Способ получения трансмиссионного масла

Изобретение относится к способу получения трансмиссионного масла, включающему подготовку композиционной смеси из минерального масла и наполнителя, взятого из аллотропного термомодифицированного углерода. В качестве наполнителя в масло вводят морфологическую разновидность аллотропного термомодифицированного углерода в виде луковицеобразных наноуглеродных частиц в количестве 0,1-1,0 мас.% при температуре масла 50-60°С и одновременной ротационно-диффузионной обработке всей композиционной смеси. Луковицеобразные наноуглеродные частицы можно использовать полученными вакуумно-дуговым разрядом в виде катодного депозита, от которого отделяют периферийную часть. Технический результат - полученное масло обладает ярко выраженными антифрикционными свойствами, повышенной стойкостью к окислению при температурном воздействии, что позволяет увеличить срок службы машин и механизмов. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области смазочных материалов, предназначенных для использования в механизмах и машинах, и как защитное антикоррозионное покрытие.

В современных трибологических процессах используются различные смазочные композиции, задачей которых является снижение износов взаимодействующих поверхностей и увеличение срока службы машин. Из смазочных масел и композиций наиболее характерными являются составы с использованием минеральных масел с добавками, в качестве которых используют углеродные наполнители в виде фуллеренсодержащих материалов [RU №2198136, 2003; RU №54932, 2000; Промышленное и строительное оборудование, №3, 2003, М-СПб., с.165; RU №2227120, 2002].

Существенными недостатками известных составов масел являются низкие трибологические свойства, не обеспечивающие эффективную работу трибоконтактов при заданных давлениях на осях и опорных элементах машин и механизмов, это ведет к преждевременным износам изделий.

Из известных составов смазочных масел наиболее близким является композиция смазочного материала из минерального масла с твердой добавкой порошка фуллеренсодержащего вещества (ФСВ). Для получения такого смазочного масла используют масло типа И-40А с добавкой указанного порошка 1-5 мас.% [RU №2146277, С01М 107/00, 125/02; C10N 30/06, 1998].

Этот смазочный материал эффективнее своих аналогов за счет снижения коэффициента трения примерно на 10% и увеличения срока службы деталей, однако это масло обладает существенными и очевидными недостатками, которые заключены в принципе и составе его получения: введение в состав масла значительного количества ФСМ (от 1 до 5%) существенно повышает вязкость масла, снижает его трибологические свойства, т.к. значительная добавка ФСМ при статическом перемешивании ее с маслом не обеспечивает равномерности состава по всему объему, приводит к осадку и расслаиваемости ввиду комкования кластеров, коагуляции частиц, обладающих, как известно, свойствами акцептора; дробление таких кластеров возможно только в жидкости электрогидравлическим разрядом.

Кроме того, такое масло обладает не высокой стойкостью к окислению в нормальных и температурно-напряженных условиях его использования и хранения.

Технической задачей и положительным результатом предлагаемого трансмиссионного масла являются улучшение его трибологических свойств, повышение нагрузок при работе трибоконтактов, улучшение смазывающих характеристик в диапазоне контактных давлений и предупреждение окисляемости масла при нормальных и повышенных температурах его работы, а также сохранение однородности его массы при длительном хранении.

Указанная задача и результат достигаются за счет того, что трансмиссионное масло содержит композиционную смесь из минерального масла и наполнителя, взятого из класса аллотропного термомодифицированного углерода, при этом в качестве наполнителя в масло вводят морфологическую разновидность аллотропного термомодифицированного углерода в виде луковицеобразных наноуглеродных частиц (ЛНЧ) в количестве 0,1-1,0 мас.% при температуре масла 50-60°С и одновременной ротационно-диффузионной обработке всей композиционной смеси.

Трансмиссионное масло характеризуется тем, что наполнитель - луковицеобразные наноуглеродные частицы - получают вакуумно-электродуговым разрядом в виде катодного депозита, от которого берут периферийную часть.

Наполнителем масла взята особая форма наноуглерода, возникающая в качестве побочного продукта при вакуумно-электродуговом синтезе фуллеренов, где часть материала превращается в ФСБ, а другая его часть переносится в дуге электрическим полем с расходуемого анода на катод, где образует нарост в виде катодного депозита. Этот катодный депозит имеет цилиндрическую форму и слоистую коаксиальную морфологию. Центральная часть депозита (кор) представляет собой черный, мягкий материал, состоящий из многослойных углеродных нанотруб и нанополиэдров; этот материал является источником для получения многослойных нанотруб.

А внутренний кор окружен оболочкой, которая и визуально, и по свойствам сильно отличается от кора. Оболочка имеет серый цвет. Она значительно тверже кора. Электронно-микроскопическое исследование оболочки показывает, что она состоит из луковицеобразного наноуглерода (nanoonions). Это многослойные наночастицы из вложенных одна в другую углеродных оболочек одноатомной толщины. Этот материал, как выявлено заявителем, обладает в композиционных системах отличными антифрикционными свойствами и достаточной механической прочностью. Отличительным свойством этой морфологической разновидности углерода является его значительная стойкость по отношению к окислению кислородом воздуха при повышенных температурах. В этом он значительно устойчивее графита. Это объясняется тем, что механизмы окисления графита и луковичного углерода различны.

