Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СМАЗОЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ

Изобретение относится к смазочным композициям для использования в области машиностроения, а именно применения при эксплуатации механизмов и машин с целью повышения антифрикционной и противоизносной эффективности работы узла в условиях граничного трения.

Известен способ получения антифрикционной композиции, представляющий собой смесь, содержащую серпентин, вспученный вермикулит и углеводородное связующее [Патент №2487192 Российская Федерация. МПК С23С 26/00. Способ получения антифрикционной композиции / А.Л. Леонтьев, Л.Б. Леонтьев А.Л., Шапкин Н.П., Шкуратов А.Л.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО Дальневосточный Федеральный университет. - №2011151404/02, заявл. 15.12.2011; опубл. 10.07.2013, Бюл. №19 - 12 с.]. Вспученный вермикулит модифицируют природным высокомолекулярным полисахаридом, предпочтительно 1%-ным раствором хитозана, растворенным в 2%-ной уксусной кислоте при следующем соотношении компонентов в составе смеси дисперсных твердых частиц: серпентин 80-93 мас.%, модифицированный вспученный вермикулит 7-20 мас.% Антифрикционную композицию получают путем смешивания упомянутых составляющих и связующего (дизельное топливо) в гидродинамическом кавитационном диспергаторе (с частотой 200 Гц, не менее 30 мин) с получением дисперсных твердых частиц крупностью 0,05-1 мм. Испытаниями стальной пары трения (ролики диаметром 45 мм, шириной 10 мм - сталь ХВГ) в течение 1 часа при скорости скольжения V_s=0,628 м/с и нагрузке Р=500 Н установлено, что лучшая композиция содержит 90% серпентина +10% вермикулита, модифицированного хитозаном, которая характеризуется коэффициентом трения - и износом - i=2,1 мг. При использовании данной композиции в стальной паре трения проявляются несколько эффектов, обеспечивающих повышение антифрикционных свойств трибосистемы: 1) скольжение относительно друг друга силикатных слоев модифицированного вермикулита; 2) образование антифрикционного слоя за счет внедрения в кристаллическую решетку стальной поверхности ионов кремния, магния и алюминия, при этом создается основа, на которой формируется металлокерамическое покрытие.

Основным недостатком этого способа является то, что модифицирование вспученного вермикулита по предложенной технологии характеризуется высокими коэффициентами трения (особенно когда содержание модифицированного вермикулита в композиции >10 мас. %). Кроме того, для уменьшения коэффициента трения в композицию дополнительно вводится серпентин (причем в большом количестве - 90 мас. %), который обладает более низкой энергией связи между слоями в сравнении с вермикулитом, но в 2-3 раза более высокой твердостью частиц по шкале Мооса, что приводит к повышенному износу пары трения.

Известен способ получения смазочного материала, содержащий модифицированный кремнийорганическим полимером вермикулит с 1,7-2% мас. привитым углеродом [А.с. 274291 СССР, МПК С10М 1/10. Способ получения смазочного материала / Я.М. Слободин и др. - №1216088 / 23-4; заявл. 09.11.1968; опубл. 24.06.1970. Бюл. №21 - 2 с.], заключающийся в механо-химической обработке органополисилоксивермикулита, размер частиц которого не превышает 10-12 мкм. Добавка модифицированного вермикулита в пределах 2-60% мас. в смазку увеличивает нагрузку заедания при испытании на шариковой машине до 100 кг.

