Базовые масла и присадки: как производят смазочные материалы и что означают группы API I-V

Автор материала: Олег Тимошенко

Смазочный материал состоит из базового масла и пакета присадок: базовые масла бывают минеральные (из нефти) и синтетические (из химического синтеза), а API делит их на пять групп - от I (обычные минеральные) до IV (полиальфаолефины) и V (прочие, в частности эстеры). Присадки усиливают природные свойства основы или придают новые, но только в правильной дозе и сочетании. Ниже - как получают базовые масла, что означают группы API и какие присадки входят в моторные масла.

Базовые масла

Улучшение эксплуатационных свойств моторных масел и продление срока их службы во многом зависят от качества базовых масел, которые различаются вязкостью, химическим составом и другими свойствами. Поэтому производители уделяют особое внимание технологиям производства базовых масел и стремятся создать не только оригинальные, но и самые эффективные процессы.

Минеральные базовые масла

Минеральные базовые масла производят из сырой нефти, и их химический состав зависит от нефти. Различают базовые масла:

парафиновые (содержание парафинов более 75 %);
нафтеновые (содержание нафтеновых соединений более 75 %);
ароматические (содержание ароматических соединений более 50 %);
смешанные, если ни одна группа соединений не доминирует.

Для смазочных масел наиболее распространены парафиновые базовые масла: они имеют лучшие вязкостно-температурные свойства (высокий индекс вязкости) и уже после традиционной очистки - неплохие эксплуатационные свойства.

Некоторые компоненты нефти, которые обычно считают вредными, бывают полезными: смолы, жирные и нафтеновые кислоты улучшают липкость и стойкость адсорбционной пленки, а значит - смазывающую способность; некоторые соединения серы и азота обладают антиокислительными свойствами. Поэтому глубокая очистка может ухудшить часть смазывающих, антиокислительных и антикоррозионных свойств. Базовые масла совершенствуют в двух направлениях: первое - очистка лишь до оптимального содержания смол, кислот, соединений серы и азота с добавлением присадок (такой метод не дает масла достаточно высокого уровня); второе - полная очистка от примесей и молекулярная модификация гидрообработкой (гидрокрекингом, гидроочисткой и др.). Результат второго пути - масло с очень высокой стойкостью к деформациям сдвига, высоким индексом вязкости и стабильными параметрами.

По фракционному составу минеральные базовые масла делятся на дистиллятные (отдельные фракции или их смеси), остаточные и компаундированные (смеси дистиллятов и остаточных масел). Остаточные масла обладают хорошими смазывающими свойствами, их липкость и стойкость к окислению лучше, чем у дистиллятных. Из легких дистиллятов получают легкие индустриальные и трансформаторные масла, из средних и тяжелых - индустриальные и моторные, из компаундированных и остаточных - трансмиссионные, тяжелые индустриальные и другие.

Синтетические базовые масла

Синтетические базовые масла получают химическим синтезом из небольших молекул (мономеров), которые образуют чистые соединения заданной структуры. Они дороже, но обладают лучшими свойствами:

меньшая испаряемость при высокой температуре и меньший расход на угар;
лучшая стойкость к окислению, особенно при высоких температурах;
меньшая склонность к отложениям;
более надежная смазка при высоких нагрузках и температурах;
больший срок службы и меньшие потери на трение.

Смешиванием синтетических и минеральных базовых масел получают полусинтетические (частично синтетические) масла; по данным источника, обычная пропорция - 70-80 % минеральной и 20-30 % синтетической основы. Такие масла производят в основном для того, чтобы снизить цену и одновременно обеспечить достаточно высокие свойства.

Классификация базовых масел API

Группа базового масла	Содержание серы, %	Содержание насыщенных углеводородов, %	Индекс вязкости
Группа I	более 0,03	менее 90	80-120
Группа II	≤ 0,03	≥ 90	80-120
Группа III	≤ 0,03	≥ 90	более 120
Группа IV	полиальфаолефины (ПАО)
Группа V	прочие, не вошедшие в группы I-IV (в частности эстеры)

Американский институт нефти (API) выделяет пять групп базовых масел. Классификацией пользуются для взаимозамены базовых масел при производстве моторных масел нужного уровня качества без изменения их основных характеристик - в соответствии с руководством API по взаимозаменяемости базовых масел.

