Смазочная композиция для тяжелонагруженных узлов трения

Использование: в области материаловедения в машиностроении, в частности при создании смазочных композиционных материалов, применяемых в узлах трения различных машин или механизмов или в качестве технологической среды при обработке металлов давлением для снижения износа и предотвращения явления схватывания инструмента с поверхностью обрабатываемой заготовки. Сущность: композиция содержит в мас.%: полимерный модификатор 0,1-25, пластичная смазка - остальное до 100. В качестве полимерного модификатора используют дисперсные полимерные волокна с длиной 0,01-5 мм и пористостью 0,1-99,9%. Предпочтительно используют полимерные волокна, содержащие металлосодержащий прекурсор (0,1-0,3%), полимерные волокна, содержащие фторсодержащий олигомер (0,1-20%), полимерные волокна, содержащие маслорастворимый ингибитор коррозии (0,1-5%). Технический результат - повышение показателей противоизносного и противозадирного действия. 4 з.п.ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области материаловедения в машиностроении, в частности к смазочным композиционным материалам, применяемым в узлах трения различных машин или механизмов или в качестве технологической среды при обработке металлов давлением для снижения износа и предотвращения явления схватывания инструмента с поверхностью обрабатываемой заготовки.

В современном машиностроении широко применяют смазки на основе нефтяных, растительных и синтетических масел, содержащие в качестве функциональных компонентов загустители, антиоксиданты, противоизносные и противозадирные присадки, порошки металлов, оксидов, сухих смазок, полимеров и т.д. [1]. К числу эффективных модификаторов смазок относят полимерные материалы в виде порошков различной дисперсности или растворов. Такие присадки выполняют функцию реологической, противоизносной и противозадирной добавки и способствуют стабилизации вязкости смазки в условиях перепада температур и формированию разделительного слоя в зоне фрикционного контакта, предотвращающего износ и схватывание деталей пары трения. Особенно эффективны такие смазки в условиях действия больших контактных нагрузок и повышенных температур, когда смазочный слой разрушается, что приводит к прямому взаимодействию микронеровностей поверхностного слоя контактирующих деталей узла вала и подшипника.

Наличие в смазке полимерных частиц обеспечивает существенный противоизносный и противозадирный эффект благодаря деформированию частиц полимерного наполнителя и образованию разделительного слоя более высокой прочности по сравнению с граничным слоем смазки. Важное значение при этом имеют размер и форма частиц, молекулярная масса, деформационно-прочностные характеристики, стойкость к окислению и термомеханической деструкции и т.п. [2]. Однако существуют значительные технологические трудности получения высокодисперсных полимерных порошков или их модифицирования, например, γ -облучением, с целью повышения эксплуатационных характеристик.

Прототипом изобретения являются смазочные составы на основе масел или смазок различного состава, содержащие в качестве функциональной полимерной добавки дисперсные полимерные волокна на основе вискозы, полиакрилонитрила, оксалона при содержании 2-5 мас.% [2].

Введение в базовую смазку полимерных волокон позволяет увеличивать прочность разделительного слоя, снизить коэффициент трения и износ деталей при их фрикционном контакте. Наибольший эффект обеспечивают волокна вискозы или полиакрилонитрила (ПАН). Составы смазочных композиций с ПАН-волокнами выбраны в качестве прототипа. Состав по прототипу, наряду с положительными характеристиками, имеет ряд недостатков, к которым относятся достаточно высокие деформационно-прочностные показатели единичных волокон, препятствующие образованию разделительной пленки в зоне контакта, низкая загущающая способность волокон, препятствующая получению гомогенного материала, низкая способность волокон к адсорбции смазочных компонентов.

Задача настоящего изобретения состоит в создании смазочной композиции для тяжелонагруженных узлов трения с высокими показателями противоизносного и противозадирного действия.

Поставленная задача достигается тем, что в качестве полимерного модификатора используют дисперсные полимерные волокна с длиной 0,01-5 мм и пористостью 0,1-99,9% при их содержании в базовой смазке 0,1-25 мас.%. Дополнительный эффект обеспечивается при введении полимерных волокон, содержащих металлосодержащие прекурсоры, выбранные из группы (формиаты, оксалаты, карбонилы, аминные комплексы солей металлов и аминов и т.п.), оксиды, полимерных волокон, содержащих фторсодержащие олигомеры, полимерных волокон, содержащих маслорастворимые ингибиторы коррозии металлов, серпентинит, в количестве 0,01-10 мас.%.

