В’язкість описує характеристики текучості або міру тягучості. Вона відображає ступінь внутрішнього тертя часточок у рідині. В’язкість є одним із найважливіших фізичних параметрів будь-якої рідини. Поряд із іншим, через в’язкість визначаються сфери використання та можливості застосування масла. Тим не менш, в’язкість сама по собі не є єдиним показником якості масла. Вона лише вказує на здатність утворювати мастильний шар  між двома компонентами пари тертя.

[fusion_youtube id=”https://youtu.be/JcSDxyaeR7c” alignment=”” width=”” height=”” autoplay=”false” api_params=”” hide_on_mobile=”small-visibility,medium-visibility,large-visibility” class=”” css_id=”” /]

Внутрішнє тертя рідини можна собі уявити як рух двох розташованих один над одним та переплетених молекулярних шарів. Під час руху молекули протікають одна повз одну. Для того, щоб роз’єднати молекули, що сплелися одна з одною, потрібна певна кількість енергії. В’язкість рідини якраз і є залежністю цієї енергії від властивостей рідини, про яку йдеться.

Поняття в’язкості бере початок від в’язкого соку ягоди рослини омели (Viscum). Цей сік був таким в’язким та липким, як клей. Тому цю рідину використовували для лову птахів. Таким чином, Viskos означало „в’язкий, як пташиний клей “.

Одиниці вимірювання в’язкості та формули

Для обчислення в’язкості рідини проводиться розмежування між динамічною та кінематичною в’язкістю. Динамічна в’язкість – це співвідношення  напруги зсуву та градієнта швидкості, перпендикулярної до напрямку потоку. Це явище також називають «опором потоку всередині рідини». Кінематична в’язкість обчислюється співвідношенням динамічної в’язкості та питомої ваги [щільності], тобто «співвідношенням в’язкості та щільності».

Динамічна в’язкістьКінематична в’язкість
Умовне позначення у формулахην
Одиниця вимірюванняПа·с.мм²/с

Відповідно до ISO 3219 в’язкість рідини може вимірюватися за допомогою віскозиметра. Другим варіантом може бути вимірювання реометром.

На відміну від масел, у консистентних мастилах вимірюється не в’язкість, а консистенція. Це відбувається, наприклад, із застосуванням такої методики вимірювання, як пенетрація після змішування [пенетраця змішаного мастила].

Приклади в’язкості

Нижче наведена типові рідини та значення їх в’язкості. В такий спосіб можна краще класифікувати взаємозв’язки між різними речовинами.

Рідина   η (mPa·s)        
Вода при 20 °C1,0
Вода при 25 °C0,891
Вода при 5 °C1,52
Ртуть при 20 °C1,55
Етанол при 20 °Cca 0,5
Бензин при 40 °C≈ 0,5
Дизель при 40 °C≈ 3,1
Моторне масло при 25 °C≈ 100
Моторне масло при 150 °C≈ 3
Мазут при 20 °C≈ 4-6
Бітумен при 20 °C≈ 1011
Оливкове масло при 20 °C≈ 10²
Мед при 20 °C≈ 104
Кров при 37 °C≈ 4-25

Температурна залежність в’язкості

В’язкість будь-якої рідини завжди залежить від температури. Динамічна в’язкість рідини зменшується зі збільшенням температури. Із зниженням температури динамічна в’язкість збільшується. Це означає, що рідина стає менш низьков’язкою (рідкотекучою), коли вона тепла, і більш в’язкою (густотекучою) на холоді. Що стосується масел, індекс в’язкості визначає залежність між кінематичною в’язкістю і температурою. В’язкість масел завжди залежить від температури. Ступінь температурної залежності залежить від якості масла. Залежність в’язкості масел від температури – це досить складна річ, адже вона розгортається лінійно по відношенню до температури. При цьому кожен тип масла поводить себе по-різному. Наприклад, два різних масла при температурі 40 °C можуть виявляти однакові властивості текучості, а от при 100 °C набувати абсолютно різних значень в’язкості.

