Пластичная смазка для подшипников качения

Изобретение относится к области трибологии, а именно созданию пластичных смазок для подшипников качения, применяемых во всех областях машиностроения, во многих узлах машин, автомобилей и других транспортных средств, сельскохозяйственных машин и механизмов, электрических машин и т.п. Сущность: смазка содержит в мас.%: порошок наноалмаза 0,01-0,05, мыльная основа - смазка Литол-24 - остальное до 100. Используют порошок наноалмаза детонационного синтеза, очищенный до содержания несгораемых примесей менее 0,1% от массы наноалмаза, с размерами частиц не более 5 нм. Технический результат - улучшение антифрикционных и износоустойчивых свойств смазки и, следовательно, самих подшипников. 1 табл.

 

Изобретение относится к области трибологии, а именно созданию пластичных смазок для подшипников качения, применяемых во всех областях машиностроения, во многих узлах машин, автомобилей и других транспортных средств, сельскохозяйственных машин и механизмов, электрических машин и т.п.

В отечественной промышленности широко используется пластичная многоцелевая антифрикционная смазка марки Литол-24 (ГОСТ 21150-87), рекомендованная для всех типов подшипников качения и скольжения, шарниров зубчатых и иных передач, индустриальных механизмов, электромашин. Зарубежные аналоги: SHELL-ALVANIA3; R3; CYPRINA - 3; RA; MOBILUX 3; CASTROL-SPHEROL АР3. Смазка содержит следующие компоненты, мас.%: литиевое мыло - 13, антиокислительная присадка - 0,7, вязкостная присадка - 4, минеральное масло - до 100.

Недостатком данной пластичной смазки является пониженная нрирабатываемость пар трения и недостаточная сохранность дорожек качения подшипников в процессе длительной эксплуатации. Кроме того, зарубежные аналоги являются сравнительно дорогостоящими.

Известен состав повышения противоизносных и антифрикционных свойств узлов трения, содержащий смазочный материал (одним из вариантов которого предлагается пластичная смазка Литол-24) и измельченный природный минерал с дисперсностью не более 10 мкм, содержащий, мас.%: серпентин 78-85, хлорит 2-3, магнетит 1-2, амакенит 1-2, амфибол 1,5-2, кальцит 0,5-1, рентгеноаморфная фаза 9-12 (пат. РФ №2243252, МПК C10M 125/00, C10M 125/02, опубл. 27.12.2004). Предлагаемый состав добавляется в пластичную смазку в количестве 0,5-1 мас.%.

Недостатком данного решения является наличие большого количества компонентов, входящих в противоизносный антифрикционный состав, и длительная механоактивация для получения наноразмерных частиц состава.

Известен состав консистентной смазки (заявка ЕПВ №1498472, МПК С10М 169/06, опубл. 19.01.2005), содержащей базовую смазку на основе поли-альфа-олефиновой или дифенилэфирной синтетической смазки и диуренового загустителя, в которую добавляют дитиокарбамат висмута. Такая смазка сохраняет вязкость при работе в жестких условиях работы подшипников, таких как высокие скорости вращения, создающие большие давления на поверхность качения подшипников, и повышенные температуры. Добавление дитиокарбамата висмута позволяет увеличить устойчивость к высоким температурам. Однако такая смазка имеет сложную технологию изготовления, является дорогостоящей и недостаточно доступной для российской промышленности.

Известно использование пластичной антифрикционной смазки, содержащей Литол-24, ультрадисперсный алмазографитовый порошок (УДП-АГ) 2-5%, высокодиспресную соль металла 2-15% (пат. РФ №2163921, МПК С10М 125/00, С10М 125/02, опубл. 10.03.2001). Соотношение компонентов в УДП-АГ может составлять от 2 до 50% алмаза и от 50 до 98% графита. В качестве высокодисперсной соли металла были использованы соли из группы: сульфаты олова, меди, бария или свинца, а также сульфид бария. В процессе приготовления смазки предлагается УДП-АГ вместе с солью металла диспергировать в промежуточной дисперсионной среде (бензин, ацетон и др.) 15 мин, затем растворитель выпарить. Смазка обладает высокими антифтрикционными свойствами за счет того, что соль металла заполняет макротрещины, а твердые частицы алмаза и мягкие частицы графита заполняют микротрещины и неровности, уплотняя поверхностный слой и масляную пленку.

Однако процесс приготовления данной смазки усложнен, т.к. выполняется в несколько стадий, недостатком смазки является использование вредных растворителей (бензин, ацетон, и т.д.) дисперсионной среды, которые затем выпариваются.

