Влияние свойств базового масла на антифрикционные свойства литиевых смазок

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Научная статья УДК 621.892

http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-113-118

Влияние свойств базового масла на антифрикционные

свойства литиевых смазок

А.Е. Булиев1, Д.В. Титоренко1, В.П. Кашпарова1, М.Е. Булиёва2, И.С. Дуров1

1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, г. Москва, Россия

Аннотация. Изучено влияние типа и вязкости базового масла на антифрикционные свойства консистентных смазок, приготовленных на основе литиевого загустителя - литий-12-гидроксистеарата. Обнаружено, что в зависимости от типа применяемого базового масла существенно изменяются антифрикционные свойства пластичной смазки. Установлено, что с ростом вязкости базового масла уменьшается трение и износ контактных механизмов. Смазки на основе полиальфаолефиновых масел (ПАО), охватывающих широкий диапазон вязкости, показали лучшие антифрикционные свойства, чем смазки на минеральных маслах.

Ключевые слова: антифрикционные свойства, базовое масло, пластичная смазка, вязкость

Для цитирования: Булиев А.Е., Титоренко Д.В., Кашпарова В.П., Булиёва М.Е., Дуров И.С. Влияние свойств базового масла на антифрикционные свойства литиевых смазок // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. № 1. С. 113-118. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-113-118.

Original article

Influence of base oil properties on antifriction properties

of lithium lubricants

A.E. Buliev1, D.V. Titorenko1, V.P. Kashparova1, M.E. Buliyova2, I.S. Durov1

1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2National University of Oil and Gas «Gubkin University», Moscow, Russia

Abstract. In this work, we studied the effect of the type and viscosity of the base oil on the antifriction properties of greases prepared on the basis of a lithium thickener - lithium-12-hydroxystearate. It was found that, depending on the type of base oil used, the anti-friction properties of the grease also change significantly. It has been established that with an increase in the viscosity of the base oil, friction and wear of contact mechanisms decrease. Greases based on polyalphaolefin oils, covering a wide range of viscosities, have shown better anti-friction properties than those based on mineral oils.

Keywords: anti-friction properties, base oil, polymer, grease, viscosity

For citation: Buliev A.E., Titorenko D.V., Kashparova V.P., Buliyova M.E., Durov I.S. Influence of base oil properties on antifriction properties of lithium lubricants. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(1):113-118. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-1-113-118.

© ЮРГПУ (НПИ), 2024

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Введение

Пластичная смазка (ПС) является многофазной структурой, состоящей из двух основных компонентов: дисперсионной среды - жидкости, представляющей собой базовое масло, и дисперсной фазы - «загустителя», состоящей из металлического мыла. Данный состав обеспечивает консистентную смазку некоторыми преимуществами по сравнению со смазочными маслами [1 - 3].

Использование подходящей смазки с низким коэффициентом трения является одним из наиболее универсальных способов снижения потерь на трение в механизмах [4]. Основная роль смазки в механизме заключается в смазывании сильно нагруженных элементов механизма в точках контакта, где возникают пиковые нагрузки. Именно в местах контакта смазочная композиция работает в режиме упруго-гидродинамической смазки [4]. Механизмы образования смазочной пленки и, в меньшей степени, трения в этих контактах относительно хорошо изучены для масел, однако, во многом вследствие сложной структуры пластичной смазки, аналогичные закономерности работы для ПС все еще недостаточно ясны [5].

