Состав композиционного смазочного материала

Состав композиционного смазочного материала

Реферат

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 R_f-R₁ или R_f-R_f, где R_f - 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 1Составы 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	-
коллоидныйграфитС-1	-	-	2,5	-	-	-	-	-	-	-
β-сиалон	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
нанодисперснаямедь	-	-	2,5	-	-	-	-	-	-	-
термическирасщепленныйграфит (ТРГ)	-	5	-	-	-	-	-	-	-	-
Фторсодержа-
щий олигомер:
Марки Ф-1Rf-COOH	-	0,5	-	0,05	-	0,05	2,5	0,02	15	-
Марки Ф-14Rf-Rf	-	-	0,5	-	5	-	-	-	-	-
Марки В-1Rf-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 2Триботехнические 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 R_f-R₁, где R_f - 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.