Час читання: ~11 хв

Мастильні матеріали: історія, функції, характеристики і класифікації SAE та API

Мастильні матеріали зменшують тертя і зношування, відводять тепло, очищують, ущільнюють зазори і захищають метал від корозії. Щоб правильно обрати оливу, треба розуміти її основні характеристики (в'язкість, індекс в'язкості, температури спалаху і застигання, TAN і TBN) і класифікації: за сировиною, за призначенням, за в'язкістю SAE J300 і за рівнем якості API. Нижче - коротко про кожну з них.

Історія мастильних матеріалів

Ідея змащувати поверхні, що труться, ймовірно, з'явилася разом із першими знаряддями праці. Мастильні матеріали застосовують, щоб зменшити тертя і корозію на поверхнях контакту, обмежити нагрівання, підтримувати чистоту механізмів, а також для ізоляції і захисту від корозії.

За історичними даними, у Стародавньому Єгипті оливкову олію використовували під час переміщення каменю і деревини на будівництві великих споруд, а тваринний жир - для змащування осей возів. Англійське слово grease (пластичне мастило) походить через старофранцузьке graisse від латинського crassus - "жирний, товстий": перші мастила були схожі на жир.

У Середньовіччі, з поширенням складніших механізмів із заліза і міді, застосовували спермацетову олію кашалота, касторову, арахісову і ріпакову олії. Мастильні матеріали обирали переважно на основі практичного досвіду, а не наукового аналізу.

Історія сучасних мастильних олив почалася в XIX столітті з буріння нафтових свердловин і промислової нафтопереробки в Пенсильванії (США). Тоді спермацетову олію застосовували для змащування прядильних і ткацьких верстатів, але з'ясувалося, що додавання нафтових олив продовжує ресурс машин. Відтоді мастильні матеріали тваринного і рослинного походження почали швидко витіснятися продуктами на основі вуглеводнів із нафти.

У XX столітті індустріалізація і масове виробництво ускладнили машини, і для важчих умов роботи постійно потрібні були нові мастильні матеріали. Дві світові війни прискорили розвиток автомобілів, літаків, тепловозів, ракет і великих суден, а разом з ними - нафтопереробки і нових мастильних продуктів. У 1920-х роках поширилися методи очищення і розділення нафти на фракції, а з 1930-х років у промисловості почали застосовувати присадки для покращення властивостей олив.

У 1950-х роках розвиток реактивної авіації вимагав олив, що працюють при температурі нижче -50 °C, і це прискорило поширення синтетичних олив. У 1970-х роках з'явився гідрокрекінг, а в 1990-х - гідроізомеризація: ці технології дозволили виробляти з нафтової сировини високоякісні базові оливи, які за властивостями конкурують із синтетичними. Сьогодні вибір мастильних матеріалів визначають не лише експлуатаційні характеристики, а й екологічні вимоги, а хімічна, нафтопереробна і металургійна галузі продовжують дослідження в цій сфері.

Функції мастильних матеріалів

Щоб обрати мастильний матеріал, спочатку треба розуміти, які завдання він виконує.

1. Зменшення тертя (Reduced Friction)

Мастило утворює на поверхні металу оливну плівку і замінює сухе тертя рідинним. Це основна функція мастильних матеріалів: менше тертя - менше нагрівання і зношування поверхонь, що контактують.

2. Охолодження (Cooling)

Тертя нагріває поверхні, і що сильніше деталі труться, то більше тепла виділяється. Якщо тепло не відводити, механізм може деформуватися або зруйнуватися. Охолоджувальна функція особливо важлива для прокатних олив і моторних олив двигунів внутрішнього згоряння.

3. Розподіл навантаження (Load Balancing)

Зубчасті колеса і підшипники контактують на малій площі, тому під час пуску навантаження може миттєво зрости до критичного, з ризиком руйнування і прямого контакту деталей. Оливна плівка знижує навантаження в плямі контакту.

4. Очищення (Cleaning)

Під час тривалої роботи механізмів утворюються сторонні речовини - продукти корозії, старіння і зношування; у гідравлічних і трансмісійних оливах накопичуються відкладення і шлам. Двигун внутрішнього згоряння особливо інтенсивно утворює продукти неповного згоряння палива і сажу, які з неякісною оливою скоротили б ресурс і порушили роботу двигуна. Правильно підібрана олива завдяки поверхнево-активним властивостям змиває і утримує ці речовини у зваженому стані (диспергує).

5. Ущільнення (Sealing)

Олива заповнює мікрозазори між деталями. Ущільнення зазору між поршнем і циліндром у двигунах і повітряних компресорах перешкоджає прориву гарячих газів і потраплянню сторонніх речовин та підтримує внутрішній тиск. У гідравлічних системах олива як робоча рідина також запобігає витокам.

6. Захист від корозії (Rust Prevention)

Метали окиснюються та іржавіють при контакті з водою і киснем. Мастильна плівка на поверхні металу запобігає утворенню іржі і продовжує ресурс механізму.