Известна смазочная композиция для подшипников качения (пат. Украина №48457, МПК С10М 125/02, опубл. 15.08.2002, примеры композиций 13-15, табл.5), содержащая базовую смазку Литол-24 и нанодисперсные частицы алмаза в количестве 3-6 мас.% от массы композиции. Согласно украинскому патенту, частицы характеризуются тем, что 10-40% из них имеют положительный заряд поверхности, а 60-90% частиц - отрицательный заряд. Варьируя число частиц с положительным и отрицательным зарядами в определенных пределах, получают стойкие коллоидные суспензии, повышающие антифрикционные и противоизносные характеристики.

Однако такие условия пригодны для изготовления смазок из масел с наночастицами алмаза, а в вязких композициях типа Литол-24 эти условия не выполняются ввиду того, что в них затруднен процесс седиментации даже крупных частиц. В этой связи процесс предварительной электрофоретической обработки с целью придания части частиц порошка положительного заряда и последующее выравнивание соотношений положительно и отрицательно заряженных частиц в готовой композиции лишь усложняет технологию приготовления композиции. Недостатком данной композиции является также использование большого количества порошка нанодисперсного алмаза - 3-6 мас.% (на два порядка выше, чем в композиции, предлагаемой в изобретении), что существенно удорожает получаемую композицию.

Композиция имеет довольно крупный размер частиц, о чем можно судить по размеру фильтра - 5 мкм, через который они фильтровались и затем диспергировались в воде УЗ-диспергатором. Размер частиц влияет на равномерность распределения в композиции и соответственно на качество поверхности в узлах трения, в которых она вводится.

Известна смазочная композиция (WO 91/04311, С10М 125/02, С10М 20/06, C10N 30/06, опубл. 04.04.1991) с твердым модификатором трения, используемая в качестве смазки для подшипников скольжения, направляющих, ползунов и других механизмов с трущимися поверхностями, требующими использования масляной основы.

Смазочная композиция содержит масляную основу, в качестве которой могут быть использованы минеральные или синтетические масла или смазывающие жидкости. В качестве твердого модификатора трения используют кластерный углерод, представляющий собой смесь необразивного алмаза и графита с размером кластеров 1-10 нм. Соотношение компонентов смазочной композиции составляет, мас.%: - кластерный углерод 0,01-1,0; - масляная основа- 100.

Недостатком данной композиции является использование жидкой масляной основы, которая не применима для подшипников качения общего назначения. Суть смазывания пластичными смазками в качестве основы, предназначенными для подшипников качения, заключается в том, что благодаря своей структуре они обладают прекрасными адгезионными свойствами и, постепенно расходуясь на смазывание, длительное время удерживаются в узлах трения, в то время как жидкие масла не способны удерживаться и вытекают, а так же требуется периодическая замена смазки (Лиханов В.А. и др. Пластичные смазки: Учебное пособие. - Киров: Вятская ГСХА, 2006. - 68 с.). Кроме того, используемые алмазно-углеродные кластеры содержат значительное количество углеродной фазы, т.е. несгораемых примесей, (от 1,0 до 98 мас.% при предпочтительном содержании 20-50 мас.%), которая в смазках для подшипников качения является практически загрязняющим инородным включением. Даже в случае наименьшей концентрации графита в составе смазки (1,0 мас.%) порошок алмаза остается графитизированным. Частицы алмаза в нем неочищенные и со временем их поверхность еще больше графитизируется (В.Ю.Долматов. Успехи химии. Т.76. №4. С.385), теряя поверхностную активность наноалмаза. Такая шихта при использовании в смазке значительно сокращает срок ее службы в узлах трения подшипников качения, по сравнению с использованием очищенных наноалмазов.

Наиболее близкой к предлагаемой по составу и сферам применения является пластичная смазка для роликоподшипников (в том числе для подшипников качения) (патент US 5840666, F16C 33/66, С10М 169/00, 06, опубл. 24.11.1998), в которой смазочная композиция содержит базовое масло, загуститель из группы, включающей металлическое (в т.ч. литиевое) мыло, и неорганический наполнитель из группы, включающей алмаз.

По первому варианту смазочной композиции, принятому за базу для сравнения, неорганический наполнитель, который может быть любым порошком, усиливающим коллоидную структуру смазки (оксиды, нитриты и карбиды металлов, глинистые минералы и алмаз), используется в количестве 0,05-15 мас.%. Если содержание неорганического наполнителя менее 0,05 мас.%, его усиливающий эффект недостаточен и не влияет на качество смазки. При превышении 15 мас.% неорганический наполнитель ухудшает акустические свойства и ускоряет износ поверхностей трения подшипника. Для обеспечения усиливающего эффекта на смазку без отрицательного воздействия на срок ее службы в подшипниках предпочтительно содержание неорганического наполнителя 0,1-10% по массе композиции (строки 20-30, колонка 4 описания патента). Второй вариант смазки с уреновыми загустителями в составе не имеет общих признаков с заявляемым решением. Основными недостатками пластичной смазки по прототипу являются:

