Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте

Подождите немного. Документ загружается.

рафинированием для удаления из алюминия различных примесей

и растворенных газов.

Свинец получают из галенита (PbS) путем окислительного об

жига, восстановления (до РЬ) и рафинирования. Для получения

меди вначале обогащают сульфидную руду, содержащую медный

колчедан (CuFe2S), затем концентрат очищают и плавят на мед

ный штейн. Далее штейн переплавляют в медеплавильном конвер

тере, получая черновую медь, которую рафинируют для удаления

примесей.

Алюминиевые сплавы обладают высокой прочностью, коррози

онной стойкостью, хорошей технологичностью при малой плот

ности. В их состав входят медь, магний, кремний, цинк, марганец

и другие элементы. Они нашли самое широкое применение в ав

томобильных конструкциях.

Алюминиевые литейные сплавы на основе А1—Si (силуми

ны) обладают достаточно высокой прочностью и удовлетвори

тельной пластичностью, высокой жидкотекучестью, пониженной

склонностью к образованию горячих трещин, малой усадкой. Си

лумины маркируют буквами АЛ и цифрами, стоящими за буква

ми. Цифры указывают условный номер сплава.

Из алюминиевых сплавов изготовляют поршни двигателей,

головки и блоки цилиндров, картеры коробок передач, тормозные

барабаны, крышки распределительных шестерен и другие детали.

Литейные сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую

удельную прочность и коррозионную стойкость. Деформируемые

алюминиевые сплавы используют для изготовления деталей дав

лением, прокаткой, прессованием, сваркой. Характерным пред

ставителем этих сплавов является дюралюмин, получаемый на

основе алюминия, меди и магния. Например, дюралюмин Д16

содержит 4,4 % меди, 1,5 % магния, а также 0,6 % марганца и менее

0,5 % кремния и железа. Из деформируемых алюминиевых сплавов

изготовляют силовые детали кузова (поперечины, стойки и др.),

тормозные цилиндры, дверные пороги, обшивки, решетки и др.

Некоторые алюминиевые сплавы (например, дюралюмин) мо

гут упрочняться термической обработкой — закалкой и старени

ем — благодаря получению равновесной структуры. Кроме того,

листы из дюралюмина могут быть плакированы, и тогда в конце

маркировки ставится буква «А».

Медные сплавы получили наибольшее распространение в виде

латуни и бронзы.

Латуни — сплавы меди с цинком. Для повышения механических

и других свойств в состав латуни могут входить олово, свинец,

кремний, марганец, никель, алюминий, железо. Маркировка ла

туни содержит буквы и цифры. Например, марка латуни ЛС60-3

означает: Л — латунь; С60 — содержание меди 60 % и цифра 3 —

содержание свинца 3 %, остальное — цинк.

Латуни обладают высокой пластичностью и прочностью. Их мож

но обрабатывать давлением (способами волочения, прокатки,

штамповки, горячего прессования).

Латуни применяют на автомобилях для изготовления деталей

систем охлаждения: бачков и трубок радиаторов (латунь Л63), де

талей электрооборудования (Л72), различных втулок, пробок,

штекеров, наконечников и т.д.

Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свин

цом, бериллием. В их состав могут входить также никель, марганец

и другие элементы.

Бронзы обладают высокой износостойкостью, низким коэф

фициентом трения, коррозионной стойкостью, хорошей упруго

стью, незначительной усадкой, хорошими жидкотекучестью и

обрабатываемостью резанием. Различают две группы бронз: оло

вянные и безоловянные. Оловянные бронзы хорошо сварива

ются, паяются и обладают антифрикционными свойствами. Без

оловянные бронзы содержат в качестве присадок алюминий,

бериллий, никель, кремний, марганец и т.д. Эти бронзы отлича

ются высокими пределами упругости, текучести, временным со

противлением, обладают хорошей коррозионной устойчивостью.

Бронзу маркируют по аналогии с латунью: после сочетания

букв «Бр» (бронза) приведено название компонентов сплава и их

процентное содержание. Например, оловянная бронза БрОЦС5-

5-5 — содержит по 5 % олова, цинка и свинца и 85 % меди.

Бронзу на автомобилях применяют для изготовления деталей

топливоподающей аппаратуры, втулок шатунов двигателей, плос

ких и круглых пружин в системе питания, упорных шайб, шесте

рен полуосей и т.д.

Антифрикционные сплавы — это сплавы на основе олова, свин

ца, меди или алюминия, обладающие высокими антифрикцион

ными свойствами. Такие сплавы применяют главным образом для

изготовления вкладышей подшипников скольжения коленчатых

валов, втулок распределительных валов. Указанные детали изго

товляют штамповкой из предварительно прокатанной ленты или

полосы.

