АНТИФРИКЦИОННАЯ СУСПЕНЗИЯ
ANTIFRICTION SUSPENSION

Изобретение относится к технологии получения смазочных материалов, в частности к антифрикционным суспензиям, которые используются при производстве консистентных смазок, предназначенных для высоконагруженных узлов трения машин и механизмов, а также могут быть использованы при приработке новых деталей в узлах трения и при ремонтно-восстановительных операциях.
Известны антифрикционные суспензии порошков твердых смазочных материалов в индустриальных маслах, в которых в качестве твердой смазки используются порошки титаната калия как самостоятельно, так и в сочетании с другими твердыми смазками и добавками.
Основным недостатком известных антифрикционных суспензий является использование волокнистых титанатов калия, которые по своей структуре подобны асбестам и имеют канцерогенное действие, что создает проблемы с последующей утилизацией использованных масел. Кроме того, волокнистые кристаллы титанатов калия (длина в несколько десятков микрон) имеют тенденцию накапливаться в зазорах трущихся частей узлов и механизмов, что может привести к их абразивному действию.
Известна смазочная композиция, имеющая смазывающие и антизадирные свойства, предназначенная для использования при переработке стального проката (резка, раскатка, шлифовка, прессование, вытягивание и прочее), получаемая на основе трех компонентов: А - базового масла специального химического состава, В - 0,1-30% твердого смазывающего материала такого как природная или синтетическая слюда, графит, титанат калия и/или цианурат меламина, С - 0,1-20% ортофосфата и/или метафосфата калия (см. патент Японии на изобретение № JP 2028298, МПК С10М 109/02, С10М 169/04, C10N 10/02, C10N 10/08, C10N 30/00, C10N 40/22, C10N 40/24, C10N 60/02, опубл. 30.01.1990 г.).
Известна также смазочная композиция, получаемая на основе трех компонентов: А - базового масла специального химического состава, В - 0,1-30% твердого смазывающего материала, такого как природная или синтетическая слюда, графит, титанат калия и/или цианурат меламина, С - 0,1-20% ортофосфата и/или метафосфата калия (см. патент Японии на изобретение № JP 2028296, МПК С10М 109/02, С10М 169/04, C10N 10/02, C10N 10/08, C10N 30/00, C10N 40/22, C10N 40/24, опубл. 30.01.1990 г.).
Наиболее высокие трибологические свойства перечисленных смазочных композиций достигаются при использовании титаната калия в качестве твердого смазывающего компонента. Однако титанат калия, используемый в указанных изобретениях, имеет волокнистую кристаллическую структуру и, согласно различным источникам (см., например, M.E.Stanton «Relation of Particle Dimension to Carcinogeniety in Amphibole Asbestoses and Other Fibrous Materials)), J. Natl. Cancer Inst., 67, p.965-75, 1981), является опасным для здоровья технического персонала, так как обладает канцерогенными свойствами. Кроме того, волокнистые кристаллы титанатов калия, накапливаясь в зазорах трущихся частей узлов и механизмов, вызывают абразивное действие известных смазочных композиций.
Известен металлоплакирующий смазочный состав, содержащий, мас.%: смесь кластерных порошков меди и железа - 0,04-0,3; антифрикционная добавка "Галин" - 0,01-0,6, неионогенное поверхностно-активное вещество - 0,02; базовая смазка - до 100, причем соотношение Cu:Fe изменяется в пределах от 1:3 до 9:1 (см. патент РФ на изобретение №2132363, МПК С10М 125/00, С10М 125/02, С10М 125/04, C10N 30/06, опубл. 27.06.1999 г.).
Недостатком известного смазочного состава является то, что при его использовании, одновременно с увеличением антифрикционных свойств, происходит снижение индекса задира.
Известна антифрикционная противоизносная суспензия, состоящая из дисперсионной среды и введенного в нее как минимум одного силиката металла в мелкодисперсной форме, при этом в качестве дисперсионной среды используют мономер с непредельными связями, при содержании силиката металла в суспензии 0,1-20 мас.% относительно дисперсионной среды (см. патент РФ на изобретение №2237704, МПК С10М 129/02, С10М 105/00, С10М 125/26, C10N 30/06, опубл. 10.10.2004 г.).
Основным недостатком известной антифрикционной противоизносной суспензии является то, что как природные, так и синтетические минералы группы серпентина, рассматриваемые в изобретении в качестве силиката металла, всегда содержат в своем составе примеси песка, обладающего выраженным абразивным эффектом, что приемлемо только для притирочных паст.
2
2
3
2
3
Наиболее близким к предложенному техническому решению является известная антифрикционная противоизносная суспензия, состоящая из дисперсионной среды (солидол, масло), в которую введена мелкодисперсная смесь природных силикатов металлов, мас.%: SiO - 30-40, MgO - 20-35, FeO - 10-15, FeO - 4-6, AlO - 3-8, S - 2-6, сопутствующие примеси (Ti, V, Mn, Ni, Cr, Cu, K, Ca, Co) - 5-30 (см. патент РФ на изобретение №2057257, МПК F16C 33/14, опубл. 27.03.1996 г.).
