воду, хотя обычно вывоз на свалку и сброс в воду строго регулируются в большинстве стран, поскольку даже небольшое количество смазки может загрязнить большое количество воды. Большинство правил допускают пороговый уровень смазочных материалов, которые могут присутствовать в потоках отходов, и компании ежегодно тратят сотни миллионов долларов на очистку своих сточных вод, чтобы достичь приемлемого уровня. [ нужна цитата ]
Сжигание смазочного материала в качестве топлива, как правило, для выработки электроэнергии, также регулируется правилами, главным образом из-за относительно высокого уровня присутствующих присадок. При сжигании образуются как загрязняющие вещества в воздухе, так и зола, богатая токсичными материалами, в основном соединениями тяжелых металлов. Таким образом, сжигание смазочных материалов происходит на специализированных объектах, оснащенных специальными скрубберами для удаления переносимых по воздуху загрязняющих веществ и имеющих доступ к свалкам с разрешениями на обращение с токсичной золой.
К сожалению, большая часть смазочных материалов, попадающих непосредственно в окружающую среду, происходит из-за того, что население сбрасывает их на землю, в канализацию и прямо на свалки в качестве мусора. Другие источники прямого загрязнения включают стоки с дорог, случайные разливы, природные или техногенные катастрофы и утечки из трубопроводов.
Совершенствование технологий и процессов фильтрации теперь сделало переработку жизнеспособным вариантом (с учетом роста цен на базовое сырье и сырую нефть ). Обычно различные системы фильтрации удаляют частицы, присадки и продукты окисления и восстанавливают базовое масло. В процессе масло может подвергаться рафинированию. Затем с этим базовым маслом обращаются почти так же, как с первичным базовым маслом, однако существует значительное нежелание использовать переработанные масла, поскольку они обычно считаются худшими. Базовое масло, полученное фракционной вакуумной перегонкой из отработанных смазочных материалов, имеет превосходные свойства по сравнению с полностью натуральными маслами, но экономическая эффективность зависит от многих факторов. Отработанное смазочное масло также может быть использовано в качестве сырья для нефтепереработки и стать частью сырой нефти. Опять же, существует значительное сопротивление этому использованию, поскольку добавки, сажа и металлы износа серьезно отравляют/дезактивируют критически важные катализаторы в процессе. Стоимость не позволяет проводить как фильтрацию (удаление сажи, присадок), так и повторную очистку ( перегонку , изомеризацию, гидрокрекинг и т. д.), однако основным препятствием для переработки по-прежнему остается сбор жидкостей, поскольку нефтеперерабатывающие заводы нуждаются в постоянной подаче в объемах, измеряемых в цистернах, железнодорожных цистернах. танки.
Иногда неиспользованную смазку необходимо утилизировать. Лучший вариант действий в таких ситуациях — вернуть его производителю, где его можно будет переработать как часть свежих партий.
Окружающая среда: Смазочные материалы, как свежие, так и использованные, могут нанести значительный ущерб окружающей среде, главным образом из-за 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 смазки в окружающей среде во многом зависит от базовой жидкости, однако использование очень токсичных присадок может отрицательно повлиять на стойкость. Ланолиновые смазочные материалы нетоксичны, что делает их экологической альтернативой, безопасной как для пользователей, так и для окружающей среды.
