Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел

Оглавление 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
ВЛИЯНИЕ СТАЛЕЙ 
НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ 
И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел 
 

2 

УДК 665.765.035.5-034.14 
ББК 30.82-3 
         В586 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
В. А. Ушанов, доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Эксплуатация и ремонт машинно-тракторного парка» Красноярского государственного аграрного университета;  
Ю. Ю. Логинов, доктор физико-математических наук, профессор, 
проректор по научной и инновационной деятельности Сибирского государственного аэрокосмического университета 
 
 
 
 
 
 
 
В586           Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические 
свойства смазочных масел : монография / Е. Г. Кравцова, А. А. Метелица, Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов. – Красноярск : Сиб.   
федер. ун-т, 2015. – 144 с. 
ISBN 978-5-7638-3407-9 
 
Рассмотрены принципы классификации смазочных материалов. Систематизированы теоретические и экспериментальные данные механизма окисления  
и противоизносных свойств моторных масел различной базовой основы. Предложены новые критерии оценки процессов термоокислительной стабильности      
и противоизносных свойств масел, а также технологии определения влияния 
сталей на процессы самоорганизации смазочных материалов; температуры начала процессов окисления; интегральный критерий оценки процессов самоорганизации в масле и на поверхностях металлов. 
Предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся 
производством смазочных материалов, проектированием, конструированием          
и эксплуатацией машин и механизмов, работающих в условиях граничного трения, студентов и аспирантов технических специальностей. 
 
 Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 665.765.035.5-034.14 
 ББК 30.82-3 
 
ISBN 978-5-7638-3407-9                                                            © Сибирский федеральный  
                                                                                                          университет, 2015 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 5 
 
1. АНАЛИЗ  СОВРЕМЕННЫХ  МЕТОДОВ  ИССЛЕДОВАНИЯ  
    СМАЗОЧНЫХ  МАТЕРИАЛОВ  НА  ЭТАПЕ  
    ПРОЕКТИРОВАНИЯ  МАШИН  И  АГРЕГАТОВ ............................................... 7 
1.1. Классификация моторных масел и их функциональные свойства .............. 7 
1.2. Смазочный материал как элемент трибосистемы ....................................... 10  
1.3. Влияние продуктов окисления на противоизносные свойства 
       смазочного масла ............................................................................................ 14 
1.4. Факторы, влияющие на процессы схватывания  
       при граничном трении .................................................................................... 20 
1.5. Современные представления о каталитическом влиянии металлов  
       на окислительные процессы смазочных материалов .................................. 25 
1.6 Существующие методы оценки термоокислительной стабильности  
      и противоизносных свойств смазочных материалов ................................... 29 
 
2. МЕТОДИКА  ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ  СТАЛЕЙ  
    НА  ПРОЦЕССЫ  ОКИСЛЕНИЯ  И  ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ   
    СВОЙСТВА  СМАЗОЧНЫХ  МАТЕРИАЛОВ ................................................... 35 
2.1. Выбор смазочных материалов ....................................................................... 35 
2.2. Техническая характеристика средств измерения ........................................ 35 
2.3. Методика испытания смазочных материалов  
       на термоокислительную стабильность и противоизносные свойства ....... 43 
 
3. РЕЗУЛЬТАТЫ  ИССЛЕДОВАНИЯ  ПРОЦЕССОВ  
    САМООРГАНИЗАЦИИ  ПРИ  ТЕРМОСТАТИРОВАНИИ   
    МОТОРНОГО  МАСЛА  М-10Г2К  В  ПРИСУТСТВИИ  СТАЛИ 45 ................ 45 
3.1. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К  
       со сталью 45 (отпуск 600 °С) ......................................................................... 45  
3.2. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К  
       со сталью 45 (отпуск 400 °С) ......................................................................... 56  
3.3. Результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2К  
       со сталью 45 (отпуск 200 °С) ......................................................................... 66  
3.4. Альтернативный метод определения параметров  
       процессов самоорганизации трибосистем ................................................... 76 
3.5. Обоснование критерия процессов самоорганизации трибосистем ........... 79  
 
