Настоящее изобретение относится к составам смазочных материалов, к смазочным составам, отличающихся различными добавками, а более точно касается смазочной композиции и многофункциональной присадки.
Данное изобретение может быть использовано во всех отраслях машиностроения, в легко, средне и особенно тяжело нагруженных узлах трения машин и механизмов, в том числе высокоскоростных и высокоточных.
От смазочных композиций требуется разделение трущихся поверхностей, обеспечение теплоотвода и снижение трения. Однако в условиях граничного трения, в которых работают практически все машины, разделение трущихся поверхностей смазкой не достигается, следствием чего является их изнашивание и разрушение смазки. Поэтому главным свойством смазочной композиции становятся обеспечение снижения износа трущихся поверхностей и разрушения смазки.
На сегодняшний день существуют тысячи названий различных смазочных композиций, разработанных для использования в узко конкретных условиях работы узла трения. Универсальных смазочных композиций не существует. Специалистами всего мира признано, что наиболее эффективным методом улучшения их трибохарактеристик является введение в них различного рода присадок, названия которых также исчисляются сотнями, и предназначены они также для работы в узко конкретных условиях, как и сами смазочные композиции.
Присадки являются лучшим средством влияния на физико-химические и механические процессы на фрикционном контакте. Однако из-за сложности этих процессов они считаются неуправляемыми, наука умеет на них только в незначительной степени влиять. Применяемые присадки, как правило, обладают каким-либо одними свойством: либо противоизносным, либо противозадирным, либо антиокислительным и тому подобное, поэтому для придания смазочным средам комплекса необходимых свойств применяют смеси присадок разных типов. Полифункциональные присадки, обладающие широким спектром действия, как заявленные в прототипе и заявляемые, неизвестны. Большинство известных противоизносных и противозадирных присадок к маслам и смазкам представляют собой сернистые, хлористые, фосфорные соединения разных видов, тяжелые спирты, эфиры, амины и соединения молибдена. При длительной работе большинство таких присадок вызывало коррозию рабочих поверхностей.
Положительный эффект применяемых присадок к смазочным композициям в большинстве случаев обусловлен образованием трибополимерных структур на поверхностях трения из продуктов разрушения смазочных композиций, присадок и поверхностей трения с последующим эволюционирующим разрушением и этих структур, что замедляет, но не устраняет разрушительные процессы в трибосистеме.
Различные смазочные композиции (пластичные смазки, масла, топлива, спецжидкости, СОЖ) представляют собой либо базовую основу без присадок, либо таковую с различными пакетами присадок. Особенно велико число присадок к пластичным смазкам, поскольку для них не существует ограничения по растворимости. По причине ограничения по растворимости практически нет противоизносных присадок к топливам (использование которых в качестве смазочных материалов признано перспективным для создания качественно новых машин), и не много известно хороших присадок для масел.
Обычно стремятся преодолеть барьер растворимости присадок с помощью добавления к композициям поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако они сравнительно дорогие, часто приводят к расслоению смазочных композиций, существенному изменению их свойств во времени, избирательному дезактивированию компонентов композиций. Тем не менее от безвыходности ПАВ часто применяют. Поэтому их совместимость со всякими новыми, в том числе и с заявляемыми, присадками должна проверяться.
Достижения по улучшению трибохарактеристик смазочных композиций в мире невелики. Патентоспособными признаются улучшения хотя бы по одному свойству на 10-20%. Это объясняется сложнейшими, всегда разрушительными физико-химическими процессами, реализующимися в условиях трения, и отсутствием радикального решения по упорядочению и управлению этими процессами. Проблема безызносного трения уже более 200 лет не имеет решения в мире, несмотря на интенсивные научные поиски и хорошее финансирование.
Испытания смазочных композиций с традиционными присадками в идентичных условиях на различных машинах трения показали максимальное снижение износа, достигаемое лишь с помощью молибденсодержащих присадок, в 2-5 раз по сравнению с базовой средой. Во времени это различие быстро снижается. Между собой товарные смазочные композиции по главным противоизносным свойствам различаются еще меньше: в 1,5-2,0 раза, и во времени это различие снижается. Отсутствие хороших смазочных композиций, которые являются конструкционными материалами, стало тормозом для качественно нового развития машиностроения во всем мире, поэтому мир пошел по пути компьютерного управления режимом работы трибосистем, что позволяет оптимизировать этот режим, но не может решить проблему радикального снижения трения и изнашивания.
