Пластичная смазка на биоразлагаемой основе для тяжелонагруженных узлов трения качения и скольжения
BIODEGRADABLE PLASTIC LUBRICANT FOR HEAVILY LOADED ROLLING AND SLIDING FRICTION UNITS

Изобретение относится к экологически чистым пластичным смазочным материалам, изготавливаемым на биоразлагаемой основе, имеющей улучшенные антикоррозионные и износостойкие свойства, предназначенным для применения в тяжелонагруженных узлах трения качения и скольжения в широком диапазоне нагрузок и скоростей, в интервале температур от -50 до 150°С.
Консистентные смазки с противозадирными присадками широко используются благодаря их отличному сопротивлению изнашиванию и способности выдерживать нагрузки, например, в подшипниках и системах передач автомобилей, промышленного оборудования, современных транспортных средств, промышленного, строительного и судового оборудования, а также в различных других механических средствах, применяемых в черной металлургии, на железнодорожном транспорте, в частности для смазывания зоны контакта «колесо-рельс» рельсового транспорта (далее - лубрикация) и других отраслях промышленности.
Разработка смазок, обладающих улучшенными низкотемпературными и экологическими характеристиками, при сохранении других эксплуатационных свойств на необходимом уровне, является актуальной задачей для обеспечения эксплуатации техники в условиях северных широт.
Известны пластичные смазки для узлов трения скольжения, соответствующие спецификациям США MIL-G-81827 и MIL-G-21164 С, Mobilgrease-29, фирмы "Mobil", Aeroshell Grease 17, фирмы "Shell", Isoflex PDL 300A, фирмы "Kluber Lubr" и др. (В.В. Синицын. Пластичные смазки за рубежом. М., Химия, 1983). Две первые смазки содержат загущенные гекторитовой глиной углеводородные синтетические масла, с добавкой не менее 5% дисульфида молибдена. Смазка Isoflex PDL 300А является мыльной (литиевое или кальциевое мыло), также на синтетическом углеводородном масле.
У всех указанных смазок ресурс работы в узле трения при одноразовой заправке довольно низок, т.е. они требуют систематической подпитки узла трения.
Консистентные смазки в основном содержат различные типы присадок, такие как сульфиды олефинов, жиров и масел; сера-фосфорсодержащие противозадирные присадки; дисульфид молибдена или молибденсодержащие органические соединения; соединения свинца; дитиофосфат цинка.
Из уровня техники известны композиции смазок, содержащие тиосульфат натрия, которые обладают отличными противозадирными свойствами: см. патенты Японии №3131690, №1135965 и США №4923625.
Однако, для указанных композиций, сопротивление изнашиванию не является удовлетворительным из-за повышенной возможности возникновения коррозии, так как тиосульфат натрия обладает свойством абсорбировать влагу. В частности, поскольку подшипники и системы передач изготовленного из стали оборудования, а также машины и аппараты пищевой промышленности обрабатывают смазкой в условиях, когда присутствует много воды, это провоцирует появление ржавчины, возникает коррозия и связанные с ней проблемы.
Были предложены водные смазочные композиции, но они рассматриваются как непрактичные в заявке Швейцарии №669207А5, где обсуждается способ использования водной дисперсии графита для покрытия или окраски боковых сторон рельсов, этот способ отвергается из-за того, что водная дисперсия легко смывается. В патенте СН №669207А5 описана композиция, которая включает наряду с другими компонентами полимерную смолу, которая имеет те же самые недостатки, что и другие полимеры.
Также известно изобретение (патент RU №2374312), относящееся к способу получения водных смазочных композиций, предназначенных преимущественно для смазки смыкаемых стальных поверхностей, таких как система рельс-колесо, трактор-трейлер и других узлов трения, подвергаемых большим нагрузкам. Основным недостатком является довольно узкий диапазон рабочих температур.
Наиболее распространенной смазкой для указанных выше систем является консистентная смазка, состоящая из минеральных масел и различных добавок. Большая часть такой смазки теряется сразу после соприкосновения стыкуемых поверхностей из-за плохой прилипаемости, что приводит к необходимости избыточного расходования материала и загрязнению окружающей среды не биоразлагающимися компонентами.
В патентах США №5173204 и №5308516 указано, что в системе рельс-колесо смазочную композицию следует наносить на 25% колес, используемых в этой системе. С учетом того, что эффект наиболее выражен на поворотах, для обеспечения достаточного смазывания требуется много смазочного материала, времени и усилий.
Для надлежащего функционирования в качестве смазочного и защитного покрытия на рельсе и фланцах колес рельсовая смазка должна удовлетворять определенным требованиям, наиболее важными из которых являются: она должна иметь пастообразную консистенцию, которая делает ее пригодной для перекачивания и равномерного распределения по рельсам; должна иметь хорошую адгезию и не должна легко смываться дождевой водой; она должна обладать высокой несущей способностью и быть устойчивой к высокому давлению; должна быть стабильной и функциональной в широком диапазоне температур от -20°С до +100°С.
