GIÁO TRÌNH vật LIỆU bôi TRƠN

Trong trường hợp bôi trơn dạng lỏng, sự ngăn cách các bề mặt ma sát rắn được thực hiện bằng một lớp màng thủy động lực mỗi khi có điều kiện cho phép và như thế đặc tính quan trọng nhất c

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÔI TRƠN

4.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA MA SÁT VÀ HAO MÒN TRONG ĐỘNG CƠ VÀ

to thanh truyền cũng chịu ma sát trượt rất lớn

Hệ thống truyền động của ô tô có nhiệm vụ truyền mô men của động cơ đến bánh xe thông qua nhiều khớp nối, khớp đỡ chịu ma sát lăn,…

Để giảm mức độ ma sát và hao mòn cần phải tránh sự tiếp xúc trực tiếp của các bề mặt chịu ma sát bằng cách dùng vật liệu bôi trơn thích hợp để hình thành các màng thủy động lực ngăn cách

4.2 CÔNG DỤNG, PHÂN LOẠI VÀ YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI VẬT LIỆU BÔI TRƠN SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ Ô TÔ

1) Công dụng của vật liệu bôi trơn

a Làm giảm ma sát

Mục đích cơ bản của vật liêu bôi trơn là bôi trơn giữa các bề mặt tiếp xúc của các chi tiết chuyển động nhằm làm giảm ma sát Máy móc sẽ bị mòn

một lớp đủ dày, dầu sẽ xen kẽ giữa hai bề mặt Khi chuyển động chỉ có các phần tử dầu trượt lên nhau Do đó máy móc làm việc nhẹ nhàng, ít bị mòn, giảm được công tiêu hao vô ích

b Làm mát

Khi ma sát, kim loại nóng lên, như vậy một lượng nhiệt đã được sinh ra trong quá trình đó Lượng nhiệt này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hệ số ma sát, tải trọng, tốc độ Nhờ trạng thái lỏng, dầu chảy qua các bề mặt ma sát đem theo một phần nhiệt truyền ra ngoài, làm cho máy móc làm việc tốt hơn

c Làm sạch

Khi làm việc bề mặt ma sát sinh ra mạt kim loại, những hạt rắn này sẽ làm cho bề mặt công tác bị xước, hỏng Ngoài ra có thể có cát bụi hoặc tạp chất ở ngoài rơi vào bề mặt ma sát Nhờ dầu nhờn lưu chuyển tuần hàon qua các bề mặt ma sát, cuốn theo tạp chất đưa về các te dầu và được lọc đi

d Làm kín

Trong động cơ có nhiều chi tiết chuyển động cần phải kín và chính xác như piston xilanh, nhờ khả năng bám dính tạo màng, dầu nhờn có thể góp phần làm kín các khe hở, không cho hơi bị rò rỉ, bảo đảm cho máy làm việc bình thường

e Bảo vệ kim loại

Bề mặt máy móc đông cơ khi làm việc tiếp xúc trực tiềp với không khí, hơi nước, khí thải, … làm cho kim loại bị mòn, hư hỏng Nhờ dầu có thể làm thành màng mỏng phủ kín lên bề mặt kim loại nên ngăn cách được với các yếu tố trên, vì vậy kim loại được bảo vệ

2) Phân loại vật liệu bôi trơn

a Vật liệu bôi trơn dạng khí

Vật liệu bôi trơn dạng khí được dùng cho các hệ thống máy móc tải trọng nhỏ, quay với vận tốc lớn như máy siêu ly tâm, các máy móc hoạt động ở nhiệt độ cao như động cơ phản lực, tên lửa, Ngoài không khí là chất bôi trơn khí thông dụng nhất, một số loại khí khác còn dùng để bôi trơn như khí cacbonic, khí hêli, các dẫn xuất halogen của hyđrocacbon và một số khí hữu cơ khác Với chất bôi trơn dạng khí có độ nhớt ít thay đổi theo nhiệt độ

và có hệ số ma sát nhỏ nên máy móc hoạt động ổn định trong mọi điều kiện

b Vật liệu bôi trơn dạng lỏng

Đây là dạng vật liệu bôi trơn được dùng nhiều nhất trong các loại máy móc, thiết bị chịu tải trọng lớn như các loại động cơ, tuabin hơi nước, các bánh răng quay nhanh Trong trường hợp bôi trơn dạng lỏng, sự ngăn cách các bề mặt ma sát rắn được thực hiện bằng một lớp màng thủy động lực mỗi khi có điều kiện cho phép và như thế đặc tính quan trọng nhất của bôi trơn dạng lỏng là độ nhớt Dầu nhờn khoáng gốc dầu mỏ được sử dụng nhiều nhất trong bôi trơn dạng lỏng Ngoài ra cũng phải kể đến các loại dầu nhờn gốc động vật, thực vật, các loại dầu nhờn tổng hợp như các este, các polyglycon, các silicon,…

c Vật liệu bôi trơn nữa rắn

Vật liệu bôi trơn nữa rắn có dạng dẻo hay dạng huyền phù hoặc nhũ tương Dạng chất bôi trơn dẻo như các chất béo gốc độg, thực vật; các hợp chất béo đã xà phòng hóa; petrolatum; các sản phẩm tổng hợp… Các loại xà phòng kim loại như xà phòng nhôm, can xi, natri, liti, chì,… được dùng nhiều trong sản xuất mỡ nhờn gốc dầu mỏ

