Ćwiczenie nr 3
POMIAR PENETRAPJI
SMARÓW PLASTYPZNYPH
I. CZ
ŚĆ TEORETYCZNA
1. Skład i budowa smarów plastycznych
Smar plastyczny jest to substancja, o konsystencji od ciekłej do stałej, której
podstawowymi składnikami są faza ciekła i zagęszczacz (substancja żelująca). Niektóre
smary plastyczne w swoim składzie zawierają zdyspergowane substancje stałe. Właściwości
składników decydują o zasadniczych właściwościach smaru. W celu udoskonalenia
niektórych właściwości eksploatacyjnych i dostosowania do określonych zastosowań, w
składzie smaru znajdują się dodatki uszlachetniające. W wyniku zastosowania właściwych
procesów technologicznych, składniki smaru tworzą jednolitą strukturę.
1.1. Struktura
Mikroskopowy obraz smaru plastycznego przypomina gÄ…bkÄ™ nasycona cieczÄ…. W tym
wyobrażeniu gąbkę stanowi zagęszczacz, najczęściej substancja o charakterze mydła, a fazę
ciekłą najczęściej olej mineralny lub syntetyczny. Zagęszczacz tworzy elastyczna,
przestrzenną strukturę sieciową, która wiąże fazę ciekłą, nadając smarowi wymaganą
konsystencje. Właściwa struktura smaru jest utrzymywana, dzięki istnieniu, sił przyciągania
powierzchniowego, sił kapilarnych oraz zjawiska adsorpcji powierzchniowej między
zagęszczaczem i fazą ciekłą.
1.2. Faza ciekła
Faza ciekła jest podstawowym składnikiem smaru plastycznego. W większości smarów
stanowi ona 70& 90% (m/m). Wybór fazy ciekłej decyduje o:
- właściwościach smarnych,
- zmianach właściwości w zależności od temperatury,
- odporności na utlenianie,
- temperaturze płynięcia,
- skłonności do odparowywania w podwyższonych temperaturach,
- właściwościach dyspergujących w stosunku do zagęszczacza,
- i innych.
Jako faza ciekła smarów plastycznych najczęściej są stosowane następujące rodzaje
substancji, zwanych olejami bazowymi: oleje mineralne, oleje syntetyczne węglowodorowe,
poliglikole, syntetyczne estry oraz ciekłe silikony. Nie wszystkie z tych substancji są wza-
jemnie mieszalne. Z tego względu, również smary plastyczne, sporządzane na bazie różnych
substancji ciekłych, nie w każdym przypadku są mieszalne. Problem wzajemnej mieszalności
smarów plastycznych, zawierających w swoim składzie różne rodzaje olejów bazowych,
przedstawiajÄ… dane zawarte w tabeli 1.
Tabela 1. Mieszalność różnych olejów stosowanych jako bazy smarów plastycznych
Typ oleju mineralny węglowodorowy, poliglikolowy estrowy silikonowy
syntetyczny
mineralny
+ + - + -
węglowodorowy,
+ + - + -
syntetyczny
poliglikolowy
- - + - -
estrowy
+ + - + -
silikonowy
- - - - +
+ mieszalny, - niemieszalny
2
1.3. Zagęszczacze
Najczęściej stosowanym zagęszczaczem w składzie smarów plastycznych są mydła. W
większości przypadków są one wytwarzane w wyniku reakcji kwasów tłuszczowych i zasad
według reakcji:
kwas tłuszczowy + wodorotlenek lub tlenek metalu = mydło + woda
na przykład:
kwas 12-hydroksystearynowy + tlenek litowy = 12-hydroksysterynian litu + woda
Spośród zagęszczaczy mydlanych wyróżnia się mydła proste, hydroksylowe i kompleksowe.
Mydła proste są to sole kwasów organicznych: tłuszczowych, żywicznych i naftenowych.
Mydła hydroksylowe są to sole kwasów organicznych zawierających w cząsteczce grupę
hydroksylową. Mydła kompleksowe mają złożoną (kompleksową) strukturę cząsteczki
zagęszczacza. Różnią się istotnie niektórymi właściwościami od pozostałych grup smarów.
Jako zagęszczacze są stosowane również substancje inne niż mydła, np.: woski, stałe
węglowodory, niektóre polimery, a także specjalnie preparowane bentonity, hydrolizowana
krzemionka i inne substancje wykazujące właściwości zagęszczające w odniesieniu do
określonej fazy ciekłej.
Składnikami niektórych smarów plastycznych są substancje stałe o dużym stopniu
rozdrobnienia, zwane również stałymi dodatkami smarnymi lub smarami stałymi  takie jak:
grafit, dwusiarczek molibdenu, proszki metali i inne.
2. Klasyfikacja smarów ze względu na rodzaj zagęszczacza
Smary litowe
Dominującą na światowym rynku grupą smarów są smary litowe. Ponad połowa smarów
plastycznych należy do tej grupy. Dwa głównie stosowane zagęszczacze tego typu to:
12-hydroksystearynian litu oraz stearynian litu. Smary te są często określane jako uniwersal-
ne, ponieważ znajdują bardzo szerokie zastosowanie w różnych skojarzeniach trących:
łożyskach tocznych, łożyskach ślizgowych, w sworzniach i innych obciążonych elementach,
zarówno w środkach transportu jak i w urządzeniach przemysłowych, w szerokim zakresie
temperatury pracy.
Smary wapniowe
Do wytwarzania smarów plastycznych są stosowane dwa rodzaje mydeł wapniowych:
" mydła uwodnione: stearyniany, oleiniany i palmityniany wapnia,
" kompleksowe mydła bezwodne, głównie 12-hydroksystearynian wapnia.
