СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И СОСТАВ СМАЗОЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОТИВОИЗНОСНЫХ И АНТИФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF PRODUCTION AND COMPOSITION OF LUBRICANT COMPOUND FOR WEAR-RESISTANT AND ANTIFRICTION PROPERTIES OF NEAR-SURFACE LAYERS OF RUBBING PARTS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к составам смазочных материалов для узлов трения как из сплавов на основе железа, так и цветных металлов, а также к способам получения подобных составов.
Сущность изобретения: состав содержит смазочный материал, соли жирных кислот мягких металлов и глицерин, образующие с частицами минерала коллоидный раствор, и измельченный природный минерал с дисперсностью не более 1,0 мкм, содержащий, мас.%: серпентин (лизардит и хризотил) 80-87, хлорит 2-3, магнетит 1-2, амакинит 1-2, кальцит 0,5-1, рентгеноаморфная фаза 9-12. Способ получения предварительно диспергированный минерал вводят в жидкий смазочный материал, содержащий поверхностно-активное вещество, образующее с частицами минерала коллоидный раствор, проводят окончательную диспергацию минерала с помощью ультразвука до размеров частиц минерала не более 1 мкм, полученную смесь отстаивают, а образовавшуюся над отстоем суспензию используют в качестве присадки к основному смазочному материалу, при этом концентрацию присадки определяют исходя из максимального значения нагрузки, соответствующей минимуму коэффициента трения.
Технический результат - использование состава в двигателях, механизмах и устройствах позволяет снизить износ узлов трения в 3-4 раза, уменьшить потери на трение в 3-4 раза, тем самым повысить КПД машин и оборудования, повысить несущую способность трибосопряжений, по крайней мере, в два раза, уменьшить расход смазочных материалов, увеличить период между смазочными работами.
Состав может быть использован в качестве добавки к смазочным маслам двигателей внутреннего сгорания, механизмов, устройств, к дизельному топливу или в качестве твердосмазочных материалов и может найти применение в автомобильном и железнодорожном транспорте, оборудовании морских и речных судов, оборудовании горно-обогатительных комбинатов, в насосном оборудовании газо- и нефтепроводов и т.п.
Известны металлоплакирующие смазочные материалы [Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безысносность. М.: Изд-во МСХА, 2001 г., 616 с.], позволяющие сформировать на участках фактического контакта защитные пленки на основе мягких металлов: меди, олова, свинца, цинка, серебра и других. Благодаря формированию пленки уменьшается удельное давление в контакте и интенсивность изнашивания сопряженных поверхностей деталей.
Металлоплакирующие смазочные материалы по фазовому признаку подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Первые в качестве присадок содержат растворимые в базовой смазочной среде соединения металлов, вторые содержат металл или его окислы в виде порошков. Однако эти материалы обладают рядом недостатков (зависимость эффективности формирования пленки от концентрации металлов в среде, низкая устойчивость дисперсии металлических порошков, высокая степень чистоты порошков и другие), из-за которых их применение ограничивается главным образом пластичными смазками для определенных узлов трения.
В последние годы появился ряд технических решений [Патент РФ №2043393, С 10 М 125/04, Бюл. №25 от 10.09.95; Патент РФ №2127299, С 10 М 125/10, Бюл. №7 от 10.03.99; Патент РФ №2131451, С 10 М 125/26, Бюл. №16 от 10.06.99; Патент РФ №2179270, F16C 33/14, Бюл. №4 от 20.02.2002; Патент РФ №2179270, F16C 33/14, Бюл. №4 от 20.02.2002], согласно которым в качестве наполнителя твердосмазочных композиций используются слоистые природные гидросиликаты: тальк, серпентин, нефрит, доломит и другие. Наличие порошка указанных соединений в смазочной композиции при определенных условиях ее изготовления и введения между трущимися поверхностями и их приработки приводит к образованию на трущихся металлических поверхностях защитной пленки, существенно уменьшающей их износ. Некоторые авторы полагают, что защитный слой представляет собой сервовитную пленку [Патент РФ №2127299, С10М 125/10, Бюл. №7 от 10.03.99; Патент РФ №2131451, С10М 125/26, Бюл. №16 от 10.06.99].
