WYDZIAŁ CHEMICZNY STUDIA I STOPNIA STACJONARNE Przemysłowe laboratorium technologii chemicznej II-B ćwiczenie nr 1 Zajęcia prowadzone przez dr inż. Elżbietę Beran w laboratorium 113 bud. F2
1. Wstęp teoretyczny - charakterystyka olejów smarowych Oleje smarowe są to materiały o konsystencji oleistej, charakterystycznym składzie chemicznym i właściwościach, które decydują o zastosowaniu ich jako ciekłych środków smarowych zaliczanych do grupy materiałów określanych płynami eksploatacyjnymi. Powszechnie stosowane w Polsce określenie środki smarowe lub środki smarne odnosi się do materiałów, których zadaniem jest zmniejszenie tarcia między powierzchniami stykających się i współpracujących ze sobą ruchomych elementów oraz spełnienie szeregu innych funkcji wymaganych od materiałów smarowych w różnych maszynach i urządzeniach. Ze względu na stan skupienia rozróżnia się materiały smarowe płynne (oleje smarowe), plastyczne (smary), stałe (teflon, grafit itp.) i gazowe, chociaż te ostatnie mają bardzo ograniczone zastosowanie i mogą być wykorzystywane w specyficznych układach tribologicznych np. w tzw. łożyskach gazowych. Największe zastosowanie pod względem ilości, różnorodności gatunków i miejsc eksploatacji mają płynne środki smarowe. Są to przede wszystkim oleje smarowe oraz oleje zaliczane do płynów roboczych i płynów technologicznych. Ich roczna produkcja na świecie wynosi ok. 40 mln ton i eksploatowane są w różnych urządzeniach i maszynach, w transporcie lądowym, morskim, powietrznym, w przemyśle i we wszystkich innych dziedzinach gospodarki, także w urządzeniach stosowanych w gospodarstwach domowych. We współczesnej technice oleje smarowe stały się integralnymi elementami konstrukcyjnymi maszyn i urządzeń. Materiały smarowe, takie jak oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce, wykorzystywano już w czasach antycznych. To dzięki nim zmniejszając tarcie płóz sań można było przemieszczać potężne bloki skalne i posągi przy budowie piramid lub też wykorzystywano rydwany jako środki lokomocji. Oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce, stanowiące kompozycje naturalnych związków estrowych, były powszechnie stosowane jako materiały smarowe od czasów starożytnych do II połowy XIX wieku. Opracowanie techniki wydobycia ropy naftowej a następnie bardzo szybkie doskonalenie technologii jej przeróbki spowodowało, że już na początku ubiegłego stulecia naturalne środki smarowe zostały prawie całkowicie zastąpione przez oleje mineralne otrzymywane z ropy naftowej, o lepszych i bardziej różnorodnych właściwościach fizykochemicznych i eksploatacyjnych. Ponieważ w miarę rozwoju techniki rosły wymagania dotyczące olejów smarowych, ze względu na ograniczone ilości w ropie naftowej składników węglowodorowych, które nadają olejom pożądane właściwości, już w I połowie XX wieku zaczęto wprowadzać do olejów syntezowane związki chemiczne tzw. dodatki uszlachetniające oleje. W kolejnych dekadach XX wieku rozwijający się intensywnie przemysł oraz transport lądowy, morski i powietrzny spowodowały, że materiał smarowy stał się elementem konstrukcyjnym, uwzględnianym już na etapie projektowania nowoczesnego układu trybologicznego. Konsekwencją tego jest nie tylko doskonalenie technologii otrzymywania coraz to lepszych bazowych olejów z ropy naftowej i opracowywanie coraz nowszych receptur komponowania ich z dodatkami uszlachetniającymi, ale również skierowanie uwagi na syntetyczne związki chemiczne, które jako syntetyczne oleje bazowe lub w kompozycji z olejami mineralnymi mogą być stosowane do produkcji materiałów smarowych. Większość olejów smarowych, takich jak np. oleje silnikowe i oleje przekładniowe samochodowe oraz oleje przemysłowe: przekładniowe, sprężarkowe, turbinowe, maszynowe, hydrauliczne itp. mają do spełnienia w czasie eksploatacji szereg funkcji, takich jak: zmniejszanie tarcia i zużycia współpracujących elementów, odprowadzanie ciepła z węzłów tarcia, 1
