Artykuł ukazał się w wydaniu 8,9/2020 "Paliw Płynnych"

Najszersze zastosowanie znalazły środki smarowe w postaci olejów. Są one kompozycjami oleju bazowego i szeregu związków chemicznych tzw. dodatków, które kształtują funkcjonalne właściwości olejów handlowych.

Zjawisko tarcia jest tak powszechne, że czasami nie zdajemy sobie sprawy z jego istnienia. Mamy z nim do czynienia wszędzie tam, gdzie dwa elementy przesuwają się względem siebie z różnymi prędkościami, np. przy zakładaniu odzieży, podczas mrugania powiekami, gryzienia pokarmów, jak i podczas hamowania pojazdu, pracy przekładni w skrzyni biegów czy ruchów tłoka w cylindrze silnika. Intensywność tarcia może być różna i zależy od wielu czynników, m.in.: rodzaju materiału z jakiego wykonane są trące się elementy, chropowatości powierzchni, rodzaju ruchu (toczny, ślizgowy), siły z jaką te elementy są do siebie dociskane, prędkości z jaką się względem siebie przesuwają czy obecności trzeciego medium między tymi powierzchniami. Dobierając odpowiednio materiały i obróbkę powierzchni, możemy w pewnym zakresie dostosowywać wielkość tarcia do naszych potrzeb. Czasami chcemy, aby ono było duże, np. podczas hamowania pojazdu, a innym razem zależy nam na jego minimalizacji (podczas pracy tłoków w cylindrach silnika).

W trakcie pracy elementów ruchomych maszyn i urządzeń węzeł tarcia, który stanowią współpracujące tarciowo elementy i medium znajdujące się między nimi, traci swoje właściwości użytkowe. Te właściwości ulegają pogorszeniu na skutek fizycznych i chemicznych zmian warstwy wierzchniej wywołanych tarciem, prowadzących do zużywania, a w ekstremalnych warunkach do zacierania węzła. Zacieranie jest katastroficzną formą zużycia i wyłącza ono elementy węzła z dalszej eksploatacji.

W zależności od przyczyn zużycia i skutków nimi spowodowanych, wyróżnia się wiele klasyfikacji tego procesu. Ze względu na dość złożony charakter zjawisk zachodzących w węźle tarcia jednoznaczna klasyfikacja procesów zużywania jest praktycznie niemożliwa. Najczęściej kilka rodzajów zużycia zachodzi jednocześnie, przy czym jedna z form jest wiodącą i służy jako kryterium podziału. Najbardziej rozpowszechniony jest podział wprowadzony przez J.T. Burwella na cztery podstawowe typy zużycia: adhezyjne, abrazyjne, zmęczeniowe i korozyjne. Zacieranie wiązane jest z lokalnym przerwaniem filmu smarowego utworzonego np. przez olej oraz tworzeniem i zrywaniem sczepień adhezyjnych pomiędzy współpracującymi elementami, co w może doprowadzić do unieruchomienia węzła (zatarcia).

W celu zminimalizowania tarcia i ochrony węzła przed zużyciem katastrofalnym, pomiędzy współpracujące tarciowo powierzchnie elementów (także w pojazdach) wprowadza się środek smarowy. Najczęściej ma on formę płynną (olej smarowy) lub półpłynną (smar plastyczny). Zmniejsza on opory tarcia, intensywność zużywania, chroni przed korozją, a w przypadku płynnych substancji smarowych odprowadza ze strefy tarcia ciepło, zanieczyszczenia, produkty zużycia, tłumi drgania oraz uszczelnia luzy pomiędzy elementami. Tym samym umożliwiają długotrwałe funkcjonowanie maszyn i urządzeń jak np. pojazdów.

 Skład olejów smarowych

Najszersze zastosowanie znalazły środki smarowe w postaci olejów. Są kompozycjami oleju bazowego i szeregu związków chemicznych tzw. dodatków, które kształtują funkcjonalne właściwości olejów handlowych. Ze względu na pochodzenie i skład chemiczny wyróżniamy oleje bazowe:

• mineralne -uzyskane w wyniku przeróbki ropy naftowej;
• węglowodorowe lub nie węglowodorowe - uzyskane w wyniku np. polimeryzacji czy syntezy chemicznej, najczęściej są to: polialfaolefiny, poliizobuteny, silikony, estry fosforowe;
• semisyntetyczne - będące mieszaniną bazy mineralnej i syntetycznej;
• roślinne - uzyskiwane w wyniku przeróbki roślin oleistych (rzadko stosowane w motoryzacji).

