пластичные смазки

ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ (консистентные смазки) (от лат. consisto — состою, застываю, густею)

мазе- или пастообразные смазочные материалы, получаемые введением твердых загустителей в жидкие нефтяные или синтетич. масла и их смеси. Как правило, П. с. (в литературе их для краткости часто наз. просто смазками)-трехкомпонентные коллоидные системы, содержащие дисперсионную среду (жидкая основа), дисперсную фазу (загуститель), модификаторы структуры и добавки (наполнители, присадки). Благодаря высокой концентрации коллоидные частицы загустителя образуют пространств. структурный каркас, в ячейках которого прочно удерживается масло. Большинство П. с. имеет волокнистое строение.

Высокая степень структурирования дисперсной фазы придает смазкам пластичность, упругость и др. свойства (см. ниже), которыми они значительно отличаются от жидких смазочных материалов. При малых нагрузках или в их отсутствие П. с. проявляют свойства твердых тел: не растекаются под действием собств. массы, удерживаются на вертикальных поверхностях, не сбрасываются инерционными силами с движущихся деталей. Однако при некоторых критич. нагрузках (обычно 0,1–0,5, реже 2–3 кПа), превышающих предел прочности структурного каркаса, происходят т. наз. тиксотропные превращения: смазки разрушаются и начинают деформироваться-течь как пластичное тело без нарушения сплошности; после снятия нагрузок течение прекращается, разрушенный каркас восстанавливается и смазки снова приобретают свойства твердых тел.

Основные свойства. Оценка качества П. с. включает определение комплекса свойств, которые лежат в основе подбора и применения смазок.

Предел прочности на сдвиг — миним. нагрузка, вызывающая переход от упругопластич. деформации к течению смазки. С повышением температуры он обычно уменьшается. Температура, при которой предел прочности приближается к нулю, характеризует верх. предел работоспособности П. с. Оценка прочности производится на пластометре: сдвиг смазки осуществляется в спец. оребренном капилляре под давлением термически расширяющейся жидкости. Для большинства П. с. предел прочности на сдвиг 0,1–1 кПа (при 20 °C).

Вязкость определяет прокачиваемость при низких температурах и др. эксплуатац. свойства смазок, возможность заправки ими узлов трения. Для измерения вязкости используют, напр., капиллярные и ротац. вискозиметры. При миним. рабочих температурах и скорости деформации 10с⁻¹ вязкость П.с. не должна превышать 2 кПа ∙ с.

Мех. стабильность характеризует реологич. свойства смазок, т. е. их способность восстанавливаться после разрушения. Вследствие неблагоприятного влияния изменения мех. свойств П. с. на функционирование узлов трения (затруднены их запуск, ухудшены рабочие характеристики, поступление смазочного материала к контактным поверхностям и увеличено его вытекание) стремятся приготовлять механически стабильные смазки. Для этого, напр., уменьшают (до определенных пределов) размеры частиц загустителей и увеличивают их концентрацию, изменяют хим. состав масел, вводят соответствующие добавки. Мех. стабильность оценивается на ротац. приборе — таксометре изменением прочности П. с. при их деформировании.

Пенетрация-показатель прочности смазок. Глубина погружения конуса (стандартной массы) в течение 5 с в смазку, выраженная в десятых долях мм, наз. числом пене-трации. Чем смазка мягче, тем глубже в нее погружается конус и тем выше число пенетрации. Этот показатель используют для установления идентичности рецептур и соблюдения технологии получения смазок. Число пенетрации П. с. составляет 170–420.

Коллоидная стабильность характеризует способность смазок при хранении и эксплуатации сопротивляться выделению масла (под действием температуры, давления и др. факторов или самопроизвольному вследствие структурных изменений, напр. под воздействием собственной массы). Коллоидная стабильность смазок определяется степенью совершенства их структурного каркаса и вязкостью дисперсионной среды: чем выше вязкость масла, тем труднее ему вытекать из объема смазки. Мн. пром. смазки на основе маловязких масел или с малым содержанием загустителей недостаточно коллоидостабильны. Для предотвращения либо понижения выделения масла из таких смазок их расфасовывают в небольшую тару. Коллоидная стабильность оценивается по массе масла (в %), отпрессованного из смазки при комнатной температуре в течение 30 мин; для П. с. она не должна превышать 30% во избежание резкого упрочнения, нарушения их нормального поступления к смазываемым поверхностям и ухудшения вязкостных и смазывающих свойств.

