пластичный смазочный материал

Формула изобретения

Пластичный смазочный материал на основе базовой пластичной смазки, содержащий углеродную добавку, отличающийся тем, что в качестве углеродной добавки содержит 1-5% от массы материала порошков фуллереновой сажи или порошков фуллереновой сажи после экстракции из нее фуллеренов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства и применения антифрикционных пластичных смазочных материалов, получаемых загущением нефтяных или синтетических масел, и может быть использовано для смазывания негерметичных узлов трения машин и механизмов, работающих в широких температурных, скоростных нагрузочных диапазонах, в условиях возможного обводнения и контакта с агрессивными средами.

Известны пластичные смазочные материалы - солидолы, получаемые из смеси индустриальных масел, загущенных гидратированными кальциевыми мылами жирных кислот [Трение, износ и смазка. Справочник, т.1, под ред. И.В.Крагельского//М.: Машиностроение, 1978, с.273, 274] [1]. Солидолы являются наиболее распространенными и дешевыми антифрикционными многоцелевыми пластичными смазками общего назначения. Наибольшей работоспособностью в этой группе смазок обладают жировые солидолы, получаемые загущением указанных масел кальциевыми мылами жирных кислот, входящих в состав естественных жиров. Указанные смазки производятся в соответствии с ГОСТ 1033-79 "Смазка, солидол жировой. Технические условия." Содержащийся в ГОСТ 1033-79 Солидол Ж - водостойкая гидратированная кальциевая смазка, предназначенная для узлов трения и качения, работающих при температурах от -50°С до +65°С.

Известна также пластичная смазка марки УСсА (ГОСТ 3333-80), имеющая в качестве основы Солидол жировой и содержащая углеродную добавку в виде 10% графита марки П (ГОСТ 8295-73) ("Трение, изнашивание и смазка", справочник, ред. И.В.Крагельский, т.1, М., Машиностроение, 1978, с.274, 278; Синицын В.В., "Подбор и применение пластичных смазок", М., Химия, 1974, с.322, 323, 327). Эта смазка является наиболее близкой по технической сущности к задачам изобретения и может быть принята за прототип.

Недостатком прототипа являются его сравнительно невысокие показатели противозадирных, противоизносных и особенно антифрикционных свойств, сокращающие область применения смазки. Грубый помол и загрязненность графита П механическими примесями приводят к износу и повреждению трущихся поверхностей с высокой чистотой обработки, ограничивая область применения смазки УСсА грубыми, тихоходными механизмами, где увеличение сопротивления, вызываемое смазкой, не имеет практического значения. Эта смазка рекомендована к применению в рессорах, подвесках машин и тракторов, открытых зубчатых передачах, опорах буровых долот и не пригодна для подшипников качения и точных механизмов [1-13]. Устранение указанных недостатков может быть достигнуто введением в состав пластичной смазки порошков материалов, содержащих фуллерены.

К порошковым фуллеренсодержащим материалам относятся чистые фуллерены; фуллереновые сажи, содержащие от 8-15 до 45% фуллеренов; фуллереновые сажи после экстракции из них фуллеренов, сохраняющие до 50% от начального содержания в них фуллеренов. Технологии получения первичного продукта фуллеренового производства - фуллереновых саж и экстракции из них чистого фуллерена - освоены российскими предприятиями.

Наши исследования [2-5] показали, что значительное улучшение трибологических характеристик пар трения может быть получено при введении в смазочное масло порошка чистого экстрагированного из сажи фуллерена. Дальнейшие исследования показали, что введение фуллереновой сажи, содержащей по разным оценкам от 8 до 20% различных фуллеренов, приводит к тем же трибологическим эффектам, что и введение чистых фуллеренов [6-8]. Введение в смазки других типов саж и углеродных материалов подобных эффектов не давало [6].

При оценке реальных перспектив использования фуллеренсодержащих материалов в качестве добавки к смазочным веществам следует учитывать, что ограниченный объем производства и высокая стоимость чистых фуллеренов в настоящее время фактически исключают возможность их широкого применения для указанных целей. Значительно меньшую, но все же достаточно высокую стоимость имеет и первичный продукт фуллеренового производства - фуллереновая сажа, применение которой в качестве добавки целесообразно, но все же существенно увеличивает стоимость смазочного материала. Поэтому большое практическое значение имеет определение возможностей и целесообразности применения в качестве добавки к пластичным смазкам фуллереновой сажи после экстракции из нее фуллеренов. Такая сажа является отходом производства фуллеренов и имеет минимальную стоимость. В то же время в этой саже остается значительное количество высших фуллеренов, не извлеченных при экстракции (до 50% от первоначального содержания до экстракции). Применение такой сажи в качестве добавки в умеренной степени повышает стоимость смазочного материала, сохраняя его конкурентоспособность.