4. РЕЗУЛЬТАТЫ  ИССЛЕДОВАНИЯ  ВЛИЯНИЯ  СТАЛИ ШХ15  
    НА    ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И  ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ  СВОЙСТВА   
    МОТОРНЫХ  МАСЕЛ  РАЗЛИЧНОЙ  БАЗОВОЙ  ОСНОВЫ ......................... 82 
4.1. Результаты исследования минерального моторного масла ........................ 82 

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел 
 

4 

4.2. Результаты исследования частично синтетического моторного масла .... 87 
4.3. Результаты исследования синтетического моторного масла ..................... 92 
 
5. РЕЗУЛЬТАТЫ  ИССЛЕДОВАНИЯ  ВЛИЯНИЯ  СТАЛИ ШХ15  
    НА  ПРОЦЕССЫ  ОКИСЛЕНИЯ  ПРИ  ЦИКЛИЧЕСКОМ   
    ИЗМЕНЕНИИ  ТЕМПЕРАТУРЫ .......................................................................... 99   
5.1. Результаты исследования минерального  
       моторного масла М-10Г2К ............................................................................... 99 
5.2. Результаты испытания минерального моторного масла  
       Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC ...................................................... 103 
5.3. Результаты испытания частично синтетического  
       моторного масла Лукойл Супер 15W-40 CD/SF ........................................ 106 
5.4. Результаты испытания частично синтетического  
       моторного масла Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF ..................................... 109  
5.5. Результаты испытания синтетического моторного масла  
       Chevron Sypreme 5W-30 SJ /CF .................................................................... 112 
5.6. Результаты испытания синтетического моторного масла  
       Shell Helix 0W-40 SL/CF ............................................................................... 115 
5.7. Влияние стали на механизм окисления масел  
       различной базовой основы ........................................................................... 118 
 
6. РАЗРАБОТКА  ПРАКТИЧЕСКИХ  РЕКОМЕНДАЦИЙ  
    ПО  ВЫБОРУ  СТАЛЕЙ,  СОВМЕСТИМЫХ  
    СО  СМАЗОЧНЫМ  МАСЛОМ .......................................................................... 122 
6.1. Технология определения влияния сталей  
       на процессы самоорганизации смазочных материалов ............................ 122 
6.2. Технология определения критерия влияния сталей  
       на термоокислительную стабильность смазочных масел ........................ 125 
6.3.Технология определения влияния сталей  
      на противоизносные свойства смазочных масел........................................ 128 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 131 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................ 132 

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Большинство узлов механических систем работают в условиях граничной смазки, при которой металлический контакт трущихся тел предотвращается образованием на поверхностях трения граничных смазочных 
слоев различного происхождения. В работах Б. И. Костецкого отмечено, 
что кинетические модели граничной смазки включают три этапа: адсорбция молекул реагента на поверхностях трения; взаимодействие их с поверхностью твердого тела с образованием защитного модифицированного 
слоя; разрушение этого слоя с обнажением поверхности активированного 
металла, готового к дальнейшему взаимодействию со средой. 
Образование защитных адсорбционных, хемосорбционных и модифицированных слоев объясняется приспосабливаемостью трибосистемы      
к внешним воздействиям, определяемой интенсивностью процессов самоорганизации. Сущность этих процессов заключается в том, что при взаимодействии трущихся тел и среды они реализуются в тонких слоях (пленках) материалов пар трения вследствие их структурной перестройки           
и взаимодействия со средой, т. е. происходит не разрушение материала,        
а трансформация его в некие структуры, осуществляющие защитные 
функции. Поэтому свойства трибосистемы, работающей в условиях граничного трения, определяются не продуктами, которые идентифицируют 
на поверхностях трения различными физическими методами, а возбужденным состоянием вещества в условиях фрикционного взаимодействия. 
Известно [1], что при граничном трении на поверхностях трения 
формируются: физически адсорбированный слой молекул смазочного материала, хемосорбционный слой – продукт реакции металла с продуктами 
окисления, и химически модифицированный слой как результат химических реакций металла с молекулами присадок. Интенсивность формирования этих слоев зависит от поверхностной энергии твердого тела, химической активности присадок и продуктов окисления, а также температурных 
условий [2]. Образование защитных слоев является защитной функцией 
трибосистемы от внешних воздействий или приспосабливаемостью к ним. 
Сущность процесса самоорганизации заключается в том, что все взаимодействия трущихся тел и среды локализуются в тонких слоях вторичных 
структур трения, образующихся на поверхностях материала вследствие их 
структурной перестройки и взаимодействия со средой [3]. 
Надежность механической системы определяется процессами самоорганизации ее элементов, которые зависят от материалов трибосопряжений, смазочного материала и температур в зоне контакта. Роль смазочных 
масел в этих процессах изучена недостаточно, хотя известно, что от их ка