Хим. стабильность-стойкость смазок к окислению кислородом воздуха (в широком смысле — отсутствие изменения свойств смазок при воздействии на них кислот, щелочей и др.). Окисление приводит к образованию и накоплению кислородсодержащих соед. в смазках, снижению их прочности и коллоидной стабильности и ухудшению иных показателей. Хим. стабильность П. с. удается повысить тщательным подбором масляной основы и загустителей, введением антиокислит. присадок, изменением технол. режимов приготовления. Стойкость к окислению особенно важна для таких смазок, которые заправляются в узлы трения 1 −2 раза в течение 10–15 лет, работают при высоких температурах, в тонких слоях и в контакте с цветными металлами. Большинство методов определения этого показателя для П. с. основано на их окисляемости в тонком слое на к.-л. поверхности (стекло, сталь, медь) при повышенной температуре, оцениваемой по величине индукц. периода и скорости поглощения кислорода.

Термич. стабильность-способность смазок не изменять свойства и не упрочняться при кратковрем. воздействии высоких температур. Термоупрочнение затрудняет поступление к узлам трения смазок, ухудшает их адгезионные свойства. Термич. стабильность П. с. оценивается на приборе, наз. проч-номером, по изменению предела их прочности до и после выдерживания при повышенных температурах.

Испаряемость-показатель стабильности состава смазок при хранении и применении; зависит гл. обр. от испаряемости масла, которая тем выше, чем ниже хим. стабильность смазочного материала, тоньше слой и больше его поверхность. Количеств. оценка испаряемости смазок основана на измерении потери массы (в %) образца, который выдерживается в стандартньйс условиях в течение определенного времени при постоянной температуре.

Микробиол. стабильность-стойкость смазок к изменению состава и свойств под действием микроорганизмов. Для предотвращения микробиол. поражения смазок в них вводят бактерицидные препараты-антисептики (напр., салициловую кислоту, фенолы, орг. производные Hg, Sn и др.) и некоторые присадки. Этот показатель оценивают по отсутствию или росту, напр., грибков на поверхности П. с. в чашках Петри либо на металлич. пластинках.

Радиац. стойкость-показатель стабильности смазок при воздействии излучений высоких энергий (a- и β-частицы, γ-кванты, своб. электроны). Стойкость П. с. к облучению в значит. степени определяется составом дисперсионной среды и м. б. представлена след. рядом: полисилоксаны < < сложные эфиры < нефтяные масла < простые эфиры. В зависимости от типа загустителей смазки могут приобретать "наведенную" радиоактивность; наиб. легко становятся радиоактивными Na-смазки (см. ниже). О радиац. стойкости П. с. судят по изменению их свойств после облучения определенной интенсивности. Суммарная доза 5∙(10⁴–10⁶) Gρ вызывает, как правило, разрушение волокон загустителей и изменение свойств смазок.

Температура каплепадения — миним. температура, при которой происходит падение первой капли нагреваемой смазки; условно характеризует температуру плавления загустителя. Макс. температуру применения смазок обычно принимают на 15–20 °C ниже их температуры каплепадения. Однако далеко не для всех П. с. она позволяет правильно судить об их высокотемпературных свойствах. Так, температура каплепадения Li-смазок (см. ниже) отличается от температур, соответствующих верх. пределу их работоспособности, на 40–70 °C.

Для оценки антикоррозионных свойств П. с. металлич. пластинку погружают в них при повышенной температуре, зависящей от температуры каплепадения; об агрессивности смазок судят по изменению состояния поверхности пластинки. Противоизнос-ные свойства П. с. определяют на четырехшариковой машине трения; предельно допустимые значения износа шариков устанавливают в зависимости от назначения смазок и условий их эксплуатации. Защитные (консервационные) свойства П. с. оценивают при воздействии на смазку, нанесенную на металлич. пластинку, повышенных влажности и температуры, SO₂, тумана HCl и др. агрессивных сред. Оценка эксплуатац. свойств П. с. включает также определение в них содержания воды, кислот и своб. щелочей.

Повышение требований к надежности и долговечности работы совр. машин и механизмов, а также ужесточение условий применения П. с. обусловливают необходимость регулирования и улучшения их качества путем тщательного подбора дисперсионных сред, дисперсных фаз, введения добавок и их композиций, совершенствования технологии приготовления.

Дисперсионная среда. Жидкая основа в значит. мере определяет вязкостно-температурные характеристики, стабильность и др. свойства П. с. В качестве дисперсионной среды, содержание которой в смазках составляет 70–90% по массе, используют товарные нефтяные масла малой и средней вязкости (не более 50 мм²/с при 50 °C). При подборе жидкой основы учитывают также хим. состав (содержание смол, полициклич. ароматических углеводородов, кислородных соед.), заметно влияющий на формирование структуры смазок. Для приготовления П. с., работоспособных при высоких температурах (150–200 °C и более), служат обычно синтетич. масла (полисилоксаны, полигликоли, сложные эфиры, перфтор- и перхлоруглероды и др.). Регулирование эксплуатац. свойств смазок и более эффективное их использование достигаются применением композиций синтетич. и нефтяных масел.

