Триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам

Использование: в получении смазочных материалов, которые могут найти применение для уменьшения износа в различных узлах трения механизмов и агрегатов. Сущность: добавка содержит в мас.%: двуокись кремния 40-45, мусковит KAl₂[AlSi₃O₁₀](ОН)₂ 2-3, альбит NaAlSi₃O₈ 3,5-4,0, микроклин KAlSi₃O₈ 2-3, полиэдральные многослойные углеродные структуры фуллероидного типа 0,001-1,0, смесь фуллеренов формулы C₆₀ и С₇₀ 0,2-5,0, аморфный углерод - остальное. Предпочтительно добавка выполнена в виде порошка с размером частиц 0,001-0,1 мкм. Технический результат - снижение износа трущихся поверхностей и повышение седиментационной устойчивости добавки. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к составам смазочных материалов, в частности к смазочным материалам, содержащим добавку на основе соединений углерода и кремния. Указанные составы могут найти применение для уменьшения износа трущихся поверхностей узлов трения как простых, так и сложных механизмов и агрегатов.

Известно, что продолжительность безаварийной работы механизмов зависит от степени износа трущихся поверхностей, которая связана с коэффициентом трения контактирующих материалов и их прочностью. Для снижения коэффициента трения, помимо тщательной полировки поверхностей, используются различные смазочные материалы, как в чистом виде (масла, солидол, и т.п.), так и с добавками, дополнительно повышающими скольжение трущихся поверхностей.

Известна триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам - серпентинит [патент РФ №2131451, М кл.⁶ С 10 М 125/26, опубл. 10.06.99, Бюл. №16]. Серпентинит-метаморфическая горная порода, состоящая из серпентина [(Mg_6-xAl_x)(Si_4-xAl_x)O₁₀(OH)₈], хризотила, антигорита, магнитного и хромистого железняков и остатков оливина и пироксенов. Порошок серпентинита, имеющий следующий фракционный состав: не менее 30% фракции с размером частиц 1,5 мкм, 35-65% фракции с размером частиц 1,5-7,0 мкм и не более 5% фракции с размером частиц более 7 мкм и не более 22 мкм, добавляли к смазке Литол - 24 в количестве 0,5-1,0 мас.%, что приводило к значительному снижению массового износа шариковых подшипников.

Однако, как показали дальнейшие исследования [см., например, патент РФ №2168663, М. кл.⁷ F 16 C 33/14, опубл. 10.06.2001, Бюл. №16], при использовании мелкодисперсных порошков, приготовленных из различных композиций на основе серпентинита, в качестве триботехнической добавки эффект нестабилен, то есть наблюдается заметный износ трущихся поверхностей, и не только в начальной период, но и в процессе стабильной работы. Кроме того, крупный помол добавки приводит к усилению абразивного износа поверхностей трения.

Также известен [патент РФ №2169172, М. кл.⁷ С 10 М 125/04, опубл. 20.06.2001, Бюл. №17] состав для повышения износостойкости узлов трения («геомодификатор трения»), включающий серпентин в виде лизардита и хризотила [Mg₆{Si₄O₈}(OH)₈], железо (магнетит) и алюминий в изоморфных примесях, 0,6-1,0% SiO₂ и 0,6-1,0% доломита. Указанный состав в виде порошка с дисперсностью 0,01-5,0 мкм добавляли в количестве 0,1-0,5 мас.% в смазочное масло двигателей внутреннего сгорания и в количестве 2-3 мас.% в пластичные смазки. При этом после механоактивации порошка (дробления и измельчения) крупные частицы магнетита удаляли из порошка методом магнитной сепарации. В результате использования тонкодисперсной триботехнической добавки заметно снижались коэффициент трения и износ образца и контртела по сравнению с образцами смазки, не содержащими добавки. Однако по сравнению с образцами, содержащими в качестве добавок порошок серпентинита той же дисперсности или смесь фуллеренов состава С₆₀-С₇₀, эффект снижения износа во всех случаях примерно одинаков.

Наиболее близкой по минеральному составу и дисперсности является триботехническая добавка, включающая 30-40% SiO₂, а также оксиды магния, трех- и двухвалентного железа и алюминия, серу и сопутствующие примеси в виде тонкодисперсного (размер частиц 0,01-1,0 мкм) порошка [патент РФ №2057257, М. кл.⁶ F 16 C 33/14, опубл. 27.03.96, Бюл. №9].

Добавку указанного состава получают в виде многокомпонентной мелкодисперсной минеральной смеси, основными компонентами которой являются серпентин, энстатит (MgSiO₃) и магнетит (FeO, Fe₂О₃), а также ленточных силикатов, биотита [K(MgFe)₃[Al,Si₃О₁₀]{ОН, F}₂], ильменита (FeTiO₃), пирротина (FeS), талька (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂), халькопирита (CuFeS) и самородной серы. Добавку вводят в вязкие носители, такие как смазочное масло, нефтяные или синтетические масла или солидол, в количестве 3-30 мас.%. Добавку наносят на трущиеся поверхности под нагрузкой не менее 10 МПа в течение 30 мин - 8 час. Наблюдалось явное визуальное улучшение состояния изношенной поверхности.

