СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК C10M125/02 C10M125/18 

Область техники

Изобретение относится к смазочным материалам, а более конкретно к области производства наполнителей для смазочных композиций, улучшающих противоизносные и антифрикционные свойства консистентных смазок при эксплуатации их в узлах трения различных машин и механизмов.

Уровень техники

Основным назначением смазывания является разделение движущихся друг относительно друга твердых поверхностей с целью сведения к минимуму трения и износа. Выбор смазки определяется большей частью конкретным применением.

Консистентные (пластичные) смазки применяют там, где существуют большие давления. Также такие смазки применяют для смазывания малых зубчатых передач и для многих применений, где необходимо скольжение с низкой скоростью.

Состав современных пластичных смазок: жидкое масло, твердый загуститель, присадки, наполнители. Последние вводят в базовую смазку естественного и/или искусственного происхождения в связи с ужесточением условий эксплуатации узлов трения. В качестве наполнителей используются высокодисперсные, нерастворимые в маслах вещества, улучшающие эксплуатационные характеристики смазки. Чаще всего применяют наполнители с низким коэффициентом трения: графит, дисульфид молибдена, сульфиды некоторых металлов, полимеры, комплексные соединения металлов и др.

В настоящее время наиболее перспективными являются антифрикционные противоизносные присадки и наполнители к смазкам на основе фторполимеров, содержащие порошки политетрафторэтилена (ПТФЭ) или полиуглеродмонофторида (CF)_n различной дисперсности и/или фторсодержащие поверхностно-активные вещества [см. кн.: Новое в технологии соединений фтора / Под ред. Н. Исикавы. - М., Мир, 1984. - С.117, 129, 399].

В частности, известна смазочная композиция, содержащая в качестве антифрикционной и противоизносной добавки к пластичной смазке монофракционный тонкодисперсный ПТФЭ [патент RU 2100376, МПК C10M 169/04, C10M 169/04, C10M 147/02. Опубл. 27.12.1997; Бузник В.М., Цветников А.К. Ультрадисперсный политетрафторэтилен как основа для новых перспективных материалов // Вестник ДВО РАН. - 1993. №3. - С.39-47] (аналоги).

Опыт эксплуатации показывает, что недостатком ПТФЭ как присадки являются высокие потери на истирание, неудовлетворительные механические свойства, в частности ползучесть, плохое сцепление с металлической поверхностью, ограничивающие использование подобных присадок в качестве антифрикционного материала.

Известна также присадка к пластичной смазке в виде антифрикционной смазочной композиции [патент RU 2321620, МПК C10M 103/02, C10M 103/06, C10M 177/00. Опубл. 10.04.2008] (аналог), включающая дисульфид молибдена и модифицированный графит. Последний представляет собой частицы порошка чешуйчатого графита размером не более 12 мкм, покрытые тонкой пленкой фторорганического поверхностно-активного вещества (эпиламом) толщиной около 3 нм. После нанесения состава эпилама на модифицируемую поверхность тела происходит испарение растворителя, а само фторПАВ вступает в реакцию с поверхностью, при этом молекулы фторсодержащего поверхностно-активного вещества создают структуры Ленгмюра (частокол Ленгмюра) в виде спиралей с нормально направленными к поверхностям осями, позволяющими не только надежно удерживать смазочные среды, но служить своеобразным буфером между контактирующими поверхностями.

Недостатком смазочной композиции аналога является наличие фторсодержащей пленки только на поверхностном слое исходных графитовых частиц, что делает ее применение малоэффективной для повышения износостойкости узлов трения.

Наиболее близким аналогом предложенного технического решения является антифрикционная смазочная композиция для создания смазочного покрытия [а.с. SU 601306, МПК C10M 7/04. Опубл. 05.04.1978] (прототип), содержащая, мас.%: фторированный графит (C_1+xF)_n - 5÷60; дисульфид молибдена (MoS₂) - 40÷95. В смазочной композиции предлагается использовать частицы порошков дисульфида молибдена и фторграфита размером не более 15 мкм, при этом фторированный должен содержать от 10 до 40 мас.% фтора.