Консистенція мастильних матеріалів

За агрегатним станом мастильні матеріали поділяють на:

рідкі оливи (Petroleum Oils, Vegetable Oils) - текучі за нормальних умов, нафтового або рослинного походження;
пластичні (консистентні) мастила (Greases) - мазеподібні речовини, наприклад технічний вазелін, кальцієві і літієві мастила;
тверді мастильні матеріали (Solid Lubricants) - порошки з антифрикційними властивостями: графіт, дисульфід молібдену, тальк, слюда.

Характеристики мастильних матеріалів

Щоб обрати відповідний продукт, потрібно розуміти основні властивості олив і терміни, якими їх описують.

В'язкість (Viscosity)

В'язкість показує, наскільки густою є олива за певних умов, і є одним із головних параметрів при виборі. Кінематичну в'язкість вимірюють у сантистоксах (cSt, мм²/с), в американській практиці також у секундах Сейболта (SUS). Висока в'язкість означає густішу оливу. Сама по собі в'язкість не характеризує якість оливи, тому важливо обрати ту в'язкість, яку вимагає конкретне застосування.

Індекс в'язкості (Viscosity Index, VI)

Індекс в'язкості показує, наскільки змінюється в'язкість оливи зі зміною температури. Що вищий VI, то менше змінюється в'язкість: олива стабільніша в широкому діапазоні температур і має ширшу сферу застосування.

Температура спалаху і температура займання (Flash Point, Fire Point)

Температура спалаху - найнижча температура, за якої пари оливи над її поверхнею спалахують від джерела запалювання, але стійке горіння не виникає. Температура займання - найнижча температура, за якої пари після підпалювання відкритим полум'ям продовжують горіти щонайменше 5 секунд. Зазвичай температура займання вища за температуру спалаху на кілька десятків градусів. Ці показники важливі для пожежної безпеки під час роботи і зберігання оливи.

Температура застигання (Pour Point)

Під час охолодження з оливи поступово випадають тверді воскоподібні речовини, і вона втрачає текучість. Температура застигання - найнижча температура, за якої олива ще зберігає текучість за стандартних умов випробування. Це не означає, що нижче цієї температури олива зовсім непридатна, але її робота погіршується, тому температуру застигання особливо враховують при виборі моторної оливи для зими.

Загальне кислотне число (Total Acid Number, TAN)

TAN показує вміст кислотних сполук в оливі - кількість міліграмів гідроксиду калію (KOH), потрібну для нейтралізації кислот в 1 г оливи. Що довше працює олива, то більше в ній кислот і то вищий TAN. За цим показником оцінюють окиснення оливи і пов'язаний з ним ризик корозії, зокрема в промислових застосуваннях.

Загальне лужне число (Total Base Number, TBN)

TBN показує вміст лужних компонентів в оливі, виражений в еквівалентних міліграмах KOH на 1 г оливи. Що вищий TBN, то більше кислот здатна нейтралізувати олива. Під час роботи лужні присадки витрачаються, тому зі зростанням пробігу і TAN значення TBN знижується.

Стійкість до окиснення (Oxidation Stability)

Окиснювальна стабільність - здатність оливи протистояти окисненню, яке прискорюється за високої температури. Вона особливо важлива для терміну служби і терміну зберігання моторної оливи.

Класифікація мастильних матеріалів

За сировиною

Мастильні матеріали виготовляють на основі базових олив, отриманих переробкою нафти, додаючи присадки у пропорціях для кожного застосування, або на основі синтетичних компонентів, наприклад поліальфаолефінів (ПАО, PAO). За даними джерела, рідкі оливи становлять близько 80 % усіх мастильних матеріалів. За походженням сировини розрізняють:

мінеральні оливи (Mineral Oils) - продукти нафтопереробки; за даними джерела, це основна група, понад 90 % світового виробництва мастильних олив;
рослинні олії (Vegetable Oils) - з насіння та інших частин рослин; наприклад, у техніці досі застосовують касторову олію (Oleum Ricini), отриману холодним пресуванням насіння рицини;
тваринні жири (Animal Fats) - бараняче і яловиче сало, технічний риб'ячий жир, кісткова і спермацетова олії;
синтетичні оливи і мастила - отримують каталітичною полімеризацією рідких або газоподібних вуглеводнів з нафтової і ненафтової сировини, синтезом кремнійорганічних сполук (силіконові оливи, полісилоксани) і фторвуглецевих полімерів (політетрафторетилен, PTFE).

Синтетичні оливи мають точно задані властивості, але дорожчі у виробництві, тому довгий час застосовувалися переважно у спеціальних галузях. Сьогодні синтетичні і гідрокрекінгові оливи широко використовують і в сучасних автомобільних двигунах.

За призначенням

Основні сфери застосування мастильних матеріалів - транспорт, важка промисловість, промислове обладнання і судноплавство.

