Исследование термостойкости синтетических моторных масел

Введение. Температурный диапазон работоспособности моторных масел зависит от их термоокислительной стабильности и температурной стойкости на поверхностях трения. Под действием нагрузки и температуры на поверхностях трения одновременно протекают окислительные процессы и деструкция базовой основы масла и присадок. Существуют механическая, температурная и химическая деструкции.

По данным [1], смазочные материалы на основе нефтяного происхождения работоспособны в атмосферных условиях до температур ≈ 200 °С. Критическая температура их работоспособности может быть повышена введением поверхностно-активных и химически активных присадок [2]. Показано [3], что для успешной работы смазочных масел в них необходимо присутствие кислорода, обеспечивающего формирование на поверхностях трения защитных граничных слоев, повышающих нагрузки схватывания. В этой связи представляют научное и практическое значение исследования температурной стойкости моторных масел.

Цель работы. Определение основных закономерностей процессов температурной деструкции синтетических моторных масел.

Методика исследования. Испытывались всесезонные универсальные синтетические моторные масла: Mobil Super 3000 5W-40 SL/CF и Aqip Tecsint 5W-30 SL/CF A 3 , B 3 .

Методика исследования предусматривала термостатирование масел в диапазоне температур от 140 до 280 °С, с увеличением температуры на 20 °С. Для этого проба масла массой 80 г заливалась в термостойкий стакан прибора для определения температурной стойкости. Время испытания составляло 8 ч при атмосферном давлении без перемешивания, что практически исключало окислительные процессы. После каждой температуры испытания проба масла взвешивалась для определения массы испарившегося масла, а затем отбирались пробы для прямого фотометрирования и определения оптических свойств по коэффициенту поглощения светового потока К _П и вязкости. Фотометрирование термостатированных проб проводилось при толщине фотометрированного слоя 8 мм, а вязкость измерялась при температуре 100 °С.

Коэффициент поглощения светового потока К П рассчитывался по формуле

300 - П

где П – показания фотометра при фотометрировании испытуемого масла, мкА;

300 – показания фотометра при отсутствии масла в фотометрической кювете, мкА. Коэффициент относительной вязкости К µ рассчитывался по формуле

К ^ = Р тр- ,                                       (2)

№ тов .

где    µ тер. – вязкость термостатированного масла, сСт;

µ тов. – вязкость товарного масла, сСт.

Коэффициент летучести К G рассчитывался по формуле

К_с =--- ^ сп ---,                                   (3)

^G исх .         исп .

где    G исх . – исходная масса масла, г;

G исп. – масса испарившегося масла, г.

Коэффициент температурной стойкости Е ТС рассчитывался по формуле

Е тс = К п + К g .                                    (4)

Результаты исследования и их обсуждение. На рисунке 1 представлены зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования синтетических масел. Деструкция масел начиналась от температуры 160 ºС, однако масло Mobil Super более термически устойчивое. Так, значение коэффициента К П = 0,7 ед. достигается для масла Mobil Super при температуре 240 ºС, а масла Aqip Tecsint – 220 ºС. При фотометрировании масла Aqip Tecsint при толщине фотометрируемого слоя 2 мм (кривая 2') коэффициент К П имеет тенденцию увеличения в диапазоне температур от 240 до 300 ºС, т.е. для синтетических масел процесс деструкции продолжается в течение всего исследованного диапазона температур.

Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования синтетических моторных масел (Mobil Super 3000 5W-40 SL/CF и Aqip Tecsint 5W-30 SL/CF A 3 , B 3 ): 1 и 2 – толщина фотометрируемого слоя 8 мм;

2' – толщина фотометрируемого слоя 2 мм

Летучесть синтетических масел (рис. 2) незначительно различается, однако этот параметр значительно увеличивается после температуры испытания 220 ºС, поэтому можно считать эту температуру предельной. Зависимость G = f ( T ) описывается уравнением второго порядка

G = AT ² + BT ,                               (5)

где A – коэффициент, характеризующий склонность масел к испарению;

B – коэффициент, определяющий скорость испарения.

Зависимость коэффициента летучести К G синтетических масел от температуры испытания представлена на рисунке 3,а, из которого видно, что летучесть масел практически одинакова до температуры испытания 260 ºС.

Зависимость коэффициента летучести К G от коэффициента поглощения светового потока К П (рис. 3, б) определяет доминирующее влияние температуры на один из этих параметров. Согласно полученным данным, при термостатировании синтетических масел поглощение избыточной тепловой энергии в основном происходит продуктами деструкции, а не испарения, причем зависимость К _G = f ( К П ) имеет линейный характер при толщине фотометрируемого слоя 8 мм (кривые 1 и 2).

К g = аК п ,                                   (6)

где а – коэффициент, характеризующий скорость летучести.

