Nové, výkonnejšie stroje, a tým aj náročnejšie prevádzkové podmienky (ako sú vyššie prevádzkové teploty, otáčky, vysoké a nepravidelné zaťaženie, menšie kompaktné konštrukcie, menšie olejové náplne, vyššie obehové číslo mazacieho oleja), vyžadujú aj nový sortiment mazív. Ide o nové mazivá, ktoré majú vyššiu tepelnú a oxidačnú stabilitu, dlhšiu životnosť, lepšie trecie podmienky, trakčný koeficient a majú vplyv na zníženie spotreby pohonných látok a priaznivejší vplyv na životné prostredie. Vzhľadom na predpokladaný vývoj v oblasti konštrukcie nových a výkonnejších strojov, požiadaviek na predĺženie životnosti mazív i ochranu životného prostredia možno v najbližšej budúcnosti očakávať určité zmeny aj v sortimente mazacích prostriedkov.

Tribotechnické požiadavky

Životnosť a spoľahlivosť strojov a zariadení, ako aj počet použitých náhradných súčiastok závisia od úrovne navrhnutých trecích dvojíc a ich mazania. Okrem správneho výberu maziva má podstatný vplyv aj samotný spôsob mazania, návrh konštrukcie, výber vhodného mazacieho systému a jednotlivých prvkov, ako napríklad použitie filtrov, chladiča a iných prvkov.

Nové trendy v sortimente mazív

Podľa dostupných informácií sa celosvetový ročný nárast spotreby mazacích  prostriedkov v najbližších rokoch odhaduje cca o 2,4 percenta. Ročná spotreba mazacích prostriedkov, mazív v Slovenskej republike sa odhaduje na cca 50 000 ton. Z tohto množstva je 24 000 ton automobilových mazív a 26 000 ton priemyselných mazív. Pre zaujímavosť, ročná spotreba mazacích prostriedkov začiatkom 80. rokov minulého storočia na Slovensku bola približne 90 000 ton. Žiaľ, súčasná situácia vo výrobe mazív na Slovensku nie je priaznivá. Preto budeme venovať pozornosť všeobecne stavu a ich vývoju vo svete. Ide o nové formulácie mazacích olejov a mazív, takže sa budeme venovať súčasnému stavu v sortimente základových olejov a jednotlivých druhov prísad s poukázaním na očakávane zmeny, ktoré môžu nastať v priebehu najbližších rokov.

Základové oleje

Základové oleje sú ropné výrobky a v súčasnosti stále tvoria takmer 95 percent z celkového sortimentu hotových mazacích prostriedkov. Ide o uhľovodíky, ktoré vytvárajú mnohé variácie, spojenia, komplexne zlúčeniny uhľovodíkových molekúl. Základné, jednoduché spojenie predstavuje metán CH4, teda jeden uhlík a štyri vodíky. Výrobné procesy základových olejov nám ponúkajú široké možnosti od klasických extrakčných procesov, postupov až po moderné konverzné procesy ako je hydrokrakovanie (Hydrocraking), hydroodparafinovanie (Hydrodewaxing), hydrospracovanie (Hydrotreating) a ďalšie nové postupy. Tieto nové moderné postupy majú podstatný vplyv na kvalitu základových olejov, čo sa týka prítomnosti nasýtených a nenasýtených molekúl, a najmä obsahu aromátov. Nasýtené molekuly sú stabilnejšie a sú schopné lepšie odolávať oxidačným procesom ako nestabilné molekuly. Konverzné postupy znižujú obsah aromátov až na hodnotu  0,3 % objemu. Pri tradičných extrakčných procesoch táto hodnota môže mať rozsah 5 až 25 % obj. Znížený kontrolovaný obsah aromátov má priaznivý vplyv na kvalitu základových olejov. Uvedieme niektoré účinky a prínosy ku kvalite súčasných základových olejov vyrábaných podľa nových technologických postupov:

-       zmena farby, čisté, bezfarebné základové oleje;

-       vyšší viskozitný index;

-       zlepšená odolnosť proti oxidácii;

-       zvýšená tepelná stabilita;

-       menj zvyškov uhlíka (karbónu);

-       zlepšená deemulgačná vlastnosť (odlúčivosť vody z oleja);

-       rýchlejšia biologická odbúrateľnosť a iné.

