СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
LUBRICATING COMPOSITION

Изобретение относится к области производства смазочных материалов для различного рода машин и механизмов и может быть использовано в процессе обкатки, штатной эксплуатации и восстановлении сопряженных поверхностей трения.
Известна антифрикционная присадка [РФ п. №20054456, МПК С10М 133/16, опубл. 1996.02.20] на основе нефтяного масла, которая содержит 0,2-0,5 мас.% ультрадисперсных алмазов, входящих в состав алмазосодержащей шихты, и винилсукцинимида в качестве диспергатора.
Недостатками указанной антифрикционной присадки являются низкая концентрация наноалмазов и высокая концентрация графита (шихта), необходимость применения стабилизатора и при этом недостаточная седиментационная устойчивость, что существенно сказывается на гарантийном сроке ее использования и нестабильности получаемых трибологических характеристик.
Известна возможность получения стабильных коллоидных систем с наноалмазами в масле [Zhu Y.W., Xu X.Y., Wang B.C., Fend Z.J. Surface modification and dispersion of nanodiamond in clean oil // China Particuology, 2004, Vol.2, №3, p.132-134.]. В данной публикации описано использование специальной системы стабилизации наночастиц с помощью гипердисперсантов SA-E и SA-F (hyper dispersants SA-E and SA-F), что является недостатком предложенного метода и приводит к удорожанию и усложнению технологического процесса.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является металлоплакирующая присадка, содержащая в мас.%: железо ультрадисперсное 3,0-4,0; алмаз ультрадисперсный 0,7-1,0; индустриальное или моторное масло - остальное [РФ, п. №2178803, МПК С10М 125/02, опубл. 2001.09.10 (прототип)].
Недостатками данного изобретения являются:
а) нестабильность процесса получения продукта, о чем говорит 2-стадийный способ приготовления с определением содержания железа и алмаза в промежуточном продукте (паста);
б) длительное время получения конечного продукта путем разбавления пасты маслом до нужной концентрации - смешивание производят в лопастной мешалке в течение 3-5 час;
в) узкий диапазон концентраций и низкое содержание наноалмазов (0,7-1,0 мас.%).
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание смазочных материалов с рабочим содержанием наночастиц и концентрированных смазочных композиций только на основе детонационных наноалмазов и масел или консистентных смазок, без использования стабилизирующих систем и получение продуктов с высокой коллоидной устойчивостью наночастиц или их кластеров, совместимых с любыми типами рабочих масел и смазок, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики смазочных материалов.
Поставленная задача решается тем, что в смазочной композиции, содержащей смазочный компонент и наноалмазы детонационного синтеза, новьм является то, что она содержит наноалмазы детонационного синтеза, образующие свободнодисперсные системы, обладающие коллоидной устойчивостью и дзета-потенциалом от -40 до -85 мВ, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
наноалмазы детонационного синтеза
0,01-40,00,
смазочный компонент
60,00-99,99.
Смазочным компонентом являются коммерческие (товарные) масла или консистентные смазки. Наноалмазы применяются как не фракционированные, так и фракционированные по размерам.
Заявляемое изобретение отличается от прототипа количественным содержанием и качественными характеристиками наноалмазов детонационного синтеза, и эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведены результаты стендовых испытаний пары трения сталь-сталь при различном фракционном составе наноалмазов. Варианты испытаний: 1 - коммерческое масло; 2 - коммерческое масло, содержащее наноалмазную смазочную композицию со средним размером кластеров наноалмазов 150 нм; 3 - коммерческое масло, содержащее наноалмазную смазочную композицию со средним размером кластеров наноалмазов 550 нм. На фиг.2 даны результаты стендовых испытании пары трения сталь-баббит. Варианты испытаний: 1 - коммерческое масло; 2 - коммерческое масло, содержащее наноалмазную смазочную композицию со средним размером кластеров наноалмазов 600 нм. На фиг.3 представлены размеры частиц в минеральном моторном масле: а - распределение по размеру частиц собственного пакета присадок в коммерческом масле (ТНК «Мотор Ойл», Россия); б - распределение кластеров наноалмазов смазочной композиции по размерам в масле (ТНК «Мотор Ойл», Россия). Измерения проведены на Coulter #5 в системе масло-гексан.
Известно, что свойства наноалмазов, извлеченных из продуктов синтеза различными способами, определяются отличиями их поверхностного состава. В данном случае, для достижения результата используются наноалмазы детонационного синтеза, прошедшие дополнительную очистку [РФ, п. №2252192, п. №2258671 и з. №2006106899]. В отличие от классических (общераспространенных) наноалмазов такие наноалмазы имеют повышенную чистоту поверхности, образуют свободнодисперсные системы, способны к фракционированию с узким распределением частиц по размерам от 3 до 1700 нм, обладают повышенным дзета-потенциалом от - 40 до - 85 мВ. Благодаря этим свойствам они образуют золи с высокой коллоидной устойчивостью, что позволяет вводить их в смазочные материалы без использования стабилизирующих систем с получением смазочных композиций с высокой коллоидной устойчивостью наночастиц или их кластеров.
