МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ МОТОРНЫХ, ТРАНСМИССИОННЫХ И ИНДУСТРИАЛЬНЫХ МАСЕЛ
METAL-COATING MULTIFUNCTIONAL COMPOSITION FOR MOTOR, TRANSMISSION AND INDUSTRIAL OIL

Изобретение относится к смазочным материалам на основе минеральных и синтетических масел, содержащих металлоплакирующую, многофункциональную композицию, повышающую антифрикционные, противозадирные, антиокислительные и моюще-диспергирующие свойства и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) грузовых и легковых автомобилей, локомотивов, речного и морского флота, а также в трансмиссионных и индустриальных маслах.
Основной целью изобретения является создание смазочной композиции, позволяющей решать следующие проблемы:
- повышение ресурса двигателей (снижение износа деталей путем применения металлоплакирующих материалов);
- снижение выброса вредных веществ при работе ДВС;
- увеличение срока службы масла и снижение его расхода.
В связи с ужесточением условий эксплуатации машин и механизмов большими тепловыми и фрикционными нагрузками широкое развитие получает новое направление в создании смазочных материалов с использованием металлоплакирующих присадок, основанное на научном открытии в триботехнике [Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике. Эффект безызносности. Водородное изнашивание металлов. Изд-во МСХА, 2004, 383 с.].
Принципиальным отличием в механизме смазочного действия металлоплакирующих материалов от традиционно применяемых является образование в процессе трения защитной (сервовитной) металлической пленки толщиной 1-2 мкм на поверхностях трения в местах фактического контакта, значительно улучшающей триботехнические характеристики, обеспечивающей автокомпенсацию износа пар трения и применительно к ДВС, создание плотного контакта между зеркалом цилиндра двигателя и сопряженными с ними поршневыми кольцами.
Для повышения антифрикционных и противозадирных свойств масел в смазочную среду вводят мягкие металлы переменной валентности в различных формах соединений: соли металлов органических и неорганических кислот, комплексных соединений, мелкодисперсных суспензий и др.
Известна металлоплакирующая присадка, содержащая соль жирной кислоты и одновалентной меди в растворе олеиновой кислоты (а. с. СССР 859425, 25.01.1979 г.).
Такая присадка улучшает антифрикционные свойства, но не обладает остальными функциональными характеристиками, очень важными для ДВС, например, антиокислительными, моюще-диспергирующими. Кроме того, из-за малой концентрации металла в присадке (сотые доли процента) невозможна автокомпенсация износа пар трения, а следовательно, и защита от водородного износа.
Для повышения антифрикционных свойств масел применяют и комплексные соединения металлов, например, оксихинолинаты олова, свинца, меди (пат. US №4431553), но из-за малой их растворимости в масле они не эффективны при больших нагрузках узла трения.
Разработана металлоплакирующая маслорастворимая композиция для смазочных материалов МСК «Валена», содержащая соль металла неорганической кислоты, алифатический спирт, эпоксидную смолу и 2-иминозамещенное индолина, а также соль металла органической кислоты, ароматический амин и полимер сукцинимида при соотношении компонентов, мас.%: соль металла органической кислоты 10-90; соль металла неорганической кислоты 1,5-25; алифатический спирт 3-55; ароматический амин 1-8; эпоксидная смола 2-10; полимер сукцинимида 2-8; 2-иминозамещенное индолина 0,5-6. Эта композиция, содержащая эффективные металлоплакирующие компоненты, соли металлов переменной валентности, обладает высокими триботехническими характеристиками - антифрикционными, противоизносными, противозадирными (пат. RU №2277579). Однако для поддержания нормального температурного режима работы ДВС к моторным маслам помимо указанных функциональных свойств предъявляются высокие требования на моюще-диспергирующие и антиокислительные свойства, особенно для тяжелонагруженных ДВС, например, локомотивов, судовых дизелей, грузовых автомобилей большой мощности. В связи с этим при разработке металлоплакирующей многофункциональной композиции в качестве металлоплакирующего компонента использовалась МСК «Валена», а концентрации моющее-диспергирующего и антиокислительного компонентов были увеличены.
Технической задачей данного изобретения является создание металлоплакирующей многофункциональной композиции для моторных, трансмиссионных и индустриальных масел, обеспечивающей повышенные антифрикционные, противозадирные, моюще-диспергирующие, антиокислительные свойства, обеспечивающей автокомпенсацию износа пар трения и защиту от водородного износа.