Задачей настоящего изобретения является повышение антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств пластичных смазочных материалов, обеспечивающих существенное расширение их областей применения по сравнению с прототипом и, в частности, возможности использования в подшипниках качения и скольжения машин и механизмов при сохранении достаточно низкой стоимости продукта. Поставленная задача решается путем введения в состав пластичных смазок наиболее дешевых фуллеренсодержащих материалов, а именно порошков фуллереновой сажи и фуллереновой сажи после экстракции из нее фуллеренов.

В качестве фуллеренсодержащих материалов, подлежащих введению в пластичную смазку, были выбраны:

- фуллереновая сажа, получаемая по методу Хуффмана-Кречмера [9], содержащая 8,5% фуллеренов, в основном С₆₀. Эта сажа в дальнейшем описании получила условное обозначение сажа СФ;

- фуллереновая сажа после экстрагирования из нее толуолом фуллеренов [10], условно обозначенная как сажа СЖ.

В качестве базового пластичного смазочного материала принят Солидол Ж по ГОСТ 1033-79.

При введении в базовую смазку фуллереновых саж можно ожидать улучшений показателей механической и коллоидной стабильности материала, что позволяет рассматривать фуллереновую сажу как дополнительный загуститель для смазки.

Способ получения пластичного смазочного материла

Пластичный смазочный материал получают путем ввода необходимых для образования заданных концентраций количества порошка фуллереновых саж СЖ и СФ в предварительно разогретые в водяной бане до температуры 80°С объемы Солидола Ж и их последующего интенсивного перемешивания в течение времени, необходимого для получения однородного по структуре состава (в нашем случае в течение 10 мин). Однородность смеси может быть улучшена при использовании ультразвукового диспергатора.

Для испытаний были подготовлены шесть образцов пластичных смазок, в том числе: базовый образец Солидола Ж; четыре образца Солидола Ж с добавками сажи СЖ в концентрации 1, 3, 5 и 10 мас.%; один образец Солидола Ж с добавкой сажи СФ в концентрации 5 мас.%.

Методика испытаний

Учитывая, что антифрикционные пластичные смазки - солидолы - используются в основном для узлов трения типа подшипников качения, шарниров, шлицевых соединений, зубчатых передач, их трибологические испытания целесообразно проводить на парах трения сталь-сталь.

Испытания проводились на машине трения 2070 СМТ-1 (изготовитель -завод «Точприбор» г.Иваново). При испытаниях использовались пары трения, состоящие из ролика, вращающегося с частотой 400 мин^-1, и неподвижного плоского образца. Скорость скольжения во фрикционном контакте составляла 1 м/с.

Ролик был изготовлен из стали марки 18Х2Н4МА (ГОСТ 4543-71). Рабочая цилиндрическая поверхность ролика шириной 16 мм, обработанная круглым шлифованием, имела шероховатость R_a0,6 мкм и твердость 59 HRC.

В качестве материала неподвижного плоского образца использовалась холоднокатаная нагартованная лента шириной 10 мм из низкоуглеродистой стали (лента 0,8КП-ВН-1-0,4 х 10 ГОСТ 503-81), имеющая шероховатость R_a=0,35 мкм и твердость 207HV.

Смазывание фрикционного контакта осуществлялось нанесением на образец в месте фрикционного контакта 0,05 г пластичной смазки перед началом каждого испытания.

При всех испытаниях регистрировался и записывался на диаграммную ленту момент трения в трибоконтакте М_тр, измеренный на вращающемся ролике. По значениям М_тр рассчитывались работа сил трения А_тр (энергопотери на трение) и коэффициент трения для отдельных режимов испытаний f. После каждого испытания с помощью измерительной лупы определялись размеры элементов пятна износа неподвижного образца и рассчитывались его площадь S, глубина h и объемный износ V образовавшейся лунки.

Испытания проводились при следующих схемах фрикционного контакта и условий нагружения узла трения (схемы испытаний А, В, С). По схеме А начальный трибоконтакт между образцом и роликом осуществлялся по линии - образующей цилиндрической рабочей поверхности ролика при нормальной нагрузке F_N=100 H. Затем проводилось последовательное ступенчатое увеличение нагрузки на том же трибоконтакте от 200 до 1000 H. Продолжительность работы на каждой ступени нагрузки 5 мин со смазыванием перед каждым нагруженном. После каждого ступенчатого нагружения определялось увеличение параметров пятна износа образовавшегося трибоконтакта. Общая продолжительность всего цикла испытаний по схеме А 30 мин. Эта схема характеризует условия интенсивного изнашивания и приработки трибоконтактов различной площади ступенчато увеличивающимися нагрузками.

