СВОЙСТВА МАСЛЯНЫХ СОЖ И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ

Малиновский Г.Т. «Масляные смазывающе-охлаждающие жидкости для обработки металлов резанием», М., «Химия», 1988. Перепечатано с сокращениями.

Свойства масляных СОЖ условно разделяют на пять групп: физико-химические и функциональные свойства; химическая активность; эксплуатационные и экологические свойства.

Физико-химические свойства СОЖ

К физико-химическим свойствам относят характеристики физического состояния СОЖ (плотность, вязкость, теплопроводность, теплоемкость, стабильность, цвет, запах и др.) и их способность к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми они находятся в соприкосновении, или при изменении физических условий состояния (например, температуры). К химическим свойствам СОЖ относят коррозионное воздействие на металлы, растворимость, окисляемость, смачиваемость и др.

Физико-химические свойства, принятые для характеристики СОЖ, разделяются на три группы:

1. свойства, которые в процессе транспортирования, хранения и эксплуатации почти не изменяются или изменяются незначительно (плотность, вязкость, температура вспышки, температура застывания, содержание активных элементов и др.);

2. свойства, изменяющиеся в процессе транспортирования, хранения и эксплуатации (цвет, запах, кислотное число, коррозионное воздействие на металлы и др.);

3. свойства, с помощью которых контролируется чистота продукта (внешний вид, содержание воды и механических примесей, запах).

Краткие сведения о важнейших физико-химических свойствах масляных СОЖ.

Внешний вид. Внешний вид дает ценные сведения о состоянии продукта. Он характеризует консистенцию, однородность, цвет и прозрачность СОЖ. Свежая СОЖ обычно представляет собой маслянистую прозрачную жидкость от светло-желтого до темно-коричневого цвета.

При эксплуатации под влиянием процессов окисления и загрязнений СОЖ темнеет, теряет прозрачность, а иногда и однородность. Темный цвет СОЖ и ее неоднородность недопустимы. Быстрое и сильное потемнение жидкости указывает на её перегрев, окисление и загрязнение.

Внешний вид определяют визуально. Для этого ее наливают в цилиндр вместимостью 50 или 100 мл и рассматривают в проходящем свете.

Запах. Запах зависит от компонентного состава СОЖ и может характеризовать изменение ее качества в процессе хранения и эксплуатации. Практически все масляные СОЖ имеют специфический запах нефтяного масла, используемого в качестве их основы. При применении СОЖ загрязняется, смешивается с другими смазочными материалами и поражается микроорганизмами. В результате ее запах изменяется. СОЖ с устойчивым неприятным запахом даже при высоких основных эксплуатационных свойствах (способности продлевать срок службы инструмента и улучшать качество обрабатываемых изделий) неприемлема для применения и должна быть заменена.

Определяют запах СОЖ органолептически.

Плотность. Плотность СОЖ характеризуется отношением ее массы к объему и выражается в кг/м³. Плотность ρ вычисляют по формуле:

ρ = m / ν,

где: m – масса СОЖ, кг; ν – объем, занимаемый СОЖ, м³.

Плотности всех масляных СОЖ для обработки металлов резанием укладываются в пределы от 850 до 1020 кг/м³.

По значению плотности СОЖ можно определить химическую природу нефтяного масла, используемого в качестве основы жидкости. Из трех основных групп углеводородов (с примерно одинаковой молекулярной массой), имеющихся в нефтяном масле, наибольшей плотностью обладают ароматические углеводороды, самой меньшей – парафиновые. Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное значение. Смолы и асфальтены имеют плотность обычно больше 1000 кг/м³.

Плотность имеет важное значение при расчете массы СОЖ. По плотности можно в ряде случаев также сделать предварительный вывод о том, какова вязкость СОЖ (низкая или высокая).

Определение плотности производят ареометром (нефтеден-симетром), взвешиванием или пикнометром.

Вязкость. Вязкость – очень важное свойство масляных СОЖ. Она характеризует внутреннее трение в жидкости, возникающее между ее молекулами при их перемещении под влиянием внешней силы. Различают вязкость динамическую, кинематическую и условную.

Динамическая вязкость представляет собой силу сопротивления взаимному перемещению двух слоев жидкости площадью 1 см², находящихся друг от друга на расстоянии 1 см и перемещающихся со скоростью 1 см/с. Единицей динамической вязкости является, пуаз, которая равна 1 дин-с/см².