Если природный и искусственный MoS₂ широко применяется в смазочных композициях, то использование (C_xF)_n в смазках очень ограничено несмотря на то, что в отличие от графита и MoS₂ фторированный графит имеет хорошие смазочные свойства в атмосфере самого различного состава, а также в вакууме. Считается, что особенно высокие характеристики проявляет этот материал в условиях больших нагрузок и высоких скоростей. Обнаружено, что при добавлении его в консистентные смазки их эффективность резко повышается.

Ограниченное использование (C_xF)_n связано со сложностью его получения и стоимостью [см.: Миткин В.Н. Обзор типов неорганических полимерных фторуглеродных материалов и проблем взаимодействия их строения и свойств // Журнал структурной химии. - 2003. Т.44, №1. - С.109-110].

С другой стороны, как показали испытания смазочной композиции, приведенные в прототипе, эффект продления ресурса работы пары трения от замены природного чешуйчатого графита фторированным графитом, не очень впечатляющий. Вероятно, это связано в искажением слоистой структуры природного чешуйчатого графита при высокотемпературном (500÷600°C) синтезе (C_xF)_n [см.: Миткин В.Н. Обзор типов неорганических полимерных фторуглеродных материалов и проблем взаимодействия их строения и свойств // Журнал структурной химии. - 2003. Т.44, №1. - С.104-105].

Задача, решаемая изобретением

Настоящее изобретение направлено на повышения ресурса работы пар трения.

Сущность изобретения

Указанные выше задачи достигаются техническим решением, сущность которого состоит в том, что в смазочной композиции, содержащей пластичную смазку естественного и/или искусственного происхождения и твердый наполнитель, твердый наполнитель представлен интеркалированными соединениями фторированного графита общей формулы C_xFJ_0,14, где x=1÷6.

Перечисленные выше задачи достигаются также дополнительным техническим решением, состоящим в том, что содержание интеркалированного соединения фторированного графита в смазочной композиции составляет от 0,001 до 0,5 мас.% от веса пластичной смазки, хотя могут быть и другие значения в ту или иную сторону.

Основной отличительной особенностью заявляемой смазочной композиции является то, что твердый наполнитель представлен интеркалированными соединениями фторированного графита (ИСФГ) общей формулы C_xFJ_0,14, где x=1÷6. Этот признак является новым и существенным, так как позволяет устранить присущие прототипу недостатки.

Установлено, что ИСФГ общей формулы C_xFJ_0,14 - это уникальный материал, как по химическому составу, так и по комплексу своих свойств. Во-первых, ИСФГ синтезируют при температуре, мало отличающейся от комнатной, поэтому плоская слоистая структура графита в нем полностью сохранена. Во-вторых, атомы фтора в решетке графита соединены прочными ковалентными связями с атомами углерода. В-третьих, графеновые плоскости в ИСФГ раздвинуты за счет внедрения молекул гептафторида иода JF₇ так, что межплоскостное расстояние примерно в два раза превышает аналогичный параметр нефункционализированного графита. По этой причине подвижность фторированных графеновых слоев в решетке ИСФГ значительно больше. Поверхностные пленки интеркалированного соединения фторированного графита создают очень скользкие покрытия и по антифрикционным характеристикам ИСФГ сопоставим с политетрафторэтиленом (тефлоном), а наличие атомов фтора на графеновой поверхности обеспечивает ему хорошее сцепление с защищаемой поверхностью, будь то металл, диэлектрик, стекло, керамика, полупроводники, кристаллы и т.п. Причем толщина защитной пленки в зависимости от состава ИСФГ (коэффициента x в формуле) может достигать от 6 до 1 атомного слоя. В-четвертых, температура термического разложения частичек ИСФГ превышает 400°C, что значительно превышает рабочую температуру политетрафторэтилена.

