Состав композиционного смазочного материала
Владельцы патента RU 2248389:
Открытое акционерное общество "Белкард" (BY)
Изобретение относится к смазочным композициям, предназначенным для применения в тяжелонагруженных узлах трения и механизмов. Сущность: материал на базе нефтяного или синтетического масла и загустителя, являющихся смазочной основой, в качестве дисперсной присадки содержит продукт, представляющий собой нанодисперсные частицы, модифицированные фторсодержащим олигомером с молекулярной массой 2000-5000 ед. и общей формулой Rf – R1, где Rf - фторсодержащий радикал, R1 - концевая функциональная группа -ОН; -NH2; -COOH; -CF3, при соотношении нанодисперсные частицы : олигомер 100:1 – 1:100 при следующем соотношении компонентов, мас.% : дисперсная присадка 0,1 -22, смазочная основа - остальное до 100. Технический результат - повышение триботехнических характеристик смазочных композиций, содержащих небольшие добавки присадки, уменьшение абразивного изнашивания смазочной пары трения с деталями, изготовленными из цветных сплавов. 2 табл.
Изобретение относится к области создания смазочных композиций, обладающих повышенной нагрузочной способностью, предназначенных для применения в тяжелонагруженных узлах трения и механизмов.
Известны смазочные композиционные материалы для тяжелонагруженных узлов трения, которые состоят из смазочной основы (пластичной смазки или масла) и функционального наполнителя - дисперсных частиц графита, порошков металлов, оксидов металлов, дисульфида молибдена, которые создают на поверхностях трения тонкую экранирующую пленку, предотвращающую износ и уменьшающую силу трения между контактирующими деталями - подшипником и валом [1-3]. Недостатком таких смазок является негомогенность состава, обусловленная осаждением порошкообразной присадки из-за различия ее удельной массы и смазочной основы, технологические трудности получения высокодисперсных частиц присадки, которые имеют высокую стоимость, недостаточная активность присадки в процессах адгезионного взаимодействия с металлическим контртелом, что препятствует образованию устойчивой экранирующей пленки.
Известна смазочная композиция, применяемая для подшипников электрических машин, на основе пластичной основы (масло и мыльный загуститель), содержащая высокодисперсной коллоидный магнетит с размером частиц 80-100 [3]. Такая смазка формирует износостойкую смазочную пленку на контактных поверхностях, которая не разрушается под действием центробежных сил и снижает износ узлов трения. Однако ультрадисперсные частицы металлов имеют высокую стоимость из-за сложной технологии получения. Кроме того, наночастицы металлов интенсивно окисляют базовое масло, что резко ухудшает его триботехнические характеристики и увеличивает интенсивность коррозионно-механического износа [4].
Наиболее близким к предлагаемому является смазочный композиционный материал, в котором в качестве смазочной основы использованы нефтяные и синтетические масла, загуститель, а в качестве функциональной присадки использованы нанодисперсные частицы ультрадисперсных алмазов (УДА), ультрадисперсного алмазосодержащего графита (УДАГ) и т.п. [5].
Такие смазочные композиционные материалы обеспечивают высокую износостойкость узла трения и оказывают мягкое полирующее действие на поверхностный слой деталей трения, что приводит к формированию сглаженного равновесного рельефа, обладающего оптимальными триботехническими характеристиками. Содержание присадки находится в диапазоне 1-5 маc.%.
Недостатками прототипа являются:
- склонность единичных наночастиц к образованию крупных агломератов (агрегации), которые оказывают абразивное воздействие на детали пары трения;
- интенсивное абразивное повреждение нанодисперсными алмазосодержащими частицами поверхности относительно мягких металлов - меди и сплавов на ее основе (бронз, латуней), алюминия и сплавов на его основе;
- недостаточная эффективность смазочной композиции при низком содержании присадки;
- длительность процесса достижения равномерной шероховатости деталей пары трения (процесса прироботки).
Задачей изобретение является повышение триботехнических характеристик смазочных композиций, содержащих небольшие добавки присадки; уменьшение абразивного изнашивания смазочной пары трения, с деталями, изготовленными из цветных сплавов; повышение эффективности смазки при эксплуатации в тяжелонагруженных узлах трения; снижение интенсивного изнашивания пары в режиме приработки; увеличение стабильности фрикционных характеристик.
Поставленная задача решается применением в качестве присадки продукта, полученного обработкой нанодисперсных частиц, фторсодержащими олигомерами с молекулярной массой 2000-5000 ед. и общей структурной формулой Rf-R1 или Rf-Rf, где Rf - фторсодержащий радикал вида
или -[СF2-СF2]n-[СF2-СF2]n-, n=2-40,
a R1 - концевая функциональная группа -ОН; -NН2; -СООН; -СF3,
В качестве нанодисперсных частиц в заявленном составе используют частицы металлов, силикатов, оксидов, углеродсодержащих продуктов и др. веществ с размерами единичных частиц, кластерных агрегатов или отдельных фаз, не превышающими 100 нм. Такие частицы по классификации академика Витязя П.А. называют нанометровыми или нанофазными [6].