Pri formulácii mazacích olejov pre konkrétne prevádzkové podmienky, ako napríklad pre oleje  hydraulické, kompresorové, turbínové, prevodové a iné druhy, sa pozornosť venuje správnemu výberu základového oleja a jednotlivých druhov prísad. Preto môžeme uviesť, že pre hotový výrobok – mazací olej to v percentuálnom vyjadrení predstavuje :

• 70 až 99 % základového oleja;
• 0,1 až 30 % použitých prísad, ktorých môže byť 10 a viac druhov.

Základové oleje v ostatnom čase prešli určitou zmenou pri ich hodnotení, klasifikácii, čo malo vplyv aj na ich použitie pri formulácii nových mazacích olejov. V roku 1993 bola uvedená nová skupina, kategória základových olejov s označením kategória II., a krátko potom i kategórie III. a IV. Základové oleje sú klasifikované podľa spoločnosti API (American Petroleum Institute) a zaradené do jednotlivých kategórií a tried, a to vzhľadom na ich úžitkové vlastnosti. Pri výbere základových olejov sa rešpektujú požiadavky na konečné výrobky, mazivá pre dané aplikácie. Ide o základové oleje ropného pôvodu, skupiny podľa API I., II. A III., ďalej syntetické uhľovodíky (SHC), polyalfaolefíny (PAO) skupina IV. a základové oleje skupiny V., napríklad esterové,  polyolesterové oleje (POE), polyalkylglykolové oleje (PAG), fosfátové estery (FE), biele oleje, rastlinné oleje a ďalšie druhy, ktoré nepatria do predchádzajúcich skupín I. až IV. podľa API. Treba spomenúť aj výrobu základových olejov zo zemného plynu. Ide o Fischer – Tropsch proces, označovaný ako GTL (Gas to Liquid Technology), ktoré sú klasifikované podľa API ako kategória III +.

Ropné základové oleje skupiny I., II. a III. sú navzájom miešateľné a sú miešateľné aj so syntetickými uhľovodíkmi (SHC), polyalfaolefínmi (PAO) skupiny IV. podľa API. Do tejto skupiny môžeme zaradiť aj alkylované aromáty. Okrem toho treba poznamenať, že v skupine IV. sa uvádzajú nové základové oleje tzv. metallocene. Polyalfaolefíny (mPAO), ktoré sú založené na metallocene katalyzovanej technológii, ktorá ponúka vyššiu viskozitu oleja, lepšie nízkoteplotné vlastnosti, tekutosť a lepšiu strihovú stabilitu ako komerčné PAO. Táto katalýza ponúka rovnaké molekuly, voštinové štruktúry podobné konvenčným PAO, ale bez krátkych reťazcov. Ide o zlepšenie výkonnosti, úpravu základového oleja, ktorého chemický vzorec je M(C₅ H₅)_2, kde M je atóm kovu. Uvedené mPAO dosahujú viskozitu 60 až 150 cSt pri 100 °C. Môžu sa používať v kombinácii s nízkoviskóznymi PAO, ropnými olejmi pri ich formulácii pre automobilové a priemyselné oleje, čím sa dosiahne široký rozsah viskozity od 2 cSt až do 1 000 cSt, čo je veľká výhoda. Okrem mPAO sa uvádzajú aj ďalšie základové oleje upravované uvedenou technológiou, a to Alkylované naftalény (AN), ktoré poskytujú vysokú stabilitu a výbornú rozpustnosťou prísad, čo v prípade PAO nie je vždy tak. V tabuľke č. 1. uvedieme porovnanie niektorých základových olejov, ich vlastnosti, resp. vzájomnú zlučiteľnosť a ich vzťah k tesneniam a náterom. Z tabuľky č. 1 vyplýva, že najviac je komplikovaná skupina V., čo do druhov, vzájomnej miešateľnosti a vzťahu k tesneniam a náterom, kde sú všetky ostatné základové oleje, ktoré nepatria do predchádzajúcich skupín.

