Метод контроля влияния температуры на процессы окисления и температурной деструкции синтетического моторного масла Alpha's 5W-40 SN

D = lg 3П0,                                                          (1)

где 300 – задаваемый ток фотометра при пустой кювете, мкА; П – показатель фотометра при фотометрировании масел, мкА.

Часть пробы окисленного масла (9 г) использовали для измерения кинематической вязкости. После измерения названных показателей окисленные масла сливали в стакан, который повторно взвешивали, и испытания продолжали до достижения оптической плотности D значений 0,5-0,6.

Второй этап заключался в оценке противоизносных свойств окисленных масел на трехшариковой машине трения со схемой «шар-цилиндр». Пробу окисленного масла массой 20 г отбирали в момент достижения оптической плотности D значений, приблизительно равных 0,1; 0,2; 0,3 … 0,6, после чего пробу масла в стакане доливали товарным маслом до первоначальной массы (100±0,1) г. Параметры трения составляли: нагрузка 10 Н, линейная скорость вращения цилиндра 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 °С, время испытания 1,5 ч. Противоизнос-ные свойства оценивали по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах с двух опытов [6-8].

Методика испытания температурной стойкости предусматривала два этапа. На первом этапе пробу масла массой (100±0,1) г заливали в стеклянный стакан прибора для оценки температурной стойкости и термостатировали при температуре 180 °С без перемешивания при атмосферном давлении с конденсацией паров и отводом конденсата. После каждых 8 ч испытания стакан с термостатированным маслом взвешивали для определения массы испарившегося масла, отбирали часть пробы для прямого фотометрирования и определения оптической плотности D по формуле (1). Часть пробы окисленного масла использовали для измерения кинематической вязкости.

После измерения указанных показателей термостатированное масло с фотометра и вискозиметра сливали в стакан, который повторно взвешивали, и испытания продолжались до достижения оптической плотности D значений, равных 0,5-0,6.

Второй этап заключался в оценке влияния продуктов температурной деструкции на про-тивоизносные свойства. Для этого масло испытывали по вышеописанной технологии с определением тех же показателей и дополнительно отбирали пробу масла массой 20 г для испытания на трехшариковой машине трения с теми же параметрами трения. Пробу термостатированного масла массой 20 г отбирали в момент достижения оптической плотности D значений, приблизительно равных 0,1; 0,2; 0,3 … 0,6, а пробу масла в стакане прибора для оценки температурной стойкости доливали товарным маслом до первоначальной массы (100±0,1) г.

Результаты исследования и их обсуждения

На рис. 1 представлены зависимости оптической плотности (а), испаряемости (б) и коэффициента относительной вязкости (в) от времени испытания исследуемого синтетического моторного масла при окислении (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2). Согласно данным (рис. 1а), в начальный период испытания в течение 16 ч интенсивность процессов окисления и температурной деструкции одинакова, дальнейшее увеличение времени испытания от 16 до 56 ч вызывает понижение интенсивности процессов температурной деструкции (кривая 2), что – 974 – объясняется отсутствием перемешивания масла при термостатировании. Однако после 56 ч испытания интенсивность процессов температурной деструкции превышает процессы окисления. Так, значение оптической плотности D=0,5 достигается за 79 ч при окислении и за 62 ч при температурной деструкции.

Испаряемость масла (рис. 1 б ) значительно уменьшается при процессах температурной деструкции. Так, за 72 ч испытания испаряемость составила при окислении 11 г (кривая 1), а при температурной деструкции 5,7 г (кривая 2). Это объясняется тем, что при температурной деструкции масло не перемешивалось и контакт с кислородом воздуха практически отсутствовал.

Изменение кинематической вязкости при термостатировании оценивалось коэффициентом относительной вязкости Кµ, определяемым отношением

Рис. 1. Зависимости оптической плотности (а), испаряемости (б) и коэффициента относительной вязкости (в) от времени и температуры испытания (180 °С) синтетического моторного масла ALPHA’S 5W-40 SN: 1 – при окислении; 2 – при температурной деструкции

Fig. 1. Dependence of optical density (a), volatility (б) and relative viscosity coefficient (в) on time and temperature of testing (180 °С) of ALPHA’S 5W-40 SN synthetic motor oil: 1 – during oxidation; 2 – at temperature destruction

К м         ,                                                                    (2)

^ИСХ где µТ – вязкость термостатированного масла при окислении или температурной деструкции, мм2/с; Цисх - вязкость товарного масла, мм2/с.

Согласно данным (рис. 1 в), при окислении (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2) сохраняется общая тенденция уменьшения коэффициента К_ц; при термостатировании, однако продукты температурной деструкции понижают кинематическую вязкость более интенсивно. Так, после 40 ч испытания коэффициент К_ц при окислении уменьшился от 1 до 0,85, а при температурной деструкции - до 0,8. Такое падение вязкости вызвано деструкцией вязкостной присадки и подтверждает различие в составе продуктов окисления и температурной деструкции, так как при окислении в масле образуются кислые продукты, которые отсутствуют при деструкии.

