МОРОЗОСТОЙКАЯ ПОЛУЖИДКАЯ СМАЗКА
FROST-RESISTANT SEMI-LIQUID LUBRICANT

Изобретение относится к составам смазочных материалов, в частности смазкам для узлов трения колесных и гусеничных транспортных средств, и летательных аппаратов и может быть использовано в бортовых редукторах и приводных механизмах техники, работающей в интервале температур от минус 60°С (кратковременно от минус 65°С) до 150°С.
В настоящее время существующие полужидкие смазки обеспечивают надежную эксплуатацию техники только при температурах не ниже минус 40°С. Разработка смазок, обладающих улучшенными низкотемпературными свойствами (по показателям эффективная вязкость, температура застывания), при сохранении других эксплуатационных свойств на необходимом уровне, является актуальной задачей для обеспечения эксплуатации техники в условиях Арктики и Крайнего Севера при экстремально низких температурах (до минус 65°С).
Перед авторами стояла задача разработать морозостойкую полужидкую смазку с улучшенными низкотемпературными характеристиками, обеспеченную отечественными сырьевыми и производственными ресурсами и отвечающую следующим требованиям по основным показателям качества:
вязкость эффективная при минус 50°С и
-1
среднем градиенте скорости деформации 10 с, Па⋅с - не более 1200;
критическая нагрузка (Рк), Н - не менее 900;
нагрузка сваривания (Рс), Н - не менее 7000;
-1
пенетрация при плюс 25°С, 10 мм - не менее 400;
-1
пенетрация при минус 15°С, 10 мм - не менее 270;
температура застывания, °С - не выше минус 65
При просмотре научно-технической и патентной информации были выявлены смазки частично решающие поставленные задачи.
Известна полужидкая редукторная смазка Циатим-208, предназначенная для применения в гусеничной технике для смазывания шестеренчатых редукторов, работающих в особо тяжелых условиях. Смазка представляет собой смесь минеральных масел, загущенных кислотами окисленного петролатума и кальциевыми мылами нафтеновых кислот с добавлением противозадирных добавок [ГОСТ 16422-79]. Основной недостаток смазки - работоспособность до температуры не ниже минус 30°С, не позволяет использовать ее для решения поставленной задачи.
Известна также полужидкая редукторная смазка состава (%): литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты (3-5); полиэтилен (0,5-1,5), полиизобутилен (4-8); диалкилдитиофосфат цинка, алкилполисульфид (1-3); многозольный алкилсалицилат кальция (0,5-1,5); алкилфеноламинная смола (0,1-0,3); N-фенил-нафтиламин (0,1-1); полиметилсилоксановая жидкость (0,005-0,03); экстракт, полученный после отгонки изопропилового спирта из раствора, выделенного после экстракции биомассы бактерий Rodococcus erithropolis (1-3); минеральное масло (до 100) [RU №2048506]. Смазка обладает повышенными противоизносными и противозадирными свойствами, однако минеральная основа смазки препятствует ее применению при температурах ниже минус 40°С.
2
Известна полужидкая литиевая смазка состава (%): литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты (3-6); антиокислительная присадка-фенам (0,6-1); фторопласт-4 (1-3); дисульфид молибдена (2-4); противоизносная присадка Хайтек-312 (1,5-2); нефтяное масло или смесь нефтяных масел с кинематической вязкостью при 100°С -16,5-22 мм/с (до 100). Полужидкая литиевая смазка [патент UA64302] имеет высокие противозадирные и противоизносные свойства, работоспособна в широком интервале нагрузок, но применяется в интервале температур от минус 40°С до плюс 120°С.
Известна смазочная композиция состава (%): смесь базовых масел (5-95); ионная жидкость (1-30); полимочевинный загуститель (3-50); депрессорная присадка (0,1); полиметакрилат (6); пакет гидравлических присадок А (2,65). Не смотря на указанный в патенте нижний температурный предел применения (минус 60°С), смазочная композиция [патент СА2687149] имеет температуру застывания минус 51°С.
