Присадки к смазочным материалам: полное руководство

Смазочные материалы обеспечивают движение всего вокруг. Как только что-то приходит в движение, рядом должна быть смазка, чтобы снизить трение или износ между поверхностями. 

Но что делает смазочные материалы такими уникальными? Неужели только базовое масло?

Нет. Именно здесь раскрывается сила присадок — области, которую многие упускают из виду. Эта статья посвящена тем самым невоспетым героям индустрии: их типам, функциям и некоторым связанным с ними сложностям.

Зачем нужны присадки к смазочным материалам?

Прежде чем погрузиться в мир присадок, давайте вернемся к основам: зачем они нужны? Смазочный материал состоит из базового масла и присадок. В зависимости от типа масла, для разных областей применения используются разные соотношения присадок. Кроме того, каждый производитель смазочных материалов имеет свою уникальную рецептуру.

Чтобы упростить понимание, можно представить процесс приготовления чашки чая. Сначала нам нужна горячая вода в чашке. Это наше базовое масло. Саму по себе воду тоже можно использовать (некоторые люди пьют горячую воду или применяют ее для других целей), но если мы хотим сделать чай, нам нужно добавить ингредиенты.

В зависимости от цели, с которой вы пьете чай, вы можете выбрать определенный вкус. Возможно, мяту перечную – для улучшения пищеварения или для повышения концентрации внимания, либо ромашку – чтобы успокоиться. Эти вкусы олицетворяют различные типы масел: редукторные, турбинные или моторные. Разные смеси подходят для разных применений.

Теперь, хотя мы добавили чайный пакетик в горячую воду (и некоторые люди могут пить чай так), другим нужно добавить подсластитель или молоко. Вот это и есть присадки к базовому маслу (горячей воде). В зависимости от предпочтений человека, пьющего чай, будет разное количество подсластителя (мед, стевия или сахар) и разное количество молока (обычное, обезжиренное, овсяное, безлактозное). Комбинации бесконечны!

То же самое можно сказать о присадках в готовых смазочных материалах. В зависимости от типа масла (вкуса чая – например, редукторное или турбинное масло) и его применения (человек, пьющий чай, с диетическими предпочтениями: без молока или без сахара), комбинация присадок и их соотношение будут различаться. Процентное содержание присадок может варьироваться от 0,001 до 30 % в зависимости от типа масла.

Присадки выполняют в готовом смазочном материале три основные функции. Они могут:

• Улучшать – повышать некоторые свойства базового масла
• Подавлять – снижать некоторые характеристики базового масла
• Добавлять новые свойства – вводить в базовое масло новые функции

Готовый смазочный материал будет сочетать свойства базового масла и присадок. Давайте подробнее рассмотрим, как работают эти присадки и каковы их характеристики.

Типы присадок к смазочным материалам

Существует множество типов присадок, и у разных поставщиков есть различные рецептуры. В этом разделе мы рассмотрим наиболее распространенные присадки, встречающиеся в готовых смазочных материалах.

Депрессорные присадки (понижают температуру застывания)

Все жидкости имеют определенную температуру, при которой они могут эффективно течь. Вязкость жидкости и текущая температура определяют, насколько быстро она движется.

Как следует из названия, депрессорные присадки помогают снизить температуру, при которой смазочный материал сохраняет текучесть.

Загустители индекса вязкости (модификаторы вязкости)

Загустители индекса вязкости помогают смазочному материалу увеличивать свою вязкость при более высоких температурах, позволяя смазочным материалам работать в более широком температурном диапазоне.

Модификаторы трения

Когда две поверхности трутся друг о друга, возникает трение. В зависимости от типа и степени трения, на некоторых поверхностях может происходить схватывание (микросварка) и даже адгезионный износ. Именно здесь модификаторы трения могут помочь, снижая силы трения, связанные с «рывкообразным» движением (эффект stick-slip) и шумами.

Пеногасители (антивспенивающие присадки)

Некоторые смазочные материалы в своих системах подвержены пенообразованию. При образовании пены это значительно влияет на функции смазочного материала и может привести к чрезмерному износу из-за недостатка смазки (пена разрушает поверхность смазки), кавитации (из-за наличия пузырьков воздуха) и даже усилению окисления (из-за воздуха, захваченного в системе). Пена также может влиять на способность жидкости передавать тепло или охлаждать. Пеногасители снижают количество образующейся пены.

