триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам

Формула изобретения

Триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам, содержащая аморфный диоксид кремния, аморфный оксид алюминия, аморфный углерод, аморфный оксид магния, кремнийорганическое соединение алюминия и цинка и органический растворитель при следующем соотношении компонентов, мас. %:

аморфный диоксид кремния	40-60
аморфный оксид алюминия	5-15
аморфный углерод	6-10
аморфный оксид магния	5-15
кремнийорганическое соединение алюминия и цинка	5-15
органический растворитель	остальное

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к веществам - средствам улучшения противоизнашиваемости трущихся элементов машин и механизмов.

Уровень техники

Последовательность развития направления снижения трения и износа трущихся элементов машин и механизмов за счет специальных триботехнических добавок выглядит следующим образом: 1) металлоплакирующие добавки (мелкодисперсные порошки мягких металлов и их солей); 2) порошковые наполнители слоистых силикатов (порошки минералов семейства серпентинитов); 3) композиции из оксидов (окислов).

Известны металлоплакирующие смазочные материалы (Гаркунов Д.Н. Триботехника. Износ и безысносность. - М.: Изд-во МСХА, 2001 г., 616 с.), принцип действия которых состоит в формировании на участках фактического контакта защитных пленок на основе мягких металлов Cu, Su, Pb, Zn, Mo и других, которые уменьшают силовое воздействие и интенсивность изнашивания сопряженных поверхностей. По фазовому признаку металлоплакирующие смазочные материалы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Первые в качестве присадок содержат растворимые в базовой смазочной среде соединения металлов, вторые содержат металл или его окислы в виде порошков. Однако эти материалы обладают рядом недостатков (зависимость эффективности формирования пленки от концентрации металлов в среде, низкая устойчивость дисперсий металлических порошков, высокая степень чистоты порошков и другие), из-за которых их применение ограничивается главным образом пластичными смазками для определенных узлов трения.

В последние годы появился ряд технических решений (патент РФ №2043393, патент РФ №2127299, патент РФ №2131451), согласно которым в качестве наполнителя твердосмазочных композиций используются слоистые природные гидросиликаты: серпентинит, тальк, серпентин, нефрит и другие. Наличие порошка указанных соединений в смазочной композиции при определенных условиях ее приготовления, введения между трущимися поверхностями и их приработки приводит к образованию на трущихся металлических поверхностях так называемой сервовитной пленки, существенно уменьшающей их износ. Прочностные и антифрикционные характеристики сервовитной пленки зависят, в частности, от условия изготовления, состава композиции, приработки после введения ее между поверхностями трения, от состояния последних и т.п.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению представляется композиция для формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, содержащая Al ₂O₃, окисел кремния, характеризующаяся тем, что содержит окисел кремния в виде SiO₂ , Al₂О₃ - в виде аморфной модификации с размерами частиц не более 240 Å, а также дополнительно содержит вспученный интеркалированный графит при следующем содержании компонентов, мас.%:

аморфный Al2O 3 с размерами частиц не более 240 Å	5...10
окисел кремния SiO 2	70...80
вспученный интеркалированный графит	остальное

(Патент РФ №2271485, 2006).

Недостатком данного решения является неравномерность плотности покрытия, приводящая к охрупчиванию покрытия из-за неравномерного распределения контактной нагрузки, и хотя в описании говорится, что указанная «...композиция обеспечивает, практически, безызносное трение», нет никаких данных по поводу компенсации уже существовавшего до применения этой композиции износа (компенсация износа подразумевает наращивание геометрии изношенной поверхности в пределах от единиц до сотен микрон) как металлических изношенных узлов трения машин и механизмов, так и неметаллических материалов, в частности резинотехнических, что актуально для различных сальниковых и маслоотражательных уплотнений узлов машин и механизмов. Также недостатком указанной композиции является невозможность ее размешивания в углеводородных смазках и топливах минерального или синтетического происхождения.

Раскрытие изобретения

Задача дальнейшего повышения долговечности и ремонтопригодности узлов трения за счет компенсации имеющегося износа трущихся металлических и неметаллических поверхностей является весьма актуальной.

Техническим результатом изобретения является существенное продление ресурса узлов трения за счет компенсации уже имеющегося износа поверхностей трения при их эксплуатации в углеводородных смазках и топливах минерального или синтетического происхождения.