Кинематической вязкостью (ν) или коэффициентом внутреннего трения называется отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре:

ν = η ⁄ ρ

где: η – динамическая вязкость; ρ – плотность жидкости.

Единицей кинематической вязкости является стоке (Ст), сотая часть стокса называется сантистоксом (сСс). Размерность кинематической вязкости – мм²/с (сСт).

Стоке представляет собой вязкость жидкости плотностью 1 г/см³, которая оказывает при взаимном перемешивании двух слоев жидкости площадью 1 см², находящихся на расстоянии 1 см друг от друга и перемещающихся со скоростью 1 см/с, сопротивление в 1 дин.

Условной вязкостью называют отношение времени истечения из вискозиметра типа ВУ 200 мл испытуемой жидкости при заданной температуре ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20 °С, являющемуся постоянной прибора (водным числом). Условная вязкость выражается в условных градусах.

Для перевода одних единиц вязкости в другие существуют формулы, таблицы и графики.

Величина вязкости масляных СОЖ выражается в единицах кинематической вязкости.

Кинематическая вязкость СОЖ определяется с помощью капиллярных стеклянных вискозиметров.

Большое влияние на вязкость оказывает температура. При повышении температуры вязкость уменьшается, а при понижении увеличивается. У разных масляных СОЖ изменение вязкости от температуры происходит по-разному, у одних плавно (полого), у других резко. Чем меньше меняет СОЖ свою вязкость при изменениях температуры, тем выше она по качеству. Изменение вязкости нефтяных масел с изменением температуры принято характеризовать индексом вязкости (ИВ). Для определения ИВ необходимо сравнивать вязкости исследуемого масла при температурах 40 °С и 100 °С с вязкостью двух эталонных масел с известными индексами вязкости. У масел с высоким ИВ (более 100) при изменении температуры изменение вязкости относительно небольшое; у масел с низким (менее 60) ИВ – значительное. ИВ современных масляных СОЖ часто превышает 100. ИВ зависит от химического состава нефтяного масла, природы и концентрации присадок, входящих в состав СОЖ.

Изменение вязкости СОЖ с изменением температуры имеет большое значение, поскольку это свойство выражает эксплуатационные качества жидкости. При высоких температурах СОЖ, имеющая пологую кривую (высокое значение ИВ), сохраняет достаточную вязкость, чтобы обеспечить надежную смазку горячих трущихся поверхностей инструмента, стружки и обрабатываемой заготовки. При низких температурах вязкость у СОЖ с высоким ИВ будет не настолько высокой, чтобы оказывать сопротивление при прокачке по каналам системы СОЖ. Однако ИВ не полностью характеризует вязкостно-температурные свойства при низких температурах. Поэтому для зимних условий приходится определять вязкость масляных СОЖ при минусовых температурах.

На вязкость масел оказывает влияние также давление. При небольших давлениях вязкость масла практически не изменяется. С повышением давления вязкость увеличивается тем быстрее, чем выше становится давление. Немаловажное значение при этом имеет температура. При. высоких температурах вязкость масла зависит от давления меньше, чем при низких. При этом маловязкие масла в меньшей степени изменяют свою вязкость под давлением, чем высоковязкое.

Масляные СОЖ, имеющие высокие вязкость и ИВ, обеспечивают лучшее смазывающее действие и снижают вибрации режущего инструмента. Вместе с тем высокая вязкость СОЖ ухудшает моющее и охлаждающее действия, препятствует быстрому осаждению шлама из жидкости при ее отстаивании и очистке.

Все это вызывает необходимость выбора оптимальной вязкости СОЖ.

Вязкость свидетельствует о консистенции и подвижности СОЖ, что необходимо знать при решении вопросов ее затаривания, транспортирования и применения.

Температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения. Температура вспышки не менее важная характеристика СОЖ, чем вязкость. Масляные СОЖ, как и другие нефтепродукты, являются огнеопасными веществами. При определенных температурах и давлениях они могут загораться как при соприкосновении с пламенем, так и самопроизвольно.

Если нефтепродукт нагреть, то наступит момент, когда его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении пламени. Температура, до которой нагрет нефтепродукт в момент вспышки, называется температурой вспышки. При этой температуре происходит краткое возгорание паров, но сам нефтепродукт не загорается.

