БЕЗГРАФИТОВАЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СМАЗКА
GRAPHITELESS HIGH-TEMPERATURE LUBRICANT

Настоящее изобретение относится к высокотемпературной смазке, предназначенной для применения при горячей обработке металлов.
Предпосылки создания изобретения
При горячей обработке металлов, прежде всего стали, давлением, проводимой при температурах в пределах от 700 до 1300°С, на нагретой поверхности металла в результате взаимодействия с окружающим воздухом образуется окалина. При производстве бесшовных стальных труб путем горячей прокатки сплошную заготовку подвергают прошивке с получением толстостенной трубы, так называемой гильзы, которую затем на последующих операциях прокатки подвергают раскатке. В данном случае опасность образования окалины на нагретой металлической поверхности гильзы особенно высока при переходе к процессу ее раскатки. При проведении последующих операций прокатки такая образовавшаяся на поверхности гильзы окалина может привести к появлению внутренних дефектов в бесшовной трубе. По этой причине образующуюся окалину удаляют, например, струей сжатого воздуха или инертного газа. Помимо этого на внутреннюю поверхность гильз наносят в качестве смазок или травителей самые разнообразные вещества в порошкообразном виде. В качестве примеров подобных смазок или травителей можно назвать графит, нитрид бора, сульфид молибдена, силикаты или фосфаты щелочноземельных металлов, а также смеси указанных материалов.
В состав многих смазок, применяемых при горячей обработке металлов давлением, входит графит благодаря его высоким смазывающим свойствам. Однако с применением графита в смазках связан целый ряд существенных проблем, таких, например, как насыщение обрабатываемой металлической поверхности углеродом в графитовой модификации, из-за чего состав и свойства металлической поверхности могут претерпевать значительные изменения. Помимо этого использование графита нежелательно и с точки зрения гигиены труда, поскольку графитовый порошок легко распыляется в окружающей атмосфере и представляет серьезную опасность для здоровья работающих поблизости людей при его вдыхании.
Кроме того, многие известные смазки из-за своих физических свойств и гранулометрического состава обладают недостаточно хорошей сыпучестью, соответственно текучестью. Крупнозернистый материал часто образует на металлической поверхности недостаточно равномерно покрывающий ее слой и поэтому малоэффективно препятствует окалинообразованию на ней. Известные же мелкозернистые материалы с частицами размером, например, менее 50 мкм часто проявляют склонность к комкованию, прежде всего при хранении, и поэтому лишь с трудом поддаются нанесению распылением в виде порошка на металлическую поверхность. Вместе с тем очевидное преимущество материалов с меньшим размером составляющих их частиц состоит в возможности образования ими более равномерного слоя на металлической поверхности, однако подобное преимущество при использовании известных мелкозернистых составов сводится на нет из-за высокой их склонности к комкованию.
Задача изобретения
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача предложить высокотемпературную смазку с хорошей сыпучестью и текучестью для разрушения образующейся на нагретой металлической поверхности окалины, которая (смазка) допускала бы возможность ее нанесения в порошкообразном виде на металлическую поверхность равномерным слоем, сохраняла бы даже после длительного хранения в производственных условиях свою хорошую сыпучесть и текучесть, не проявляя при этом заметной склонности к комкованию, и исключала бы необходимость в использовании графита в ее составе.
Описание изобретения
Указанная задача решается согласно изобретению с помощью высокотемпературной смазки, которая предназначена для применения при горячей обработке металлов и представляет собой смесь, содержащую в качестве ее компонентов по меньшей мере следующие тонкопорошковые материалы со средним размером частиц не более 150 мкм:
(а) вторичное и/или третичное кальцийфосфатное соединение,
(б) жирную кислоту или ее соль,
(в) борную кислоту, соль борной кислоты (борат) и/или содержащий соль борной кислоты (борат) минерал и
(г) конденсированные фосфаты щелочных металлов,
и которая не содержит никаких добавок графита.
При создании изобретения неожиданно было установлено, что предлагаемая в нем смесь компонентов (а), (б), (в) и (г) особо пригодна для применения в качестве смазки при горячей обработке металлов. Вместе с тем очевидно, что предлагаемая в изобретении смазка в дополнение к указанным выше компонентам может содержать и другие компоненты при условии, что они не оказывают существенного отрицательного влияния на требуемые предпочтительные свойства смазки.
5
4
3
3
4
2
Вторичные и/или третичные кальцийфосфатные соединения в качестве повышающих сыпучесть вспомогательных веществ неожиданно зарекомендовали себя как наиболее пригодные для применения в высокотемпературной смазке предлагаемого в изобретении типа, предназначенной для использования при горячей обработке металлов. Монокальцийфосфат не пригоден для применения в предлагаемой в изобретении высокотемпературной смазке, поскольку он даже при нормальной влажности воздуха приводит к комкованию. Фосфат кальция в качестве компонента предлагаемой в изобретении высокотемпературной смазки наиболее предпочтительно выбирать из гидроксилапатита [Са(PO)ОН] и трикальцийфосфата [Са(PO)], из которых особенно предпочтителен гидроксилапатит.