Các chất bôi trơn dạng rắn được dùng trong điều kiện đặc biệt như bên ngoài khí quyển trái đất, sâu dưới lòng nước, trong pin nguyên tử hoặc ở nhiệt độ cao Các chất bôi trơn rắn thông thường là các kim loại mềm như chì, thiếc, đồng,… ở dạng các tấm lá rất mỏng, các hợp chất muối kim loại hoặc muối phức như các sunfua, clorua, phosphat,… ví dụ graphit hay disunfua molipden là những chất bôi trơn dạng rắn thường được dùng

Trong phạm vi giáo trình này chỉ đề cập đến chất bôi trơn lỏng và dẻo là dầu nhờn và mỡ nhờn

3) Yêu cấu chung đối với vật liệu bôi trơn sử dụng trên động cơ ô tô

- Có tính nhớt nhiệt tốt, ở nhiệt độ cao vẫn có tính bôi trơn tốt, ở nhiệt

độ thấp vẫn đảm bảo dễ nổ máy

- Có tính ổn định nhiệt – oxy hoá tốt ở trong phạm vi nhiệt độ làm việc của động cơ 100150oC (ở cacte) và khoảng 100350oC (ở vùng đỉnh piston)

- Có khả năng tẩy rửa, làm phân tán tốt các cặn bẩn, hạn chế tối đa tác hại mài mòn máy

- Có độ kiềm tổng đủ trung hoà lượng axit tạo thành khi nhiên liệu cháy, bảo vệ bề mặt kim loại khỏi ăn mòn, gỉ sét

4.3 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT VẬT LIỆU BÔI TRƠN TỪ DẦU MỎ

Vật liệu bôi trơn có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, song chủ yếu từ nguồn dầu mỏ, có tên là dầu mở nhờn (dầu mỡ bôi trơn)

1 Chế biến dầu nhờn

Nguyên liệu của công nghệ chế biến dầu nhờn theo công nghệ truyền thống là ba phân đoạn nặng chứng cất chân không và cặn gudron, chia thành

các công đoạn chủ yếu: khử asphalten (riêng đối với gudron), làm sạch bằng dung môi chọn lọc và tách lọc parfin rắn

a) Khử asphalten đối với cặn dầu (gudron) là quy trình tách loại các

chất asphalten - nhựa, các hợp chất đa vòng kém ổn định, dễ biến chất, dễ tạo cốc, có độ nhớt thay đổi nhiều theo nhiệt độ, nhằm thu được các phân đoạn nguyên liệu sản xuất dầu nhờn cặn, đồng thời có thể dùng làm nguyên liệu cho các qúa trình chế biến sâu khác như cracking xúc tác và hydrocracking

Dung môi sử dụng trong quy trình này để thu nguyên liệu chế biến dầu nhờn là propan lỏng Trong trường hợp cần thu nguyên liệu cho cracking xúc tác và hydrocracking, không cần khử asphalten triệt để, có thể dùng butan lỏng, pentan hoặc xăng nhẹ Khi cặn dầu được xử lý bằng các loại dung môi này trong các điều kiện kỹ thuật phù hợp về áp suất, nhiệt độ, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu… thì các hợp chất cần loại bỏ sẽ lắng đọng xuống thành cặn asphalten (dùng để chế biến nhựa đường) Còn hỗn hợp đã khử assphalten sẽ được chế biến tiếp tục thành dầu nhờn cặn hoặc làm nguyên liệu cho cracking xúc tác và hydrocracking

b) Làm sạch các phân đoạn nguyên liệu cho dầu nhờn nhằm mục đích

tách loại khỏi các phân đoạn nguyên liệu các thành phần xấu có hại cho chất lượng của dầu nhờn, đó là các chất keo nhựa, các hợp chất hydrocacbon thơm có cấu trúc phức tạp đa vòng để nâng cao chất lượng sản phẩm: giảm khả năng tạo cốc, tăng tính ổn định của độ nhớt đối với nhiệt độ, làm màu sắc của dầu sáng hơn

Phương pháp làm sạch là quá trình chiết tách (trích ly) lỏng - lỏng Nguyên lý của phương pháp là dùng một dung môi chọn lọc không hoà tan

hợp phần cần loại bỏ ra khỏi nguyên liệu ở dạng cặn (extract) phân lớp với phần sản phẩm (rafinat) Từ đó có thể tách phần extract khỏi rafinat

Nguyên liệu cho quá trình làm sạch bằng dung môi chọn lọc là các phân đoạn dầu nhờn thu được từ chưng cất dưới áp suất thấp và phần cặn dầu đã khử asphalten Dung môi chọn lọc thường dùng hiện nay là furfuron, phenol, nitrobezen, anhydric sunfurơ, … Sản phẩm chính rafinat là nguyên liệu cho công đoạn tách lọc parafin tiếp theo để sản xuất các loại dầu nhờn gốc Phần extract dùng để chế biến nhựa đường hoặc cacbon kỹ thuật dùng trong công nghệ sản xuất cao su

c) Tách lọc parafin rắn nhằm loại bỏ khỏi nguyên liệu hợp phần

hydrocacbon rắn có nhiệt độ nóng chảy cao để hạ thấp nhiệt độ đông đặc của các loại sản phẩm dầu nhờn gốc nâng cao tính năng sử dụngchúng trong môi trường giá lạnh