Традиционно в основе консистентных смазок для железнодорожного транспорта лежат минеральные масла, содержащие загустители и различные присадки для обеспечения таких характеристик как вязкость и противозадирные свойства. Однако в связи с расширением использования лубрикаторов вследствие все более широкого внедрения высокоскоростных поездов, в Великобритании решено использовать пластичные смазки, которые являются биоразлагаемыми и нетоксичными. В частности, известна смазка для лубрикации BioRail, производимая фирмой Whitmore's на основе растительных масел. Испытания этой смазки проводились на железнодорожных путях 1 класса США и Канады и показали хорошие результаты. Недостатком данной смазки является узкий диапазон температур, при которых она является работоспособной.
Далее, что касается композиций консистентной смазки, которые были разработаны в последние годы, то известна композиция, которая может быть использована в широком интервале температурных областей и является превосходной по антикоррозионным свойствам. В этой композиции консистентной смазки базовое смазочное масло, синтетическое или минеральное, выделяющееся низкотемпературными, антикоррозионными свойствами, теплостойкостью и свойством нести высокую нагрузку, смешивают с 5-50 масс. % соединения кальций-сульфонатного комплекса в качестве загустителя (см. патент Японии №2002265969А).
В качестве другой композиции консистентной смазки известна композиция, содержащая тиосульфат натрия, которая ингибирует образование ржавчины и улучшает сопротивление износу, в то же время в достаточной степени сохраняя противозадирные свойства. Эта композиция консистентной смазки содержит от 0,05 до 30 масс. % тиосульфата натрия, от 0,1 до 5 мас. % добавки, выбранной из группы, состоящей из салицилата кальция, салицилата магния, фенолята кальция и сульфоната кальция, и, если требуется, от 0,1 до 5 мас. % бензотриазола (см. патент Японии №200253889А).
В качестве базового масла могут применяться растительные масла; минеральные масла и синтетические масла, такие как сложноэфирные масла, масла простых эфиров и углеводородные масла.
Недостатком этих масел являются недостаточные трибологические свойства для использования в тяжелонагруженных узлах трения при низких температурах, что не позволяет использовать их как всесезонные во всех климатических районах России, в особенности, в северных и арктических, также они не обладают достаточными экологическими характеристиками.
Наиболее близкой к изобретению является состав смазочной композиции по патенту WO 03018729 A1. Данное изобретение описывает нетоксичную биоразлагаемую консистентную смазку для механизмов, которые подвергаются высоким нагрузкам, например, рельсовых кривых на железных дорогах, гребней колес железнодорожных вагонов и локомотивов. Данную смазку также можно использовать для смазывания движущихся частей гусеничной техники, таких как ножи переключателя. Кроме того, смазку можно использовать для смазывания любого оборудования, работающего в областях, где требуется полная биоразлагаемость, например, в сельском хозяйстве, лесном хозяйстве и спорте, включая поля для гольфа, а также в морской среде, например, для смазки шлюзов и затворов, шлюзовые ворота и морские железные дороги. Также применение возможно в пищевой и фармацевтической промышленности, являющимися естественными потребителями пластичной смазки, поскольку им требуются нетоксичные и безвредные смазочные вещества. Консистентная смазка имеет следующий состав: рафинированное и дезодорированное соевое масло 72,0 масс. %, стеарат цинка 15,5 масс. %, алкоксилированный сложный эфир фосфата полиола 1,1 масс. %, бентонит не активированный 4,8 масс. %, пропиленкарбонат 1,1 масс. %, вода 1 масс. %, соевый белок 4,4 масс. %. В этой композиции пропиленкарбонат и воду, используемые в качестве активатора для бентонита, можно заменить десятикратным количеством спирта и воды.
Основной целью изобретения является разработка консистентной пластичной смазки на биоразлагаемой основе, обладающей улучшенными низкотемпературными и противозадирными свойствами, предназначенной для использования в качестве всесезонной во всех климатических районах, вплоть до северных и арктических, а также не оказывать негативного влияния на окружающую среду.
Техническим результатом является рецептура экологически чистой биоразлагаемой пластичной смазки многоцелевого назначения на основе базовых масел сложноэфирной природы, обладающих большим интервалом температур применения и хорошими смазывающими свойствами, в отсутствии токсичных компонентов, обладающей степенью биоразложения не ниже 80% (по методу ASTM D-5864), пригодной к применению в таких узлах трения как рельсы и колеса, тягач - трейлер и другие тяжелонагруженные узлы трения, обладающей такими характеристиками как легкость удаления после применения, безвредность для окружающей среды, антикоррозионная защита.