- недостаточно большой срок службы смазки, за который принят срок работы подшипников до заклинивания (nonseizurelife, например колонка 8, строки 55-60), составляющий ≥1000 часов при стендовых испытаниях;

- использование повышенного количества неорганического наполнителя, более 0,05% по массе смазочной композиции;

- использование более крупных частиц неорганического наполнителя со средним размером 10-200 нм (таблица 3 и все примеры описания) может приводить к ускорению износа дорожек качения подшипников, что также влияет на срок службы подшипников;

- отсутствие характеристики используемого алмаза и примеров с его применением, что затрудняет сравнение характеристик смазок приведенных в таблицах, с заявляемой смазкой;

- усложненная технология приготовления пластичной смазки, включающая подготовку базовой пластичной основы реакцией загустителя в базовом масле, введение всех необходимых добавок, и необходимость предварительной подготовки поверхности неорганических наполнителей перед введением в состав смазки. При этом может применяться тепловое воздействие.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является создание пластичной смазки для подшипников качения с использованием загустителя - литиевого мыла и неорганического наполнителя - алмаза, имеющей многократно увеличенный срок службы при меньших количествах используемого порошка алмаза, а также упрощение технологии подготовки смазки.

Поставленная задача решается за счет того, что пластичная смазка для подшипников качения содержит пластичную основу - смазку Литол-24 и присадку в виде порошка наноалмаза детонационного синтеза, очищенного до содержания несгораемых примесей менее 0,1% от массы наноалмаза, с размером частиц не более 5 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

наноалмаз детонационного синтеза	0,01-0,05
смазка литол-24	остальное до 100.

Пластичную смазку для подшипников качения готовят простым перемешиванием двух коммерчески готовых компонентов: смазки Литол-24 и порошка наноалмаза до гомогенного состояния.

Известно, что наноалмазы, благодаря своим разнообразным и необычным свойствам, которые обусловлены нанометровым масштабом их структурных элементов, нашли широкое применение в создании новых материалов и технологий для практического использования в биологии, медицине и промышленности.

Основой предлагаемого изобретения является получений композиционного материала - пластичной смазки для подшипников качения с использованием порошка наноалмаза детонационного синтеза, свойства частиц которого позволяют при минимальной их концентрации в смазке (менее 0,05 мас.%) достичь увеличения срока службы смазки в несколько раз. Эти свойства частиц наноалмаза получены за счет глубокой химической очистки алмазо-графитовой шихты детонационного синтеза до получения основной фракции порошка наноалмаза с размером частиц 3-5 нм с выходом до 60% (патент РФ 2081821 С01В 31/06, 20.06.1997). По данным рентгенофазового анализа, количество несгораемых примесей в выделенной алмазной фракции составляет менее 0,1%. Также установлено, что полученные порошки наноалмаза сохраняют в течение длительного периода (более 15 лет) неизменными свои физико-химические свойства, в то время как порошки наноалмаза, очищенные по другим технологиям, начинают графитизироваться намного раньше и теряют свои ценные свойства (В.Ю.Долматов. Успехи химии. Т.76. №4. С.385).

Экспериментально установлено, что стабилизация поверхности полученного нами наноалмаза, его коллоидная устойчивость, электрокинетические, ионообменные и сорбционные свойства определяются, главным образом, наличием и количеством поверхностных функциональных групп (Еременко А.Н. и др. Журнал прикладной химии. 2004. Т.77. Вып.12, С.194-197). Установлено, что стабильность поверхности наночастиц алмаза в течение длительного времени обусловлена полным покрытием частиц кислородсодержащими функциональными группами. Поверхностные функциональные группы существенно повышают гидрофобные свойства наночастиц алмаза, что приводит к улучшению взаимодействия с компонентами композиционного материала (смазки) и предохраняет поверхность наночастиц алмаза от графитизации. В результате наноалмаз длительно и надежно сохраняет повышенную коллоидную устойчивость смазки и увеличивает срок ее службы, который, по данным стендовых испытаний, увеличивается более чем в 2 раза (таблица), по сравнению с данными, приведенными в патенте US 5840666.

Номинальный срок службы подшипников (L, ч), приведенный в таблице, был рассчитан по стандартной методике с режимами, аналогичными приведенным в прототипе.

