1. Базовые масла
В принципе, почти все смазочные масла можно использовать в качестве базовых масел для смазок, однако, как правило, применяют только масла с кинематической вязкостью в интервале от 15 до 1500 мм2с-1 при 40 °С. Масла с наименьшими значениями вязкости и лучшими низкотемпературными характеристиками имеют самые низкие рабочие температуры при высоких скоростях. Масла с максимальными значениями вязкости проявляют лучшие характеристики при минимальных скоростях и максимальных нагрузках, а также минимальные потери на испарение, наибольшую адгезию и лучшую стойкость к воде и растворителям.
Минеральные масла
Масла с низкими индексами вязкости (ИВ) обычно требуют меньшего количества загустителя, чем масла с высоким ИВ и такой же кинематической вязкостью. Последние можно применять в более широком температурном интервале, поэтому в настоящее время они являются предпочтительными. В принципе, загущающий эффект зависит от вязкости базового масла и загущающей способности загустителя. Поскольку маслоотделение зависит от концентрации загустителя, при определенной температуре маслоотделение наиболее выражено у смазок на основе масел с низкими ИВ, например ароматических масел или алкилбензолов. Коллоидная стабильность смазки уменьшается при повышении кинематической вязкости базового масла определенного типа. Это легко понять, если принимать во внимание только зависимость характера взаимодействия частиц от размера частиц, участвующих во взаимодействии. Отдельные специфические характеристики смазок зависят также от ИВ базовых масел, используемых для их получения. Принимая во внимание все указанные факторы, нельзя недооценивать влияние даже небольшого изменения состава базового масла на характеристики смазки.
Синтетические базовые масла
Большинство синтетических базовых масел впервые стали доступны потребителю между 1920 и 1940 гг. Из-за высокой стоимости синтетические масла применяются в смазках только в случаях, когда требуемых характеристик нельзя достичь при помощи минеральных масел. Даже в наши дни доля смазок такого типа составляет менее 5% от общего потребления пластичных смазок.
Синтетические углеводороды
ПАО (полиальфаолефины) являются идеальными базовыми маслами для смазок, применяемых в широком температурном интервале. Обычно их применяют в том же интервале вязкостей, что и их минеральные эквиваленты, однако в случаях, когда граница верхнего предела кинематической вязкости последних составляет около 50 мм2/с при 100 °С, ПАО и аналогичные продукты могут использоваться и с вязкостью 2000 мм2/с при 100 °С. В противоположность минеральным маслам эти полимерные герметизирующие материалы обладают способностью скорее к усадке, чем к набуханию. Поэтому, как правило, необходимо добавление сложных эфиров со смягчающими свойствами. Смазки, изготовленные из ПАО со стандартными параметрами вязкости, обычно предназначены для ресурсного смазывания, а изготовленные из смесей, содержащих минеральные масла, зачастую называют полусинтетическими и применяют в специальных смазках для увеличения срока службы. Полибутены и аналогичные им полимеры обычно применяют для повышения вязкости стандартных базовых масел; иногда их используют в качестве компонентов базового масла или даже самого базового масла.
Другие синтетические базовые масла
Высокомолекулярные сложные эфиры, изготовленные из диолов или полиолов и дикарбоновых кислот с параметрами вязкости более 2000 мм2/с при 40 °С, используют в качестве базовых масел в смазках, которые должны обладать стойкостью к растворителю. Силиконовые масла можно рассматривать как полиэфиры алкилированных кремниевых кислот. В противоположность другим смазкам силиконовые смазки лучше классифицируются исходя из характеристик их базовых масел. Величины кинематической вязкости силиконовых масел для смазок варьируют приблизительно от 75 до 10 000 мм2/с при 40 °С. Диметилсиликоновые масла являются физиологически инертными. При загущении высокодисперсной кремниевой кислотой их используют главным образом в качестве герметизирующих составов или в областях, где особое значение имеют параметры электрической и температурной проводимости. Частично фенилированные диметилсиликоновые масла обладают очень хорошими низкотемпературными характеристиками; их применяют вместе с различными типами загустителей, в зависимости от области применения (зачастую для военной техники). Частично фторированные диметилсиликоновые масла обычно загущают порошкообразными ПТФЭ (политетрафторэтилен). Помимо возможности применения при температурах до 270 °С, перфторированные эфиры, загущенные порошкообразным ПТФЭ, представляют собой единственный тип смазок, которые могут работать в присутствии таких агрессивных химикатов, как кислород или хлор. Это является одним из их основных преимуществ перед соответствующими смазками на основе частично фторированных силиконовых масел.
Смеси на основе несмешиваемых базовых масел
Из всех смазочных материалов только смазки способны удержать несмешиваемые жидкие компоненты. Таким образом, трение смазок на основе углеводородов или сложных эфиров можно снизить и продлить срок службы путем добавления простых и сложных полиэфиров. Сообщалось об аналогичных результатах, достигнутых для смазок, изготовленных из ПАО или полиольных сложных эфиров и перфторированных эфиров. Некоторые авторы называют эти продукты гибридными смазками.