Для сравнения антифрикционных и противоизносных свойств смазок в условиях приработки при испытаниях по схеме А использовались следующие характеристики:

А _тр и V - суммарные энергопотери и суммарный объемный износ, измеренные за весь цикл испытаний (30 минут) по образовавшейся на плоской поверхности неподвижного образца канавки износа с приработанной поверхностью, конформной рабочей цилиндрической поверхности ролика; f_k - коэффициент трения в конце испытаний по схеме, характеризующей состояние поверхности трибоконтакта в конце приработки; Р_к - максимальные давления в трибоконтакте в конце ступеней нагружения, наблюдавшиеся при испытаниях по схеме А. Как показали наши исследования [11], эти значения Р_к могут быть приняты в качестве максимально допустимых рабочих давлений для испытанных сочетаний материалов в парах трения и условий смазывания.

Испытания по схеме В проводились путем ступенчатого нагружения трибоконтактов максимальной площади, ранее полученных по схеме А после всех ступеней нагружения (F _N от 100 до 1000 Н). Трибоконтакты в этом случае были достаточно приработаны, вследствие чего их площади менялись незначительно, что позволяло получить зависимости триботехнических показателей от давлений в приработанных трибоконтактах.

Для сравнения антифрикционных и противоизносных свойств образцов смазок при различных давлениях Р в приработанных трибоконтактах при испытаниях по схеме В приняты значения средних за испытание коэффициентов трения f_c и линейных интенсивностей изнашивания I _h=h/L, где h - увеличение глубины канавки износа за испытание при давлении Р, L - путь трения.

Испытания по схеме С проводились для сравнительной оценки показателей противозадирных свойств образцов смазки. При этих испытаниях, выполнявшихся при одинаковых нагрузках F_N=1000 Н, определялась продолжительность работы трибоконтакта до момента перехода к сухому трению и началу задира, что связано с полным срабатыванием нанесенного в начале испытаний образца смазки (0,05 г) и возникших поверхностных антифрикционных структур.

Испытания проводились на трибоконтактах различной площади при начальных давлениях в 20, 50 и 300 МПа. В последнем случае испытания выполнялись в условиях начального трибоконтакта по линии плоскость-цилиндрическая поверхность ролика, а давление (Р=300 МПа) оценивалось с учетом площади, рассчитанной по формуле Герца для начального упругого контакта элементов узла трения [12].

В качестве критерия, определяющего допустимую продолжительность работы (для различных образцов смазки), принято время от начала испытания до увеличения коэффициента трения в трибоконтакте до величины f0,3, что соответствует условиям сухого трения и началу задира.

При этих испытаниях также определялись значения средних линейных интенсивностей изнашивания Ih^cp и средних коэффициентов трения f_c за время работы узла трения до перехода к условиям задира.

По каждому варианту (образец смазки, схема испытаний, нагрузка на узел трения) проводилось 3-5 испытаний. Значения трибологических показателей определялись как средние арифметические значения из всех испытаний. При этом относительные среднеквадратичные ошибки среднеарифметических величин лежали в пределах 5-10%.

Результаты испытаний

Результаты испытаний представлены в таблице. При этом для испытаний по схеме А приводятся средние за испытание значения контактных давлений Р_с, а для схем В и С - начальные давления в трибоконтактах Р_н. Как видно из приведенных данных, добавки фуллереновой сажи улучшают триботехнические показатели базовой пластичной смазки при всех схемах испытаний на парах трения сталь-сталь.

В то же время можно отметить, что наибольший положительный эффект наблюдается в улучшении противоизносных и противозадирных свойств и в меньшей степени в улучшении антифрикционных свойств образцов смазок. Так, при испытаниях по схеме А по сравнению с базовым образцом увеличение в смазке концентрации сажи СЖ от 1 до 10% привело к снижению общих энергопотерь А _тр соответственно лишь на 2-5%, а для объемных износов V это снижение составило 20-25%. При этом происходит увеличение допустимых рабочих давлений в трибоконтактах на 8-25%. Снижение коэффициента трения f_к на 3-20% также характеризует улучшение антифрикционных и противоизносных свойств трибоконтактов в конце режимов приработки при работе на образцах, содержащих фуллереновую сажу.

При испытаниях по схеме В в диапазоне рабочих давлений 2-20 МПа добавка в смазку сажи СЖ снижает значения коэффициентов трения f_c на 15-45%, а линейных интенсивностей изнашивания I_h - в 1,7-2,1 раза.