Существующие исследования пластичных смазок с использованием стандартных лабораторных испытаний свидетельствуют о том, что свойства загустителя смазки оказывают значительное влияние на трение [6]. Известно, что некоторые типы загустителей способны прилипать к поверхности и образовывать тонкий остаточный слой осажденных частиц загустителя. Другие исследования показывают, что в процессе работы в узлах трения смазка механически разлагается и превращается в ньютоновскую суспензию, вязкость которой многократно превышает вязкость базового масла [6 - 8]. Таким образом, тип загустителя, концентрация и размеры частиц загустителя оказывают сильное влияние на образование пленки, а также влияют на трение [9, 10]. Исследования смазок с использованием реальных подшипников качения показывают, что отдельные компоненты смазки также влияют на трение [4]. В некоторых работах отмечается, что загуститель участвует в процессе смазывания трущихся элементов подшипников, в то время другие исследования указывают, что наиболее важным компонентом смазки для

снижения трения в подшипниках является базовое масло, одним из ключевых параметров которого является показатель вязкости [5, 9-11].

Цель работы - исследование влияния типа и вязкости базового масла на антифрикционные свойства консистентных смазок, приготовленных на основе литиевого загустителя - литий-12-гидроксистеарата.

Экспериментальная часть

Состав консистентной смазки и изготовление образцов для испытаний. Приготовление пластичной смазки (ПС) проводили согласно следующему технологическому режиму: базовое масло, 12-оксистеариновую кислоту и гидроксид лития загружали в лабораторный реактор исходя из расчетного количества. Процесс производства простых литиевых смазок состоял из четырех последовательных стадий: омыление, растворение мыла, перекристаллизация и гомогенизация.

В результате реакции омыления между 12-гидроксистеариновой кислотой и дисперсией микронных частиц безводного гидроксида лития ^ЮН) в базовом масле образуется загуститель литий-12-гидроксистеарат. Далее композицию нагревали для формирования пластичной смазки. Производство смазочной композиции включало в себя несколько температурных режимов. В процессе термообработки происходит формирование структуры смазки и перекристаллизация на заключительном этапе, что является необходимым условием для получения продукта оптимального качества.

При исследовании влияния свойств базового масла все смазки имели одинаковое количество загустителя литий-12-гидроксистеарата. Для приготовления смазочных композиций были использованы как минеральные (ВМГЗ, И-40А, SN-400, BS), так и полиальфаолефиновые (ПАО-6, ПАО-12, ПАО-40, ПАО-100) масла. Основные характеристики масел, выбранных в качестве базовых для приготовления пластичных смазок, представлены в табл. 1.

Было приготовлено восемь образцов пластичных смазок с использованием выбранных базовых масел. Внешний вид пластичных смазок, полученных в результате экспериментальных варок, представлен на рис. 1.

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Таблица 1 Table 1

Характеристики масел, использованных для приготовления пластичных смазок на основе литий-12-гидроксистеарата Characteristics of oils used for the preparation of greases based on lithium-12-hydroxystearate

Образец Базовое масло Вязкость масла при 40 "С, сСт Индекс вязкости Температура вспышки в открытом тигле, "С Плотность при 20 °С, кг/м3

1 ВМГЗ 44,7 272 180 860

2 И-40А 65,8 68 235 882

3 SN-400 80,6 94 240 882

4 BS 378,6 90 270 900

5 ПАО-6 30,7 130 245 830

6 ПАО-12 65,84 138 260 835

7 ПАО-40 334,03 154 280 844

8 ПАО-100 1166,4 170 290 850

Рис. 1. Внешний вид пластичных смазок на маслах 1 - 8: 1 - ВМГЗ; 2 - И-40А; 3 - SN-400; 4 - BS; 5 - ПАО-6; 6 - ПАО-12; 7 - ПАО-40; 8 - ПАО-100 Fig. 1. Appearance of greases based on oils 1-8: 1 - TMHO; 2 - I-40A; 3 - SN-400; 4 - BS; 5 - PAO-6; 6 - PAO-12; 7 - PA0-40; 8 - PA0-100

Приборы и материалы. Основные показатели для оценки влияния базовых масел на антифрикционные свойства смазочных композиций измерялись с помощью четырехшариковой машины трения ЧМТ-1.

Измеряемые параметры (DIN 51350):

- нагрузка сваривания;

- критическая нагрузка;

- определение диаметра пятна износа.