Благодаря многочисленным экспериментам состав минеральной смеси удалось оптимизировать, и его компоненты отражены в таблице 1. Именно этот состав используется для предлагаемого авторами технического решения, в дальнейшем коротко обозначен как «серпентин»
Таблица 1
Фазовый состав порошка
Выявленная фаза
Химическая формула
Содержание, мас.%
Лизардит и хризотил
Mg[Si<sub>4</sub>O<sub>10</sub>](OH)<sub>8</sub>
80-87
Хлорит
(MgAlFe)<sub>2</sub>[(Si,Al)<sub>8</sub>O<sub>20</sub>](OH)<sub>16</sub>
2-3
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
1-2
Амакинит
(Mg,Fe)(OH)<sub>2</sub>
1-2
Кальцит
CaMg (CO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
0,5-1,0
Рентгеноаморфная фаза
9-12
Однако использование этого технического решения также встречает определенные трудности, связанные с тем, что размер частиц минерала находится в области, существенно превышающий размеры шероховатости,  10 мкм. Это приводит к ряду отрицательных последствий.
Первым из этих последствий является то, что на стадии приработки частицы подобных размеров могут вызывать тяжелые формы изнашивания приповерхностных слоев, такие как пропахивание, микрорезание и т.д. Очевидно, что это приводит к неоправданно высокой температуре на стадии приработки, повышенному износу и возможности заедания.
Вторым существенным недостатком рассматриваемого технического решения [Патент РФ №2243252, С10М 125/00, Бюл. №36 от 27.12.2004] является неустойчивость получаемой в результате изготовления состава суспензии. При этом основная часть порошка выпадает в осадок и не может быть рационально использована.
Для преодоления указанных недостатков может быть использовано техническое решение, приведенное в Патенте РФ №2264440, С10М 177/00, Бюл. №32 от 20.11.2005 г (прототип). Его главным отличием является то, что после получения фракции с размером менее 10 мкм порошок помещается в жидкостный дезинтегратор, в котором размер частиц доводится до значений менее 1 мкм. При этом полученную смесь отстаивают, а образовавшуюся над отстоем суспензию используют в качестве присадки. С помощью подобного технологического приема обеспечивается субмикронная дисперсность частиц минерала, благодаря чему преодолевается первое из отрицательных последствий технического решения в Патенте РФ №2243252, С10М 125/00, Бюл. №36 от 27.12.2004, в котором используются частицы размером до 10 мкм.
Тем не менее данное техническое решение в Патенте РФ №2264440, С10М 177/00, Бюл. №32 от 20.11.2005 (прототип) не обеспечивает устранения второго недостатка - неустойчивости получаемой суспензии. Дело в том, что измельчение частиц до субмикронных размеров не предотвращает, а только замедляет процесс осаждения. Поэтому в случае отстаивания смеси основным параметром, определяющим концентрацию частиц в жидкости, является время. При этом скорость седиментации частиц такова, что для осаждения большей части частиц достаточно времени хранения в несколько дней.
Известны методы стабилизации коллоидных растворов, используемых как смазочные композиции, с помощью введения в них поверхностно-активных веществ. В частности, стабилизация присадок к смазочному материалу в виде нанодисперсных металлов, обеспечивающая удовлетворительную седиментационную устойчивость, достигается в результате хемосорбции наночастицами жирных кислот с образованием соответствующих солей [Воробьева С.А., Лавринович Е.А., Мушинский В.В. и др. Трение и износ.1996 (17), №6, с.827 -831]. При этом помимо стабилизации коллоида здесь достигается и общее улучшение антифрикционности за счет увеличения толщины адсорбционного слоя при попадании мицелл на трущиеся поверхности.
