Пластичные смазки: мыло и масло

Почему литиевая смазка держится в подшипнике при 120 °C, а солидол уже течет, и почему две хорошие смазки вместе дают плохую? Выбирай загуститель, грей, лей воду и смешивай смазки, глядя на сетку волокон мыла.

01 Что это такое

Пластичная смазка это масло в губке из волокон мыла. Мыло решает, сколько она выдержит жары и воды.

Масло стекает с пальца стрелы и вытекает из подшипника. Чтобы оно оставалось на месте, в масло вводят загуститель, чаще всего мыло. Мыло получают омылением: жирную кислоту варят со щелочью прямо в масле. Молекулы мыла слипаются полярными головами и строят тонкие ленты, ленты скручиваются в волокна толщиной около 0,1 мкм, а волокна переплетаются в сетку. В ячейках сетки держится масло, как вода в губке. Загустителя всего 5–20 %, остальное масло.

От того, какой металл в мыле, зависит характер смазки. Литиевое мыло держит до 120 °C и мало боится воды, поэтому литиевая смазка самая распространенная. Кальциевое не боится воды, но плавится уже около 95 °C. Натриевое терпит жар, но растворяется в воде. Комплексные мыла и полимочевина держат 150–170 °C, а глина бентонит вообще не плавится. Если смешать смазки на разных загустителях, их сетки могут разрушить друг друга.

Зеленое: полярная голова мыла с ионом металла. Коричневое: углеводородный хвост. Желтое: масло. Ленты и волокна нарисованы в тысячи раз крупнее.

T_кап: Температура каплепадения. Смазку в чашечке с отверстием медленно греют, пока не упадет первая капля. Работать смазка может на 40–80 °C ниже этой температуры.
NLGI: Класс густоты. От 000 до 6 по пенетрации: на сколько десятых долей миллиметра конус уходит в смазку за 5 секунд при 25 °C. NLGI 2 это 265–295.
Li 12: Литиевое мыло 12-гидроксистеариновой кислоты. Самый частый загуститель. Лишняя группа OH в середине хвоста сцепляет молекулы, и волокна получаются прочнее.

02 Опыт

Выбери загуститель, нагрей, полей водой, смешай с другой смазкой. СЕТКА ЗАГУСТИТЕЛЯ

ХИМИЯ В ТЕХНИКЕ

Держит ли сетка масло?

Рис. 10.5

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Температура каплепадения

Густота при 25 °C

Смыв водой

ⓘ Смазки на минеральном масле средней вязкости. Каплепадение, рабочие температуры и смыв водой взяты типичными для каждого загустителя. Класс NLGI считается по пенетрации при 25 °C, смыв водой как в испытании струей при 79 °C.

03 Формулы по буквам

Омыление, срок службы и смесь двух смазок

Первая формула показывает, из чего варят загуститель и сколько нужно сырья. Вторая отвечает, как жара сокращает жизнь смазки. Третья оценивает, что станет с густотой, если в узел попала смазка другой марки. Подсвечена карточка, которая сейчас решает исход опыта.

Из чего варят загуститель?

R−COOH + MOH →
R−COOM + H₂O

Омыление: жирная кислота и щелочь дают соль, то есть мыло, и воду. Варят прямо в части масла, потом выпаривают воду и разбавляют остальным маслом. Подробно реакция разобрана в теме «Карбоновые кислоты, сложные эфиры и мыло».

R−COOH: жирная кислота: стеариновая или 12-гидроксистеариновая, хвост из 17 атомов углерода
MOH: щелочь: LiOH, NaOH или Ca(OH)₂ (кальций двухвалентный, ему нужны две кислоты)
R−COOM: мыло: молекулы строят волокна загустителя

Сколько проживет смазка в горячем узле?

L = L₇₀ · 2^{−(T − 70) / 15}

Каждые 15 °C выше 70 °C вдвое сокращают срок службы смазки. Это правило из опыта, а под ним закон Аррениуса: масло в сетке окисляется, и скорость окисления растет с температурой экспоненциально.

L: срок службы при температуре T, часы
L₇₀: срок службы при 70 °C: база, с которой сравниваем
15: шаг в °C, на котором срок падает вдвое: у разных смазок 10–15 °C

Что будет, если смешать две смазки?

P = (1−x)·P₁ + x·P₂
+ 4x(1−x)·ΔP

Совместимые смазки дают среднюю густоту. У несовместимых сетки разрушают друг друга, и смесь мягче обеих: это добавка ΔP. Она самая большая при смеси пополам. Это учебная оценка, а точный ответ дает проба смеси.

P₁, P₂: пенетрация двух смазок при 25 °C, 0,1 мм
x: доля второй смазки, от 0 до 1
ΔP: размягчение: 0 совместимы, 30 на грани, 85 несовместимы

Почему сетка держит масло и почему смесь ее рушит

Хвосты молекул мыла похожи на молекулы масла и хорошо в нем растворяются, а головы с ионом металла масла избегают и слипаются друг с другом. Поэтому мыло в масле собирается в ленты: головы спрятаны внутрь, хвосты торчат наружу. Это родственник мицеллы, только вытянутый в длину. Ленты скручиваются в волокна, волокна касаются и цепляются друг за друга. Масло держится в ячейках сетки капиллярными силами, как вода в губке, и выходит под давлением тонкой пленкой, когда подшипнику нужна смазка.