Нами установлено, что ИСФГ общей формулы C_xFJ_0,14 стабилен неограниченное время. Наличие в решетке ИСФГ иода в нанокристаллическом состоянии увеличивает антифрикционные свойства наполнителя, дополнительно снижая коэффициент трения в опорной паре (см., например, патенты SU 1087550; SU 1735346).

Оптимальное содержание ИСФГ в пластичной смазке составляет от 0,001 до 0,5 мас.%, что определяется, с одной стороны, стремлением создать экономически эффективную смазочную композицию, с другой стороны, высокой покрывной способностью ИСФГ. Известно, что для одноатомного графенового слоя характерна очень высокая удельная поверхность - согласно расчетам, 2630 м²/г [Грайфер Е.Д. и др. Графен: химические подходы к синтезу и модифицированию / Успехи химии. - 80 (8). 2011. - С.785]. По этой причине даже малые добавки ИСФГ как наполнителя позволяют создать большие площади антифрикционных покрытий на трущихся поверхностях различных механизмов.

Порошки ИСФГ легко смешиваются с пластичными смазками естественного и/или искусственного происхождения всеми известными механическими способами.

Способы низкотемпературного синтеза полифторидуглеродов с гептафторидом иода общей формулы C_xFJ_0,14, где x=1÷6, сохраняющие слоистую структуру исходного графита, описаны в патентах [RU 2404121. МПК C01B 31/04. Опубл. 20.11.2010; RU 2419586. МПК C01B 31/04. Опубл. 27.05.2011].

Краткое описание чертежей:

- на фиг.1 показана фотография частиц порошка природного крупнокристаллического чешуйчатого графита;

- на фиг.2 показана фотография частиц порошка интеркалированного соединения фторированного графита;

- на фиг.3 показано изменение коэффициента трения в опорной паре при антифрикционных испытаниях смазочной композиции на основе стандартной консистентной смазки «ЛИТОЛ-24»;

- на фиг.4 показано изменение коэффициента трения в опорной паре при антифрикционных испытаниях смазочной композиции на основе консистентной смазки «ЛИТОЛ-24» с добавкой 0,01 мас.% ИСФГ.

Следующие примеры приведены в иллюстративных целях и не должны быть истолкованы как ограничивающие объем настоящего изобретения.

Пример 1. Смазочную композицию для смазки подшипников, работающих в условиях вакуума, готовят на основе минерального вакуумного масла ВМ-12 (ТУ 38.1011237-89). В качестве прекурсора для синтеза интеркалированных соединений фторированного графита используют природный крупнокристаллический чешуйчатый графит марки ГТ-1 (графит тигельный по ГОСТ 4596-75), дополнительно химически очищенный до содержания зольных примесей не более 0,1 мас.% (см. фиг.1). Навеску графита обрабатывают газовой или жидкой фазой гептафторида иода при массовом соотношении реагентов 1:4 в течение 24 часов при 20°C, в результате чего происходит внедрение фторокислителя в слоистую решетку графита с образованием так называемых интеркалированных соединении фторированного графита общей формулы C_xFJ_0,14, где x=1÷6 (см. фиг.2).

Порошок интеркалированных соединений фторированного графита смешивают с маслом ВМ-12 в пропорции 1:100000 и 1:1000, что соответствует содержанию ИСФГ в смазочной жидкости 0,001 мас.% и 0,1 мас.%, и подвергают ультразвуковому диспергированию в течение 30 минут с ультразвуковой частотой 40 кГц в ультразвуковой ванне модели VASCA ULTRASUONI.

Установлено, что ультразвуковое диспергирование ИСФГ в вакуумном масле в количестве до 0,1 мас.% позволяет получить однородные дисперсии, расслоение которых не происходит, по крайней мере, в течение месяца.

