Результат интеллектуальной деятельности: Способ приготовления концентрата серпентинового триботехнического состава для смазочных материалов

Изобретение относится к триботехническим составам на основе масляных суспензий порошков высокодисперсных минералов группы серпентина и может быть использовано в качестве добавок к смазочным материалам, например, к моторным, трансмиссионным маслам, к пластичным смазкам для повышения износостойкости узлов трения при их работе в различных штатных смазочных материалах.

Известны многие триботехничсскис составы на основе разнообразных материалов и способы приготовления их масляных суспензий, предназначенных для введения в масла, смазки узлов и агрегатов для уменьшения их трения и изнашивания. Так из 160 патентов РФ по применению трибосоставов выявлено: серпентиновых - 53, металлоплакирующих - 36, фторсодержащих - 9, наноалмазных - 7, многокомпонентных - 6, с графитом - 3, с дисульфидом молибдена - 2, средств и приемов щелочной, магнитной, электрической и другой обработки масел - 10, специфика приемов комплексной обработки деталей - 13, масел с трибодобавками - 9.

Разработки разнообразных трибосоставов шли и за рубежом, результатом которых к настоящему времени являются более десятка эффективных серийных трибосоставов стран Европы и США, Десятки патентов США, Великобритании, Франции, Европейские патенты защищают специфические составы масел, а также трибосоставы на основе химических реагентов, наноалмазов, металлоплакирующих и полимерных веществ. А всего в историческом плане их рекламировалось около 100 наименований.

Основное содержание трибосоставов в РФ: минеральное, металлосодержащее, органическое и трибохимическое, но наиболее востребованы - серпентиновые, как смеси гидросиликатов магния, никеля, алюминия, железа, хотя имеются и углеродные кластеры КАРАТ-М (ООО «Реал-Дзержинск») и Красноярские углеродные наноразмерные волокна «GRAF-SB» по ТУ 0257-004-10182605-2016.

Недостатком известных трибосоставов является сложность приготовления, завышенная цена, седиментационная неустойчивость, нестабильность фракционного и фазового состава, а отсюда и нестабильность триботехнических свойств.

Известны многие масляные суспензии триботехнических составов на основе высокодисперсных порошков минералов группы серпентина.

Недостатками известных триботехнических составов и масляных суспензий на основе высокодисперсных минералов группы серпентина, а также способов их приготовления являются трудоемкость добычи серпентинита, его дробления, многократного измельчения, сложность оборудования и технологии извлечения необходимых серпентиновых минералов, отсутствие или незначительное содержание в трибосоставах самой ценной триботехнической составляющей - порошков минерала Лизардит-1Т. Другим недостатком известных триботехнических составов и способов приготовления их масляных суспензий является отсутствие контроля фракционного, фазового состава минералов, показателей трибологии приготовленного материала, а отсюда - нестабильность его триботехнических свойств.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототип) является «Способ получения антифрикционных противоизносных присадок к смазочным материалам» по патенту РФ №2017802 (МПК С10М 177/00, C10N 30:06. 2000 г.), заключающийся в измельчении, просеивании и смешивании порошка со смазочным материалом. Предварительно каждый из порошков раздельно измельчают в мельницах эжекционного типа в среде перегретого пара при скорости 200-300 м/с, давлении 8-12 атм. и температуре 170-230°С с последующим воздействием электромагнитного поля с частотой 490-510 Гц в течение 8-12 с, раздельно смешивают с диспергирующим агентом в соотношении 1:2, полученные продукты раздельно обрабатывают в вибрационных мельницах при частоте 40-60 Гц и температуре 58-62°С в течение 2 ч, объединяют и смешивают со смазочным маслом в гидроволновом смесителе при частоте 80-120 Гц и температуре 58-60°С и полученную смесь подвергают тонкому фильтрованию.

Недостатком известного способа является его чрезвычайная сложность, трудоемкость, необходимость применения уникального оборудования, отсутствие контроля фракционного, фазового состава в порошках, неопределенность их содержания, отсутствие в составе самого ценного триботехнического компонента - порошка минерала Лизардит-1Т, отсутствие конечного контроля триботехнических свойств разработанного триботехнического материала.

