Время чтения: ~11 мин

Смазочные материалы: история, функции, характеристики и классификации SAE и API

Смазочные материалы снижают трение и износ, отводят тепло, очищают, уплотняют зазоры и защищают металл от коррозии. Чтобы правильно выбрать масло, нужно понимать его основные характеристики (вязкость, индекс вязкости, температуры вспышки и застывания, TAN и TBN) и классификации: по сырью, по назначению, по вязкости SAE J300 и по уровню качества API. Ниже - коротко о каждой из них.

История смазочных материалов

Идея смазывать трущиеся поверхности, вероятно, появилась вместе с первыми орудиями труда. Смазочные материалы применяют, чтобы снизить трение и коррозию на поверхностях контакта, ограничить нагрев, поддерживать чистоту механизмов, а также для изоляции и защиты от коррозии.

По историческим данным, в Древнем Египте оливковое масло использовали при перемещении камня и древесины на строительстве больших сооружений, а животный жир - для смазки осей телег. Английское слово grease (пластичная смазка) происходит через старофранцузское graisse от латинского crassus - "жирный, толстый": первые смазки были похожи на жир.

В Средние века, с распространением более сложных механизмов из железа и меди, применяли спермацетовое масло кашалота, касторовое, арахисовое и рапсовое масла. Смазочные материалы выбирали в основном на основе практического опыта, а не научного анализа.

История современных смазочных масел началась в XIX веке с бурения нефтяных скважин и промышленной нефтепереработки в Пенсильвании (США). Тогда спермацетовое масло применяли для смазки прядильных и ткацких станков, но выяснилось, что добавление нефтяных масел продлевает ресурс машин. С тех пор смазочные материалы животного и растительного происхождения стали быстро вытесняться продуктами на основе углеводородов из нефти.

В XX веке индустриализация и массовое производство усложнили машины, и для более тяжелых условий работы постоянно требовались новые смазочные материалы. Две мировые войны ускорили развитие автомобилей, самолетов, тепловозов, ракет и крупных судов, а вместе с ними - нефтепереработки и новых смазочных продуктов. В 1920-х годах распространились методы очистки и разделения нефти на фракции, а с 1930-х годов в промышленности начали применять присадки для улучшения свойств масел.

В 1950-х годах развитие реактивной авиации потребовало масел, работающих при температуре ниже -50 °C, и это ускорило распространение синтетических масел. В 1970-х годах появился гидрокрекинг, а в 1990-х - гидроизомеризация: эти технологии позволили производить из нефтяного сырья высококачественные базовые масла, которые по свойствам конкурируют с синтетическими. Сегодня выбор смазочных материалов определяют не только эксплуатационные характеристики, но и экологические требования, а химическая, нефтеперерабатывающая и металлургическая отрасли продолжают исследования в этой области.

Функции смазочных материалов

Чтобы выбрать смазочный материал, сначала нужно понимать, какие задачи он выполняет.

1. Снижение трения (Reduced Friction)

Смазка образует на поверхности металла масляную пленку и заменяет сухое трение жидкостным. Это основная функция смазочных материалов: меньше трение - меньше нагрев и износ контактирующих поверхностей.

2. Охлаждение (Cooling)

Трение нагревает поверхности, и чем сильнее детали трутся, тем больше тепла выделяется. Если тепло не отводить, механизм может деформироваться или разрушиться. Охлаждающая функция особенно важна для прокатных масел и моторных масел двигателей внутреннего сгорания.

3. Распределение нагрузки (Load Balancing)

Зубчатые колеса и подшипники контактируют на малой площади, поэтому при пуске нагрузка может мгновенно возрасти до критической, с риском разрушения и прямого контакта деталей. Масляная пленка снижает нагрузку в пятне контакта.

4. Очистка (Cleaning)

При длительной работе механизмов образуются посторонние вещества - продукты коррозии, старения и износа; в гидравлических и трансмиссионных маслах накапливаются отложения и шлам. Двигатель внутреннего сгорания особенно интенсивно образует продукты неполного сгорания топлива и сажу, которые с некачественным маслом сократили бы ресурс и нарушили работу двигателя. Правильно подобранное масло благодаря поверхностно-активным свойствам смывает и удерживает эти вещества во взвешенном состоянии (диспергирует).

5. Уплотнение (Sealing)

Масло заполняет микрозазоры между деталями. Уплотнение зазора между поршнем и цилиндром в двигателях и воздушных компрессорах препятствует прорыву горячих газов и попаданию посторонних веществ и поддерживает внутреннее давление. В гидравлических системах масло как рабочая жидкость также предотвращает утечки.

6. Защита от коррозии (Rust Prevention)

Металлы окисляются и ржавеют при контакте с водой и кислородом. Смазочная пленка на поверхности металла предотвращает образование ржавчины и продлевает ресурс механизма.

