1

4. LUBRIFIANI I ADITIVI 4.1. Definire. Proprieti Lubrifianii pot fi considerai ca elemente de operare, ca material de studiu. n consecin, lubrifianii trebuie s realizeze urmtoarele funciuni: 1) Diminuarea frecrii; 2) Diminuarea uzurii i evitarea gripajului; 3) Eliminarea cldurii generate n zonele de contact; 4) Protecia suprafeelor de frecare i altor pri ale cuplului prin efectul coroziv al mediului ambiant; 5) Etanarea cuplei; 6)Eliminarea produselor de uzur. Un lubrifiant are dou sau trei funciuni n timpul luccrului. Tabelul 4.1 prezint principalele categorii de lubrifiani des utilizai.

Tabelul 4.1 Starea de agregare Lubrifiani

Gaz Aer,H2O (vapori), CO2, He, H2, N2

Lichide

Uleiuri Vegetale sau animale Minerale Sintetice (siliconice, esteri, poliglicoli etc.)

Lubrifiani neconvenionali

Ap Lichid synovial (pseudoplastic) Materiale topite: mercur, sodiu , sticl etc Fluide tehnologice: emulsii ; acizi, freoni etc.

Materiale vscoplastice

Unsoare consistent (lubrifiant lichid +

material de ngroare)

Cu spun : Ca, Na, Li, Ba, Bo, Al, Pb sau argile, silicogeni etc

Solide

Anorganice

Straturi: dihalogeni ai metalelor, grafit, grafit cu flor, nitrur de bor. Nestratificate: cloruri, boruri, ioduri, metale, oxizi etc. Metale ductile : Pb, Sn, Cd, In, Ga, Ag, Au.

Organice Materiale polimerice: politetrafloretilena ; poliamide etc.

Alte materiale metalice sau

ceramice

Cr2C3; SC, TiN, ZO2

Lubrifianii cei mai utilizai n construciile de maini sunt uleiurile.. Uleiurile lubrifiante sunt constituite dintr-un fluid de baz, numit "baz de lubrefiere " i care poate fi sintetic sau mineral. La aceste fluide se adaug diferite produse chimice pentru mbuntirea unora dintre proprietile fizice i funcionale, numite aditivi.

2

a) Uleiurile de baz Bazele minerale pot fi clasificate n : - Baze cu structur parafinic, formate din hidrocarburi saturate cu lanuri drepte. . Aceste baze prezint o mare stabilitate la oxidare i de asemenea un indice crescut al viscozitii; ele sunt puin agresive n raport cu elastomerii utilizai, de obicei pentru articulaii etane. Se poate distinge cristalizarea uleiului la temperatura mediului ambiant din cauza greutii moleculare a lanului. - Baze izoparafinice care au un indice de viscozitate mai ridicat i atunci cristalizarea nu este semnalat.

- Baze cu structut naftenic care sunt formate din poriuni ciclice. Ele sunt mai stabile la oxidare i prezint un indice mai fiabil de viscozitate ; ele sunt agresive n raport cu elastomerii .Au caracteristici excelente de curgere la temperatura normal.

n ultimii ani s-au dezvoltat produi sintetici. care s rezolve multe dintre problemele lubrificaiei.

Ceri mai utilizai produi sunt : - esterii alifatici care sunt caracterizai prin un indice ridicat de viscozitate; volatilitate redus i excelente proprrieti de lubrifiere; - esterii fosforici, utilizai ca aditivi anti-uzur, prezint un indice ridicat de viscozitate i sunt puin inflamabili;

- siliconii i silicaii au un excelent indice de viscozitate i un punct de curgere sczut; proprietile de lubrifiere nu sunt satisfctoare;

- polifenileteri au bun stabilitate la temperatur nalt (n jur de 450oC) i sunt exceleni lubrifiani;. au indice sczut de viscozitate; - polipropileni gliconi au indice ridicat de viscozitate; au punct de curgere sczut i bune proprieti aniti-uzur. Au stabilitate termic i rezisten la oxidare medii, nu sunt miscibile cu uleiul baz constituit; - poliolefinele au indfice de viscozitate ridicat i punct de curgere sczut.