Технической задачей изобретения является упрощение технологии, уменьшение трудоемкости, применяемого оборудования для приготовления порошкового минерального триботехнического состава и его масляной суспензии, обеспечение должного фракционного, фазового состава минералов, включение минерала Лизардит-1Т, обеспечение должных стабильных триботехнических свойств состава для повышения износостойкости узлов трения при эксплуатации их в штатных смазочных материалах.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе приготовления концентрата серпентинового для смазочных материалов, заключающимся в измельчении и просеивании порошка, согласно изобретению, порошок из отходов флотации хромовой руды Сарановского месторождения просеивают на сите 1 мм, подвергают термообработке без разрушения структуры минералов группы серпентина в течение часа при температуре 100-105°С, просеивают на сите 100 мкм, измельчают на шаровой планетарной мельнице, просеивают на сите 40 мкм, определяют фракционный и фазовый составы, триботехнические свойства и после контроля выдают порошок концентратом триботехнического серпентинового состава для ввода в моторные, трансмиссионные масла и пластичные смазки.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены результаты сравнительных триботехнических испытаний. Коэффициенты трения стальной три-бопары «палец-диск» в моторном масле фирмы «Мобил» класса качества SJ/SL по API и класса вязкости 05W-30 по SAE (1), в масле М-10Г_2К (ГОСТ 8581-78) ЗАО «Роснефть» (2) и с введенными в последнее по 1% трибосоставами: профилактический КАМП (ООО «Автостанкопром») (3), серпентиновые ЦНТ (ООО «ЦНТ») (4), МС-20 (ФГБНУ ГОСНИТИ и ООО «РИЛ») (5), «Сарановский» (ФГБНУ ГОСНИТИ и ФГБНУ ВИЭСХ) (6), наноалмазный КАРАТ-5 (ООО «Реал-Дзержинск и Красноярский ИХХТ ФИЦ КНЦ СО РАН) (7).

Масла и трибопрепараты испытаны на трибометре TRB-S-DE.

Для приготовления триботехнического состава использованы отходы флотации на ОАО «Сарановская шахта «Рудная» (618850, Россия, Пермская область, Горнозаводский р-н, п. Сараны, ул. Ленина, тел. 25342-69; E-mail: saranir@yandex.ru).

Сарановское месторождение - одно из самых уникальных минералогических объектов Урала. Здесь крупнейшее месторождение хромитов: хромовый диаспор, хромовый амезит, хромовый корундофиллит, хромовый шериданит и другие уникальные минералы. Поэтому ОАО «Сарановская шахта «Рудная» является крупнейшим предприятием по добыче и обогащению хромитов в РФ. На шахте подземным способом добывают хромовую руду, измельчают, проводят флотацию измельченной руды и выделяют хромовый концентрат. За 100 лет добыто более 10 млн.т. хромитовой руды, Его потребитель - Серовский завод ферросплавов Свердловской обл., а отходы флотации, как промышленный источник силикатов, отправляют в «хвостохранилище», где их имеется более 50 млн.т.

В предлагаемом способе и использованы эти отходы. В исходной руде, кроме хромитов, содержится серпентин, развитый по пироксену и редко по оливину. А отходы флотации состоят, в основном, из минерала лизардитового бастита по ортопироксену и аппооливинового Лизардита по формуле Mg₃[Si₂O₅](OH)₄ с незначительным содержанием хромшпинелида. Отходы флотации содержат также небольшое количество хлоритов, кальцит и уваровит. Плотность порошка отходов 2550 кг/м³, твердость по минералогической шкале - 2,5…3.

Пример реализации способа.

Для приготовления серпентинового триботехнического материала порошок отходов флотации хромовой руды Сарановского месторождения просеивали на сите 1 мм, подвергали термообработке при 105°С в течение часа в электрошкафу ТЕРМИКС без разрушения кристаллической структуры минералов группы серпентина, просеивали на сите 100 мкм виброгрохота «Analizette», измельчали на шаровой планетарной мельнице «Активатор 2SL» по стандартной методике, просеивали на сите 40 мкм того же виброгрохота, определяли фракционный состав на инвертированном металлографическом микроскопе OLIMPUS GX-51, фазовый состав на рентгеновском дифрактометре XRD 6000 Японской фирмы Shimadzu, а триботехниче-ские свойства - на трибометре TRB-S-DE Швейцарской фирмы CSM Instruments.