Te ostatnie pozwalajÄ… na otrzymywanie smarów o wyższej temperaturze kroplenia: 140°C
zamiast 100°C, jak w przypadku mydeÅ‚ uwodnionych. Podstawowe zastosowanie smarów
wapniowych to smarowanie łożysk ślizgowych i tocznych, pracujących pod małym
obciążeniem, maksymalnie do temperatury 65°C w przypadku smarów zawierajÄ…cych mydÅ‚a
uwodnione i 100°C dla smarów zawierajÄ…cych kompleksowe mydÅ‚a bezwodne, w Å›rodowisku
bardzo wilgotnym, w połączeniach przegubowych i w styczności z powłokami
antykorozyjnymi.
Smary glinowe
Jako zagęszczacz smarów glinowych powszechnie jest stosowany stearynian glinu. Tego typu
smary są używane w połączeniach przegubowych, łożyskach ślizgowych, otwartych
przekÅ‚adniach zÄ™batych, nawet w Å›rodowisku wilgotnym, do temperatury 65°C.
3
Smary sodowe
Smary na bazie mydeł sodowych są produkowane w niewielkich ilościach, ponieważ nie są
one odporne na działanie wody. Stosowane są dwa rodzaje mydeł sodowych: oleinian i
stearynian sodu. Smary tego typu są przeznaczone do smarowania łożysk ślizgowych w
temperaturze do 120°C, w otoczeniu naturalnym oraz w pewnego rodzaju poÅ‚Ä…czeniach
przegubowych i łożyskach tocznych.
Kompleksowe smary wapniowe
Smary z kompleksowym zagęszczaczem wapniowym mają bardzo wysoką temperaturę
kroplenia (okoÅ‚o 280°C) oraz dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci EP (extreme preassure). Z tych wzglÄ™dów,
smary te znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, cementowniach,
fabrykach papieru, lotnictwie, do smarowania łożysk tocznych i łożysk ślizgowych
pracujących w ciężkich warunkach (duże obciążenie, wysoka temperatura, kontakt z
wilgociÄ…).
Kompleksowe smary litowe
Kompleksowe mydła litowe, zastosowane w składzie smaru, pozwalają na podwyższenie
temperatury użytkowania, w stosunku do zwykłych smarów litowych, przy jednoczesnym
zachowaniu ich innych korzystnych właściwości. Temperatura kroplenia tego typu smarów
wynosi okoÅ‚o 280°C, zamiast 190°C, jak w przypadku zwykÅ‚ych smarów litowych. Podobnie
jak zwykłe smary litowe, mają one szerokie zastosowanie do smarowania skojarzeń trących w
pojazdach samochodowych i w różnych urządzeniach przemysłowych.
Kompleksowe smary glinowe
Kompleksowe mydła glinowe o dobrych właściwościach żelujących, otrzymuje się w wyniku
krystalizacji czÄ…steczek benzoesanu lub stearynianu glinowego. Podobnie, jak w przypadku
kompleksowych smarów litowych, również temperatura kroplenia jest znacznie podwyższona
ze 100°C do 240°C. Smary te sÄ… stosowane zwÅ‚aszcza do smarowania nieosÅ‚oniÄ™tych prze-
kładni zębatych.
Kompleksowe smary sodowe
Zagęszczaczem w kompleksowych smarach sodowych jest tereftalaminian sodu. Jest on
otrzymywany w wyniku reakcji wodorotlenku sodowego z estrem metylowym kwasu
N-oktadecylotereftalaminowego. Dzięki bardzo wysokiej temperaturze kroplenia i
całkowitym braku rozpuszczalności w wodzie, smary te znajdują bardzo szerokie
zastosowanie, np. w: łożyskach ślizgowych, łożyskach tocznych, urządzeniach pracujących w
wysokich temperaturach (piece), w elementach mających kontakt z parą wodną. Wyróżniają
się wszechstronnością zastosowania, umożliwiającą smarowanie wszystkich urządzeń w
fabryce czy na statku.
Smary poliuretanowe
Poliuretany jest to obszerna grupa tworzyw sztucznych o zróżnicowanych właściwościach.
Niektóre rodzaje poliuretanów mają bardzo dobre właściwości zagęszczające. Smary
poliuretanowe znajdują zastosowanie zwłaszcza jako bardzo trwałe smary uniwersalne do
smarowania łożysk kulkowych, łożysk silników elektrycznych, wentylatorów, suszarek,
taśmociągów wymagających smarowania jednorazowego. Z powodzeniem nadają się do
smarowania łożysk szybkoobrotowych.
4
Smary bentonitowe
Bentonity są to minerały o konsystencji miękkiej i tłustej w dotyku. Wykazują one
właściwość tworzenia, w obecności niektórych substancji o charakterze polarnym (aceton),
plastycznego i trwałego żelu. Smary zawierające jako zagęszczacze bentonity są przezna-
czone, przede wszystkim, do smarowania urządzeń wówczas, gdy zbyt wysokie temperatury
pracy uniemożliwiają zastosowanie smarów klasycznych (na przykład: smarów litowych).
Smary zawierające zagęszczacze mieszane
Smary plastyczne, zawierające zagęszczacze (mydła) mieszane, stosuje się w celu połączenia
cech charakterystycznych dla poszczególnych rodzajów zagęszczaczy. Podstawowe smary
mieszane, spotykane na rynku, zawierają następujące rodzaje zagęszczaczy:
" mydła litowe / mydła wapniowe,
" poliuretany / mydła wapniowe.
" kompleksy glinowe / bentonity,
" tereftalaminian sodu / bentonity.