Поставленная задача достигается тем, что металлоплакирующая многофункциональная композиция для моторных, трансмиссионных и индустриальных масел, содержащая металлоплакирующую маслорастворимую присадку, согласно изобретению дополнительно содержит производное сукцинимида, ароматический амин, эпоксидную смолу и антипенную добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлоплакирующая маслорастворимая присадка
6-20
Производное сукцинимида
50-65
Ароматический амин
10-20
Эпоксидная смола
13-18
Антипенная добавка
0,3-0,5
В качестве металлоплакирующего компонента в композиции может использоваться присадка «Валена», примером производного сукцинимида является промышленно выпускаемая присадка С-5А. В качестве ароматического амина могут использоваться гомологи дифениламина; эпоксидной смолы - ДЭГ-1 - продукт конденсации эпихлоргидрина с гликолем; в качестве антипенной добавки - ПМС-200 (полиметилсилоксановая антипенная добавка).
Примеры составов композиции, мас.%:
Присадка «Валена»
8
12
18
Производное сукцинимида С-5А
62
58
53
Гомолог дифениламина
16
15
13,5
Эпоксидная смола ДЭГ-1
13,5
14,5
15
Антипенная добавка ПМС-200
0,5
0,5
0,5
Металлоплакирующая многофункциональная композиция (МФК) для масел, названная авторами: МФК «Сервовит», представляет собой густую жидкость зеленого цвета, хорошо растворяется в маслах, образуя раствор, в котором металл находится в виде ионов.
-1
Оценка влияния разработанной композиции МФК «Сервовит» на антифрикционные свойства масел производилась на машине трения ИИ-5018. Масло испытывалось на паре трения: стальной ролик (сталь 45) - чугунная колодка. Диаметр ролика 43 мм. Частота вращения ролика составляла 500 мин. Нижняя часть ролика окуналась в ванночку с дозированным объемом масла. Температура масла замерялась ртутным термометром. Перед испытанием колодка и ролик прирабатывались на моторном масле М-10 В в течение двух часов. Продолжительность испытания составляла три часа с постоянной нагрузкой 2600 Н, которая была принята по результатам предварительных экспериментов.
Температура и момент трения фиксировались через каждые 30 мин.
2
Исследовались образцы масел 1, 2, 3, содержащие 3,6% МФК «Сервовит», в которых концентрация присадки «Валена» составила 0,2; 0,4; 0,6%, соответственно. Для сравнения проверялось штатное масло М14В (образец 4), применяемое в настоящее время для смазывания локомотивных и судовых дизелей.
Экспериментальные данные представлены в таблицах 1-4.
В таблицах приведены зависимости коэффициента трения и температуры масел от времени испытаний при нагрузке 2600 Н.
Таблица 1
Образец №1
Время испытаний, мин
30
60
90
120
150
180
Нагрузка, Н
2600
Момент трения, Нм
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
3,5
Коэффициент трения
0,0626
0,0626
0,0626
0,0626
0,0626
0,0626
Износ, г
-
-
-
-
-
-
Температура, °С
38
38
38
39
40
37
Таблица 2
Образец №2
Время испытаний, мин
30
60
90
120
150
180
Нагрузка, Н
2600
Момент трения, Нм
4,8
2,8
2,6
2,6
3,3
2,3
Коэффициент трения
0,0859
0,0501
0,0465
0,0465
0,0590
0,0411
Износ, г
-
-
-
-
-
-
Температура, °С
35
36
39
39
38
38
Таблица 3
Образец №3
Время испытаний
30
60
90
120
150
180
Нагрузка, Н
2600
Момент трения, Нм
1,7
2,4
2,4
2,4
2,4
2,4
Коэффициент трения
0,0330
0,0429
0,0429
0,0429
0,0429
0,0429
Износ, г
-
-
-
-
-
-
Температура, °С
31
32
33
34
34
34
Таблица 4
Образец №4
Время испытаний
30
60
90
120
150
180
Нагрузка, Н
2600
Момент трения, Нм
5,65
19,65
17,10
14,75
19,65
16,8
Коэффициент трения
0,1011
0,3515
0,3059
0,2639
0,3515
0,3005
Износ, г
-
-
-
-
-
-
Температура, °С
41
85
96
92
90
92
2
2
Результаты испытаний масел (Табл. №1-4) на антифрикционные свойства показали, что при введении в основу масла М14В 3,6% композиции МФК «Сервовит», содержащей 0,2; 0,4; 0,6% металлоплакирующего компонента, коэффициент трения был практически одинаков и к концу испытаний снизился до 0,05, в то время как при применении штатного масла М14В (образец №4) коэффициент трения составил 0,3, что практически соответствует сухому трению, т.е. масло потеряло смазывающие свойства.