Để tách lọc người ta dùng công nghệ kết tinh parafin trong dung môi chọn lọc ở các điều kiện kỹ thuật thích hợp như tỷ lệ dung môi/nguyên liệu,nhiệt độ kết tinh, tốc độ hạ nhiệt độ… Dung môi thường dùnglà hỗn hợp

có thành phần thích hợp giữa metyletyl xeton và toluen (60% V+ 40% V),dicloetan và benzen (22% V + 78% V), xeton và toluen (35%V + 65% V)v.v…

Sản phẩm thu được của quy trình tách lọc parafin:

- Bốn loại dầu khoáng, sẽ được làm sạch bổ sung nhờ một số công nghệ

khác nhau cho ra bốn loại dầu phân loại dầu gốc phân biệt chủ yếu về tỷ trọng và độ nhớt, được dùng để pha chế với nhau và với các loại phụ gia thích hợp, theo tỷ lệ xác định, nhằm sản xuất ra những nhãn hiệu dầu thương phẩm khác nhau

- Ba loại parafin rắn (tách từ các phân đoạn chưng cất chân không)

phân biệt nhau bởi nhiệt độ nóng chảy và xêrein (tách từ cặn gudron) là các hydrocacbon rắn khác nhau về thành phần và thành phần và cấu trúc phân

tử, cũng được làm sạch theo các yêu cầu cụ thể để thành các thương phẩm, được dùng nhiều trong đời sống và một số ngành sản xuất

2.Chế biến mỡ nhờn

Mỡ nhờn là một thành phẩm chế biến từ dầu nhờn và chất làm đặc thích hợp theo các tỷ lệ xác định.Tuỳ theo yêu cầu về tính năng sử dụng của các loại mỡ, chất làm đặc thường dùng là các loại xà phòng có gốc kim loại khác nhau hoặc bentonit (khoáng sét) Quy trình chế biến mỡ nhờn đơn thuần là các công đoạn mang tính cơ học hoặc vật lý như khuấy trộn, nghiền, lọc, hạ nhiệt độ hợp lý…tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành một khối mỡ ở trạng thái phân tán vi dị thể đồng nhất, tránh hiện tượng không đồng nhất trong thành phần mỡ hoặc trạng thái tách dầu phá vỡ cấu trúc của mỡ …

Phần 3 VẬT LIỆU BÔI TRƠN

Chương 4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÔI TRƠN

Chương 5 DẦU NHỜN

5.1 Giới thiệu dầu nhờn

5.1.1 Công dụng của dầu nhờn

a Làm giảm ma sát

Mục đích cơ bản của dầu nhờn là bôi trơn giữa các bề mặt tiếp xúc của các chi tiết chuyển động nhằm làm giảm ma sát Máy móc sẽ bị mòn ngay nếu không có dầu bôi trơn Nếu chọn đúng dầu bôi trơn thì hệ số ma sát

đủ dày, dầu sẽ xen kẽ giữa hai bề mặt Khi chuyển động chỉ có các phần tử dầu trượt lên nhau Do đó máy móc làm việc nhẹ nhàng, ít bị mòn, giảm được công tiêu hao vô ích

b Làm mát

Khi ma sát, kim loại nóng lên, như vậy một lượng nhiệt đã được sinh ra trong quá trình đó Lượng nhiệt này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hệ số ma sát, tải trọng, tốc độ Nhờ trạng thái lỏng, dầu chảy qua các bề mặt ma sát đem theo một phần nhiệt truyền ra ngoài, làm cho máy móc làm việc tốt hơn

c Làm sạch

Khi làm việc bề mặt ma sát sinh ra mạt kim loại, những hạt rắn này sẽ làm cho bề mặt công tác bị xước, hỏng Ngoài ra có thể có cát bụi hoặc tạp chất ở ngoài rơi vào bề mặt ma sát Nhờ dầu nhờn lưu chuyển tuần hàon qua các bề mặt ma sát, cuốn theo tạp chất đưa về các te dầu và được lọc đi

d Làm kín

Trong động cơ có nhiều chi tiết chuyển động cần phải kín và chính xác như piston xilanh, nhờ khả năng bám dính tạo màng, dầu nhờn có thể góp phần làm kín các khe hở, không cho hơi bị rò rỉ, bảo đảm cho máy làm việc bình thường

e Bảo vệ kim loại

Bề mặt máy móc đông cơ khi làm việc tiếp xúc trực tiềp với không khí, hơi nước, khí thải, … làm cho kim loại bị mòn, hư hỏng Nhờ dầu có thể làm thành màng mỏng phủ kín lên bề mặt kim loại nên ngăn cách được với các yếu tố trên, vì vậy kim loại được bảo vệ

5.1.2 Sản xuất dầu nhờn

Dầu mỏ ở áp suất thườngchưng cất

Xăng Kerosen Diesel Cặn mazut

Sản phẩm trắng

chân không chưng cất Dầu nhờn gốc

Dầu nhờn thương phẩm gồm hai thành phần là dầu gốc và phụ gia Dầu gốc được sử dụng nhiều nhất là các phân đoạn dầu khống gốc dầu mỏ, được chế biến theo cơng nghệ truyền thống Ngồi ra cịn cĩ thể dùng một số loại dầu gốc tổng hợp hay dầu gốc động thực vật

5.1.2.1 Dầu gốc chế biến từ dầu mỏ

Dầu gốc chế biến từ dầu mỏ cĩ nhiều chủng loại Tuy vậy chúng được sản xuất từ quy trình pha trộn trên cơ sở bốn loại nguyên liệu là:

- Phân đoạn dầu nhẹ: sơi trong khoảng 350  400oC

- Phân đoạn dầu trung bình: sơi trong khoảng 400  450oC

- Phân đoạn dâu nặng: sơi trong khoảng 450  500oC

- Phân đoạn dầu cặn: sơi khoảng trên 500oC

Các phân đoạn dầu này thu được từ quá trình chưng cất dầu mỏ bằng cơng nghệ truyền thống Thơng thường cĩ 4 loại dầu gốc tương ứng với 4

phân đoạn dầu là: dầu gốc SN 150, dầu gốc SN 300, dầu gốc SN 450, dầu gốc cặn BS 500 (SN: Solvent Neutral chỉ dầu nhờn trung tính làm sạch bằng

dung mơi; BS: Bright Stock, dầu cặn)

Từ ba phân đoạn dầu chưng cất và dầu cặn, người ta pha chế thành những loại dầu nhờn gốc khác nhau

- Nhóm hydrocacbon naphten-parafin: Đây là nhóm chủ yếu có trong

dầu nhờn, hàm lượng có thể lên tới 4080% Nhóm này có cấu trúc chủ yếu

là hydrocacbon vòng naphten, có kết hợp với nhánh alkyl hoặc izo-alkyl Số nguyên tử C trong phân tử có thể từ 2070 Loại hydrocacbon này có tính bôi trơn tốt, tính ổn định hoá học tốt nên chúng là thành phần tốt của dầu bôi trơn Noài ra còn có các hydrocacbon n-parafin và izo-parafin với hàm lượng không lớn, mạch cacbon không quá 20 nguyên tử Loại hydrocacbon này có tính ổn định tốt, tính bội trơn ít thay đổi theo nhiệt độ, nhưng độ nhớt thấp, nhiệt độ động đặc cao

-Nhóm hydrocacbon thơm và naphten thơm: Nhóm này gồm những hợp

chất trong dãy đồng đẳng của benzen, naphtalen Đôi khi còn có đồng đẳng của phenatren và antraxen Một hợp phần nữa là các hydrocacbon hỗn tạp, bao gồm trong phân tử cả vòng thơm và naphten Nhóm hydrocacbon này dễ

bị ôxy hoá tạo ra các hợp chất keo nhựa, đồng thời có tính bôi trơn thay đổi nhiều theo nhiệt độ, do đó chúng là hợp phần làm giảm chất lượng của dầu thương phẩm

-Nhóm hydrocacbon rắn: Các hydrocacbon rắn có mặt trong nguyên

liệu sản xuất dầu bôi trơn, đôi khi lên tới 4050% tuỳ thuộc bản chất dầu

mỏ Phần lớn những hợp chất này được loại khỏi dầu bôi trơn nhờ quá trình tách lọc parafin Nhưng dù sao chúng vẩn tồn tại trong dầu nhờn với hàm lượng nhỏ Chúng làm tăng nhiệt độ đông đặc, giảm khả năng sử dụng dầu ở nhiệt độ thấp, nhưng lại làm tăng tính ổn định của độ nhớt theo nhiệt độ và tính ổn định chống ôxy hoá

Bảng Thành phần hoá học của dầu nhờn

Hydrocacbon thơm nhiều vòng

ngưng tụ với các chất phi

hydrocacbon

8,0

Dầu nhờn tổng hợp ra đời do sự đòi hỏi của sự phát triển công nghiệp chế tạo động cơ và các thiết bị Chế độ làm việc của các bề mặt ma sát, các chi tiết máy ngày càng khắc nghiệt và phức tạp hơn Trong điều kiện đó dầu nhờn gốc khoáng biểu hiện những nhược điểm không dễ khắc phục như tính

ổn định hoá học, tính ổn định nhiệt không cao, khả năng làm việc ở những nhiệt độ thấp không tốt, không đáp ứng được việc bôi trơn trong phạm vi nhiệt độ rộng,…Do đó từ những năm 30 của thế kỷ 20, người ta đã đề xuất việc sử dụng một số hợp chất hữu cơ để bôi trơn, đó là dầu nhờn tổng hợp Nhờ tính ưu việt của dầu tổng hợp là có thể làm việc trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn, trơ về mặt hoá học ít tiêu hao, tiết kiệm năng lượng, không gây độc hại,… mà dầu tổng hợp ngày càng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như dùng làm dầu nhờn động cơ, dầu bánh răng, dầu phanh, dầu thuỷ lực

Có bốn nhóm chủ yếu của dầu tổng hợp là các hydrocacbon tổng hợp, các ete hữu cơ, các ete phosphat và các polyglycol

5.1.2.3 Phụ gia dầu nhờn

Sau khi đã có dầu nhờn gốc để sản xuất dầu nhờn thương phẩm, người

ta phải pha thêm các phụ gia nhằm mục đích tăng cường những tính chất sẵn

có, hoặc tạo ra những khả năng mà trong dầu nhờn gốc chưa có

Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim, vô cơ, thậm chí các nguyên tố hoá học được pha vào sản phẩm dầu mỡ với nồng độ thông thường

0,015,00%kl Trong một số trường hợp có thể vài phần triệu tới trên 10% Có thể sử dụng từng phụ gia riêng biệt, cũng có thể dùng hỗn hợp một số phụ gia được pha trộn thành phụ gia đóng gói nhằm tạo thụân tiện cho các cơ sở pha chế dầu nhờn Một số phụ gia có tác dụng nâng cao

những phẩm chất sẵn có của dầu, một số khác tạo cho dầu những phẩm chất mới cần thiết Các loại phụ gia khác nhau có thể hỗ trợ lẫn nhau, tạo

ra hiệu ứng tương hỗ Một số phụ gia lại có hiệu ứng đối kháng với nhau nghĩa là làm giảm tác dụng của nhau, tương tác với nhau tạo ra những sản phẩm phụ không tan hoặc ảnh hưởng xấu tới phẩm chất của dầu Vì vậy việc dùng tổ hợ những phụ gia phải có những khảo sát cụ thể với từng loại dầu để khắc phục những hậu quả không như ý muốn và điều chỉnh những yếu tố tương hỗ nhằm đạt được hiệu quả tối đa