Недостатком данного способа является отсутствие данных о смазывающих свойствах, обеспечивающих минимизацию трения и изнашивания (коэффициенты трения, износ при различной контактной нагрузке), так как нагрузка заедания характеризует только граничные условия работы узла трения, выше которых смазка не работает, поэтому невозможно судить о работоспособности смазочного материала в установившемся режиме граничного трения, тем более в жидких маслах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, т.е. прототипом. является способ получения смазок на основе органовермикулита [Гущин Л.А. Разработка и исследование пластичных смазок на основе органовермикулита: / Леонид Александрович Гущин. - Автореферат дис. на соискание уч. ст. к.т.н. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2001 - 24 с.], заключающийся в том, что модифицирование вермикулита производится в несколько этапов. Сначала проводится кислотная активация (5%-ной соляной или 10%-ной азотной кислотами) в реакторе объемом 700 мл при постоянном перемешивании 100 г вспученного вермикулита в течение 3 часов. По окончании процесса активированный вермикулит промывается водой и сушится. Затем в емкость с расчетным количеством раствора модификатора (четвертичная аммониевая соль - ARQUADMCB-50 в растворителе - бутилацетат с 10% концентрацией) засыпается подготовленный вспученный вермикулит и подвергается ультразвуковой обработке от 10 до 90 минут на приборе УЗДН-2Т. Полученная смесь отфильтровывается, выдерживается в термошкафу при температуре 90-95°C для удаления остатков растворителя. Для получения смазок модифицированный вермикулит вносится в дисперсную среду (масло МС-20), гомогенизируется с присадками (Хайтек-312 и ВСП-40) и добавками (графит, дисульфид молибдена). Для перевода вспученного вермикулита в гидрофобное (олеофильное) состояние его модифицирование проводят преимущественно по механо-химическому механизму на ионообменном уровне реакции между молекулами модификатора и поверхностью вермикулита, т.е. при непрерывном разрушении его кристаллической решетки в ультразвуковом диспергаторе в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Недостатком прототипа является то, что предложенная технология получения модифицированного вермикулита проводится по сложному «мокрому» способу, имеющему много этапов, и в результате может использоваться только в качестве загустителя пластичного смазочного материала, так как антифрикционные свойства смазки обладают посредственными показателями (диаметр пятна износа на шариковой машине трения составляет 0,7-0,9 мм против 0,53-0,57 мм для антифрикционных смазочных материалов). В связи с этим в композицию требуется добавлять антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки и добавки.

Техническим результатом изобретения является повышение антифрикционных и противоизносных показателей в узлах трения, а следовательно, и технико-экономической эффективности работы машин.

Указанный результат достигается тем, что в способе получения смазочной композиции, заключающемся в измельчении, смешивании, ультразвуковом диспергирующем воздействии композиции, состоящей из смеси, содержащей вспученный вермикулит, модифицированный поверхностно-активными веществами, согласно изобретению смазочную композицию с вспученным вермикулитом дополнительно модифицируют электромагнитной активацией, проводимой в магнетронной микроволновой печи с частотой колебания поля 2450 МГц и мощностью 650÷1200 Ватт в течение 2÷4 минут в дисперсионной среде маловязкого индустриального масла И-5÷И-12 с маслорастворимыми ионоактивными ПАВ: по 0,25÷0,5% мас. хлорпарафина (ХП) и касторового сульфированного масла (МКС) и 0,5÷1 мас.% медно-оловянного стеарата, с нагреванием до допускаемой температуры нагрева смазочной композиции 80÷90°C.

Для получения смазочного материала готовую смазочную композицию с размерами частиц модифицированного вермикулита в основном от 0,1 до 35 мкм добавляют в базовое масло в количестве 1,5÷2мас.%

Указанный технический результат достигается за счет того, что энергия электромагнитного поля (ЭМП) пропорциональна средней кинетической энергии движения атомов и молекул смеси, что приводит к периодически переменному выстраиванию дипольных моментов молекул в материале, которые формируют в межслоевом пространстве слюдяного пакета вермикулита дополнительные слои скольжения. Кроме того, заявляемый способ характеризуется высокими леофильными свойствами за счет применения указанных маслорастворимых ПАВ с повышенными адгезионными и диспергирующими характеристиками, которые способствуют ускорению реакций ионообмена (поляризации) для повышения эффекта адсорбции (осаждения) медно-оловянного стеарата на поверхностях измельченного минерала ультразвуковым полем в приборе УЗДН. Также электромагнитное поле существенно влияет на поляризацию фазовых границ раздела слюдяного пакета вермикулита: избыточный заряд на частицах дисперсной фазы вызывает взаимное отталкивание двойных электрических слоев вокруг частиц (расщепление) и приводит к снижению межфазной энергии, что способствует повышению антифрикционных свойств модифицированного вермикулита.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен график изменения коэффициентов трения в зависимости от контактной нагрузки Р в стальной паре трения при использовании смазочных композиций: - с модифицированным вермикулитом, полученным механохимическим способом (ХП+МКС) и - с модифицированным вермикулитом, полученным механохимическим способом и дополнительно ЭМП; на фиг. 2. даны закономерности распределения дисперсий частиц: - с модифицированным вермикулитом, полученным механохимическим способом (ХП+МКС) и - с модифицированным вермикулитом, полученным механохимическим способом и дополнительно ЭМП; на фиг. 3 - копия фотографии поверхности трения.