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел 
 

6 

чества зависят процессы формирования защитных слоев на поверхностях 
трения. Необходимо отметить, что такие свойства, как надежность и долговечность сложных трибосистем, определяются способностью смазочных 
материалов защищать трущиеся поверхности от износа, формировать тонкие, но прочные смазочные слои на поверхностях деталей. Поэтому смазочный материал необходимо рассматривать как неотъемлемый элемент           
в любом трибосопряжении. 
Износостойкость материалов пар трения характеризуется их физикомеханическими свойствами и структурой, а сведения о совместимости сталей различной термообработки с жидкими смазочными материалами, базовой основой и комплектом присадок практически отсутствуют. Известно, 
что на процессы формирования защитных слоев на поверхности твердых 
тел существенное влияние оказывает поверхностная энергия твердого тела, 
которая изменяется при различной термической обработке стали. Совместимость элементов трибосистемы характеризует способность материалов 
пары трения и смазочного материала образовывать защитные слои на поверхностях трения, снижающие интенсивность изнашивания трущихся         
деталей. Для познания процессов самоорганизации, протекающих непосредственно на фрикционном контакте, необходимо создать адекватные 
модели, с помощью которых исследовать процессы, протекающие на поверхности твердого тела при взаимодействии со смазочной средой, и влияние твердого тела на изменение свойств самой среды. Поэтому поиск новых методов оценки влияния сталей и температурных условий на процессы 
окисления смазочных масел различного назначения и базовых основ,             
а также изменение их противоизносных свойств является актуальной задачей, решение которой позволит обоснованно осуществлять выбор смазочных масел для агрегатов и узлов, контролировать и прогнозировать их состояние в процессе эксплуатации, уточнить методики расчета и повысить 
надежность механических систем. 

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…   

7 

1. АНАЛИЗ   
СОВРЕМЕННЫХ  МЕТОДОВ  ИССЛЕДОВАНИЯ   
СМАЗОЧНЫХ  МАТЕРИАЛОВ   
НА  ЭТАПЕ  ПРОЕКТИРОВАНИЯ   
МАШИН  И  АГРЕГАТОВ 
 
 
1.1. Классификация моторных масел  
и их функциональные свойства 
 
Минеральное моторное масло состоит из масляной основы (базового 
масла) и комплекта присадок, обеспечивающих необходимые функциональные свойства. Смазочные масла получают на основе нефтяного сырья. 
Нефтяные масла по способу получения основы могут быть дистиллятными 
(из нефтяных дистиллятов, выделенных при вакуумной перегонке мазута), 
остаточными (полученными из гудрона – остатка от вакуумной перегонки 
мазута) и компаундированными (полученными в результате смешивания 
дистиллятных и остаточных компонентов) [4]. 
Присадки могут добавляться по отдельности и в виде готовой композиции, состоящей из нескольких специально подобранных и сбалансированных присадок различного назначения. Современные композиции могут 
содержать до 15 компонентов, не считая вязкостных присадок, которые 
вводятся дополнительно и составляют до 25 % основы масла.  
Важнейшими свойствами моторных масел, определяющими возможность их применения в различных условиях эксплуатации двигателей разного типа и степени форсирования, являются: моющие, противоизносные  
и противозадирные, диспергирующие, антикоррозионные и антиокислительные, а также нейтрализующие. Варьируя состав присадок и их содержание 
в масле, получают товарные масла с комплексом свойств, отвечающих современным требованиям и конструктивным особенностям двигателей 
внутреннего сгорания, а также изменяют ресурс смазочного материала [5].  
Моющие присадки способны предотвращать образование углеродистых отложений на горячих поверхностях деталей (температура которых 
достигает 200–350 °С) и закоксовывание поршневых колец. Диспергирующие присадки обладают способностью предотвращать образование 
низкотемпературных отложений в картере, маслоканалах, фильтре маслоприемника и других зонах при работе двигателя на малых нагрузках. Данные 
присадки способны обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, 
поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масел, тем больше продуктов старения может удерживаться в работающем масле без выпадания  