На рис. 2 представлены зависимости показателей P термоокислительной стабильности (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2), определяемые выражением

P = D + К_г ,

G, где KG - коэффициент испаряемости

К

m

M

где m - масса испарившегося масла при окислении или температурной деструкции, г; M - масса пробы масла перед испытаниями за определенное время термостатированния, г.

Показатель P характеризует количество тепловой энергии, поглощенной смазочным маслом при термостатировании и образовании определенной концентрации продуктов окисления или температурной деструкции и испарения. Согласно данным на рис. 2, в течение 60 ч про-

Рис. 2. Зависимости показателей термоокислительной стабильности (кривая 1) и температурной стойкости (кривая 2) от времени и температуры испытания 180 °С синтетического моторного масла ALPHA’S 5W-40 SN

Fig. 2. Dependences of thermal oxidative stability (curve 1) and temperature resistance (curve 2) on the time and temperature of testing 180 °C of synthetic motor oil ALPHA’S 5W-40 SN

– 976 – цессы температурной деструкции протекают с меньшей интенсивностью, чем процессы окисления (кривая 1).

Для сравнения интенсивности процессов окисления и температурной деструкции предложен параметр приращения скорости этих процессов ∆V , определяемый выражением

A V d = ( D 2 - D i )/ t . (5)

На рис. 3 изображены зависимости приращений скорости процессов окисления и температурной деструкции за определенные отрезки времени испытания. Согласно данным, установлена общая тенденция увеличения приращений скоростей процессов окисления и температурной деструкции в начальный период термостатирования, однако интенсивность процессов окисления (кривая 1) выше, чем процессов температурной деструкции. Такое увеличение приращения скоростей вызвано ростом концентрации продуктов окисления и деструкции в масле.

Вторые участки зависимостей AVD от времени испытания характеризуются значительными колебаниями приращения скоростей как процессов окисления, так и процессов температурной деструкции, что объясняется образованием продуктов этих процессов с большей энергоемкостью. Во время испытания исследуемого масла первичные продукты, образующиеся в начальный период, концентрация которых непрерывно росла, переходят в более энергоемкие, требующие больше тепловой энергии для их образования, а так как выделяемая тепловая энергия постоянна, то время образования энергоемких продуктов увеличивается, вызывая уменьшение приращения скорости процессов окисления и температурной деструкции. Причем переход первичных продуктов окисления в энергоемкие наступают после 40 ч испытания, а первичных продуктов деструкции в энергоемкие после – 48 ч.

Важным показателем эксплуатационных свойств моторных масел являются их противоиз-носные свойства, обеспечивающие надежность двигателей. В этой связи важно установить доминирующее влияние на противоизносные свойства продуктов окисления или температурной

Рис. 3. Зависимости приращения скоростей окисления (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2) от времени и температуры испытания 180 °С синтетического моторного масла ALPHA’S 5W-40 SN

Fig. 3. Dependences of the increment of oxidation rates (curve 1) and temperature degradation (curve 2) on the time and temperature of testing 180 °C of ALPHA’S 5W-40 SN synthetic motor oil деструкции. В данной работе предложен показатель противоизносных свойств PAV, определяемый выражением

P AV = DИ ,                                                       (6)

где И – среднеарифметическое значение диаметра пятна износа на трех шарах, мм.

Данный показатель характеризует концентрацию продуктов окисления или температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта.

На рис. 4 представлены зависимости показателя противоизносных свойств от оптической плотности.

Установлено, что данные зависимости описываются линейными уравнениями

P AV = a D ,                                                  (7)

где а - скорость изменения показателя P AV .

Регрессионные уравнения зависимостей имеют вид для: процессов окисления (кривая 1) P_4V = 3,958 D , процессов температурной деструкции P_4V = 3,402 D .

Коэффициент корреляции составил 0,989 и 0,993 соответственно.

Согласно данным (рис. 4) противоизносные свойства при окислении превышают противоизносные свойства термостатированных масел в 1,2 раза, кроме того, при температурной деструкции моторного масла значения показателя P AV более стабильны.

Выводы

На основании проведенных исследований установлено:

• 1.    Процессы температурной деструкции оказывают меньшее влияние на оптические свойства синтетического моторного масла ALPHA’S 5W-40 SN, уменьшают скорость испарения и увеличивают кинематическую вязкость.

• 2.    Предложен показатель интенсивности процессов окисления и температурной деструкции, определяемый приращением скорости этих процессов за установленное время испытания, позволяющий утверждать образование двух видов продуктов различной энергоемкости.

• 3.    Установлено, что продукты окисления повышают противоизносные свойства в 1,2 раза по сравнению с продуктами температурной деструкции.

Рис. 4. Зависимости показателя противоизносных свойств при окислении (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2) от оптической плотности и температуры испытания 180 °С синтетического моторного масла ALPHA’S 5W-40 SN

Fig. 4. Dependence of the indicator of antiwear properties during oxidation (curve 1) and temperature degradation (curve 2) on the optical density and test temperature of 180 °C of ALPHA’S 5W-40 SN synthetic motor oil – 978 –