Консистенция смазочных материалов

По агрегатному состоянию смазочные материалы делят на:

жидкие масла (Petroleum Oils, Vegetable Oils) - текучие в нормальных условиях, нефтяного или растительного происхождения;
пластичные (консистентные) смазки (Greases) - мазеобразные вещества, например технический вазелин, кальциевые и литиевые смазки;
твердые смазочные материалы (Solid Lubricants) - порошки с антифрикционными свойствами: графит, дисульфид молибдена, тальк, слюда.

Характеристики смазочных материалов

Чтобы выбрать подходящий продукт, нужно понимать основные свойства масел и термины, которыми их описывают.

Вязкость (Viscosity)

Вязкость показывает, насколько густое масло в определенных условиях, и является одним из главных параметров при выборе. Кинематическую вязкость измеряют в сантистоксах (cSt, мм²/с), в американской практике также в секундах Сейболта (SUS). Высокая вязкость означает более густое масло. Сама по себе вязкость не характеризует качество масла, поэтому важно выбрать ту вязкость, которую требует конкретное применение.

Индекс вязкости (Viscosity Index, VI)

Индекс вязкости показывает, насколько меняется вязкость масла с изменением температуры. Чем выше VI, тем меньше меняется вязкость: масло стабильнее в широком диапазоне температур и имеет более широкую область применения.

Температура вспышки и температура воспламенения (Flash Point, Fire Point)

Температура вспышки - наименьшая температура, при которой пары масла над его поверхностью вспыхивают от источника зажигания, но устойчивое горение не возникает. Температура воспламенения - наименьшая температура, при которой пары после поджигания открытым пламенем продолжают гореть не менее 5 секунд. Обычно температура воспламенения выше температуры вспышки на несколько десятков градусов. Эти показатели важны для пожарной безопасности при работе и хранении масла.

Температура застывания (Pour Point)

При охлаждении из масла постепенно выпадают твердые воскоподобные вещества, и оно теряет текучесть. Температура застывания - наименьшая температура, при которой масло еще сохраняет текучесть в стандартных условиях испытания. Это не означает, что ниже этой температуры масло совсем непригодно, но его работа ухудшается, поэтому температуру застывания особенно учитывают при выборе моторного масла для зимы.

Общее кислотное число (Total Acid Number, TAN)

TAN показывает содержание кислотных соединений в масле - количество миллиграммов гидроксида калия (KOH), необходимое для нейтрализации кислот в 1 г масла. Чем дольше работает масло, тем больше в нем кислот и тем выше TAN. По этому показателю оценивают окисление масла и связанный с ним риск коррозии, в том числе в промышленных применениях.

Общее щелочное число (Total Base Number, TBN)

TBN показывает содержание щелочных компонентов в масле, выраженное в эквивалентных миллиграммах KOH на 1 г масла. Чем выше TBN, тем больше кислот способно нейтрализовать масло. В процессе работы щелочные присадки расходуются, поэтому с ростом пробега и TAN значение TBN снижается.

Стойкость к окислению (Oxidation Stability)

Окислительная стабильность - способность масла противостоять окислению, которое ускоряется при высокой температуре. Она особенно важна для срока службы и срока хранения моторного масла.

Классификация смазочных материалов

По сырью

Смазочные материалы изготавливают на основе базовых масел, полученных переработкой нефти, добавляя присадки в пропорциях для каждого применения, или на основе синтетических компонентов, например полиальфаолефинов (ПАО, PAO). По данным источника, жидкие масла составляют около 80 % всех смазочных материалов. По происхождению сырья различают:

минеральные масла (Mineral Oils) - продукты нефтепереработки; по данным источника, это основная группа, более 90 % мирового производства смазочных масел;
растительные масла (Vegetable Oils) - из семян и других частей растений; например, в технике до сих пор применяют касторовое масло (Oleum Ricini), получаемое холодным прессованием семян клещевины;
животные жиры (Animal Fats) - баранье и говяжье сало, технический рыбий жир, костное и спермацетовое масла;
синтетические масла и смазки - получают каталитической полимеризацией жидких или газообразных углеводородов из нефтяного и ненефтяного сырья, синтезом кремнийорганических соединений (силиконовые масла, полисилоксаны) и фторуглеродных полимеров (политетрафторэтилен, PTFE).

Синтетические масла имеют точно заданные свойства, но дороже в производстве, поэтому долгое время применялись в основном в специальных областях. Сегодня синтетические и гидрокрекинговые масла широко используют и в современных автомобильных двигателях.

По назначению

Основные области применения смазочных материалов - транспорт, тяжелая промышленность, промышленное оборудование и судоходство.