Согласно данным оптической микроскопии в Наноцентре ФГБНУ ГОСНИТИ большая доля измельченных частиц имела размеры 1-5 мкм с редкими агломератами до 56 мкм, средний, автоматически определенный, размер составил 2,3 мкм. А так как по имеющейся 30-летней практике специалистов по производству серпентиновых трибосоставов и данным ТУ на их порошки оптимальный размером частиц 1-40 мкм, то полученный порошок по фракционному составу приемлем.

По сообщениям, высказанным на «Круглом Столе» в ГК РОСНАНО 15.01.2009 г, соединения хрома для серпентиновых трибосоставов вредны. Поэтому порошок до и после измельчения был исследован в Наноцентре ФГБНУ ГОСНИТИ на дифрактометре XRD 6000 на фазовый состав и на наличие остатков соединений хрома.

По полученным данным рентгенофазового анализа с использованием международной библиотеки спектров ICDD порошок до активации на шаровой мельнице, а особенно после активации, представлял частицы нескольких минералов триботехнической группы серпентина. Цвет порошка светло-желтый с серым оттенком, который после измельчения, как трибоматериал, стал несколько светлее.

Примечание: По литературным данным в основную триботехническую группу минералов группы серпентина входят Антигорит, Хризотил и Лизардит структурной формулы IT.

Проведенная дифрактометрия полученных порошков, с идентификацией их минералов с минералами из всех томов международной библиотеки спектров ICDD, явных соединений хрома в исследованном порошке не выявила. Минералами в разработанном триботехническом материале по ICDD выявлены:

- [(Mg,Al)₃(Si,Fe)₂O₅](OH)₄ - Aluminum IronMagnesium Si Lisardite-IT - основной триботехнический минерал из группы серпентина;

- [Mg₃Si₂O₅](OH)₄ - Magnesium Silicate Hydroxide (Clinochrysotil) - также один из основных минералов группы серпентина;

- [Ni₃Si₂O₅](OH)₄ - Nickel Silicate Hydroxide Pecoratite-2Mcl - вторичный минерал группы серпентина;

- [Ni₅Al₄O₁₁]₁₈H₂O - Nickel Aluminum Oxide Hydroxide - примесь из минералов группы серпентина.

Испытания разработанного триботехнического материала проведены в Наноцентре ФГБНУ ГОСНИТИ на трибометре TRB-S-DE Швейцарской фирмы CSM Instruments по стандартной методике со стальной трибопарой палец-диск в режиме ступенчатого ее нагружения до давления 200 МПа при постоянной скорости скольжения 100 см/с. Их результаты показаны на фиг. 1.

Испытания показали:

- высокую нагрузочную и антифрикционную эффективность моторного масла фирмы «Мобил», по-видимому, одного из лучших мировых,

- совпадение антифрикционных свойств триботехнического состава «ЦНТ» (от ООО «ЦНТ») с триботехническим составом МС-2 (ООО «РеалИнПроект», ГОСНИТИ и ВНИИТиН), приготовленных из аналогичного сырья,

- хорошие антифрикционные свойства наноалмазных триботехнических составов КАРАТ-5 (ООО «РеалДзержинск») и КАРАТ-М (Красноярский институт химии и химической технологии СО РАН),

- а главное: триботехнический состав «Сарановский» оказался лучшим из сер-пентиновых и приближает триботехнические свойства моторного масла М-10_2K среднего уровня качества (СС по API) к высшему мировому уровню триботехнических свойств моторного масла фирмы Мобил, класса SJ/SL.

После фракционного, фазового и триботехнического контроля приготавливали концентраты триботехнического состава «Сарановский». Смешивали 50 г смазочного масла с 15 г созданного триботехнического порошка, а 50 г пластичной смазки - с 50 г этого же порошка. Концентраты из жидкой смазки предназначены для «безразборного ремонта» ДВС и силовых передач, содержащих по 5 л картерного масла, а концентрат из пластичной смазки рассчитан на 5 кг пластичных смазок.

Использование способа позволит значительно упростить технологию, уменьшить трудоемкость.