Предлагаемая в изобретении высокотемпературная смазка содержит далее жирную кислоту или ее соль в смеси с остальными компонентами смазки. При создании изобретения неожиданно было установлено, что применение жирной кислоты или ее соли позволяет существенно снизить склонность мелкозернистого порошка к комкованию и повысить его стойкость при хранении. Не основываясь на какой-либо теории, полагают, что жирная кислота или ее соль, оседая на частицах одного либо нескольких других компонентов смеси, образует на них своего рода оболочку, которая предотвращает или уменьшает их комкование, не пропускает влагу внутрь частиц и благодаря этому повышает стойкость смазки при хранении, а также ее сыпучесть, соответственно текучесть.
В одном из предпочтительных вариантов включаемую в состав предлагаемой в изобретении высокотемпературной смазки жирную кислоту, соответственно ее соль выбирают из числа насыщенных и ненасыщенных жирных кислот с 6-26 атомами углерода, соответственно их солей. Жирную кислоту, соответственно ее соль особенно предпочтительно выбирать из группы, включающей капроновую кислоту, каприловую кислоту, каприновую кислоту, лауриновую кислоту, миристиновую кислоту, пальмитиновую кислоту, маргариновую кислоту, стеариновую кислоту, арахиновую кислоту, бегеновую кислоту, лигноцериновую кислоту, церотиновую кислоту, пальмитолеиновую кислоту, олеиновую кислоту, элаидиновую кислоту, вакценовую кислоту, икозеновую кислоту, эруковую кислоту, нервоновую кислоту, линолевую кислоту, линоленовую кислоту, арахидоновую кислоту, тимнодоновую кислоту, клупанодоновую кислоту, соответственно соли этих кислот. Наиболее предпочтительной жирной кислотой является стеариновая кислота, соответственно наиболее предпочтительной солью жирной кислоты является соль стеариновой кислоты, прежде всего стеарат магния. Основным критерием выбора той или иной жирной кислоты, соответственно ее соли является существование жирной кислоты, соответственно ее соли в твердом виде при температуре выше 30°С.
3
3
2
4
5
4
2
2
4
7
2
2
4
7
2
2
4
7
2
2
2
3
В качестве еще одного компонента предлагаемая в изобретении высокотемпературная смазка содержит борную кислоту, соль борной кислоты (борат) и/или содержащий соль борной кислоты (борат) минерал. К особенно предпочтительным компонентам подобного рода относятся борная кислота [НВО], бура [NaBO(OH)·8HO, соответственно NaBO·10HO], другие бораты натрия, такие как NaBO·5HO, NaBO (безводный), метаборат натрия [NaBO·4HO] и борный ангидрид [BO]. Применение борной кислоты, соли борной кислоты (бората) и/или содержащего соль борной кислоты (бората) минерала в составе предлагаемой в изобретении смазки позволяет повысить равномерность ее распределения по металлической поверхности и уменьшить образование на ней окалины. При высоких температурах обработки металла высокотемпературная смазка образует расплав.
2
2
2
7
3
2
7
4
2
7
5
3
10
3
3
3
n
2
2
2
7
3
2
7
4
2
7
5
3
10
3
3
3
n
5
3
10
В качестве еще одного компонента предлагаемая в изобретении высокотемпературная смазка содержит конденсированные фосфаты щелочных металлов, предпочтительно конденсированные фосфаты натрия или калия либо их смеси, особенно предпочтительно полифосфаты, и/или пирофосфаты, и/или метафосфаты либо их смеси. К наиболее предпочтительным конденсированным фосфатам щелочных металлов относятся динатрийпирофосфат [NaHPO], тринатрийпирофосфат [NaHPO], тетранатрийпирофосфат [NaPO], триполифосфат натрия [NaPO], триметафосфат натрия [(NaPO)] полифосфат натрия [(NaPO)], дикалийпирофосфат [KHPO], трикалийпирофосфат [KHPO], тетракалийпирофосфат [KPO], триполифосфат калия [KPO], триметафосфат калия [(KPO)] и/или полифосфат калия [(KPO)], наиболее предпочтителен среди которых триполифосфат натрия [NaPO]. При создании изобретения было установлено, что использование полифосфата, и/или пирофосфата, и/или метафосфата в смеси, образующей предлагаемую в изобретении высокотемпературную смазку, эффективно способствует помимо прочего разрушению окалины.
Средний размер частиц компонентов смеси, образующей предлагаемую в изобретении высокотемпературную смазку, не превышает 150 мкм. Более предпочтительна смесь, средний размер частиц компонентов которой не превышает 100 мкм, особенно предпочтительно не превышает 50 мкм. Благодаря малому среднему размеру частиц компонентов предлагаемой в изобретении смеси удается существенно улучшить сыпучесть, соответственно текучесть предлагаемой в изобретении высокотемпературной смазки по сравнению с известными смазками, облегчить ее нанесение распылением в виде порошка на соответствующие поверхности и обеспечить образование более качественного и более равномерного слоя на металлической поверхности, соответственно повысить равномерность распределения по ней. Одновременно с этим все рассмотренные выше компоненты при их применении в предлагаемой в изобретении смеси между собой позволяют предотвратить или уменьшить ее комкование, которое регулярно наблюдается у известных из уровня техники смазок с малым размером образующих их частиц и из-за которого на практике приходится сталкиваться с целым рядом существенных проблем.