Наиболее близкой по составу и достигаемому эффекту является, принятая за прототип морозостойкая смазка, содержащая (%):
литиевое мыло стеариновой кислоты и/или
12-оксистеариновой кислоты
10-20;
дифениламин
0,25-0,35;
фторопласт
4-6;
диоксид титана
4-6;
ингибитор коррозии
0,5-1,5,
основу- смесь кремнийорганической жидкости и
низкотемпературного минерального масла, обеспечивающая
вязкость при минус 40°С - не более 8500 мм<sup>2</sup>/с, температуру
застывания - не выше минус 65°С до
до 100
Смазка может содержать также дисульфид молибдена, взятый в соотношении 1:1 к диоксиду титана [RU, патент №2622398, С10М 161/00, заявитель ФАУ «25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации (RU), ООО «Инженерная смазочная компания «МИСКОМ» (RU) - прототип].
Смазка обеспечивает запуск техники и ее надежную работу в условиях Арктики и Крайнего Севера до температуры минус 65°С и увеличивает ресурс работы узлов трения машин.
с
Однако основным недостатком смазки-прототипа являются неудовлетворительные трибологические свойства (нагрузка сваривания (Р)- не более 2830 Н), смазка не обеспечивает заданных требований и не может быть использована в качестве полужидкой смазки вследствие густой консистенции (пенетрация - 220-300 ед.), препятствующей ее использованию, например, в редукторы при техническом обслуживании.
Технический результат - повышение трибологических характеристик (противоизносных и противозадирных свойств) смазки при обеспечении ее полужидкой консистенции с одновременным улучшением вязкостно-температурных характеристик (вязкость эффективная) при удешевлении производства и улучшении экологических показателей.
Указанный технический результат достигается тем, что известная морозостойкая полужидкая смазка для тяжелонагруженных узлов трения, содержащая основу низкотемпературное минеральное масло, загуститель -литиевое мыло стеариновой или 12-оксистеариновой кислоты, дифениламин, фторопласт, ингибитор коррозии, согласно изобретению, дополнительно содержит дисульфид вольфрама, трикрезилфосфат и полимерный загуститель, а в качестве основы - смесь, обеспечивающую вязкость при минус 50°С не более 1200 Па⋅с, температуру застывания не выше минус 65°С, низкотемпературного минерального масла со сложным эфиром двухосновной карбоновой кислоты, в соотношении от 1:4 до 2:3 при следующем соотношении компонентов, масс. %:
литиевое мыло стеариновой или 12-оксистеариновой кислоты
3,00-7,00;
дифениламин
0,20-1,00;
фторопласт
1,50-4,00;
ингибитор коррозии
0,40-1,40;
дисульфид вольфрама
2,00-7,00;
трикрезилфосфат
1,30-6,30;
полимерный загуститель
0,20-1,00;
смесь, обеспечивающую вязкость при минус 50°С
не более 1200 Па⋅с, температуру застывания -
не выше минус 65°С, низкотемпературного минерального
масла со сложным эфиром двухосновной карбоновой кислоты,
в соотношении от 1:4 до 2:3
до 100
а также тем, что в качестве основы содержит сложный эфир двухосновной карбоновой кислоты или смесь сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот в соотношении, обеспечивающим вязкость при минус 50°С не более 1200 Па⋅с, температуру застывания не выше минус 65°С.
Для изготовления смазки использовались компоненты, широко представленные в продаже на отечественном рынке.