При испытаниях по схеме С для образцов смазок с добавками сажи СЖ по сравнению с базовым образцом продолжительность работы до начала задира при начальных давлениях в трибоконтакте Р_н=20 МПа увеличилась с 17 до 22-26 мин (на 30-35%); при Р_н=50 МПа значения увеличились с 2,8 мин до 5,1-13 мин (в 1,8-4,6 раза); при Р _н=300 МПа значения увеличились с 1,6 мин до 3,1-5,9 мин (в 1,9-3,7 раза). Значения средних за время работы до начала задира линейных интенсивностей изнашивания I_h ^cp и средних коэффициентов трения f_c уменьшаются при увеличении . Для величин I_h ^cp при давлениях 20 и 50 МПа это снижение составляет 20-50%, а при давлениях 300 МПа значение I_h ^cp снижается в 1,8-2,1 раза. Величины средних коэффициентов трения f_c при возрастании соответственно уменьшались в 1,2-1,6 раза.

Как видно из приведенных в таблице трибологических показателей, наилучшие результаты при добавках сажи СЖ были получены при ее концентрации 5%. Дальнейшее увеличение концентрации сажи СЖ до 10% вызвало не улучшение, а некоторое ухудшение этих показателей, что может быть связано с определенным изменением свойств базовой основы смазки при введении слишком большого количества твердого углеродного компонента. Испытания по схемам А, В и С образца смазки, содержащего 5% сажи СФ, показали наилучшие результаты при всех схемах испытаний.

Сравнение данных для образцов с добавками саж СФ и СЖ при их одинаковой концентрации 5% показывает, что, хотя образец с сажей СФ имеет лучшие показатели антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств, их отличие от показателей для образца с 5% сажи СЖ не является значительным и лежит в пределах 5-20%. В то же время при сравнении полученных результатов и оценке эффективности их применения в качестве добавок следует учесть существенно более высокую стоимость сажи СФ по сравнению с сажей СЖ, которая, кроме того, может использоваться как отход фуллеренового производства, требующего утилизации.

Были также проведены испытания базового образца смазки Литол-24 (ГОСТ 21150-75) и образца Литол-24+5% сажи СФ. Испытания показали, что и для этой эффективной антифрикционной пластичной смазки введение в ее состав 5% сажи СФ приводит к приблизительно аналогичным положительным результатам по улучшению антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств.

Так, при испытании по схеме А для образца с 5% сажи СФ по сравнению с базовым образцом Литол-24 энергопотери на трение А _тр и средние коэффициенты трения f_c для отдельных ступеней нагружения снизились на 5-13%, а уменьшение объемных износов и увеличение допустимых давлений в трибоконтактах - на 20-25%.

При испытаниях по схеме В для образца Литол-24+5% сажи СФ в диапазоне рабочих давлений относительное снижение средних коэффициентов трения f_c и линейных интенсивностей изнашивания I_h составляло 20-60% по сравнению с базовым образцом.

При испытаниях по схеме С добавка в Литол-24 5% сажи СФ увеличивала продолжительность работы до задира в 1,5-6 раз.

Приведенные данные показывают, что добавка порошков фуллереновых саж улучшает антифрикционные, противоизносные и противозадирные свойства пластичных смазочных материалов. При этом повышение положительного эффекта происходит при увеличении концентрации фуллереновых саж СЖ от 1 до 5 мас.%. Этот диапазон концентраций порошков фуллереновых саж может быть принят как рекомендуемый для их добавок в пластичные смазочные материалы. При оценке эффективности и целесообразности использования фуллереновых саж в качестве добавок необходимо учитывать не только технические возможности новых образцов смазок, но и затраты на их производство. Использование сажи СЖ позволяет значительно улучшить противоизносные и противозадирные свойства пластичных смазок при сравнительно умеренном повышении их стоимости и сохранении конкурентоспособности. Производство предлагаемых антифрикционных пластичных смазочных материалов может быть налажено в промышленных масштабах на действующих производствах с использованием имеющихся технологий получения пластичных смазок и фуллереновых саж.