В настоящее время для подшипников скольжения используют

биметаллические или трехслойные вкладыши, в которых рабочий

слой представляет собой свинцовую бронзу или пластичные алю

миниевые сплавы, содержащие алюминий, сурьму и медь или

алюминий, олово и медь.

В качестве антифрикционных материалов в автомобилестрое

нии наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые

и металлокерамические сплавы.

Баббиты — это антифрикционные материалы, основой кото

рых являются олово и свинец. Кроме них в состав баббитов вво

дятся легирующие компоненты, придающие им специфические

свойства: медь увеличивает твердость и ударную вязкость, ни

кель — твердость и износостойкость, кадмий — коррозийную стой

кость, сурьма — прочность.

Баббиты применяются для заливки вкладышей подшипников

скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при

переменных и ударных нагрузках.

По химическому составу баббиты классифицируют на группы:

оловянистые (баббиты Б83, Б88); оловянисто-свинцо-

вые (БС6, БС16); свинцовые (БК2, БКА).

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловяни

стые баббиты. Оловянисто-свинцовые баббиты имеют несколько худ

шие антифрикционные свойства, но они дешевле. Свинцовые баб

биты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях.

Подшипники скольжения из баббитов изготовляют в виде би

металлических деталей (вкладышей). Для ускорения приработки

на их рабочую поверхность наносят тонкий слой сплава на оло

вянной или свинцовой основе.

Алюминиевые антифрикционные сплавы обладают хорошими

антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью и

коррозионной стойкостью, хорошими механическими и техноло

гическим свойствами. Их наносят в виде тонкого слоя на стальную

основу, получая биметаллическую пластину. Для изготовления

вкладышей подшипников коленчатого вала автомобильных дви

гателей используют сплавы алюминия с сурьмой, медью и други

ми компонентами (сплав САМ) или сплавы алюминия с оловом

и медью (А020-1).

Металлокерамические сплавы после прессования и спекания

пропитываются смазками или маслографитовой эмульсией, хоро

шо прирабатываются к валу и обладают низким коэффициентом

трения.

Припои — это металлы или сплавы, используемые при пайке в

качестве промежуточного металла (связки) между соединяемы

ми деталями. По температуре расплавления припои разделяют на

группы:

легкоплавкие (145...450°С) оловянно-свинцовые (ПОС),

оловянно-малосурьмянистые и сурьмянистые (ПОССу) и др. Пос

ледние широко применяются при пайке и лужении в автомобиль

ной промышленности;

среднеплавкие (450... 1100°С) медно-цинковые припои

(ПМЦ-54, Л63, Л68) широко используются при пайке стали,

жести и медных сплавов;

высокоплавкие (1100... 1430 °С) многокомпонентные при

пои на основе железа применяют для закрепления твердосплав

ных пластин на режущем инструменте (сверла, резцы и т.п.).

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА, СМАЗОЧНЫЕ

МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ

ЧАСТЬ II

Глава 4

ВИДЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТОПЛИВ И СМАЗОЧНЫХ

МАТЕРИАЛОВ И КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИХ ПОЛУЧЕНИИ

4.1. Виды топлив, масел и смазок,

используемых для автомобилей

Автомобиль, как и большинство других транспортных средств,

одновременно является и энергетической установкой. Основным

источником энергии у автомобилей служит жидкое или газовое

топливо и реже другие источники энергии (на солнечных батаре

ях, инерционные и др.).

Длительная бесперебойная и экономичная работа автомобиля,

его двигателя, агрегатов, узлов и деталей возможна лишь при ис

пользовании соответствующих топлив, смазочных материалов и

технических жидкостей.

Широкий ассортимент применяемых на автомобильном транс

порте топлив и смазочных материалов для автомобилей объясня

ется конструктивными особенностями агрегатов автомобилей раз

ных типов и марок, разнообразием климатических и других усло

вий их эксплуатации, а также недостаточной универсальностью

выпускаемых в настоящее время топлив, масел и смазок. Увели

чение ассортимента применяемых масел и смазок в ряде случаев

объясняется конкурирующей деятельностью фирм, занятых вы

пуском этой продукции.

Для обеспечения эффективной эксплуатации автомобилей в

каждых конкретных условиях нужно применять определенные топ

лива и смазочные материалы, обладающие конкретными эксплу

атационными качествами. Эксплуатационные качества топлив,

масел и смазок зависят от особенностей сырья и технологическо

го процесса его переработки.