2. Структура смазки
Природа смазок на мыльной основе была подробно рассмотрена Шульцем в известной энциклопедии о минеральных маслах и аналогичных им продуктах в 1952 г., а также в 1954 г. Бонером в его известной книге по смазкам . Два десятилетия спустя вновь появился обзор соответствующих публикаций, подготовленный Шпенглером и Вуншем . Главным образом при помощи микроскопических и спектрометрических методов было доказано, что пластичные смазки обладают более или менее выраженной решетчатой структурой, — при том, что мыла образуют каркас из нитеобразных скоплений, включающих мицеллы и кристаллиты, называемых фибриллами или волокнами, а базовое масло встроено в этот каркас. Масло может быть связано тремя способами: во-первых, за счет молекулярного притяжения между полярным загустителем и фрагментами масла; во-вторых, за счет капиллярных сил; в-третьих, за счет механической окклюзии. В смазках на мыльной основе небольшие изменения концентраций свободных кислот и оснований сильно влияют на форму и размер волокон. В своей второй книге, посвященной смазкам, Бонер не высказал четкой точки зрения по этому вопросу, и даже в наше время точно не определено, можно ли отнести смазки на мыльной основе к коллоидным системам или их природа ближе к кристаллической. Под микроскопом частицы загустителя представляют собой скопления кристаллитов и мицелл, а также растворенных компонентов, размер которых зависит от метода гомогенизации (рис. 1). Тем не менее, природа пластичных смазок и подобных продуктов, образованных неорганическими загустителями, пигментами
или ферритами, легко поддается описанию, так как их структура достаточно проста и отличается от структуры мыльных смазок. В данном случае полностью применимы законы коллоидной химии и физики. Того же следовало бы ожидать от смазок, изготовленных из олигомочевин, однако их структура, которую можно разглядеть при помощи электронного микроскопа, более всего напоминает волокна мыла. Структура жидких кристаллов существенно отличается. За последние годы их изучение привело к получению множества интересных данных.
3. Присадки
Большинство присадок, применяемых в жидких смазочных материалах, можно использовать аналогичным образом и в пластичных смазках, хотя, как правило, в больших концентрациях (табл. 1). Поэтому всегда следует помнить о взаимодействии загустителей и присадок.
|
||||||||||||||||
Типичная многоцелевая смазка на основе 12-гидроксистеарата лития содержит по меньшей мере 0,2 %масс. антиоксиданта или смеси антиоксидантов, от 0,5 до 1,0 % масс. одного или нескольких ингибиторов коррозии, около 0,05 %масс. антикоррозионной присадки, до 2,5 %масс. противозадирных и противоизносных присадок. В высококлассных смазках уровень содержания антиоксиданта может достигать 3 % масс. и более; в качестве антиоксидантов предпочтительно использование высокомолекулярных продуктов. Присадки, частично описанные ниже, применимы только для пластичных смазок.
Модификаторы структуры
Пластичные смазки содержат соединения, воздействующие на структуру загустителя в той же мере, в какой они действуют как присадки в смазках в целом. Эти соединения содержат главным образом воду, глицерин, а также жирные кислоты и гидроксиды щелочных или щелочноземельных металлов. Взаимодействия между модификаторами структуры и присадками, например между противозадирными присадками и глицерином или стеариновой кислотой, могут оказывать очень сильное влияние на рабочие характеристики смазки. Хотя присутствие воды в количестве 1 % масс. и более может привести к проблемам при применении в областях, где требуется длительный срок эксплуатации, содержание воды в количестве 20 %масс. и выше не всегда негативно влияет на рабочие характеристики смазки при применении в некоторых областях металлургии. Другим легко контролируемым модификатором структуры смазок является воздух, неизбежно присутствующий в смазке. Разумеется, содержание воздуха должно быть ограничено, зачастую до уровня менее 3%, однако попадание воздуха в смазку при ее прохождении через длинную трубку практически неизбежно.
Антикоррозийные присадки (ингибиторы коррозии)
Наиболее эффективным ингибитором коррозии для мыльной смазки является избыток щелочи. Сульфонаты натрия или кальция, будучи одними из самых эффективных антикоррозийных добавок, являются в то же время сильными модификаторами структуры и могут вызывать проблемы при использовании многих смазок, в частности изготовленных с неорганическими загустителями. Производные имидазолина и саркозина, а также сложные эфиры алкенилов и янтарной кислоты являются приемлемыми ингибиторами для смазок на мыльной основе; двунатриевый себацинат используют главным образом в гелевых смазках. Карбодиимиды рекомендованы для применения в смазках на основе сложных эфиров, в первую очередь для предотвращения гидролиза.