Смазочные материалы для транспорта:

моторное масло для дизельных двигателей (Diesel Engine Oil);
моторное масло для бензиновых двигателей (Gasoline Engine Oil);
моторное масло для тепловозных дизелей (Diesel-electric Locomotive Engine Oil);
авиационное моторное масло (Aviation Engine Oil);
моторное масло для двигателей на сжиженном нефтяном газе, пропан-бутане (LPG Engine Oil);
моторное масло для двигателей на сжатом природном газе (CNG Engine Oil);
мотоциклетное моторное масло (Motorcycle Engine Oil);
масло для двухтактных двигателей (2-Stroke Engine Oil);
жидкость для автоматических трансмиссий (Automatic Transmission Fluid, ATF);
автомобильное трансмиссионное масло (Automotive Gear Oil).

Смазочные материалы для промышленного оборудования:

гидравлическое масло (Hydraulic Oil);
машинное масло (Machine Oil);
индустриальное редукторное масло (Industrial Gear Oil);
турбинное масло (Turbine Oil);
циркуляционное масло (Circulating Oil);
компрессорное масло (Compressor Oil);
масло для холодильных компрессоров (Refrigerant Oil).

Смазочные материалы для судов:

цилиндровое масло (Cylinder Oil);
масло для тронковых двигателей (Trunk Piston Oil);
системное масло (System Oil).

Смазочные материалы для металлообработки:

масло для резания (Cutting Oil);
прокатное масло (Rolling Oil);
масло для термообработки (Heat Treating Oil);
консервационное масло (Inhibited Oil).

Другие области применения:

технологическое масло (Process Oil);
электроизоляционное, трансформаторное масло (Electrical Insulating Oil);
пластичные смазки (Grease).

По вязкости: SAE J300

Чтобы понять свойства моторного масла, нужно уметь читать его класс вязкости SAE. Стандарт SAE J300 устанавливает Общество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE).

Сезонные (одноклассовые) масла. Масла разных марок с одинаковым классом, например SAE 10W или SAE 30, имеют вязкость в пределах, определенных таблицей SAE J300. Классы с буквой W (winter) нормируются по низкотемпературным показателям и минимальной вязкости при 100 °C, классы без W - по вязкости при 100 °C и вязкости HTHS при 150 °C.

Класс SAE	Прокручивание (CCS, ASTM D5293), мПа·с, макс. / при °C	Прокачиваемость (MRV, ASTM D4684), мПа·с, макс. / при °C	Кинематическая вязкость при 100 °C (ASTM D445), cSt	HTHS при 150 °C, мПа·с, мин.
0W	6200 / -35	60 000 / -40	от 3,8	-
5W	6600 / -30	60 000 / -35	от 3,8	-
10W	7000 / -25	60 000 / -30	от 4,1	-
15W	7000 / -20	60 000 / -25	от 5,6	-
20W	9500 / -15	60 000 / -20	от 5,6	-
25W	13 000 / -10	60 000 / -15	от 9,3	-
8	-	-	от 4,0 до менее 6,1	1,7
12	-	-	от 5,0 до менее 7,1	2,0
16	-	-	от 6,1 до менее 8,2	2,3
20	-	-	от 6,9 до менее 9,3	2,6
30	-	-	от 9,3 до менее 12,5	2,9
40 (0W-40, 5W-40, 10W-40)	-	-	от 12,5 ... 16,3	3,5
40 (15W-40, 20W-40, 25W-40, 40)	-	-	от 12,5 ... 16,3	3,7
50	-	-	от 16,3 до менее 21,9	3,7
60	-	-	от 21,9 до менее 26,1	3,7

Данные таблицы приведены по стандарту SAE J300 (редакции с 2015 года).

Всесезонные (многоклассовые) масла. Масла с двойным обозначением, например SAE 5W-30 или 10W-40, одновременно соответствуют обоим классам. Их вязкость меньше меняется с температурой, чем у одноклассовых масел: на холоде они жиже, что облегчает пуск и, по данным источника, улучшает топливную эффективность, а при высокой температуре сохраняют нужную вязкость. По данным источника, большинство всесезонных масел также лучше защищает двигатель от износа.

По уровню качества: API

Американский институт нефти (American Petroleum Institute, API) совместно с SAE и ASTM разработал систему категорий качества моторных масел. Категории для бензиновых двигателей обозначают буквой S (Service), для дизельных - C (Commercial), а вторая буква (A, B, C, D и далее) указывает уровень. Чем новее категория, тем строже требования, потому что современные двигатели работают в более тяжелых условиях и при более жестких экологических нормах.

Бензиновые двигатели	Год	Дизельные двигатели	Год
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-е
SB	1930-е
SA	-

Годы введения категорий ориентировочные. Ранние категории уже устарели, поэтому при выборе масла ориентируйтесь на требования производителя автомобиля и действующий перечень категорий API.