Hlavnými predstaviteľmi V. skupiny základových olejov sú esterové, polyolesterové oleje (POE), resp. polyalkylglykolové (PAG) základové oleje, ktoré sa používajú napríklad na formuláciu olejov pre kompresory, ozubené prevody, letecké motorové oleje a iné aplikácie. Polyolesterové oleje sa používajú najmä v chladiarenskej a klimatizačnej technike. Estery sú zlučiteľné s ropnými olejmi, ale polyolestery môžu reagovať s tesneniami a nátermi, čo je nevýhoda. Polyglykoly sa všeobecne používajú ako hydraulické kvapaliny a najmä ako prevodové a ložiskové oleje. Tieto oleje majú vynikajúce mazacie vlastnosti a pri degenerácii oleja sa nevytvára uhlík (karbón). Ich zlučiteľnosť s nátermi je problematická a zlučiteľnosť s ropnými základovými olejmi pri pôvodnej formulácii v celom rozsahu vylúčená. Podľa najnovších informácií v ponuke sú nové polyalkylénglykolové oleje (PAG), označené ako OSP PAG (Oil Solube Polyalkylene), syntetické oleje, ktoré sú miešateľné s uhľovodíkovými (ropnými) a syntetickými polyalfaolefínovymi (PAO) uhľovodíkovými (SHC) olejmi, čo je veľká výhoda. Na obrázku č.1 je vidieť porovnanie vlastností OSP PAG a klasických olejov  PAG.

Z vlastností uvedených v kruhovom diagrame je najväčšia zmena – prínos v možnosti miešania olejov OSP PAG s uhľovodíkovými olejmi a, naopak, zvýšená hygroskopickosť – schopnosť olejov prijímať a zadržiavať vlhkosť, čo je nevýhoda.

Fosfátové estery sú známe ako ťažko zápalné kvapaliny a ich typické použitie je v hydraulických a regulačných systémoch, napríklad  v mazacích systémoch turbín.  V najbližších rokoch sa bude hlavná pozornosť venovať základovým olejom kategórie V. podľa API, ktoré najviac spĺňajú požiadavky kladené na budúce (nové) mazacie prostriedky, akými sú napr. ekonomické mazivá (úspora energie, pohonných látok a iné). Vzhľadom na to uvedieme predpokladané nové trendy v sortimente priemyselných a špeciálnych mazív.

Pozornosť sa bude venovať najmä týmto mazivám:

• Potravinárske mazivá;
• Biologický odbúrateľné mazivá;
• Bio – rezné kvapaliny;
• Mazivá pre extrémne tlaky, zaťaženie;
• Nano mazivá.

Nano mazivá sú mazivá, ktoré sú formulované zo základového oleja a tuhých mazív, napríklad grafit, MoS₂, WS₂, NB (nitrid boru) a iné. Treba uviesť, že nano technológie sú postupy, ktoré kontrolujú mazivá až na atómovej, resp. molekulárnej úrovni. Na obrázku č. 2 je uvedené porovnanie priebehu koeficientu trenia v závislosti na zaťažení pre čistý základový olej a pri použití tuhého maziva MoS₂ a nano prísady.

Prísady

Pri formulácii mazacích olejov majú okrem základového oleja rozhodujúci vplyv na kvalitu hotového výrobku, mazacieho oleja, maziva, prísady. Ide o zušľachťovací proces, ktorý súvisí s výberom jednotlivých prísad a ich vzájomnou vyváženosťou, čo je veľmi náročné a často ide o tajný recept, postup každého výrobcu. Prísady sú organické alebo anorganické zlúčeniny, komponenty, ktoré sú rozpustené alebo ako pevné látky tvoria súčasť mazacích olejov. Čo sa týka objemového množstva prísad v mazacom oleji, ten je v rozsahu od 0,1 až do 30 percent, a to v závislosti od ich použitia pre konkrétne trecie uzly; časti strojov. Prísady sú polárne látky a ich polarita je definovaná ako prirodzená priama príťažlivosť, priľnavosť ich molekúl k iným polárnym materiálom (látkam) pri kontakte s mazacím olejom. Ide o polárne látky, ako sú kovové povrchy, prach, voda, celulóza a iné. Ako nepolárne látky možno označiť ropné základové oleje, teflón, vosk, hydrofóbne – vodu odpudivé látky a ďalšie. Prísady v mazacích olejoch sa používajú, ako už bolo uvedené, na zlepšenie ich výkonových vlastností. Ide o substancie formulované pre zlepšenie trecích, chemických a fyzikálnych vlastností základových olejov. Výsledkom je zlepšenie úžitkových vlastnosti, výkonnosti maziva a predĺženie životnosti stroja. V najbližších rokoch možno očakávať určité zmeny v sortimente prísad, ale v súčasnosti sa pozornosť venuje najmä novému trendu v sortimente mazív – nano mazivám. V čom je príčina a aký prínos môžeme očakávať z nano mazív? Podľa dostupných informácii vieme, že :