Індекс в’язкості

Індекс в’язкості (VI) описує поведінку мастила в залежності від температури. Це стосується кінематичної в’язкості масла. При цьому заміри в’язкісних характеристик проводяться при температурах 40 °C та 100 °C. Індекс в’язкості певною мірою є також показником цінності [валентності] масла та служить для порівняння різних видів масла. Масла з високим показником в’язкості менш залежні від температури. Масло зберігає свої мастильні властивості у широкому температурному діапазоні. Масла з низьким індексом в’язкості більш сприйнятливі до температурного впливу. Їх мастильні властивості при високих чи низьких температурах стають нестабільними. Коли в
1928 р. було розроблено індекс в’язкості, шкала вимірювання ґрунтувалась на відомих на той час типах мінеральних масел. Індекс в’язкості починався від 0 (сильно залежні від температури масла) і доходив до 100 (слабко залежні від температури масла). Від тоді шкала вимірювання сягає показників близько 400.  Це частково пов’язано із сучасними технологіями виготовлення термостабільних синтетичних масел. Крім того, індекс в’язкості масел можна штучно збільшувати, додаючи потужні добавки (присадки для покращення VI [індексу в’язкості]).

Тип маслаVI
Мінеральне масло80-120
HC-масло [НС = вуглеводень]120-140
PAO-масло [РАО = поліальфаолефіни]135-160
Поліефір140-190
Гліколь200-220

Різну поведінку масел можна представити у вигляді в’язкісно-температурного графіка  (VT-діаграма). В’язкісно-температурну залежність шляхом математичного перетворення можна представити у вигляді прямої лінії, що проходить через важливі точки вимірювання – 40 °C і 100 °C. Завдяки цьому графіку можна також визначити в’язкість масла при інших температурних показниках.  В такий спосіб можна визначити, які масла використовувати для яких робочих температур та галузей застосування.

Приклад зображення в’язкісно-температурного графіка масел із різним індексом в’язкості

Приклад зображення в’язкісно-температурного графіка масел із різним індексом в’язкості

Залежність в’язкості від тиску

Крім температури, в’язкість масла також залежить від тиску. Однак ця залежність порівняно мала. При цьому діє правило: в’язкість зростає зі зростанням тиску, тобто масло стає дедалі в’язкішим. Залежність в’язкості від тиску набуває значимості тільки при високому тиску, тобто понад 400 бар. При значенні тиску нижче 400 бар зміни в’язкості зовсім незначні. Для кращої прив’язки малої значимості тиску для в’язкості можна констатувати, що зростання тиску на 100 бар має менший вплив на в’язкість масла, аніж підвищення температури на 10 °C. Ще одним феноменом у цьому контексті є те, що за рахунок збільшення тиску (масло при цьому стає в’язкішим) відбувається і зростання температури, яке знову робить масло рідшим. Відповідно, на залежність в’язкості від тиску певною мірою впливає в’язкісно-температурна залежність.

Зміни в’язкості масла у використанні

Масло змінює свою в’язкість не тільки за рахунок температурних впливів та тиску, а й впливу навколишніх умов під час експлуатації можуть також в значній мірі змінювати характеристики текучості. Якщо в’язкість масла значно відрізняється від початкових параметрів, які воно мало свіжим, то це є свідченням того, що почався процес прискореного старіння масла. В такому разі масло слід замінити. В’язкість масла може або збільшуватися, або зменшуватися. Жоден із цих варіантів не є бажаним, адже масло перестає оптимально виконувати притаманні на нього у тому чи іншому випадку застосування мастильні функції.

Причинами збільшення в’язкості масла є такі:

  • окиснення (потрапляння кисню в масло), деградація інгібіторів окиснення (присадки)
  • утворення кислоти
  • утворення накипу (утворення лако- чи шламоподібного нагару)
  • забруднення сторонніми речовинами (продуктами згоряння, водою)
  • застосування масла неправильного типу (наприклад, при доливанні масла)

Причинами зменшення в’язкості масла є:

  • деградація присадки для покращення VI [індексу в’язкості])
  • потрапляння в масло пального (розрідження масла)
  • застосування масла неправильного типу (наприклад, при доливанні масла)

Класи в’язкості масел

Мастильні матеріали, які використовуються в автомобілебудівельній галузі та промисловості, поділяються на особливі класи, щоб їх краще класифікувати та правильно використовувати за призначенням. Різні в’язкості можна класифікувати схожими контрольними параметрами.

Ми розрізняємо:

  • SAE J300 для однодіапазонних та всесезонних [універсальних] моторних масел (наприклад, SAE 5W, SAE 30, SAE 5W30)
  • SAE J306 для автомобільних трансмісійних масел (наприклад, SAE 75W90)
  • ISO VG для промислового застосування (наприклад, гідравлічне масло HLP 46, редукторне масло CLP 320)

Класи моторних та трансмісійних [редукторних] масел за SAE

SAE розшифровується як Society of Automotive Engineers, тобто Товариство автомобільних інженерів. Якраз воно публікує класифікацію моторних та автомобільних трансмісійних масел за класами в’язкості, яка є чинною для всіх країн світу.