Противозадирные и противоизносные присадки
Из множества известных коммерческих типов присадок соединения, включающие тяжелые металлы, такие как сурьма или свинец, из-за токсичности больше не применяются в качестве присадок к смазкам для тяжелых работ и противоизносных присадок; в настоящее время даже применение цинка является спорным из-за проблем, связанных с загрязнением воды. Постепенно происходит переход к использованию беззольных присадок, например дитиокарбаматов, дитиофосфатов и производных тиадиазола, последние обладают также антикоррозийными характеристиками; кроме того, следует ожидать роста применения беззольных алкиламинофосфородитиоатов в качестве присадок к смазкам. Среди тяжелых металлов исключительное значение имеет висмут. Присадки, содержащие этот элемент, обладают некоторыми характеристиками его токсичных соседей, однако не имеют их недостатков.
Твердые смазки
По своей природе смазки могут содержать те или иные присадки, не растворимые в базовом масле или смеси базовых масел, в довольно высоких концентрациях. Для большинства областей применения приемлемы средние размеры частиц измельченного до микронных размеров твердого вещества в интервале от 5 до 15 мкм. Графит и дисульфид молибдена являются старейшими, наиболее традиционным и наиболее исследованными твердыми (черными) смазывающими материалами в пластичных смазках. Многие производители используют их смеси, поскольку считается, что в смешанном виде они обладают улучшенными характеристиками. Характеристики дисульфида молибдена улучшают добавки дитиофосфатов цинка и примеси порошкообразных полиамидов, мочевинных смол или солей производных циануровой кислоты. Смешивание с порошкообразным политетрафторэтиленом (ПТФЭ) не дает сравнимых результатов. В настоящее время интерес к дитиофосфатам и дитиокарбаматам молибдена в целях применения в смазках для резьбовых соединений возрастает быстрее по сравнению с дисульфидами. Несмотря на довольно высокую стоимость, ПТФЭ до сих пор является наиболее распространенным (белым) полимерным твердым смазочным материалом в пластичной смазке. Однако возрастает конкурентоспособность высокомолекулярных полиолефиновых порошкообразных добавок. Неорганические (белые) твердые смазочные материалы, например гидроксиды и дифосфаты некоторых щелочноземельных металлов, улучшают противозадирные и противоизносные свойства традиционных смазок и особенно желательны в случаях, когда смазки подвергаются вибрации. Кроме того, в качестве альтернативы твердым смазкам предложены такие твердые смазочные материалы, как сульфид висмута (Bi2S3), гексагональный нитрид бора (BN) и сульфид олова (SnS2). Существует ряд других, в основном неорганических твердых веществ, которые скорее заполняют объем, чем способствуют улучшению смазочных характеристик: их обычно называют наполнителями.
Модификаторы трения
В жидких смазочных материалах карбоновые кислоты и их соли выступают в качестве модификаторов трения и присадок для работы в режиме граничной смазки. В пластичных смазках, содержащих большое количество этих соединений, твердые смазки иногда называют модификаторами трения, а в некоторых случаях — полимерными присадками. Обсуждается также применение жид¬ких кристаллов с точки зрения их вклада в повышение прочность пленки. Некоторые характеристики смазок, например механическую стабильность, можно до некоторой степени улучшить только путем применения полимерных присадок; вместе с тем другие характеристики, такие как стойкость к агрессивным реагентам за счет применения присадок, улучшить невозможно.
Наноматериалы
Старейшим промышленным «наноматериалом» является газовая сажа. Его синтетическая альтернатива — высокодисперсный оксид кремния («белая газовая сажа») — была изобретена Клопфером в 1942 г. Смазывающие свойства или возможность применения в качестве присадки были предсказаны для микросфер SiO2 размером 100-500 нм. Сообщалось, что сверхтонкие частицы кремниевой кислоты размером менее 40 нм в диаметре способны выступать в качестве противозадирных и противоизносных присадок, аналогичные свойства проявляет фосфатное стекло. Фуллерены, известные с 1985 г., привлекают внимание смазочной индустрии как материалы с размером частиц менее 100 нм. Благодаря своим размерам, наноматериалы являются потенциальными присадками, загустителями, составляющими базового масла пластичной смазки и частично твердыми веществами соответствующей трибосистемы. Простые фуллерены (главным образом С60), изготавливаемые из графита, успешно прошли тестирование в качестве твердых смазок, однако их стоимость до сих пор велика. Полагают, что слои фуллеренов между слоями графита могут способствовать созданию смазки с нулевым трением; для этой цели еще более перспективным представляется использование графенов, представляющих собой одиночный слой атомов углерода, соединенных sp2 связями. Считается, что MoS2 и WS2 в форме «неорганических фуллеренов» благодаря своей способности выдерживать чрезвычайно высокие давления в скачках уплотнения обладают большим потенциалом в качестве амортизирующих твердых смазок. В качестве наноматериалов интерес могут представлять также органические дендримеры и их металлсодержащие разновидности. Наиболее перспективным представляется применение фуллеренов в качестве основной марки наполнителя как одного из смазочных компонентов. Другими примерами твердых веществ, перспективными для применения в качестве наноматериалов в составе смазок, являются полиимиды, заполненные фуллеренами, обладающие высоким противоизносным потенциалом; а также композиты на основе нанотрубок и эпоксисоединений для пассивного демпфирования вибраций.