Vì khả năng cải thiện phảm chất khá rõ rệt nên ngày nay đa số các chủng dầu bôi trơn đều có ít nhất là một loại phụ gia Một số loại dầu đòi hỏi chất lượng cao như dầu động cơ, hộp số, bánh răng có nhiều loại phụ gia khác nhau Do phụ gia cải thiện được nhiều tính chất của dầu nhờn, nên cũng tạo khả năng cải tiến, chế tạo các loại xe máy ngày càng tân tiến hơn

Có nhiều nhãn hiệu phụ gia khác nhau, gồm những nhóm chính như phụ gia chống oxy hoá, phụ gia chống gỉ, phụ gia khuếch tán, phụ gia chống kẹt máy, phụ gia cải thiện độ nhớt, phụ gia hạ điểm đông, phụ gia chống tạo bọt

và phụ gia khử nhũ,…

1) Phụ gia chống ôxy hoá

Khi động cơ máy móc làm việc, dầu chịu tác dụng của oxy trong không khí, tạo ra các sản phẩm oxy hoá, những sản phẩm này dần dần ngưng tụ lại, hình thành các chất khó tan, gây cản trở cho hoạt động bình thường của động cơ, máy móc Để hạn chế quá trình này cần pha vào phụ gia ức chế oxy hoá Tuỳ thuộc theo yêu cầu có hai nhóm phụ gia sau:

a) Phụ gia ức chế oxy hoá ở nhiệt độ thấp được dùng cho dầu tuốc

bin, dầu biến thế, dầu công nghiệp, …Đó là dẫn xuất của phenol, amin thơm như:

2,6-di-tert-butyl-p-crezol

N

H

R R

phetyl--naphtylamin

b) Phụ gia ức chế oxy hoá ở nhiệt độ cao được dùng cho dầu nhờn

động cơ đó là các muối axit hữu cơ như kẽm dialkylithio-phosphat, muối của alkylsalixylat, …

2) Phụ gia chống gỉ, bảo vệ bề mặt kim loại

Những phụ gia này có tác dụng chống lại ảnh hưởng của axit ăn mòn và hơi ẩm Chúng vừa trung hoà các axit vừa tạo ra trên bề mặt kim loại một lớp màng bảo vệ Lớp màng này có tính kỵ nước, có tác dụng chống ẩm không cho nước thấm qua Tuỳ loại dầu mà người ta sử dụng chất chống gỉ khác nhau, như đối với dầu tuốc bin, dầu tuần hoàn thì dùng các axit

alkennylsucxinic, alkylthioaxetic, … và những dẫn xuất của chúng Đối với dầu bôi trơn động cơ dùng các sulfonat, amin phosphat, este, ete, … Đối với dầu bánh răng dùng imidazolin Các amin phosphat, sulfonat trung tính hay kiềm chủ yếu dùng cho dầu bảo quản, …

N

N

N H

benzothiazol tecpen sunfua

S

N CH 2

S

CH 3

3) Phụ gia tẩy rửa và khuếch tán

Những phụ gia này có tác hạn chế sự lắng đọng của sản phẩm oxy hoá giữ cho bề mặt kim loại đựơc sạch sẽ Phụ gia tẩy rửa thường là những chất hoạt động bề mặt, dễ hấp phụ lên bề mặt kim loại, khiến những chất cặn bẩn không thể tích tụ lại Phụ gia khuếch tán ngăn cản các sản phẩm oxy hoá, các cặn cơ học kết dín lại với nhau, khiến những phần tử này tồn tại ở dạng keo, lơ lửng trong dầu Những loại phụ gia này thường là những muối kim loại với các chất hữu có có mạch cacbon dài và có các nhóm phân cực như nhóm –OH, -C6H4OH, -COOH, -NH2, SO3H,… cụ thể là các muối sulfonat, phenolat, salixylat, …

Ca SO3R

SO 3 R Ca

Caxi sunfonat trung tính Caxi sunfonat kieàm

4) Phụ gia chống mài mòn và kẹt máy

Các phụ gia này cải thiện tính bôi trơn của dầu nhờn, chống hiện tượng mài mòn máy Chúng thuộc nhóm chất hữu cơ – lưu huỳnh, hữu cơ – halogen, hữu cơ – phospho, … phụ gia chống mài mòn quan trọng nhất và

có hiệu quả nhất đối với hệ thống trục khuỷu là kẽm dialkyldithiophosphat (cũng là phụ gia chống oxy hoá) Ngoài ra cũng có những phụ gia là hợp chất phospho như tricresyl phosphat, các hợp chất lưu huỳnh như sulfua, disulfua, các dẫn xuất béo của dithiocacbamat và nhiều hoá chất khác