b) Aditivi

Proprietile de baz ale lubrifianilor sunt n general modificate de componeni chimici foarte variai, numii aditivi: - aditivii "amelioratori ai indicelui de viscozitate" sunt polimeri, care introdui, n concentraie redus, n lubrifianii de baz, determin creterera relativ a viscozitii la aceeai temperatur, fr a modifica defavorabil alte proprietii eseniale; - aditivii pentru reducerea punctului de curgere; la temperatura de baz, cristalizarea parafinei modific proprietile reologice ale lubrifiantului, astfel c tinde s solidifice lubrifiantul. Aditivii pentru reducerea punctului de curgere sunt utilizai pentru evitarea solidificrii lubrifiantului; - aditivii detergeni i dispersani permit, pe de o parte, meninerea suprafeelor curate (efectul detergent) i, pe de alt parte, meninerea n suspensie a impuritiolor solide formate n cursul fincionrii, evitndu-se formarea aglomeratelor(efectul dispersant); - aditivii anti-uzur i de extrem presiune sunt eficace prin formarea unui film protector la suprafeele de contact ca urmare a reeaciei aditivului cu metalul. Aditivii de extrem presiune sunt compui de tipul sulfuri, cloruri sau derivai fosfor i sulf: produi de sulf, care se formeaz la temperaturi ridicate, prin apariia pe suprafaa aliajelor de fier a unui strat protector de sulfur de fier; compoziiile speciale, care sunt n principal esteri grai cu parafin clorurat i acizi grai clorurai;

3

derivaii fosfor-sulf sunt produi receni descoperii, la care compoziia i mecanismele de aciune sunt nc puin cunoscutre ; - aditivii anti-oxidani au rol de relansare i posibil suprimare a fenomenelor de oxidare a lubrifianolir. Aceti aditivi acioneaz pe trei ci: pentru blocarea proceselor de distrugere i captarea radicalilor liberi ai lanurilor moleculare; pentru distrugerea peroxizilor care formeaz fenomene de deteriorare; pentru dezactivarea ionilor metalici i formarea unui film protector la suprafee prin eliminarea aciunii catalitice a metalelor; - aditivii de onctouzitate permit absorbirea lubrifiantului la suprafeele de contact, astfel c se diminueaz frecarea la contactul metal-metal. Acetia sunt esterii grai, alcooli grai, aminele i acizii grai; - aditivii anti-rugin sunt eficace prin absorbia metalelor i formarea unei cuti de protecie impermeabil la aer, ap sau la componente corozive .Acetia sunt amine i acizi grai, cteodat incompatibili cu aditivii anti-uzur ;

- aditivii anti-emulsionani au rolul de a evita formarea emulsiilor i meninerea fazei lichide continue.

c) Viscozitatea lubrifianilor

Viscozitatea este o msur a aptitudinii fizice a unui fluid de a lubrifia prin film complet, n anumite condiii de vitez, de ncrcare i de temperatur. Viscozitatea unui fluid este rezistena opus de fluid la toate alunecrile interne dintre moleculele sale. Aceste fore de rezisten pot fi determinate cu legea frecrii fluide a lui Newton, privind curgerea laminar a unui fluid ntre o suprafe mobil cu viteza U i o suprafa fix. ntre aceste dou suprafee, diferitele "pelicule" de fluid sunt deplasate cu viteze variabile, u, ntre 0 i U. Dac la distana y de la suprafaa fix, viteza peliculei de fluid este u i devine u+du, atunci tensiunea tangenial, xy, numit, frecvent, tensiune de forfecare i notat , este definit prin:

unde este un parametru caracteristic al fluidului, numit coeficient de viscozitate dinamic-fig. 4.1.

