3. Свойства смазок и методы их оценки

К основным характеристикам пластичных смазок относят:

- предел прочности, вязкость, коллоидная стабильность, температура каплепадения, механическая стабильность, водостойкость и др.

Прочностные свойства. В процессе эксплуатации автомобилей было установлено, что некоторые пластичные смазки, заложенные в ступицы колес при температуре значительно меньшей температуры их каплепадения, стекали с сепараторов конических подшипников, что приводило к быстрому перегреву и разрушению подшипников. В ряде случаев это было причиной серьезных аварий.

Для выяснения причины этого явления были изготовлены специальные стенды, имитирующие работу смазки в ступице колеса.

Нагрузочные механизмы обеспечивали радиальные и осевые нагрузки, электрический привод вращал ступицу с необходимой частотой, а термопары измеряли температуру во внутренней ее полости в зоне подшипников. В результате лабораторных исследований выяснилось, что температура каплепадения не может быть однозначным критерием при подборе смазки подшипников ступиц колес. Решающим фактором здесь оказался предел прочности сдвига смазки. Стало очевидным, что под действием центробежных сил смазка сбрасывается с сепаратора подшипника при температурах на 100 - 120 °С ниже, чем температура их каплепадения. Были разработаны и стандартизованы специальные приборы, точно определяющие предел прочности сдвига смазок при данной температуре.

Исследованиями установлено, что для предотвращения сброса смазок с сепараторов подшипников предел прочности сдвига должен быть не менее 180—200 Па при температуре 50 °С, и предел прочности сдвига был введен как важнейший показатель качества смазок в государственные стандарты.

Пределом прочности смазки называют то минимальное удельное напряжение, при котором происходит разрушение каркаса смазки в результате сдвига одного её слоя относительно другого. Этот показатель характеризует способность смазок удерживаться в узлах трения, противостоять сбросу с движущихся деталей под влиянием инерционных сил и удерживаться на наклонных и вертикальных поверхностях, не стекая и не сползая. Когда напряжение сдвига превышает предел прочности, смазки начинают течь.

Для обычных рабочих температур предел прочности не должен превышать 300-500 Па (1кг/мм² = 1010⁶ Па = 10⁷ Н/м²), при 20 °С он составляет 1300-1500 Па, а минимальное значение в рабочей зоне с наибольшей температурой должно быть не ниже 100-200 Па.

Вязкость. Вязкость пластичных смазок принципиально отличается от понятия вязкости жидкостей. Пластичные смазки обладают структурной вязкостью, которая имеет совершенно иную природу. Особенностью структурной вязкости является ее зависимость не только от температуры, но и от градиента скорости сдвига отдельных слоев или частичек относительно друг друга. Причем, чем больше эта скорость, тем меньше вязкость смазки.

Известно, что вязкость любой жидкости зависит от внутреннего трения ее слоев при течении, т. е. при взаимном перемещении этих слоев. При очень тонких слоях (когда их толщина становится соизмеримой с размерами молекул жидкости) можно говорить о вязкости, как о внутримолекулярном трении.

Когда касательные напряжения, возникающие в слоях смазки, превышают определенное значение, смазка начинает вести себя как очень вязкая жидкость, вследствие того, что кроме внутримолекулярного трения, характерного для жидкой основы, возникает сопротивление, оказываемое загустителем, который в смазке обычно образовывает упругий каркас. Причем, чем выше градиент скорости сдвига отдельных слоев смазки относительно друг друга, тем меньше кажущаяся вязкость смазки.

Упрощенно этот механизм можно себе представить как скольжение слоев каркаса загустителя один по другому. Чем выше градиент скорости между слоями каркаса загустителя, тем меньше взаимодействие между этими слоями. Поверхности слоев ориентируются в направлении скольжения, что внешне проявляется как уменьшение внутреннего трения или, что одно и то же, как уменьшение вязкости.

Вместе с тем установлено, что вязкость пластичной смазки при любом, даже очень высоком градиенте скорости сдвига, всегда несколько выше вязкости базового масла при той же температуре. Таким образом, в отличие от жидких смазочных материалов, например, моторных масел, вязкость которых зависит только от температуры, вязкость пластичных смазок зависит от двух условий: от температуры и градиента скорости сдвига. Причем, чем выше градиент скорости сдвига, тем меньше вязкость смазки при данной температуре.