Испытания смазочных композиций проводят на автоматизированном триботехническом комплексе «High Temperature TRIBOMETER» швейцарской фирмы «CSM Instruments» в соответствии с международными стандартами ASTM G99-959 и DIN 50324. В установке используют стандартные шарики из оксида алюминия Al₂O₃ диаметром 3 мм, специальный держатель модельных образцов (пластины из полированной стали 12Х18Н10Т) для проведения теста в смазочной жидкости и систему нагрева образцов для поддержания в процессе теста постоянной температуры 60°C модельного образца. В процессе трибологического теста измеряют динамический коэффициент трения и оценивают износостойкость материала модельного образца.

Для модельного образца (ст. 12Х18Н10Т) измерено и принято, что твердость материала равна 2,05 ГПа, модуль упругости - 171 ГПа, коэффициент Пуансона - 0,3.

Средний коэффициент трения µ в опорной паре за время одного испытания для всех смазочных композиций относительно коэффициента трения базового масла (чистое ВМ-12) снизился незначительно. Значительно больше уменьшается износ модельных образцов (см. таблицу, пп.1-3): для смазочной композиции с добавкой ~0,001 мас.% ИСФГ снижение происходит на 38%.

Таблица № п/п Состав смазочной композиции Износ модельного образца, 10^-5 мм²/Н·м) Примечание 1 Масло ВМ-12 6,78±0,62   2 Масло ВМ-12, 0,001 мас.% ИСФГ 4,22±0,62 Уменьшение износа на 38% 3 Масло ВМ-12, 0,1 мас.% ИСФГ 5,46±1,51 Уменьшение износа на 20% 4 Смазка «ЛИТОЛ» 2,24±0,56   5 Смазка «ЛИТОЛ», 0,01 мас.% ИСФГ 1,10±0,09 Уменьшение износа на 51% 6 Смазка «ЛИТОЛ», 0,1 мас.% ИСФГ 0,97±0,16 Уменьшение износа на 57% 7 Смазка «ЛИТОЛ», 0,5 мас.% ИСФГ 1,84±0,25 Уменьшение износа на 18%

Продолжение таблицы № п/п Состав смазочной композиции Износ модельного образца, 10^-5 мм²/Н·м) Примечание 8 Смазка УПИ 0,43±0,07   9 Смазка УПИ, 0,01 мас.% ИСФГ 0,34±0,04 Уменьшение износа на 21% 10 Смазка УПИ, 0,1 мас.% ИСФГ 0,42±0,08 Уменьшение износа на 2,4% 11 Смазка КСТ 1,71±0,70  

Пример 2. Смазочную композицию для смазки подшипниковых опор роторов электродвигателей готовят на основе консистентной смазки Литол-24 (ГОСТ 21150-87).

Интеркалированные соединения фторированного графита получают по технологии, изложенной в примере 1. Порошок ИСФГ смешивают в лопастном механическом смесителе со смазкой Литол-24 в пропорции 1:10000, 1:1000 и 1:500, что соответствует содержанию ИСФГ в смазочной композиции 0,01 мас.%, 0,1 мас.% и 0,5 мас.%.

Испытания смазочных композиций на триботехническом комплексе проводят по условиям примера 1. Установлено, что введение в смазку «Литол-24» от 0,01 до 0,5 мас.% порошка ИСФГ позволяет уменьшить коэффициент трения для трущейся пары «оксид алюминия - сталь 12Х18Н10Т» на 17% (см. фиг.3 и фиг.4), при этом одновременно износ модельных образцов снижается на 57% (см. табл., п.п.4-7).

Характерно, что для стандартного образца смазки значение коэффициента трения в ходе испытаний увеличивается, тогда как для образцов консистентной смазки, модифицированных добавкой ИСФГ, µ снижается, приближаясь к значению 0,12.