Fig. 4.1. Curgerea laminar

Unitatea de msur ale parametrului de viscozitate , n sistemul internaional, este

dydu

=

AF

= = xy (4.1)

4

sau kg/(ms). De exemplu, apa la temperatura i presiunea normal, are vscozitatea dinamic 10-3 Ns/m2 sau 10-3 kg/ms. Alt unitate de msur important a vscozitii dinamice este "Poise" (P), care este definit prin (dynsecund/centimetru2) sau (grame/centimetru secund). Relaiile ntre unitile de msur sunt

cP1000

1 = P

101

=

sm

1kg =

m

1NS2

(centiPoise) (1cP=10-3 Pas). Ipoteza c exist un coeficient de proporionalitate numit viscozitaste dinamic, ntre tensiunea de forfecare i gradientul de vitez, este justificat prin experienele pentru un mare numr de fluide, numite fluide newtoniene. Printre acestea se numr apa i numeroase uleiuri lubrifiante, atunci cnd curgerea este laminar. Prezena macromoleculelor sau a condiiilor severe de utilizare fac ca relaia de proporionalitate s nu existe ntotdeauna, fluidele n acest caz fiind denumite fluide nenewtoniene: - fluidele Bingham:

o+

=

yu

, unde o este constant (pragul de curgere);

- fluidele visco-elastice dtd

G1

+ = yu

, unde G este modulul de elasticitate

transversal (modul de curgere ), iar t este timpul..

- fluidele pseudo-plastice i fluidele dilatabile

1/N

=

yu

, unde N este un coeficient,

pentru N>1 se definesc fluidele dilatbile ; N

5

Pentru uleiul lubrifiant e =

E/To , cu

cT + bT + a = E 2 unde o este vscozitatea dinamic la o temperatur dat, T temperatura absolut i a,b,c sunt determinate pentru fiecare lubrifiant. Pot exista i alte relaii : -relaia Poseuille:

T + T + 1 = 2

o

;

unde , constante ; - relaia Slotte

)T + (ac

= n

,

unde a, c, n constantre ; - relaia Andrade-Shepard: e =

B/To ,

unde o vscozitatea la temperatur dat, B o constant ;

- relaia Reynolds: e =

T-o

; - relaia Barrus:

TB

+ A = ]0,8)+[lg( 0,3 1, unde este vscozitatea cinematic (cSt), A,B constante . Comportamentul fluidului cu temperatura se poate ilustra prin indicele de viscozitate (IV). Acest indice se bazeaz pe compararea viscozitii lubrifiantului cu dou lichide etalon i la dou tempeturi de referin (40oC i 100oC): 100

H-LU-L

= IV

unde L este vscozitatea unui ulei mineral naftenic la 40oC, care este considerat cu indicele 0 (caracteristic foarte slab a uleiului cu temperatura); H viscozitatea unui ulei mineral parafinic la 40oC, care este copnsiderat cu indicele 100 (caracteristic bun ); U vscozitatea lubrifiantului studiat la 40oC (fig. 5.5). n monograma 4.3 este indicat abaca Groff pentru determinarea indicelui de vscozitate, cunoscnd viscozitatea la dou temperaturi sau pentru determinarea viscozitii cnd sunt cunoscute indicele IV i viscozitatea la o temperatur.

a)

b) Fig. 4.2. Variaia viscozitii dinamice cu temperature pentru

lichide (a) i pentru gaze (b)

6

n tabelul 4.2 se prezint variaia viscozitii unor uleiuri parafinice cu presiunea.

Tabelul 4.2.

Fig. 4.3. Nomograma Groff Viscozitate-temperatur-indice de viscozitate

Variaia viscozitii cu presiunea Cea mai mare parte a uleiurilor lubrifiante au vscozitatea care crete cu presiunea. Acest fenomen prezint o importan practic n mecanismele de lubrifiere sub presiune care pot atinge valori de ordinul GPa; este cazul particular al rulmenilor, angrenajelor, camelor etc.

7

Presiune [MPa]

0,1 10 20 30 40 50 100

Viscozitate [Pas]

0,05 0,06 0,075 0,11 0,15 0,23 0,70

Tabelul 4.3 indic trei exemple ale variaiei viscozitii (Pas) cu presiunea a unui ulei parafinic, unui ulei naftenic i a apei, toate la 20oC.