odprowadzanie zanieczyszczeń powstających w czasie eksploatacji układu smarowego, ochrona przed korozją, związaną ze szkodliwym oddziaływaniem otoczenia na elementy pracujące, doszczelnianie współpracujących elementów, Często olej, zaprojektowany jako integralny element określonych urządzeń, realizując ww. zadania musi w tych urządzeniach pełnić określoną rolę, jak np.: oleje hydrauliczne, zaliczane do płynów roboczych, w różnego typu urządzeniach hydraulicznych mają za zadanie przenoszenie energii (mocy) i informacji, oleje transformatorowe, jako płyny o właściwościach dielektrycznych, w transformatorach pełnią rolę materiału izolacyjnego, oleje technologiczne jako płyny technologiczne muszą pełnić rolę medium pozwalającego na łatwą wymianę ciepła, oleje grzewcze, zaliczane również do płynów technologicznych, pełnią rolę nośnika ciepła wykorzystywanego zarówno jako czynnik grzewczy jak i chłodzący. Ze względu na przedstawione powyżej zadania, oleje smarowe powinny charakteryzować się odpowiednimi właściwościami fizykochemicznymi pozwalającymi na ich spełnienie, a do najważniejszych należą: właściwości lepkościowo-temperaturowe, stabilność termiczno-oksydacyjna, właściwości niskotemperaturowe, właściwości tribologiczne, odporność hydrolityczna, właściwości myjąco dyspergujące, odporność na pienienie, i inne specyficzne właściwości związane z miejscem eksploatacji. Oleje smarowe składają się z olejów bazowych oraz zestawu dodatków uszlachetniających typu modyfikatorów lepkości, inhibitorów utleniania i korozji, dodatków smarowych, detergentowo-dyspergujących, depresatorów i innych. Ilość, rodzaj i wzajemne ich proporcje decydują o klasie wytwarzanego oleju. Współczesne oleje zawierają od ułamka procenta do kilkunastu a nawet kilkudziesięciu procent dodatków, resztę stanowi olej bazowy. Na przykład, udział olejów bazowych w olejach transformatorowych lub turbinowych wynosi ponad 99%, w olejach sprężarkowych lub hydraulicznych waha się w granicach 98 99%, gdy w przypadku olejów silnikowych zawartość oleju bazowego może wynosić od 60 do 90%. 1.1. Oleje bazowe Jakość olejów bazowych w dużej mierze decyduje o właściwościach użytkowych gotowych olejów smarowych i ulega ciągłym zmianom. Zmiany te uwarunkowane są zarówno postępem technicznym, jak i wymaganiami ochrony środowiska i czynnikami ekonomicznymi. Ze względu na pochodzenie, stosowane do produkcji współczesnych olejów smarowych, oleje bazowe można rozpatrywać jako: oleje mineralne będące produktem procesów przerobu ropy naftowej - w tej grupie rozróżnia się oleje mineralne konwencjonalne (produkty uzyskiwane przy zastosowaniu rafinacji rozpuszczalnikowej, oznaczane symbolem SN, rzadziej SR) oraz oleje niekonwencjonalne, otrzymywane z zastosowaniem wodorowych procesów katalitycznych, takich jak hydrotreating, hydrokraking, hydroizomeryzacja, 2
oleje syntetyczne związki chemiczne o określonych strukturach, otrzymywane w wyniku reakcji chemicznych (estryfikacji, transestryfikacji, polimeryzacji, kondensacji), oleje semisyntetyczne powstające w wyniku fizycznego zmieszania bazy mineralnej z bazą syntetyczną. Bardziej precyzyjna w określeniu rodzajów olejów bazowych jest systematyka zaproponowana przez Amerykański Instytut Naftowy (API) przedstawiona w tabeli 1, która w zależności od składu, właściwości fizykochemicznych oraz technologii otrzymywania dzieli oleje bazowe na 5 grup. Bazowe oleje mineralne zostały zaklasyfikowane do jednej z trzech pierwszych grup na podstawie wskaźnika lepkości, zawartości siarki i węglowodorów nasyconych. Tabela 1. Podział olejów bazowych według API Zawartość Węglowodory Oleje siarki nasycone bazowe [% mas.] [% mas.] Wskaźnik lepkości Oleje mineralne Grupa I > 0,03 i/lub < 90 80 120 Grupa II 0,03 i 90 80 120 Grupa III Grupa IV Grupa V < 0,03 i 90 > 120 Oleje syntetyczne i pozostałe Wszystkie polialfaolefiny (PAO) Wszystkie oleje bazowe nie należące do grupy I IV* * - do grupy tej włączone są inne struktury syntetyczne niż PAO, również oleje roślinne. Ponieważ uznane za kryteria właściwości olejów zależą od technologii ich otrzymywania, można stwierdzić, że: Grupa I obejmuje oleje mineralne konwencjonalne, otrzymywane na drodze rafinacji rozpuszczalnikowej, określane dotychczas jako SN (lub SR). Grupa II obejmuje oleje otrzymywane w wyniku zastosowania wodorowych procesów katalitycznych takich jak hydrotreating i łagodny hydrokraking przy przeróbce destylatów próżniowych ropy naftowej. Grupa III obejmuje oleje otrzymywane w wyniku zastosowania procesów głębokiego hydrokrakingu i hydroizomeryzacji destylatów próżniowych oraz hydroizomeryzacji parafin. Grupa IV PAO obejmuje zarówno produkty polimeryzacji 1-decenu lub innych długołańcuchowych alfa-olefin C 8 C 12, jak również ciekłe produkty polimeryzacji niżej cząsteczkowych alfa-olefin, np. mieszanin etylenu, propylenu i butylenu. Grupa V olejów bazowych obejmuje pozostałe, oprócz PAO, oleje syntetyczne jak również oleje roślinne, które zazwyczaj są wykorzystywane po odpowiedniej modyfikacji struktury. Najważniejszą pozycję w tej grupie zajmują oleje estrowe, polialkilenoglikole (PAG), oleje silikonowe, oleje węglowodorowe: polibutenowe, i alkiloaromatyczne. Pojęcie syntetyczne oleje smarowe obejmuje więc szeroką gamę produktów które różnią się budową chemiczną, a tym samym właściwościami, zakresem stosowania, ceną i w końcu akceptacją rynku. Należą do nich: * syntetyczne węglowodory: - polialfaolefiny (PAO), - poliizobutyleny, 3
- alkilowane węglowodory aromatyczne, - węglowodory cykloalifatyczne, * estry kwasów karboksylowych: - monoestry, - diestry, - poliolestry, - estry kompleksowe, * glikole polialkilenowe (poliglikole, PAG), * oleje silikonowe, * estry kwasu fosforowego (arylowe i alkilowe estry fosforanowe), * etery polifenylowe, * perfluorowane polietery, * fluorowane i chlorowane węglowodory Spośród wymienionych cieczy syntetycznych największe zastosowanie znalazły polialfaolefiny, estry kwasów karboksylowych oraz polialkilenoglikole. Oszacowano, że z ich udziałem produkowanych jest na świecie ok. 80% syntetycznych materiałów smarowych Pomimo ich znacznie wyższych cen w stosunku do olejów mineralnych, ze względu na specyficzne właściwości znajdują one zastosowania w różnych obszarach techniki smarowniczej, a szczególnie w lotnictwie, energetyce i transporcie samochodowym. Na uwagę zasługuje wzrastające znaczenie olejów typu estrów alifatycznych kwasów dikarboksylowych i monoalkoholi oraz monokarboksylowych kwasów alifatycznych i polialkoholi, głównie trimetylolopropanu i pentaerytrytu. Między innymi oleje te stanowią pożądany komponent do olejów zawierających PAO, gdyż zastosowane w ilości od kilku do kilkunastu procent zabezpieczają wymagany poziom pęcznienia uszczelek z elastomerów oraz zwiększają zdolność rozpuszczania dodatków jak i produktów starzenia powstających w czasie eksploatacji olejów. Oleje estrowe są coraz częściej wykorzystywane jako zamienniki tradycyjnych olejów mineralnych w urządzeniach przemysłowych o specjalnym przeznaczeniu. Oleje tej grupy charakteryzują się nie tylko wieloma korzystnymi właściwościami eksploatacyjnymi ale uznawane są za oleje, które przedostając się do środowiska znacznie szybciej ulegają biodegradacji w porównaniu z pozostałymi olejami. 1.2. Typy i rola dodatków uszlachetniających Dodatki uszlachetniające są to indywidualne związki chemiczne lub ich mieszaniny o określonej budowie, wpływające na zmianę, uszlachetnienie właściwości użytkowych olejów. Dodatki mogą być stosowane bądź jako komponenty indywidualne, bądź w postaci wielofunkcyjnych pakietów. Wyróżnić można trzy zasadnicze grupy dodatków: dodatki poprawiające właściwości już istniejące w oleju: wiskozatory (poprawiające charakterystykę lepkościową oleju oraz wskaźnik lepkości); depresatory (poprawiające właściwości niskotemperaturowe oleju, temperaturę płynięcia, lepkość w ujemnych temperaturach itp.) dodatki wprowadzające nowe właściwości: detergenty i dyspergatory (poprawiające właściwości myjące i zdolności neutralizujące). dodatki chroniące olej przed utratą właściwości użytkowych w warunkach eksploatacyjnych: antyutleniacze, dodatki antykorozyjne i antyrdzewne. Oprócz wymienionych wyżej dodatków w skład oleju, w zależności od jakości i przeznaczenia wchodzić mogą inne dodatki jak np: modyfikatory tarcia, dodatki typu EP, dodatki przeciwzużyciowe. 4
