НЕГОРЮЧАЯ НЕНЬЮТОНОВСКАЯ СМАЗОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ Российский патент 1997 года по МПК C10M173/02 C10M173/02 C10M125/24 C10M137/02 C10M145/04 C10M149/06 C10N30/12 

Данное изобретение относится к области смазочных материалов, а конкретно к негорючей смазочной жидкости.

Изобретение может быть использовано для создания негорючих смазок узлов трения машин, в том числе быстроходных и тихоходных, а также рабочих тел систем гидроавтоматики и гидропривода.

Для смазки узлов трения и в качестве рабочего тела многих машин и механизмов, например систем гидроавтоматики (СГА) и гидропривода (СГП), часто применяют известные минеральные масла. Наряду с очевидными преимуществами - инертностью к конструкционным материалам, высоким электрическим сопротивлением и т. д. они обладают существенными недостатками. Так, несущая способность узлов, смазываемых минеральными маслами, при небольших скоростях мала. Потери трения для таких смазок в узлах трения многих машин весьма высоки, а их теплоемкость невелика, что приводит к возникновению высоких температур смазки и деталей опор трения. Минеральные масла пожароопасны, загрязняют окружающую среду и относительно дороги.

Поэтому разработка и применение смазочных материалов, свободных от указанных недостатков, например, с использованием водных растворов высокомолекулярных соединений (полимеров, сополимеров, олигомеров и их смесей) вместо углеводородной основы является весьма перспективным направлением. Использование в качестве смазочной жидкости водных растворов высокомолекулярных соединений (ВМС), являющихся негорючими неньютоновскими жидкостями (ННЖ), приводит к снижению механических потерь. Их неньютоновские характеристики таковы, что при малых скоростях относительной деформации она имеет высокую вязкость и, наоборот, при высоких скоростях низкую. Это особенно важно как для тихоходных, так и для быстровращающихся машин, СГП, СГА и т.д. ННЖ на основе водных растворов ВМС обладают более высокой теплоемкостью и теплопроводностью по сравнению с традиционными маслами, снижают температуры узлов трения. Они негорючи, могут быть дешевле минеральных масел и обладать экологической чистотой
Главным недостатком известных составов ННЖ является высокая коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам, связанная с использованием воды в качестве основы. Коррозия металлов связана с растворенным в воде кислородом воздуха и углекислотой, электрохимическими явлениями, обусловленными наличием гальванических пар, неизбежно присутствующих в узлах трения, СГА и СГП. Кроме того, источниками коррозии являются функциональные группы ВМС, обеспечивающие их растворимость в воде: амидные, карбоксильные и др. а также присутствующие в ВМС низкомолекулярные примеси (соли, мономеры, активаторы полимеризации и т.д.).

Другим недостатком ННЖ на основе водных растворов ВМС является значительное падение их вязкости в процессе эксплуатации при механических воздействиях (в узлах трения, при движении по трубопроводам и т.д.). Такое снижение вязкости вначале происходит довольно быстро, а затем замедляется и обычно выходит на некоторый стационарный уровень. В случае загрязнения смазки продуктами коррозии падение вязкости усиливается, а ее стабилизированная (стационарная) величина может достичь практически вязкости воды, что недостаточно для работы узлов трения. Для создания работоспособности ННЖ необходимо обеспечить возможно более высокий уровень стационарной вязкости и меньшую разницу между исходным и стабилизированным значением вязкости, желательно за счет повышения стационарного уровня. Снижение вязкости состава может быть достигнуто уменьшением содержания ВМС или снижением его молекулярной массы.

Для уменьшения коррозионной агрессивности ННЖ при ее приготовлении используют дистиллированную воду [1] в состав ННЖ вводят подщелачивающие агенты (наиболее подходящей с антикоррозионной точки зрения для многих металлов является слабощелочная среда), обескислороживающие, поверхностно-активные, бактерицидные и некоторые другие добавки. Некоторые из добавок выполняют одновременно несколько функций.