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел 
 

8 

в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров на горячих деталях (применение на форсированных двигателях).  
 Антиокислительные 
присадки 
обеспечивают 
стойкость 
масла                 
к окислению, так как при эксплуатации машин и агрегатов в масле происходят различного рода окислительные превращения в результате высоких 
температур и каталитического действия металлов трибосопряжений. Все 
указанные факторы приводят к нежелательному изменению свойств смазочного материала и его старению. Необходимо отметить, что на скорость 
и глубину окислительных процессов значительно влияют попадающие          
в масло продукты неполного сгорания топлива, прорывающиеся в объем 
масла из надпоршневого пространства, а также продукты изнашивания механических систем.  
Присадки способны нейтрализовать кислоты, образующиеся в процессе окисления смазочного материала [5]. В качестве противоизносных 
присадок используют соединения, обладающие высокой поверхностной 
активностью по отношению к трущимся телам. В противозадирных присадках используются соединения, обладающие значительной реакционной 
способностью, вследствие чего при разложении они выделяют хлор, фосфор, серу и другие элементы [4]. Вступая в химическое взаимодействие         
с поверхностью твердых тел, они образуют на ней модифицированные 
слои, препятствующие металлическому контакту трущихся тел между           
собой, а также снижают влияние металлов на окислительные процессы 
смазочного материала.  
Важными характеристиками смазочного масла являются его теплопроводность, температура вспышки и застывания, вязкостно-температурные 
свойства и ряд других, зависящих от функционального назначения масла. 
В целом способность жидкого смазочного материала реализовать гидродинамический режим смазки трибосопряжений зависит от вязкости (внутреннего трения), определяемой силами когезии молекул масла в объеме         
и зависящей от химического строения молекул. К основным показателям, 
характеризующим вязкость масла, относятся динамическая и кинематическая вязкость, индекс вязкости как безразмерный показатель пологости 
вязкостно-температурной зависимости. 
Кинематическая вязкость – это сопротивление жидкости течению 
под действием гравитации. Процесс определения ее более прост и точен по 
сравнению с динамической. Метод определения кинематической вязкости 
жидких нефтепродуктов регламентирует ГОСТ 33–2000 [6]. Он рассчитывается по формуле 
ν  = С⋅ t,                                                   (1.1) 
где С – калибровочная постоянная вискозиметра, мм2/с2; t – среднее арифметическое значение времени истечения, с. 

1. Анализ современных методов исследования смазочных материалов на этапе проектирования машин…   

9 

Динамическая вязкость является мерой сопротивления сдвигу и определяется на ротационном вискозиметре, состоящем из коаксиальных цилиндров и помещенным между ними смазочным материалом. Внутренний 
цилиндр вращается с некоторой скоростью, а внешний удерживается от 
вращения силой, по величине которой рассчитывают динамическую вязкость, определяемую по следующему выражению 

η =νρ⋅10–3,                                                  (1.2) 