^{НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПИЧНЫХ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК}

таблица в процессе добавления

Дисперсная фаза. Содержание загустителей в смазках составляет, как правило, 10–15%, при низкой загущающей способности-до 20–50% по массе. Загустители оказывают наиб. влияние на структуру и свойства П. с. и подразделяются на органические и неорганические.

Смазки на орг. загустителях: мыльные [загустители-соли высших жирных кислот (мыла)]; углеводородные (твердые предельные углеводороды C₁₈-C₃₅, C₃₆-C₅₅ и др.); пигментные (орг. красители); полимерные (напр., фторопласты); уреатные (алкил-, ацил- и арилпроизводные мочевины); на основе целлюлозы, солей терефталевой кислоты и т. д.

Мыльные смазки различают по катионам-кальциевые, натриевые, литиевые и др. Среди Са-смазок, выпуск которых в СССР составляет 75% выработки всех П. с., особенно важны составы на гидратир. Са-мылах-солидолы, работоспособные при температурах от −30 до 70 °C. Широко используют безводные П. с. на основе комплексных Са-мыл (кСа-смазки), в которых загустителями служат комплексные соед. солей высокомол. (обычно стеариновой) и низкомол. (как правило, уксусной) жирных кислот; эти смазки более термостойки по сравнению с обычными кальциевыми и работоспособны до 160 °C. Распространены (10% выпуска всех П. с.) также Na-смазки, особенно консталины, работоспособные до 110–120 °C; однако они растворимы в воде и легко смываются с металлических поверхностей. Все большее применение получают многоцелевые Li-смазки, совмещающие достоинства кальциевых (водостойкость) и натриевых (т. каплепад. 170–200 °C) смазок и работоспособные при температурах от −50 до 130 °C (см., напр., литол). Кроме перечисленных П. с. в ряде случаев используют смазки на основе солей Al, Ba, Pb, Zn и др.

Углеводородные смазки (напр., пушечная, ЦИАТИМ-205) получают загущением гл. обр. вязких остаточных или высокоочищенных нефтяных масел твердыми углеводородами — парафином, церезином, их смесью, а также петролатумом, к которым иногда добавляют пчелиный и др. прир. воски. Эти смазки отличаются низкой температурой каплепадения (45–70 °C), высокими водо- и морозостойкостью, а также хим. стабильностью, способностью после расплавления и послед, охлаждения восстанавливать структуру и свойства.

Пигментные смазки (напр., ВНИИ НП-235) приготовляют введением преим. в синтетич. масла (полисилоксаны, поли-фениловые эфиры) в количествах 20–50% по массе красителей — индантрена, изовиалонтрона, фталоцианина меди и др. Отличаются высокими мех., коллоидной и хим. стабильностью, работоспособны при температурах от −80 до 250–300 °C и выше.

Полимерные смазки (напр., ВНИИ НП-233) получают загущением перфторполиэфиров, перфтор- и перфторхлор-углеродов сходными с ними по хим. природе высокомол. твердыми полимерами (напр., полиуретанами). Чрезвычайно химически стабильны и работоспособны до 300 °C.

Смазки на неорг. загустителях. Получают загущением нефтяных и синтетич. масел неорг. соединениями: силикагелем (напр., смазки ВНИИ НП-279 или 282), стекловолокном, асбестом, бентонитовыми глинами (напр., смазка ВНИИ НП-273) и т. д. Эти смазки стабильны при высоких температурах (200–300 °C, в перспективе — при 400–600 °C), радиоактивном облучении и др. сильных внеш. воздействиях.

Загустители используют как в отдельности, так и в сочетании друг с другом. В случае смешанных загустителей каждый компонент выполняет свою функцию: так, мыла улучшают смазочную способность, твердые углеводороды повышают водостойкость, неорг. загустители расширяют температурный диапазон применения смазок.

Некоторые важные характеристики П. с. приведены в таблице.

Модификаторы структуры и добавки. Улучшение качества смазок достигается присутствием в них модификаторов структуры и введением наполнителей и присадок.

Прочность пространств. структурного каркаса смазок повышается благодаря т. наз. модификаторам структуры. Причины их присутствия в смазках: вносятся дисперсионной средой (напр., смолы и нефтяные кислоты); образуются при приготовлении — т. наз. технол. ПАВ (продукты окисления жидкой основы, избыток жирового сырья и продукты его превращений); накапливаются при хранении и применении (кислородсодержащие соед.) и т. д.

Наполнители (1–15%, реже до 20% по массе и более)-твердые высоко дисперсные (размер частиц до 10 мкм) вещества-графит, техн. углерод (сажа), MoS₂, BN, алюмосиликаты, порошки Sn, Cu и др. металлов. Обладают слабым загущающим действием, практически нерастворимы в дисперсионной среде, образуют самостоят. фазу в смазках и способствуют упрочнению их граничных слоев.