-1
Основа - дисперсионная среда - смесь низкотемпературного минерального масла веретенного АУ (ТУ 38. 1011232-89) и сложного эфира двухосновной карбоновой кислоты или сложный эфир двухосновной карбоновой кислоты, или смесь сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот, подобрана на основании проведенных испытаний таким образом, чтобы ее эффективная вязкость при минус 50°С и среднем градиенте скорости деформации 10 с-составляла не более 1200 Па⋅с, пенетрация не менее 400 ед., температура застывания не выше минус 65°С. В зависимости от вязкости и температуры застывания компонентов основы это условие выполняется при изготовлении смазки на смесях, содержащих в своем составе низкотемпературное минеральное масло и сложный эфир двухосновной карбоновой кислоты в соотношении от 1:4 до 2:3, а также на сложных эфирах двухосновных карбоновой кислоты, а также на смесях сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот. На основе дисперсионной среды, отвечающей именно таким условиям, была получена морозостойкая полужидкая смазка с необходимым уровнем низкотемпературных, реологических и смазывающих свойств.
Для обоснования состава дисперсионной среды были приготовлены образцы морозостойких полужидких смазок №1-№12 с различным соотношением низкотемпературного минерального масла веретенного АУ (ТУ 38.10111232-89) и сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот-диоктилсебацината термостабильного (ДОСт) (ТУ 6-06-11-88) или диоктиладипината (ДОА), на литиевом мыле 12-оксистеариновой кислоты (таблица 1), у которых были определены реологические, смазывающие и низкотемпературные свойства (таблица 2).
Результаты испытаний показали, что образцы №4, №5, №9, №10 содержащие в качестве основы смесь низкотемпературного минерального масла веретенного АУ и сложного эфира двухосновной карбоновой кислоты в соотношениях 2:3 и 1:4; образцы №6 и №11, содержащие в качестве основы сложный эфир двухосновной карбоновой кислот; а также - образец №12, содержащий в качестве основы смесь сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот, удовлетворяют требованиям (см. стр. 1) по вязкостным, реологическим (пенетрация) и низкотемпературным свойствам, предъявляемым к морозостойкой полужидкой смазке.
Проведенные испытания, а также данные, представленные в прототипе подтверждают возможность использования в качестве дисперсной фазы литиевое мыло стеариновой кислоты или литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты без снижения уровня эксплуатационных свойств морозостойкой полужидкой смазки.
Так как смазочные композиции являются нелинейными системами, т.е. в большинстве случаев невозможно заранее предопределить количественное влияние любой из их составляющих на свойства системы в целом, то для обоснования содержания указанных выше компонентов, позволяющих получить заявляемый технический результат, на основе выбранных соотношений дисперсионных сред были изготовлены образцы морозостойкой полужидкой смазки, отличающихся соотношениями компонентов дисперсионной среды (12 образцов содержащих литиевое мыло стеариновой кислоты см. прим.* таблицы 1).
Таким образом, была подобрана основа смазки - дисперсионная среда, содержащая смесь низкотемпературного минерального масла веретенного АУ (ТУ 38. 1011232-89) и сложного эфира двухосновной карбоновой кислоты, например, диоктилсебацината термостабильного (ДОСт) (ТУ 6-06-11-88), диоктиладипината (ДОА), выпускаемых, в частности, АО «НПЦ Спецнефтепродукт» или сложный эфир двухосновной карбоновой кислоты, например, диоктилсебацинат термостабильный (ДОСт) (ТУ 6-06-11-88), диоктиладипинат (ДОА) или смесь сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот, например, сложного эфира двухосновной карбоновой кислоты диоктилсебацината термостабильного (ДОСт) (ТУ 6-06-11-88), диоктиладипината (ДОА).
Дифениламин (ГОСТ 140-80)-антиокислительная присадка. Мелкие чешуйки или кристаллы от белого до светло-желтого или светло-коричневого цвета (производитель Заволжский хим. завод, Ивановская обл.).
Дисульфид вольфрама - противозадирная присадка. Паста от темно-коричневого до черного цвета, достаточно представленная на отечественном рынке.
