Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов

Изобретение относится к измерительной технике. В способе испытывают две пробы смазочного материала постоянной массы, первую без катализатора, вторую с катализатором при одинаковой температуре, определяют фотометрированием коэффициент пропускания светового потока проб без катализатора и с ним, строят графические зависимости изменения коэффициента пропускания светового потока окисленного смазочного материала от времени испытания и по времени и значению указанного коэффициента определяют начало каталитического действия катализатора, а термоокислительную стабильность смазочных материалов определяют коэффициентом каталитического действия металлов К_к.д по выражению К_к.д=S/S_к, где S - площадь, ограниченная кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала без катализатора, мм², S_к - площадь, ограниченная кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала с катализатором, мм². Технический результат - повышение информативности и точности оценки термоокислительной стабильности смазочных материалов. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к испытаниям смазочных масел и может быть использовано в лабораториях при исследовании влияния металлов на окислительные процессы, происходящие в смазочных материалах, для определения каталитической активности.

Известен способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов (патент РФ №2057326, МПК G01N 25/02, опубл. 27.03.96), заключающийся в нагревании масла в присутствии воздуха, перемешивании и определении параметров оценки процесса окисления. Испытанию подвергают две пробы смазочного материала. Предварительно фотометрированием определяют оптическую плотность проб исходного смазочного материала, затем нагревают одновременно с перемешиванием первую пробу до определенной температуры, выдерживают ее при заданной температуре в течение интервала времени, в конце которого определяют оптическую плотность, после чего последовательно увеличивают температуру с выбранным шагом, выдерживают пробу при каждом значении температуры в течение интервала, в конце которого определяют оптическую плотность и строят графическую зависимость оптической плотности от температуры, по точке перегиба которой определяют температуру начала окисления, затем нагревают вторую пробу до температуры, превышающей температуру начала окисления, выдерживают ее при достигнутой температуре и определяют оптическую плотность через выбранные интервалы времени, строят графическую зависимость отношения оптической плотности окисленного смазочного материала к оптической плотности исходного смазочного материала от времени окисления и по тангенсу угла наклона линии оси абсцисс на участке до точки и перегиба линии определяют скорость образования растворимых продуктов окисления, а по тангенсу угла наклона линии - скорость образования нерастворимых продуктов окисления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов (патент РФ 2219530, МПК G01N 25/02, опубл. 20.12.2003), заключающийся в том, что смазочный материал нагревают в присутствие воздуха, перемешивают, фотометрируют и определяют параметры оценки процесса окисления. Испытывают пробу смазочного материала постоянного объема при оптимальной температуре, выбранной в зависимости от базовой основы смазочного материала и группы эксплуатационных свойств в течение времени, характеризующего одинаковую степень окисления, причем через равные промежутки времени отбирают пробу окисленного смазочного материала, определяют фотометрированием коэффициент поглощения светового потока окисленным смазочным материалом, строят графическую зависимость изменения коэффициента поглощения светового потока от времени испытания, продлевают линию зависимости после точки перегиба до пересечения с осью абсцисс и по абсциссе этой точки определяют время начала образования нерастворимых примесей, по точке перегиба зависимости определяют время начала коагуляции нерастворимых примесей, а по предельному значению коэффициента поглощения светового потока определяют ресурс работоспособности смазочного материала.

Недостатком известных технических решений является низкая информативность показателей о протекании процессов окисления во времени и образующихся при этом продуктов окисления.

В основу изобретения положена задача определения термоокислительной стабильности смазочных материалов в присутствии катализаторов, влияющих на повышение информативности и точности оценки термоокислительной стабильности смазочных материалов путем получения дополнительной информации о проявлении начала каталитической активности металлов и количественной оценке изменения термоокислительной стабильности от действия катализатора, т.е. энергии поглощенной испытуемой средой, результатом которой являются продукты окисления и деструкция базовой основы и присадок.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения термоокислительной стабильности смазочных материалов, включающем нагревание смазочного материала в присутствии воздуха, перемешивание, отбор проб окисленного смазочного материала, фотометрирование и определение параметров процесса окисления по графическим зависимостям, согласно изобретению испытывают порознь две пробы смазочного материала постоянной массы, первую без катализатора, вторую с катализатором при одинаковой температуре в течение установленного времени, причем через равные промежутки времени отбирают пробу окисленного смазочного материала, определяют фотометрированием коэффициент пропускания светового потока К_пр без катализатора и с ним, строят графические зависимости изменения коэффициента пропускания светового потока окисленного смазочного материала от времени испытания и по времени и значению его определяют начало каталитического действия катализатора, а термоокислительную стабильность смазочных материалов определяют коэффициентом каталитического действия металлов К_к.д по выражению:

К_к.д=S/S_к,

где S - площадь кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала без катализатора, мм²,

S_к - площадь кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала с катализатором, мм².