Jak widać, zagęszczacze maja istotny wpływ na wiele eksploatacyjnych właściwości
smarów plastycznych, co w sposób syntetyczny przedstawiono w tabeli 2. Każda substancja
żelująca posiada typowe dla siebie właściwości wyróżniające, co przedstawiono w tabeli 3.
Niestety, nie wystarczy wymieszać rożne rodzaje zagęszczaczy, aby uzyskać smar łączący
najlepsze właściwości poszczególnych składników. Podobnie, jak w przypadku olejów
bazowych, nie wszystkie zagęszczacze mogą być ze sobą mieszane. W tabeli 4 przedstawiono
wzajemną mieszalność smarów plastycznych zawierających różne substancje żelujące. Warto
zauważyć, że smary poliuretanowe i bentonitowe nie powinny być mieszane z innymi
rodzajami smarów.
Tabela 2. Wyróżniające cechy różnych smarów plastycznych w zależności od rodzaju
zagęszczacza
Podział smarów ze względu Wyróżniające cechy
na zagęszczacz
" wszechstronność zastosowania
smary litowe " dobra odporność na wysokie i niskie temperatury
" średnia odporność na działanie wody
" słaba przyczepność
" średnia odporność na temperaturę
smary wapniowe " bardzo dobra odporność na działanie wody
" bardzo dobre właściwości przeciwkorozyjne
" słaba przyczepność
" słaba odporność na temperaturę
smary glinowe " bardzo dobra przyczepność
" dobra odporność na działanie wody
" bardzo dobra odporność na temperaturę
smary kompleksowe " bardzo wysoka temperatura stosowania
" do smarowania łożysk szybkoobrotowych
smary poliuretanowe " bardzo dobra odporność na wysoką temperaturę
" bardzo dobra odporność na działanie wody, również gorącej
smary z tereftalaminianem sodu " bardzo dobra odporność na wysoką temperaturę
" bardzo dobra odporność na wysoką temperaturę
smary bentonitowe " bardzo dobra pompowalność
" brak mieszalności z innymi smarami
5
Tabela 3. Wyróżniające cechy różnych rodzajów zagęszczaczy
kom- kom-
Zagęszczacze/ komple-
wap- glino- poliure- terefta- bento- pleks pleks
Właściwości litowe ksowe
niowe we tanowe lamian sodu nity wapnia glinu
Zakres
temperatur + ++ ++ ++ ++ ++ ++
użytkowania
Odporność na
++ + + ++ + ++ +
działanie wody
Korozyjność ++ + + ++
Temperatura
+ + + + ++ ++ ++
kroplenia
Pompowalność + + ++ ++
Przyczepność + +
++
Uniwersalność + + +
Prędkość ++
Cena + + +
+ dobre, ++ bardzo dobre
Tabela 4. Mieszalność smarów plastycznych zawierających różne rodzaje zagęszczaczy
Li Li/Ca Ca Al.
Li Li kom- Ca Ca hy- poli- ben-.
hy- hy- kom- kom-
prosty pleks prosty droks. uretan tonit
droks. droks. pleks pleks
Li prosty
+ + + + + + +/- - - +/-
Li hydroks.
+ + + + +/- + - - - -
Li kompleks
+ + + + + + + + - -
Li/Ca hydroks.
+ + + + +/- + - - - -
Ca prosty
+ +/- + +/- + + +/- - - +
Ca hydroks.
+ + + + + + + - +
Ca kompleks
+/- - + - +/- +/- + - + +/-
Al kompleks - - + - - + - + - -
poliuretan - - - - - - + - + -
bentonit
+/- - - - + + +/- - - +
+ mieszalne, +/- mieszalne w pewnych proporcjach, - niemieszalne
6
3. Dodatki
3.1. Dodatki uszlachetniajÄ…ce
Niektóre właściwości smarów mogą być ulepszone przez wprowadzenie do ich składu
dodatków uszlachetniających. Dobór i zawartość w smarze dodatków jest wynikiem szeroko
zakrojonych badań, dotyczących wpływu poszczególnych dodatków na własności reologiczne
smaru. Dodatki uszlachetniające, stosowane w składzie smarów plastycznych można
podzielić na pięć głównych grup:
" przeciwzużyciowe (AW) i przeciwzatarciowe (EP) dające odporność na zatarcie przy
dużych obciążeniach,
" przeciwutleniajÄ…ce (inhibitory utleniania), zapobiegajÄ…ce procesom starzenia smaru w
wyniku utleniania,
" przeciwkorozyjne (inhibitory korozji) i przeciwrdzewne (inhibitory rdzewienia),
zapewniające ochronę metali kolorowych i żelaza przed wilgocią i agresywnymi
czynnikami chemicznymi,
" dodatki adhezyjne poprawiające smarowanie i przywieranie do podłoża, nadające
właściwą przyczepność filmu smarnego,
" dodatki stałe w postaci proszków metali, używane w pewnych specjalnych
przypadkach jako środki przeciwzatarciowe i uszczelniające.
Nie tylko obecność dodatku decyduje o właściwościach użytkowych smaru, ale również
sposób jego wbudowania w strukturę. Przykładowo ilustruje to rysunek 1, na którego części A
przedstawiono strukturę smaru litowego z dodatkiem EP wprowadzonym w sposób
konwencjonalny, a w części B, sposób w jaki ten dodatek jest wbudowany w strukturę smaru.
Taka zmiana struktury smaru w sposób istotny poprawia jego wytrzymałość na duże naciski
(właściwości EP).
Rys. 1 Porównanie struktury konwencjonalnego smaru litowego ze strukturą smaru kompleksowego.