Фторопласт - Фторопласт-4 (Ф-4) или ПТФЭ (ГОСТ 10007-80) - высокомолекулярный кристаллизованный полимер, обладающий высокой химической стойкостью и теплостойкостью, имеющий хорошие антифрикционные и диэлектрические свойства. Введен в состав в качестве противоизносной присадки. Выпускается ЗАО «Фторопластовые технологии».
Ингибитор коррозии - присадка антикоррозионная по СТО СМК.118.14. Используются такие ингибиторы коррозии, как МНЗ-1 (ТУ 38.401-501-58-236-99), НМ-1 (ТУ 2478-005-48938796-2008) или ФМТ (ТУ 2453-003-4838796-2003), обладающие схожими свойствами и заменяющие друг друга. Они предназначены для защиты изделий от атмосферной и микробиологической коррозии при эксплуатации, хранении, консервации и транспортировке в различных климатических условиях (континентальных, морских, тропических, арктических). Используется также для защиты оборудования от коррозии при межоперационной консервации теплоэнергетического оборудования. Выпускаются отечественной промышленностью.
Полимерный загуститель представляет собой неразлагающиеся в среде смазки взаимозаменяемые полимеры, например, на основе полиизобутиленатипа КП-20 (КП-20У) по ТУ 38.303-02-107-2002, КП-10 по ТУ 38.303-02-121-2003, либо сополимер этилена с пропиленом К-61 по ТУ 0257-014-40065452-09. Введен в состав как присадка, корректирующая пенетрацию и вязкость. Выпускается отечественной промышленностью.
В процессе анализа научно-технической и патентной информации применения дисульфида вольфрама в его смесях с трикрезилфосфатом и фторопластами в составе известных полужидких смазок не обнаружено. Стоит также отметить низкие трибологические свойства (критическая нагрузка и нагрузка сваривания) у данных присадок при условии их применения по отдельности. В совокупности с остальными компонентами, введенными в состав полужидкой морозостойкой смазки данные присадки обеспечивают необходимый уровень трибологических характеристик, предъявляемый к разрабатываемой смазке.
Морозостойкую полужидкую смазку готовят следующим образом.
-1
В дисперсионную среду, состоящую из низкотемпературного минерального масла и сложного эфира двухосновной карбоновой кислоты вводят заданное количество полимерного загустителя К-61, с последующим нагреванием до его полного растворения. Продолжают нагревать до температуры 140°С при непрерывном перемешивании, после чего вводят загуститель - литиевое мыло стеариновой кислоты или литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты. После его полного расплавления, смазку нагревают до температуры 200-210°С, выдерживают в течение нескольких минут, затем охлаждают до температуры 90-100°С, вводят поочередно дисульфид вольфрама, трикрезилфосфат, ингибитор коррозии, фторопласт, дифениламин, перемешивают и охлаждают до температуры 20-30°С до получения однородной массы. Затем смазку помещают в гомогенизатор и перемешивают до достижения однородной вязкой консистенции. Так же готовят морозостойкую полужидкую смазку и при использовании в качестве дисперсионной среды сложных эфиров двухосновной карбоновой кислоты или смеси сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот, в соотношении, обеспечивающем вязкость при минус 50°С и среднем градиенте скорости деформации 10 с, не более 1200 Па⋅с.
Для обоснования количественного содержания указанных выше компонентов, позволяющих получить заявляемый технический результат, были приготовлены образцы морозостойкой полужидкой смазки №13 - №28. Составы №13 - №19 образцов морозостойкой полужидкой смазки, содержат в качестве основы смесь низкотемпературного минерального масла со сложным эфиром двухосновной карбоновой кислоты в соотношении, обеспечивающем вязкость при минус 50°С не более 1200 Па⋅с, % приведены в таблице 3. Составы №20 - №28 образцов морозостойкой полужидкой смазки, содержат в качестве основы сложный эфир двухосновной карбоновой кислоты (ДОСт или ДОА) или смесь сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот представлены в таблице 4.