Технический результат достигается тем, что триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам для формирования антифрикционного покрытия с компенсацией износа поверхностей узлов трения содержит, мас.%:

аморфный диоксид кремния	40...60
аморфный оксид алюминия	5...15
аморфный углерод	6...10
аморфный оксид магния	5...15
кремнийорганическое соединение алюминия и цинка	5...15
органический растворитель	остальное

При этом компоненты преимущественно представлены: аморфный диоксид кремния в виде SiO ₂; аморфный оксид алюминия в виде Al₂ О₃; аморфный углерод в виде сажи; оксид магния в виде MgO, кремнийорганическое соединение алюминия и цинка в виде цинкалюмосилоксана в жидкой фазе, органический растворитель в виде толуола.

Предложенную композицию добавки используют в углеводородных смазках и топливах минерального или синтетического происхождения.

Основная идея состава триботехнической добавки именно в компенсации (восстановлении) износа поверхностей трения. Но при этом антифрикционные свойства также имеют важное значение. В том случае когда состав применяется к новому оборудованию, по отношению к прототипу обеспечивается также некоторое снижение потерь на трение и износ, при этом улучшается надежность покрытия. В том случае если применяется смазка с добавкой для агрегатов, уже находящихся в эксплуатации и имеющих различную степень износа, задача улучшения эксплуатационных характеристик требует не только снижения потерь на трение, но и компенсации износа в сопряжениях.

Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важные новые свойства состава. Присутствие кремнийорганического соединения алюминия, цинка, а также аморфного оксида магния, в основном MgO, не присутствующих в композиции-прототипе, позволяет компенсировать износ трущихся металлических и неметаллических поверхностей за счет формирования покрытия различной толщины, которая саморегулируется в зависимости от исходного состояния пары трения и позволяет оптимизировать зазоры в паре трения до оптимальной величины. Синтетическое кремнийорганическое соединение алюминия, цинка является связующим компонентом и катализатором полимеризации при формировании антифрикционного покрытия на поверхностях узлов трения, что обеспечивает равномерную плотность покрытия по объему и равномерное распределение контактной нагрузки.

Без растворителя добавка представляет собой гомогенизированную смесь порошков компонентов с размерами частиц не более 1 мкм. Присутствие органического растворителя, например, толуола, обеспечивает нормальное размешивание добавки в углеводородных смазках и топливах минерального или синтетического происхождения для донесения состава до поверхностей трения.

Процентный состав компонент внутри добавки зависит от свойств углеводородных смазок и топлив минерального или синтетического происхождения, материалов пары трения. Например, если брать редуктор с подшипниками качения на валах, то здесь пары трения: сталь по стали и соответственно есть особенности по работе с этими материалами. Если брать двигатели внутреннего сгорания (ДВС), то здесь другие пары трения: сталь по чугуну, силумин по стали, соответственно свои особенности.

Осуществление изобретения

Осуществление изобретения поясняется результатами испытания добавки с разными соотношениями ее компонентов в составе различных смазочных масел.

Триботехнические испытания проводились на роликовой машине трения 2070-СМТ-1 (Россия) с использованием узла трения в виде неподвижного плоского образца, контактирующего с вращающимся валом. В этих испытаниях ставилась задача проверки высоких триботехнических показателей на лучшем уровне показателей добавки прототипа и не ставилась задача подтверждения компенсации уже имеющегося износа трущихся пар.

Образец в виде плоской пластины был зажат в специальном держателе, закрепленном на подвижной каретке. Соприкосновение образца с вращающимся роликом обеспечивалось поворотом каретки. Ролик был частично погружен (на 3-4 мм) в масляную ванну емкостью 100 мл. Температура масла в ванной поддерживалась в необходимом диапазоне. В качестве материала для неподвижного плоского образца использовалась холоднокатаная нагартованная лента шириной 10 мм из низкоуглеродистой стали, имеющая шероховатость R_a=0,35 мкм и твердость 207HV (лента 0,8КП-ВН-1-0,4×10, ГОСТ 503-81 (Россия). Использование в качестве неподвижного образца стальной ленты предусматривало возможность дальнейшего изучения полученных при испытаниях поверхностей трения физическими методами. Вращающийся ролик диаметром D=46 мм и шириной 10 мм был изготовлен из стали ШХ-15, наиболее распространенной в парах трения сталь-сталь на экспериментальных установках. Шероховатость цилиндрической рабочей поверхности ролика после шлифования оценивается величиной R_a 0,6 мкм, твердость 62 HRC. Частота вращения ролика при испытаниях была 400 мин^-1, что соответствовало линейной скорости скольжения 1 м/с.