Для повышения стойкости металлов к воде путем обескислороживания известно применение восстановителей: гидразина [2] сульфита натрия [2] нитрита натрия [3] Недостатком таких добавок является быстрое их срабатывание (расход), особенно при невозможности обеспечения герметичности систем. Во многих конструкциях необходимо обеспечить связь с атмосферой во избежание возникновения вакуума. Тогда возникает необходимость периодического введения новых порций обескислороживающих добавок, строгой их дозировки и контроля расхода, так как их передозировка и накопление продуктов окисления ведет к противоположному эффекту усиливает коррозию конструкционных материалов, особенно цветных металлов и их сплавов [2]
В качестве подщелачивающих агентов для повышения коррозионной стойкости металлов в составах ННЖ известно применение гидроксида натрия [4] или калия [5] фосфата калия [6] триэталамина [3, 6] фосфата триэтаноламина [6] изопропаноламина [4] калиевых, натриевых и аммониевых мыл. Последние одновременно выполняют функцию поверхностно-активных веществ [4, 7] Недостатком вышеуказанных подщелачивающих агентов является то, что они хотя и несколько замедляют коррозию (на короткое время), но все же не позволяют от нее избавиться полностью. Кроме того, гидроксиды натрия и калия взаимодействуют с углекислым газом воздуха, насыщая смазочную жидкость нерастворимыми карбонатами, усиливающими износ трущихся деталей. При этом также меняется кислотность среды, которую приходится постоянно контролировать и вводить новые порции гидроксида. Триэтаноламин, изопропаноламин и другие амины и алканоламины агрессивны по отношению к некоторым цветным металлам и их сплавам, особенно к медьсодержащим, являющимся одним из важнейших конструкционных материалов узлов трения и систем смазки. К тому же они нестабильны во времени (окисляются кислородом воздуха) сами по себе и особенно в составе ННЖ при эксплуатации. Органические мыла в составах ННЖ приводят к сильному вспениванию, недопустимому в узлах трения из-за угрозы кавитационного разрушения.

В качестве веществ, замедляющих коррозию, в составах ННЖ пытаются использовать известные ингибиторы коррозии металлов. Однако подавляющее большинство таких ингибиторов в специфических условиях работы ННЖ: наличие ВМС, сильное механическое воздействие и связанные с ним механо-химические процессы, в частности деструкция ВМС с образованием радикальных и ион-радикальных частиц, не дают положительного результата. В качестве ингибиторов коррозии в ННЖ предлагали использовать нитрат натрия [5] мочевину [6] пропиленгликоль [4] триэтаноламин [4-6] фосфат триэтаноламина [6] триэтаноламин с нитритом натрия [3] и многие другие добавки. Избавиться от коррозии тем не менее не удалось. Отрицательные результаты получены нами при использовании таких известных ингибиторов, как тиомочевина, гидразин, уротропин.

Для защиты от коррозии металлических конструктивных материалов известно и широко применяется их предварительное (перед началом эксплуатации) пассивирование, например, путем хроматирования, фосфатирования, оксидирования и т. д. [2, 8] При этом кратковременной (обычно не более нескольких часов) обработкой специальными составами при комнатной или повышенной температуре на поверхности металлов создают тонкую защитную пленку хроматов, фосфатов или оксидов металлов, после чего пассивирующий состав удаляют. Увеличение времени или температуры обработки сверх установленной приводит к неприемлемому для узлов трения травлению металлов, а снижение времени или температуры обработки не позволяет осуществить достаточно надежную пассивацию. Образующаяся защитная пленка химически более инертна, чем сами металлы, обладает значительно меньшей электропроводностью и позволяет защищать конструкционные материалы от агрессивного воздействия среды, причем даже в условиях возможной электрокоррозии.

Недостатком такого способа защиты конструкционных материалов является низкая механическая прочность пленки и необходимость периодического ее восстановления путем повторной обработки пассивирующими составами. Недостаточная механическая прочность пассивирующих покрытий и быстрое их истирание делает неэффективным этот способ защиты в узлах трения, где происходит износ поверхностей, если не в номинальных, то в переходных режимах работы.

Наилучшие результаты как с точки зрения антикоррозийных свойств ННЖ, так и с точки зрения вязкостных свойств (сравнительно с другими известными составами) получены при использовании состава по патенту [3]
Полиакриламид 0,3-0,6%
Триэтаноламин 0,8-1,5%
Нитрит натрия 0,1-0,3%
Вода остальное
Этот состав принят в качестве прототипа.

Недостатками состава прототипа являются: 1) неприемлемая для промышленного использования коррозионная агрессивность; 2) значительное снижение вязкости при эксплуатации и низкий стационарный уровень вязкости; 3) экологическая опасность нитрита натрия, являющегося ядом крови [9] и вредное воздействие на обслуживающий персонал выделяющихся в процессе эксплуатации газообразных оксидов азота. Указанные недостатки не дают возможности промышленного использования этого состава.