Все приготовленные образцы №13 - №28 морозостойких полужидких смазок прошли испытания на противоизносные и противозадирные свойства на ЧШМ по ГОСТ 9490, низкотемпературные свойства по показателям вязкость эффективная по ГОСТ 7163 и пенетрация по ГОСТ 5346. Результаты испытаний представлены в таблице 5.
к
Как видно из таблицы 5, заявляемые количественные составы морозостойкой полужидкой смазки №14-№18 и №20-№28 подтверждают ее эффективность. Показатели качества отвечают требованиям (столбец 3), предъявляемым к разрабатываемой морозостойкой полужидкой смазке. Образец №13 не обеспечивает требуемый уровень смазывающий свойств (Р=784 Н при требуемом значении не менее 900 Н), образец №19 не обеспечивает требуемого уровня показателя пенетрации при плюс 25°С-387 ед. и при минус 15°С-250 ед. при требуемом уровне не менее 400 ед. и не менее 270 ед. соответственно).
По рецептуре образца №15 (таблица 3) была приготовлена опытно-промышленная партия морозостойкой полужидкой смазки, которая прошла испытания в соответствии с нормативно-технической документацией. Результаты испытаний представлены в таблице 6.
Как видно из таблицы 6 при сравнении показателей качества опытного образца полужидкой морозостойкой смазки с прототипом и смазками, имеющими ту же область применения, предлагаемая полужидкая морозостойкая смазка превосходит известные смазки Арктол, Циатим-208 и состав по патенту № UA64302 по всем показателям качества. Результаты испытаний показали, что по показателю критическая нагрузка (строка 1) разработанный образец полужидкой морозостойкой смазки (столбец 4) превосходит все известные смазки (столбцы 5, 6, 7). По показателю нагрузки сваривания (строка 2), заявляемый образец полужидкой морозостойкой смазки превышает показатели смазки Арктол (столбец 5) и смазки по патенту UA64302 (столбец 7). Кроме того, понижена вязкость эффективная (строка 3) при минус 50°С до 102 Па-с, снижена температура застывания (строка 8) до значения ниже минус 65°С. Улучшены показатели реологических свойств, что подтверждается увеличением показателя пенетрация (строка 4). Результаты проведенных исследований противозадирных, противоизносных, реологических и физико-химических свойств пластичных смазок показывают, что по всем показателям качества разработанная морозостойкая полужидкая смазка соответствует требованиям, поставленным перед авторами (с. 1 описания).
Изобретение может быть оперативно использовано в промышленных условиях, так как все его компоненты производятся на предприятиях Российской Федерации и представлены на отечественном рынке.
Использование известной совокупности признаков (литиевое мыло стеариновой или 12-оксистеариновой кислоты, низкотемпературное минеральное масло, дифениламин, противоизносная присадка - фторопласт, ингибитор коррозии, дифениламин в сочетании с предлагаемыми существенными признаками (дисперсионная среда - смесь низкотемпературного минерального масла со сложным эфиром двухосновной карбоновой кислоты или сложный эфир двухосновной карбоновой кислоты или смесь сложных эфиров двухосновных карбоновых кислот, противозадирная присадка - дисульфид вольфрама с трикрезилфосфатом и полимерный загуститель) в заявленном количественном составе расширяет отечественную сырьевую базу производства пластичных смазок.
Применение изобретения позволит обеспечить запуск техники и ее надежную работу, в условиях Арктики и Крайнего Севера, увеличить ресурс работы узлов трения машин и механизмов за счет улучшения низкотемпературных, противоизносных и противозадирных свойств смазки без снижения уровня реологических и других физико-химических свойств. Новый состав обладает улучшенными экологическими характеристиками за счет замены неразлагаемого в природе компонента дисперсионной среды-кремнийорганической жидкости, на биоразлагаемые сложные эфиры карбоновых кислот, и одновременно позволяет снизить стоимость смазки, за счет использования более дешевых компонентов.