Моторні масла можна класифікувати як однодіапазонні та всесезонні [універсальні] масла. У випадку всезесонних масел, то їх властивості складаються із придатності для використання в зимовий та літній періоди. Всесезонне масло забезпечує оптимальне змащування під час холодного старту взимку та влітку й утворення стабільного, розділювального змащувального шару при робочій температурі (100 °C). Тому кінематична в’язкість визначається у моторних маслах і при температурі 100 °C. Одним із прикладів є широко застосовуване універсальне масло 5W30. Однодіапазонні масла, як наприклад SAE 30, навпаки, відповідають тільки одній із характеристик.

Моторні масла класифікуються відповідно до специфікації SAE J300. Для класичних моторних масел, таких як 5W30 чи 0W40, обов’язковим є вміст базового масла з високим показником в’язкості. Під час його виробництва до нього добавляються присадки для покращення індексу в’язкості.

SAE-класНизькотемпе-ратурна  в’язкість в мПа·с.Гранична температура перекачування в °C 1)Мінімальний градієнт швидкості зсуву при 100 ° С у мм²/сМаксимальний градієнт швидкості при 100 ° С у мм²/сHTHS 150 °C в мПа·с.  
0W6200-403,8 – –
5W6600-353,8 – –
10W7000-354,1 – –
15W7000-355,6 – –
20W9500-355,6 – –
25W13 000-359,3 – –
8 –4,0< 6,11,7
12 –5,0< 7,12,0
16 –6,1< 8,22,3
20 –6,9< 9,32,6
30 –9,3< 12,52,9
40 –12,5< 16,32,9 2)
40 –12,5< 16,33,7 3)
50 –9,3< 21,93,7
60 –21,9< 26,13,7

1) Надійність холодного старту знаходиться в межах близько 5 °C вище граничної температури  перекачування.

2) Значення HTHS застосовується до всесезонних масел 0W/5W/10W-40.

3) Значення HTHS застосовується до всесезонних масел 15W/20W/25W-40.

Деякі сучасні високопродуктивні двигуни потребують мінімальної в’язкості масла при робочій температурі 150 ° C і градієнті швидкості зсуву 106/s. Це і розуміється під терміном HTHS-в’язкість (висока температура – високий градієнт швидкості зсуву). Встановленням цього граничного значення гарантується, що моторні масла відповідатимуть необхідним мастильним властивостям в умовах високих температур та високих  швидкостей обертання (градієнт швидкості зсуву). Граничні значення встановлено такими установами, як SAE чи ACEA, а також деякими виробниками автомобілів.

Трансмісійні [редукторні] масла класифікуються за стандартом SAE J306.

SAE-класНизькотемпературна  в’язкість
при 150.000 мПа·с. в °C  
Мінімальна в’язкість
при 100 °C в мм²/с
Максимальна в’язкість
при 100 °C в мм²/с
70W-554,1 –
75W-404,1 –
80W-267,0 –
85W-1211,0 –
807,0< 11,0
8511,0< 13,5
9013,5< 18,5
11018,5< 24,0
14024,0< 32,5
19032,5< 41,0
25041,0 –

Класи в’язкості за ISO VG для промислових мастил

ISO VG означає „International Organization for Standardization Viscosity Grade”, тобто «Міжнародна організація стандартизації класів в’язкості». У 18 класах в’язкості визначені мінімальна і максимальна кінематична в’язкості, яких можуть сягати рідкі мастила при температурі 40 °C. Ці класи коливаються від 2 (дуже рідкотекучі) до 1500 (дуже взкі).

ISO VGСередня в’язкість
в мм²/с при 40°C
Мін. кінематична
в’язкість в мм²/с при 40°C
Макс. кінематична
в’язкість в мм²/с при 40°C
22,21,982,42
33,22,883,52
54,64,145,06
76,86,127,48
1010911
151513,516,5
222219,824,2
321528,835,2
461541,450,6
681561,274,8
1001590110
15015135165
22015198242
32015288352
46015414506
68015612748
1000159001100
15001513501650

Оскільки три класи в’язкості оцінюються за різними параметрами, то їх можна порівнювати один з одним тільки умовно. Порівняльні таблиці, складені до цього часу, представляють собою тільки грубе впорядкування і в жодному разі не можуть прийматися за науково обґрунтовані. Завжди використовуйте масла, рекомендовані виробником, і не покладайтеся на приблизну інформацію.