1.3. Systemy klasyfikacji olejów smarowych W celu stworzenia możliwości porównania między sobą różnych olejów opracowano cały szereg systemów ich klasyfikacji. Klasyfikacje te w miarę rozwoju techniki, ulegają ciągłym ulepszeniom i modyfikacjom. Do podstawowych systemów klasyfikacji należą: 1. Klasyfikacje lepkościowe dla: - olejów silnikowych wg SAE J 300; - olejów przekładniowych samochodowych wg SAE J 306; - olejów przemysłowych (przekładniowych, hydraulicznych, sprężarkowych, turbinowych itp.) wg ISO 3448. 2. Klasyfikacje jakościowe olejów silnikowych: według API - cywilna klasyfikacja amerykańska, według ACEA (CCMC) - klasyfikacja europejska, według MIL-L - wojskowa klasyfikacja amerykańska, według producentów silników np. Mercedes Benz, VW, Volvo, MAN, Ford itp i inne. 1.3.1. Oleje silnikowe ich klasyfikacje Współczesny olej silnikowy stanowi integralny element konstrukcyjny silnika, spełniający cały szereg funkcji takich jak: - zmniejszenie tarcia - zmniejszenie zużycia silnika - utrzymanie silnika w czystości - ochrona przed korozją i rdzewieniem - odprowadzanie ciepła - doszczelnianie komory silnika i inne, gdyż funkcje oleju silnikowego są dużo bardziej złożone aniżeli samo smarowanie Jakość i właściwości użytkowe oleju silnikowego określa się na podstawie całego szeregu badań, począwszy od porównania właściwości fizykochemicznych, poprzez specjalistyczne badania laboratoryjne, badania na silnikach badawczych a skończywszy na długotrwałych i kosztownych badaniach eksploatacyjnych. Klasyfikacja lepkościowa olejów silnikowych Podstawową właściwością fizykochemiczną charakteryzującą olej silnikowy i jednocześnie określającą zakres jego stosowania jest charakterystyka lepkościowa: - lepkość oleju w temperaturach dodatnich i ujemnych - wskaźnik lepkości Lepkość najogólniej jest definiowana jako miara tarcia wewnętrznego cieczy. W technice wyróżnia się lepkość dynamiczną i lepkość kinematyczną. Lepkość dynamiczna danej cieczy wynosi lpa s (1 Pascal sekunda) jeżeli siła potrzebna do przesunięcia warstwy cieczy o powierzchni lcm 2 względem drugiej takiej samej warstwy oddalonej o lcm, z prędkością 1 cm/sec, wynosi 1 dynę. Jednostkami najczęściej stosowanymi dla lepkości dynamicznej są: lpa s = 10P(lPoise) lmpa s = lcp Lepkość kinematyczna - jest to stosunek lepkości dynamicznej danej cieczy do jej gęstości (wyznaczone w tej samej temperaturze). Jednostkami najczęściej stosowanymi dla wyrażenia lepkości kinematycznej są: 1mm 2 /s = lcst (1 centi Stokes) (lepkość lcst posiada woda w temperaturze 20 C). Lepkość oleju zmienia się wraz ze zmianą temperatury - ze wzrostem temperatury lepkość maleje i odwrotnie. Miarą tendencji do zmian lepkości oleju wraz ze zmianą temperatury jest wskaźnik lepkości oznaczany często w skrócie WL lub VI (viscosity index). 5
Klasyfikacja lepkościowa olejów silnikowych wg SAE opracowana przez Society of Automotive Engineers (SAE) opiera się na podziale olejów wg kilku podstawowych kryteriów eksploatacyjnych. Dzieli ona oleje silnikowe na 12 klas: - sześć klas zimowych" (oznaczonych dodatkową literą W (od winter): 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W - sześć klas letnich": 20, 30, 40, 40, 50, 60 ; przy czym dwie klasy 40 różnią się jedynie wartością HT/HS (odpowiednio 2,9 cp i 3,7 cp) Kryteria podziału są następujące: dla klas zimowych": - maksymalna lepkość, jaką osiągnąć może olej w danej minusowej temperaturze, - graniczna temperatura pompowalności, - minimalna lepkość w temperaturze 100 C dla klas letnich": - minimalna lepkość w temperaturze 100 C, - maksymalna lepkość w temperaturze 100 C, - minimalna lepkość w temperaturze 150 C i obciążeniu ścinającym = 10 6 sec -1 (HT/HS) Pełen zakres wartości liczbowych dla klasyfikacji lepkościowej SAE J300 (2004) przedstawiono w tab. 2. W odniesieniu do olejów wielosezonowych spełnione muszą być warunki odnoszące się zarówno do części zimowej" jak i letniej", stąd np. oznaczenia 10W/40, 15W/40 itd. Tabela 2. Klasyfikacja lepkościowa olejów silnikowych (SAE J300 2004) Klasa lepkości SAE Maksymalna lepkość