В качестве базового масла использовалось полусинтетическое моторное масло марки Лукойл Стандарт 10-W40 API SF/CC (ОАО «Лукойл», Россия), используемое в качестве базы сравнения и основы для приготовления смазочных композиций. Для испытания свойств состава готовилась смесь базового масла и предлагаемой добавки в концентрации 0,05% к базовому маслу.

В качестве показателей интенсивности процессов трения и изнашивания для выбранных условий испытания были приняты:

V - объемный износ;

f _c - средний за испытание коэффициент трения;

I _h - линейная интенсивность изнашивания;

Р _дм - давление в трибоконтакте для принятых условий смазывания.

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1
№ испытания	Состав	мас. % компонентов	V м 3×10-3	fc	I h	Pдм (МПа)
1	Базовое масло 100%		2,9	0,053	2×l0-10	5
2	Базовое масло 99.95% + 0.05% добавки с компонентами:		0,00012	0,0006	4×10-14	5
	Аморфный оксид алюминия в виде Al2O3	10
	Аморфный диоксид кремния в виде SiO2	50
	Кремнийорганическое соединение алюминия и цинка в виде цинкалюмосилоксана	10
	Аморфный оксид магния в виде MgO	5
	Аморфный углерод в виде сажи	10
	Органический растворитель в виде толуола	15
3	Базовое масло 99.95% + 0.05% добавки с компонентами:		0,00012	0,00065	5×10 -14	5
	Аморфный оксид алюминия в виде Al2O 3	5
	Аморфный диоксид кремния в виде SiO2	60
	Кремнийорганическое соединение алюминия и цинка в виде цинкалюмосилоксана	5
	Аморфный оксид магния в виде MgO	10
	Аморфный углерод в виде сажи	6
	Органический растворитель в виде толуола	14

Приведенные испытания показали, что заявленный состав добавки для формирования антифрикционного покрытия с компенсацией износа поверхностей узлов трения обеспечивает значительное снижение трения по сравнению с базовым маслом на уровне лучших триботехнических значений композиции прототипа.

Испытание предлагаемой композиции касательно возможностей компенсации уже имеющегося износа трущихся пар проводились на воздушном поршневом компрессоре марки ВП 3-20/9 серийного производства ОАО «Борец» (Россия).

Эффективность применения добавки для формирования антифрикционного покрытия с компенсацией износа поверхностей узлов трения подтверждалась замером соответствующих рабочих параметров оборудования.

Для испытания свойств состава готовилась смесь компрессорного масла марки К-19 российского производства и 0.05% добавки со следующим распределением компонентов в ней: аморфный диоксид кремния в виде SiO₂ - 40%; аморфный оксид алюминия в виде Al₂ О₃ - 15%; аморфный оксид магния в виде MgO - 15%; аморфный углерод в виде сажи - 10%; кремнийорганическое соединение алюминия и цинка в виде цинкалюмосилоксана в жидкой фазе - 15%; органический растворитель в виде толуола - остальное.

Проводились замеры времени накачки воздуха компрессором в систему подачи воздуха, а также силы тока на фазах электродвигателя при работе компрессора в режиме холостого хода и с нагрузкой. Для исключения влияния внешних факторов на результаты проведенных замеров, а именно перемена температуры окружающего воздуха, наличие утечек в системе подачи воздуха и др., замеры проводились одновременно на двух компрессорах: №1 и №2, при одинаковой температуре масла в системе смазки компрессоров и одинаковом давлении в системе подачи воздуха. Добавка для формирования антифрикционного покрытия с компенсацией износа поверхностей узлов трения предварительно размешивалась со штатной смазкой и вводилась в систему смазки через заливную горловину и посредством лубрикатора. Замеры проводились с интервалом 20 дней. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2
Замеры	№ компрессора	Среднее время накачки
1	1	29 мин 55 сек
2	1	11 мин 10 сек
1	2	25 мин 30 сек
2	2	13 мин 10 сек

При расчете эффекта от применения добавки для формирования антифрикционного покрытия с компенсацией износа поверхностей узлов трения на компрессоре №1 были использованы проведенные замеры по компрессору №2. С учетом поправочного коэффициента, рассчитанного по показателям компрессора №2, уменьшение времени накачки компрессора №1 составляет около 24%, что однозначно превышает погрешность метода измерений (оцениваемую ±5%). При этом на компрессоре №1 произошло снижение нагрузки на электродвигателе с 164 А до 156 А (5,1%) под нагрузкой, и с 112 А до 109 А (2,7%) на холостом ходу.