Введение известной суспензии между трущимися поверхностями обеспечивает их модификацию в процессе эксплуатации, что придает деталям машин и механизмов антифрикционные свойства, позволяющие эксплуатировать их даже без использования смазочных материалов. Вместе с тем необходимо отметить, что эта суспензия может быть эффективно использована только для металлических сплавов на основе железа и требует определенного времени приработки до появления антифрикционного эффекта. Кроме того, проблема очистки природных силикатов от абразивных примесей (песок, полевой шпат) до сих пор не решена и приводит к абразивным воздействиям со стороны смазок, приготовленных на их основе.
Задачей настоящего изобретения является разработка антифрикционной противоизносной суспензии, имеющей более широкую область применения и обладающей высокими трибологическими характеристиками.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является повышение антифрикционных, противозадирных и противоизносных свойств за счет использования в составах для обработки поверхностей трения ультрадисперсного порошка титаната калия.
Указанный технический результат достигается тем, что в антифрикционной суспензии, содержащей жидкую дисперсионную среду и введенную в нее дисперсную фазу в виде порошка, при этом в качестве дисперсионной среды используют базовое масло, согласно изобретению в качестве порошка используют порошок титаната калия, состоящий из слоистых частиц чешуйчатой формы, предварительно обработанных водорастворимым поверхностно-активным веществом (ПАВ), при этом содержание порошка в суспензии составляет от 0,1 до 60%.
В качестве водорастворимых ПАВ, используемых для обработки порошка титаната калия, могут быть использованы любые органические соединения, адсорбция которых приводит к значительному снижению поверхностного натяжения на границе раздела фаз титаната калия - вода (водный раствор), по своему химическому составу используемые ПАВ могут иметь неионогенный, катионный или анионный характер.
В качестве неионогенных ПАВ может быть использован оксиэтилированный алкилфенол (например, торговой марки ОП-10) или оксиэтилированный спирт.
В качестве катионных ПАВ может быть использован цетилтриметиламмоний бромид, например, торговой марки СТАВ.
В качестве анионных ПАВ может быть использован алкилбензолсульфонат натрия (например, торговой марки СУЛЬФАНОЛ) или алкилсульфат натрия.
Антифрикционная суспензия дополнительно может содержать маслорастворимое ПАВ, например олеиновую кислоту.
Применение в качестве добавки порошка титаната калия, повышающего скольжение и износостойкость трущихся поверхностей, предварительно обработанного водорастворимым ПАВ, позволяет увеличить антифрикционные свойства суспензии и одновременно снизить ее абразивные свойства, поскольку облегчает подвижность частиц титаната калия, а также его внутренних слоев относительно друг друга, и приводит к дополнительному снижению коэффициент трения.
Для модифицирования целесообразно выбирать слабокристаллические, предпочтительно аморфные разновидности титанатов калия. Это связано с тем, что дефектные слоистые структуры более легко поддаются интеркаляции органическими молекулами и катионами за счет их проникновения в межслойное пространство, что способствует более свободному перемещению структурных слоев титаната калия относительно друг друга, обеспечивая противозадирный эффект, важный для антифрикционных добавок к смазочным материалам, а также дополнительное снижение коэффициента трения.
Порошок титаната калия, состоящий из слоистых частиц чешуйчатой формы, модифицированных за счет обработки в водных растворах ПАВ, имеет лучшие трибологические свойства по сравнению с другими видами антифрикционных добавок (графит, дисульфид молибдена, другие виды титанатов калия) за счет снижения величины коэффициента трения, а также снижения степени агломерированности частиц. Молекулы ПАВ также могут участвовать в процессе интеркаляции слоистых частиц титаната калия, проникать в межслойное пространство и увеличивать расстояние между слоями и тем облегчать их взаимное перемещение при сдвиговых деформациях. Все это обеспечивает улучшение антифрикционных свойств титаната калия и снижение его абразивной активности.
Содержание антифрикционной добавки (порошка титаната калия, состоящего из слоистых частиц чешуйчатой формы, предварительно обработанных водорастворимым ПАВ) в суспензии менее 0,1% не дает никакого эффекта, а содержание антифрикционной добавки более 60% не позволяет надежно гомогенизировать полученные суспензии.
Суспензии, содержащие 0,1-3,0 мас.% антифрикционной добавки (порошка титаната калия) могут использоваться в качестве антифрикционной противоизносной добавки к моторным маслам. Суспензия с концентрацией антифрикционной добавки 3-60 мас.% может использоваться при производстве пластичных смазочных материалов.
Дополнительное введение маслорастворимого ПАВ в состав антифрикционной суспензии, содержащей частицы титаната калия, обработанные водорастворимым ПАВ, обеспечивает дополнительное снижение величины коэффициента трения и придает частицам титаната калия олеофильный характер, что облегчает их диспергирование в базовом масле.