Единицей градиента скорости является с^-1. Если указывают вязкость пластичного смазочного материала, то эта вязкость обязательно относится к определенному градиенту скорости сдвига смазки. Регулируя зависимость вязкости смазочного материала от градиента скорости сдвига, можно обеспечить прокачиваемость и заполнения узлов трения с необходимой способностью смазочного материала удерживаться в этих узлах. Прокачиваемость особенно важна для пресс-солидолов, которые закачиваются в узел трения через специальную масленку с помощью солидолонагнетателей.

Проходя через узкие каналы и щели с большой скоростью, смазка временно уменьшает свою вязкость и относительно легко проходит и заполняет все свободные объемы в смазываемом узле, выполняя свои смазочные функции и предохраняя трущиеся детали от песка, воды, пыли и других вредных веществ.

Когда смазка начинает течь подобно жидкости, при постоянной температуре с увеличением скорости течения – деформации, вязкость смазки понижается в сотни и тысячи раз. Вязкость смазки в условиях рабочей температуры и скорости деформации 10 с^-1 не должна превышать 15-20 тыс. Пас. Вязкостные свойства смазок при температурах от -70 до 100 °С определяют на автоматических капиллярных вискозиметрах АКВ.

Теплостойкость. Установлено, что пластичные смазочные материалы с повышением температуры постепенно размягчаются и теряют свои упругие свойства, но происходит этот процесс постепенно. Поэтому они не имеют определенной температуры плавления. Теплостойкость их определяют по температуре каплепадения, т. е. по той минимальной температуре, при которой под действием силы тяжести образуется первая капля, вытекающая из специального прибора (рис. 1).

Многолетними наблюдениями установлено, что температура смазываемого узла трения должна быть обязательно на 20—25 °С ниже температуры ее каплепадения. Например, температура каплепадения смазки, применяемой для подшипников насоса системы охлаждения, должна быть не ниже 125—135 °С, так как температура охлаждающей жидкости (антифриза) может в некоторых случаях достигать 110-120 °С.

Температура подшипников ступиц колес автомобиля, как показали специальные исследования, может достигать 120—150 °С. Поэтому подшипники ступиц колес нельзя смазывать солидолом, температура каплепадения которого обычно не более 75—80 °С. Теплостойкость зависит от загустителя. Если в качестве загустителя применен церезин или парафин, то смазки относятся к группе низкоплавких (технический вазелин), его температура каплепадения обычно не превышает 55—60 °С, и применяют их чаще для консервации и предохранения от коррозии (отсюда название «консервационный»).

Самыми распространенными являются солидолы, относящиеся к среднеплавким смазкам. Их температура каплепадения 65— 100 °С, в качестве загустителя используют кальциевое мыло. Солидолами смазывают узлы трения подвески, шарниры рулевого управления и другие подвижные сочленения, температура которых не поднимается выше 30-40 °С.

Для подшипников ступиц колес, насосов систем охлаждения и других узлов, где температура может достигнуть 100—150 °С, применяют только тугоплавкие смазки. Их готовят, используя литиевые или натриевые мыла. Можно применять также комплексные кальциево-натриевые мыла, так как смазки, приготовленные только на натриевых мылах (консталины), неводостойкие, что препятствует их использованию для ступиц колес, где возможно попадание воды.

Температура каплепадения – это такая температура, при которой падает первая капля смазки, помещенной в капсюле специального прибора, нагреваемого в стандартных условиях. Температура каплепадения зависит от вида загустителя и в меньшей степени от его концентрации. Смазки подразделяются на низкоплавкие (Н), среднеплавкие (С) и тугоплавкие (Т). Во избежание вытекания смазки из узла трения температура каплепадения должна превышать температуру трущихся деталей на 15-20 °С. Температура в узлах трения не должна превышать 110-120 °С.

Механическая стабильность – важный эксплуатационный показатель, характеризующий способность смазок: противостоять разрушению. Смазки с плохой механической стабильностью быстро разрушаются, разжижаются и вытекают из узлов трения. Однако механически нестабильные смазки можно применять в герметизированных узлах трения. Для определения механической стабильности смазок применяют прибор – тиксометр: на нем измеряют предел прочности до и после разрушения смазки.