Температура вспышки косвенно характеризует испаряемость СОЖ. Чем ниже температура вспышки, тем больше ее испаряемость. Температура вспышки, если известна вязкость, позволяет судить о фракционном составе нефтяной основы СОЖ, о преимущественном наличии в ней отдельных групп углеводородов. Температура кипения, а следовательно, и температура вспышки жидкости при данной вязкости выше всего у парафиновых углеводородов, затем идут нафтеновые и ароматические углеводороды.

Для определения температуры вспышки используют два типа приборов: открытый (Маркуссона, Бренкена) и закрытый (Мартенс-Пенского). В приборе открытого типа температура вспышки всегда бывает на 20—30 °С выше, чем в закрытом, за счет рассеивания части паров.

Температура воспламенения – это температура, при которой вспыхивают не только пары, но и сама жидкость. Температура самовоспламенения – та температура, при которой СОЖ загорается произвольно, без источника пламени. Для каждой СОЖ существует нижний и верхний пределы воспламенения, определяемые наименьшим и наибольшим содержанием паров ее в смеси с воздухом, при котором происходит вспышка.

На самовоспламенение масляных СОЖ оказывают влияние окалина, уголь и сажа, которые действуют как катализаторы, значительно ускоряя процесс самовоспламенения.

Температура застывания. Температура, при которой СОЖ теряет свою подвижность, называется температурой застывания. Температура застывания также является важным свойством СОЖ. Если СОЖ имеет высокую температуру застывания, например плюс 10 °С, то она малопригодна для применения не только в зимнее время, но и во многих районах страны в летний период. Застывшая СОЖ представляет собой мазеобразную массу, сходную по консистенции с вазелином.

Температура застывания масляных СОЖ не превышает минус 10 °С (см. табл. 2.2). Она зависит от химической природы нефтяного масла и присадок. Для снижения температуры застывания СОЖ применяют специальные присадки (депрессаторы).

Существующий метод определения температуры застывания СОЖ простой, но не отличается совершенством. Пробу продукта наливают в стандартную пробирку, которую помещают вертикально в охлаждающую смесь, имеющую определенную температуру, на 5 мин. По истечении указанного времени пробирку наклоняют под углом 45° и оставляют в таком положении в охлаждающей смеси на 1 мин. Затем пробирку вынимают и наклоняют. Если при этом уровень СОЖ не сместился, то данную температуру считают температурой застывания.

Окисляемость. Окисляемость тесно связана со многими свойствами СОЖ. От нее в значительной степени зависит качество СОЖ. Постепенное разрушение СОЖ, так называемое "старение", начинается фактически с первого дня эксплуатации жидкости. Молекулы химических веществ, входящих в состав СОЖ, вступают в реакцию с кислородом воздуха. В результате образуются совершенно новые продукты – гидропероксиды, пероксиды, кислоты, спирты, смолы и т. д. Продукты окисления, накапливаясь в жидкости, изменяют ее цвет, внешний вид, эксплуатационные и другие свойства. СОЖ приобретает более темный цвет, у нее увеличивается вязкость и возрастает кислотное число. Часть продуктов окисления растворяется в СОЖ, а часть нерастворима и выпадает из нее в виде осадка. Окисление СОЖ приводит к повышению ее токсичности.

Окисляемость масляных СОЖ зависит от многих факторов: химической природы нефтяного масла, используемого в качестве основы жидкости, температуры, времени пребывания в эксплуатации, наличия веществ, ускоряющих или замедляющих процесс окисления.

Углеводороды, входящие в состав нефтяного масла, обладают различной устойчивостью к окислению. Парафиновые углеводороды отличаются химической стойкостью и окисляются с трудом. Нафтеновые углеводороды легко окисляются молекулярным кислородом при повышенной температуре. Продуктами окисления нафтеновых углеводородов являются преимущественно кислоты и гидроксикислоты. Ароматические углеводороды менее склонны к окислению, чем нафтеновые. Они в смеси с нафтеновыми углеводородами могут увеличивать стойкость последних к окислению.

Уже при хранении СОЖ (при невысоких температурах) наблюдается окисление, что подтверждается потемнением и увеличением кислотности жидкости. Окисление в этом случае протекает за счет кислорода, растворенного в СОЖ. В процессе эксплуатации температура жидкости в емкостях системы охлаждения достигает 60°С. В этих условиях окисление продукта может протекать достаточно заметно. Особенно интенсивно окисляется СОЖ в зоне резания, где имеют место высокие температуры и давления. Свидетельством этому могут служить лакообразные отложения и нагар на нагретых до высоких температур поверхностях обрабатываемого изделия и стружки.

