Традиционно смазочные материалы делали из нефти. Нефтяные масла в зависимости от способа получения делят на дистиллятные, остаточные, компаундированные. Дистиллятные масла производят из нефтяных дистиллятов, выделенных вакуумной перегонкой из мазута, остаточные – из того, что осталось после вакуумной перегонки мазута, гудрона. Компаундированные масла – это смесь дистиллятных и остаточных масел. Нефть не является веществом с однородной структурой, она содержит примеси и различается по составу в зависимости от происхождения. В силу этого нефтяные масла представляют собой сложные смеси, состоящие из парафиновых, ароматических и нафтеновых углеводородов смешанного строения. В состав таких масел входят также кислородо-, серо- и азотсодержащие органические соединения, смолисто-асфальтеновые вещества. Элементарный состав соединений, строение молекул углеводородов и их молекулярная масса влияют на показатели плотности, вязкости, температуры кипения и застывания, поверхностную активность и другие физико-химические свойства масел.
Традиционно моторные масла оценивают по вязкостно-температурным свойствам, но этот критерий далеко не полный. Тем не менее вязкостно-температурная характеристика одна из важнейших для масел этого типа. От вязкости холодного масла напрямую зависит пусковой износ двигателя. Масла с низкой вязкостью лучше проникают в зазоры между взаимно перемещающимися деталями. При этом сухое и пограничное трение сменяется на вязкостное, и износ двигателя при пуске уменьшается. И наоборот, при работе в тяжелых условиях с ударными нагрузками предпочтение отдается более вязким маслам.
Повышения подвижности масел при низких температурах достигают, применяя синтетические продукты, преимущественно полиальфаолефины, алкилбензолы, эфиры. Производство синтетических материалов взамен нефтепродуктов началось в Германии в годы Второй мировой войны, а через 20 лет американская компания Chevron предложила рынку синтетическое моторное масло.
Износ деталей двигателя увеличивают продукты разложения масла, действующие как абразив. Таковыми являются зольные отложения. Поэтому масло должно обладать высокой стойкостью к окислению, это предотвратит изменение химического состава в процессе работы.
Вредное воздействие на двигатель оказывают химическая активность масла, повышенное содержание серы. Сера попадает в масло при изготовлении из нефти, и при работе из топлива. Ухудшают смазочные свойства также пенообразование и эмульгируемость масла. Пенообразование возрастает с износом цилиндропоршневой группы, вызывающим повышенный угар и разогрев масла.
Помимо этого моторные масла должны обладать низкой испаряемостью. Испаряемость определяет расход масла в процессе эксплуатации вне зависимости от потерь на угар и напрямую связана с его термической устойчивостью. Склонность масла к испарению оценивают специальными методами, разработанными Ассоциацией Европейских Производителей Автомобилей – ACEA и API. Для этого предлагаются специальные компактные лабораторные установки, которые легко разместить на столе. Методика испытаний на испаряемость разработана ASTM (Американское общество по испытанию материалов) и называется NOACK Volatility Test ASTM D5800; испаряемость выражается в процентах. Для высококачественных масел этот параметр не должен превышать 14% от объема масла, выдерживаемого определенное время при 150 °С, но может превышать и 20%. Для синтетических масел испаряемость составляет от 10 до 6%. Таким образом, испаряемость моторного масла сопоставима с потерями на угар.
Но если бы только в потерях было дело! Масло с хорошей термической устойчивостью образует, как правило, хорошую смазочную пленку, разделяющую трущиеся поверхности и снижающую износ. Тепловое воздействие и контакт с кислородом воздуха вызывают старение масла. Кислород соединяется с наименее стойкими компонентами масла и образует кислоты, под действием которых металлические детали корродируют. Окисление, термохимические изменения и посторонние вещества изменяют химический состав масла. В свою очередь химический состав определяет свойства масел, поэтому изменение химического состава приводит к изменению свойств масла. Термохимические процессы снижают содержание наиболее летучих фракций в масле, вызывают тепловое разложение, дегидрирование и осмоление части углеводородных компонентов, в результате увеличиваются молекулярная масса, вязкость и плотность. Образующиеся смолы имеют темный цвет, из-за их увеличения масло темнеет.
Более устойчивы к перечисленным выше вредным воздействиям синтетические масла. Автомобилисты старшего поколения помнят, что стоило немного «подогреть» двигатель, как кольца «залегали». Современные моторные масла «прощают» неисправности системы охлаждения, а совершенствование смазочных материалов позволило поднять рабочую температуру двигателей.
Кроме высоких температур масло должно противостоять высоким давлениям, действующим в дизеле на масло, вызывая его загущение, поскольку в микрообластях контакта могут возникать давления, достаточные для перехода масла из жидкого состояния в твердое. Это характерно для масел с большой вязкостью.
Масла не должны отрицательно влиять на уплотнительные материалы, не быть токсичными и не наносить биоповреждения при контакте с уплотнением. Проблему набухания резины при контакте с нефтепродуктами решили, применив фтористые каучуки. Воздействие масел на кожу проверяют на животных в лабораториях.
Кроме уже перечисленных положительных свойств моторного масла, которые усиливаются присадками (вязкостно-температурные, антиокислительные, противоизносные, защитные и антикоррозионные, диспергирующие и стабилизирующие, противопенные), масло характеризуют противопиттинговые, демпфирующие свойства. Присадками называют органические маслорастворимые продукты. Твердые нерастворимые вещества называют добавками. Добавки вводятся как антифрикционные компоненты. В качестве присадок используется более ста органических соединений, оказывающих влияние не только на свойства масла, но и друг на друга. Присадки вводят в масло в небольших количествах: от долей процента до нескольких процентов. Больше всего в моторном масле содержится моющих присадок – от 3 до 15%. Диспергирующие, антиокислительные и противоизносные присадки составляют до 2% каждая, антикоррозионная – до 1%. В композициях их общая концентрация может превышать 15%. Исключением являются вязкостные присадки, они могут составлять до 30%.
В моторном масле должны присутствовать моющие присадки – детергенты. Они влияют на склонность масел к образованию различных отложений, преимущественно на нагретых рабочих поверхностях и в системе смазки двигателя. Вдобавок они нейтрализуют различные продукты окисления, накапливающиеся в масле. Диспергирующие присадки – дисперсанты используются для повышения коллоидной стабильности масла, удерживая в его объеме примеси органического и неорганического характера, накапливающиеся в процессе работы. В моторном масле слишком большая концентрация моющих присадок может привести к возникновению повышенного абразивного износа из-за высокой зольности масла.
Для нейтрализации коррозионно-агрессивных продуктов, накапливающихся в масле при работе, в него вводят детергент, количество которого выбирают в зависимости от условий работы масла и особенностей конструкции двигателя, в котором масло предполагается использовать. При этом масло само должно обладать низкой коррозионной активностью.
Поскольку все присадки являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), независимо от их функционального назначения они влияют на смазочную способность масла. ПАВ образуют на твердых поверхностях защитные пленки, которые в процессе работы двигателя разрушаются, но тут же восстанавливаются.
Для долгой работы двигателя из масла надо эффективно удалять механические примеси, продукты износа и коррозии, воду и др. Содержание этих веществ отрицательно сказывается на способности масла противодействовать износу трущихся поверхностей.
Андрей Карасёв, журнал «Основные средства»