В сложившейся ситуации назрела необходимость в создании принципиально новых, то есть работающих по новому механизму и потому эффективных присадок к смазочным композициям, способных кардинально снижать износ и объединяющих в себе многие функции, то есть нужны эффективные присадки, способные одинаково хорошо работать в смазках, маслах, топливах, композициях, смазочно-охлаждающих жидкостях, спецжидкостях, чтобы надежно заменить то огромное количество малоэффективных присадок узконаправленного действия, в которых трудно даже ориентироваться, находить какие-либо преимущества, но на производство которых тратятся большие средства, то есть нужны унифицированные эффективные смазочные композиции широкого спектра применения.
Прототипом настоящего изобретения является многофункциональная присадка и композиция с такой присадкой, а именно:
многофункциональная присадка, обеспечивающая безызносную и безадгезионную работу трибосистемы во времени, улучшающая в режиме безызносной работы известные свойства смазочных материалов (противоизносные, антифрикционные, противозадирные, антикоррозионные, антиокислительные, расширение нагрузочного интервала), повышающая и сохраняющая высокую эффективность смазочных материалов с ростом ее концентрации, представляющая собой вещества, выбранные из группы гидроксаматов или их смесей, диацилгидроксаматов или их смесей, β-дикетонатов или их смесей, β-кетоэфиратов, гидроксаматоэфиратов 3d-, 4d-, 4f-металлов или их фторированных или других замещенных аналогов или производных (как то серу- и/или азотзамещенные по функциональным группам или кислородзамещенные в заместителях у функциональных групп) в смазочных композициях, которые могут быть выполнены в виде пластичной смазки, масла, топлива, спецжидкости, смазочно-охлаждающей жидкости и которые могут содержать дополнительно другие товарные присадки (заявка №99126896 РФ от 28.12.1999 г. и заявка №2000127039 Украина от 07.12.2000 г.).
Это высокоэффективные, уникальные, универсальные и многофункциональные присадки и композиции широкого спектра действия и применения с новым механизмом действия поверхность - среда: обменным и автоколебательным во времени.
Однако и у них есть недостатки, к обсуждению которых перейдем.
Эти композиции в технике в основном работают с минимальной рабочей концентрацией присадки 2,0% мас. и более. Кроме того, не всегда по всем перечисленным свойствам композиций и присадок, кроме противоизносных, достигаются требуемые значения (например, антиокислительным, антикоррозионным и др.), т.е. для некоторых задач необходимо их усиление, например, путем комбинирования с другими известными веществами - «рекордсменами» по отдельным свойствам с привлечением и новых классов веществ.
К тому же перечисленные в прототипе вещества не охватывают все классы веществ, способных работать по новому механизму с приобретением свойств, характерных для прототипа, например некоторые карбоксилаты, смешанные комплексы некоторых карбоновых кислот с веществами прототипа, гидроксиламины некоторых карбоновых кислот и сложные эфиры карбоновых кислот и гидроксиламина в соединениях с некоторыми металлами.
Главными свойствами, по которым оцениваются присадки и композиции, являются противоизносные. Они всегда зависят от концентрации присадки.
Все известные присадки имеют концентрационные зависимости противоизносных свойств параболического типа (фиг.1). В точке минимума таких зависимостей и выбирается концентрация присадки для применения.
Прототип имеет иную характеристику (фиг.2): небольшой начальный износ с выходом на безызносный режим. Начало выхода на безызносный режим работы называется минимальной рабочей концентрацией присадки (Смин), ниже которой безызносный режим не реализуется, а выше и практически до 100% - реализуется.
Концентрационные характеристики противоизносных свойств известных присадок являются определяющими их качество: чем ниже опускается минимум параболы, чем шире область минимума и чем левее находится эта область (область малых концентраций), тем лучше присадка.
Другой важной характеристикой присадки и композиций с присадкой является временная зависимость противоизносных свойств. Для прототипа она имеет вид, представленный на фиг.3.
У всех известных присадок вид такой зависимости другой (фиг.4), т.е. у всех композиций с известными присадками износ во времени растет, а у прототипа, после небольшого начального износа, реализуется режим безызносного трения.