Поставленные цели достигаются экологически чистой пластичной смазкой содержащей в качестве загустителя 12-оксистеариновую кислоту 7,3-10,3 масс. %, кальция гидроокись 0,3-0,5 масс. %, лития гидроокись 0,2-0,7 масс. %, в качестве присадок, улучшающих триботехнические свойства: натрия тетраборат 2,0-4,3 масс. %, глицерин 0,9-2,1 масс. % и серную (осерненное масло) 6,8-9,0 масс. % присадки; в качестве антикоррозионной присадки янтарную кислоту 0,4-1,0 масс. %; в качестве базового масла Тубоникойл-98 6,5-15,6 масс. % и биоразлагаемую основу - масло растительное (например, рыжиковое, рапсовое или подсолнечное нерафинированные) - до 100 масс. %.
Предлагаемая смазка относится к смазке низкотемпературной водостойкой антифрикционной, предназначенной для смазывания узлов трения, работоспособной в интервале температур от -50°С до+150°С. Оптимальная морозостойкость смазочной композиции достигается при содержании базового масла Тубоникойл-98 в пределах 6,5-15,6 масс. %.
Экологическую чистоту смазочной композиции определяли по биоразлагаемости в 28-дневном тесте по методу испытаний ASTM D-5864 «Стандартный метод испытаний для определения аэробной водной биодеградации смазочных материалов». Для всех смазочных материалов приведенной выше рецептуры степень биоразложения составляла не менее 80%.
Общими для заявленной пластичной смазки и ее ближайшего аналога являются признаки, характеризующие их состав: смазки могут содержать в качестве основы смесь масел; загущенных мыльным загустителем.
В отличие от ближайшего аналога предлагаемая смазка дополнительно содержит присадки, улучшающие триботехнические свойства - натрия тетраборат и осерненное масло; вместо стеарата цинка содержит литий-кальциевое мыло 12-оксистеариновой кислоты; не содержит бентонита, кроме того, заявленная пластичная смазка отличается соотношением ингредиентов.
Способ получения смазки состоит в предварительном получении мыл 12-оксистеариновой кислоты, выпаривании воды при 95-105°С и добавления после этого дисперсионной среды. Данный способ позволяет предотвратить омыление растительной дисперсионной среды, что существенно снижает склонность смазочного материала к образованию эмульсий с водой.
Для получения смазки в реактор с мешалкой загружают рассчитанное количество 12-оксистеариновой кислоты и производят нагрев до температуры 80-85°С, после расплавления добавляют при интенсивном перемешивании суспензию смеси щелочей (соотношение щелочь: вода - 30:70) и проводят выпаривание воды при температуре 95-105°С, далее в реактор вводят 30% от общего количества смеси базовых масел и весь объем осерненного масла; температуру реакционной смеси повышают до 130-140°С и выдерживают при температуре 130-140°С до получения однородности; затем вводят еще 30% от общего количества смеси базовых масел и осуществляют нагревание до температуры плавления мыл 190-200°С, расплав при этом становится прозрачным, после получения прозрачного расплава нагревание прекращают; далее при интенсивном перемешивании, для остывания добавляют оставшиеся 40% от общего количества смеси базовых масел, при достижении температуры 55-65°С при интенсивном перемешивании вводят янтарную кислоту и раствор тетрабората натрия в глицерине после чего производят розлив в металлические или пластиковые закрывающиеся емкости.
Консистентные смазки можно охарактеризовать пределом прочности, температурами застывания и каплепадения, коллоидной стабильностью и способностью снижать диаметр пятна износа, трущихся стальных шаров. Во всех случаях смазки имеют низкую температуру застывания и высокую температуру каплепадения, что дает возможность их применения в широком температурном диапазоне, покрывающем, по меньшей мере, диапазон от -50 до 150°С.
Пластичная смазка, полученная таким образом по отношению к прототипу, имеет улучшенные показатели, характеризующие реологические и механические свойства смазки. В результате улучшения этих показателей пластичная смазка приобретает повышенную работоспособность в узлах трения. Это свойство пластичной смазки, подтвержденное опытным путем, не является очевидным в свете известных теоретических представлений.
Для иллюстрации предлагаемого технического решения были приготовлены образцы пластичной смазки известным способом
Характеристики полученных смазок при различных соотношениях представлены в табл. 2
Эффект от улучшения реологических свойств смазки проявляется в увеличении ее работоспособности в узлах трения, а также в уменьшении расхода дорогого загустителя при одинаковых параметрах смазок.
В таблице 3 представлены результаты сравнительных эксплуатационных испытаний смазок, изготовленных по примерам 1 и 2.
Как видно из таблицы 3, предлагаемая смазка имеет неоспоримые преимущества по продолжительности работы перед смазкой по патенту WO03018729A1 при значительном снижении ее себестоимости (в среднем почти в полтора раза).
Таким образом, предложена многоцелевая низкотемпературная консистентная (пластичная) смазка на основе нетоксичных компонентов, и может быть использована для работы узлов трения в диапазоне температур от минус 50 до плюс 150°С. Среди возможных областей применения низкотемпературной консистентной смазки следует указать широкий круг машин и механизмов, эксплуатируемых в условиях Арктики и Крайнего Севера, в том числе все виды транспорта, буровые установки, оборудование для переработки нефти и газа.