Присадки (0,001–5% по массе) — обычно орг. соед., растворимые в дисперсионной среде, оказывают существ. влияние на формирование структуры и реологич. свойства смазок. Осн. присадки: антиокислительные (напр., ионол), антикоррозионные (нитрованный окисленный петролатум и др.), противоизносные (напр., трикрезилфосфат), вязкостные (полиизобутилены и др.) и т. д. (см. также присадки к смазочным материалам). Эффективно также использование в П. с. композиций присадок и наполнителей.

Получение. Технол. процессы производства смазок м. б. периодическими (обычно при выпуске большого ассортимента некрупными партиями) или непрерывными (целесообразны при выработке крупных партий одного сорта смазки). Типичная периодич. технология приготовления наиболее распространенных мыльных смазок заключается в следующем. В варочный котел загружают 15–30% нефтяного масла и всю порцию жирового компонента. Ингредиенты при перемешивании нагревают до 70–80 °C и добавляют водный раствор щелочи. При интенсивном перемешивании и температуре до 110 °C происходит омыление жиров, после чего температуру повышают до 130 °C для выпаривания излишнего количества воды. Затем смесь полученной мыльной основы и остатка масла нагревают до температуры плавления мыла. По окончании варки мыльный расплав охлаждают. Режим охлаждения определяет пространств. каркас смазок: при быстром понижении температуры образуются мелкие, при медленном — крупные частицы загустителя. Смазки, полученные путем быстрого охлаждения расплава, отличаются большей прочностью. Наиб. упорядоченная и прочная структура П. с. формируется в режиме изотермич. кристаллизации.

Принципиальная технол. схема непрерывного производства смазок: измельчение готового сухого мыла; приготовление суспензии его порошка в половине общего количества синтетич. масла; нагревание суспензии до образования расплава; смешение последнего с остальным количеством нагретого масла; охлаждение мыльного расплава. Технология получения углеводородных смазок намного проще, чем мыльных, и сводится в осн. к сплавлению при перемешивании компонентов, выпарке воды и охлаждению готового расплава.

Стабильность охлажденных после приготовления П. с. повышают продавливанием их через узкие кольцевые отверстия под давлением 20–25 МПа (гомогенизация) или через щелевые зазоры в полость спец. аппарата, из которого непрерывно откачивают воздух (деаэрация).

Применение. Свойства П. с. определяют их преимущества перед жидкими смазочными материалами: малый уд. расход (иногда в сотни раз меньший); возможность создания более простых конструкций машин и механизмов, больший их "межсмазочный" период эксплуатации и значительно более низкие затраты на обслуживание.

Благоприятное сочетание свойств жидкости и твердого тела позволяет использовать П. с. в разнообразных узлах трения: открытых, негерметизированных, труднодоступных, расположенных под углом к горизонту, работающих в широких диапазонах температур и скоростей, а также в вакууме; в механизмах с редко сменяемыми смазками, при недопустимости загрязнения ими среды или попадания на детали и перерабатываемые материалы, при вынужденном контакте с водой и др.

По назначению различают П. с. (см. также табл.): для снижения трения и износа деталей машин и механизмов (см. антифрикционные смазки, металлоплакирующие смазочные материалы); для защиты металлических изделий от коррозии и предотвращения износа (см. канатные смазки, консервационные смазки); для герметизации резьбовых соед., сальников, щелей, зазоров и т. д. (см. уплотнительные смазки); для спец. целей увеличения трения для предотвращения проскальзывания трущихся поверхностей (фрикционные смазки), улучшения их приработки (приработочные смазки) и др. Кроме этих осн. функций, смазки выполняют роль электро-изоляц. материалов, защищают детали узлов трения от ударных нагрузок, снижают вибрации и шум.

Мировое производство П. с. составляет ок. 1 млн. т/год, или примерно 4% выработки нефтяных масел (1989).

^{Лит.: Фукс И. Г., Пластичные смазки, М., 1972; его же, Добавки к пластичным смазкам, М., 1982; Синицын В. В., Пластичные смазки в СССР, 2 изд., М., 1984; Ищук Ю. Л., Технология пластичных смазок, К., 1986; Вава-нов В. В., Вайншток В. В., Гуреев А. А., Автомобильные пластичные смазки, М., 1986; Гуреев А. А., Фукс И. Г., Лашхи В. Л., Химмотология, М., 1986, с. 278- 363; Климов К. И., Антифрикционные пластичные смазки, М., 1988; Смазочные материалы. Справочник, М., 1989, с. 113–50; Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение. Справочное издание, под ред. В. M. Школьникова, М., 1989, с. 257–321.}

_{А. В. Виленкин}