Аналогичный подход использован при реализации предлагаемого технического решения. Введение в жидкий смазочный материал на стадии окончательного диспергирования минерального порошка солей жирных кислот позволило не только стабилизировать образовавшийся при этом коллоидный раствор, но и повысить антифрикционное действие присадки. Данное обстоятельство составляет существенное отличие от технического решения в Патенте РФ №2264440, С10М 177/00, Бюл. №32 от 20.11.2005 (прототип) по следующим причинам.
Дезинтеграция порошка в жидкостной среде в соответствии с рекомендациями Патента РФ №2264440, С10М 177/00, Бюл. №32 от 20.11.2005 (прототип) должна проводится в аргоновой среде. Очевидно, что данный прием направлен на предотвращение окисления масла, в котором происходит диспергирование. В то же время, в рамках разработки предлагаемого решения было установлено, что процесс окончательного диспергирования минерального порошка в масле вызывает процесс глубокого окисления масла, вплоть до образования жирных кислот, наличие которых было определено с помощью анализа ИК-спектров. Однако в свете рекомендаций по стабилизации наночастиц жирными кислотами процесс окисления масла в процессе диспергирования не только не был устранен, но наоборот использован для образования соответствующего коллоидного раствора. При этом в силу малого объема образующихся жирных кислот процесс был усилен добавлением в состав жидкого смазочного материала в процессе диспергирования раствора солей жирных кислот и глицерина.
Оценка данного приема в изготовлении смазочной композиции производилась с помощью триботехнических испытаний.
Триботехнические испытания проводились на машине трения торцового типа по схеме «диск - три пальца» в условиях граничной смазки при относительной скорости примерно 0,6 м/сек и постоянной нагрузке 5 МПа. Пальчиковые образцы диаметром 8 мм изготавливались из стали 45 твердостью 250 по шкале Виккерса. Диск изготавливался из серого чугуна марки СЧ 18-36 с твердостью 160-200 по шкале Виккерса. Исходная шероховатость поверхностей трения всех образцов составляла в среднем примерно Ra 2,5. Перед испытаниями образцы притирались до соотношения контурной и номинальной площадей контакта примерно 0,6 и затем прирабатывались на испытываемом смазочном материале до стабилизации силы трения. После проведения перечисленных процедур образцы без остановки машины продолжали испытывать в стационарном режиме 60 минут. По окончании указанного промежутка времени фиксировался коэффициент трения и температура образцов. Во всех экспериментах температура оставалась в пределах 60 градусов по Цельсию, поэтому в дальнейшем она не упоминается.
В качестве смазочного материала использовалось масло И-20А - веретенное масло. При этом в него вводились следующие добавки. Первый вариант, - суспензия минеральной смеси в количестве 1 г на 250 мл масла И-20А, состав которой соответствует таблице 1, кратко в дальнейшем обозначенная как «суспензия серпентина» (далее СС), и та же суспензия с добавлением глицерина и солей жирных кислот (далее СС+СЖК), - металлоорганических соединений, содержащих карбоксильную группу и металл, - в рассматриваемом случае это были стеараты меди, в объеме 10 мл на 50 мл суспензии, включая 1% глицерина. Суспензия серпентина, изготовленная в последовательности, описанной выше, добавлялась в чистое масло И-20А в пропорции 5 мл СС на 250 мл масла. Суспензия СС+СЖК добавлялась в пропорции 5 мл, 10 мл, 15 мл и 20 мл на 250 мл И-20А соответственно. После введения добавок СС или СС+СЖК полученную смазочную композицию обрабатывали ультразвуком. Варьирование мощности и времени ультразвукового воздействия показало, что для получения наилучщего технического результата, показанного ниже, мощность ультразвуковой установки должна составлять не менее 5 кВт, а время воздействия не менее 10 минут. Пробы масла в объеме 5 мл отбирались по окончании испытаний из объема масла, использованного для смазывания при трении, по всем перечисленным вариантам. Анализ состава проб масла проводился с помощью определения частот поглощения в инфракрасном диапазоне спектра по общепринятой методике.