Bazy syntetyczne mają bardzo wiele zalet, zaliczają się do nich m.in. bardzo dobra charakterystyka reologiczna (w wysokich i niskich temperaturach), wysokie wskaźniki lepkości (ok. 170-180), niskie temperatury krzepnięcia (ok. -50⁰C), duża wytrzymałość filmu olejowego na przerwania, duża odporność na utlenianie, mała toksyczność, dobra biodegradowalność. Mają także wady - decydującą o ich ograniczonym stosowaniu jest wysoka cena. Inną wadą są problemy związane z wzajemnym oddziaływaniem niektórych olejów z materiałem uszczelnienia (mogą wykazywać agresywność w stosunku do elastomerów nitrylowych lub akrylowych). Dlatego też aby zmniejszyć wady baz mineralnych oraz syntetycznych, stosuje się mieszanki obu baz (bazy semisyntetyczne).

Właściwości samej bazy olejowej są niewystarczające do ochrony węzła. W trakcie jego pracy, mimo obecności oleju, dochodzi do kontaktu metal-metal na występach nierówności, szczególnie w warunkach obciążeń udarowych, małej prędkości czy niskiej lepkości oleju (np. przy uruchamianiu silnika, gwałtownym przyspieszaniu). W takim przypadku film smarowy zostaje przerwany i obciążenia przestają być przenoszone przez środek smarowy, lecz przez nierówności powierzchni. Generowane ciepło powoduje między innymi spadek lepkości oleju oraz inicjuje przemiany chemiczne składników środka smarowego. Dlatego też do bazy olejowej wprowadza się różnorodne dodatki uszlachetniające, które mają za zadanie poprawiać właściwości reologiczne oleju, chronić smarowane powierzchnie oraz chronić olej przed niekorzystnymi zmianami. Rodzaj i ilość dodawanych dodatków jest uzależniona od przewidywanych warunków pracy oleju (jego przeznaczenia np. olej silnikowy, olej przekładniowy) oraz jego klasy. W tabeli 1 zestawiono rodzaje dodatków stosowanych w oleju silnikowym oraz rolę jaką pełnią w oleju.

 Tabela 1. Rodzaje i rola dodatków stosowanych w oleju silnikowym

 Modyfikatory tarcia to związki, które zmniejszają tarcie. Mogą być także stosowane jako dodatek do paliw zmniejszając zużycie wtryskiwaczy i poprawiają ekonomikę spalania. Ograniczają one tarcie w wyniku zwiększenia grubości warstwy olejowej poprzez fizyczną adsorpcję na metalu. Dodatki te wykazują dużą efektywność gdy stężenie ich jest duże przy niezbyt dużych obciążeniach węzła tarcia i stosunkowo niskich temperaturach (80-150ºC). Zadaniem dodatków przeciwzużyciowych jest ochrona powierzchni przy wyższych temperaturach i przy umiarkowanych obciążeniach, gdy modyfikatory tarcia tracą swoją skuteczność. Reagują one z powierzchnią metalu poprzez adsorpcję lub reakcje chemiczne. Powstałe na powierzchni związki chemiczne obniżają opory tarcia. Z kolei dodatki przeciwzatarciowe chronią trące się metaliczne w ekstremalnych warunkach (wysokie obciążenia, małe prędkości, wysoka temperatura). Reagują one z powierzchnią metalu do prostych związków nieorganicznych (siarczki, fosforki) w wysokich temperaturach, w temperaturach niższych są nieaktywne. Utworzona warstewka związków nieorganicznych ma obniżoną w odniesieniu do metalu wytrzymałością na ścinanie. Poprzez złuszczanie, zużywanie bądź deformacje plastyczne chroni ona metal i obniża tarcie.

Oleje przekładniowe, prócz klasycznych funkcji olejów smarowych muszą spełniać specyficzne dodatkowe wymagania, do których należą mi.in: minimalne zmiany lepkości w czasie pracy przekładni, w zakresie od temperatury otoczenia do temperatury pracy przy pełnym obciążeniu (ok.150ºC) jednocześnie mała lepkość i mała lotność, płynność w niskiej temperaturze otoczenia, odporność na tworzenie szlamów i osadów zarówno w niskiej, jak i wysokiej temperaturze. Lepkość tych olejów winna być na tyle duża, aby zapewnić warunki dobrego smarowania w całym zakresie obciążeń; im większa lepkość oleju, tym trudniej wycisnąć go spomiędzy smarowanych powierzchni. Nie można jednak stosować olejów o zbyt dużej lepkości ze względu na zwiększenie oporów tarcia wewnętrznego oleju. Oleje przekładniowe powinny charakteryzować się również bardzo dobrą smarnością, ponieważ narażone są na duże obciążenia jednostkowe i w smarowanym zazębieniu może dochodzić do styku pracujących elementów. Generalnie rodzaj dodatków stosowanych w olejach przekładniowych i silnikowych są analogiczne, jedynie udział poszczególnych dodatków w oleju może być inny.