N

N N H

benzothiazol tecpen sunfua

S

N CH 2

S

CH 3

5) Phụ gia cải thiện độ nhớt và chỉ số nhớt

Phụ gia loại này tan được trong dầu Chúng là các polyme có tác dụng tăng độ nhớt cho dầu, đặc biệt chúng có thể làm tăng rất ít độ nhớt của dầu ở nhiệt độ thấp, nhưng ở nhiệt độ cao lại làm tăng độ nhớt một cách đáng kể, nghĩa là chúng làm cho độ nhớt của dầu ít biến đổi theo nhiệt độ, chúng có tác dụng làm tăng chỉ số độ nhớt của dầu Nguyên nhân của đặc tính trên là

ở nhiệt độ thấp các phân tử polyme ở dạng xoắn lại, chúng làm cho độ nhớt của dầu tăng ít, ngược lại ở nhiệt độ cao các phân tử polyme duỗi dài ra và làm tăng đáng kể độ nhớt của dầu Các phụ gia này được chia làm hai nhóm: nhóm hydrocacbon và nhóm este Nhóm hydrocacbon có những chất như copolyme etylen-propylen, polyizobuten, … Nhóm este có các chất như polymetacrylat, polyacrylat, …

poly-izo-butylen polymetacrylat

6) Phụ gia hạ điểm đông

Loại phụ gia này có tác dụng hạ thấp nhiệt độ đông đặc của dầu bôi trơn do làm chậm quá trình tạo thành các tinh thể có kích thước lớn của parafin rắn, nhờ chúng bao bọc xung quanh hoặc cùng kết tinh với parafin

Do đó chỉ tạo ra các tinh thể nhỏ thay vì các tinh thể lớn Sự biến đổi hình

dáng của parafin rắn như vậy làm giảm khả năng các tinh thể chồng chéo, đan cài vào nhau cản trở dòng chảy của dầu, nhờ thế dầu vẩn lưu chuyển tốt không bị đông cứng lại

Phần lớn các phụ gia hạ nhiệt độ đông đặc có chứa các sản phẩm

polyme hoá và ngưng tụ Trong số chúng có một số loại đồng thời là phụ gia cải thiện độ nhớt và chỉ số độ nhớt Những phụ gia này gồm các phụ gia chủ yếu trong nhóm này polyme alkylmetacrylat, các polyme alphaolefin và các copolyme Các naphtalen đã được alkyl hoá, các alkyl phenol mạch dài cũng được dùng làm chất hạ điểm đông cho dầu bôi trơn

7) Phụ gia chống tạo bọt

Trong thực tế sự tạo bọt của dầu là một vấn đề nan giải Khi tạo bọt làm cho dầu bị thất thoát nhiều, ngăn cản sự lưu thông tuần hoàn của dầu, gây nên bôi trơn không đầy đủ, làm tăng thời gian phản hồi của hệ thống thuỷ lực Khả năng hạn chế tạo bọt của dầu khác nhau rõ rệt phụ thuộc vào bản chất của dầu thô, bản chất phương pháp chế biến và độ nhớt của dầu Để hạn chế tạo bọt dùng phụ gia chống tạo bọt như silicon lỏng đặc biệt là

polymetyl-siloxan Ngoài ra những chất như polymetacrylat, etanolamin, … cũng là những chất chống tạo bọt thích hợp cho dầu

8) Phụ gia khử nhũ và tạo nhũ

Khi một loại dầu bôi trơn làm việc trong môi trường có nước, thì vấn đề này phải được đặt ra Khi dầu tiếp xúc với nước trong điều kiện thích hợp có thể tạo thành thể nhũ tương khá bền vững là nhũ nước trong dầu Thể nhũ này gây khó khắn cho chế độ bôi trơn bình thường của dầu và đôi khi phá vỡ khả năng bôi trơn do làm thay đổi sức căng bề mặt giữa các trường tiếp xúc

Để ngăn chặn hiên tượng này người ta dùng phụ gia phá nhũ như các chất trialkyl phosphat, polyetylenglycon, …

Phụ gia tạo nhũ được sử dụng trong trường hợp cần tạo ra hệ nhũ tương dầu trong nước hoặc ngược lại với những mục đích khác nhau như tạo chất lỏng thuỷ lực chống cháy, chất bôi trơn dùng trong khoan đá và loại thể lỏng dùng trong gia công kim loại… Phụ gia nhóm này là các nhóm muối

sulphonat, các axit béo và các muối của chúng, các este của axit béo, các phenol và phenol ete…

Phụ gia để pha chế dầu nhờn phải đáp ứng được yêu cầu: tan trong dầu gốc, ổn định hoá học, không độc hại, có tính tương hợp và độ bay hơi thấp

5.2 Các chỉ tiêu chất lượng của dầu nhờn

5.2.1 Một số tính chất vật lý của dầu nhờn

a Khối lượng riêng và tỷ trọng

Khối lượng riêng là một tính chất cơ bản và cùng với những tính chất vật lý khác nó đặc trưng cho từng loại phân đoạn của dầu mỏ cũng như khi dùng đánh giá phần nào chất lượng của dầu thô Đối với dầu bôi trơn khối lượng riêng ít có ý nghĩa để đánh giá chất lượng Khối lượng riêng của dầu