Общий принцип проведения испытания

заключается в определении диаметра пятна износа, образующегося на шариках, трущихся между собой.

Основной вид узла трения ЧМТ-1, представляющий собой пирамиду из четырех контактирующих друг с другом шариков, где проводится испытание пластичных смазок, показан на рис. 2. Места контакта, где возникают пиковые

нагрузки, позволяют определить смазывающую способность ПС, а также зависимость изменения диаметра пятна износа от используемого базового масла.

Рис. 2. Пара трения в четырехшариковой машине трения Fig. 2. A pair of friction in a four-ball friction test

Испытание начинается с заполнения чаши определенным количеством смазочного материала, затем в смазку погружаются три шарика и фиксируются верхней шайбой, верхний шарик фиксируется в обойме, которая соединена с двигателем.

По окончании испытания шарики очищаются от смазки растворителем и проводится измерение диаметра полученных пятен износа на прецизионном микроскопе.

Обсуждение результатов

Параметры полученных ПС приведены в табл. 2. ПС готовились с одинаковым показателем по пенетрации согласно классификации NLGIEP2.

Таблица 2 Table 2

Показатели качества произведенных смазок на базовых маслах Quality indicators of produced lubricants based on oils

Базовое масло Пенетра-ция, мм-1 Температура кап-лепаде-ния, "С Коллоидная стабильность, % Свободная щелочь, NaOH % Содержание воды

ВМГЗ 290 210 17 0,12 отсутствует

И-40А 275 215 14 0,08 -

SN-400 280 220 11,4 0,04 -

BS 270 220 9 0,06 -

ПАО-6 285 210 12 0,1 -

ПАО-12 275 215 10 0,13 -

ПАО-40 275 220 9,5 0,1 -

ПАО-100 280 220 7 0,14 -

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Основные трибологические характеристики исследованных ПС представлены в табл. 3. Выявлена прямая зависимость между диаметром пятна износа и характеристиками базового масла, что подтверждает определяющее влияние фракционного состава и вязкости базового масла, а также степени его очистки на степень износа деталей в узле трения.

Таблица 3 Table 3

Результаты испытания антифрикционных свойств The results of the test of anti-friction properties

Базовое масло Нагрузка сваривания, Н Критическая нагрузка, Н Диаметр пятна износа, мм

ВМГЗ 1320 823 0,577

И-40А 1470 823 0,565

SN-400 1470 823 0,561

BS 1470 823 0,533

ПАО-6 1470 823 0,519

ПАО-12 1470 872 0,505

ПАО-40 1470 872 0,489

ПАО-100 1320 872 0,480

:2 "" ! 3 4

IS

У и Ш

щШ+^^Ци BBBrl щ 8

~ л Ш Ш

M та У1

При проведении испытаний установлено, что смазки на минеральных маслах обеспечивают более высокое трение, чем смазки на основе полиальфаолефинов. Это свидетельствует о том, что трение, возникающее между парами трения, существенно зависит от молекулярной структуры и гибкости звеньев компонентов масла, так как эти характеристики определяют «жидкостное» трение, возникающее при сдвиге молекулярных слоев пленки при высоком давлении [6]. Низкими показателями прочности на сдвиг и, следовательно, низким коэффициентом трения обладают масла, содержащие линейные гибкие молекулы. Данные характеристики ал-кильных цепей присущи ПАО маслам, поэтому они обеспечивают более низкий коэффициент трения, чем минеральные масла [6].

Пластичные смазки, приготовленные на маслах ПАО, значительно отличаются от ПС на минеральных маслах, видна тенденция к уменьшению износа при переходе от минеральных масел (см. табл. 1, образцы 1-4) к ПАО маслам (см. табл. 1, образцы 5-5). Степень износа уменьшается с 0,533 - 0,577 мм до 0,480 - 0,519 мм соответственно.

Фото пятен износа в результате проведенных испытаний представлены на рис. 3. На фото четко видно уменьшение пятна износа и отсутствие борозд задира при использовании более вязких ПАО масел (образцы 6-8).