где ν – кинематическая вязкость, мм2/с; ρ – плотность при той же температуре, при которой определяется кинематическая вязкость, кг/м3. 
Классификация масел, а также их обозначение и принадлежность      
к определенной группе регламентированы ГОСТ 17479.1–85, согласно          
которому моторные масла подразделяются на классы вязкости, группы           
по назначению и уровню эксплуатационных свойств, что является единственной информацией для потребителей, которой необходимо руководствоваться при выборе смазочного масла. 
Следует отметить, что стандарт не предоставляет информации о поведении смазочного материала в различных эксплуатационных условиях         
и не содержит сведений о применении того или иного смазочного масла          
в двигателях разной конструкции и технического состояния [7].  
Обозначение моторных масел включает следующие индексы и знаки: 
первая буква «М» указывает на то, что масло является моторным. По уровню эксплуатационных свойств моторные масла подразделяются на шесть 
групп (А-Е), пять из которых (Б-Е) подразделяются на две подгруппы каждая, одна из которых предназначена для бензиновых двигателей (индекс 1), 
другая – для дизелей (индекс 2). Когда масло подходит и для бензинового, 
и для дизельного двигателя, индекс опускается. За буквой назначения масла, 
в данном случае «М»-моторное, ставится цифровой символ класса вязкости, численное значение которого равно вязкости масла (в мм2/с или в сСт) 
при температуре 100 °С. Класс вязкости всесезонных масел обозначается 
дробным показателем. При этом в числителе за цифрой, указывающей вязкость масла, следует буквенный индекс «з», указывающий на введение        
в масло загустителей, уменьшающих зависимость вязкости от температуры. 
Далее следует буква, указывающая степень форсирования двигателя. Например, масло М-10-Г2К – моторное (М) сезонное масло с вязкостью (при 
температуре 100 °С) 10 сСт, предназначенное для высокофорсированных 
(Г) дизельных (2) двигателей. После такого обозначения марки масла за 
последним индексом могут быть дополнительные индексы, характеризующие специальные свойства, состав или назначение масла. В данном 
случае индекс «к» означает, что масло предназначено для высокофорсированных дизельных двигателей автомобилей «КамАЗ» и тракторов К-701. 

Влияние сталей на процессы окисления и триботехнические свойства смазочных масел 
 

10 

Следующие два индекса «и» и «т» указывают соответственно введение         
в масло импортных присадок и пригодность использования для трансмиссий. 
 
 
1.2. Смазочный материал  
как элемент трибосистемы 
 
При работе в режиме граничного трения сопротивляемость изнашиванию и образованию задиров во многом определяется не только материалами трибосопряжений, но и свойствами смазочной среды. В настоящее 
время выбор элементов трущейся пары осуществляется с учетом их совместимости, под которой понимают способность материалов пары трения 
приспосабливаться один к другому в процессе эксплуатации. Роль смазочного материала в приспосабливаемости трибосистемы изучена недостаточно, но следует отметить, что от его качества зависят процессы формирования защитных слоев на поверхностях трения. Изучение совместимости 
трущихся пар нашло отражение в работах И. В. Крагельского, Н. А. Буше, 
И. С. Гершмана и других авторов [8–10]. 
Влияние материалов трибосопряжений на процессы окисления минерального моторного масла проявляется в способности при режиме граничного трения образовывать прочные граничные пленки, способные снизить трение и уменьшить влияние металлической поверхности на окислительные процессы. Ф. П. Боуденом [11] установлено, что при граничном 
трении помимо физической адсорбции полярных молекул смазки проявляется химическое взаимодействие с металлами жирных кислот, содержащихся в маслах. Некоторые металлы при взаимодействии со смазочным 
материалом способны образовывать защитные пленки, которые сохраняются при высоких температурах. Прочность таких пленок зависит от температуры в области контакта и тангенциальной составляющей силы трения. 
Взаимодействие деталей трибосопряжений и их износостойкость           
зависит от качества сопрягаемых поверхностей, в частности от геометрических и физико-механических параметров. К первым можно отнести        
шероховатость (микронеровности), волнистость и т. д., ко вторым – микротвердость поверхности, степень и глубину наклепа. 
Влияние микронеровности поверхностей сопряженных деталей на 
износ проявляется в процессе их приработки. В этот период происходит 
изменение направления и размеров микронеровностей. Износостойкость 
также зависит и от микротвердости поверхностного слоя. Упрочнение поверхностного слоя (наклеп металла) уменьшает смятие и истирание при 
контактировании. Необходимо отметить, что существенное влияние на износостойкость материалов пары трения оказывает смазочный материал,