Технология получения таких частиц различна: плазмохимический синтез, термолиз прекурсора в безокислительной среде, сонохимический синтез, термоокислительная обработка, механическое диспергирование и т.п.
Модифицирование нанодисперсных частиц осуществляется путем их обработки разбавленным (1-2 мас.%) раствором фторсодержащего олигомера в подходящем растворителе (фреоне, хладоне, спирте, воде и т.п.). Состав растворителя обусловлен строением и молекулярной массой выбранного олигомера.
Для интенсификации процесса модифицирования целесообразно процесс проводить при перемешивании в емкости, снабженной лопастной, винтовой, магнитной или др. мешалкой. Возможно использование для интенсификации процесса ультразвукового диспергатора (например, УЗДН-2Т).
Обработанную присадку в необходимом соотношении смешивают с базовой смазкой (пластичной смазкой или маслом). Для обеспечения гомогенизации состава смешивание осуществляют в специальных устройствах, обеспечивающих перетирание компонентов смазочного материала.
Эффективным методом гомогенизации является применение ультразвукового воздействия на материал с помощью УЗ-диспергатора.
Время гомогенизации определяется составом композиционного материала и массой приготавливаемой партии и находится в диапазоне от 10-20 мин до 3-4 часов.
Гомогенность полученного состава контролируют по критериям вязкости и интенсивности рассеяния светового потока при прохождении через стеклянную пластину с нанесенным на поверхность слоем смазочной композиции определенной толщины.
Заявляемое соотношение фторсодержащего олигомера и нанодисперсной присадки в модифицированной присадке находится в пределах 100:1-1:100.
Заявляемое содержание дисперсной присадки в базовой смазке составляет 0,1-22 маc.%.
Существенность отличий предлагаемого изобретения от прототипа состоит в том, что модифицирование нанодисперсных частиц фторсодержащим олигомером обеспечивает:
- увеличение износостойкости узла трения при одновременном снижении коэффициента трения, вследствие формирования на контактных поверхностях композиционной экранирующей пленки с низким сопротивлением сдвигу и высокой прочностью на сжатие;
- снижение склонности нанодисперсных частиц к агрегации, благодаря образованию на единичных частицах или низкоразмерных кластерах адсорбированного слоя олигомерных молекул, препятствующего непосредственному их взаимодействию;
- уменьшение абразивного воздействия нанодисперсных модификаторов на поверхность деталей трения из цветных металлов и сплавов, благодаря формированию экранирующего композиционного слоя и упрочненного приповерхностного слоя металлической детали;
- увеличение нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации узлов трения благодаря образованию на рабочих поверхностях композиционной экранирующей пленки на основе олигомерной матрицы, рамированной наночастицами;
- обеспечение транспортирования активной противоизносной добавки - фторсодержащего олигомера - непосредственно в зону фрикционного контакта, что увеличивает ресурс действия смазки и уменьшает вероятность возникновения явлений схватывания и задира на локальных участках взаимодействия деталей узла трения.
Составы композиционных смазочных материалов приведены в таблице 1.
| Таблица 1 Составы композиционных смазывающих материалов | ||||||||||
| № п/п | Компонент | Содержание материала, мас.% | ||||||||
| Прототип | Заявляемые составы | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
| 1 | Смазочная основа | |||||||||
| Литол-24 | 95 | 99,8 | 98,9 | 94,5 | 78 | - | - | 94,5 | 94,5 | 94,5 |
| Солидол-С | - | - | - | - | - | 94,5 | - | - | - | - |
| Циатим-201 | - | - | - | - | - | - | 94,5 | - | - | - |
| 2 | Дисперсная присадка (нанодисперсные частицы, модифицированные фторсодержащим олигомером) | |||||||||
| Нанодисперсные | ||||||||||
| частицы: | ||||||||||
| ультрадисперс- | ||||||||||
| ные алмазы (УДА) | 5 | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| ультрадисперс-ный графит (УДАГ)- | - | 0,1 | 1 | 5 | 20 | 5 | 5 | - | - | - |
| шихта | ||||||||||
| коллоидный графит | - | - | - | - | - | - | - | 5 | - | - |
| С-1 | ||||||||||
| β-сиалон | - | - | - | - | - | - | - | - | 5 | - |