Смазки, содержащие модифицированные волокна, являются вариантами заявляемого состава. Отличительным признаком заявляемого состава по сравнению с прототипом является использование пористого полимерного волокна, поры которого содержат функциональный модификатор, выделяющийся непосредственно в зоне фрикционного контакта.

Механизм действия состава в зоне фрикционного контакта состоит в следующем. Введение высокопористого дисперсного волокна в смазку приводит к адсорбции низкомолекулярного компонента и заполнению пор смазочным компонентом. Это приводит к положительному влиянию модификатора на смазочную композицию:

- наблюдается загущающий эффект в смазке, способствующий достижению стабильных реологических и прочностных характеристик,

- низкомолекулярный компонент смазки (масло или жидкофазный модификатор) выступает в качестве модификатора полимерной частицы, способствуя ее передеформированию без разрушения с образованием прочной разделительной пленки в зоне фрикционного контакта,

- функциональный модификатор (антиоксидант, ингибитор коррозии, олигомер и т.п.) локализуется в частице полимерного носителя и расходуется только по прямому назначению при попадании в зону фрикционного контакта. Это повышает эффективность действия смазки при существенно меньшем содержании дорогостоящих и дефицитных функциональных присадок в смазке,

- повышенная деформируемость полимерных дисперсных волокон препятствует явлению заклинивания элементов подшипников качения (роликов, игл, шариков) вследствие заполнения зазоров полимерным модификатором,

- пористые дисперсные волокна способны к поглощению абразивных частиц, попадающих в зону трения, препятствуя их неблагоприятному воздействию на контактирующие детали.

Таким образом, заявляемый состав обладает совокупностью признаков, обеспечивающих достижение положительного синергического эффекта. Действие дисперсных пористых волокон подобно действию аналога - микрокапсул из полимерных органических или неорганических матриц, полость которых заполнена функциональным компонентом [3, 4]. Применение высокопористых полимерных волокон обеспечивает аналогичный эффект капсулирования функциональных компонентов, однако имеет более простую технологию получения и низкую температуру десорбции компонента из носителя. Кроме того, само волокно выполняет, как отмечено выше, функцию противоизносной и противозадирной добавки.

В таблице 1 приведены составы смазочных композиций конкретного исполнения и рассмотрены их характеристики в сравнении с прототипом.

Таблица 1 Составы смазочных композиций
компонент	Содержимое в составе, маc.%
	Прототип	Заявляемые составы
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	ХIII
полимерное волокно
- углеродное	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- полиакриловое	2,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- целлюлозное	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- полисульфоновое	-	0,1	2	5	10	25	30	2	2	2	2	2	2
металлосодержащий
прекурсор
- формиат меди	-	-	-	-	-	-	-	0,02	0,1	0,2	0,3	0,01	-
- аминный комплекс	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
фторосодержащий
олигомер
- Ф-14	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- АК1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
маслорастворимый
ингибитор коррозии
- МСДА	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- ИФХАН	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
металл - медь	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,01
смазочная основа - Литол-24		ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.
- Циатим-201	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- ГРМ	ост.	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 1 (продолжение 1)
компонент	Содержимое в составе, маc.%
	Заявляемые составы
	XIV	XV	XVI	XVII	XVIII	XIX	XX	ХХI	XXII	XXIII	XXIV	XXV
полимерное волокно
- углеродное	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- полиакриловое	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- целлюлозное - полисульфоновое	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2	- 2
металлосодержащий прекурсор
- формиат меди	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- аминный комплекс	-	-	-	-	0,1	-	-	-	-	-	-	-
фторосодержащий опигомер
- ф-14	-	-	-	-	-	0,1	1,0	20	25	0,05	-	-
- АК1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1,0	-
маслорастворимый ингибитор коррозии
- МСДА	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,1
- ИФХАН	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
металл
- медь	0,05	0,1	0,005	0,2	-	-	-	-	-	-	-	-
смазочная основа
- Литол-24	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.
- Циатим-201	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
- ГРМ	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 1 (продолжение 2)
компонент	Содержимое в составе, маc.%
	Заявляемые составы
	XXVI	XXVII	XXVIII	XXIX	XXX	XXXI	XXXII
полимерное волокно
- углеродное	-	-	-	-	-	-	-
- полиакриловое	-	-	-	-	-	-	-
- целлюлозное	-	-	-	-	-	-	-
- полисульфоновое	2	2	2	2	2	2	2
металлосодержащий
прекурсор
- формиат меди	-	-	-	-	-	-	-
- аминный комплекс	-	-	-	-	-	-	0,1
фторосодержащий олигомер
- Ф-14	-	-	-	-	-	-	-
- АК1	-	-	-	-	-	-	-
маслорастворимый ингибитор коррозии
- МСДА	3,0	5,0	7,0	0,05	-	-	-
- ИФХАН	-	-	-	-	-	-	-
металл - медь	-	-	-	-	3,0	-	-
смазочная основа - Литол-24	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	-	-
- Циатим-201	-	-	-	-	-	ост.	-
- ГРМ	-	-	-	-	-	-	ост.