Tabelul 4.3

Presiune [MPa]

Ulei parafinic Ulei naftenic Ap

0,1 0,052 0,055 0,00100

140 0,81 2,20 0,00111

280 8,7 91 0,00123

Pentru caracterizarea variaiei viscozitii cu presiunea, numit efect de pizoviscozitate", se poate uitiliza relatia lui Barus, stabilit n 1893 e =

po

, unde p este presiunea, o vscozittea dinamic la presiunea atmosferic i coeficientul de piezoviscozitate, care depinde de ulei. Acest coeficient este, n general, cuprins ntre: 510-9 < < 4010-9 [Pa-1] Acest coeficient este aproximativ constant pentu presiuni mai mici de 70 MPa. Poate fi estimat prin relaia urmtoare

n aceast relaie este n10-8Pa-1, -vscozitatea cinematic la temperatura considerat, n mm2/s, m - coeficientul viscozitate-temperatur i masa volumic a lubrifiantului (densitatea ), n g/cm3.

Viscozitatea amestecului lichidelor miscibile se poate determina cu relaia lui Arrhenius

unde 1, 2,...,k sunt viscozitile lichidelor componente it v1, v2,...,vk sunt ponderile volumice ale lichidelor (v1=v1/v, v2=v2/v, ... vk=vk/v, v1, v2, ...vk sunt volumele lichidelor 1,2, k, iar v este volumul total ).

d) Proprietile termice ale lubrifianilor influeneaz procesul de stabilizare regimului termic generat prin frecare i valorile maxime ale temperaturii.

0,116223,0975

1,59765,19-43,0627

)3,999(lg - - )(lgm102,848 + )4,143(lg + 1,216 =

vkv2v1 k21 ..... =

8

- Cldura specific (c, n kJ/kgoC) crete cu temperatura (T, n oC) i descrete cu densitatea lubrifiantului (, n kg/dm3).

Pentru uleiurile minerale 1,75 < c < 1,1 kJ/kgoC), atunci cnd temperatura este ntre 0...50oC. - Conductivitatea ternmic (, n J/msoC) descrete cu viscozitatea cinematic (, n cSt) i crete cu densitatea (, n kg/dm3) i cu masa molecular (M)

Pentru uleiurile minerale 0,115 < < 0,175 J/msoC atunci cnd temperatura este ntre 0...50oC. - Coeficientul de dilatare liniar a uleurilor minerale este (0,3-5,3)10-6/oC. 2. Exemple de lubrifiani

1. Uleiuri minerale

Prin standardul STAS 871, uleiurile minerale sunt clasificate n 10 domenii cunoscute i pe plan mondial. Cele mai frecvent folosite uleiuri minerale sunt:

- uleiurile pentru motoare simbol M, de exemplu: M 20, M 30, M 40, numrul 20, 30, respectiv 40, indic clasa de vscozitate dup normele americane; cu ct numrul este mai mare cu att este mai vscos lubrifiantul. Dac simbolul de baz este urmat de alte litere i cifre nseamn c uleiul este aditivat ; de exemplu, uleiul M 20 W 40 este un ulei multigrad, ulei aditivat cu aditivi de ameliorare a indicelui de vscozitate, astfel c uleiul se comport vara ca un ulei vscos (M40), iar iarna ca un ulei mai puin vscos (M20);

- uleiuri pentru transmisiile autovehiculelor simbol T ; de exemplu T 140, numrul 140 indic clasa de vscozitate. Uleiuri aditivate pentru transmisii: T 80 EP 2, T 90 EP 2 - uleiuri aditivate cu aditivi de extrem presiune EP, cu gradul 2 de aditivare;

- uleiuri pentru transmisii industriale simbol TIN, de exemplu TIN 125 EP, TIN 42 EP, TIN 130 EP uleiuri aditivate cu aditivi de extrem presiunen i care au vscozitatea cinematic la 50oC corespunztoare numrului precizat n simbol, 125 cSt, 42 cSt etc;

- uleiuri industriale simbol I, de exemplu I 35, I 65, numrul indicnd vscozitatea cinematic, n cSt, la 50oC;

- uleiuri pentru compresoare K, pentru maini textile Te, pentru lagre L, pentru glisiere G etc.

n tabelul 4.4 se prezint principalele uleiuri minerale romneti cu caracteristicile fizice de baz [M. Pascovici, T. Cicone Elem Trib 2001].