Для автомобилей в настоящее время используется в основном

жидкое и реже газовое топливо. В качестве жидкого топлива при

меняют бензин и дизельное топливо. Газовое топливо применяется

Для автомобилей в виде сжиженного и сжатого газов. Сжиженный

газ представляет собой побочный продукт при переработке нефти, а

сжатый — это чаще всего природный газ.

Масла для автомобилей подразделяются на масла для двигате

лей (моторные масла) и масла для агрегатов трансмиссии

(трансмиссионные масла). Трансмиссионные масла могут

быть либо универсальные, предназначенные для ряда агрегатов

трансмиссии, либо целевого назначения.

В настоящее время почти весь объем автомобильных жидких

топлив и масел получают в результате переработки нефти. Однако

уже сейчас можно предвидеть истощение нефтяных ресурсов и

решать актуальную задачу использования в качестве сырья других

источников и искать возможности применения принципиально

новых видов топлива. В этой связи производство так называемых

синтетических масел из ненефтяного сырья позволяет повысить

качество масел в соответствии с возросшими к ним требованиями.

Для смазки многих трущихся автомобильных деталей исполь

зуют также разные пластичные (мазеобразные) смазки, которые

готовятся на основе минеральных нефтяных масел.

Подробная номенклатура применяемых на автомобильном

транспорте топлив, масел и смазок, а также вопросы их качества,

назначения, организации экономного использования и ряд дру

гих сведений приводятся в соответствующих главах данной части

учебника.

4.2. Нефть как сырье для получения автомобильных

жидких топлив и масел

Благодаря высокой теплоте сгорания (43...46 МДж/кг) нефть

является хорошим энергетическим сырьем для получения из нее

автомобильных жидких топлив. Нефть, природный газ и попутные

нефтяные газы служат сырьем при производстве широко исполь

зуемых на автомобильном транспорте синтетических каучуков и

волокон, пластмасс и красок.

Себестоимость добычи нефти колеблется в широких пределах в

зависимости от условий ее залегания и организации производства.

Однако добыча нефти и газа, как правило, обходится в несколько

раз дешевле, чем угля. Преимущество нефти и газа перед другими

видами топлива проявляется также в удобствах их транспортиро

вания и использования — нефть и газ можно транспортировать по

трубопроводам. Себестоимость перекачки нефти в 3—4 раза ниже,

чем в случае перевозки ее по железной дороге.

Чтобы достигнуть уровня нефтяного пласта, бурят скважины.

Затраты на бурение составляют половину всех расходов на добычу

топлива. Современные скважины обычно имеют большую глуби

ну, например, в районах Поволжья 1800...3500 м, а на некоторых

других промыслах глубина достигает 5000 м. Средняя суточная

производительность скважин около 100 т (иногда 1000 т).

Извлекаемая из недр земли нефть представляет собой горючую

маслянистую жидкость плотностью 750... 950 кг/м3 с характерным

запахом, коричневого, темно-коричневого, реже красного или

желтого цвета.

Более 90 % нефти используют для получения автотрактор

ных эксплуатационных материалов (топлив и смазочных средств).

Для переработки нефти применяют физические и химические

способы.

Физические способы основаны на разделении сырой нефти на

фракции по температурам кипения без изменения химического

состава. К этим способам относится прямая (атмосферная и ва

куумная) перегонка нефти (она выкипает при температурах

350...500 °С). Путем перегонки из нефти получают бензин, реак

тивное топливо, керосин, дизельное топливо, мазут и т.д. На неф

теперерабатывающих и нефтехимических заводах используют так

же и химические способы, основанные на изменении исходного

химического состава для получения продуктов с заранее задан

ными свойствами.

4.3. Понятие о химическом составе и структуре

углеводородов нефти

От химического состава и структуры углеводородов нефти за

висят технологический процесс ее переработки и эксплуатацион

ное качество получаемых при этом автомобильных топлив и масел.

В свою очередь, химический состав и структура углеводородов у

нефтей разных месторождений неодинаковы. В химическом отно

шении нефть представляет собой сложную жидкость, состоящую

преимущественно из углеводородов, т.е. соединений углерода с

водородом. Суммарное содержание углерода и водорода в нефти

около 97... 98 мае. %, в том числе углерода 83... 87 мае. % и водоро

да 14... 11 мае. %.

Основу нефти составляют жидкие углеводороды, в которых

растворены газообразные и твердые углеводороды. Кроме углеводо

родов в состав нефти входят химические соединения (2... 3 мае. %),

содержащие кислород, серу и азот, а также свободная сера.