Время накачки компрессором некоторого объема характеризует пневмоплотность сопряжения в цилиндро-поршневой группе, в частности характеризует зазоры между поршневьми кольцами и гильзой цилиндра. Уменьшение времени накачки говорит о том, что пневмоплотность улучшена, что говорит об уменьшении потерь воздуха через зазоры в цилиндро-поршневой группе, а это может произойти в том случае, если эти зазоры уменьшены, т.е. произошла компенсация износа и оптимизация зазоров в паре трения.

Уменьшение времени накачки свидетельствует о компенсации износа деталей цилиндро-поршневой группы, снижение потребления электроэнергии свидетельствует о снижении потерь на трение в сопряжениях привода компрессора. Также произошло снижение утечек смазки через сальниковые уплотнения штоков поршней в среднем в 3,5 раза, что свидетельствует о компенсации износа уплотнений, выполненных из маслостойкой резины.

Для проверки компенсации имеющегося износа пар трения также проводились испытания предлагаемой добавки в смазках ДВС различных автомобилей.

Автомобиль «Соболь» (ОАО «ГАЗ», Россия) с двигателем «ЗМЗ-406» (16 клапанов).

Перед применением добавки замер компрессии показал более 20% износ, а также разброс по цилиндрам около 15%. После добавления в моторное масло 0,05% состава автомобиль эксплуатировался в обычном режиме. После пробега 2268 км (с 46320 км до 48588 км) был проведен повторный замер компрессии, результаты приведены в таблице. Свидетельством компенсации износа пар трения «цилиндр-поршень» явилось то, что компрессия по всем цилиндрам стала номинальной, и разброс компрессии по цилиндрам не наблюдался (см. таблицу 3).

Таблица 3
Двигатель ЗМЗ-406	Компрессия в цилиндрах, кГс/см2
	1	2	3	4
Пробег 46320 км	12,3	12	11	12,7
Пробег 48588 км	14	14	14	14

Автомобиль ВА3-21093 (ОАО «ВАЗ», Россия), двигатель 1,3 литра с инжектором. Износ двигателя более 20% после простоя автомобиля в течение 3-х лет. После обработки добавкой в два этапа и после пробега 907 км компрессия в цилиндрах двигателя стала номинальной (см. таблицу 4), что также свидетельствует о компенсации износа пар трения «цилиндр-поршень».

Таблица 4
1996 г.в. Дв. 1,3 i.	Компрессия в цилиндрах, кГс/см2
	1	2	3	4
Пробег 18563 км	9,8	10	10,6	9,3
Пробег 18791 км	10,8	10,7	11	10,5
Пробег 19470 км	12	12	12	12

Автомобиль КАМА3-4540 (ОАО «КАМАЗ», Россия), 1987 года выпуска.

Добавка добавлялась в моторное масло и топливо через топливный насос высокого давления. При этом был произведен замер времени расхода топлива (мерная емкость объемом 2 литра) - 21 мин 30 сек. Последующее измерение времени расхода топлива показало, что при прочих равных условиях время увеличилось на 7 мин 30 сек. То есть снижение потребления топлива на холостом ходу при 1300 оборотах в минуту двигателя составило около 30%. Компенсация износа узлов топливной аппаратуры дизеля подтверждается фактом восстановления номинальной компрессия по всем цилиндрам без разброса значений компрессии (см. таблицу 5).

Таблица 5
Пробег, км	Компрессия в цилиндрах, кГс/см2
	1	2	3	4	5	6	7	8
151370	24	25	25	23,5	26	25	24	24
153600	30	30	30	30	30	30	30	30

Представленные примеры содержат данные о существенном продлении ресурса узлов трения за счет компенсации уже имеющегося износа поверхностей трения при их эксплуатации в углеводородных смазках и топливах минерального или синтетического происхождения, а значит свидетельствуют в пользу решения задачи дальнейшего повышения долговечности и ремонтопригодности узлов трения за счет компенсации имеющегося износа трущихся металлических и неметаллических поверхностей.