Мастильні матеріали для транспорту:

моторна олива для дизельних двигунів (Diesel Engine Oil);
моторна олива для бензинових двигунів (Gasoline Engine Oil);
моторна олива для тепловозних дизелів (Diesel-electric Locomotive Engine Oil);
авіаційна моторна олива (Aviation Engine Oil);
моторна олива для двигунів на зрідженому нафтовому газі, пропан-бутані (LPG Engine Oil);
моторна олива для двигунів на стиснутому природному газі (CNG Engine Oil);
мотоциклетна моторна олива (Motorcycle Engine Oil);
олива для двотактних двигунів (2-Stroke Engine Oil);
рідина для автоматичних трансмісій (Automatic Transmission Fluid, ATF);
автомобільна трансмісійна олива (Automotive Gear Oil).

Мастильні матеріали для промислового обладнання:

гідравлічна олива (Hydraulic Oil);
машинна олива (Machine Oil);
індустріальна редукторна олива (Industrial Gear Oil);
турбінна олива (Turbine Oil);
циркуляційна олива (Circulating Oil);
компресорна олива (Compressor Oil);
олива для холодильних компресорів (Refrigerant Oil).

Мастильні матеріали для суден:

циліндрова олива (Cylinder Oil);
олива для тронкових двигунів (Trunk Piston Oil);
системна олива (System Oil).

Мастильні матеріали для металообробки:

олива для різання (Cutting Oil);
прокатна олива (Rolling Oil);
олива для термообробки (Heat Treating Oil);
консерваційна олива (Inhibited Oil).

Інші сфери застосування:

технологічна олива (Process Oil);
електроізоляційна, трансформаторна олива (Electrical Insulating Oil);
пластичні мастила (Grease).

За в'язкістю: SAE J300

Щоб зрозуміти властивості моторної оливи, треба вміти читати її клас в'язкості SAE. Стандарт SAE J300 встановлює Товариство автомобільних інженерів (Society of Automotive Engineers, SAE).

Сезонні (однокласові) оливи. Оливи різних марок з однаковим класом, наприклад SAE 10W або SAE 30, мають в'язкість у межах, визначених таблицею SAE J300. Класи з літерою W (winter) нормуються за низькотемпературними показниками і мінімальною в'язкістю при 100 °C, класи без W - за в'язкістю при 100 °C і в'язкістю HTHS при 150 °C.

Клас SAE	Прокручування (CCS, ASTM D5293), мПа·с, макс. / при °C	Прокачуваність (MRV, ASTM D4684), мПа·с, макс. / при °C	Кінематична в'язкість при 100 °C (ASTM D445), cSt	HTHS при 150 °C, мПа·с, мін.
0W	6200 / -35	60 000 / -40	від 3,8	-
5W	6600 / -30	60 000 / -35	від 3,8	-
10W	7000 / -25	60 000 / -30	від 4,1	-
15W	7000 / -20	60 000 / -25	від 5,6	-
20W	9500 / -15	60 000 / -20	від 5,6	-
25W	13 000 / -10	60 000 / -15	від 9,3	-
8	-	-	від 4,0 до менше 6,1	1,7
12	-	-	від 5,0 до менше 7,1	2,0
16	-	-	від 6,1 до менше 8,2	2,3
20	-	-	від 6,9 до менше 9,3	2,6
30	-	-	від 9,3 до менше 12,5	2,9
40 (0W-40, 5W-40, 10W-40)	-	-	від 12,5 ... 16,3	3,5
40 (15W-40, 20W-40, 25W-40, 40)	-	-	від 12,5 ... 16,3	3,7
50	-	-	від 16,3 до менше 21,9	3,7
60	-	-	від 21,9 до менше 26,1	3,7

Дані таблиці наведено за стандартом SAE J300 (редакції з 2015 року).

Всесезонні (багатокласові) оливи. Оливи з подвійним позначенням, наприклад SAE 5W-30 або 10W-40, одночасно відповідають обом класам. Їхня в'язкість менше змінюється з температурою, ніж в однокласових олив: на холоді вони рідші, що полегшує пуск і, за даними джерела, покращує паливну ефективність, а при високій температурі зберігають потрібну в'язкість. За даними джерела, більшість всесезонних олив також краще захищає двигун від зношування.

За рівнем якості: API

Американський інститут нафти (American Petroleum Institute, API) разом із SAE і ASTM розробив систему категорій якості моторних олив. Категорії для бензинових двигунів позначають літерою S (Service), для дизельних - C (Commercial), а друга літера (A, B, C, D і далі) вказує рівень. Що новіша категорія, то суворіші вимоги, бо сучасні двигуни працюють у важчих умовах і під жорсткішими екологічними нормами.

Бензинові двигуни	Рік	Дизельні двигуни	Рік
SQ	2025	CK-4, FA-4	2016
SP	2020	CJ-4	2006
SN Plus	2018	CI-4	2002
SN	2010	CH-4	1998
SM	2004	CG-4	1995
SL	2001	CF, CF-2	1994
SJ	1996	CF-4	1990
SH	1993	CD-II	1985
SG	1989	CE	1984
SF	1980	CC	1961
SE	1972	CD	1955
SD	1968	CB	1949
SC	1964	CA	1940-і
SB	1930-і
SA	-

Роки введення категорій орієнтовні. Ранні категорії вже застарілі, тому під час вибору оливи орієнтуйтеся на вимоги виробника автомобіля і чинний перелік категорій API.