Рис. 3. Фотографии пятен износа при применении разработанных пластичных смазок на различных базовых маслах: 1 - ВМГЗ; 2 - И-40А; 3 - ÄV-400; 4 - BS; 5 - ПАО-6; 6 - ПАО-12; 7 - ПАО-40; 8 - ПАО-100 Fig. 3. Photo of a wear scar when using greases on various base oils: 1 - TMHO; 2 - I-40A; 3 - SN-400; 4 - BS; 5 - PAO-6; 6 - PAO-12; 7 - PAO-40; 8 - PAO-100.

Важной характеристикой ПС также является ее коллоидная стабильность. Согласно литературным данным, коллоидная стабильность ПС оказывает значительное влияние на формирование масляной пленки в узле трения, что, в свою очередь, должно снижать степень износа [6]. Следовательно, для ПС с высоким значением коллоидной стабильности диаметр пятна износа должен быть минимальным или находиться в среднем диапазоне полученных величин. Согласно полученным данным высокую коллоидную стабильность, превышающую аналогичный показатель для всех смазок на других маслах, показала ПС на масле ВМГЗ. Однако проведенные исследования показали, что фактор коллоидной стабильности вносит меньший вклад в снижение степени износа, чем фракционный состав и вязкость масла. ПС на основе ВМГЗ, несмотря на свою стабильность, не привела к снижению степени износа по сравнению с ПС на других минеральных маслах (см. табл. 1, образцы 1-4).

Таким образом, проведенные исследования показали, что более значимыми факторами, влияющими на антифрикционные свойства ПС, являются вязкость базового масла и его фракционный состав.

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

Л

0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53

0,577

0,565 0,561

0,533

0 50 100 150 200 250 300 350 400 Вязкость базового масла (минеральное масло), сСт

минеральными маслами. Это объясняется прежде всего фракционным составом, а также высоким индексом вязкости ПАО масел, за счет чего масляная пленка в местах контакта трущихся элементов лучше удерживается даже при высоких температурах, сохраняя свои вязкостные показатели.

Таким образом, физико-химические свойства базового масла оказывают значительное влияние на формирование структуры пластичной смазочной композиции во время производства, и в итоге на качество готового продукта.

1 0,53

of 0,52

со

Д СП S3 0,51

03 S 0,5

s

^ 0,49

si & 0,48

«

0,47

0,519 0,505

0,489

0,48

0 200 400 600 800 1000 1200 Вязкость базового масла (ПАО масло), сСт

б

Рис. 4. Зависимость антифрикционных свойств ПС от вязкости базового масла: а - минеральное масло; б - ПАО масло

Fig. 4. Dependence of the antifriction properties of PS on the viscosity of the base oil: а - mineral oil; б - PAO oil

Согласно графикам, представленным на рис. 4, видна четкая тенденция к уменьшению пятна износа с ростом вязкости базового масла как для ПС на минеральных маслах, так и на ПАО маслах.

Заключение

В результате проведенных исследований по определению влияния физических свойств базового масла на антифрикционные свойства ПС установлена прямая зависимость между вязкостью масла и антифрикционными свойствами смазочной композиции.

Полученные данные показывают значительное превосходство синтетических масел над

Список источников

1. Ищук Ю.Л. Состав, структура и свойства пластичных смазок. Киев: Наукова думка, 1996. 516 с.

2. Rizvi S.Q. A comprehensive review of lubricant chemistry, technology, selection, and design // West Con-shohocken, PA: ASTM international. 2009. Vol. 21.

3. Lugt, Piet M. Grease lubrication in rolling bearings. John Wiley & Sons, 2012.

4. Ваванов В.В., ВайнштокВ.В., Гуреев А.А. Автомобильные пластичные смазки. М: Транспорт, 1986. 144 с

5. Zhang E. [et al.] A Study on microstructure, friction and rheology of four lithium greases formulated with four different base oils // Tribology Letters. 2021. Vol. 69, № 3. P. 98.