Водостойкость смазки определяют как совокупность свойств: не смываться с водой или не сильно изменять свои свойства при попадании на неё влаги. Наилучшей водостойкостью обладают смазки с углеводородным загустителем. Удовлетворительная водостойкость кальциевых смазок. Смазки на натриевых и калиевых мылах хорошо растворимы в воде. Растворимость смазок определяют только качественно по изменению внешнего вида (полный или частичный распад) комка смазки в холодной (24 ч при 20 °С) и кипящей (1 ч) воде. Если температура плавления смазки ниже 100 °С испытание в кипящей воде неприемлемо.

Термоупрочнение – это изменение свойств смазок при нагревании и охлаждении. Отдельные смазки: после кратковременного нагрева и последующего охлаждения упрочняются. Их предел прочности иногда повышается в десятки и даже – сотни раз. Такие смазки перестают поступать к рабочим поверхностям.

Химическая стабильность и противокоррозионные свойства – это стойкость смазки против окисления кислородом воздуха. Пенетрация (проникновение) – характеризует консистенцию (густоту) смазки по глубине погружения в неё конуса стандартных размеров и массы. Пенетрация измеряется при различных температурах и численно равна количеству миллиметров погружения конуса, умноженному на 10.

Консервационные (защитные) свойства определяют способность смазки предохранять металлические поверхности от коррозионного воздействия внешней среды. В качестве консервационных непригодны водорастворимые смазки. Смазки предотвращают коррозию металлов в условиях 100 %-ой относительной влажности в слоях толщиной порядка сотых долей миллиметра.

Консистентность (густота). Для определения консистентности смазок используют пенетрометр. Консистентность выражается числом пенетрации, которое представляет собой глубину проникновения иглы пенетрометра в смазку, выраженное в десятых долях миллиметра, под действием силы 1,5 Н в течение 5 с. Число пенетрации всегда указывают при температуре 25 °С; оно обратно пропорционально консистенции. Чем мягче смазка, тем больше число пенетрации.

Коллоидная стабильность. Под коллоидной стабильностью пластичных смазок понимают свойство не выделять жидкое масло (основы) в течение длительного времени.

Для современных пластичных смазок коллоидная стабильность стала важнейшим показателем их качества, поскольку все больше появляется узлов и механизмов, в которые закладывается смазка в процессе сборки узлов на весь срок их эксплуатации. К ним относятся шаровые шарниры, подшипники качения ступиц колес, электрических генераторов, опорные подшипники первичного валика коробки передач (устанавливаемые в маховики двигателя). В наиболее современных конструкциях они смазываются только при их сборке на заводе. Это требует очень высокой коллоидной стабильности применяемых смазок, которые не должны расслаиваться в течение нескольких лет.

Чем выше вязкость базового масла и чем мельче структура загустителя, тем, как правило, выше коллоидная стабильность смазок. Показатель коллоидной стабильности определяют в специальном приборе по количеству масла, выдавленного из смазки и выраженного в процентах к общей массе исходного продукта. Все факторы, способствующие разрушению каркаса смазки или уменьшению вязкости его основы, способствуют уменьшению коллоидной стабильности. Наилучшей коллоидной стабильностью обладают смазки, загущенные литиевыми мылами. Их обычно и применяют в узлах, которые смазывают только при сборке на заводе.

Расслоение смазочного материала обычно наблюдается при его длительном хранении, при этом значительно снижаются его первоначальные свойства, он густеет, покрывается коркой и становится непригодным к применению.

Химическая стабильность. Под химической стабильностью понимают способность отдельных компонентов и смазки в целом сопротивляться окислительным процессам. Химическая стабильность пластичных смазок, так же как и жидких, зависит от окислительных процессов, но в данном случае ее закономерности носят более сложный характер. Химическая стабильность связана не только с химической стабильностью базового масла (хотя это очень важно), но и с химической стабильностью загустителя и его взаимодействием с базовым маслом.

Меньше других на окислительные процессы базового масла влияют такие загустители, как парафин и церезин. Поэтому полученные на их основе смазки (технические вазелины) обладают очень высокой химической стабильностью. Смазки, полученные на мыльных загустителях (солидолы, консталины, литолы), обычно обладают меньшей химической стабильностью, чем базовые масла, так как мыла, использованные при их изготовлении, будучи сложными химическими соединениями, часто являются наименее стабильным компонентом смазки. Кроме того, мыла действуют и на окислительные процессы базового масла, как своего рода катализаторы сложных многостадийных окислительных процессов.