кип
Предлагаемая антифрикционная суспензия представляет собой дисперсию порошка антифрикционной добавки в вязком носителе - жидкой дисперсионной среде, в качестве которой использовано базовое масло. В качестве базового масла используется любое техническое масло (моторное, индустриальное и другие), например нефтяные масла (жидкие смеси высококипящих углеводородов, t=300-600°C) или синтетические масла (кремнийорганические жидкости, эфиры фосфорной, адипиновой и других кислот, полиалкиленгликоли и другие).
Антифрикционная суспензия приготавливается следующим образом. Порошок титаната калия, состоящий из слоистых частиц чешуйчатой формы, предварительно обрабатывают в течение 1 ч в 1% водном растворе ПАВ при соотношении титанат калия:раствор, равном 1:3. Затем отделяют от раствора методом декантации и далее просушивают при температуре 50°С в течение 4 ч. Обработанные водорастворимым ПАВ титанаты калия вводят в базовое масло, которое также может содержать маслорастворимое ПАВ, например олеиновую кислоту, и подвергают гомогенизации при механической обработке.
Более подробно процесс приготовления антифрикционной суспензии показан в приведенных примерах.
2
2
Пример 1. Для приготовления антифрикционной суспензии использовали титанат калия, содержащий TiO и KO в массовом соотношении 1:4,2 и состоящий из частиц слоистой структуры, имеющих чешуйчатую форму, диаметром 200-600 нм и толщиной 20-60 нм, прошедших предварительную обработку в водных растворах анионного, неионогенного и катионного водорастворимого ПАВ, в качестве которых использовали соответственно ПАВ торговых марок СУЛЬФАНОЛ (алкилбензолсульфонат натрия), ОП-10 (оксиэтилированный алкилфенол) и СТАВ (цетилтриметиламмоний бромид). В качестве базового масла использовали индустриальное масло марки И-20.
Трибологические свойства титаната калия, а именно - момент трения (антифрикционная характеристика) и диаметр пятна износа (характеристика абразивного действия), изучали в соответствии с ГОСТ 9490-75 с использованием четырехшариковой машины трения типа СР-1.
2
x
y
2
3
Примеры составов и свойства антифрикционной суспензии представлены в таблице 1. Для сопоставления трибологических характеристик параллельно приготавливали суспензию на основе базового масла И-20, а также, в соответствии с описанием изобретения по патенту РФ №2057257 (выбранного в качестве прототипа), смесь природных силикатов металлов, относящихся к группе серпентинов, имеющую химический состав (мас.%): SiO - 39,9; MgO - 30,2; FeO - 17,9; AlO - 3,1; S - 2,0; CaO - 2,5, сопутствующие примеси 5,4.
Результаты испытаний, приведенные в таблице 1, показывают, что антифрикционная суспензия предложенного состава имеет более высокие антифрикционные свойства (момент трения) по сравнению с прототипом. При этом увеличение содержания антифрикционной добавки в суспензии предложенного состава, в отличие от антифрикционной суспензии согласно патенту РФ №2057257, не приводит к увеличению износа трущихся поверхностей, а снижает его. При этом суспензия, содержащая менее 0,1% титаната калия, предварительно обработанного водорастворимым ПАВ, не проявляет антифрикционных свойств, а сопоставление результатов, полученных для различных видов водорастворимых ПАВ, использованных для обработки титаната калия, показывает, что улучшение трибологических характеристик увеличивается в ряду анионный ПАВ - неионогенный ПАВ - катионный ПАВ.
Пример 2. Антифрикционная суспензия приготавливалась аналогично описанию, приведенному в примере 1, однако в масло И-20, использованное для ее приготовления, дополнительно вводили маслорастворимое ПАВ олеиновую кислоту в количестве, обеспечивающем ее концентрацию в масле, равную 0,02 и 0,05%. В таблице 2 приведены данные, показывающие влияние добавки олеиновой кислоты на трибологические характеристики антифрикционной суспензии, содержащей 3% титаната калия, предварительно подвергнутого обработке в водном растворе ПАВ марки ОП-10.
Таблица 2
Влияние добавки олеиновой кислоты на трибологические характеристики антифрикционной суспензии, содержащей 3% титаната калия, предварительно подвергнутого обработке в водном растворе ПАВ марки ОП-10
Содержание олеиновой кислоты, %
0
0,02
0,05
Момент трения, Н·см
Диаметр пятна износа, мм
Момент трения, Н·см
Диаметр пятна износа, мм
Момент трения, Н·см
Диаметр пятна износа, мм
0,41
0,64
0,40
0,62
0,38
0,59
Данные, представленные в таблице 2, показывают, что введение в состав антифрикционной суспензии маслорастворимого ПАВ улучшает трибологические характеристики суспензии пропорционально величине добавки. Очевидно, что ограничения в величине вводимых добавок определяются только экономическими соображениями