Smary plastyczne to grupa środków smarowych stosowanych w przypadkach, gdy istnieje potrzeba dobrego uszczelnienia węzła tarcia przed dostępem wody i zanieczyszczeń mechanicznych, a także wymóg dobrej przyczepności do powierzchni metalowych. Plastyczny charakter smarów powoduje, że w normalnych warunkach utrzymują one nadany im kształt, nie spływając – jak oleje. Płynięcie smarów rozpoczyna się dopiero po poddaniu ich naprężeniom ścinającym przekraczającym granicę plastyczności (Zajezierska, 2016).
Smary plastyczne, jak i środki smarowe mimo niewielkiego zapotrzebowania ilościowego w porównaniu do paliw transportowych mają decydujący wpływ na zmniejszanie energii potrzebnej do pokonywania oporów tarcia, która stanowi istotną część całkowitej energii wytwarzanej w skali światowej. Asortyment rodzajów smarów jest bardzo szeroki, charakteryzują się one różnorodnym składem chemicznym, a przez to i różnymi parametrami użytkowymi, co przekłada się na spełnienie bardzo odmiennych wymagań jakościowych i eksploatacyjnych.
Skład smarów plastycznych
Smary plastyczne to rodzaj środków smarowych w postaci dwufazowych układów koloidalnych, w których zagęszczacz tworzy elastyczną przestrzenną sieć, utrzymując w niej fazę olejową. Struktura smaru jest utrzymywana dzięki istnieniu sił przyciągania powierzchniowego, sił kapilarnych oraz zjawiska adsorpcji powierzchniowej między zagęszczaczem a fazą ciekłą (Czarny, 2004).
Smary plastyczne są cieczami nienewtonowskimi, co oznacza, że ich lepkość zależy nie tylko od parametrów stanu (ciśnienia, temperatury), lecz także od gradientu prędkości oraz czasu ich odkształcania. Wykazują one jednocześnie właściwości ciał stałych i cieczy. Pod działaniem niewielkich naprężeń ulegają odwracalnym odkształceniom, a gdy naprężenia przekroczą określoną wartość, zaczynają płynąć jak ciecz (Krawiec, 2011).
Olej (lub mieszanina olejów) jest podstawowym składnikiem smaru plastycznego. Stanowi on 70–90% (m/m) smaru i decyduje m.in. o właściwościach: niskotemperaturowych, smarnych, odporności na utlenianie, zmianach właściwości w zależności od temperatury oraz skłonności do odparowywania w podwyższonych temperaturach.
Jako faza ciekła smarów plastycznych stosowane są następujące oleje bazowe: mineralne, syntetyczne węglowodorowe, poliglikolowe, syntetyczne estrowe, silikonowe oraz tłuszcze roślinne i zwierzęce, estry kwasów tłuszczowych i alkoholi monowodorotlenowych lub wielowodorotlenowych, etery polifenylowe, chlorofluorowęglowodory (Total, 2003).
Fot. 1. Oleje bazowe (fot. INiG-PIB)
Zagęszczacz, który stanowi ok. 7–25% (m/m) smaru, w istotny sposób wpływa na parametry eksploatacyjne. W zależności od rodzaju zagęszczacza smary można podzielić na:
- mydlane:
– z mydłami prostymi (wapniowe, sodowe, litowe, glinowe),
– z mydłami kompleksowymi (wapniowe, litowe, glinowe, barowe),
– zawierające zagęszczacze mieszane (np. litowo-wapniowe, glinowo-wapniowe, sodowo-bentonitowe) (Podniało, 2002),
- węglowodorowe, zawierające głównie mikrokrystaliczne woski naftowe lub asfalt,
- z zagęszczaczami nieorganicznymi (żel krzemionkowy, zmodyfikowany bentonit oraz tlenek glinu, tlenek cynku, azotek boru, dwusiarczek molibdenu),
- z zagęszczaczami organicznymi (Mortier, 2010):
– mocznikowe:
- na bazie dimocznika: z mocznikiem aromatycznym, alifatycznym lub alicyklicznym,
- na bazie trimocznika,
- polimocznikowe, na bazie tetramocznika,
– z zagęszczaczami polimerowymi takimi jak polietylen, poliamid, PTFE (Stachowiak, Batchelor, 2013).