Рис. 2. Зависимость летучести от температуры термостатирования синтетических моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)

Масло Aqip Tecsint фотометрировалось при толщине фотометрируемого слоя 2 мм (кривая 2') при температурах от 240 до 300 ºС. Видно, что зависимость 2 с увеличением температуры испытания с линейного участка (кривая 2) переходит в квадратичный, т.е., начиная с температуры 240 ºС, летучесть увеличивается более интенсивно.

Коэффициент относительной вязкости К ^ (рис. 4, кривая 1) стабильный до температуры 200 °С, дальнейшее увеличение температуры испытания до 260 ºС вызывает падение вязкости на 5%. Для масла Aqip Tec-sint (кривая 2) вязкость с увеличением температуры до 180 ºС повышается на 8%, дальнейшее повышение температуры до 240 ºС вызывает ее уменьшение, а в диапазоне температур от 240 до 300 ºС вызывает повышение вязкости на 25%. Снижение вязкости объясняется деструкцией вязкостных присадок, а повышение в диапазоне от 240 до 300 ºС – влиянием продуктов деструкции присадок за счет полимеризации.

а                                                       б

140          180          220          260          300                  0.1            оз           0.5           0.7           0.9

Рис. 3. Зависимость коэффициента летучести от температуры испытания (а) и коэффициента поглощения светового потока (б) при термостатировании синтетических моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)

Рис. 4. Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования синтетических моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)

Влияние продуктов деструкции на показатель относительной вязкости исследовалось зависимостью К _А = f ( К _П) (рис. 5, а). Установлено, что продукты деструкции, образуемые до температуры термостатирования, равной 240 ºС, не оказывают существенного влияния на вязкость синтетических масел.

Для масла Aqip Tecsint при термостатировании от 240 до 300 ºС продукты деструкции увеличивают вязкость (кривая 2').

Рис. 5. Зависимость коэффициента относительной вязкости (а) и коэффициента летучести (б) от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании синтетических моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)

Летучесть синтетических масел (рис. 5, б, кривые 1, 2) уменьшает вязкость при увеличении температуры термостатирования до 260 ºС, а увеличение температуры от 260 до 300 ºС для масла Aqip Tecsint вы- зывает увеличение вязкости на 26%, что объясняется увеличением концентрации продуктов деструкции при увеличении летучести.

Зависимость коэффициента температурной стойкости Е _ТС от температуры испытания синтетических масел представлена на рисунке 6, из которого видно, что резкое увеличение коэффициента Е _ТС для масла Mobil Super наступает при температуре 220 ºС, а для масла Aqip Tecsint – при 200 ºС.

С увеличением температуры испытания масла Aqip Tecsint от 240 до 300 ºС коэффициент Е _ТС (кривая 2') увеличивается по линейной зависимости.

Зависимость коэффициента температурной стойкости от концентрации продуктов деструкции (рис. 7) имеет линейный характер (кривые 1 и 2).

Коэффициент температурной стойкости устанавливает количество избыточной тепловой энергии, поглощенной масляной средой, для образования определенной концентрации продуктов деструкции, выраженной коэффициентом К П с учетом летучести масла.

Так, для образования концентрации продуктов деструкции К П = 0,8 ед. требуется тепловой энергии для масел: Mobil Super 3000 (кривая 1) – 0,98 ед., а Aqip Tecsint (кривая 2) – 0,85 ед., т.е. более термостойким является масло Mobil Super 3000.

140          180          220          260          300

Рис. 6. Зависимость коэффициента температурной стойкости от температуры термостатирования синтетических моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)

Рис. 7. Зависимость коэффициента температурной стойкости от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании синтетических моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)

Зависимость Е ТС = f ( К П ) , полученная в диапазоне температур испытания от 240 до 300 °С (кривая 2'), описывается квадратичным уравнением, более интенсивное увеличение коэффициента Е_ТС по сравнению с коэффициентом К _П вызвано увеличением летучести масла Aqip Tecsint. Поэтому чем меньше угол наклона зависимости Е ТС = f ( К П ) к оси ординат, тем выше скорость деструкции присадок, но ниже скорость испарения масла.

Выводы

• 1.    При термостатировании синтетических моторных масел установлено, что масло Aqip Tecsint склонно к более интенсивной температурной деструкции, летучесть масел в диапазоне температур от 140 до 260 ^о С практически совпадает, вязкость в температурном диапазоне от 140 до 240 ^о С также совпадает, однако вязкость масла Aqip Tecsint в диапазоне от 240 до 300 ^о С резко увеличивается (на 25%), сопротивляемость температурным воздействиям у исследованных масел одинакова.

• 2.    В качестве критерия температурной стойкости предложен коэффициент, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести масел, что позволяет их сравнивать и выбирать наиболее термостойкие масла.