Wprowadzenie dodatku EP do cząsteczki mydła, w sposób istotny poprawia odporność smaru na duże
naciski A  normalny smar litowy, B  smar litowy kompleksowy z dodatkiem EP
3.2. Stałe dodatki smarne
Smary plastyczne bardzo dobrze nadają się do mieszania ze stałymi dodatkami smarnymi,
które w istotny sposób zmniejszają siłę tarcia oraz zwiększają odporność na obciażenia i
zatarcie. W ciężkich warunkach pracy, stale dodatki smarne zwiększają skuteczność działania
smaru dzięki:
" odporności na działanie czynników chemicznych.
" dużo lepszej odporności na działanie wysokiej temperatury.
7
Najczęściej stosowanymi dodatkami tego typu są:
" grafit, który stopniowo przywiera do powierzchni metalu pod wpływem tarcia,
" dwusiarczek molibdenu, który szybko tworzy warstwę ochronna na powierzchni metalu.
W niektórych smarach jako stałe dodatki przeciwzatarciowe znalazły zastosowanie takie
substancje jak teflon (PTFE), miedz
i jej tlenki oraz chloroparafiny.
4. Trudne zastosowanie  smarowanie łożysk tocznych
Smarowanie łożysk tocznych jest złożonym zadaniem. Jak zasygnalizowano wcześniej, każdy
smar, ze względu na zastosowanie w jego składzie określonego rodzaju oleju oraz
zagęszczacza, ma określone właściwości. Zatem, aby odpowiednio dobrać smar trzeba
określić warunki pracy skojarzenia, które ma być smarowane, jego podstawowe cechy
konstrukcyjne i warunki eksploatacji. Należy brać pod uwagę: typ łożyska (igiełkowe,
kulkowe, baryłkowe itd.), sposób smarowania oraz warunki pracy, takie jak:
" obciążenie,
" prędkość obrotowa,
" czynniki atmosferyczne (wilgotność, czynniki korozyjne),
" maksymalna i minimalna temperatura pracy,
" i inne.
5. Laboratoryjne metody badań smarów plastycznych
Poniżej przybliżono podstawowe metody badań smarów plastycznych stosowane do oceny
ich jakości. W celu dokładniejszego sprecyzowania tych metod podano w nawiasach
dokumenty normatywne wybranych krajów i organizacji, ściśle precyzujące sposób
wykonania badań.
Struktura smaru
5.1. Penetracja po ugniataniu (ISO 2137,PN-88/C-04133, ASTM D 217, NF T 60132, DIN
51804,IP50)
Konsystencję można określić jako odporność smaru na odkształcenia. Cecha ta jest oceniana
przez tak zwaną penetrację po ugniataniu lub krócej penetrację. Próba polega na pomiarze w
temperaturze 25°C gÅ‚Ä™bokoÅ›ci zanurzenia w smarze w czasie piÄ™ciu sekund, stożka o Å›ciÅ›le
znormalizowanych kształcie i masie. Przykładowo zakres penetracji 445...475 oznacza za-
nurzenie, stożka pomiarowego po 5 sekundach, na głębokość pomiędzy 44,5 a 47,5 mm.
Schemat pomiarowej części penetrometru i zasadę pomiaru penetracji przedstawia rysunek 2.
Do wykonania tej próby jest potrzebna dość duża ilość smaru  350...400 gramów. Ponieważ
czas i sposób przechowywania smaru mają często wpływ na jego konsystencję, penetracja jest
zazwyczaj mierzona po zmiksowaniu smaru (60 cykli), które wykonuje się w
znormalizowanym automatycznym urzÄ…dzeniu.
Jeżeli do przeprowadzenia pomiarów, dysponujemy niewielką ilością smaru, penetrację
można zmierzyć przy użyciu stożków w skali 1/2 lub 1/4. W celu określenia penetracji po
ugniataniu, po 60 cyklach stosuje się ręczne mieszalniki. Dokładność uzyskiwanych wyników
pomiarów, przy zastosowaniu zminimalizowanych stożków, jest jednak mniejsza, niż przy
zastosowaniu stożka o normalnym wymiarze.
8
Rys. 2 Schemat części pomiarowej penetrometru i zasada pomiaru penetracji; A  początek
oznaczenia, B  po 5 sekundach, 1  naczynie penetracyjne, 2  badany smar, 3  stożek penetracyjny
Penetracja jest podstawą do powszechnie stosowanej klasyfikacji smarów plastycznych wg
NLGI (National Lubricating Greases Institute).
5.2. Lepkość strukturalna (pozorna) (PN-C-04146; ASTM D 1092)
Z punktu widzenia reologii przepływ smaru przez przewody rurowe nie przebiega w myśl
prawa Newtona. Lepkość smaru, określana w klasycznym prawie Poiseuille'a zmienia się w
zależności od naprężenia ścinającego. Substancje o takich właściwościach są nazywane
cieczami nienewtonowskimi, a ich lepkość jest nazywana lepkością strukturalną lub pozorną.
Wyznaczenie krzywej określającej lepkość strukturalną smaru w funkcji naprężania
ścinającego, umożliwia prawidłowe projektowanie instalacji smarowniczych (dobór pomp,
przekrojów i długości rur, połączeń itp.). Urządzenie testowe (rysunek 3) do wyznaczania
lepkości strukturalnej smaru składa się z tłoka, kapilary, pompy i czujników pomiarowych.
Naprężenie ścinające jest regulowane przez zmianę średnicy kapilary i/lub zmianę natężenia
przepływu.