| нанодисперсная | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 5 |
| медь | ||||||||||
| термически | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| расщепленный | ||||||||||
| графит (ТРГ) | ||||||||||
| Фторсодержащий | ||||||||||
| олигомер: | ||||||||||
| Марки Ф-1 Rf-COOH | - | 0,1 | 0,1 | 0,5 | 2,0 | - | - | 0,5 | - | - |
| Марки Ф-14 Rf-Rf | - - | - - | - - | - - | - - | 0,5 - | - - | - - | 0,5 | 0,5 - |
| Марки В-1 Rf-СООСН3 | - | - | - | - | - | - | 0,5 | - | - | - |
| Марки "Эпилам" |
| Таблица 1 (продолжение) Составы композиционных смазывающих материалов | ||||||||||
| № п/п | Компонент | Содержание материала, мас.% | ||||||||
| Прототип | Заявляемые составы | Составы сравнения | ||||||||
| 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||
| 1 | Смазочная основа | |||||||||
| Литол-24 | 95 | 94,5 | 94,5 | 94,5 | 94,5 | 99,9 | 72,5 | 94,98 | 84,9 | 100 |
| Солидол-С | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Циатим-201 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 2 | Дисперсная присадка (нанодисперсные частицы, модифицированные фторсодержащим олигомером) | |||||||||
| Нанодисперсные | ||||||||||
| частицы: | ||||||||||
| ультрадисперсные алмазы | 5 | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| (УДА) | ||||||||||
| ультрадисперсный графит (УДАГ)-шихта | - | - | - | 5 | 0,05 | 0,05 | 25 | 5 | 0,1 | - |
| коллоидный графит С-1 | - | - | 2,5 | - | - | - | - | - | - | - |
| β-сиалон | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| нанодисперсная медь | - | - | 2,5 | - | - | - | - | - | - | - |
| термически расщепленный графит (ТРГ) | - | 5 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Фторсодержа- | ||||||||||
| щий олигомер: | ||||||||||
| Марки Ф-1 Rf-COOH | - | 0,5 | - | 0,05 | - | 0,05 | 2,5 | 0,02 | 15 | - |
| Марки Ф-14 Rf-Rf | - | - | 0,5 | - | 5 | - | - | - | - | - |
| Марки В-1 Rf-СООСН3 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Марки "Эпилам" | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
Для приготовления составов смазывающих композиционных материалов использовали дисперсные присадки УДА, УДАГ (ТУ РБ 28619110. 001-95), коллоидный графит марки С-1 (производства Завалаевского графитового комбината, Украина), β-сиалоны (производства Института механики полимеров, Латвия), нанодисперсную медь (полученную разложением прекурсора в безокислительной среде), термически расщепленный графит ТРГ (производства РУНПП “Гродненский механический завод”. Дисперсность частиц наполнителя не превышала 3-10 нм для единичных частиц и 70-80 нм для нанокластеров или нанофазных областей.
В качестве фторсодержащих олигомеров использовали продукты с торговыми марками “Фолеокс” и “Эпилам” (производства Института прикладной химии, Санкт-Петербург). Базовые пластичные смазки использовали в состоянии поставки.
Триботехнические характеристики композиционных смазочных материалов приведены в таблице 2.
| Таблица 2 Триботехнические характеристики смазок | ||||||||||
| Характеристика | Показатель для смазок | |||||||||
| Прототип | Заявляемые составы | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
| Интенсивность изнашивания, J×1010 | ||||||||||
| Для пары трения ст 45 - ст 40Х | 0,25 | 0,30 | 0,25 | 0,12 | 0,18 | 0,17 | 0,12 | 0,17 | 0,19 | 0,12 |
| Для пары трения ст 45 - БрОЦС5-5-5 | Задир | 0,28 | 0,23 | 0,13 | 0,15 | 0,13 | 0,12 | 0,15 | 0,18 | 0,11 |
| Коэффициент трения | ||||||||||
| Для пары трения ст 45 - ст 40Х | 0,10 | 0,09 | 0,09 | 0,09 | 0,10 | 0,09 | 0,09 | 0,08 | 0,10 | 0,08 |
| Для пары трения ст 45 - БрОЦС5-5-5 | Задир | 0,08 | 0,08 | 0,07 | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 0,07 | 0,09 | 0,06 |
| Температура в зоне трения, К (пара ст 45 - ст 40Х) | 373 | 353 | 343 | 343 | 343 | 343 | 343 | 333 | 353 | 323 |
| Нагрузка заедания, МПа (пара ст45 - ст 40Х) | 7 | 8 | 8 | 9 | 9 | 9 | 9 | 10 | 9 | 10 |
| Время приработки, мин (пара ст 45 - Ст 40Х) | 30 | 30 | 25 | 20 | 20 | 20 | 20 | 25 | 20 | 20 |
| Таблица 2 (продолжение) Триботехнические характеристики смазок | |||||||||
| Характеристика | Показатель для смазок | ||||||||
| Прототип | Заявляемые составы | Составы сравнения | |||||||