6. De LaurentisN. [et al.] The influence of base oil properties on the friction behaviour of lithium greases in rolling/sliding concentrated contacts // Tribology Letters. 2017. Vol. 65. P. 1-16.

7. Cann P.M. [et al.] Grease degradation in R0F bearing tests //Tribology Transactions. 2007. Vol. 50, № 2. Р. 187-197.

8. Xu Nan [et al.] Insights into the rheological behaviors and tribological performances of lubricating grease: entangled structure of a fiber thickener and functional groups of a base oil // New Journal of Chemistry. 2018. Vol. 42, № 2. Р. 1484.

9. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968. 543 c.

10.Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 368 с.

11. Couronné I.D. P.N. [et al.] Effects of grease composition and structure on film thickness in rolling contact // Tribology transactions. 2003. Vol. 46, № 1. Р. 31.

а

References

1. Ishchuk Y.L. Composition, structure and properties ofgreases. Kiev: Naukova dumka.1996. 516 p.

2. Rizvi S.Q. A comprehensive review of lubricant chemistry, technology, selection, and design. West Conshohocken, PA: ASTM international. 2009;(21).

ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 1

3. Lugt, Piet M. Grease lubrication in rolling bearings. John Wiley&Sons. 2012.

4. Vavanov V.V., Vainshtok V.V., Gureev A.A. Automotive greases. Moscow: Transport. 1986. 144 p.

5. Zhang E. et al. A Study on microstructure, friction and rheology of four lithium greases formulated with four different base oils. TribologyLetters. 2021;69(3):98.

6. De Laurentis N. et al. The influence of base oil properties on the friction behaviour of lithium greases in rolling/sliding concentrated contacts. Tribology Letters. 2017;(65):1-16.

7. Cann P. M. et al. Grease degradation in R0F bearing tests. Tribology Transactions. 2007;50(2):187-197.

8. Xu, Nan et al. Insights into the rheological behaviors and tribological performances of lubricating grease: entangled structure of a fiber thickener and functional groups of a base oil. New Journal of Chemistry. 2018;42(2):1484

9. Bowden F.P., Tabor D. Friction and lubrication of solids. Moscow: Mechanical Engineering. 1968. 543 p.

10. Myshkin N.K., Petrokovets M.I. Friction, lubrication, wear. Moscow: FIZMATLIT. 2007. 368 p.

11. Couronné I. D. P. N. et al. Effects of grease composition and structure on film thickness in rolling contact. Tribology transactions. 2003;46(1):31.

Сведения об авторах

Булиев Анатолий Евгеньевичя- аспирант, Anatoliy.Buliyov@yandex.ru

Титоренко Диана Виталиевна - студент, кафедра «Химические технологии», dianati-torenko26@gmail.com

Кашпарова Вера Павловна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химические технологии», kashpa-rova2013@mail.ru

Булиёва Мария Евгеньевна - студент, кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин», masha.buliyova@gmail.com

Дуров Игорь Святославович - канд. социол. наук, доцент, кафедра «Программное обеспечение вычислительной техники», igordurov1972@gmail.com

Information about the authors

Anatoliy E. Buliev - Graduate Student, Anatoliy.Buliyov@yandex.ru

Diana V. Titorenko - Student, Department «Chemical Technology», dianatitorenko26@gmail.com

Vera P. Kashparova - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department «Chemical Technology», kashparova2013@mail .ru

Maria E. Buliyova - Student, Department «Drilling Oil and Gas Wells», masha.buliyova@gmail.com

Igor S. Durov - Cand. Sci. (Sociol.), Associate Professor, Department «Software Computer Engineering», igordurov 1972@gmail.com

Статья поступила в редакцию / the article was submitted 15.11.2023; одобрена после рецензирования /approved after reviewing 30.11.2023; принята к публикации / accepted for publication 19.12.2023.