Ингибиторы окисления (антиоксиданты)

Окисление происходит в большинстве смазочных материалов. В процессе окисления возникают свободные радикалы, которые размножаются, образуя алкильные или пероксильные радикалы и гидропероксиды, которые в конечном итоге вступают в реакцию с другими веществами, формируя побочные продукты окисления.

Обычно на стадии размножения используются антиоксиданты для нейтрализации свободных радикалов или разложения гидропероксидов. Такие присадки по своей природе являются расходуемыми, поскольку они защищают базовое масло от окисления, сами при этом истощаясь.

Существует множество типов антиоксидантов, включая фенольные и ароматические азотсодержащие соединения, затрудненные фенолы, ароматические амины, дитиофосфаты цинка и некоторые другие.

Ингибиторы ржавчины и коррозии

Если кислород и вода присутствуют в месте, содержащем железо, то может образоваться ржавчина. Коррозия поражает цветные металлы в присутствии кислот в смазочном материале. Большинство единиц оборудования довольно легко подвержены ржавлению и коррозии, поэтому были разработаны эти ингибиторы для смягчения этих эффектов путем формирования защитных слоев на поверхностях оборудования.

Детергенты (моющие присадки) и дисперсанты

Детергенты и дисперсанты часто путают, так как они обычно работают вместе, предотвращая накопление отложений в маслах. Детергенты нейтрализуют предшественники отложений (особенно в моторных маслах), в то время как дисперсанты удерживают во взвешенном состоянии потенциальные материалы, образующие шлам или лаки.

Противоизносные присадки

Противоизносные присадки снижают трение и износ, особенно в условиях граничной смазки. Они предназначены для уменьшения износа, когда система подвергается умеренным нагрузкам.

Противозадирные присадки

Противозадирные присадки часто путают с противоизносными, или их названия используют как взаимозаменяемые. Однако противозадирные присадки начинают работать, когда система испытывает высокие нагрузки, и пытаются предотвратить схватывание (сварку) движущихся частей, в то время как противоизносные присадки работают при умеренных нагрузках.

Как работают присадки к смазочным материалам?

Каждая присадка работает по-разному, обеспечивая свою функцию по отношению к базовому маслу и готовому смазочному материалу в целом. В этом разделе мы рассмотрим, как работает каждая из присадок, а также некоторые проблемы, с которыми они могут столкнуться.

Депрессорные присадки

Как уже отмечалось, депрессорные присадки помогают контролировать текучесть смазочного материала. Это достигается путем модификации кристаллов воска, присутствующих в базовом масле смазочного материала. При более низких температурах жидкость обычно с трудом поддается сливу из-за присутствия молекул воска в базовом масле.

Существует два основных типа депрессорных присадок:

• Алкилароматические полимеры адсорбируются на кристаллах воска по мере их образования, предотвращая их рост и слипание друг с другом. Это эффективно контролирует процесс кристаллизации и обеспечивает текучесть смазочного материала.
• Полиметакрилаты совместно кристаллизуются с воском, предотвращая рост кристаллов.

Хотя эти присадки не полностью предотвращают рост кристаллов воска, они снижают температуру, при которой образуются эти жесткие структуры. Эти присадки могут обеспечить снижение температуры застывания до 28°C (50°F); однако обычный диапазон обычно составляет 11–17°C (20–30°F). Пределы растворимости могут ограничивать использование этого типа присадок для достижения желаемого эффекта на базовом масле.

Загустители индекса вязкости

Эти присадки обычно представляют собой длинноцепочные высокомолекулярные полимеры, которые меняют свою конфигурацию в смазочном материале в зависимости от температуры. Когда смазочный материал находится в холодной среде, эти полимеры принимают свернутую форму, чтобы минимизировать влияние на вязкость. С другой стороны, в горячей среде они выпрямляются, позволяя маслу оказывать загущающий эффект.

Хотя более желательно использовать полимеры с высокой молекулярной массой (поскольку они обеспечивают лучший загущающий эффект), эти длинноцепочные молекулы также подвержены деградации из-за механического сдвига. Поэтому должен быть достигнут баланс между молекулярной массой и условиями эксплуатации с точки зрения сдвиговой стабильности.

Еще одна задача для разработчиков рецептур — сбалансировать склонность полимера к сдвигу с ожидаемым увеличением вязкости из-за окислительных процессов и снижением вязкости из-за разбавления топливом.