Rys. 3 Zasada pomiaru lepkości strukturalnej smarów plastycznych; 1 - łaz
nia termostatyczna,
2 - kapilara, 3 - komora z badanym smarem, 4 - tłok, 5 - rejestrator
9
5.3. Próba wydzielania się oleju ze smaru (DIN 57877; IP 121)
Próbka smaru jest umieszczana w metalowym cylindrze i poddana ciśnieniu wytwarzanemu
przez tłoczek o masie 100 g. Ilość oleju, która wydzieli się po 43 lub 168 godzinach w
temperaturze 40°C, stanowi miarÄ™ trwaÅ‚oÅ›ci smarów i skÅ‚onnoÅ›ci smaru do wydzielania oleju
podczas przechowywania.
Właściwości w podwyższonych temperaturach
5.4. Temperatura kroplenia, wg Ubbelhode`a (ISO-2176; DIN-ISO-2176; IP 132)
Temperatura kroplenia jest to najniższą temperaturą, w której smar w podgrzewanym,
znormalizowanym urządzeniu zaczyna przybierać postać płynną i spływa w formie kropel lub
wypływa z naczyńka pomiarowego pod wpływem siły ciężkości. Schemat aparatu
Ubbelhode'a do pomiaru temperatury kroplenia smarów plastycznych przedstawiono na
rysunku 4. W celu dokonania pomiaru często korzysta się z urządzeń w pełni
zautomatyzowanych.
Rys. 4 Schemat aparatu do pomiaru temperatury kroplenia smarów plastycznych;
A - nasadka na termometr ze zbiorniczkiem smaru, B - aparat, 1  termometr, 2 - nasadka na
termometr, 3 - zbiorniczek na smar, 4 - badany smar, 5  probówka, 8 - łaz
nia
Podgrzewanie próbnika i próbki jest wstępnie programowane. Upadek kropli jest
rejestrowany przez fotokomórkę. Temperatura kroplenia smaru zależy od rodzaju substancji
żelującej i jest o kilkadziesiąt stopni wyższa niż temperatura, w której dany smar może
pracować.
5.5. Odporność na utlenianie (PN-C-04143; ASTM D 942; DIN 51 808; IP 142)
Dobra wytrzymałość smaru w czasie długiego okresu użytkowania, nawet w podwyższonych
temperaturach, w znacznej mierze zależy od jego odporność na utlenianie. Ta właściwość jest
określana przez pomiar skłonności smaru do reagowania z tlenem  próba Norma-Hoffman.
Polega ona na ogrzewaniu smaru w specjalnej bombie (autoklawie) przedstawionej na
rysunku 5, w atmosferze tlenu, w temperaturze 99°C (ciÅ›nienie poczÄ…tkowe tlenu wynosi 0,77
MPa). Stopień utleniania smaru jest wyrażany przez pomiar spadku ciśnienie tlenu w funkcji
czasu oraz zmianę zawartości wolnych zasad lub wolnych kwasów organicznych.
10
Rys. 5 Bomba do oznaczania odporności smarów na utlenianie; 1  kadłub bomby, 2  pokrywa,
3  podstawka, 4  naczynko z badanym smarem, 5 - trójnik, 6  doprowadzenie tlenu, 7  manometr
Odporność mechaniczna
Odporność struktury smaru na naciski i inne wymuszenia mechaniczne jest podstawową
właściwością określającą wytrzymałość smaru w łożyskach tocznych. Jest ona określana przy
zastosowaniu kilku następujących testów:
5.6. Penetracja po przedłużonym ugniataniu
W teście tym smar jest poddawany przedłużonemu ugniataniu (okresowi pracy), przy użyciu
mieszalnika stosowanego do przeprowadzania pomiaru penetracji, poruszanego mechanicznie
i wyposażonego w licznik cykli. Po zakończeniu mieszania jest mierzona penetracja zgodnie z
p. 5.1. W ten sposób określa się na przykład penetrację po 100 000 cykli. Różnica miedzy tą
penetracją i wyjściowa (po 60 cyklach), pozwala określić odporność mechaniczną smaru.
Próba ta, mająca niewiele wspólnego z warunkami pracy smaru, powinna być traktowana
tylko jako pewne przybliżenie do rzeczywistych wymuszeń, jakim smar jest poddawany
podczas pracy.
5.7. Próba wałkowania (Roiler Test) (PN-C-04144; ASTM D 1831)
W teście tym, próbka smaru (50 g) jest wałkowana między ściankami dwóch walców: walca
wewnątrz wydrążonego i wirującego w nim walca o masie 5 kilogramów. Po dwóch
godzinach wałkowania, z prędkością 160 obrotów na minutę, są mierzone zmiany wartości
penetracji. Zasadę pomiaru ilustruje rysunek 6. Warunki, w jakich pracuje smar w łożyskach,
w tym teście, są znacznie lepiej odtworzone, niż w przypadku zwykłego mieszalnika.
Temperatura i czas trwania próby mogą być modyfikowane.
11
Rys. 6 Zasada pomiaru w próbie wałkowania; 1  badany smar; 2 - walec zewnętrzny, 3 - walec we-
wnętrzny, A - pomiar penetracji przed wałkowaniem, B -pomiar penetracji po wałkowaniu
5.8. Próba z osią samochodową (Car wheel.bearing) (PN-C-04102; ASTM D 1263)
Urządzenie do przeprowadzenia tego testu jest modelem osi samochodowej i składa się z
dwóch stożkowych łożysk. Całość jest umieszczona w specjalnej komorze. Temperatura i
prędkość są zmienne. Na koniec próby jest mierzona ilość smaru, która wydostała się z
łożyska (wycieki spowodowane wykraplaniem i wydzielaniem się oleju).