W skład smarów plastycznych mogą wchodzić także różnego rodzaju dodatki uszlachetniające, modyfikujące jego strukturę i właściwości: modyfikatory struktury, stabilizatory, inhibitory korozji, inhibitory utleniania, dodatki smarnościowe AW (AntiWear) i EP (Extreme Pressure), dodatki adhezyjne (zwiększające przyczepność smaru do metali), barwniki i środki zapachowe.
Fot. 2. Smary plastyczne (fot. INiG-PIB)
Właściwości smarów i metody ich badania
- Konsystencja – określana poprzez parametr penetracji (głębokości zanurzenia w smarze stożka o znormalizowanej masie i wymiarach), najczęściej penetracji po ugniataniu smaru 60 razy (PN-ISO 2137).
- Stabilność strukturalna – oceniania w badaniach skłonności do wydzielania oleju ze smaru umieszczonego w różnorodnych naczyniach z siatki; wydzielenie oleju następuje pod wpływem temperatury (PN-V-04047) i/lub obciążenia (PN-ISO 22285) i/lub pod zadanym ciśnieniem powietrza (ASTM D 1742).
- Odporność na wymuszenia mechaniczne (stabilność pracy) – oceniana w badaniu stabilności mechanicznej (tzw. roll-test, PN-C-04144) lub jako penetracja po przedłużonym ugniataniu po 100 000 cyklach (odporność na ścinanie, PN-ISO 2137).
- Właściwości ochronne – określane poprzez ocenę śladów korozji łożyska przechowywanego w warunkach statycznych atmosferze wilgoci (ASTM D 1743) lub poprzez ocenę stopnia zardzewienia bieżni obracającego się łożyska, zanurzonego w wodzie lub solance (EMCOR test, PN-ISO 11007).
- Stabilność hydrolityczna, czyli odporność na działanie wody – smar poddaje się działaniu wody w podwyższonej temperaturze i ocenia się zmianę wyglądu smaru naniesionego na płytkę (w warunkach statycznych, PN-C-96013) lub ilość wymytego smaru z obracającego się łożyska, na które natryskiwana jest woda przez dyszę (w warunkach dynamicznych, PN-ISO 11009).
- Stabilność oksydacyjna, czyli odporność na utlenianie – badanie skłonności do reagowania z tlenem – oceniane poprzez spadek ciśnienia tlenu w naczyniu ze smarem po określonym czasie badania w podwyższonej temperaturze (PN-C-04143) lub jako wyznaczenie okresu indukcyjnego (do spadku ciśnienia o 10%, ASTM D 8206).
- Właściwości korozyjne na stal i metale nieżelazne – określane poprzez zmianę wyglądu i/lub barwy płytek, najczęściej stalowych (PN-C-04093) i miedzianych (ASTM D 4048), zanurzonych w smarze w warunkach podwyższonej temperatury;
- Stabilność termiczna – pośrednią miara trwałości struktury zagęszczacza – określana poprzez pomiar temperatura kroplenia (PN-ISO 2176), najniższej temperatury, w której smar zaczyna przechodzić w stan płynny i wyciekać z naczynia pomiarowego.
- Zachowanie smaru w niskich temperaturach – ocena poprzez pomiar w określonej minusowej temperaturze: momentu rozruchowego (ASTM D 1478), penetracji (PN-ISO 13737) lub ciśnienia przepływu smaru przez kapilarę (DIN 51805);
- Właściwości reologiczne – oceniane poprzez pomiar lepkości strukturalnej (pozornej), naprężenia ścinającego w funkcji szybkości ścinania; a także ciśnienie płynięcia smaru (ASTM D 1092).
- Właściwości smarne – poprzez pomiar obciążenia zespawania kulek umieszczonych w węźle tarcia aparatu czterokulowego (PN-EN ISO 20623).
- Właściwości przeciwzużyciowe – poprzez ocenę średnicy skazy powstałej na kulkach umieszczonych w węźle tarcia aparatu czterokulowego, po biegu badawczym pod określonym obciążeniem (PN-EN ISO 20623) lub poprzez pomiar obciążenia zatarcia w maszynie Timkena (ASTM D 2509).
Klasyfikacja smarów
Klasyfikację smarów przedstawia norma PN-ISO 6743-9, przyjmując za podstawę warunki ich eksploatacji, gdyż z uwagi na zróżnicowane właściwości smarów nie ma możliwości sklasyfikowania ich według typu smarowanych elementów.