Сравнительный анализ прототипа и заявляемого способа показал, что последний обладает следующими отличительными признаками.

Определение коэффициента каталитического действия на термоокислительную стабильность К_к.д как отношение площадей кривых зависимостей испытания смазочного материала [К_пр=ƒ(t)], характеризующие тепловую энергию, поглощенную соответственно при испытании смазочного материала без катализатора и с ним, за принятый промежуток времени, позволяет оценить активность каталитического действия металлов.

Построение графических зависимостей изменения коэффициента пропускания светового потока испытуемого смазочного материала от времени испытаний позволяет наглядно представить кинетику окисления и определить временные параметры, характеризующие каталитическое действие на термоокислительную стабильность смазочных материалов: начало каталитического действия катализатора; площадь кривых зависимостей коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала с катализаторами и без них; коэффициент каталитического действия на термоокислительную стабильность. Все эти принятые показатели направлены на решение поставленной задачи - повышение точности и достоверности термоокислительной стабильности смазочных материалов путем получения дополнительной информации о проявлении начала каталитической активности металлов и коэффициента каталитического действия на термоокислительную стабильность смазочных материалов.

На фиг.1 приведены зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания минерального масла без катализаторов и с ними; на фиг.2 - зависимости пропускания светового потока от времени испытания частично синтетического масла; на фиг.3 - зависимости пропускания светового потока от времени испытания синтетического масла.

Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов осуществляется следующим образом.

Стеклянный стакан с испытуемым маслом без катализатора массой 100 г устанавливают в цилиндрическую печь установки для определения термоокислительной стабильности, нагревают до оптимальной температуры, например 180°С, с точностью ±2°С и перемешивают с воздухом с помощью механического устройства. В процессе испытания через каждые 2 часа отбирают пробу смазочных материалов, фотометрируют и определяют термоокислительную стабильность по коэффициенту пропускания светового потока из выражения К_пр=П/300, где П - показатель фотометра при фотометрировании испытуемой пробы смазочного материала, мкА; 300 - показатель фотометра при отсутствии масла в фотометрической кювете, мкА. Параллельно то же самое проделывают с тем же маслом с катализатором в качестве металлических образцов. Для исследования влияния металлов и базовой основы смазочного материала были выбраны моторные масла на минеральной (М-6_з/10-В), частично синтетической (Sibi Motor 10W-40 SJ/CD) и синтетической (Mannol 5W-40 SJ/CF) основах. В качестве металлических образцов выбраны Сталь 3 (ГОСТ 380-71), медь M1 (ГОСТ 495-77) и сталь ШХ15 (ГОСТ 801-60), представляющие собой диски диаметром 40 мм, толщиной 2 мм. Поверхность образцов полировалась, а перед испытаниями обезжиривалась бензином А-80.

По результатам испытания строят графические зависимости коэффициента пропускания светового потока окисленного смазочного материала от времени испытания [К_пр=ƒ(t)]. Данные зависимости имеют точки перегиба O₁, О₂, О₃, которые характеризуют начало каталитической активности металлов на процессы окисления масел. Чем медленнее металлы способствуют окислению масел и при этом коэффициент пропускания светового потока меньше, то тем лучшей термоокислительной стабильностью обладают масла. Координаты точек O₁, О₂, О₃ показывают начало действия катализаторов, после которых каталитическая активность металлов снижает термоокислительную стабильность.

Оценка влияния металлических катализаторов на механизм окисления смазочных материалов производилась по коэффициенту, характеризующему каталитическое действие на термоокислительную стабильность К_к.д и определяемому отношением площадей кривой зависимости К_пр=ƒ(t) смазочного материала без катализатора и с ним. По рассмотрению графической зависимости К_пр=ƒ(t) установлено, что более активное каталитическое действие проявляет медь. Для количественной оценки каталитического действия металлов на окислительные процессы, протекающие в смазочных материалах, предлагается коэффициент каталитического действия, определяемый из выражения:

К_к.д=S/S_к,

где S - площадь кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала без катализатора, мм²,

S_к - площадь кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала с катализатором, мм².

Характерной особенностью полученных зависимостей является то, что действие катализаторов на окисление определяется по изменению К_кд. Чем больше К_кд, тем большее влияние оказывает катализатор на окислительные процессы. В результате проведенных исследований на минеральном масле (фиг.1) установлено, что изменение термоокислительной стабильности зависит от базовой основы масла и типа металлического катализатора, влияние которого устанавливается с нахождением коэффициента каталитического действия на термоокислительную стабильность.