đã qua sử dụng không khác nhau là mấy so với dầu chưa qua sử dụng Tuy nhiên một giá trị bất thường nào đó của khối lượng riêng cũng giúp phán đoán về sự có mặt trong dầu một phần nhiên liệu, dung môi, thậm chí cả một chất khí nào đó Tuy nhiên cũng như nhiên liệu, sử dụng chủ yếu của khối lượng riêng dùng để chuyển đổi khối lượng sang thể tích và ngược lại trong lúc pha trộn, vận chuyển, tồn chứa, cung cấp hoặc mua bán dầu nhờn

b Màu sắc của dầu nhờn

Thông thường các loại dầu thương phẩm có màu nâu-vàng với ánh xanh lá cây hoặc xanh lơ Nhưng đôi khi dầu nhờn có màu tối là do pha phụ gia tối màu Khi sử dụng màu sắc của dầu nhờn tối đi rất nhanh, mặc dù chất lượng vẫn còn tốt Vì vậy không nên quá quan tâm đến màu sắc của dầu mà phải kết hợp với các chỉ tiêu chất lượng khác mới đủ cơ sở kết luận một loại

dầu là tốt hay xấu Theo tiêu chuẩn ASTM D 1500 màu của dầu nhờn có thể

xác định theo thang màu ASTM (ASTM color scale)

5.2.2 Tính bôi trơn và tính lưu chuyển của dầu nhờn

Trong động cơ khi làm việc dầu nhờn lưu chuyển trong hệ thống bôi trơn, để dầu có thể bôi trơn tốt, đồng thời thực hiện các chức năng khác, yêu cầu dầu phải có tính lưu chuyển tốt Để đánh giá tính lưu chuyển của dầu nhờn ở các điều kiện khác nhau và xét khả năng bôi trơn của chúng, người ta

sử dụng chỉ tiêu chất lượng là độ nhớt, chỉ số độ nhớt và nhiệt độ đông đặc

a Độ nhớt

Độ nhớt là một đại lượng vật lý, đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại của dầu nhờn sinh ra khi chuyển động Do vậy độ nhớt có liên quan đến khả năng bôi trơn của dầu nhờn

Để thực hiện nhiệm vụ bôi trơn, dầu nhờn phải có độ nhớt phù hợp, phải bám chắc lên bề mặt kim loại và không bị đẩy ra ngoài, nghĩa là phải có

ma sát nội tải nhỏ

Độ nhớt dầu nhờn phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá học

Các hydrocacbon parafin có độ nhớt thấp hơn so với các loại khác Chiều dài và độ phân nhánh của mạch hydrocacbon càng lớn thì độ nhớt càng tăng lên

Các hydrocacbon thơm và naphten có độ nhớt cao Đặc biệt số vòng càng nhiều thì độ nhớt càng cao Các hydrocacbon hỗn hợp giữa thơm và naphten có độ nhớt cao nhất

Độ nhớt dầu nhờn thường đo bằng poazơ (P), centipoazơ (cP) đối với

độ nhớt động lực; hoặc stốc (St), centistốc (cSt) đối với độ nhớt động học

b Chỉ số độ nhớt

Một đặc tính cơ bản nữa của dầu nhờn đó là sự thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ Thông thường khi nhiệt độ tăng, độ nhớt sẽ giảm Dầu nhờn được coi là dầu bôi trơn tốt khi độ nhớt của nó ít thay đổi theo nhiệt độ, ta nói rằng có chỉ số độ nhớt cao ngược lại nếu độ nhớt thay đổi nhiều theo nhiệt độ, nghĩa là dầu có chỉ số độ nhớt thấp

Chỉ số độ nhớt (VI) là chỉ số chuyên dùng để đánh giá sự thay đổi độ nhớt của dầu bôi trơn theo nhiệt độ Quy ước dầu có gốc parafin có độ nhớt

ít thay đổi theo nhiệt độ, VI = 100; họ dầu naphten có độ nhớt thay đổi nhiều theo nhiệt độ, VI = 0 Như vậy chỉ số độ nhớt là đại lượng có tính quy ước Chỉ số độ nhớt có thể xác định theo tiêu chuẩn DIN 51564 (Cộng hoà liên bang Đức) hoặc theo tiêu chuẩn ASTM D2270 (Mỹ)

U L VI

Trong đó: U là độ nhớt động học ở 400C của dầu có chỉ số độ nhớt cần phải tính, mm2/s

L là độ nhớt động học ở 400C của một loại dầu có chỉ số độ nhớt bằng 0 và cùng độ nhớt động học ở 1000C với dầu cần tính chỉ số độ nhớt, mm2/s

H là độ nhớt động học ở 400C của một loại dầu có chỉ số độ nhớt bằng 100 và cùng độ nhớt động học ở 1000C với dầu cần tính chỉ số độ nhớt, mm2/s

Nếu độ nhớt động học của dầu ở 1000C nhỏ hơn hoặc bằng 70mm2/s, thì các giá trị tương ứng của L và H cần phải tra trong bảng ASTM D2270

Hình Sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ, lý giải về chỉ số độ nhớt (VI)

Nếu độ nhớt động học ở 100oC lớn hơn 70mm2/s thì giá trị L và H được tính như sau:

L = 0,8353Y2 + 14,67Y – 216,0

H = 0,1684 + 11,587Y – 97,0 Trong đó: Y là độ nhớt động học ở 100oC của dầu cần tính chỉ số độ nhớt,

mm2/s

5.2.3 Tính bay hơi của dầu nhờn

Thành phần chủ yếu của dầu nhờn là các hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao, do đó chúng rất khó bay hơi Tuy vậy người ta cũng phải đánh giá tính bay hơi của dầu nhờn vì có thể có những thành phần nhẹ lẫn trong dầu, nhất

là đối với dầu đã qua sử dụng thường hay bị nhiễm nhiên liệu Tính bay hơi của dầu có liên quan tới tính an toàn cháy nổ nên được đánh giá cẩn thận qua các chỉ tiêu độ chớp cháy và lượng nhiên liệu lẫn vào dầu