Модификаторы трения

Обычно они конкурируют с противоизносными и противозадирными присадками (и другими полярными соединениями) за место на поверхности. Однако они активируются при температурах, когда противоизносные и противозадирные присадки еще не активны. Таким образом, они образуют тонкие мономолекулярные слои физически адсорбированных полярных растворимых продуктов или трибохимических углеродных слоев, снижающих трение, которые демонстрируют более низкое трение, чем противоизносные и противозадирные присадки.

Существуют различные группы модификаторов трения в зависимости от их функции:

• Механически работающие модификаторы трения (твердые смазочные соединения, например, дисульфид молибдена, графит, ПТФЭ и т.д.)
• Модификаторы трения, образующие адсорбционные слои (например, эфиры жирных кислот и т.д.)
• Модификаторы трения, образующие трибохимические реакционные слои
• Модификаторы трения, образующие полимеры трения
• Металлоорганические соединения

Пеногасители

Когда в смазочном материале образуется пена, крошечные пузырьки воздуха оказываются захваченными либо на поверхности, либо внутри (так называемая внутренняя пена). Пеногасители работают, адсорбируясь на пузырьке пены и воздействуя на его поверхностное натяжение. Это вызывает слияние и разрушение пузырька на поверхности смазочного материала.

Для пены, образующейся на поверхности (поверхностной пены), используются пеногасители с более низким поверхностным натяжением. Они обычно не растворяются в базовом масле и должны быть тонко диспергированы, чтобы оставаться достаточно стабильными даже после длительного хранения или использования. С другой стороны, внутренняя пена (тонко диспергированные пузырьки воздуха в смазочном материале) может образовывать стабильные дисперсии. Обычные пеногасители предназначены для контроля поверхностной пены, но могут стабилизировать внутреннюю пену.

Ингибиторы окисления

Как отмечалось выше, антиоксиданты обычно используются на стадии размножения для нейтрализации активных радикалов или разложения гидропероксидов.

Существует две основные формы антиоксидантов: первичные и вторичные.

• Первичные антиоксиданты, также известные как ловушки радикалов, удаляют радикалы из масла. Наиболее распространенные типы – амины и фенолы.
• Вторичные антиоксиданты предназначены для удаления пероксидов и образования в смазочном материале нереакционноспособных продуктов. Некоторые примеры включают дитиофосфат цинка (ZDDP) и сульфированные фенолы.

Существуют также смешанные антиоксидантные системы, где два антиоксиданта имеют синергетические отношения. Один пример – отношения между фенолами и аминами, где фенолы истощаются рано в процессе окисления, в то время как амины истощаются позже. Другой пример – использование первичных и вторичных антиоксидантов для удаления радикалов и гидропероксидов.

Ингибиторы ржавчины и коррозии

Ингибиторы ржавчины и коррозии обычно представляют собой длинные алкильные цепи и полярные группы, которые могут адсорбироваться на металлической поверхности, образуя плотно упакованный слой гидрофобных (водоотталкивающих) слоев. Однако это поверхностно-активные присадки, и как таковые они конкурируют с другими поверхностно-активными присадками (такими как противоизносные или противозадирные) за металлическую поверхность.

Существует две основные группы присадок от коррозии:

• Антикоррозионные присадки (для защиты черных металлов)
• Пассиваторы металлов (для цветных металлов)

Ингибиторы ржавчины имеют высокое полярное притяжение к металлическим поверхностям. Они образуют прочную непрерывную пленку, которая предотвращает попадание воды на металлическую поверхность. Также необходимо отметить, что загрязнения могут вызывать коррозию в масле, точно так же, как образуются органические кислоты.

Детергенты и дисперсанты

Детергенты – это полярные молекулы, которые удаляют вещества с металлической поверхности, подобно очищающему действию. Однако некоторые детергенты также обеспечивают антиоксидантные свойства. Природа детергента особенно важна, поскольку детергенты, содержащие металлы, производят золу (обычно кальций, литий, калий и натрий).

С другой стороны, дисперсанты также полярны, и они удерживают загрязнения и нерастворимые компоненты масла во взвешенном состоянии в смазочном материале. Они минимизируют агломерацию частиц, что, в свою очередь, сохраняет вязкость масла (по сравнению с коалесценцией частиц, которая приводит к загущению). В отличие от детергентов, дисперсанты считаются беззольными. Обычно они работают при низких рабочих температурах.

Противоизносные присадки

Обычно это полярные соединения с длинноцепочными молекулами, которые адсорбируются на металлических поверхностях, образуя защитный слой. Это может снизить трение и износ в условиях мягкого скольжения.