Пример 3. Смазочную композицию для смазки подшипников, работающих в агрессивной среде, готовят на основе синтетической пластичной фторуглеродной смазки УПИ (ТУ 95.2289-91). Химическая формула смазки C_nF_2n+2, где n от 15 до 25. Смазка УПИ широко применяется в атомной промышленности в технологии разделения изотопов урана, для смазки трущихся частей машин и приборов, работающих в агрессивных средах, для заполнения уплотнений вращающихся валов.

Интеркалированные соединения фторированного графита получают по технологии, изложенной в примере 1. Порошок интеркалированных соединений фторированного графита смешивают с маслом УПИ в пропорции 1:10000 и 1:1000, что соответствует содержанию ИСФГ в смазочной жидкости 0,01 мас.% и 0,1 мас.%, и подвергают ультразвуковому диспергированию при температуре 60°C по условиям примера 1.

Установлено, что ультразвуковое диспергирование ИСФГ в смазке УПИ при 60°C в количестве до 0,1 мас.% позволяет получить однородные дисперсии, расслоение которых не происходит, по крайней мере, в течение месяца.

Испытания смазочной композиции на триботехническом комплексе проводят по условиям примера 1. Установлено, что введение в смазку УПИ от 0,01 до 0,1 мас.% порошка ИСФГ не снижает коэффициент трения во фторуглеродной смазке для опорной пары «оксид алюминия - сталь 12Х18Н10Т», но в тоже время износ модельного образца уменьшается на 21% (см. табл., п.п.8-10).

Пример 4. Смазочные композиции на основе смазки УПИ по условиям примера 3 сравнивали с промышленной смазкой КСТ (ТУ 95.2289-91) - смазка УПИ, наполненная тонкодисперсным порошком фторопласта в пределах 2,8÷3,6 мас.%. Химическая формула смазки C_nF_2n+2, где n от 15 до 25. Смазка КСТ широко применяется в атомной промышленности для смазки трущихся частей машин и приборов, работающих в агрессивных средах, для заполнения уплотнений вращающихся валов.

Испытания смазочной композиции КСТ на триботехническом комплексе проводят по условиям примера 1. Коэффициент трения опорной пары «оксид алюминия - сталь 12Х18Н10Т» на смазочной композиции КСТ соответствовал фторуглеродной смазке УПИ и смазочным композициям состава «УПИ-ИСФГ», однако износ модельного образца оказывается в 4 раза выше, чем на смазке УПИ, и в 5 раз выше, чем на смазочной композиции «УПИ - 0,01% ИСФГ» (см. табл., п.11).

В заключении отметим, что модифицированные порошками интеркалированных соединений фторированного графита консистентные смазки демонстрируют превосходные трибологические и реологические характеристики, которые не могут быть достигнуты в соответствующих смазочных композициях, содержащих иные частицы фторуглеродных материалов - тонкодисперсные порошки фторопластов, порошки фторированного графита, порошки эпиламированного графита и прочее. Осмотр механизмов после эксплуатации показал, что трущиеся поверхности покрыты прочными полупрозрачными фторуглеродными пленками, надежно защищающими их от износа. Способ приготовления смазочной композиции обеспечивает реализацию экологически безопасных процессов без выделения и образования вредных и токсичных веществ.

Настоящее изобретение относится к смазочной композиции, содержащей пластичную смазку естественного и/или искусственного происхождения и твердый наполнитель, представленный интеркалированными соединениями фторированного графита общей формулы C_xFJ_0,14, где x=1÷6. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение ресурса работы пар трения. 1 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 табл., 4 ил.

1. Смазочная композиция, содержащая пластичную смазку естественного и/или искусственного происхождения и твердый наполнитель, отличающаяся тем, что твердый наполнитель представлен интеркалированными соединениями фторированного графита общей формулы C_xFJ_0,14, где x=1÷6.

2. Смазочная композиция по п.1, отличающаяся тем, что содержание интеркалированного соединения фторированного графита в смазочной композиции составляет от 0,001 до 0,5 мас.% от веса пластичной смазки.