Указанная добавка использовалась для формирования прочно связанного с поверхностью трения слоя. Однако, как показано в патенте РФ №2179270, М. кл.⁷ F 16 C 33/14, опубл. 10.02.2002, Бюл. №4, она не обеспечивает формирования износостойкого слоя и проблема уменьшения износа трущихся поверхностей по-прежнему актуальна.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении износа трущихся поверхностей.

Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, также заключается в повышении седиментационной устойчивости триботехнической добавки, в результате которой она не осаждается и не задерживается, например, на фильтре и стенках центрифужного насоса дизеля при добавлении ее к моторному маслу.

Указанный технический результат достигается тем, что триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам, включающая двуокись кремния и минеральное сырье, дополнительно содержит полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа, смесь фуллеренов общей формулы С₆₀ и С₇₀ и аморфный углерод, а в качестве минерального сырья - мусковит KAl₂ [AlSi₃O₁₀](ОН)₂, альбит NaAlSi₃O₈ и микроклин KAlSi₃O₈ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Двуокись кремния	40-45
Мусковит	2-3
Альбит	3,5-4,0
Микроклин	2-3
Полиэдральные многослойные углеродные
наноструктуры фуллероидного типа	0,001-1
Смесь фуллеренов С60 и С70	0,2-5,0
Аморфный углерод	Остальное

Триботехническая добавка имеет вид мелкодисперсного порошка с размером частиц 0, 001-0,1 мкм.

Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и средним размером частиц 60-200 нм получены так, как это описано в патенте РФ №2196731, М. кл.⁷ С 01 В 31/02, опубликованном 20.01.2003, Бюл. №2.

В качестве аморфного углерода композиция содержит сажу. Фуллерены общей формулы С₆₀ и С₇₀ можно вводить отдельно, но можно использовать фуллеренсодержащую сажу, полученную, например, методом дугового разряда в атмосфере инертного газа.

Триботехническую добавку готовят следующим образом. Компоненты смеси (минеральную составляющую в форме песка с частицами не более 3 мм) дозированно загружают в смеситель, например шаровой мельницы, и перемешивают в нем при комнатной температуре. Затем смесь загружают в мельницу центробежно-планетарного типа, где смесь размалывается при разрушающем напряжении около 70 МПа. Размолотая смесь поступает в роторный сепаратор для дезагрегации и сепарации. Фракция дисперсностью 0,001-0,1 мкм отбирается и смешивается с моторными маслами или пластичными смазками. При этом в моторное масло вводится 0,005-0,1 мас.% заявляемой триботехнической добавки, а в пластичную смазку 0,1-15,0 мас.%.

Была проведена сравнительная инструментальная оценка параметров трения: линейного износа, коэффициента трения, микрошероховатости и зависимости коэффициента трения от нагрузки для жидких смазочных материалов: моторного масла, не содержащего триботехнической добавки, моторного масла, содержащего только минеральную составляющую заявляемой добавки, и моторного масла, содержащего заявляемую добавку. В качестве моторного масла использовалось масло марки М14В₂ по ГОСТ 21150-87. Добавка вводилась в количестве 0,01 мас.%. Минеральная составляющая добавки имела дисперсность 0,001-0,1 мкм; она обрабатывалась так же, как и в присутствии углеродной составляющей.

Состав испытуемых композиций приведен в таблице.

Таблица
Состав образцов масла, испытанных на стендах
№ п/п	Моторное масло M14B2	Минеральная составляющая	Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры	Смесь фуллеренов С60/С70	Аморфный углерод
1	+	-	-	-	-
2	+	+	-	-	-
3	+	+	0,01%	1%	остальное
4	+	+	0,01%	5%	остальное
5	+	+	0,01%	0,2%	остальное
6	+	+	0,001%	1%	остальное
7	+	+	1%	1%	остальное

При этом триботехническая добавка включала 42,5±2,5 мас.% двуокиси кремния, 2,5±0,5 мас.% мусковита, 3,75±0,25 мас.% альбита и 2,5±0,5 мас.% микроклина по данным рентгенофазового микроанализа.

Линейный износ образцов стали марки 40Х (ГОСТ 1050-78) с содержанием углерода 0,35-0,45 мас.% и твердостью по шкале НВ 230 -280 испытывались по контртелу из чугуна СЧ 20 (ГОСТ 19265-73) на машине трения ползункового типа 77 МТ-1 [Справочник по триботехнике. Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения. Москва, «Машиностроение», 1990, 412 с.].

Как показали испытания, при использовании смазочного масла, включающего 0,01 мас.% заявляемой триботехнической добавки, износ стального образца уменьшается в среднем на 25-30% по сравнению со смазочным маслом, не содержащим добавки. В то же время при введении в смазочное масло только минеральной составляющей добавки износ увеличивается примерно на 40%.