) 0,3105 - 1250,14T)(0,7 + (3,9 = c

-0,120,1921,552,03 M c 7,06 =

9

Tabelul 4.4. Uleiuri minerale romanesti

10

2. Uleiuri sintetice [Pascovici, Cicone -Elemente de tribologie Ed Bren, 2001]

3. Unsori consistente

Sunt amestecuri ale uleiurilor minerale cu spunuri de Na, Ca, Al, Ba, Li, Pb. Proprietile principale ale unsorii sunt: Punct de picurare este temperatura la care unsoarea ncepe s curg sub propria ei

greutate; Consistena indic starea de penetrabilitate a unsorii de ctre un con metalic cu

geometrie etalon. Exist 9 grade de consisten, notate cu cifre 000, 00, 0, 1,,7, de la cea mai fluid la cea mai tare. Numrul gradului de consisten este corelat cu adncimea de penetrare, n zecimi de mm, a unui con etalon, dup 5 secunde, la temperatura de 25 oC. Din punctual de vedere al curgerii, unsorile sunt medii viscoplastice care au o comportare nenwtonian. Cea mai simpl comportare este aceea a modelului Bingham:

11

unde o este tensiunea (pragul) de curgere al unsorii, iar semnul trebuie sa coincid cu semnul gradientului de vitez. Unsoarea nu va curge dect atunci cnd tensiunea tangenial va depi valoarea pragului. Pentru unsorile obinuite, pragul de curgere are valori n intervalul 0,11,5 MPa. Datorit acestui prag, exist posibiltatea ca n interiorul unui volum de unsoare pus n micare s existe zone (nuclee) stagnante. Totodat, unsoarea poate transmite sarcini fr s curg, avnd o portan static.

Clasificarea este standardizat n STAS 562. Exemple de unsori: - unsori de uz general U 75 Ca 2 semnificaia: U unsoare de uz general 75oC

punctul de picurare, spunul utilizat este Calciu (Ca), consistena unsorii are gradul 2.

- Unsori pentru rulmeni RUL 100 Ca 3, RUL 145 Na 3 unsori cu punctul de picurare 100, respectiv 145, cu spun de Calciu (Ca) sau Natriu (Na) i gradul de consisten 3.

- Unsori multifuncionale UM 160 Li-Ca-Pb 1, UM 170 Li-Ca-Pb-2

4. Lubrifiani solizi Pentru domenii speciale, n care lubrifianii lichizi sau gazoi nu fac fa, se utilizeaz lubrifiani solizi. Aceti lubrifiani formeaz o pelicul continu pe un support solid i au rezistena la forfecare mult mai mic dect materialele pe care se gsesc. Aplicaiile acestor lubrifiani sunt :

- aplicaii spaiale care funcioneaz n vacuum; - aplicaii la temperaturi foarte sczute (rachete militare, criogenie) sau foarte ridicate (prelucrarea metalelor, proiectile, rachete etc); - aplicaii n medii agresive ; - aplicaii industriale n care trebuie evitat contaminarea cu lubrifiani (industria alimentar, contacte electrice). Cele mai uzuale categorii de lubrifiani solizi sunt:

Metale i aliaje moi ; Mase plastice (polimeri, ca de exemplu teflonul (PTFE), poliamidele ; Materiale cu structur lamelar : bisulfura de molibden (MoS2), utizabil n

vacuum pn la 1100 oC, grafitul cu funcionare n medii apoase ; Oxizi, ca de exemplu PbO, SiO2, Cr2O2 Materiale ceramice, ca de exemplu alumina i zirconia.