В предлагаемой в изобретении смазке предпочтительно далее использовать смесь из образующих ее компонентов со средним размером частиц не менее 3 мкм, более предпочтительно не менее 10 мкм, особенно предпочтительно не менее 15 мкм. При этом, однако, следует учитывать, что, во-первых, получение частиц со слишком малым средним размером сопряжено со значительными сложностями и связано с относительно высокими затратами, а во-вторых, частицы такой крупности начинают вновь проявлять повышенную склонность к комкованию. Поэтому оптимальны, как было установлено, частицы с размером в пределах от 20 до 50 мкм.
В одном из предпочтительных вариантов содержание вторичного или третичного кальцийфосфатного соединения [компонента (а)] в смеси, образующей предлагаемую в изобретении высокотемпературную смазку, составляет от 0,1 до 15 мас.%, предпочтительно от 0,5 до 10 мас.%, особенно предпочтительно от 1 до 5 мас.%.
В еще одном предпочтительном варианте содержание жирной кислоты, соответственно ее соли [компонента (б)] в смеси, образующей предлагаемую в изобретении высокотемпературную смазку, составляет от 0,1 до 15 мас.%, предпочтительно от 1 до 10 мас.%, особенно предпочтительно от 3 до 7 мас.%.
В следующем предпочтительном варианте содержание борной кислоты, соли борной кислоты (бората) и/или содержащего соль борной кислоты (борат) минерала [компонента (в)] в смеси, образующей предлагаемую в изобретении высокотемпературную смазку, составляет от 5 до 30 мас.%, предпочтительно от 10 до 25 мас.%, особенно предпочтительно от 15 до 20 мас.%.
В еще одном предпочтительном варианте содержание полифосфата, и/или пирофосфата, и/или метафосфата [компонента (г)] в смеси, образующей предлагаемую в изобретении высокотемпературную смазку, составляет от 60 до 95 мас.%, предпочтительно от 70 до 85 мас.%, особенно предпочтительно от 75 до 80 мас.%.
Исследование свойств смазки при хранении, склонности к агломерации (слеживанию) и влагопоглощения
Для исследования склонности к комкованию (слеживанию) в производственных условиях различные смеси испытывали на стойкость при хранении в производственных условиях. С этой целью образцы массой по 150 г помещали в климатическую камеру (тип 3821/15 фирмы Feutron), в которой их выдерживали при постоянной температуре 30°С и 80%-ной относительной влажности воздуха в течение 0, 67 и 96 ч, после чего ситовым анализом определяли их склонность к агломерации (сыпучесть), а также влагопоглощение по увеличению их массы по сравнению с первоначальной навеской.
Судить о качестве каждой из исследовавшихся смесей и о ее пригодности для применения в производственных условиях можно лишь на основании совокупной оценки ее свойств при хранении и сыпучести. Результаты исследования различных смесей представлены ниже в таблице 1.
Анализ гранулометрического состава
Для определения среднего размера частиц смеси, соответственно компонентов смеси, образующей предлагаемую в изобретении высокотемпературную смазку, использовали лазерный гранулометр типа Cilas Modell 715/920 фирмы Cilas U.S. Inc. Образцы массой примерно по 80 мг суспендировали в 2-пропаноле и через минуту после приготовления суспензии проводили измерения, следуя инструкции по эксплуатации гранулометра.
Таблица 1
Сыпучесть и влагопоглощение после хранения в течение различных периодов времени в производственных условиях
№ образца
Состав образца (мас.%)
Длительность хранения в производственных условиях при 30°С и 80%-ной относительной влажности воздуха
Остаток навески на сите (%) с размером ячеек, соотв. отверстий 250 мкм<sup>1)</sup>
Влагопоглощение навеской (%)
1
82% триполифосфата натрия
0 ч
5
0
18% борной кислоты (технич. порошок)
67 ч
89
17
(уровень техники)
96 ч
87
20
2
74% триполифосфата натрия
0 ч
2
0
16% борной кислоты (технич. порошок)
67 ч
67
11
5% трикальцийфосфата
96 ч
57
11
5% стеарата магния
3
72% триполифосфата натрия
0 ч
3
0
16% борной кислоты (технич. порошок)
67 ч
73
12
10% трикальцийфосфата
96 ч
71
10
2% стеарата магния
4
72% триполифосфата натрия
0 ч
4
0
16% борной кислоты (технич. порошок)
67 ч
59
12
2% трикальцийфосфата
96 ч
53
8
10% стеарата магния
5
74% триполифосфата натрия
0 ч
16
0
16% буры (технич. порошок)
67 ч
14
8
5% трикальцийфосфата
96 ч
13
13
5% стеарата магния
Примечание:
<sup>1)</sup> условия ситового анализа: масса образца 2 г + количество поглощенной влаги, амплитуда вибрации 1 деление на шкале, длительность вибрации 70 с.