Всем хорош прототип, но в области Смин у него всегда существует начальный износ, который со временем исчезает, и который для разных веществ этого класса может достигать величин 0,5-2,0 мкм. Кроме того, Смин прототипа находится в области 0,5-2,0% мас., что для некоторых задач техники недостаточно, т.е. требуется снижение Смин. Часто также требуется убрать начальный износ или хотя бы уменьшить его. Снижение Смин - труднорешаемая задача, а вот снижение начального износа решается.
Целью настоящего изобретения и является снижение начального износа прототипа и предложение присадок и композиций, способных работать эффективно в области концентраций ниже Смин прототипа.
Поскольку Смин прототипа находится в пределах 0,5-2,0%, то очевидно, что все вещества с противоизносными концентрационными характеристиками с минимумом параболы левее области 0,5-2,0% (область малых концентраций) и достаточно близким к оси абсцисс (область малых износов), особенно с широкой областью минимума (фиг.3, кривая 3), могут быть эффективными противоизносными присадками в этой области концентраций.
Веществами с такими характеристиками являются неразветвленные длинноцепочечные карбоксилаты с 3d-, 4d-, 4f-металлами, а также товарные присадки типа Автоконинвест, ЕР, трикрезилфосфат, смешанные комплексы из веществ прототипа и веществ с указанными характеристиками, например с указанными карбоновыми кислотами.
Малоэффективными будут вещества с узким минимумом параболы (фиг.1, кривая 1), что не позволяет им быть самостоятельными присадками. Однако, если этот минимум достаточно близок к оси абсцисс и находится в области малых концентраций, то добавка такого вещества в концентрации его минимума к прототипу способна снижать или вообще устранять начальный износ прототипа, тем более, если временная характеристика противоизносных свойств такого вещества проходит через начало координат и не очень круто растет во времени, т.е. имеет вид фиг.4, прямая №1. Веществами такого типа являются, например неразветвленные длинноцепочечные карбоновые кислоты, их эфиры.
Небольшая добавка подобных кислот, карбоксилатов и некоторых товарных присадок к присадкам прототипа способна снижать начальный износ прототипа (таблица 1). Однако добавляемую концентрацию нужно тщательно подбирать для каждой трибосистемы, чтобы не дестабилизировать трибосистему.
Таблица 1 демонстрирует результаты испытаний некоторых веществ прототипа с добавками пальмитиновой и миристиновой кислот, миристинатов и пальмитатов, а также добавок товарных присадок типа Автоконинвест, ЕР, трикрезилфосфат. Как следует из таблицы 1, при этом начальный износ прототипа может быть снижен и даже устранен.
Вещества с широким минимумом, подходящим близко к оси абсцисс (область малых износов), могут быть самостоятельными эффективными присадками в узкой области их концентраций. Примером таких веществ являются карбоксилаты неразветвленных длинноцепочечных карбоновых кислот 3d-, 4d-, 4f-металлов.
Недостатком таких присадок является узкая концентрационная область их эффективности (0,2-0,5%) и плохая растворимость в смазочных материалах, что для широкого спектра задач техники недостаточно, но для некоторых задач приемлемо и эффективно.
Снижение Смин прототипа и начального износа достигается также образованием смешенных комплексов веществ прототипа с неразветвленными длинноцепочечными карбоновыми кислотами. Таблица 2 демонстрирует эти результаты.
Таблица 2 демонстрирует результаты испытаний пальмитатов, миристинатов, смешанных комплексов веществ прототипа с карбоновыми кислотами, соединений карбоновокислых гидроксиламинов, их смешанных комплексов с карбоновыми кислотами, соединения сложных эфиров карбоновых кислот и гидроксиламина и другие.
Таким образом, комплексная присадка, состоящая из веществ прототипа и веществ с противоизносными концентрационными характеристиками, минимум которых находится в области концентраций, меньших Смин прототипа и достаточно близким к оси абсцисс (область малых износов), существенно превосходит прототип по противоизносным свойствам в области малых концентраций присадки (0,5-2,0%). Это же достигается при использовании веществ, представленных в таблице 2. При этом могут повышаться противозадирные свойства, остальные остаются на уровне прототипа.
В свете изложенного существенным и отличительным признаком веществ, способных быть эффективными противоизносными присадками к смазочным материалам, является их противоизносная концентрационная характеристика с широким минимумом параболы, находящимся в области малых концентраций и малых износов (вещества, обеспечивающие минимальный износ при минимальной концентрации).
По существенному и отличительному признаку заявляется все, в том числе и присадки.