dynamiczna [cp] w temperaturze [ 0 C] Temperatura pompowalności * [ 0 C] Lepkość kinematyczna [mm2/s] w temperaturze 100 0 C Lepkość HTHS 150 0 C,10 6 s -1 minimum [cp] Min. Maks. 0W 6200 w -35 60000 w -40 3,8 - - 5W 6600 w -30 60000 w -35 3,8 - - 10W 7000 w -25 60000 w -30 4,1 - - 15W 7000 w -20 60000 w -25 5,6 - - 20W 9500 w -15 60000 w -20 5,6 - - 25W 13000 w -10 60000 w -15 9,3 - - 20 - - 5,6 < 9,3 2,6 30 - - 9,3 < 12,5 2,9 40 - - 12,5 < 16,3 2,9 2 (dla 0W-40, 5W- 40, 10W-40) 3,7 3 (dla 15W-40, 20W-40, 25W-40, 25W-40 i 40) 50 - - 16,3 < 21,9 3,7 60 - - 21,9 < 26,1 3,7 * temperatura w której lepkość oleju wynosząca 60000 cp oznacza brak płynności Klasyfikacje jakościowe olejów silnikowych Klasyfikacja jakościowa pozwala scharakteryzować właściwości eksploatacyjne oleju i określić jego przydatność do zastosowania w określonym typie silników. Przedstawiona na etykiecie oleju specyfikacja wg klasyfikacji API jak i ACEA oparta jest zarówno na wynikach testów laboratoryjnych jak i wynikach długotrwałych testów silnikowych na hamowni i w próbach drogowych. Największą popularność zdobyła klasyfikacja API opracowana w Ameryce przez American Petroleum Institute. 6
Dzieli ona oleje na dwie zasadnicze grupy: - oleje do silników benzynowych- oznaczone symbolem Sx (S od service ) - oleje do silników wysokoprężnych oznaczone symbolem Cx (C od commercial ). Litera x występująca po S i C określa jakość oleju. Im dalsza litera alfabetu, tym wyższa jakość oleju. Oleje produkowane w połowie XX wieku opisywano symbolem SA, SB, SC, CA, CB. Rys. 1 ilustruje zmiany klasyfikacji jakościowej olejów silnikowych wg API KLASYFIKACJA JAKOŚCI OLEJU WEDŁUG API silniki silniki benzynowe wysokoprężne SM 2004 SL SJ SH SG SF SE 2001 1997 2002 1998 1994 1994 1989 1980 1990 1983 1972 1972 1961 CI-4 CH-4 CG-4 CF,CF-4 CE CD CC Rys. 1. Klasyfikacja wg API Klasyfikacja ta jest przejrzysta, zawiera informacje o zmieniającej się jakości oleju oraz wskazuje na jego przydatność do eksploatacji w określonych rodzajach silników. Na opakowaniach różnych olejów możemy również spotkać się z oznaczeniami typu SL/CF co informuje, że jest to olej uniwersalny, posiadający wysoką klasę oleju, który przeznaczony jest do silników benzynowych, a także ze względu na poprawione własności wysokoprężne może być zastosowany jako olej w silnikach diesla. Obok klasyfikacji API równie ważną klasyfikacją jakościową jest klasyfikacja ACEA opracowana przez europejskie stowarzyszenie konstruktorów i producentów silników samochodowych. Jej powstanie uzasadniano tym, iż opiera się na innych konstrukcjach silników eksploatowanych w Europie. Silnikom europejskim stawiane są inne warunki eksploatacyjne (ostrzejsze od amerykańskich) a to wymagało utworzenia nowej specyfikacji jakościowej. ACEA (dawniej CCMC) początkowo dzieliła oleje na trzy kategorie: - kategoria G (1 5), oleje do silników benzynowych (gasoline), - kategoria D (1 5), olej do silników wysokoprężnych (diesel), - kategoria PD (1 lub 2), olej do silników wysokoprężnych w samochodach osobowych (passenger diesel). W specyfikacjach ACEA obowiązujących od 1996 r. podzielono oleje silnikowe na następujące grupy: 1. Oleje do silników benzynowych (ZI) o specyfikacji AX (gdzie X = 1, 2, 3, 4, lub 5, zależnie od kategorii oleju), a dodatkowo za AX umieszczono informację o roku wprowadzenia na rynek, np na etykiecie można spotkać: A1-96, A1-98, A3-02. 2. Oleje do silników wysokoprężnych samochodów osobowych i lekkich ciężarowych (ZS) o specyfikacji BX (gdzie X = 1, 2, 3, 4, lub 5, zależnie od kategorii oleju), a dodatkowo za BX umieszczono informację o roku wprowadzenia na rynek, np na etykiecie można spotkać: B2-98, B4-02 3. Oleje do silników wysokoprężnych samochodów ciężarowych o specyfikacji EX (gdzie X = 1, 2, 3, 4, lub 5, zależnie od kategorii oleju), a dodatkowo za EX umieszczono informację o roku wprowadzenia na rynek, np na etykiecie można spotkać: E1-96, E2-96, E5-98. Obowiązująca klasyfikacja ACEA od roku 2004 wprowadza podział na: oleje przeznaczone do silników z katalizatorami (benzynowych i lekkich wysokoprężnych ) - odpowiednie klasy oznaczono symbolami od C1 do C3, połączone klasy dla silników benzynowych ( litera A ) i wysokoprężnych ( B ): A1/B1, A3/B3, A3/B4, A5/B5 oleje do ciężkich silników Diesla E2, E4, E6, E7. 7