Odporność na działanie wody
Odporność smarów elastycznych na działanie wody jest oceniana przy zastosowaniu kilku
następujących testów:
5.9. Mieszanie w obecności wody (NF T 50132)
W teście tym, smar w obecności wody (na ogół 10%), jest poddawany wydłużonemu
ugniataniu (100000 cykli), w mieszalniku do ugniatania, stosowanym przy pomiarze
penetracji. Odporność na działanie wody określa się na podstawie różnicy, miedzy penetracją
zmierzoną w obecności wody, a penetracją po 50 cyklach bez obecności wody.
5.10. Próba wałkowania w obecności wody
W teście tym, smar jest ugniatany przy użyciu wałków, w obecność wody, w urządzeniu do
próby wałkowania (p. 5.7). Na koniec mierzy się penetrację przy użyciu stożka w skali 1/2
lub 1/4 mieszaniny smaru i wody zebranych w cylindrze. Różnica między penetracją po
wałkowaniu i penetracją po 60 cyklach wg 5.1, pozwala ocenić zachowanie smaru w łoży-
skach pracujących w obecności wody. Jako przykład różnicy w jakości smarów mogą
posłużyć wyniki badań smaru litowego z dodatkiem EP oraz odpornego na działanie wody
smaru EPEXELF przedstawione na rysunku 7.
Rys. 7 Porównanie odporności na wodę smaru litowego z dodatkiem EP (1) oraz smaru EPEXELF
(2), dla różnej ilości wody zastosowanej w teście wałkowania w obecności wody
12
5.11. Próba wypłukiwania przez wodę (Water Washout) (ASTM D 1264; DIN 51 807; IP 215)
W tym teście, woda zastaje wtryskiwana bezpośrednio do obracającego się łożyska
kulkowego wypełnionego smarem w aparacie, którego schemat przedstawia rysunek 8.
Ubytki smaru spowodowane wypłukiwaniem są mierzone przez ważenie elementów, które
miały kontakt z wodą, po ich osuszeniu.
Rys. 8 Schemat aparatu do próby wypłukiwania smaru wodą;
1  silnik, 2  napęd łożyska, 3  łożysko z badanym smarem, 4  termometr, 5  wtrysk wody,
6  grzejnik, 7 - pompa wodna, 8  zbiornik wody
Właściwości ochronne
Ochronne właściwości smarów plastycznych, w stosunku do smarowanych części, są
oceniane przy zastosowaniu kilku następujących testów:
5.12. Właściwości przeciwkorozyjne metodą dynamiczną (próba SKF-Emcor)
(PN-C-04175; NF T 60 135; DIN 51802; IP 220)
W teście tym, w specjalnym aparacie, smar jest poddawany badaniu w wahliwych łożyskach
kulkowych, zamontowanych na poziomym wale obracającym się z prędkością 80 obrotów na
minutę, bez obciążenia, w obecności doprowadzanej wody destylowanej. Doświadczenie trwa
przez 3 dni, po 8 godzin z 16 godzinnymi przerwami, a następnie przez 108-godzin spo-
czynku. Właściwości zabezpieczające smaru przed rdzewieniem, są oceniane po próbie
poprzez wymiarowanie plam rdzy powstałych na zewnętrznej bieżni pierścieni łożysk. W
określonych przypadkach woda destylowana może być zastąpiona słoną wodą korozyjną lub
syntetycznÄ… wodÄ… morska.
5.13. Właściwości ochronne przed korozją (ASTM D 1743)
W teście tym, w specjalnym aparacie, trzy łożyska stożkowe wypełnione smarem pracują, pod
niewielkim obciążeniem, przez jedną minutę z prędkością 1750 obr/min. W tym czasie
następuje rozprowadzenie smaru w sposób zbliżony do warunków rzeczywistych. Następnie
13
Å‚ożyska sÄ… przechowywane przez dwa tygodnie w temperaturze 25°C, w atmosferze o 100 %
wilgotności względnej. Na koniec testu ocenia się ślady korozji.
Obie opisane metody oceny właściwości przeciwkorozyjnych smarów, z założenia
bardzo różnią się między sobą. Pierwsza z nich ma charakter dynamiczny, a druga statyczny.
Stosowane są również inne testy określające właściwości ochronne smarów.
Próby w niskiej temperaturze
Smary przeznaczone do zastosowań w niskiej temperaturze są poddawane specjalnym testom,
modelujÄ…cym rzeczywiste warunki ich pracy.
5.14. Moment rozruchowy w niskiej temperaturze (ASTM D 1478)
W teście tym, małe łożysko kulkowe z badanym smarem, zamontowane w urządzeniu
pozwalającym zmierzyć moment rozruchowy, umieszcza się w komorze klimatycznej. Po
dwóch godzinach przetrzymywania smaru w zadanej temperaturze, mierzy się moment
rozruchowy, a następnie pomiar powtarza się po jednej godzinie pracy. Różnica wyników
tych pomiarów jest miarą przydatności smaru do zastosowań w niskiej temperaturze.
5.15. Penetracja w niskiej temperaturze
Badany smar i stożek pomiarowy przechowuje się przez 4 godziny w określonej
temperaturze, a następnie mierzy się penetrację, zgodnie z p, 5.1.
Badanie właściwości EP oraz właściwości przeciwzużyciowych
Spośród wielu urządzeń służących do przeprowadzania badań właściwości EP i właściwości
przeciwzużyciowych środków smarowych, do badania smarów plastycznych najczęściej
stosowane są dwa - maszyna czterokulowa i maszyna Timken'a. W odniesieniu do smarów
plastycznych przeznaczonych do przekładni zębatych stosowane są testy przekładniowe, np.
test FZG.