Zgodnie z PN-ISO 8681 pełne oznaczenie smaru, czyli:
ISO – L- X – symbol 1 – symbol 2 – symbol 3 – symbol 4 – kod konsystencji NLGI, zawiera:
- skrót ISO,
- literę L, która określa klasę „środka smarowego, oleju przemysłowego i produktu podobnego”,
- rodzaj smaru – oznaczenie złożone z grupy 5 liter, z których każda w tej kolejności, w jakiej jest napisana ma odpowiednie znaczenie:
– litera X dla oznaczenia grupy smaru;
– najniższa temperatura stosowania smaru (symbol 1);
– najwyższa temperatura stosowania smaru (symbol 2),
– zdolność smaru do zapewnienia właściwego smarowania w obecności wody i do zapewnienia odpowiedniej ochrony przed rdzewieniem (symbol 3),
– zdolność smaru do zapewnienia właściwego smarowania w warunkach dużych nacisków (symbol 4),
– klasa konsystencji smaru wg NLGI.
Szczegółowe wymagania dla smarów, określające każdy powyższych z symboli (od 1 do 4) zamieszczono w normie PN-ISO 12924.
Symbol 1 – najniższą temperaturę stosowania (1A do 1E) określa się wg kryterium płynności w danej temperaturze, z zastosowaniem oznaczeń:
- penetracji w temperaturze minusowej wg ISO 13737,
- lub ciśnienia przepływu wg DIN 51805,
- lub momentu rozruchowego i momentu roboczego wg ASTM D 1478.
Symbol 2 – najwyższą temperaturę stosowania określa się według:
- temperatury kroplenia dla 2 A i 2 B wg ISO 2176, ISO 6299, IP 396 lub NF T60-627,
- kryterium testu dynamicznego w łożysku, w określonej temperaturze, wg DIN 51821-2 – dla od 2 C do 2 G.
Symbol 3 stanowi połączenie dwóch właściwości:
- odporności na kontakt z wodą, z zastosowaniem:
– ISO 11009 dla warunków dynamicznego wymywania wodą (dla smarów od A do D odporność na wymywanie wodą powinna być określona w temperaturze 38°C, a dla smarów z symbolem od E do G w temperaturze 79°C).
– i DIN 51807-1 dla warunków statycznych;
- poziomu ochrony przed rdzewieniem, określanego z zastosowaniem ISO 11007.
Symbol 4 określana się poprzez oznaczenie obciążenia zespawania w badaniu aparatem czterokulowym, z zastosowaniem metodyki IP 239 (dla warunków europejskich) lub ASTM D 2596 (dla warunków amerykańskich).
Klasę konsystencji według NLGI (National Lubricating Greases Institute) określa się poprzez pomiar penetracji po 60 cyklach ugniatania, zgodnie z ISO 2137. Podział smarów, w zależności od klasy konsystencji, przedstawiono w tab. 1.
Tabela 1. Klasyfikacja NLGI
Autorzy:
Agnieszka Skibińska mgr inż., starszy specjalista badawczo-techniczny
w Zakładzie Olejów, Środków Smarowych i Asfaltów.
Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy
Stefan Ptak dr inż., adiunkt; kierownik Zakładu Olejów,
Środków Smarowych i Asfaltów. Instytut Nafty i Gazu
– Państwowy Instytut Badawczy
Artur Antosz mgr inż., starszy specjalista badawczo-techniczny
w Zakładzie Olejów, Środków Smarowych i Asfaltów.
Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy
Literatura:
Czarny R.: Smary plastyczne, 2004, WNT.
Krawiec S.: Kompozycje smarów plastycznych i stałych w procesie tarcia stalowych węzłów maszyn, 2011, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.
Mortier R.M., Fox M.F., Orszulik S.: Chemistry and Technology of Lubricants, 2010, 411-432.
Podniało A.: Paliwa, oleje i smary w ekologicznej eksploatacji, 2002, WNT.
Stachowiak G., Batchelor AW.: Engineering tribology, 2013, Butterworth-Heinemann.
TOTAL, Przemysłowe środki smarowe – poradnik, 2003. Smary plastyczne, rozdział XIX, http://www.total.com.pl/pro/B2B-produkty-dla-przemyslu/li-materialy-informacyjne/li-porad-nik.html (dostęp 2021-09-07).
Zajezierska A.: Biodegradowalne smary plastyczne, 2016, INiG-PIB
