Podstawy smaru

Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM) definiuje smar jako: „Stały do półpłynnego produkt dyspersji środka zagęszczającego w płynnym środku smarnym. Inne składniki nadające specjalne właściwości mogą być zawarte” (ASTM D 288, Standard Definitions of Terms Relating to Petroleum).

Anatomia smaru

Jak wskazuje ta definicja, istnieją trzy składniki, które tworzą smar. Te składniki to olej, zagęszczacz i dodatki. Olej bazowy i pakiet dodatków są głównymi składnikami w formulacji smaru i jako takie, wywierają znaczny wpływ na zachowanie smaru. Zagęszczacz jest często określany jako gąbka, która utrzymuje środek smarny (olej bazowy plus dodatki).

Rysunek 1. Anatomia smaru

Olej bazowy

Większość smarów produkowanych obecnie wykorzystuje olej mineralny jako składniki płynne. Te smary na bazie oleju mineralnego zazwyczaj zapewniają zadowalającą wydajność w większości zastosowań przemysłowych. W ekstremalnych temperaturach (niskich lub wysokich), smar, który wykorzystuje syntetyczny olej bazowy, zapewni lepszą stabilność.

Zagęszczacz

Zagęszczacz jest materiałem, który w połączeniu z wybranym środkiem smarnym wytworzy strukturę stałą lub półpłynną. Podstawowym rodzajem zagęszczacza stosowanym w obecnych smarach jest mydło metaliczne. Mydła te obejmują lit, aluminium, glina, polimocznik, sód i wapń. Ostatnio coraz większą popularnością cieszą się smary typu zagęszczacza kompleksowego. Są one wybierane ze względu na ich wysokie punkty kroplenia i doskonałe zdolności przenoszenia obciążeń.

Smary kompleksowe są wykonane przez połączenie konwencjonalnego mydła metalicznego z czynnikiem kompleksującym. Najpowszechniej stosowanym smarem kompleksowym jest smar na bazie litu. Są one wykonane z kombinacji konwencjonalnego mydła litowego i kwasu organicznego o niskiej masie cząsteczkowej jako środka kompleksującego.

Zagęszczacze bentonitowe również zyskują popularność w specjalnych zastosowaniach, takich jak środowiska o wysokiej temperaturze. Bentonit i aerożel krzemionkowy to dwa przykłady zagęszczaczy, które nie topią się w wysokich temperaturach. Istnieje jednak błędne przekonanie, że nawet jeśli zagęszczacz może być w stanie wytrzymać wysokie temperatury, olej bazowy będzie się szybko utleniał w podwyższonych temperaturach, wymagając w ten sposób częstych przerw na ponowne smarowanie.

Dodatki

Dodatki mogą odgrywać kilka ról w smarze. Obejmują one przede wszystkim wzmocnienie istniejących pożądanych właściwości, tłumienie istniejących niepożądanych właściwości i nadawanie nowych właściwości. Najczęstszymi dodatkami są inhibitory utleniania i rdzy, ekstremalne ciśnienie, środki przeciwzużyciowe i zmniejszające tarcie.

W uzupełnieniu do tych dodatków, smary graniczne, takie jak dwusiarczek molibdenu (moly) lub grafit mogą być zawieszone w smarze w celu zmniejszenia tarcia i zużycia bez niekorzystnych reakcji chemicznych z powierzchniami metalowymi podczas dużych obciążeń i wolnych prędkości.

Tabela 1. Konsystencja NLGI

Funkcja

Funkcją smaru jest pozostawanie w kontakcie z ruchomymi powierzchniami i smarowanie ich bez wyciekania pod wpływem siły ciężkości, działania odśrodkowego lub wyciskania pod ciśnieniem. Jego głównym wymogiem praktycznym jest to, że zachowuje swoje właściwości pod działaniem sił ścinających we wszystkich temperaturach, w jakich występuje podczas użytkowania.

Zastosowania odpowiednie dla smaru

Smar i olej nie są wzajemnie wymienne. Smar jest używany, gdy użycie oleju nie jest praktyczne lub wygodne. Wybór smaru do konkretnego zastosowania jest określany przez dopasowanie konstrukcji maszyny i warunków pracy do pożądanych właściwości smaru. Smar jest ogólnie stosowany do:

1. Maszyn, które pracują z przerwami lub są przechowywane przez dłuższy okres czasu. Ponieważ smar pozostaje na swoim miejscu, może natychmiast utworzyć się warstwa smarująca.

2. Maszyny, które nie są łatwo dostępne do częstego smarowania. Wysokiej jakości smary mogą smarować odizolowane lub stosunkowo niedostępne elementy przez dłuższy czas bez konieczności częstego uzupełniania. Smary te są również stosowane w aplikacjach uszczelnionych na cały okres eksploatacji, takich jak niektóre silniki elektryczne i przekładnie.

3. Maszyny pracujące w ekstremalnych warunkach, takich jak wysokie temperatury i ciśnienia, obciążenia udarowe lub mała prędkość przy dużym obciążeniu.

4. Zużyte elementy. Smar utrzymuje grubsze warstwy w szczelinach powiększonych przez zużycie i może przedłużyć żywotność zużytych części, które wcześniej były smarowane olejem.