Критерием сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения, является оценка антифрикционных и противоизносных свойств новых смазочных композиций на физической модели. Модель представляет собой пару трения: ролик-ролик диаметром 45 мм и шириной 10 мм, изготовленную из улучшенной стали 45 с твердостью НВ 230. Испытания проводились на машине трения СМТ-1 при одинаковых скоростях скольжения V=1 м/с и диапазонах контактных нагрузок Р=0,2÷0,6 кН. Износ замерялся по пятну контакта роликов при пути трения 10 км.

Пример 1

Механически измельченный вспученный вермикулит фракции менее 76 мкм химически поляризуют путем внесения его в количестве 15% мас. в диспергирующую среду масла И-8 с добавлением ионоактивных маслорастворимых ПАВ, состоящих из хлорпарафина и касторового сульфированного масла - 0,5% мас. и добавляют стеараты солей меди и олова в количестве 1% мас. Полученную смесь интенсивно активируют механическим перемешиванием и диспергируют в ультразвуковом поле на приборе УЗДН с частотой колебания 22 кГц и амплитудой колебания 20 мкм в течение 10 минут. Затем смазочную композицию с вермикулитом подвергают воздействию электромагнитного поля в магнетронной микроволновой печи с частотой колебания 2450 МГц и мощностью 650 Ватт в течение 4 минут, сопровождающемуся разогревом до 80-90°C. Готовую смазочную композицию с размерами частиц модифицированного вермикулита в основном от 0,1 до 35 мкм добавляют в базовое масло МС-20 в количестве 1,5-2 мас.% и тем самым получают смазочный материал.

Результат испытаний: средняя площадь износа при Р=0,6 кН равна S=2,18 мм². Функциональная зависимость (полином) коэффициента трения - от нагрузки - Р приведена на фиг. 1.

Для сравнения на фиг. 1 приведена закономерность от Р испытуемой модели по известному способу прототипа получения смазочных композиций, полученных только по механо-химическому механизму, но не обработанных электромагнитным полем, который имеет более высокие коэффициенты трения и большие площади износа - S=2,55 мм² при Р=0,6 кН, что выше на 21,5%.

По результатам испытаний установлено, что способ получения смазочной композиции по примеру 1 увеличивает антифрикционность и износостойкость. Улучшение рассматриваемых триботехнических показателей обуславливается определенной дисперсностью частиц модифицированного вермикулита (фиг. 2).

На фотографиях поверхностей трения обнаружены частицы вермикулита (фиг. 3). Это положительный фактор, который свидетельствуют об образовании антифрикционного слоя за счет адгезии модифицированного вермикулита в кристаллическую решетку стальной поверхности.

Пример 2

Пример 2 выполнен аналогично примеру 1 и отличается только параметрами воздействия электромагнитного поля в магнетронной микроволновой печи с частотой колебания 2450 МГц, но с мощностью 1200 Ватт в течение 2 минут, сопровождающегося разогревом смазочной композиции до 80-90°C. Готовая смазочная композиция имеет основные размеры частиц модифицированного вермикулита в тех же пределах от 0,1 до 35 мкм, что и в примере 1. Результат испытаний эквивалентен примеру 1, разница состоит в пределах статистической ошибки (2-3) %.

По результатам испытаний установлено, что энергия (Вт·мин), определяемая произведением мощности электромагнитного поля (Вт) на время воздействия (мин), является постоянной величиной, определяемой допускаемой температурой нагрева смазочной композиции до 80-90°C.

Пример 3 и 4

Примеры 3-4 выполнены аналогично примеру 1 и отличаются только типом базового масла и смазки, а именно: пример 3 - масло И-40 (индустриальное масло); пример 4 - смазка консистентная: литол 24.

Основные триботехнические показатели пары трения ролик-ролик (сталь 45 с твердостью НВ 230) при контактной нагрузке Р=0,4 кН и скорости V=1 м/с, полученные по примерам 1-4 в сравнении с прототипом, представлены в таблице.

Таким образом, предложенный способ получения смазочной композиции с модифицированным вермикулитом позволяет получить смазочные материалы с более высокими антифрикционными и противоизносными свойствами, которые уменьшают изнашивание трущихся поверхностей, и тем самым увеличивают долговечность работы узла трения, технико-экономическую эффективность работы машин.