• Znižujú trenie, trecí koeficient až na hodnotu 0,003 (zlepšujú mazivosť, znižujú náklady na energiu);
• Znižujú prevádzkové teploty až o 40 % (menej energie sa premieňa na teplo);
• Znižujú opotrebovanie  až o 75 %;
• Zvyšujú životnosť mazacích olejov, dlhšie výmenné intervaly;
• Poskytujú vyššiu odolnosť proti korózii;
• Nespôsobujú blokovanie filtrov, častice ľahko prechádzajú cez filter,
• Znižujú, redukujú environmentálne zaťaženie a iné.

Nano štruktúra je štruktúra v rozmedzí veľkosti molekúl a mikroštruktúry. Každá častica menšia ako 100 nm (0,1 µm) je definovaná ako nano častica. Veľkosť nano častíc v mazacích olejoch je v rozsahu od 50 do 90 nm (1 nm = 10 ^-9 m). Čo sa týka dostupnosti nano mazív, tak v súčasnosti sa ponúkajú najmä nano motorové oleje, ktoré obsahujú, ako nano prísadu diamantový prášok. Zaujímavá je cena výrobku. Okrem motorových olejov sú to prevodové, hydraulické, kompresorové a ďalšie nano oleje, ktoré  už majú v ponuke niektoré spoločnosti. Pozornosť sa venuje aj úprave trecích povrchov. Ide o anti trecie kovové povrchy, ktoré využívajú technológie súvisiace s vytvrdzovaním kovového povrchu. Známe sú technológie vytvrdzovania povrchov ako:

• Nauhličovanie (carburizing);
• Nitridovanie (nitriding);
• Boridovanie (boriding).

Uhlík, bór a iné tuhé mazivá sú vo vzájomnom kontakte s trecími kovovými povrchmi a vytvárajú ochranný hraničný film, teda znižujú koeficient trenia, čo je výhoda. Na obrázku č. 3 je uvedené porovnanie koeficientu trenia uvedených tuhých mazív v závislosti na teplote.

V tabuľke č. 2 uvádzame porovnanie niektorých ďalších vlastností tuhých mazív.

Nitrid bóru (NB) je tuhé mazivo, ktoré vzhľadom na svoje vlastnosti má a bude mať široké uplatnenie v tribotechnickej praxi. Tuhé mazivá významne zvyšujú ochranu proti mikropittingu a môžu drastický znížiť trenie, a tým aj opotrebovanie. V ostatnom čase sa hovorí o ultra rýchlom bórovaní. Je to elektrochemický proces, ktorý sa rýchlo aplikuje. Do praxe sa uvádza aj nový spôsob úpravy ložiskových materiálov na zníženie trenia, a to postupom DLC (diamond – like coating).

Záver

Sortiment mazacích prostriedkov, mazív v celom jeho rozsahu použitia od automobilových, cez priemyselné, až k špeciálnym mazivám sa bude postupne vyvíjať, a to vzhľadom na nové požiadavky, ktoré vyplývajú z konštrukcie nových, výkonnejších výrobných strojov a zariadení, ako aj z požiadaviek, ktoré súvisia s ekonomickými a ekologickými požiadavkami. Pozornosť sa bude venovať najmä základovým olejom kategórie V. podľa API. Veľká budúcnosť sa predpovedá najmä novým OSP PAG základovým olejom, tuhým mazivám, výberu dvojíc trecích materiálov, úprave ich povrchov so zameraním na zníženie koeficientu trenia a úspore energie.

TEXT Jozef Stopka FOTO archív redakcie