В основу изобретения положена задача создания композиций и присадок к ним, способных работать в области концентраций присадки меньше, чем у прототипа (2,0%), с меньшим начальным износом или его отсутствием, с усилением требуемых конкретных свойств по сравнению с прототипом, что означает экономию веществ, средств и повышение функционального качества машин и механизмов.
1. Поставленная задача решается тем, что многофункциональная присадка к смазочным материалам, обеспечивающая свойства прототипа и улучшающая отдельные его свойства (снижение и устранение начального износа или снижение Смин, повышение противозадирных свойств), представляет собой комплексную присадку, состоящую из веществ прототипа и добавляемых веществ, выбранных из веществ, обеспечивающих минимальный износ при минимальной концентрации, например, из неразветвленных длинноцепочечных карбоновых кислот, их эфиров или их соединений с 3d-, 4d-, 4f-металлами, органических фосфатов или некоторых товарных присадок, например Автоконинвест, ЕР и других.
2. Составленная задача решается также тем, что в качестве присадки со свойствами, близкими к прототипу, в области малых концентраций используются вещества, выбранные из карбоксилатов 3d-, 4d-, 4f-металлов, или из возможных смешанных комплексов заявляемых веществ, например веществ прототипа с карбоновыми кислотами, или соединений карбоновокислых гидроксиламинов, или соединений сложных эфиров карбоновых кислот и гидроксиламина с теми же металлами, или выбранные из смесей перечисленных в п.1 и п.2 заявляемых веществ.
Также поставленная задача решается тем, что смазочная композиция, содержащая основу, согласно изобретению содержит указанные присадки.
Основа может быть выполнена в виде пластичной смазки, масла, топлива, спецжидкости, смазочно-охдаждающей жидкости и может содержать дополнительно и другие товарные присадки. Поставленная задача решается также выбором режима работы присадки и композиции во времени. Работа присадки, особенно комплексной (А+Б), может быть одновременной и разновременной: приработка в "Б" с последующей работой в "А" и наоборот, а также может быть приработка и последующая работа с одной и той же присадкой.
Эффективность присадок и композиций оценивали по противоизносным и противозадирным свойствам при концентрации веществ прототипа 2,0%, заявляемых веществ - 0,6-1,5%.
Противоизносные свойства определяли на известной машине трения ПТЛК с линейным контактом в среде керосина TC-1 при осевой нагрузке 125 Н по следующей методике. Проводили три этапа испытаний по полчаса и четвертый этап - три часа. В результате трех кратковременных и одного длительного этапа трения на плоском образце образуется четыре следа износа. Критерием износа служит глубина дорожки трения, измеряемая профилографом "Калибр М-201" в трех сечениях перпендикулярно дорожке трения (два - по краям и один по центру следа). Усредненная величина глубины дорожки трения отражает величину износа соответствующего этапа трения. Т.о., первый этап характеризует начальный износ, четвертый длительный этап характеризуют износ во времени. При этом могут получаться как положительные, так и отрицательные износы. Положительный - это собственно износ, отрицательный - это следствие формирования особых поверхностных структур, посредством которых обеспечивается новый механизм взаимодействия поверхность - среда.
Противозадирные свойства оценивали на машине трения ЧШМ по величине критической нагрузки РК.
При обработке металлов (резание, шлифование, сверление и др.) наблюдаются такие же молекулярные механизмы взаимодействия поверхность-среда, как и в трении, но при существенно больших нагрузках. Потопу заявляемые вещества эффективны и в смазочно-охлаждающих жидкостях (СОЖ), применяемых при обработке металлов. Результаты испытаний приведены в таблицах 1, 2, 3, 4.
Как следует из таблиц, заявляемые вещества существенно снижают начальный износ, Смин и противозадирные свойства композиций.
Использованные в качестве примера вещества и их краткие обозначения:
Гидроксамовые кислоты
4. Смесь гидроксамовых кислот (ГК), полученная из промышленной смеси α-разветвленных монокарбоновых кислот фракции С8-С20 (А12) - ГКА12.
Карбоновые кислоты
Гидроксиламины
8. Смесь гидроксиламинов, полученных из гидроксиламина и промышленной смеси α-разветвленных монокарбоновых кислот фракции C8-C20 - (ГА) А12.