Właściwości funkcjonalne smaru

1. Smar działa jak uszczelniacz, aby zminimalizować wycieki i utrzymać zanieczyszczenia na zewnątrz. Ze względu na swoją konsystencję, smar działa jako uszczelniacz, aby zapobiec wyciekowi smaru, a także aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń korozyjnych i materiałów obcych. Działa on również w celu utrzymania skuteczności pogorszonych uszczelek.

2. Smar jest łatwiejszy do przechowywania niż olej. Smarowanie olejem może wymagać kosztownego systemu urządzeń cyrkulacyjnych i skomplikowanych urządzeń retencyjnych. Dla porównania, smar, ze względu na swoją sztywność, jest łatwo ograniczany za pomocą uproszczonych, mniej kosztownych urządzeń retencyjnych.

3. Smar utrzymuje stałe środki smarne w zawieszeniu. Drobno zmielone stałe środki smarne, takie jak dwusiarczek molibdenu (moly) i grafit, są mieszane ze smarem w wysokich temperaturach lub w ekstremalnych zastosowaniach wysokociśnieniowych. Smar utrzymuje ciała stałe w zawieszeniu, podczas gdy ciała stałe osiadają poza olejami.

4. Poziom płynu nie musi być kontrolowany i monitorowany.

Charakterystyka

Tak jak w przypadku oleju, smar wykazuje własny zestaw właściwości, które muszą być uwzględnione przy wyborze do danego zastosowania. Charakterystyka często spotykana w kartach danych produktu obejmuje następujące cechy:

Pompowalność

Pompowalność to zdolność smaru do pompowania lub przepychania przez system. Bardziej praktycznie, pompowalność to łatwość, z jaką smar pod ciśnieniem może przepływać przez linie, dysze i złączki systemów dozowania smaru.

Odporność na wodę

Jest to zdolność smaru do wytrzymania działania wody bez zmiany jego zdolności smarowania. Piana mydła/wody może zawiesić olej w smarze, tworząc emulsję, która może go zmyć lub, w mniejszym stopniu, zmniejszyć smarowność poprzez rozcieńczenie i zmianę konsystencji i tekstury smaru.

Konsystencja

Konsystencja smaru zależy od rodzaju i ilości użytego zagęszczacza oraz lepkości oleju bazowego. Konsystencja smaru to jego odporność na odkształcenia pod wpływem przyłożonej siły. Miarą konsystencji jest penetracja. Penetracja zależy od tego, czy konsystencja została zmieniona przez manipulację lub obróbkę. Metody ASTM D 217 i D 1403 mierzą penetrację smarów nieobrobionych i obrobionych. Aby zmierzyć penetrację, stożek o danej wadze jest wpuszczany do smaru na pięć sekund w standardowej temperaturze 25°C (77°F).

Głębokość, w dziesiątych częściach milimetra, do której stożek zagłębia się w smarze jest penetracją. Penetracja 100 reprezentowałaby smar stały, podczas gdy penetracja 450 byłaby półpłynna. NLGI ustanowiło numery konsystencji lub numery klasy, od 000 do 6, odpowiadające określonym zakresom liczb penetracji. Tabela 1 zawiera klasyfikacje smarów NLGI wraz z opisem konsystencji, jak to się ma do powszechnych półpłynów.

Punkt kroplenia

Punkt kroplenia jest wskaźnikiem odporności cieplnej smaru. Wraz ze wzrostem temperatury smaru, wzrasta penetracja, aż do momentu upłynnienia smaru i utraty pożądanej konsystencji. Punkt kroplenia to temperatura, w której smar staje się wystarczająco płynny, aby kapać. Punkt kroplenia wskazuje górną granicę temperatury, w której smar zachowuje swoją strukturę, a nie maksymalną temperaturę, w której smar może być używany.

Stabilność utleniania

Jest to zdolność smaru do opierania się chemicznemu połączeniu z tlenem. W wyniku reakcji smaru z tlenem powstaje nierozpuszczalna guma, szlamy i osady podobne do lakieru, które powodują powolną pracę, zwiększone zużycie i zmniejszenie luzów. Przedłużone działanie wysokich temperatur przyspiesza utlenianie w smarach.

Wysokie temperatury

Wysokie temperatury szkodzą smarom bardziej niż olejom. Smar, ze względu na swoją naturę, nie może rozpraszać ciepła przez konwekcję, jak krążący olej. W konsekwencji, bez możliwości odprowadzania ciepła, nadmierne temperatury powodują przyspieszone utlenianie, a nawet karbonizację, w wyniku której smar twardnieje lub tworzy skorupę.

Efektywne smarowanie smarem zależy od jego konsystencji. Wysokie temperatury wywołują zmiękczenie i krwawienie, powodując wypływanie smaru z potrzebnych miejsc. Olej mineralny zawarty w smarze może się zapalić, spalić lub wyparować w temperaturach wyższych niż 177°C (350°F).

Efekty niskiej temperatury

Jeśli temperatura smaru zostanie wystarczająco obniżona, stanie się on tak lepki, że można go sklasyfikować jako smar twardy. Zmniejsza się pompowalność, a praca maszyn może stać się niemożliwa ze względu na ograniczenia momentu obrotowego i wymagania dotyczące mocy. Jako wskazówkę, temperatura krzepnięcia oleju bazowego jest uważana za granicę niskiej temperatury smaru.

.