W motoryzacji oprócz olejów do zmniejszenia tarcia stosowane są smary plastyczne. Otrzymywane są przez zagęszczanie olejów smarowych (baz olejowych) do stałej lub półstałej konsystencji za pomocą tzw. zagęszczaczy, które są dodawane w ilości 10-30%. Tak więc zasadnicza różnica między olejem smarowym a smarem plastycznym polega na obecności zagęszczacza. Najczęściej stosowanym zagęszczaczem w składzie smarów plastycznych są mydła metali. W większości przypadków, są one wytwarzane z kwasów tłuszczowych i zasad. Dodatki dodawane do smarów są analogiczne jak w przypadku olejów. Ponadto mogą one zawierać dodatki adhezyjne (poprawiające smarowanie i przywieranie do podłoża, nadające właściwą przyczepność filmu smarnego) i dodatki stałe (przeciwzatarciowe i uszczelniające, które zwiększają skuteczność działania smaru w cięższych warunkach pracy, mogą to być metale i ich stopy, grafit, teflon, grafen i inne).

Smary plastyczne są stosowane w tych przypadkach, gdy zastosowanie olejów jest nieuzasadnione względami technicznymi lub ekonomicznymi. W przypadku smarów samochodowych utrzymuje się tradycyjny podział na smary podwoziowe i łożyskowe. Od podwoziowych wymaga się głównie dobrych własności antykorozyjnych oraz odporności na działanie wody od temperatur ujemnych do rzędu 80ºC. Smary łożyskowe muszą się z kolei wykazać skutecznym smarowaniem łożysk w temperaturach pracy nieco powyżej 100ºC i charakteryzować się dobrą ochroną przed zużyciem i stabilnością termiczną.

 Klasyfikacja olejów smarowych

Przydatność użytkowa olejów silnikowych jest charakteryzowana przede wszystkim przez właściwości reologiczne (lepkościowe) oleju (klasyfikacja SAE – ang. Society of Automotive Engineers) i tzw. jakościowe (czyli użytkowe i przydatność do smarowania), np. klasyfikacja europejska ACEA – ang. European Automobile Manufacturers Association, klasyfikacja amerykańska API – ang. American Petroleum Institute.

Klasyfikacja lepkościowa SAE dzieli oleje w zależności od dopuszczalnych wymagań dotyczących wartości lepkości, oznaczanej w warunkach odpowiadających różnym stanom pracy oleju w silniku. Wyróżnia sześć klas tzw. zimowych (oznaczanych literą „W”): 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W – im niższy numer klasy tym niższe temperatury stosowania oleju oraz sześć tzw. klas letnich: 20, 30, 40, 40, 50, 60 – im wyższy numer klasy tym wyższe lepkości w rozgrzanym silniku. Oleje stosowane w samochodach są tzw. olejami wielosezonowymi (np. 10W/40, 15W/40 itp.): w niskich temperaturach zachowują się tak jak oleje zimowe odpowiedniej klasy jednosezonowej i jednocześnie w wysokich temperaturach jak odpowiednie jednosezonowe oleje letnie.

Klasyfikacja jakościowa określa własności użytkowe oleju silnikowego i jego przydatność do smarowania silników danej klasy. Testy laboratoryjne nie są w stanie w pełni ocenić właściwości użytkowych oleju dlatego jest ona oparta przede wszystkim na testach silnikowych na hamowni i w próbach drogowych oraz badaniach laboratoryjnych. Zmiany jakościowe olejów wymusza wiele czynników, najważniejsze z nich to: rygorystyczne przepisy w zakresie ochrony środowiska, regulacje prawne zmuszające do oszczędności zużycia paliwa, zmiany konstrukcyjne silników wynikające ze stosowania nowych technologii oraz obowiązku dostosowania się do przepisów prawnych, wydłużenie przebiegu eksploatacji bez wymiany oleju. Przestrzega się zasady, że olej w wyższej klasie jakości zastępuje dotychczasowe oleje w niższej klasie jakościowej. Przykładowo w klasyfikacji jakościowej API oleje silnikowe dzieli się na dwie grupy: S (Service) – do silników o zapłonie iskrowym ZI i C (Commercial) – do silników o zapłonie samoczynnym. Klasy olejów oznaczane są za pomocą kodu dwuliterowego (np. w grupie S rozróżnia się klasy jakości: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH, SJ, SL, SM, SN a w grupie C: CA, CB, CC, CD, CD-II, CF-4, CG-4, CH-4, CI-4, CJ-4). Im dalsza litera alfabetu w drugim członie oznaczenia, tym wyższa jest jakość oleju. Obecnie nie sprzedaje się już praktycznie produktów o najniższych klasyfikacjach odpowiednich dla silników najstarszych generacji, pozostały jedynie środki w klasach od SJ i CG-4 wzwyż. Większość olejów spełnia jednocześnie wymagania dla silników benzynowych i wysokoprężnych. Na opakowaniu pojawiają się wówczas oznaczenia łączone, np. SJ/CF.