О катализирующем влиянии металлов на процесс окисления масел известно давно. Такие металлы, как, например, медь, свинец, марганец, хром, наиболее активно ускоряют окислительный процесс. При окислении нефтяных масел в присутствии парных катализаторов (железо – медь) процесс ускоряется в большей степени, чем при использовании тех же катализаторов в отдельности. Окисление масел ускоряют также органические соли металлов. Ускорению процессов окисления масляных СОЖ способствуют влага, различные примеси, солнечные лучи, электрические поля и облучение УФ-лучами.

Для повышения устойчивости СОЖ к окислению в процессе хранения и эксплуатации к ним добавляют антиокислительные присадки (ингибиторы окисления).

Стабильность СОЖ против окисления характеризуется изменением во время ее окисления кислотного числа, числа омыления и вязкости, содержанием нерастворимого осадка и другими показателями. При определении стабильности используются приборы различных конструкций.

Кислотное число. Кислотное число характеризует количество содержащихся в СОЖ свободных органических кислот и других кислых соединений в пересчете на количество КОН, нейтрализующее их. За кислотное число принимают количество едкого кали в миллиграммах, израсходованного на нейтрализацию кислых соединений, содержащихся в 1 г анализируемого продукта.

По величине кислотного числа можно ориентировочно судить, насколько состарилась СОЖ в процессе эксплуатации или хранения. В то же время кислотное число характеризует состав жидкости, так как добавляемые присадки повышают ее общую кислотность.

Определяется кислотное число СОЖ потенциометрическим или объемным титрованием раствором едкого кали навески продукта, растворенного в спиртобензольной смеси.

Щелочное число. Как уже указывалось выше, в процессе окисления в масляных СОЖ образуются кислые продукты. С целью нейтрализации кислых продуктов в состав некоторых СОЖ вводят щелочные моющие присадки. Наиболее часто для этой цели используются зольные моющие присадки, имеющие большой запас щелочности. Контроль содержания щелочных присадок в композициях СОЖ осуществляется оценкой щелочного числа.

За щелочное число (щелочность или щелочное число) принимают количество едкого кали в миллиграммах, эквивалентное количеству соляной кислоты, израсходованной на нейтрализацию всех щелочных соединений, содержащихся в 1 г анализируемого продукта. Сущность метода определения щелочного числа заключается в растворении навески СОЖ в растворителе с последующим потенциометрическим титрованием полученного раствора соляной кислотой.

Число омыления. Числом омыления называется количество миллиграммов КОН, необходимое для омыления всех свободных и связанных органических кислот, содержащихся в 1 г исследуемого продукта. Так как композиции масляных СОЖ могут содержать в своих составах растительные и животные жиры, жирные кислоты и их сложные эфиры, то число омыления кроме старения жидкости косвенно характеризует и ее состав.

Метод определения числа омыления заключается в растворении навески масла в спиртовом растворе КОН, кипячении полученного раствора с последующим титрованием раствором соляной кислоты непрореагировавшей щелочи.

Содержание хлора, серы и фосфора. Наиболее распространенными противоизносными и противозадирными присадками, улучшающими смазывающие свойства масляных СОЖ, являются органические соединения, содержащие хлор, серу или фосфор, или два, или все три активных элемента одновременно. Наличие в СОЖ указанных присадок характеризуется содержанием активных элементов.

Содержание воды. Масляные СОЖ обладают гигроскопичностью, которая зависит от температуры жидкости и окружающей воздушной среды. При 20 °С в масляных СОЖ растворяется примерно 0,003% (масс.) воды. С изменением температуры воздуха и температуры СОЖ может происходить конденсация водяных паров, находящихся в воздухе. В результате влага попадает в СОЖ. Кроме того, в СОЖ в зависимости от ее температуры всегда есть небольшое количество растворенного воздуха, содержащего влагу. В небольших количествах вода в СОЖ может находиться и в виде эмульсии.

Качество СОЖ, находящихся в эксплуатации, существенно зависит от содержания в них воды. Наличие воды в масляных СОЖ увеличивает износ режущего инструмента, вызывает коррозию обрабатываемых изделий и деталей станков. При производстве или регенерации СОЖ вода может вызвать вспенивание и выброс жидкости при нагреве в мешалках и отстойниках до температуры, превышающей 100 °С.