Таблица 1 (продолжение 3)
компонент	Содержимое в составе, маc.%
	Заявляемые составы
	XXXIII	XXXIV	XXXV	XXXVI	XXXVII	XXXVIII
полимерное волокно
- углеродное	2	-	2	-	2	-
- полиакриловое - целлюлозное	- -	- 2	- -	- 2	- -	- -
- полисульфоновое	-	-	-	-	-	0,05
металлосодержащий
прекурсор - формиат меди	-	-	-	-	-	-
- аминный комплекс	-	-	-	-	-	-
фторосодержащий олигомер - Ф-14	-	-	-	-	-	-
-АК1	-	-	-	1,0	-	-
маслорастворимый ингибитор коррози - МСДА - ИФХАН	- -	- -	3 -	- -	- -	- -
металл
- медь	-	-	-	-	0,05	-
смазочная основа
- Литол-24	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.	ост.
- Циатим-201 - ГРМ	- -	- -	- -	- -	- -	- -

Для получения композиций использовали волокна различного состава и пористости:

- углеграфитовое волокно Викум (производства ОАО "Светлогорское Химволокно") с пористостью 0,01-10%. Пористость определяли по адсорбции жидкой среды согласно методике [2],

- волокна полисульфона (марки Фортрон) с пористостью 80-99%,

- волокна целлюлозы отбеленной листьевых пород с пористостью 50-80% (ГОСТ 28172-89Б),

- волокна хлопковой целлюлозы с пористостью 30-40% (ГОСТ 395-79).

Для сравнения использовали в качестве модификаторов смазок порошки полиэтилена низкого давления и полипропилена.

В качестве базовых смазок использовали пластичные смазки типа Литол-24, Циатим-201, Солидол-УС, Гудроны соапстока растительных масел (ГРМ).

Полимерный модификатор в виде дисперсных волокон или порошка с размером частиц 0,01-5 мм вводили механическим перемешиванием в базовую смазку. Содержание модификатора составляло от 0,1 до 25 мас.%. Для модифицирования полимерных волокон использовали:

- металлосодержащие прекурсоры (терморазлагающиеся соли металлов и органических кислот - муравьиной, щавелевой, а также карбонилы и комплексные соединения солей металлов и алифатических аминов - моноэтаноламина, триэтаноламина и т.п.). В качестве прекурсоров применяли формиат меди, карбонил железа, формиат свинца, аминный комплекс на основе карбоната меди и моноэтанол амина;

- фторсодержащие олигомеры типа "Фолеокс", "Эпилам", имеющие структурную формулу R_f-R₁, R₁ - функциональная группа, - СООН, NH₂, - СОСН₃; R_f - радикал. Молекулярная масса олигомера составляла 2000 - 5000 ед. Олигомеры использовали в виде 2-5 мас.% растворов в хладоне, спирте или воде. Марки использованных олигомеров Ф1, Ф14, АК-1;

- малорастворимые ингибиторы коррозии донорного, акцепторного типа МС ДА, ИФХАН, СИМ, КП или их синергические смеси АКОР, НГ-203 и др.

Пористое волокно предварительно термообрабатывали при температуре 100-200° С в течение 3-5 часов для удаления влаги, а затем модифицировали целевым компонентом.

Для получения металлосодержащего волокна его предварительно обрабатывали металлосодержащим прекурсором, высушивали до удаления растворителя, а затем термообрабатывали в инертной среде при температуре, на 5-10° С превышающей температуру разложения прекурсора.

Характеристики смазок приведены в таблице 2.