Многочисленные углеводороды, входящие в состав нефти, раз

личаются молекулярной массой, числом атомов углерода и водо

рода в молекуле, характером валентных связей между атомами

углерода, строением.

Молекула самого простого углеводорода нефти — метана —

содержит один атом углерода (СН4). Углеводороды циклической

и цепной структуры, изомерные и неизомерные, предельные и

непредельные проявляют себя в топливах и маслах по-разному.

Все углеводороды нефти условно подразделяют на следующие ряды:

парафиновые (алканы); нафтеновые (цикланы); ароматические

(арены).

Однако значительная часть углеводородов нефти имеет гиб

ридное (смешанное) строение самого разнообразного сочетания.

Гибридные углеводороды делят на три ряда: парафиноциклопара

финовые; парафиноароматические; парафиноциклопарафиноаро

матические.

Углеводороды всех групп с большой молекулярной массой име

ют изомеры. У гибридных углеводородов особо большое число

изомеров.

Парафиновые углеводороды (С„Н2л + 2) присутствуют в нефти в

больших количествах, преимущественно в низкокипящих фрак

циях, относятся к предельным и имеют цепную структуру. Входя

щие в этот ряд метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8) и бутан

(С4Н10) при нормальных условиях, т.е. при давлении 0,1 МПа и

температуре 0 °С, находятся в газообразном состоянии. Парафи

новые углеводороды с С5Н12 до С|6Н34 при нормальных условиях

находятся в жидком состоянии, а начиная с — в твердом.

Изомерные парафиновые углеводороды улучшают качество бен

зинов (детонационную стойкость), а нормальные углеводороды

парафинового ряда улучшают качество дизельных топлив (само-

воспл аменяемость).

Нафтеновые углеводороды (С„Н2и) присутствуют в нефтепро

дуктах в значительных количествах. Их содержится, как правило,

больше в тяжелых фракциях нефти. Они имеют циклическую струк

туру, обладают большей стойкостью против окисления при высо

ких температурах, чем нормальные парафиновые углеводороды,

и имеют также более высокую температуру кипения при сопоста

вимых молекулярных массах.

Присутствие легких нафтеновых углеводородов желательно в

автомобильных топливах для карбюраторных двигателей и зимних

сортах дизельного топлива, а нафтеновые углеводороды с более

сложной структурой (имеющие длинные боковые цепи) улучша

ют качество смазочных масел, в частности понижают их темпера

туру застывания.

Ароматические углеводороды (С„Н2я_6) также относят к цикли

ческим углеводородам с шестичленным кольцом, но с тремя двой

ными валентными связями, чередующимися с простыми.

Однако двойные связи в циклическом кольце ароматических

углеводородов химически более стойки, чем двойные связи в

парафиновых углеводородах. Поэтому они меньше окисляются и

осмоляются. В нефти значительно меньше содержится (как правило,

не более 25 %) ароматических углеводородов, чем нафтеновых и

парафиновых. Ароматические углеводороды более сложны, чем

бензол, имеют кроме кольца одну или несколько цепей, благода

ря которым образуются изомеры. Их присутствие, допустимое в

рис. 4.1. Влияние содержания ароматиче

ских! углеводородов бензинов на нага- ь

рообразование в камере сгорания дви- «

гателя: S

I — бензин без ТЭС; 2 — бензин с 0,82 г 8

ТЭС/кг; ТЭС — тетраэтилсвинец (анти-

детонатор) *§

бензине, в дизельном топливе, на

против, нежелательно. Однако и в

бензине содержание ароматических

углеводородов ограничивается вслед

ствие того, что они способствуют на-

гарообразованию, которое примерно в 3 раза больше, чем в слу

чае парафиновых углеводородов, имеющих такую же температуру

кипения (рис. 4.1).

В состав продуктов переработки нефти могут входить непре

дельные углеводороды, образовавшиеся в процессе производства.

В их молекулах имеются одна, две или более двойных связей меж

ду атомами углерода.

Непредельные парафиновые углеводороды, имеющие одну двой

ную связь, называют олефинами (СпН2п), а с двумя двойными

связями — диолефинами (СЛН2„_2).

Эти углеводороды (особенно диолефины), являясь непредель

ными, легко окисляются и осмоляются, так как их двойные или

тройные связи непрочны (легко разрушаются под действием тем

пературы), т.е. данные углеводороды склонны к превращению в

простые связи с одновременным присоединением атомов кисло

рода, атомов других элементов и молекул других непредельных

углеводородов.

Присутствие олефиновых и диолефиновых углеводородов в ав

томобильных топливах, и особенно в маслах, нежелательно.