Группа I - базовые масла, полученные селективной очисткой и депарафинизацией растворителем.
Группа II - с развитием гидрообработки стало возможным получать высокорафинированные масла с низким содержанием ароматических соединений и серы и повышенной стойкостью к окислению.
Группа III - масла с высоким индексом вязкости, полученные каталитическим гидрокрекингом; от группы II отличаются молекулярной структурой. По свойствам приближаются к синтетическим, а стоят, по данным источника, немного дороже минеральных; во многих странах масла на их основе относят к полусинтетическим.
Группа IV - полиальфаолефины (ПАО): однородный состав, очень высокая стойкость к окислению, высокий индекс вязкости, отсутствие молекул н-парафинов. ПАО производят в широком диапазоне вязкостей - примерно от 4 до 100 сСт при 100 °C. На протяжении многих лет ПАО и эстеры были единственными основами для масел, работающих в экстремальных температурных условиях; большинство синтетических масел на ПАО содержат небольшое количество эстеров для лучшей растворимости присадок и совместимости с уплотнениями.
Группа V - прочие базовые масла, в частности эстеры.

Масла на базовых маслах групп I и II обычно относят к минеральным, на смесях групп I, II с группами III или IV - к полусинтетическим, а изготовленные полностью на группах III, IV и V называют синтетическими. Они обладают отличными низкотемпературными свойствами, обеспечивающими надежный пуск в холод, а также повышенной термостабильностью и низкой испаряемостью. Сочетая разные базовые масла и присадки, производители создают широкий ассортимент масел под разные требования автопроизводителей.

Присадки

Присадки - вещества, которые усиливают природные свойства базовых масел или придают им новые, если они добавлены в нужном количестве и оптимальном сочетании. Последнее условие стоит подчеркнуть: передозировка присадок или их нерациональное сочетание имеет негативные последствия. О роли присадок говорит рост их производства: по данным источника, в США в 1959 году произвели 350 тыс. т присадок, в 1966 году - 450 тыс. т, а в 2000 году - 1,3 млн т.

Состав пакета присадок зависит от назначения и условий применения масла; по данным источника, они могут составлять от нескольких процентов до 25-30 % готового масла. Большинство присадок многофункциональны, а некоторые имеют побочные эффекты, с которыми приходится мириться, поскольку положительный эффект значительно больше. Типичный пакет современного моторного масла содержит беззольные дисперсанты, детергенты, антиокислительные, противоизносные, антикоррозионные, антипенные и депрессорные присадки; всесезонные масла почти всегда содержат вязкостные (загущающие) присадки, а энергосберегающие - модификаторы трения.

Диспергирующие (дисперсанты) - одни из основных компонентов, по данным источника, около половины общего количества присадок; повышают дисперсность нерастворимых загрязнений и стабилизируют суспензию.
Моющие (детергенты) - предотвращают образование нагара и лаковых отложений на наиболее нагретых деталях.
Загущающие (вязкостные) - макрополимеры с переменной растворимостью в масле в зависимости от температуры: повышают вязкость и уменьшают ее изменение в широком диапазоне температур.
Депрессорные - понижают температуру застывания и препятствуют образованию кристаллов парафина на холоде.
Антипенные - уменьшают склонность масла к пенообразованию.
Противоизносные - предотвращают изнашивание поверхностей трения; одни из первых химических присадок.
Противозадирные - разновидность противоизносных для высоких нагрузок и температур.
Антикоррозионные - защищают от коррозии детали из сплавов цветных металлов.
Антиокислительные - снижают скорость окисления основы и накопления продуктов глубокого окисления.
Модификаторы трения (антифрикционные) - уменьшают потери на трение и тем способствуют экономии топлива.