5.16. Maszyna czterokulowa - właściwości przeciwzużyciowe (PN-C-04147; ASTM D 2266;
ASTM D 2596)
W teście tym, w skojarzeniu trącym maszyny czterokulowej, trzy stalowe kulki, umieszczone
w naczyniu zawierającym smar, który ma zostać poddany próbie, są unieruchamiane i
dociskane ze zmienną siłą czwartą kulką, umieszczoną w uchwycie zamontowanym na wałku
silnika elektrycznego. Środki smarne zostają oceniane według wyników pomiarów lub
obliczeń różnych parametrów, na podstawie zarejestrowanego współczynnika tarcia i pomiaru
średnic skaz zużycia na kulkach. Ocenia się, że im mniejsza średnica śladu zatarcia i mniejszy
współczynnik tarcia tym lepsze właściwości przeciwzużyciowe i smarne ma badany smar.
5.17. Maszyna Timken`a (PN-C-04073; ASTM D 2509; IP 240)
W teście tym, w maszynie Timken`a, stalowy pierścień obraca się wokoło poziomo
ustawionego wałka trąc o opierający się na nim stalowy blok. Nacisk bloku jest określony i
może być zmienny. Smar poddawany próbie jest natryskiwany w miejscu styku. Testy są
prowadzone przy stałej prędkości obrotowej i przy rosnącym obciążeniu. Substancje
14
smarujące są klasyfikowane według porównania obciążeń zatarcia, współczynników tarcia,
ubytków masy i nacisków w miejscu styku.
5.18.Wytrzymałość łożysk (metoda SNR)
Urządzenie pozwala na określenie czasu życia łożysk stożkowych przy użyciu do ich
smarowania ocenianego smaru plastycznego. A
ożyska pracują pod obciążeniem osiowym i
promieniowym. Osiem obciążonych, nasmarowanych łożysk, zamontowanych na czterech
wałkach jest napędzane silnikiem elektrycznym, aż do awarii któregokolwiek z łożysk,
objawiajÄ…cej siÄ™ wysokÄ… temperaturÄ… lub wibracjami. Testy sÄ… przeprowadzane wielokrotnie,
w celu uzyskania danych statystycznych, dotyczących wytrzymałości łożysk w zadanych
warunkach pracy. Urządzenie może zostać zmodyfikowane w celu przeprowadzenia
doświadczeń z łożyskami kulkowymi.
5.19. Odporność na pozorny efekt Brinell`a (FEB) (metoda SNR)
Pozorny efekt Brinell`a polega na powstawaniu na bieżniach łożysk kulkowych odcisków
spowodowanych naciskiem nieruchomych kulek (na przykład w łożyskach kół w trakcie
transportu samochodów). Aby określić zdolność smaru do zmniejszania pozornego efektu
Brinell`a, w specjalnym aparacie dwa nasmarowane łożyska kulkowe są poddawane
obciążeniu 800 daN przy oscylacji (30 i przy częstotliwości 24 Hz). Po zakończeniu
doświadczenia (50 godzin), zużycie w wyniku pozornego efektu Brinell`a jest określane
wagowo.
6. Klasyfikacje według konsystencji
Ważną cechą eksploatacyjną smarów plastycznych jest tzw. konsystencja. Konsystencję
można określić jako odporność (trwałość) smaru na deformację. Powszechnie stosowana
klasyfikacja smarów plastycznych (tabela 4) wg NLGI (National Lubricating Greases
Institute), opiera się na ich konsystencji, określonej liczbowo jako zakres penetracji po
ugniataniu. Według tej klasyfikacji smary plastyczne zostały podzielone na 9 klas. W
klasyfikacji tej smary o konsystencji 000& 0 są to tzw. smary półpłynne, a od klasy 6 są to
smary o konsystencji stałej, produkowane w postaci brykietów. Większość smarów
plastycznych do smarowania łożysk jest wytwarzana w klasie konsystencji 1, 2, 3.
Tabela. 4. Klasyfikacja NLGI smarów plastycznych wg konsystencji
Klasa Zakres penetracji po ugniataniu Podstawowe
konsystencji Konsystencja zastosowanie
Wg PN-85/P-04095 Wg NLGI
000 - 445-475 Bardzo płynna Przekładnie
00 powyżej 395 400-430 Płynna mechaniczne
0 350-390 355-385 Półpłynna
1 305-345 310-340 Bardzo miękka
2 260-300 265-295 Miękka A
ożyska toczne
i ślizgowe
3 215-255 220-250 Åšrednia
4 170-210 175-205 Półtwarda
5 125-165 130-160 Twarda Inne mechanizmy
6 80-120 85-115 Bardzo twarda
7 - 40-70 Bardzo twarda
15
II CZ
ŚĆ DOŚWIADCZALNA
POMIAR PENETRAPJI SMARÓW PLASTYPZNYPH
Jednym ze sposobów określenia własności reologicznych smarów plastycznych jest pomiar
penetracji. Przez analogię do ciał stałych jest to po prostu pomiar twardości smaru
plastycznego, gdyż przez penetrację rozumie się głębokość, na jaką pogrąża się w smarze
znormalizowany stożek penetratora. Im głębiej stożek pogrąża się w smarze, tym smar jest
bardziej miękki i tym większa jest penetracja smaru. Smar o dużej penetracji jest podatny na
wyciskanie i stawia mały opór na ścinanie, odwrotnie przy małej penetracji smaru istnieją
trudności przy wprowadzaniu go między powierzchnie smarowane oraz wzrastają opory
tarcia wewnętrznego. Ze wzrostem temperatury penetracja rośnie. Na penetrację smaru
mazistego wpływa zarówno gatunek oleju użytego do produkcji, jak też rodzaj i ilość
zagęszczacza. W toku eksploatacji smaru plastycznego penetracja zmienia się, w związku z
niszczeniem i niepewną odbudową sieci krystalicznej zagęszczacza.