Каждый загуститель строит свою сетку. У лития и кальция разные ионы и разный размер кристаллов мыла, в комплексных мылах есть еще соль короткой кислоты, полимочевина вообще не мыло, а глина держится на ПАВ. Когда две смазки смешиваются, ионы обмениваются, кислота комплекса реагирует с чужим мылом, ПАВ с глины переходит на мыло. Волокна растворяются, рвутся и не срастаются с чужими. Сетка слабеет, смазка размягчается, падает каплепадение, и масло вытекает из узла. Поэтому при смене марки старую смазку выдавливают из узла полностью.

Сравни в опыте

Готовые случаи «Литиевая + полимочевина» и «Литиевая + литиевая комплексная»: в первом волокна рвутся и смазка мягчает на два класса, во втором почти ничего не меняется.

Коричневое: волокна первой смазки, синее: второй. Внизу справа: масло, которое ушло из разрушенной сетки.

04 Где и зачем это применяют

Каждому узлу свое мыло

Ступицы и подшипники качения
Литиевая и литиевая комплексная NLGI 2 закладывается в подшипник на годы. Комплексное мыло выбирают для дисковых тормозов и тяжелых машин, где ступица греется выше 120 °C.
Шарниры спецтехники
Пальцы стрелы и ковша работают в воде и грязи. Сюда идут литиевые комплексные, кальциевые и алюминиевые комплексные смазки с MoS₂ или графитом, NLGI 1–2, а зимой NLGI 0 для централизованной системы.
Электродвигатели
Подшипники электродвигателей набивают полимочевиной: она долго не стареет при 120–150 °C и не содержит металла, который ускоряет окисление масла.
Горячие узлы
Конвейеры печей, сушилок и прокатных станов смазывают бентонитовыми смазками на синтетическом масле: глина не плавится, и смазка не вытекает даже выше 200 °C.
Простые открытые узлы
Солидол, кальциевая смазка, до сих пор хорош для рессор, тросов, винтов и садового инструмента: он не боится воды и недорог, но годится только для холодных узлов до 60 °C.
Быт и медицина
Пластичные смазки стоят в велосипедных втулках, дверных петлях, бытовой технике. В пищевом и медицинском оборудовании берут смазки на алюминиевом комплексе или PTFE с допуском для контакта с пищей.

Где это в технике

Эта тема объясняет химию за терминами из инженерных тем. Числа совпадают: в смазке 85–90 % масла, NLGI 2 самая распространенная, NLGI 0 и 00 качают зимой.

Пластичная смазка и централизованная системаклассы NLGI, пенетрация, предел текучести τ₀ и смазка зимой: здесь видно, из чего сделана губка
Подшипник ступицы и его ресурсвода и грязь в смазке режут ресурс, а нагрев сокращает срок службы смазки
Уплотнения: пыль и вода против подшипникапочему смазку подбирают по водостойкости
Присадки: кто и для чегосмазка EP2 с MoS₂ для пальцев и втулок
Износ: абразивный, усталостный, задирсухой палец в пыли изнашивается в разы быстрее
Холодный пуск при −40 °Cмасло внутри смазки густеет на морозе так же, как в картере
Карбоновые кислоты, сложные эфиры и мылоомыление и молекула мыла с головой и хвостом
Смазочные материалыбазовое масло, которое держит сетка
Химия трения: пленки, EP-присадки, MoS₂ и графитчто защищает металл, когда смазка уже выдавлена
Энергия активации и уравнение Аррениусапочему каждые 15 °C жары вдвое сокращают срок смазки

Допущения модели+

У каждого загустителя взяты типичные значения: каплепадение, верхняя рабочая температура, доля загустителя для NLGI 2 и смыв водой. У реальных смазок они зависят от масла, рецептуры и варки. Пенетрация от доли загустителя считается по простой логарифмической зависимости, нагрев на нее не влияет, потому что класс NLGI определяют при 25 °C. Срок службы падает вдвое на каждые 15 °C выше 70 °C. Совместимость двух смазок взята по типичным таблицам совместимости в три ступени, а размягчение и падение каплепадения в смеси считаются по учебной формуле, наибольшие при смеси пополам. Точно совместимость проверяют пробой смеси: меряют пенетрацию после перемешивания и каплепадение. Кальциевая смазка считается гидратированной: выше 80 °C она теряет воду. Низкотемпературные свойства зависят от масла и здесь только упомянуты.

Где это в технике

Термины в словаре:Пластичная смазка Мыло Загуститель Литиевый комплекс Полимочевина Температура каплепадения Класс NLGI и пенетрация

Еще в направлении «Химия»

Все темы направления «Химия» →