Соединения, содержащие кислород, серу и азот, в автомобиль

ных топливах и маслах ухудшают качество последних. Их присут

ствие в нефти также нежелательно.

Кислород с углеводородами нефти образует смолисто-асфаль-

теновые вещества (до 90 % всего кислорода) и органические (наф

теновые) кислоты. Содержание кислорода в нефти 0,1... 1,3 %.

Органические кислоты вызывают коррозию деталей

прежде всего из цветных металлов (исключая алюминий). С м о -

листо-асфальтеновые вещества (нейтральные и кислые

смолы, асфальтены, карбены и карбоиды) способствуют обра

зованию отложений на поверхности деталей, стенках каналов и

трубопроводов, понижают смазывающую способность, повышают

нагарообразование, а также ухудшают другие эксплуатационные

Содержание аромати

ческих углеводородов, %

качества нефтепродуктов. Они придают нефти и нефтепродуктам

темный цвет.

Сера представляет собой главную примесь нефти, ухудшающую

качество нефтепродуктов, и прежде всего бензинов и дизельных

топлив. Она вызывает коррозию деталей и понижает некоторые

другие показатели качества топлив.

Сера, присутствующая в нефти и нефтепродуктах, по корро

зионному воздействию на металл подразделяется на активную

(непосредственно вызывающую коррозию) и неактивную

(непосредственно не вызывающую коррозию). Присутствие актив

ной серы (свободная сера, сероводород и меркаптаны) в нефте

продуктах особо строго ограничивается. Суммарное содержание

серы в нефти может быть в пределах 0,1... 5,5 %.

Основная доля серы приходится на состав смолистых веществ.

Поэтому 70...90 % всех сернистых соединений содержится в мазу

те и гудроне. Наличие некоторых сернистых соединений в нефти и

нефтепродуктах придает им специфически неприятный (серово

дородный) запах.

Азот содержится в малых количествах (как правило, не более

0,3

) преимущественно в тяжелых фракциях нефти. На качество

нефтепродуктов азот существенного влияния не оказывает, не

считая повышенного смолообразования под действием некоторых

азотистых соединений при хранении дизельного топлива.

4.4. Основные способы получения автомобильных

топлив из нефти

Автомобильные топлива получают из нефти прямой перегон

кой (первичный процесс) и деструктивными методами (вто

ричные процессы) ее переработки. Прямая перегонка всегда

предшествует деструктивным методам переработки.

При деструктивных (химических) способах происходит изме

нение структуры и химического состава углеводородов, образую

щих нефть, а при прямой перегонке (физическом способе) нефть

лишь разделяется на фракции (с определенными температурами

кипения) без протекания химических реакций.

Прямая перегонка нефти осуществляется в установке, пред

ставляющей собой комплекс сложных устройств (рис. 4.2), основ

ными элементами которых являются трубчатая печь 1 и ректифи

кационная колонна 3.

В результате нагрева нефти до 330... 350 °С образуется смесь па

ров нефти и неиспарившегося жидкого остатка, которая направля

ется в ректификационную колонну. В ректификационной колонне

происходит разделение нефтяных паров на фракции, составляю

щие тот или иной нефтепродукт; причем можно отобрать в одну

Рис. 4.2. Схема нефтеперегонной установки:

1 — трубчатая печь; 2 — испарительная колонна; 3 — ректификационная колон

на; 4 — дополнительная колонна; 5 — насос; 6 — теплообменник; 7— насос; 8 —

холодильник; 9 — водогрязеотделитель

хруппу фракции, температура кипения которых различается всего

лишь на 5...8 "С.

Тяжелые фракции нефти, поступая в колонну в жидкой фазе,

уже в нижней ее части отделяются от паров и отводятся из нее в

виде мазута, а пары конденсируются на тарелках колонны. Чем ниже

температура кипения фракций, тем выше в колонне они конден

сируются.

Прямая перегонка нефти позволяет получить лишь 10...25 %

бензина, т.е. столько, сколько составляют ее фракции, выки

пающие в пределах от 350 до 205 °С. Поэтому, для того чтобы

обеспечить, например, работу одного грузового автомобиля на

прямогонном бензине в течение года, нужно переработать около

75... 100 тыс. л нефти. Для увеличения выхода бензина и других

светлых нефтепродуктов применяют деструктивные (химические)

методы переработки нефти, при помощи которых можно также

Улучшить качество нефтепродуктов, в частности детонационную

Стойкость бензина.

Крекинг (высокотемпературная переработка нефтяных фракций

с целью получения более низкомолекулярных продуктов) явля

ется основным методом деструктивной переработки нефти. При