Poniższy schemat ilustruje zmiany klasyfikacji jakości olejów w Europie CCMC G ACEA A ACEA C CCMC PD ACEA B ACEA A/B CCMC D ACEA E ACEA E 1996 2004 Należy zauważyć, że na etykiecie oleju silnikowego oprócz klasyfikacji API i ACEA pojawiają się inne specyfikacje, takie jak np. VW, Volvo, Mercedes Benz, Ford. Producenci aut informują w ten sposób klienta, czy polecany przez sprzedawcę olej nadaje się do jego samochodu i jak należy go eksploatować. 1.3.2. Oleje przemysłowe Oleje przemysłowe podlegają klasyfikacji lepkościowej wg. ISO 3448, gdzie klasa określana jest na podstawie lepkości kinematycznej (mm 2 /s) w 40 C (patrz tabela 3). Przykładowe oznaczenie klasy lepkości oleju w/g ISO 3448 jest następujące: ISO VG 46 (International Standard Organization Viscosity Grade) to olej o lepkości kinematycznej w 40 C wynoszącej średnio 46 mm 2 /s, przy tolerancji ± 10%, co znaczy, iż lepkość oleju w temperaturze 40 C zawiera się pomiędzy: 41,4 a 50,5 mm 2 /s. Tabela 3. Klasyfikacja lepkościowa olejów przemysłowych według ISO 3448* Klasa lepkości Średnia lepkość w temperaturze Lepkość graniczna w temp. 40 C (mm 2 /s) 40 C (mm 2 /s) minimum maksimum 2 2,2 1,98 2,42 3 3,2 2,88 3,52 5 4,6 4,14 5,06 7 6,8 6,12 7,48 10 10 9,00 11,00 15 15 13,5 16,5 22 22 19,8 24,2 32 32 28,8 35,2 46 46 41,4 50,6 68 68 61,2 74,8 100 100 90,0 110 150 150 135 165 220 220 198 242 320 320 288 352 460 460 414 506 680 680 612 748 1000 1000 900 1100 1500 1500 1350 1650 - Odpowiada ASTM 2422 i DIN 5 1519 8
Do najważniejszych olejów przemysłowych należą: oleje do przekładni przemysłowych - charakteryzują się niskimi temperaturami płynięcia i wysokim WL. Zawierają dodatki podwyższające wytrzymałość filmu, właściwości przeciwkorozyjne, odporność na utlenianie i pienienie. Stosowane do średnio i wysokoobciążonych przekładni różnych urządzeń. oleje maszynowe - stosowane do smarowania przelotowego i obiegowego. Można wśród nich wyróżnić: - oleje maszynowe - oleje maszynowe niskokrzepnące - oleje maszynowe przetłuszczone - oleje specjalne (np. wazelinowy, do łożysk itd.) oleje hydrauliczne - stosowane do układów hydraulicznych jak i urządzeń precyzyjnych. Zawierają szereg dodatków w tym podwyższających smarność i odporność na pienienie oraz inhibitory korozji i utleniania oleje do sprężarek chłodniczych - do niedawna były to oleje mineralne, pracujące w układzie chłodniczym z R-l 1, R-12, R-22. Od 1995/96r. zgodnie z zaleceniami Konwencji Genewskiej o wycofaniu freonów z chlorem z użycia i produkcji, przy zastosowaniu nowego czynnika chłodniczego konieczny jest dobór nowych olejów (syntetyczne dla R-134a). oleje do sprężarek powietrza - ich główne zadania to zmniejszenie tarcia oraz uszczelnienie zapewniające kompresję po stronie sprężania. W związku z tym, zależnie od ciśnienia, muszą być dobierane oleje o odpowiedniej lepkości. oleje turbinowe - przy odpowiednio dobranej lepkości muszą charakteryzować się odpornością na emulgowanie z wodą i dużą odpornością na starzenie. oleje elektroizolacyjne transformatorowe, kablowe, kondensatorowe oleje do obróbki metali - stosowane w celu odprowadzenia ciepła (chłodziwa). inne rodzaje olejów technologiczne, konserwacyjne, farmaceutyczne itp. Przedstawiony w części teoretycznej materiał zawiera podstawowe informacje dotyczące olejów smarowych. Więcej informacji z zakresu klasyfikacji materiałów smarowych, metod oceny ich właściwości i zastosowań dostarcza poniższa literatura: 1. Przemysłowe środki smarne Poradnik. Wyd. TOTAL Warszawa, 2003 (egzemplarze książki dostępne dla studentów u dr E. Beran). 2. Beran E. Wpływ budowy chemicznej bazowych olejów smarowych na ich biodegradowalność i wybrane właściwości eksploatacyjne. Of. Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2008. Seria: Monografie 5. (dostępna również w Dolnośląskiej Bibliotece Cyfrowej www.dbc.wroc.pl/content/2604) 3. Podniało A. Paliwa oleje i smary w ekologicznej eksploatacji. WNT, Warszawa 2002. 