Таблица. Трибологические показатели, полученные при испытаниях образцов пластичных смазочных материалов на парах трения сталь-сталь
Схема испы-таний	Нагрузка узла трения, FN, Н	Давление в трибоконтакте, Р, МПа	Трибологические показатели	Солидол Ж
				Тип фуллереновой сажи и концентрация ее добавки, мас.%
				СЖ					СФ
				0	1	3	5	10	5
А	От 100 до 1000	17-30	А тр, Дж	90100	89000	87100	83200	85100	80200
			V, мм3	7,0	5,9	5,2	4,8	5,3	4,7
			f к	0,070	0,068	0,064	0,058	0,062	0,057
			Рк, МПа	23	25	27	29	27	29
В	От 100 до 1000	2	Ih; 10 -9	3,7	2,2	1,9	1,7	1,8	1,5
			f cp	0,096	0,078	0,070	0,061	0,071	0,059
		4	Ih; 10 -9	5,0	3,8	3,6	3,4	3,5	2,9
			f ср	0,076	0,059	0,054	0,049	0,056	0,046
		8	Ih; 10 -9	5,5	4,3	4,1	3,9	4,0	3,3
			f ср	0,057	0,046	0,044	0,040	0,044	0,039
		12	Ih; 10 -9	7,2	5,2	4,4	4,3	4,5	4,0
			f ср	0,047	0,043	0,042	0,038	0,039	0,035
		16	Ih; 10 -9	9,6	6,6	6,2	5,9	6,5	5,4
			f ср	0,048	0,042	0,041	0,034	0,041	0,032
		20	Ih; 10 -9	15	8,3	8,2	8,0	8,5	7,5
			f ср	0,052	0,046	0,044	0,036	0,046	0,030
С	1000	20	, мин	17	22	24	26	25	27
			Ih cp; 10-9	47	39	34	26	28	25
			fcp	0,091	0,078	0,076	0,072	0,075	0,054
		50	, мин	2,8	5,1	8,4	13,1	7,8	15,3
			Ih cp; 10-9	120	99	89	83	92	72
			fcp	0,096	0,087	0,083	0,078	0,082	0,062
		300 см. (*)	, мин	1,6	3,1	4,1	5,9	4,4	6,3
			Ih cp; 10-9	950	520	490	460	470	420
			fcp	0,230	0,165	0,148	0,139	0,143	0,135
* Испытания проведены при начальном трибоконтакте по линии плоскость-цилиндрическая поверхность ролика, давление в трибоконтакте рассчитано по формуле Герца [12].

Источники информации

1. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Ред. И.В.Крагельский. T.1. М.: Машиностроение. 1978, с.273, 274, 278.

2. Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г., Киреенко О.Ф., Булатов В.П. // Влияние фуллерена С₆₀ на характеристики трения и изнашивания стали // Письма в ЖТФ, 21 (1995), №22, 62-66.

3. Точильников Д.Г., Гинзбург Б.М. // Влияние С₆₀ -содержащих присадок к смазочному маслу на оптимизацию процессов изнашивания при граничном трении металлов // Журн. технич. физики, 69 (1999), №6, 102-105.

4. Гинзбург Б.М., Киреенко О.Я., Точильников Д.Г., Булатов В.П. // Образование износостойкой структуры при трении скольжения стали по меди в присутствии фуллерена или фуллереновой сажи // Письма в ЖТФ, 21 (1995), №23, 35-38.

5. Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г., Булатов В.П. // Влияние фуллерена С₆₀ на граничное трение скольжения стали по стали // Трение и износ, 18 (1997), №2, 235-239.

6. Гинзбург Б.М., Байдакова М.В., Киреенко О.Я., Точильников Д.Г., Шепелевский А.А. // Влияние фуллереновых саж и других углеродных материалов на граничное трение скольжения металлов // Журн. технич. физики, 70 (2000), №13, 87-97.

7. Шепелевский А.А., Шибаев Л.А., Гинзбург Б.М., Булатов В.П. // Влияние фуллерена С₆₀ на смазочный процесс в зазоре трибопары сталь-медь // Журн. прикл. химии, 72 (1999), №7, 1198-1203.

8. Гинзбург Б.М., Киреенко О.Я., Байдакова М.В., Соловьев В.А.// Образование защитной пленки на поверхности трения меди в присутствии фуллерена С₆₀ // Журн. технич. физики, 69 (1999), №11,113-116.

9. Krätschmer W., Huffman D.R. // Production and discovery of fullerites: new forms of crystalline carbon // Phil. Trans. R. Soc. London. A, 343, (1993), №1667, 33-38.

10. Будтов В.П. // Проект "Хромотрон". Российская научно-техническая программа "Фуллерены и атомные кластеры". Указатель проектов. С.-Петербург: Фонд интеллектуального сотрудничества. 1994. B.1.

11. Гинзбург Б.М., Точильников Д.Г. // Влияние фуллеренсодержащих добавок к фторопластам на их несущую способность при трении // Журн. техн. физики. 71 (2001), №2, 120-124.

12. Тимошенко С.П., Гудьер Ж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. 576 с.

13. Синицын В.В., Подбор и применение пластичных смазок. М., Химия, 1974, с.322-327.