Penetracja stanowi podstawę klasyfikacji smarów, według tak zwanych stopni konsystencji,
przedstawiona w tabeli 4.
Zasada pomiaru
Pomiar penetracji polega na wyznaczaniu głębokości zanurzania stożka penetracyjnego w
badanym smarze o temperaturze 25°C pod obciążeniem 150 G w czasie 5 sekund. W
zależności od sposobu przygotowania próbki smaru do badań rozróżnia się penetrację bez
ugniatania (penetracja smaru pobranego z oryginalnego opakowania) i po ugniataniu
(penetracja próbki po mechanicznym ugniataniu w naczyniu penetracyjnym).
PrzyrzÄ…dy pomiarowe
W skład zestawu wchodzą:
" penetrometr wraz ze stożkiem penetracyjnym i sworzniem (rys. 9),
" naczynie penetracyjne,
" Å‚az
nia wodna,
" termometr.
Sposób przeprowadzania pomiaru
Bez ugniatania
Po usunięciu wierzchniej warstwy badanego produktu o grubości 50 mm napełnić smarem
naczynie penetracyjne w nadmiarze tak, aby smar był możliwie w jednej bryle i nie zawierał
pęcherzyków powietrza. Przy napełnieniu naczynia należy smar jak najmniej ugniatać tak,
aby nie zmieniał pierwotnej konsystencji. Następnie otwarte naczynie umieścić w łaz
ni
wodnej o temperaturze 25°CÄ… 0,5°C na okres 1 godziny. Wyjąć naczynie z Å‚az
ni, osuszyć i
wygładzić powierzchnię smaru przesuwając łopatką dociśniętą do brzegów naczynia i
ustawioną pod kątem ostrym do powierzchni smaru. Jeżeli badany smar ma postać brykietów,
wyciąć sześcian o boku 50 mm, umieścić w blaszanym pudełku, które po szczelnym
zamknięciu zanurzyć całkowicie w łaz
ni wodnej o temperaturze 25Ä…0,5°C na co najmniej 1
godzinÄ™.
16
Rys. 9 Zestaw do pomiaru penetracji- schemat oraz wyglÄ…d rzeczywisty
Celem wykonania pomiaru naczynie ze smarem, przygotowanym według powyższych
wskazówek, umieścić na poziomo ustawionym stoliku penetracyjnym. Stożek penetracyjny
umocować w sworzniu penetrometru i ustawić go tak, aby jego koniec prawie dotykał
powierzchni smaru. Pręt Z dosunąć do sworznia R i nastawić tarczę na punkt zerowy.
Uruchomić sekundomierz naciskając jednocześnie guzik G zwalniający sworzeń
penetrometru i trzymać go naciśnięty przez 5 sekund. W tym czasie stożek powinien
swobodnie zagłębić się w smarze. Następnie dosunąć pręt Z ponownie do sworznia R i
odczytać penetrację wskazaną na tarczy przez strzałkę. Podnieść sworzeń R ze stożkiem,
stożek dokładnie oczyścić czystą ściereczką i powtórzyć pomiar. Jeżeli penetracja badanego
smaru jest wyższa niż 200, w jednym naczyniu wykonać tylko jeden pomiar, ustawiając
stożek na środku naczynia penetracyjnego. Następnie pomiary wykonywać na świeżo
przygotowanych próbkach smaru, po jednym pomiarze w każdym naczyniu. Jeśli penetracja
badanego smaru jest mniejsza niż 200, wykonać trzy pomiary w tym samym naczyniu,
umieszczając punkty pomiarowe w różnych odległościach od siebie i od brzegu naczynia.
Przy oznaczaniu penetracji smarów w brykietach, kostkę smaru po wyjęciu z łaz
ni umieścić
na stoliku penetrometru, przyciskając narożniki kostki do podstawy tak, aby zapewnić przy-
leganie i nieprzesuwanie się kostki w czasie pomiaru. Pomiar wykonywać jak dla smaru o
penetracji mniejszej niż 200.
Po ugniataniu
W przypadku dokonywania pomiaru penetracji po ugniataniu przed przystÄ…pieniem do
właściwego pomiaru należy naczynie penetracyjne wyposażone w pokrywę i dziurkowany
tłok (urządzenie tłoczkowe) umieścić w łaz
ni wodnej, aż do uzyskania przez smar
temperatury 25°CÄ…0,5°C. NastÄ™pnie wyjąć naczynie z Å‚az
ni, osuszyć je z zewnątrz, wyjąć
17
termometr z zaworu, zamknąć go i ugniatać smar tłokiem przez wykonanie 60 pełnych
(podwójnych) suwów tłoka, w czasie 60ą10 sekund. Zakończyć ugniatanie, gdy tłok znajdzie
się w górnej części naczynia. Otworzyć zawór, odkręcić pokrywę, a smar przyczepiony do
tłoka zebrać łopatką i przenieść do naczynia penetracyjnego. Po starannym wygładzeniu
powierzchni smaru wykonać niezwłocznie pomiar. Pomiary wykonywać tak, jak dla pomiaru
penetracji bez ugniatania z taką jednak różnicą, że stożek penetrometru należy umieścić na
środku naczynia penetracyjnego, a następne pomiary wykonać natychmiast po pierwszym, na
tej samej próbce smaru, po uprzednim wymieszaniu i wygładzeniu jej powierzchni, bez
ponownego ugniatania smaru.
18