Коэффициент трения определяли на машине трения 2070СМТ-1 по схеме: вращающийся ролик по неподвижной колодке. Вращающийся ролик выполнен из чугуна марки ВПЧ, неподвижная колодка - из баббита марки БК-2. Испытания проводились с постоянной нагрузкой 1700 Н. Оценивался коэффициент трения в зависимости от продолжительности испытаний и триботехнических свойств смазочного материала без добавки и с различными добавками в условиях постоянной смазки.

Как показали испытания, при использовании заявляемой добавки исходный коэффициент трения не растет (даже несколько снижается) в течение 15 мин испытаний.

В отсутствие триботехнической добавки коэффициент трения резко возрастает, начиная с 4 мин испытаний. При использовании смазочного масла, включающего только минеральную составляющую добавки, коэффициент трения изначально гораздо выше и резко растет с 1 мин испытания.

На машине СМЦ-2 проводилось изучение зависимости коэффициента трения от нагрузки при ее ступенчатом увеличении в условиях капельного режима смазки для смазочного масла, не содержащего добавки, и смазочного масла, содержащего заявляемую триботехническую добавку. Испытания проводились по схеме: вращающийся ролик из чугуна ВПЧ по неподвижной колодке. Неподвижные колодки изготовлены из баббита марки БК-2 и алюминиевого сплава марки АO20-1. Максимальная нагрузка машины 3000 Н.

Как показали испытания, для трибопары чугун - баббит при смазке маслом, не содержащим добавки, коэффициент трения резко возрастает при нагрузке 2300 Н (задир). При смазке маслом, содержащим заявляемую добавку, коэффициент трения остается низким до 3000 Н.

Для трибопары чугун - сплав АO20-1 в условиях смазки маслом, не содержащим добавки, коэффициент трения резко возрастает при нагрузке 2250 Н, а при смазке маслом, содержащим заявляемую добавку, лишь при нагрузке 2750 Н.

Исследования шероховатости поверхностного слоя трибосопряжений проводились на измерительно-вычислительном комплексе «Профиль» на образцах из стали марки 40Х (ГОСТ 1050-78). Определяли высотный параметр шероховатости Ra (мкм) при трении со смазкой смазочным маслом, не содержащим добавки, смазочным маслом, содержащим заявляемую добавку, и смазочным маслом, содержащим только минеральную составляющую добавки.

Испытания показали, что шероховатость образца при смазке маслом, содержащим заявляемую добавку, резко снижается по сравнению с шероховатостью образца, испытанного в отсутствие добавки. Дополнительные испытания показали, что низкая шероховатость поверхности трения (по высотному параметру Ra, мкм) обусловлена присутствием полиэдральных многослойных углеродных наноструктур. Введение в смазочное масло только минеральной составляющей добавки увеличивает шероховатость образца.

Заявляемая триботехническая добавка была введена также в моторное масло марки М14Г₂ (ГОСТ 12337-84) в количестве 0,01 мас.%, и полученная смесь была испытана на соответствие указанному ГОСТу. Как показали испытания, проведенные в Центральной заводской лаборатории ОАО «Пушкинский завод», масло, содержащее заявляемую добавку, полностью соответствует указанному ГОСТу, в том числе требованию стабильности по индукционному периоду осадкообразования 50 час. При этом триботехнические характеристики масла улучшаются.

Дополнительным преимуществом заявляемой триботехнической добавки является ее седиментационная устойчивость, обусловленная, в частности, высокой дисперсностью. При любом размоле обычно образуется 5-7% мелкодисперсной (пылевидной) фракции; низкий выход мелкодисперсных частиц приводит к высоким затратам энергии, если стоит задача получить именно мелкодисперсный порошок. Опыт размола заявляемой композиции показал, что присутствие в ее составе полиэдральных многослойных углеродных наноструктур, которые увеличивают микротвердость поверхностей металла в зоне трения в процессе размола, приводит к существенному повышению выхода мелкодисперсной фракции. Тот же эффект увеличения микротвердости в реальном узле трения, например в дизелях, также обусловлен присутствием в триботехнической добавке указанных наноструктур.

1. Триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам, включающая двуокись кремния и минеральное сырье, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит полиэдральные многослойные углеродные структуры фуллероидного типа, смесь фуллеренов общей формулы С₆₀ и С₇₀ и аморфный углерод, а в качестве минерального сырья добавка содержит мусковит KAl₂[AlSi₃O₁₀](ОН)₂, альбит NaAlSi₃O₈ и микроклин KAlSi₃O₈ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Двуокись кремния	40-45
Мусковит	2-3
Альбит	3,5-4,0
Микроклин	2-3
Полиэдральные многослойные углеродные
структуры фуллероидного типа	0,001-1
Смесь фуллеренов С60 и С70	0,2-5,0
Аморфный углерод	Остальное

2. Триботехническая добавка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде порошка с размером частиц 0,001-0,1 мкм.