| 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | ||
| Интенсивность изнашивания, J×10110 | |||||||||
| Для пары трения ст 45 - ст 40Х | 0,25 | 0,13 | 0,12 | 0,18 | 0,19 | 0,70 | 0,20 | 0,18 | 0,19 |
| Для пары трения ст 45 - БрОЦС5-5-5 | Задир | 0,12 | 0,11 | 0,19 | 0,17 | Задир | 0,19 | 0,15 | 0,18 |
| Коэффициент трения | |||||||||
| Для пары трения ст 45 - ст 40Х | 0,10 | 0,08 | 0,08 | 0,09 | 0,08 | 0,09 | 0,11 | 0,10 | 0,08 |
| Для пары трения ст 45 - БрОЦС5-5-5 | Задир | 0,07 | 0,06 | 0,08 | 0,07 | Задир | 0,10 | 0,09 | 0,07 |
| Температура в зоне трения, К (пара ст 45 - ст 40Х) | 373 | 333 | 323 | 343 | 343 | 423 | 373 | 353 | 343 |
| Нагрузка заедания, МПа (пара ст 45-ст 40Х) | 7 | 9 | 10 | 8 | 8 | 4 | 8 | 8 | 8 |
| Время приработки, мин (пара ст 45 - Ст 40Х) | 30 | 25 | 20 | 25 | 30 | 50 | 20 | 25 | 30 |
Триботехнические характеристики смазок оценивали на машине трения типа УМТ по схеме “вал - частичный вкладыш” при скорости скольжения 1,0 м/с, нагрузке 5 МПа и фитильном способе подведения смазки к зоне трения. Нагрузку заедания определяли при скорости скольжения 1,0 м/с. Температуру в зоне трения контролировали хромоникелевой термопарой, спай которой размещали вблизи поверхности фрикционного контакта. Приработку пары трения осуществляли при нагрузке 5 МПа и скорости скольжения 0,5 м/с. Время приработки оценивали по стабилизации коэффициента трения и температуры.
Как следует из данных таблицы 2, заявленные составы 1-13 в заявленных соотношениях превосходят по триботехническим характеристикам как базовую смазку (состав 18), так и прототип при одинаковом массовом содержании присадки (состав 3). Превышение содержания присадки более заявленного предела 22 мас.% (состав 15) или не обеспечивает достижения дополнительного эффекта или не оказывает заметного положительного действия. Превышение заявленного соотношения в присадке (дисперсная присадка: фторсодержащий олигомер) более заявленного 100:1 (состав 16) или снижение заявленного 1:100 (состав 17) резко снижает эффективность действия присадки. Фторсодержащий модификатор эффективен при различных видах наночастиц или смеси (состав 11).
Таким образом, заявляемый состав композиционного смазочного материала в заявленном соотношении компонентов превосходит прототип и базовую смазку по триботехническим характеристикам. Композиционный смазочный материал может быть использован в тяжелонагруженных узлах трения машин и механизмов, эксплуатируемых в условиях воздействия абразивных частиц, вибраций, воздействия агрессивных сред, при изменении передаваемого момента, например, в универсальном шарнире карданной передачи автомобилей и сельскохозяйственной техники.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №487931, С 10 М 1/16, 1976 г.
2. Авторское свидетельство СССР №179409, С 10 М 5/02, 1964 г.
3. Авторское свидетельство СССР №577221, С 10 М 5/02, 1977 г.
4. Влияние металлоплакирующих присадок на антифрикционные и противоизносные свойства моторного масла / В.А.Воробьева, Е.А.Лавринович, В.А.Мушинский, А.И.Лесникович // Трение и износ. - 1996. - Т.17, №6, с.827-831.
5. Влияние материала фрикционной пары на триботехнические свойства консистентной смазки, модифицированной ультрадисперсными алмазами. / Витязь П.А., Жорник В.И., Кукареко В.А., Верещагин В.А. // Трение и износ. - 2000. - Т.21, №5, с.527-533.
6. Витязь П.А. Перспективные нанофазные материалы на основе ультрадисперсных алмазов // Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения: Сб. ст. - Новополоцк, 2001. С.4-8.
Состав композиционного смазочного материала на базе нефтяного или синтетического масла, загустителя, представляющих смазочную основу, и дисперсной присадки, отличающийся тем, что в качестве дисперсной присадки используют продукт, представляющий собой нанодисперсные частицы, модифицированные фторсодержащим олигомером с молекулярной массой 2000-5000 ед. и общей формулой Rf-R1, где Rf - фторсодержащий радикал, R1 - концевая функциональная группа -ОН; -NH2; -COOH; -СF3, при соотношении нанодисперсные частицы : олигомер = 100:1-1:100 при следующем соотношении компонентов, мас.%: дисперсная присадка 0,1-22, смазочная основа - остальное до 100.
