СМАЗОЧНОЕ МАСЛО Российский патент 2000 года по МПК C10M125/02 C10N30/06 

Изобретение относится к области производства и применения смазочных масел с модификаторами трения и может быть использовано для смазочных машин и механизмов, в том числе и тяжелонагруженных узлов трения как в процессе приработки поверхностей трения и обкатки узлов, так и в условиях эксплуатации.

Недавно открытая форма углеродных молекул в виде полиэдрических кластеров из 60 или более атомов углерода называется фуллереном и вызывает большой интерес своими специфическими свойствами и перспективами использования в разных областях науки и техники. Способы получения фуллерена различны и включают в себя сжигание графита в дуговом разряде или контактной дуге, термоиспарение или лазерное испарение графита, сжигание углеводородов в атмосфере He. Технологии этих процессов способны в принципе обеспечить промышленное получение первичного продукта фуллеренового производства - порошка сажи, содержащей от 3 до 45 мас.% фуллереновых кластеров. Выделение чистого фуллерена производится путем экстракции в органических растворителях. Высокая активность молекул фуллерена способствует прохождению различных химических реакций с его участием. Продукты таких реакций, в частности, гидрированные или фторированные фуллерены предлагалось использовать в качестве добавок к смазочным маслам (патенты Японии N 05-117174 МКИ C 07 C 13/62 и N 05-179269, МКИ C 10 M 109/02, заявленные соответственно 05.09.91 и 27.12.91 и опубликованные 14.05.93 и 20.07.93), хотя есть сведения, что например, фторированный фуллерен склонен к распаду при хранении смазочных материалов с образованием вредных во всех отношениях соединений типа плавиковой кислоты (Nature, 1992, т. 355, N 6355, с. 27), что ставит под сомнение использование этого материала в практической трибологии.

Патент США N 5292444, МКИ C 10 M 133/00, заявленный 02.10.92 и опубликованный 08.03.94, предлагает вводить в смазочные масла масляно-углеводородный раствор фуллерена с привитым к нему аминосодержащим полимером после реакции с полимерами, содержащими первичные или вторичные аминные группы.

Для реализации всех перечисленных вариантов требуется проводить экстрагирование фуллерена из сажи, химическую обработку для получения различных соединений и вводить их в смазочное масло через промежуточные растворы. Это приводит к достаточно высокой стоимости полученных материалов и существенно затрудняет использование их в качестве эффективных добавок к смазочным веществам.

Наши исследования показали, что значительное улучшение трибологических характеристик пар трения может быть получено при введении в смазочное масло порошка чистого экстрагированного из сажи фуллерена (Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, N 22, c. 62-66), что также неэкономично из-за высокой стоимости такого материала. Положительное действие фуллерена в качестве добавки к смазочному маслу связывается с шарообразной формой его молекул, способствующей реализации поворотных мод деформирования в трибоконтакте, а также с его высокой активностью, что облегчает как создание защитного антифрикционного слоя на поверхности трения, так и проникновение молекул фуллерена в поверхностные слои трущихся материалов, что облегчает процессы структурной самоорганизации при трении.

Задачей изобретения является повышение антифрикционных, противозадирных и противоизносных свойств смазочного масла при использовании в качестве твердой добавки наиболее дешевой модификации нового углеродного материала.

Поставленная задача решается путем введения в смазочное масло в виде твердой добавки первичного продукта фуллеренового производства - порошка сажи, полученной электродуговым методом, в количестве 1-5 мас.%. Это исключает технологические процессы экстракции и химической модификации фуллерена и существенно снижает стоимость присадки. Упрощается также технология введения ее в смазочное масло.

Фуллереновая сажа в виде порошка, полученная электродуговым методом при токе 150 A из графика ОСЧ-3 и содержащая 8,5 мас.% фуллерена, вводилась в количествах 1, 3 или 5 мас.% в минеральное масло, выбранное в качестве базового (индустриальное масло И-40 A), при интенсивном механическом перемешивании. Однородность смеси может быть улучшена при использовании ультразвукового диспергатора. Испытания проводились на стандартной машине трения 2070 СМТ-1 для пар трения сталь-сталь при контакте неподвижного верхнего ролика из стали 45 и нижнего ролика из стали 18Х2Н4МА, вращающегося с частотой 400 мин^-1 (линейная скорость 1 м/с). При этом рабочие давления в зоне контакта сравнимы с условиями работы тяжелонагруженных пар трения типа зубчатых передач. Испытывались также пары трения медь-сталь при контакте неподвижной колодки с медной поверхностью и вращающегося ролика из легированной стали. Эта схема испытания обеспечивает большую площадь контакта, но с низкими значениями нормальных давлений, что имитирует условия работы подшипников скольжения.

Перед каждым испытанием проводилось одноразовое смазывание поверхности трения каплей смазочной смеси (0,05 г), содержащей фуллереновую сажу в концентрациях от 0 до 5 мас.%.

Для пар трения сталь-сталь результаты трехсот испытаний длительностью от 300 до 2000 с в диапазоне нагрузок 100 - 400 H представлены в табл. 1 и демонтируют улучшение (в сравнении с трением на базовом масле И-40) антифрикционных и противоизносных характеристик смазочных масел, содержащих фуллереновую сажу. Сравниваются значения коэффициента трения f, объемного износа V_ср и энергетической интенсивности изнашивания I_W = V_cp/A_cp, где A_cp - среднее значение работы сил трения.

Значительное снижение коэффициента трения при введении в смазку фуллереновой сажи до уровня f = 0,015 - 0,030 обнаружено и при испытаниях пар трения медь-сталь в сравнении со значениями f = 0,06 - 0,10 при работе на базовом масле, что объясняется положительным влиянием фуллерена на процесс образования износостойких структур на поверхностях материалов в процессе трения.

Результаты сравнительной оценки влияния содержания фуллереновой сажи в смазочном масле на противозадирные свойства смазки представлены табл. 2. В результате испытаний определялось среднее значение нагрузки F_з, при которой наблюдался задир пар трения сталь-сталь в диапазоне нагрузок 300 - 700 H, и t_з средняя продолжительность работу узла трения до задира при фиксированной нагрузке 400 H.

Приведенные данные показывают, что добавка фуллереновой стали улучшает антифрикционные, противоизносные и противозадирные свойства смазочного масла по сравнению с работой на базовом масле И-40 A. Оптимальная концентрация добавки не превышает 3 мас.%, т.к. при 5 мас.% сажи в смазочном масле относительная эффективность добавки снижается по сравнению с меньшими ее концентрациями.

Положительное влияние добавки фуллереновой сажи на формирование поверхностных износостойких структур позволяет рекомендовать исследованные смазочные композиции в качестве смазки при приработке и обкате узлов трения для улучшения качества поверхностей трения и снижения износа.

Производство предлагаемого смазочного масла может быть налажено в промышленных масштабах на действующих производствах при несложной технологии получения фуллереновой сажи и невысокой ее стоимости по сравнению с чистым фуллереном. Сказанное выше подтверждает возможность промышленного применения предлагаемого изобретения.

Использование: для смазки машин и механизмов как при эксплуатации, так и при приработке и обкатке узлов трения. Масло содержит минеральное масло и твердую добавку - порошок фуллереновой сажи в количестве 1-5 мас.%. Технический результат: применение масла улучшает характеристики трения, качество поверхностей трения и снижает износ. 2 табл.

Смазочное масло, содержащее минеральное масло и твердую добавку, отличающееся тем, что масло в качестве твердой добавки содержит фуллереновую сажу в количестве 1 - 5 мас.%.