Товарные присадки
9. Трикрезилфосфат - ТКФ
10. Автоконинвест АКИ
11. EP EP
Сложные эфиры карбоновой кислоты и гидроксиламина, например:
14. Смесь сложных эфиров промышленных α-разветвленных монокарбоновых кислот фракции С8-C20 и гидроксиламина - АЭ
Результаты испытаний на противоизносные свойства некоторых веществ прототипа с добавками пальмитиновой, миристановой кислот, их соединений и упомянутых товарных присадок
Результаты испытаний на противоизносные свойства некоторых веществ п.1 и п.2 Формулы: карбоксилатов, смешанных комплексов, соединений карбоновокислых гидроксиламинов, гидроксаматоэфиратов 3d-, 4d-, 4f-металлов и некоторых смесей веществ п.1, п.2, п.1 и п.2 Формулы
Результаты испытаний некоторых веществ на противозадирные свойства
Результаты испытаний замещенных аналогов веществ на противоизносные свойства и диацилгидроксаматов.
ПОДПИСИ К ФИГУРАМ
Фигура 1. Зависимость противоизносных свойств известных присадок от их концентрации.
На оси ординат - износ (И), мкм; на оси абсцисс - концентрация присадки, %.
Фигура 2. Зависимость противоизносных свойств присадок прототипа от их концентрации.
На оси ординат - износ (И), мкм; на оси абсцисс - концентрация, %.
Фигура 3. Зависимость противоизносных свойств присадок прототипа от времени работы трибосистемы.
На оси ординат - износ (И), мкм; на оси абсцисс - время, часы.
Фигура 4. Зависимость противоизносных свойств известных присадок от времени работы трибосистемы.
На оси ординат - износ (И), мкм; на оси абсцисс - время, часы.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ПРИСАДКА К СМАЗОЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ | 1999 |
|
RU2219224C2 |
| Смазочная композиция | 1978 |
|
SU739083A1 |
| СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ, ИМЕЮЩАЯ УЛУЧШЕННЫЕ ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА | 2012 |
|
RU2605413C2 |
| СМАЗОЧНОЕ МАСЛО | 1999 |
|
RU2148619C1 |
| ПРОТИВОИЗНОСНАЯ ПРИСАДКА К СМАЗОЧНЫМ СРЕДАМ И ТОПЛИВУ | 2002 |
|
RU2206605C1 |
| СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ | 1993 |
|
RU2024598C1 |
| Смазочная композиция | 1989 |
|
SU1684315A1 |
| ТИТАНСОДЕРЖАЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ СМАЗОЧНОГО МАСЛА | 2007 |
|
RU2451721C2 |
| СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ | 2003 |
|
RU2235759C2 |
| СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ | 1992 |
|
RU2088637C1 |
Использование: во всех отраслях машиностроения для повышения долговечности, надежности, экономичности и функционального качества машин и механизмов. Сущность: присадка к смазочным материалам содержит вещества, выбранные из группы, включающей гидроксаматы или их смеси, диацилгидроксаматы или их смеси, β-дикетонаты или их смеси, β-кетоэфираты или их смеси, гидроксаматоэфираты 3d-, 4d-, 4f-металлов, их замещенные аналоги, их смешанные комплексы с теми же металлами, их смеси, и вещества, обеспечивающие минимальный износ при минимальной концентрации, в частности, выбранные из группы, включающей неразветвленные длинноцепочечные карбоновые кислоты, их эфиры, их соединения с 3d-, 4d-, 4f-металлами, органические фосфаты, товарные присадки. Также присадка представляет собой вещества, выбранные из группы, включающей карбоксилаты 3d-, 4d-, 4f-металлов, соединения карбоновокислых гидроксиламинов, соединения сложных эфиров карбоновых кислот и гидроксиламина с теми же металлами, смешанные комплексы карбоновых кислот с вышеуказанными веществами с теми же металлами, в частности смешанные комплексы гидроксамовых и карбоновых кислот с 3d-, 4d- , 4f-металлами, смеси указанных веществ. Смазочная композиция содержит основу и вышеописанные присадки. Основа выполнена в виде пластичной смазки, масла, топлива, спецжидкости, смазочно-охлаждающей жидкости. Технический результат - улучшение противоизносных и противозадирных свойств при снижении концентраций. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.
| RU 99126896 A1, 20.10.2001.RU 2034909 C1, 10.05.1995.US 4410436 A, 18.10.1983.US 4383931 A, 17.05.1983. |
