СИНТЕТИЧЕСКАЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
SYNTHETIC LUBRICANT COOLANT WITH CARBON NANOTUBES

Изобретение относится к синтетическим смазочно-охлаждающим жидкостям для механической обработки металлов и может быть использовано на машиностроительных предприятиях различных отраслей народного хозяйства.
Известен концентрат синтетической смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) для механической обработки металлов Аквол 14 (ТУ 38 101971-84) [1], содержащий в своем составе следующие компоненты, мас.%:
Малеиновый ангидрид
15
Полипропиленгликоль ПЭГ-35 или Гидропол 200
10
Триэтаноламин
30
Синтанол ДС-10 (или ОП-10, НЦСЭ 12)
0,5
Нитрит натрия
4,0
Бензтриазол
0,2
Вода
До 100
Данная СОЖ в виде 3%-ных водных растворов применяется на операциях точения, сверления, шлифования углеродистых и легированных сталей и обеспечивает хорошие технологические свойства. Недостатком ее являются невысокие антикоррозионные свойства в отношении черных металлов, поэтому в состав добавляется нитрит натрия, который вследствие своей токсичности запрещен во многих странах мира. Кроме того, СОЖ обладает низкими трибологическими свойствами, а также в процессе работы она частично расслаивается.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении трибологических свойств и увеличении периода стойкости режущего инструмента. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что синтетическая смазочно-охлаждающая жидкость содержит смешанные в воде триэтаноламин, соду кальцинированную, нитрит натрия, противопенную присадку и модификатор, в качестве которого использован дисперсный водный раствор углеродных нанотрубок при их концентрации 170-300 млн/мл, полученный с помощью ультразвука, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Триэтаноламин - 0,8…1,6
Сода кальцинированная - 0,25…0,35
Нитрит натрия - 0,25…0,5
Противопенная присадка - 0,1…0,08
Модификатор - 0,01…1,0
Вода - остальное
при этом дисперсность водного раствора целесообразно выбрать на уровне 3,5-5,0 мкм, диаметр нанотрубок 40-60 нм, а их длину не более 2 мкм, и в качестве противопенной присадки использовать полисилоксановую жидкость.
На графике показано влияние концентрации углеродных нанотрубок на трибологические свойства раствора.
Приведенный график показывает нецелесообразность увеличения концентрации углеродных нанотрубок в растворе свыше 300 млн/мл.
Углеродные многослойные нанотрубки получены при каталитической конверсии метана при температуре 750°С и давлении 0,002 МПа в аппарате каталитического пиролиза с неподвижным слоем катализатора (производства ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С.Артемова»). Полученный материал представляет смесь нановолокон и нанотрубок диаметром 40-60 нм и длиной до 2 мкм. Оценка параметров нанотрубок осуществлялась путем сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии.
Качественную смесь воды и нанотрубок удалось получить диспергированием углеродных нанотрубок в воде в среде ультразвука с помощью универсальной ультразвуковой ванны с частотной модуляцией ИЛ100-3/1. Оптимальное время диспергирования составляет 6-8 мин. Графитовые нанотрубки обладают следующими свойствами:
Свойства
Однослойные нанотрубки
Сравнение с известными данными
Характерный размер
Диаметр от 0,6 до 1,8 нм
Предел электронной литографии 7 нм
Плотность
1.33-1.4 г/см<sup>3</sup>
Плотность алюминия 2.7 г/см<sup>3</sup>
Прочность на разрыв
45 ГПа
Самый прочный сплав стали разламывается при 2 ГПа
Упругость
Упруго изгибается под любым углом
Металлы и волокна из углерода ломаются по границам зерен
Стабильность по температуре
До 2800°С в вакууме и 750°С на воздухе
Металлизация в схемах плавится при 600-1000°С
Указанные физико-механические свойства подтверждают их высокую несущую способность, которую необходимо получить в зоне контакта инструмента и заготовки для предотвращения схватывания и сваривания трущихся (контактирующих) поверхностей.
Активная составляющая жидкости (изобретения) состоит из молекул меньшего размера, цепи которых ориентированы не перпендикулярно, а параллельно к контактирующим поверхностям, что обеспечивает высокую проникающую способность СОЖ в зону резания. Кроме этого графитовые нанотрубки, имеющие высокие физико-механические свойства, присутствуя в зоне резания, сокращают возможность контактирования трущихся поверхностей, воспринимая на себя большие контактные нагрузки. Цилиндрическая форма нанотрубок повышает несущую способность клина СОЖ в зоне резания.
Оценка трибологических свойств предлагаемой СОЖ различных концентраций, включая и прототип, проводилась через критерий нагрузки сваривания (Рс) и показатель износа (Дн) для нагрузки 1300 Н при 120-секундных испытаниях. Последние определялись на 4-шариковой машине по методике согласно ГОСТ 9400-75, антикоррозионные свойства - ГОСТ 6243-75 на пластинках из серого чугуна по ГОСТ 24104, биологическая стойкость - ГОСТ 9.085-78.
Использование предлагаемого смазочно-охлаждающего средства обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
- повышаются трибологические свойства, особенно по критерию нагрузки сваривания (несущая способность) в 1,7 раза;
- увеличивается период стойкости режущего инструмента на 20-40%.