Результаты триботехнических испытаний состояли в том, что по мере увеличения концентрации присадки от 0 до 8% с интервалом в 2% коэффициент трения уменьшался от 0,028 до 0,012. Пробы масла передавались для исследования методом ИК-спектроскопии по общепринятой методике.
Как показывает анализ данных ИК-спектроскопии, гипотеза о деструктивном воздействии высокодиспергированного серпентина на углеводородные молекулы масла И-20А подтверждается. Это, в частности, видно из того, что ИК-спектры чистого масла до испытаний и масла, содержащего «суспензию серпентина» (также до испытаний на трение), различаются наличием малоинтенсивных пиков в области частот 1710 и 1625. При этом частота 1710 однозначно идентифицируется как результат колебаний С=О- связей в карбоксильных группах, что характерно для алифатических ненасыщенных карбоновых кислот. Показательно, что-то же самое масло с добавлением солей жирных кислот, практически точно повторяет тот же самый вид спектра. Таким образом, спектр, полученный на масле И20-А с диспергированной ультразвуком минеральной смесью, и спектр, полученный на масле И20-А с добавлением 20% солей жирных кислот, совпадает, незначительно различаясь только по интенсивности поглощения ввиду того, что концентрация в последнем случае во много раз выше. Это подтверждает правильность идентификации частоты 1710 в первом спектре как однозначного признака алифатических ненасыщенных карбоновых кислот. Отметим, что использование сочетания серпентина и солей жирных кислот предлагается в техническом решении Патент РФ №2245357, С10М 125/26,Бюл. №3 от 27.01.2005. В нем, однако, отсутствуют конкретные рекомендации по рецептуре порошка минералов, конкретным соотношениям компонентов состава и размерам частиц минералов, что не позволяет получить положительный эффект. Отметим, что седиментационная устойчивость зависит не только от наличия ПАВ, но и от размеров частиц, являющихся ядрами мицелл. Чем меньше размер частицы, тем больше в удельном весе мицелл доля ПАВ, образующих «шубу» мицеллы, и соответственно меньше общий удельный вес мицеллы, что и способствует стабилизации коллоида.
Во всех упомянутых технических решениях фактически не решена еще одна важная проблема - концентрация предлагаемых в них присадок в базовом смазочном материале. В некоторых из них, например в Патенте РФ №2264440, С10М 177/00, Бюл. №32 от 20.11.2005 (прототип), предлагается конкретное соотношение массовых процентов присадки базового смазочного материала без указаний, в каких конкретно узлах и для каких режимов рекомендуется данное соотношение. В тоже время очевидно, что учет условий конкретного применения содержит в себе возможность получения дополнительного положительного эффекта. В связи с этим в предлагаемом техническом решении предусмотрена процедура экспериментального определения как состава присадки, так и оптимальной концентрации присадки.
С целью определения этого состава и конкретных значений концентрации ингредиентов проводятся триботехнические испытания с использованием в них тех же конструкционных материалов и кинематического типа, что и в реальном узле трения, для которого предполагается использовать создаваемый состав смазочной композиции, и соответствующего варианта состава смазочной композиции. При этом испытываемое трибосопряжение прирабатывается до достижения максимально допустимой нагрузки и затем ступенчато разгружается с определением на каждой ступени стационарного значения коэффициента трения. После этого определяется зависимость коэффициента трения от нагрузки для каждого из вариантов состава смазочной композиции, наличие в данной зависимости минимума коэффициента трения и значение нагрузки, соответствующей этому минимуму, Роп. Тогда для применения при эксплуатации используется тот вариант состава, который обеспечивает максимальную среди полученных таким образом нагрузку Роп.