Вводимые наноалмазы могут быть как не фракционированные, так и фракционированные, что позволяет регулировать коллоидную стабильность наночастиц и задавать различные трибологические характеристики смазочным композициям (фиг.1).
Заявляемая наноалмазная смазочная композиция готовится на основе коммерческих масел или смазок путем смешивания компонентов. Для равномерного распределения наночастиц и их кластеров применяют ультразвуковую обработку. Данный процесс проходит в одну стадию и занимает не более 30 минут. Из экономических соображений целесообразным является приготовление концентрированных продуктов, содержащих наноалмазы до 10 мас.% для масел и 40 мас.% для консистентных смазок. Однако можно получать и рабочие концентрации, которые приведены в конкретных примерах.
Результаты применения заявляемых смазочных композиций, полученных по данному изобретению, иллюстрируются следующими примерами.
Пример 1.
Лабораторные стендовые испытания пары трения сталь-сталь.
ср
cp
Смазочная композиция при следующих соотношениях компонентов, мас.%: наноалмаз 1,0; смазочный компонент (масло И 20 А) 99,0 в 100 раз разбавляется рабочим маслом марки И 20 А. Проводится определение износостойкости пар трения на лабораторном стенде: система трения диск и контртело; материал диска и контртела сталь 45; линейная скорость диска 0,6 м/сек. Критерием износостойкости являются изменения масс тел трения (весы ВЛА - 200 г - М, Россия), определяемые после окончания испытания, и площадь контакта, образующегося при износе контртела. Критерием коэффициента трения является температура масла. Продолжительность испытания 2,5 часа. Нагрузка на пары трения ступенчатая в диапазоне 5,5÷58,0 кГ. Результаты испытания масла без добавления смазочной композиции (вариант испытания 1) и с добавлением масляной композиции, содержащей фракционированные наноалмазы, имеющие средние размеры кластеров наночастиц d=150 нм (вариант испытания 2) и d=550 нм (вариант испытания 3), приведены на фиг.1.
Пример 2.
Лабораторные стендовые испытания пары трения сталь-баббит.
ср
Смазочная композиция при следующих соотношениях компонентов, мас.%: наноалмаз 5,0; базовый смазочный компонент (масло И 20 А) 95,0 в 500 раз разбавляется рабочим маслом марки И 20 А. Проводится определение износостойкости пар трения на лабораторном стенде: система трения диск и контртело. Материал диска сталь 45, линейная скорость диска 0,6 м/сек. Материал контртела баббит. Критерием износостойкости являются изменения масс тел трения (весы ВЛА - 200 г - М, Россия), определяемые после окончания испытания. Критерием коэффициента трения является температура масла. Продолжительность испытания 4,0 часа. Нагрузка на пары трения сталь-баббит постоянная 5,5 кГ. Результаты испытания масла без добавления смазочной композиции (вариант испытания 1) и с добавлением масляной композиции, содержащей фракционированные наноалмазы, имеющие средний размер кластеров наночастиц d=600 нм (вариант испытания 2), приведены на фиг.2.
Пример 3.
Лабораторные испытания смазки «Орбита».
Смазочная композиция при следующих соотношениях компонентов, мас.%: наноалмаз 40,0; смазочный компонент (смазка «Орбита») 60,0. Смазочная композиция в пропорциях 1:5 и 1:10 перемешивается со смазкой «Орбита» (ТУ 38.401-58-5-90), которая предназначена для применения в высокоскоростных подшипниках качения, работающих в интервале температур от -60°С до +150°С. Испытания проведены на изделиях (приборы типа ДУС) с несоответствующими электромеханическими параметрами и шарикоподшипниками с несоответствующей геометрией и внешним видом (коррозия, вмятины, наколы). После технологической обкатки и проведения контрольных испытаний в объеме предъявительских и приемосдаточных испытаний (термостабилизация, предельные температуры и замеры параметров) все изделия соответствовали конструкторской документации. Разборка показала, что шарикоподшипники в изделиях с несоответствующими электромеханическими параметрами значительно улучшили свою геометрию, внешний вид, накатали практически идеальные дорожки качения при применении смазочной наноалмазной композиции.
Пример 4.