4. Płaza S., Margielewski L., Celichowski G. Wstęp do tribologii i tribochemii. Wyd. Uniwersytetu Łódzkiego, 2005. 2. WYKONANIE ĆWICZENIA 2.1. Cel i przedmiot badań Celem ćwiczeń laboratoryjnych jest przeprowadzenie badań pozwalających ocenić charakterystyczne właściwości reologiczne olejów smarowych, takie jak lepkość kinematyczna, wskaźnik lepkości, temperatura płynięcia. Przedmiot badań stanowią aktualnie dostępne na rynku oleje silnikowe, które student wybiera do testów po zapoznaniu się z specyfikacją na etykietach proponowanych olejów. Uwaga! Student może badać przyniesiony przez siebie olej pod warunkiem dostarczenia jego specyfikacji (najlepiej opakowanie oleju z etykietą). 9
2.2. Wykonywane oznaczenia W ramach ćwiczeń wykonywane są oznaczenia zgodne z aktualnymi normami ISO: lepkości kinematycznej w 40 C i w 100 C, wskaźnika lepkości i temperatury płynięcia. 2.2.1. Oznaczanie lepkości kinematycznej i obliczanie lepkości dynamicznej według PN-EN ISO 3104:2005. Metoda Ubbelohde a Lepkość jest to parametr charakteryzujący opory przepływu jakie stawia ciecz podczas przemieszczania się i jest odwrotnie proporcjonalna do płynności cieczy (im większa lepkość, tym mniejsza płynność). Lepkość zatem określa wewnętrzne tarcie cieczy i jest odpowiednikiem współczynnika tarcia określanego przy przemieszczaniu się ciał stałych. W przypadku cieczy rozróżnia się: lepkość dynamiczną, wyrażaną w mpa s (milipaskalosekundach) oraz lepkość kinematyczną, wyrażaną w mm 2 /s lub cst (centystokes). Większość cieczy charakteryzowana jest za pomocą lepkości kinematycznej wyrażanej stosunkiem lepkości dynamicznej cieczy do jej gęstości w jednakowych warunkach pomiaru (temperatura i ciśnienie). ν lepkość kinetmatyczna η lepkość dynamiczna ρ gęstość Jednostka: mm 2 /s lub cst (centystokes); mm 2 /s = 1 cst Pomiar lepkości kinematycznej najczęściej jest wykonywany przy użyciu lepkościomierza kapilarnego. Badanie polega na pomiarze czasu przepływu cieczy o określonej objętości. Zasadę pomiaru przedstawia rys. 2. I. Stosowana aparatura lepkościomierz Ubbelohde'a łaźnia termostatująca stoper II. Pomiar lepkości kinematycznej Oznaczenie polega na pomiarze czasu przepływu określonej objętości badanej cieczy przez kapilarę lepkościomierza, pod wpływem sił grawitacyjnych, w ściśle określonej temperaturze. Czas przepływu nie powinien być krótszy niż 200s i dłuższy niż 900s. W celu zapewnienia stałości temperatury badaną próbkę w kapilarze należy termostatować w temperaturze pomiaru. Wykonanie oznaczenia Do czystego i suchego lepkościomierza przez rurkę 1 wprowadzić badaną ciecz w taki sposób, aby po ustawieniu przyrządu w pozycji pionowej poziom menisku cieczy znajdował się pomiędzy kreskami M3 i M4 Lepkościomierz umieścić w termostacie na ok. 30 min, a następnie, przy ściśle zamkniętej palcem rurce 2, zassać badaną ciecz do 1/2 wysokości zbiornika 4 (w tym celu należy na rurkę 3 nałożyć wąż gumowy i połączyć go z pompką wodną). Następnie odłączyć od próżni rurkę 3 i otworzyć rurkę 2 a kiedy ciecz zacznie spływać zmierzyć czas, w którym menisk cieczy przesunie się od kreski M 1 do M 2. Pomiar czasu przepływu próbki powtarzać do otrzymania porównywalnych wyników. Rys. 2. Lepkościomierz Ubbelohde'a 10
III. Wyniki i obliczenia Na podstawie wykonanych oznaczeń przeprowadzonych w temp. 40 i 100 o C dla badanych olejów obliczyć lepkość kinematyczną ze wzoru: ν =c τ ν lepkość kinematyczna, mm 2 /s, c stała kapilary, mm 2 /s 2, τ średnia arytmetyczna czasu przepływu badanego produktu, s. 2.2.2. Obliczanie wskaźnika lepkości na podstawie lepkości kinematycznej według PN-ISO 2909: 2009 Obok lepkości, ważną właściwością reologiczną olejów smarowych jest wskaźnik lepkości WL (VI - viscosity index). Wskaźnik lepkości jako parametr charakteryzujący zmiany lepkości olejów wraz ze zmianą temperatury, został zaproponowany w 1929 r. przez E. W. Deana i G. H. B. Davisa na podstawie pomiarów lepkości dwóch serii olejów wzorcowych, oznaczonych H i L. Seria L olejów charakteryzowała się dużą zależnością lepkości od temperatury, natomiast seria H olejów małą zależnością. Oleje zostały dobrane parami w taki sposób, że ich lepkość w temperaturze 210 F (98,89 C) była jednakowa (patrz rys. 3), a jako miarę zależności lepkości od temperatury zastosowano lepkość olejów wzorcowych w temperaturze 100 F (37,78 C). Olejom serii L przypisano wartość wskaźnika lepkości równą zero, a olejom serii H równą 100. Odcinek 0... 