В основу изобретения поставлена задача создания негорючей неньютоновской жидкости (ННЖ) на основе водных растворов высокомолекулярных веществ (ВМС), не обладающей коррозионной агрессивностью к металлическим конструкционным материалам узлов трения, СГА и СГП, а также задача улучшения вязкостных свойств ННЖ.

Решение задачи снижения коррозионной агрессивности достигается тем, что в ННЖ, состоящей из воды, водорастворимого ВМС и ингибитора коррозии, в качестве ингибитора используют добавки соединений хрома и/или фосфора, обеспечивающие пассивацию поверхностей металлов на всем протяжении работы машин или устройств. Введение в состав ННЖ таких добавок позволяет создавать и непрерывно восстанавливать защитный слой на металлических деталях в случае его истирания непосредственно во время работы. Добавок может быть несколько. Они могут создавать одновременно различные по химической природе покрытия на разных металлах (например, хроматную на черных металлах и фосфатную на медьсодержащих).

Устранение коррозионной агрессивности ННЖ позволяет решить и задачу улучшения вязкостных свойств, заключающуюся в уменьшении разницы между начальным и стационарным значениями вязкости и увеличении стационарного уровня. Это достигается подбором отдельных компонентов разработанных нами ННЖ и их содержанием.

Новизна предложенного решения состоит в том, что добавки соединений хрома и/или фосфора, обеспечивающие непрерывную пассивацию металлических поверхностей, ранее не применялись в составах ННЖ.

Предложенное решение является неочевидным, так как используемые, например, для хроматированя бихроматы или хроматы способны окислять многие органические вещества, в том числе высокомолекулярные, входящие в состав ННЖ. Поэтому потребовался специальный подбор как пассивирующих добавок и их концентраций, так и остальных компонентов ННЖ: они должны быть инертны по отношению друг к другу, и, в то же время образующаяся на поверхности металлов пленка должна быть максимально устойчивой как к химическим, так и к механическим воздействиям.

Преимущественным способом решения задачи является использование добавок соединений хрома, например, хроматов и бихроматов натрия, калия или аммония, оксида хрома, так как фосфатные пленки обычно (но не всегда) обладают меньшей химической и механической прочностью [8] Конкретный выбор добавок и их концентраций зависит от конструкционных материалов, используемого ВМС, условий эксплуатации и т.д.

Кроме воды, ВМС и пассивирующей добавки состав ННЖ при необходимости может содержать подщелачивающие агенты, стабилизаторы состава, поверхностно-активные вещества, антифризные и биоцидные добавки, обеспечивающие получение дополнительных положительных эффектов: работа в условиях низких температур, повышение адгезионных (смачивающих) свойств смазки и т.д.

Для лучшего понимания настоящего изобретения в таблице приводятся примеры его реализации. Здесь также представлены результаты испытаний некоторых разработанных составов на установке, включающей радиальный подшипник скольжения диаметром 120 мм и конструкционные материалы: сталь, чугун, медь, латунь, бронзу и баббит.

Как видно из приведенных данных, предложенные составы инертны к основным конструкционным материалам. Они позволяют значительно улучшить вязкостные характеристики смазочной жидкости: уменьшить падение вязкости в процессе работы ((ν_исх./ν_ст.)) и повысить ее стационарный уровень ν_ст.. Значение вязкости, указанное в последней строке каждого примера, и состояние металлических поверхностей не изменялись на протяжении 5-12 месяцев последующих испытаний.

Дополнительным положительным эффектом предложенного изобретения является улучшение экологической чистоты и уменьшение вредного воздействия на обслуживающий персонал, так как имеющийся в составе-прототипе нитрит натрия заменен на более приемлемые компоненты.

Сущность изобретения: жидкость содержит в %: водорасворимое высокомолекулярное вещество 0,1-30, соединение хрома и/или фосфора, обеспечивающее пассивацию металлических поверхностей на всем протяжении работы машин и устройств 0,001-5, вода до 100. Жидкость может содержать 0,001-10% подщелачивающего агента. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Негорючая неньютоновская смазочная жидкость, содержащая воду, водорастворимое высокомолекулярное вещество и ингибитор коррозии, отличающаяся тем, что в качестве ингибитора коррозии содержит соединение хрома и/или фосфора, обеспечивающее пассивацию металлических поверхностей на всем протяжении работы машин и устройств, при следующем соотношении компонентов, мас.

Водорастворимое высокомолекулярное вещество 0,1 30,0
Соединение хрома и/или фосфора 0,001 5,0
Вода До 100
2. Жидкость по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит подщелачивающий агент в количестве 0,001 10%