В качестве примера предлагаются результаты модельных испытаний, проведенных по описанной выше схеме. В качестве триботехнических материалов были использованы сталь 45 и латунь ЛАС 53-10-1. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
Показатели работоспособности сопряжения при варьировании состава и объема присадки
№
Состав смазочного масла
Соотношение объемовприсадки и основного масла
НагрузкаРоп (МПа)
Интенсивностьизнашивания
п/п
1
И - 20А, чистое
-
6
6,9* 10<sup>-9</sup>
2
И - 20А + СС
0,02
10
9,29* 10<sup>-10</sup>
3
И - 20А + (СС + СЖК)
0,02
14
2,9* 10<sup>-11</sup>
4
И - 20А + (СС + СЖК)
0,04
16
1,68* 10<sup>-11</sup>
5
И - 20А + (СС + СЖК)
0,06
20
1,29* 10<sup>-11</sup>
6
И - 20А + (СС + СЖК)
0,08
18
1,89* 10<sup>-11</sup>
Как видно из таблицы 2, оптимальной соответствует концентрация из эксперимента №5.
Для иллюстрации приведем графики зависимости коэффициента трения от нагрузки для составов, отраженных в таблице (см. чертеж).
Отметим, что у данного способа определения оптимальной концентрации существуют аналоги. В частности, техническое решение [А.с. №1401348, G 01N 3/56, Бюл. №21 от 07.06.1988] предполагает при проведении ускоренных испытаний пар трения скольжения в смазочной среде определение величины Роп. Однако данное техническое решение не содержит алгоритма варьирования концентрации присадки, и, таким образом, с его помощью не может быть достигнут необходимый положительный эффект. Кроме того, имеется техническое решение [А.с. №1469309, G01N 3/56, Бюл. №12 от 30.03.1989], которое предполагает выбор смазочного материала в зависимости от диапазона максимально допустимых давлений. Однако при этом выбор смазочного материала осуществляется с помощью измерения износа, из всех смазочных материалов выбирают тот, в присутствии которого износ минимален в максимальном диапазоне давлений. Недостатком данного решения является необходимость измерения износа, что требует остановки процесса трения и разборки трибосопряжения, причем данная операция должна повторяться на каждом этапе изменения давления. Повторные переустановки образцов неизбежно вызывают при этом повторную приработку, которая вносит существенный вклад в значение измеряемого износа. Таким образом, данное решение [А.с. №1469309, G01N 3/56, Бюл. №12 от 30.03.1989] отличается от предлагаемого существенно более высокой трудоемкостью и значительно меньшей точностью.
Существенно также и то, что в решении [А.с. №1469309, G01N 3/56, Бюл. №12 от 30.03.1989] изменение давления происходит от меньшего к большему значению, то есть увеличение давления на каждой ступени. Это вызывает отдельную приработку, учет влияния которой на износ весьма затруднен. В то же время, предлагаемое решение лишено подобного недостатка, так как определение Роп производится при разгрузке, то есть после достижения максимально допустимой в процессе приработки нагрузки. Таким образом, влияние приработки на величину Роп исключается.
Кроме того, определяемая в соответствии с предлагаемым решением величина Роп является характеристикой перехода от полужидкостного трения к граничной смазке и, таким образом, характеризует состояние граничных смазочных слоев и защитной пленки на поверхности трущихся деталей, образовавшихся в процессе приработки. Чем больше значение Роп, тем эффективней при прочих равных условиях (например, скорости скольжения и вязкости масла) образовавшаяся пленка. Таким образом, предлагаемое решение отличается от [А.с. №1469309, G01N 3/56, Бюл. №12 от 30.03.1989] не только более высокой точностью и существенно меньшей трудоемкостью, но и физическим содержанием предлагаемого алгоритма.
Как видно из приведенных примеров, предлагаемый состав в сочетании с предложенным способом его получения позволяет существенно повысить антифрикционность и несущую способность трибосопряжений.