Порошок наноалмаза, полученный из алмазо-углеродной шихты методом детонационного синтеза и глубокой химической очистки (пат. РФ 2081821) является готовым продуктом, не требующим технологической обработки. Он имеет наименьшее количество несгораемых примесей (менее 0,1%), которые являются практически загрязнителями смазки. Частицы наноалмаза размером 3-5 нм равномерно распределяются в объеме пластичной смазки Литол-24 и при введении в подшипники качения проникают во все микродефекты поверхности (поры, микротрещины, царапины). В результате создается ровная антифрикционная поверхность качения подшипников. При этом для достижения такого эффекта достаточно небольшого количества порошка наноалмаза (0,01-0,05% от массы смазки), что объясняется наибольшей каталитической активностью поверхности наночастиц указанных размеров. Добавление наноалмаза размером частиц 3-5 нм в базовую смазку Литол-24 в концентрациях около 0,01-0,05 мас.% более чем в 3 раза уменьшает шероховатость и количество дефектов дорожек качения, вследствие чего срок службы подшипников качения возрастает более чем в два раза (таблица), по сравнению с использованием только Литол-24.

Как видно из таблицы, увеличение концентрации порошка наноалмаза свыше 0,05% приводит к увеличению значения шероховатости и количества дефектов на дорожках качения и, следовательно, ухудшению качества смазки.

Процесс приготовления смазки заключается в механическом диспергировании наноалмаза в пластичной смазке Литол-24.

Полученной смазкой заполнялись подшипники качения 6205-2RS (ГОСТ 21150-87), которые устанавливались в специальную машину для испытания подшипников качения на долговечность (ЦКБ-72).

Испытания подшипников проводились в течение 4,5 часов с частотой вращения 8925 об/мин и радиальной нагрузкой 10290 Н, что соответствует 75% от максимально допустимой динамической грузоподъемности подшипников качения заданного типа.

После испытания проводилась оценка шероховатости дорожек качения подшипников (Ra, мкм) на профилографе-профилометре «Talysurf -5М» (фирма «RankTAYLORHOBSON», Великобритания). Необходимость измерения этих параметров обусловлена тем, что они лежат в основе современных методик расчета ряда эксплуатационных свойств деталей машин, таких как контактная жесткость, сопротивление усталости, герметичность соединений, прочность посадок, износостойкость и др.

Качественная и количественная оценка металлографических параметров проводилась на растровом сканирующем электронном микроскопе JEOLJSM 6390 LA (Япония). При увеличении дорожек качения в 100 раз подсчитывалось количество видимых дефектов (V, шт.) на определенном участке. Под видимыми дефектами понимались глубокие борозды, оставленные телами качения на поверхности дорожек качения подшипников.

Участок, на котором измерялось количество дефектов, имеет размеры 1×1 мм.

Для экспериментальной проверки заявленной смазки были приготовлены четыре состава смазок, приведенных в таблице.

Результаты, приведенные в таблице, позволяют заключить, что концентрация наноалмазов в значительной степени влияет на качество поверхности дорожек качения подшипников, причем с уменьшением концентрации наноалмазов в базовой смазке качество поверхности улучшается, а при концентрациях наноалмазов больше 0,05% мас. количество дефектов больше, чем при использовании только базовой смазки. Это означает, что наноалмазы при концентрациях выше 0,05% частично выполняют роль абразивных примесей и наносят повреждения поверхности дорожки качения подшипника.

При концентрациях наноалмазов в смазке менее 0,05% мас. шероховатость и количество дефектов значительно ниже, чем при использовании чистой смазки. Это обуславливает более продолжительный срок службы подшипника, так как чем выше качество поверхности дорожек качения, по которым происходит основной контакт и движение в подшипнике качения, тем более большую контактную долговечность имеет сам подшипник. Результаты исследования показали, что при уменьшении концентрации с 0,1% до 0,01% шероховатость уменьшается в среднем на 30%, а количество дефектов - 40%.

Таким образом, простое добавление порошка наноалмазов в базовую смазку Литол-24 в оптимальных концентрациях 0,01-0,05 мас.% значительно упрощает технологию изготовления и многократно улучшает свойства смазки. Добавление порошка в больших концентрациях не ведет к улучшению качества подшипников. А добавление свыше 0,1 мас.% порошка существенно ухудшает качество поверхности качения подшипников и удорожает полученную смазку.

Средние значении шероховатости (Ra, мкм), количество дефектов (V, шт.), дорожек качения подшипников и номинальный срок службы (L, час)

№ опыта	Вид смазки	Ra, мкм	V, шт.	≥L, ч
1	Литол 24	0,0917	9	1000
2	Литол 24+0,5% мас. наноалмазов	0,0583	15	1360
3	Литол 24+0,1% мас. наноалмазов	0,0487	11	1500
4	Литол 24+0,05% мас. наноалмазов	0,0387	4	1900
5	Литол 24+0,01% мас. наноалмазов	0,0293	3	2200

Пластичная смазка для подшипников качения, содержащая пластичную основу - смазку Литол-24 и присадку в виде порошка наноалмаза детонационного синтеза, очищенного до содержания несгораемых примесей менее 0,1% от массы наноалмаза, с размером частиц не более 5 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

наноалмаз детонационного синтеза	0,01-0,05
смазка Литол-24	остальное до 100