100 został podzielony na 100 części. Punkty przecięcia krzywych lepkości olejów eksploatacyjnych, mających w temperaturze 210 F taką samą lepkość jak oleje wzorcowe, z odcinkiem 0...100 wyznaczają dla tych olejów wartość wskaźnika lepkości. Rys. 3 Graficzna interpretacja wskaźnika lepkości 1 olej serii L, 2 olej serii H, 3 olej badany Tak zdefiniowany, przedstawiony na rys. 3, (z pewnymi modyfikacjami polegającymi m in. na oznaczeniu lepkości kinematycznej w 40 i 100 o C) wskaźnik lepkości jest aktualnie znormalizowany w większości krajów i oznaczany według ISO 2909 lub ASTM D2270. Wartość wskaźnika lepkości o zakresie 0... 100 obliczana jest ze wzoru: L U WL 100 L H gdzie: L - lepkość oleju wzorcowego serii L w temperaturze 40 C, [mm 2 /s], H - lepkość oleju wzorcowego serii H w temperaturze 40 C, [mm 2 /s], U - lepkość oleju badanego w temperaturze 40 C, [mm 2 /s]. 11
Gdy olej badany w temperaturze 100 C ma jednakową lepkość z olejami serii L i H, a wartości L i H dla różnych lepkości w temperaturze 40 C zostały stabelaryzowane, to znając wartość lepkości oleju badanego w temperaturze 100 C i 40 C, na podstawie tabel zamieszczonych w normie (ISO, ASTM) można obliczyć wskaźnik lepkości tego oleju. Jednak wzór przewidziany początkowo do obliczania wskaźników lepkości dla zakresu 0... 100, po wprowadzeniu do produkcji i użytkowania olejów z dodatkami i wysokiej jakości olejów syntetycznych, okazał się niewystarczający. W konsekwencji, na podstawie żmudnych obliczeń logarytmowania i rachunku interpolacyjnego opracowany został wzór do obliczeń wskaźnika lepkości z zakresu powyżej 100: anty log N 1 WL 100 0,00715 gdzie: lg H lgu 40 N lgu100 H - lepkość kinematyczna w temperaturze 40 C oleju wzorcowego serii H o WL=100, mającego w temperaturze 100 C taką samą lepkość jak olej badany, mm 2 /s, U 40 ; U 100 - lepkość kinematyczna oleju badanego, odpowiednio w temperaturach 40 C i 100 C, mm 2 /s. Współczesne oleje silnikowe charakteryzują się WL większe od 100 (na zajęciach potrzebny będzie kalkulator z możliwością obliczania logarytmów). 2.2.3. Oznaczanie temperatury płynięcia według PN-ISO 3016:2005 Temperatura płynięcia -jest to najniższa temperatura, w której obserwuje się jeszcze płynność badanego produktu podczas jego oziębiania w ustalonych warunkach standardowych. Zasada pomiaru polega na wstępnym ogrzaniu produktu, a następnie oziębianiu w warunkach ustalonych normą. Badanie wykonuje się w aparacie, którego schemat zasadniczej części (probówki) umieszczonej w łaźni oziębiającej, przedstawia rys. 4. W metodzie oznaczania ważne jest położenie zbiornika termometru, który powinien znajdować się w pobliżu powierzchni badanego produktu (odmiennie niż w przypadku temperatury krystalizacji). Ocenę ruchliwości menisku wykonuje się metodą polegającą na stopniowym schładzaniu produktu w probówce, okresowym przechylaniu probówki pod kątem 90 na 5 sekund i ocenie zachowania się menisku. Najniższą temperaturę, w której obserwuje się jeszcze ruchliwość menisku badanego produktu, po doprowadzeniu probówki do pozycji poziomej, przyjmuje się za temperaturę płynięcia. Zgodnie z normą PN-ISO 3016, oznaczenie należy kontynuować do momentu gdy badana próbka osiągnie temperaturę, w której menisk nie przemieszcza się przy pozostawieniu probówki badawczej w pozycji poziomej przez 5 s. Jako wynik oznaczenia podaje się zanotowaną temperaturę podwyższoną o 3 C, lub wartość odnotowanej najniższej temperaturę płynięcia produktu. 12
Rys. 4 Schemat aparatu do oznaczania temperatury płynięcia 1 termometr do pomiaru temperatury łaźni, 2 termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 3 probówka szklana z badanym produktem, 4 łaźnia oziębiająca 13