Результаты анализа минеральных (фиг.1), частично синтетических (фиг.2) и синтетических (фиг.3) смазочных материалов сведены в таблицу по предлагаемым показателям, характеризующим каталитическое действие металлов на термоокислительную стабильность смазочных материалов. К таким показателям относятся: время начала каталитического действия катализатора; площадь кривых зависимостей коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала с катализаторами и без них; коэффициент каталитического действия на термоокислительную стабильность.

Термоокислительная стабильность минеральных масел (фиг.1) снижается при испытании их в присутствии катализаторов, причем проявление каталитического действия стали Ст.3 наступает после 17 часов испытания, а стали ШХ15 и меди после двух часов испытания и их интенсивность окислительных процессов одинакова до 11,5 часов испытания, а затем ветви зависимостей расходятся. Наибольшее влияние на окислительные процессы оказывает медь, так как время начала каталитической активности металлов составляет 11,5 ч, площадь кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени - 12,148 и коэффициент каталитического действия является наибольшим - 1,168.

Термоокислительная стабильность частично синтетического масла (фиг.2) повышается в присутствии всех исследуемых катализаторов. Характерной особенностью полученных зависимостей является то, что до пяти часов испытания металлы оказывают одинаковое влияние на окислительные процессы, а после этого времени испытания они раздваиваются на две ветви: по одной ветви характеризуется влияние стали Ст.3 и меди, по второй - стали ШХ15, причем от первой ветви после 13 часов испытания отходит ветвь, характеризующая влияние стали Ст.3 на окислительные процессы, которая оказывает более интенсивное влияние на окисление. По сравнению с минеральным маслом исследуемые катализаторы в меньшей степени оказывают влияние на окисление частично синтетического масла и являются ингибиторами окисления. Лучшим ингибитором является медь, так как время начала каталитической активности стали Ст.3 и меди составляет 2,0 ч, а стали ШХ-15 - 5 ч, площадь кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени наибольшая - 8,586 и коэффициент каталитического действия является наименьшим - 0,894.

Действие катализаторов на окисление синтетического масла (фиг.3) незначительно и проявляется в начале испытания и происходит по одной зависимости до 6,6 часов испытания, а затем она раздваивается на две ветви, по одной оценивается одинаковое влияние стали Ст.3 и меди, а по другой - стали ШХ15. Более активное каталитическое действие проявляет на снижение термоокислительной стабильности масла медь и сталь Ст.3, так как время начала каталитического действия составило 6,6 ч, площадь кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока - 17,659 и 17,68, коэффициент каталитического действия - 1,046 и 1,045.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить информативность и точность оценки термоокислительной стабильности смазочных материалов.

Таблица
Наименование показателей	Пример 1	Пример 2	Пример 3
	масло минеральное М-6з/10-В	масло моторное частично синтетическое Sibi Motor 10W-40 SJ/CD	масло моторное синтетическое Mannol 5W-40 SJ/CF
	без катализаторов	катализаторы	без катализаторов	катализаторы	без катализаторов	катализаторы
+Cu	+ сталь ШХ15	+ Ст3	+Cu	+ сталь ШХ15	+ Ст3	+Cu	+ сталь ШХ15	+ Ст3
Время начала каталитического действия катализатора, час	-	11,5	16,2	17	-	2,0	5	2,0	-	6,6	11,8	6,6
Коэффициент каталитического действия на термоокислительную стабильность	1	1,168	1,068	1,015	1	0,894	0,949	0,907	1	1,046	1,026	1,045
Площадь кривых зависимостей коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания масел, мм2	14,195	12,148	13,295	13,985	7,677	8,586	8,09	8,459	18,473	17,659	18,015	17,68
Примечание: время испытания для минеральных и синтетических масел - 20 ч.; частично синтетических - 13 ч; температура испытания 180°С

Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов, включающий нагревание смазочного материала в присутствии воздуха, перемешивание, отбор проб окисленного смазочного материала, фотометрирование, определение параметров процесса окисления по графической зависимости, отличающийся тем, что испытывают порознь две пробы смазочного материала постоянной массы, первую без катализатора, вторую с катализатором при одинаковой температуре в течение установленного времени, причем через равные промежутки времени отбирают пробу окисленного смазочного материала, определяют фотометрированием коэффициент пропускания светового потока без катализатора и с ним, строят графические зависимости изменения коэффициента пропускания светового потока окисленного смазочного материала от времени испытания и по времени и значению указанного коэффициента определяют начало каталитического действия катализатора, а термоокислительную стабильность смазочных материалов определяют коэффициентом каталитического действия металлов К_к.д по выражению

К_к.д=S/S_к,

где S - площадь, ограниченная кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала без катализатора, мм²,

S_к - площадь, ограниченная кривой зависимости коэффициента пропускания светового потока от времени испытания смазочного материала с катализатором, мм².