Таблица 2 Характеристики смазочных составов
компонент	Содержимое в составе, мас.%
	прототип	3aвявляемые составы
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	XIII
коэффициент трения при
- первом	0,05	0,06	0,05	0,05	0,06	0,08	0,09	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,45
- пятом	0,06	0,09	0,05	0,06	0,06	0,08	0,09	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
- десятом	0,08	0,13	0,05	0,08	0,08	0,08	0,10	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
цикле режима "старт-стоп"
коэффициент трения
в установленном режиме трения	0,06	0,09	0,05	0,06	0,06	0,08	0,09	0,05	0,05	0,04	0,05	0,05	0,05
интенсивность изнашивания J× 1011 при
V=1,0 м/с Р=5 МПа	1,5	0,9	0,09	0,05	0,1	0,2	0,3	0,07	0,05	0,06	0,07	0,05	0,08
время заедания при одноразовом
смазывании при	30	30	40	50	60	40	30	50	70	80	80	45	50
V=1,0 м/с Р=40 МПа мин

Таблица 2 (продолжение 1)
компонент	Содержимое в составе, маc.%
	Заявляемые составы
	XIV	XV	XVI	xvII	xviII	XIX	XX	XXI	ХХII	ХХIII	XXIV	XXV
коэффициент трения при
- первом	0,04	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
- пятом	0,05	0,055	0,05	0,05	0,05	0,045	0,040	0,040	0,040	0,05	0,05	0,05
- десятом	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,045	0,045	0,045	0,045	0,045	0,045	0,05
цикле режима "старт-стоп"
коэффициент трения
в установленном режиме трения	0,04	0,05	0,05	0,055	0,05	0,04	0,040	0,040	0,040	0,04	0,05	0,05
интенсивность изнашивания
J× 1011при V=1,0 м/с Р=5 Мпа	0,05	0,05	0,08	0,06	0,05	0,07	0,05	0,03	0,04	0,08	0,05	0,07
время заедания при одноразовом
смазывании при V=1,0 м/с Р=40 МПа мин	70	90	45	90	75	60	80	120	120	50	60	40

Таблица 2 (продолжение 2)
компонент	Содержимое в составе, маc.%
	Заявляемые составы
	XXVI	XXVII	XXVIII	XXIX	XXX	XXXI	ХХХII
коэффициент трения при
- первом	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
- пятом	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
- десятом цикле режима "старт-стоп"	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,055
коэффициент трения
в установленном режиме трения	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
интенсивность изнашивания
J× 1011 при V=1,0 м/с Р= 5 Мпа	0,04	0,04	0,05	0,08	0,04	0,08	0,07
время заедания при одноразовом
смазывании при V=1,0 м/с Р=40 МПа мин	40	40	40	40	40	50	60

Таблица 2 (продолжение 3)
компонент	Содержимое в составе, маc.%
	Заявляемые составы
	ХХХIII	XXXIV	XXXV	XXXVI	xxxvII	xxxvIIi
коэффициент трения при
- первом	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,06
- пятом	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,10
- десятом	0,07	0,07	0,07	0,07	0,06	0,15
цикле режима "старт-стоп"
коэффициент трения
в установленном режиме трения	0,06	0,06	0,06	0,06	0,05	0,09
интенсивность изнашивания
J× 1011 при V=1,0 м/с Р=5 МПа	0,07	0,09	0,05	0,06	0,06	1,7
время заедания при одноразовом
смазывании при V= 1,0 м/с Р=40 МПа мин	40	40	40	60	60	10

Триботехнические испытания смазок проводили на машине трения типа УМТ-1 и СМТ-2М по схеме "вал-частичный вкладыш". В качестве вала использовали ролик диаметром 40 мм и шириной 10 мм из стали 45, закаленной до HRC = 42-46 ед., с шероховатостью R_a≤0,32 мкм. В качестве вкладыша применяли сектор с номинальной площадью 2 см² из стали 60ПП с твердостью HRC =48-61 ед, с шероховатостью R_a≤0,32 мкм. Исследования проводили в режиме "старт-стоп" и непрерывном движении при скорости скольжения 1,0 м/с и нагрузке 10 МПа. Коррозионные характеристики поверхности трения оценивали по поляризационным кривым, полученным с использованием потенциостата ПИ-50-1.1 в трехэлектродной электрохимической ячейке с использованием платинового вспомогательного электрода и электрода сравнения, заполненного насыщенным раствором КСl. Как следует из представленных в таблице 2 данных, заявленные составы (II-VI, VIII-X, XIII-XV, XVIII, XIX-XXI, XXIV, XXVI-XXVII, XXX-XXXVII) по триботехническим характеристикам превосходят прототип, так как обеспечивают более низкую интенсивность изнашивания, большее время до схватывания при одноразовом смазывании. Уменьшение заявленного содержания полимерного модификатора (0,1-25 мас.%) состав XXXIII или его превышение (состав VII) или снижает эффект, или не обеспечивает дополнительного увеличения износостойкости.