Качественное определение наличия воды в СОЖ производят по методу "потрескивания". Для этого в чистую сухую пробирку наливают СОЖ (3А объема пробирки). Пробирку закрывают пробкой с отверстием, куда вставляют термометр так, чтобы он не касался стенок пробирки, а его шарик находился на расстоянии 20—30 мм от дна пробирки (удобнее пользоваться пробиркой диаметром 8 мм). Пробирку с помощью держателя помещают в химический стакан с нагретым до 170±5°С глицерином. За СОЖ в пробирке наблюдают до тех пор, пока ее температура не достигнет 150 °С. В случае присутствия влаги СОЖ в верхнем слое пенится и слышится треск. Наличие воды считается установленным, если слышится явственный треск не менее двух раз. Треск масла похож на треск разрываемой ткани.

Количественное определение содержания воды в СОЖ производят путем ее отгонки по способу Дина и Старка. Способ заключается в растворении навески испытуемого продукта в растворителе и отгонке воды вместе с растворителем. Испарившиеся частицы воды конденсируются в холодильнике и собираются в приемнике-ловушке. Количество воды в ловушке меньше 0,03 мм считается следами.

Содержание механических примесей. Масляные СОЖ в процессе эксплуатации соприкасаются с металлами, подвергаются воздействию окружающего воздуха, давления, температуры, света, электрического поля и других факторов. В результате происходит интенсивное окисление углеводородов и в СОЖ накапливаются асфальто-смолистые соединения, кокс, сажа, кислоты, различные соли, а также песок, металлическая пыль и стружка, волокнистые вещества обтирочных материалов.

Механические примеси отрицательно влияют практически на все эксплуатационные свойства СОЖ. Так, например, проникновение механических примесей в зону резания снижает точность обработки изделий, чистоту обрабатываемой поверхности и ускоряет износ инструмента. Загрязненная механическими примесями СОЖ может поражать наружные покровы кожи рабочих, обслуживающих станки, возможны мелкие порезы, способствующие проникновению в кожу микробов, могущих вызывать различные заболевания.

Определяют механические примеси в СОЖ путем растворения навески продукта в бензине, фильтрования полученного раствора через высушенный бумажный фильтр, взвешивания фильтра после промывки его бензином и сушки.

Коррозионное воздействие на металлы. Под коррозией металлов понимается их разрушение вследствие протекания химических или электрохимических процессов, вызываемых смазочно-охлаждающей средой.

Применение масляных СОЖ неактивного ряда, которые по качеству соответствуют требованиям технических условий, не вызывает каких-либо опасений в отношении коррозии черных или цветных металлов. Что касается СОЖ активного ряда, то они оказывают коррозионное воздействие на цветные металлы.

Опасность коррозионного воздействия СОЖ на черные металлы возникает всегда, когда жидкость окисляется (стареет) и насыщается водой.

При отсутствии воды в СОЖ коррозия металлов будет определяться наличием в жидкости коррозионно-агрессивных веществ, способных взаимодействовать с металлами. Такая коррозия называется химической. Она протекает по реакциям, подчиняющимся химическим законам. Примером химической коррозии является коррозия меди, вызываемая элементной серой, входящей в состав СОЖ активного ряда.

В случае наличия воды в СОЖ коррозия металлов развивается преимущественно по электрохимическому механизму. По характеру и условиям протекания процесса, а также по внешнему проявлению коррозию подразделяют на сплошную, местную, язвенную, точечную и др. Все указанные виды коррозии, их механизм, особенности и способы защиты от них достаточно подробно описаны в соответствующей литературе.

Метод оценки коррозионного воздействия СОЖ на металлы заключается в выдерживании металлической пластинки из стали, чугуна, меди или латуни в испытуемом продукте при температуре 100 °С в течение 3 ч. При испытании на стальных и чугунных пластинках продукт считается выдержавшим испытание, если на больших поверхностях пластинки отсутствуют точки или пятна, заметные невооруженным глазом. Коррозионное воздействие продукта на пластинках из меди и медных сплавов оценивают в баллах сравнением внешнего вида пластинок с эталонами коррозии.

Стабильность при хранении. Этот показатель характеризует стабильность жидкости во времени.

Метод определения стабильности СОЖ при хранении заключается в переменном воздействии на продукт высоких и низких температур, последующем центрифугировании и определении степени его расслоения.