Окисление графита происходит за счет достаточно быстрого межслоевого внедрения кислорода на первой стадии окисления. Для луковичного же углерода эта стадия заблокирована, т.к. из-за жесткости сфероидных оболочек атомы кислорода не могут проникнуть между ними, поэтому механизмы окисления луковичного углерода иные и более медленные (pitting corrosion). Именно это определяет значительную стойкость этого материала по отношению к окислению при повышенных температурах. Его антиокислительная стойкость значительно превышает такую стойкость графита и его аллотропных термомодифицированных разновидностей типа фуллерены, нанотрубки.

Далее излагается процесс получения трансмиссионного масла (ТМ).

В качестве исходного масла берут индустриальное масло типа И-40А (Гост 20799-88) в количестве 1 литр, нагревают масло до 50-60°С в среде нагретого Ar; навеску ЛНЧ 6 г сушат при t=120°C до абсолютной влажности 5%, затем ЛНЧ вводят в объем масла и всю смесь подвергают ротационно-диффузионной обработке в течение 8 мин при температуре смеси 50°С.

Образец полученного масла исследуют лазерным анализатором частиц (тип Micro Sizer-2019) на дисперсность ЛНЧ и однородность состава смеси, - эти показатели полученного масла явились абсолютными, а качество масла соответствует высшей оценке.

Далее проведены процессы получения масла с различными мас.% добавками ЛНЧ от 0,05 до 0,13. Результаты исследования масла показали, что наиболее высокие характеристики показаны при соотношении масло: ЛНЧ в диапазоне (99,9-99,1):(0,1-0,9) мас.%, причем выход за пределы, в одну и другую крайности, указанных соотношений показал худшие характеристики, так при введении 0,08 мас.% ЛНЧ наблюдается локальное распределение его точек в объеме масла, т.е. не вся масса имеет наночастицы ЛНЧ; в то же время при введении ЛНЧ 1,2 мас.% равномерность распределения добавки в объеме масла не превышает этот показатель при 0,8 мас.%, но качество масла падает ввиду появления кластеров и комковатости, что существенно понижает свойства смазки.

Полученное смазочное масло испытано по стандартной методике на машине трения (типа СМТ-1). В качестве испытуемого механизма выбран подшипник на стальных роликах (Ст. ШХ-15), частота вращения подшипника под нагрузкой выбиралась от 100 до 4000 об/мин при уровне масла до 1/4 диаметра подшипника, нагрузка от 100 до 2000 N; температуру масла в картере поддерживали от 50 до 70°С, что выше нормы для эксперимента, но экстремально на практике при отсутствии охлаждения.

Параллельно выполнялись испытания такого же подшипника на масле по прототипу (он же - базовый образец). Определялись энергопотери на трение и объемный износ роликов и направляющих кольцевых обойм с помощью микрометра и электронно-микроскопического теста.

Сравнительный анализ обоих испытаний выявил:

- улучшение коэффициента трения и линейных интенсивностей изнашивания у подшипника, работающего на заявляемом масле на 0,35 по сравнению с образцом-прототипом;

- повышение на 10-15 мПа контактных допустимых давлений на экспериментальный образец по сравнению с образцом-прототипом;

- снижение фрикционных и износных показателей на 18-25% по сравнению с прототипом;

- предупреждение окисляемости масла с ЛНЧ-добавкой;

- получено наилучшее соотношение антифрикционных и противоизносных свойств механизма, работающего на предлагаемом составе масла, что продлевает в 4-5 раз срок службы трущихся элементов (на трибоконтакте) механизма, т.к. известное масло при t=50-70°C практически не работоспособно.

Выполненные эксперименты и сравнительный анализ при трибологических испытаниях двух образцов проявил более высокие трибологические характеристики деталей, работающих при использовании масла по данному изобретению. Это показывает оригинальность и перспективность данной разработки, существенную новизну этой работы и высокий творческий уровень исследований при составлении композиционной системы смазочного масла на основе индустриального масла, существенно улучшенного вводимой ЛНЧ-добавкой, позволяющей исключить окисление масла при нормальных и повышенных температурах.

1. Способ получения трансмиссионного масла, включающий подготовку композиционной смеси из минерального масла и наполнителя, взятого из аллотропного термомодифицированного углерода, отличающийся тем, что в качестве наполнителя в масло вводят морфологическую разновидность аллотропного термомодифицированного углерода в виде луковицеобразных наноуглеродных частиц в количестве 0,1-1,0 мас.% при температуре масла 50-60°С и одновременной ротационно-диффузионной обработке всей композиционной смеси.

2. Способ получения трансмиссионного масла по п.1, отличающийся тем, что луковицеобразные наноуглеродные частицы берут полученными вакуумно-дуговым разрядом в виде катодного депозита, от которого отделяют периферийную часть и используют в качестве наполнителя.