Podobnie jak dla olejów silnikowych, dla olejów przekładniowych opracowane zostały systemy klasyfikacyjne zarówno lepkościowe jak i jakościowe. Lepkość olejów do smarowania przekładni zębatych oznaczana jest według klasyfikacji SAE. Wyjątkiem są oleje do automatycznych skrzyń biegów, których nie klasyfikuje się według lepkości. Jest 11 klas SAE: 4 należą do grupy zimowej W i 7 do grupy letniej. Do skrzyń biegów samochodów osobowych najczęściej stosuje się oleje wielosezonowe o klasach lepkości: 75W/80, 75W/85 i 75W/90. W klasyfikacji jakościowej olejów przekładniowych przyjęto klasyfikację amerykańską API. Symbolami klasyfikacji jakości olejów do smarowania przekładni układów napędowych są litery GL (Gear Lubricants) i cyfry od 1 do 6. Cyfra następująca po tych literach odnosi się do rodzaju przekładni i zalecanego typu eksploatacji. Uwzględnia też rosnącą wraz z cyfrą zawartość dodatków typu EP. Zawiera więc informację także o jego zdolności do przenoszenia obciążeń. Najczęściej stosowane są oleje klasy GL-4 i GL-5.

Oleje do automatycznych skrzyń biegów tzw. oleje ATF (Automatic Transmission Fluid) stanowią odrębną grupę. Mają one barwę czerwoną. Bazą cieczy ATF są starannie dobrane lekkie oleje mineralne, bazy syntetyczne lub półsyntetyczne. Olej ATF chociaż zaliczany jest do grupy olejów przekładniowych, jest olejem hydraulicznym. Jest zdolnym pracować w szerokim zakresie temperatur, ze szczególnym uwzględnieniem łatwego startu w niskich temperaturach. Jego podstawowym zadaniem jest zapewnienie płynnego przeniesienia momentu pomiędzy silnikiem i wałem napędowym. Rodzaj stosowanego oleju zależy od rodzaju automatycznej skrzyni w aucie (tradycyjna automatyczna skrzynia biegów, sekwencyjne skrzynie biegów, bezstopniowa automatyczna skrzynia biegów o ciągłej zmianie przełożenia). Każda z tych przekładni ma inną charakterystykę i wymaga innego oleju. Szczegółowe lub ogólne wymagania co do spełnianych przez nie parametrów formułuje sam producent skrzyń biegów.

 Podsumowanie

Problem doboru odpowiedniego środka smarnego stanowi poważne wyzwanie eksploatacyjne. Środki smarne „do zadań specjalnych”, czyli z dodatkiem specjalnego pakietu kierunkującego ich właściwości zazwyczaj są znacząco droższe, niż ich „standardowe” odpowiedniki, dlatego przed zakupem środka niezwykle ważne jest precyzyjne określenie jego warunków pracy, zwracając uwagę na maksymalne wartości parametrów, z jakimi musi się mierzyć dany środek.

Ponadto, w toku eksploatacji należy zwracać szczególną uwagę na regularną wymianę środka smarnego używanego w pojeździe/maszynie, zgodnie z zaleceniami producenta, a nawet skracając okresy pomiędzy wymianami środka, jeżeli parametry pracy urządzenia są bliskie parametrom granicznym. Należy pamiętać, że utrata parametrów pracy środka smarnego jest przeważnie nieodwracalna, stąd też doprowadzenie do przeproszenia zakresu jego pracy pociąga za sobą konieczność jego natychmiastowej wymiany. Ponadnormatywna eksploatacja środka może prowadzić do utraty jego parametrów i - w konsekwencji - nieodwracalnych uszkodzeń eksploatowanego urządzenia. Również chcąc minimalizować ryzyko uszkodzenia urządzenia należy zwracać uwagę na jakość zakupionego środka, unikając ryzyka zakupu środków niewiadomego pochodzenia, gdzie zestaw parametrów jakościowych deklarowanych przez producenta/blendera może nie być spełniony.

Uszkodzenia eksploatowanego sprzętu powstałe w wyniku stosowania niewłaściwego, o nie wystarczających parametrach lub złej jakości środka smarnego są zazwyczaj nieodwracalne i prowadzą do konieczności kosztownej wymiany elementów urządzenia, wyłączając je - czasami na długo - eksploatacji, co prowadzić może do znaczących strat w funkcjonowaniu przedsiębiorstwa.

Anna Matuszewska, Piotr Wieczorek
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Motoryzacji

Artykuł ukazał się w wydaniu 8,9/2020 "Paliw Płynnych"