5.2.3.1 Nhiệt độ chớp cháy của dầu nhờn

Nhiệt độ bén cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hơi dầu thoát ra trên

bề mặt dầu có thể bén cháy khi có mồi lửa lại gần

Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó lượng hơi thoát ra

trên bề mặt dầu có thể bén cháy khi có mồi lửa lại gần và cháy ít nhất trong thời gian 5 giây không tắt

Nhiệt độ bén cháy và chớp cháy của một số loại dầu bôi trơn thường khác nhau từ 5 đến 60oC, tuỳ thuộc vào độ nhớt của dầu, độ nhớt càng cao thì độ cách biệt này càng lớn Hiệu chỉnh gần đúng của nhiệt độ bén cháy và chớp cháy của dầu nhờn theo tài liệu của Viện dầu mỏ Pháp như sau:

5.2.3.2 Hàm lượng nhiên liệu trong dầu bôi trơn

Nhiên liệu lẫn vào sẽ làm giảm nhiệt độ bén cháy và nhiệt độ chớp cháy, dễ gây mất an toàn cháy nổ Ngoài ra nhiên liệu còn làm giảm chất lượng của dầu nhiều mặt, nhất là khả năng bôi trơn Đối dầu động cơ, khi lượng nhiên liệu lẫn vào vượt quá 5%kl thì phải thay dầu, chỉ tiêu này được kết hợp kiểm tra với nhiệt độ chớp cháy

5.2.4 Tính bảo vệ kim loại của dầu nhờn

Các hợp phần hydrocacbon của dầu nhờn không có tính ăn mòn, nhưng một số tạp chất lẫn trong dầu có tính ănmòn kim loại, cần phải hạn chế tới mức tối thiểu Đồng thời người ta còn pha trộn trong dầu nhờn một số phụ gia chống gỉ, bảo vệ bề mặt kim loại Để đánh giá tính ăn mòn và khả năng bảo vệ bề mặt kim loại, cần xác định các chỉ tiêu trị số axít tổng, kiềm tổng

và kiểm nghiệm ăn mòn mãnh đồng

1) Trị số axit, trị số kiềm, axit - kiềm tan trong nước

Trong dầu nhờn qua chế biến vẩn chứa một lượng nhỏ axit như axit naphtenic, axit oxycaboxylic,… Sau một thời gian sử dụng, hàm lượng các chất này tăng lên do tác dụng ôxy hoá của không khí đối với các hợp phần

dễ phản ứng ở trong dầu Ngoài ra còn có thể có một lượng nhỏ các axit hữu

cơ nhiễm vào dầu nhờn từ các hợp chất chứa lưu huỳnh trong nhiên liệu diesel hoặc phụ gia chứa clo pha vào xăng Tính axit còn do một ssó phụ gia mang tính axit pha vào dầu

a) Trị số axit tổng (Totan Acid Number – TAN) là chỉ tiêu đánh giá tính

axit của dầu, đặc trưng bởi số miligam kali hydroxyt (KOH) cần thiết để trung hoà toàn bộ lượng axit có trong 1g dầu Quy định trị số axit tổng không được vượt quá giới hạn cho phép

b) Axit trong nước (Acid/Water) biểu hiện sự có mặt của axit vô cơ,

được phát hiện định tính theo sự đổi màu của chất chỉ thị đối với lớp nước tách khỏi dầu nhờn khi làm kiểm nghiệm Quy định tuyệt đối không có axit

vô cơ trong dầu

c) Trị số kiềm tổng (Totan Base Number – TBN): Tính kiềm trong dầu

tạo ra bởi các phụ gia có tính tẩy rửa, phụ gia phân tán, … Đó là những hợp chất cơ kim như phênolat, các sulfonat, …Tính kiềm là chỉ tiêu rất cần thiết

để xét đoán chất lượng dầu mỏ, Nhằm bảo đảm trung hoà các chất axit tạo thành trong quá trình sử dụng, chống hiện tượng gỉ sét trên bề mặt kim loại Ngoài ra TBN còn dùng đánh giá khả năng tẩy rửa của dầu, giữ cho bề mặt kim loại không bị cặn bẩn, tránh được mài mòn

TBN được biểu thị bằng số mg KOH tương đương trong 1g dầu Tuỳ thuộc lượng phụ gia pha trộn vào dầu mà các loại dầu nhờn có TBN khác nhau Theo quy định TBN không được thấp hơn một giới hạn cho phép Nếu TBN quá thấp, chứng tỏ lượng phụ gia pha vào dầu không đạt tiêu chuẩn quy định, chất lượng dầu sẽ kém Việc đánh giá TBN để thấy rõ mức phụ gia pha trộn trong dầu thưòng gắn liền với tiêu chuẩn xác định hàm lượng tro trong dầu Hầu hết các loại dầu động cơ hiện nay có TBN > 2 để đủ trung hoà hết lượng axit tạo ra trong quá trình cháy của nhiên liệu Khi TBN của dầu giảm xuống còn bằng ½ TBN của dầu mới thì phải thay dầu

2) Kiểm nghiêm ăn mòn mãnh đồng

Sự ăn mòn được định nghĩa như sự ôxy hoá trên bề mặt các chi tiết, gây nên sự tổn thất cho kim loại hay sự tích tụ các cặn bẩn Ổ trục làm bằng kim loại đồng, Ổ lót trục làm bằng đồng thau cần phải được bôi bằng các loại