Смазочная композиция при следующих соотношениях компонентов, мас.%: наноалмаз 10,0; базовый смазочный компонент (Лукойл Супер SAE 10W-40, APISG/CD) 90,0. Без смены рабочего масла смазочная композиция заливалась в силовой агрегат (Д-12А-525А) аэродромного пожарного автомобиля АА-60 МАЗ 7310 (1990 г. выпуска). Введение смазочной композиции через 145 моточасов привело: к увеличению компрессии и выравниванию ее по цилиндрам; легкому запуску агрегата как от электростартера, так и от сжатого воздуха; уменьшению шумности при работе и уменьшению расхода топлива на 10%.
Табл.1
Замеры компрессии силового агрегата до и после наработки 145 моточасов с применением наноалмазной смазочной композицией.
№ цилиндра
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Кг/см<sup>2</sup>, до применения
9
11
10
14
14
9
10
10
9
11
10
11
Кг/см<sup>2</sup>, после применения
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
Пример 5.
2
На основе смазочной композиции при соотношениях компонентов, мас.%: наноалмаз 10,0; базовый смазочный компонент (Shell Helix Plus 10W-40, API SL/CF) 90,0 путем разведения в рабочих маслах готовилось масло для испытания с содержанием наноалмаза 0,01 мас.%. Испытания проводились на грузовых тягачах (МАЗ 64229, КамАЗ 54115) и автосамосвалах (КамАЗ 55111) при переходе с зимней на летнюю смазку. Протяженность постоянного маршрута с пробегом в оба конечных пункта равна 620 км. Средний пробег автомобилей с учетом двухсменного режима работы за время испытания составил 28000-35000 км. Через 10000 км и 20000 км проводились техосмотры (ТО), заключающиеся в контроле состояния масла и узлов трения. Через 10000 км у всех без исключения автомобилей в масле наблюдались повышенное содержание посторонних механических примесей в виде мелкодисперсных частиц, а также небольшое помутнение масла. У всех испытуемых автомобилей отмечалось падение давления в масляной магистрали двигателя на 0,5-0,7 кгс/см. При визуальном осмотре пар трения агрегатов автомобилей они производили впечатление «отмытых».
2
После отстаивания в течение 12 часов масло, содержащее наноалмазы, было вновь заправлено в автомобили. Дальнейшая эксплуатация транспорта привела к повышению, выравниванию и стабилизации давления в масляной магистрали независимо от пробега автомобилей до момента проведения эксперимента. Наибольшие значения увеличения показателей на 1,5-2,0 кгс/см зафиксированы у автомобилей, имевших наибольший пробег. Стабилизация давления в масляных магистралях сопровождалась уменьшением «дымности» и содержания СО в отработанных газах (что может быть объяснено лучшим сгоранием топлива).
При осмотре трущихся поверхностей (поршень-гильза, вкладыш-шейка, направляющая-клапан) после 20000 км пробега было отмечено «затирание» изношенных поверхностей вплоть до полного восстановления линейных размеров. Величина восстановленного размера по трущимся поверхностям составляла 0.09-0,65 мм в самом проблемном сопряжении поршень-гильза. Простои по отказам испытываемой техники (исходя из отказов двигатель-главная передача) сократились на 10-12%, что привело к увеличению коэффициента использования оборудования до 0,8, а коэффициента технической готовности до 0,9-0,92.
Результаты стендовых испытаний показали, что применение смазочных композиций на основе наноалмазов детонационного синтеза позволяют получить следующие результаты:
- снижение износа поверхностей трения (фиг.1, фиг.2),
- снижение температуры масла (фиг.1, фиг.2),
- образование защитной пленки (фиг.1, фиг.2),
- использование фракционированных частиц позволяет варьировать коллоидной устойчивостью наночастиц и возможностью изменения трибологических характеристик продукта (фиг.1).
Результаты натурных испытаний показали, что применение смазочных композиций на основе наноалмазов детонационного синтеза позволяют:
- восстановить несоответствующие электромеханические параметры изделий (пример 3),
- восстановить эксплуатационные характеристики изношенных узлов трения (примеры 4 и 5),
- увеличить срок работы масла и межремонтного пробега автомобилей (пример 5),
- отказаться от применения специальных средств (например, детергентно-диспергирующей присадки для моторных масел [п. 2161182]) для очистки металлических поверхностей узлов трения при заливке нового масла (пример 5),
- снизить вредные выбросы от работающих двигателей (пример 5).
Необходимо отметить, что в смазочных композициях размеры кластеров наноалмазов меньше, чем у других компонентов присадок коммерческих масел (фиг.3). Это определяет простоту применения смазочных композиций, так как не требует отключения систем фильтрации масла агрегатов. Более того, существенное снижение неалмазных форм углерода и других примесей проявляется в высокой повторяемости результатов при применении.