2
По температурному показателю масла с металлоплакирующей композицией имели среднюю температуру 36°С (при комнатной температуре 20°С), что в 2,5 раза ниже в сравнении со штатным маслом M14B, средняя температура которого к трем часам испытаний достигла 92°С.
В проводимых условиях экспериментов при продолжительности испытаний 180 минут и нагрузке на образцы 2600 Н с разными маслами износа деталей узла трения не было обнаружено.
Для выявления этого параметра условия испытаний были ужесточены: продолжительность испытаний увеличена до 6 часов, площадь трущейся поверхности верхнего образца (колодки) уменьшена в 2 раза, а нагрузка на образцы повышена с 2600 Н до 3000 Н, что соответствует удельному давлению 50 МПа. Это в определенной степени имитирует работу масла в местах фактического контакта деталей.
Были также проведены испытания масел на износ деталей при высоких удельных давлениях.
2
Второй этап испытаний был проведен с двумя образцами масел - штатное масло (образец №4) и масло M14B с содержанием 3,6% композиции МФК «Сервовит» в течение 6 часов и нагрузке 3000 Н. Изменение момента трения и температуры фиксировалось через каждые 60 мин.
Результаты испытаний приведены в таблице 5
Таблица 5
Время испытаний, мин
60
120
180
240
300
360
Масло М14 В<sub>2</sub> + МФК «Сервовит»
Момент трения, Нм
14
11,5
10,5
9,8
9,4
9,1
Коэффициент трения
0,2170
0,1782
0,1628
0,1519
0,1463
0,1411
Температура, °С
105
109
106
104
102
101
Износ
- 0,0006 г
Масло штатное
Образец №4
Момент трения, Нм
21
21
21
21,3
21
20,6
Коэффициент трения
0,3256
0,3256
0,3256
0,3302
0,3256
0,3194
Температура, С°
160
160
160
165
170
170
Износ
-0,0013 г
Как видно из данных таблицы 5 износ колодки со штатным маслом в 2 раза больше по сравнению с маслом, содержащим разработанную композицию. При этом и момент трения и температура со штатным маслом были также значительно выше. К концу 6-ти часового испытания момент трения был в 2 раза, а температура в 1,7 раза больше, чем с маслом, содержащим металлоплакирующую композицию МФК «Сервовит». Образец №4 уступает и по температурной стойкости. После запуска машины трения через 40 минут штатное масло задымило, а у масла с композицией МФК «Сервовит» дыма не было до конца испытаний.
Известно, что при работе узла трения трущиеся детали контактируют не по всей поверхности, а в отдельных ее точках, испытывая большие удельные нагрузки, вследствие чего в зоне контакта создаются высокие температуры (до 1000°С).
Масло, попадая в зону контакта с высокой температурой, подвергается глубокому окислению и другим физико-химическим процессам, приводящим к образованию вредных вторичных продуктов, которые могут содержать канцерогенные соединения (многоядерные конденсированные углеводороды).
Концентрация таких веществ уменьшается при снижении температуры трущихся поверхностей. Установлено, что при использовании металлоплакирующих смазочных материалов образующаяся сервовитная пленка защищает поверхности трения от окисления, выдерживает высокие удельные нагрузки, снижает коэффициент трения, уменьшая нагрев поверхностей, защищает от износа.
Образование сервовитной металлической пленки обеспечивает автокомпенсацию износа, повышает компрессию в двигателях, что приводит к снижению расхода топлива и масла, уменьшению вредных выбросов при работе ДВС, снижению концентрации СО в выхлопном газе в 2-3 раза.
Содержание в разработанной композиции с заявленным соотношением компонентов активного моющего компонента присадки «Валена» и дополнительное введение в композицию беззольной моюще-диспергирующей присадки сукцинимидного типа обеспечивают масла необходимыми моюще-диспергирующими свойствами.
Таким образом, созданная металлоплакирующая многофункциональная композиция обладает всеми функциональными свойствами, необходимыми для обеспечения работы моторных, трансмиссионных и индустриальных масел.