Дополнительная обработка пористого волокна металлосодержащим прекурсором (составы IX-XI) в заявленном содержании снижает коэффициент трения и увеличивает время заедания. Снижение содержания прекурсора ниже 0,1 мас.% (состав VIII) или его превышение более 0,2 мас.% (состав XI) или снижает противозадирный эффект, или не увеличивает его дополнительно.

При введении в состав металлосодержащего волокна при заявленном содержании металла (составы XIII-XV) дополнительно увеличивает износостойкость и время заедания при смазочном голодании. Снижение содержания меди менее 0,01 мас.% (состав XVI) или его превышение свыше 0,1 мас.% (состав XVII) или не дает значительно эффекта, или не увеличивает дополнительно триботехнические показатели смазки.

При введении в состав волокна фторсодержащего олигомера (составы XIX-XXI) наблюдается существенное увеличение времени заедания при эксплуатации в режиме смазочного голодания. Снижение содержания олигомера менее 0,1 мас.% (состав XXIII) или его превышение более 20 мас.% (состав XXIV) не обеспечивает оптимального сочетания триботехнических характеристик.

Модифицирование пористого волокна маслорастворимым ингибитором коррозии (ИК) (составы XXV-XXVII) существенно снижает коррозионно-механический износ пары трения. При меньшем содержании ПК (состав XXIX) или большем заявленного (состав XXVIII) противоизносное действие ИК или недостаточно, или дополнительно не проявляется.

Положительный эффект действия дисперсного пористого волокна сохраняется и при замене полисульфонового волокна на углеродное (составы XXXIII, XXXV, XXXVII), или целлюлозное (составы XXXIV, XXXVI) с пористостью от 0,1-10% до 30-80% соответственно. Таким образом, заявленные пределы пористости от 0,1 до 99% обеспечивают эффект. Снижение пористости (состав I) приводит к действию модификатора без обеспечения синергического эффекта. Дополнительное увеличение пористости приводит к потере прочностных характеристик пористых волокон и их разрушению.

Положительный эффект модифицирования смазок пористым волокном исходным или обработанным функциональными добавками сохраняется и при использовании различных смазок Литол-2, Циатим-201 (состав XXXI), ГРМ (состав XXXII) и при изменении состава ингибитора (состав XXX). Таким образом, заявленное сочетание компонентов в заявленных соотношениях обеспечивает синергический эффект.

Смазочная композиция для тяжелонагруженных узлов трения прошла лабораторные, стендовые и натурные испытания в узлах трения универсальных шарниров карданных передач с крутящим моментом не менее 15000 Н· м на ОАО "Белкард", а также при изготовлении трубчатых заготовок методом холодной вытяжки на РУП "Гродненский механический завод" и рекомендовано к промышленному использованию.

Источники информации.

1. Синицин В.В. Подбор и применение пластических смазок. - М., 1974. - С. 416.

2. Смазочно-охлаждающая технологическая среда для операций холодной вытяжки труднодеформируемых металлов В.А.Смуругов, В.Х.Русый, Л.И.Шелобод, В.Г.Савкин, Т.И.Халапсина //Трение и износ (Friction and Wear) том 17, №5, 1996 г. - С. 694-698(прототип).

3. В.Н.Латышев, А.Г.Наумов, С.А.Чиркин. О механизме высвобождения СОТС из микрокапсул в процессе фрикционного взаимодействия металлических поверхностей //Трение и износ (Friction and Wear) том 20, №4, 1999г. - С. 433-438.

4. а.с. ссср 1541015, МПК С 10 М, опубл. 1996 (аналог).

1. Смазочная композиция для тяжелонагруженных узлов трения на основе пластичной смазки, содержащая полимерный модификатор, отличающаяся тем, что в качестве полимерного модификатора она содержит полимерные дисперсные волокна длиной 0,01-5 мм и пористостью 0,1-99% при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полимерные дисперсные пористые волокна 0,1-25

Смазочная основа Остальное

2. Смазочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в полимерное дисперсное волокно дополнительно введен металлосодержащий прекурсор с 0,1-0,3 мас.%.

3. Смазочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в полимерное дисперсное волокно дополнительно введен металл с 0,01-0,1 мас.%.

4. Смазочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в полимерное дисперсное волокно дополнительно введен фторсодержащий олигомер с 0,1-20,0 мас.%.

5. Смазочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в полимерное дисперсное волокно дополнительно введен маслорастворимый ингибитор коррозии с 0,1-5,0 мас.%.