Как правило, эти присадки образуются из сложных эфиров, жирных масел или кислот, которые могут работать только при низких или умеренных уровнях нагрузки в системе.

Наиболее распространенная форма противоизносной присадки – ZDDP (дитиофосфат цинка), который используется в моторных или гидравлических маслах. С другой стороны, существует также беззольный фосфорный тип противоизносной присадки для систем, которым требуется эта характеристика, и обычным выбором является трикрезилфосфат.

Противозадирные присадки

Поскольку противозадирные присадки становятся активными только при более высоких температурах или более тяжелых нагрузках на систему, они получили название «присадки против задиров». В отличие от противоизносных присадок, противозадирные присадки химически реагируют со скользящими металлическими поверхностями, образуя относительно нерастворимые поверхностные пленки. Эта реакция происходит только при более высоких температурах, иногда между 180 и 1000°C, в зависимости от типа используемой противозадирной присадки.

Необходимо отметить, что даже при наличии противозадирных присадок в смазочном материале в период приработки будет наблюдаться некоторый износ, поскольку присадки еще не сформировали свои защитные слои на поверхностях.

Противозадирные присадки также должны быть разработаны для системы, которую они защищают, поскольку разные металлы имеют различную реакционную способность (противозадирные присадки, разработанные для систем «сталь по стали», могут не подходить для бронзовых систем, поскольку они не так реакционноспособны с бронзой).

Противозадирные присадки также способствуют полировке скользящих поверхностей, поскольку они испытывают наиболее значительную химическую реакцию, когда микровыступы контактируют, а локальные температуры наиболее высоки. Они, как правило, создаются из соединений, содержащих серу, фосфор, борат, хлор или другие металлы.

Деградируют ли присадки со временем?

Как уже отмечалось, большинство присадок со временем могут истощаться, поскольку расходуются в своих различных функциях. Противоизносные присадки и присадки, обеспечивающие защиту от ржавчины, непрерывно покрывают поверхности контактирующих металлов.

Это может привести к тому, что их начальная концентрация будет уменьшаться со временем, пока не достигнет точки, когда концентрация присадки становится слишком низкой, чтобы обеспечивать какую-либо защиту. В этом случае присадка не деградировала, а истощилась.

В прошлые годы были распространены проблемы с отделением присадок от готового смазочного материала из-за фильтрации. Однако с развитием технологий и улучшением практики это больше не является распространенной проблемой, с которой сталкиваются операторы. Раньше операторы замечали частое засорение своих фильтров и последующее снижение концентрации присадок, что оставляло масло незащищенным. Было обычным делом замечать оседание присадок на дно бочки с маслом после того, как она какое-то время постояла неподвижно.

По сути, присадки к смазочным материалам со временем не деградируют; скорее, их концентрация истощается, что способствует более быстрой деградации смазочного материала по сравнению с готовым смазочным материалом с более высокими концентрациями присадок.

Инновации и будущие тенденции в области присадок

Как выглядит будущее присадок в нашей отрасли? Исчезнут ли они полностью? 

По оценкам, мы далеки от этого. Смазочная индустрия развивалась на протяжении многих лет, со многими достижениями со стороны химической промышленности (которая разработала более подходящие присадки) и со стороны производителей оборудования (которые подталкивали химиков к разработке присадок, способных адаптироваться к изменениям в оборудовании).

Производители оборудования создают все больше компонентов, способных выдерживать более высокие температуры, повышенные давления и более требовательные условия окружающей среды. Смазочные материалы также должны быть разработаны для этого конкретного применения, и технологии присадок будут продолжать развиваться по мере расширения этих границ.

Нас также толкают в сторону более экологически чистых продуктов, и присадки также находятся в этом списке.

Большинство металлов, используемых в производстве присадок (таких как противозадирные или противоизносные присадки), токсичны для окружающей среды, и находятся их альтернативы.

В области трибологии также продолжаются исследования способов снижения трения и износа. Это сочетается с исследованиями взаимодействия различных поверхностей и способов, которыми смазочные материалы могут эффективно снижать коэффициент трения, что приводит к повышению энергоэффективности и, в некоторых случаях, топливной эффективности.

Присадки к смазочным материалам будут существовать еще долгое время, поскольку все, что движется, нуждается в смазке, а базовые масла не обладают всеми необходимыми свойствами для работы при различных температурах и других условиях, с которыми сталкивается машина. 

Хотя их структура изменится, чтобы адаптироваться и обеспечить более экологичное воздействие, их функции также будут развиваться в зависимости от будущих требований.