Мастильна композиція

Мастильна композиція, що складається з мастильної основи і вуглецевої присадки, що містить ультрадисперсні частки алмазу, яка відрізняється тим, що 10-40 % часток мають позитивний заряд поверхні, а 60-90 % часток - негативний заряд поверхні, причому сумарна концентрація алмазних часток у мастильній основі складає 0,01-5 % Винахід відноситься до ХІМІЧНОГО виробництва, зокрема мастильних матеріалів, що містять тверді частки, призначених для використання у вузлах тертя машин і механізмів, а також при технологічній обробці різних матеріалів, наприклад, різанням, штампуванням і т п Відомий мастильний склад, у якому як тверду добавку використовують 0,1 - 1%мас суміші ультрадисперсних порошків алмазу, графіту й аморфного вуглецю при масовому співвідношенні алмазної і неалмазної модифікацій вуглецю від ЗО 70 до 99 1 [АС (СССР) №1770350] Недоліком даного складу є те, що він володіє низькою колоїдною стабільністю, і частки ультрадисперсного алмазу, графіту й аморфного вуглецю схильні до агрегації, що приводить до зниження позитивного ефекту мастильного складу Найбільш близькою до складу, що заявляється, є мастильна композиція, яка містить 0,1-8% вуглецевої присадки, 18-38% якої складають частки алмазу з розмірами 40-120А и 82-62% - частки графіту з розмірами 200-1000А [Міжнародна заявка №PCT/SU 91/00134 від 03 07 91 31 ОМ 125/02 прототип] Для стабілізації часток у мастильній основі застосовується до 8% неюногенної поверхнево-активної речовини Композицію використовують як масло, консистентного змащення і технологічної мастильної речовини Мастильна композиція має антифрикційні і протизношувані властивості, завдяки сполученню в заявленому співвідношенні двох вуглецевих фаз - алмазу і графіту з характерними розмірами часток Автори вказують, що при виході зазначених параметрів за межі заявлених діапазонів позитивний ефект від мастильної композиції або помітно знижується, або втрачається зовсім, або виникають негативні явища, такі як підвищений знос поверхонь тертя при підвищенні вмісту алмаза понад 38%, чи погіршення колоїдної стабільності композиції при збільшенні розміру часток графіту більш 1200А Задачею даного винаходу є розробка такої мастильної композиції, у якій ультрадисперсні алмазмісткі частки володіють підвищеною колоїдною стабільністю в масляному середовищі і підвищеними антифрикційними і протизношуваними властивостями у вузлах тертя Поставлена задача вирішується тим, що мастильна композиція, що складається з мастильної основи і вуглецевої присадки, яка містить ультрадисперсні частки алмаза відрізняється тим, що 1040% частинок мають позитивний заряд поверхні, а 60-90% частинок - негативний, причому сумарна концентрація алмазних частинок у мастильній основі складає 0,01-5% Частинки ультрадисперсного алмаза характеризуються, як правило, негативним зарядом поверхні Це пов'язано з утворенням киснемістких функціональних груп на вуглецевій поверхні, якісний і КІЛЬКІСНИЙ склад яких залежить від умов синтезу й обробки УДА Величина негативного заряду часток УДА, визначена методом макроелектрофорезу як електрокінетичний потенціал, складає в середньому 30-50мв [Г А Чиганова Исследования коллоидных свойств ультрадисперсных алмазов Коллоидный журнал, 1994, т 56, №2, с 266-268] Методами ХІМІЧНОГО модифікування можуть бути 1 ю ^00 48457 отримані ультрадисперсні алмази з позитивним зарядом поверхні Величина позитивного заряду характеризується значеннями електрокінетичного потенціалу 10-35мв [Г А Чиганова, А Чиганов, Ю Тушко Электрофоретическое поведение гидрозолей ультрадисперсного алмаза и модификация его поверхности - Коллоидный журнал, 1993, т 55, №5, с 182-185] Однак у неполярних органічних середовищах, таких як мастило, заряджені частки володіють низькою колоїдною стабільністю, схильні до агрегації і седиментації Для підвищення колоїдної стабільності алмазних часток в мастилі в систему вводять ПАВ катюн-активні чи неюногенні, чи проводять хімічне модифікування поверхні алмазу [Тапраева Ф , Пушкін А , Кулакова И , і др Функциональное покрытие поверхности алмаза в разных условиях модификации газами Журнал физической химии, 1990, т 64, №9, с 2445-2451] У такий спосіб зменшують заряд часток алмазу і підвищують їхню спорідненість до мастила У результаті експериментальних досліджень нами встановлено, що суміш алмазних часток з різним зарядом поверхні, узята в співвідношенні, що заявляється, 10-40% позитивно заряджених часток і 60-90% негативно заряджених часток, утворює в оливах СТІЙКІ, колоїдно-стабільні суспензії, що не разшаровуються і не осідають тривалий час Експерименти виконували в такий спосіб порошки ультрадисперсних алмазів, що характеризуються величиною електрокінетичного потенціалу -35мв і +18мв, диспергували в мінеральній індустріальній оливі марки Vitrea-39 (виробництво фірми Shell) - кожний з порошків окремо, а також їхньої суміші, узяті в процентному відношенні, як зазначено в таблиці 1 Сумарна концентрація часток в оливі у всіх дослідах становила 0,05мас % Суспензії поміщали в скляні циліндри V = 500см3 і оцінювали колоїдну стабільність за випаданням осаду й посвітлішанню шару оливи протягом ЗО діб Результати спостережень наведено в табл 1 Таблиця 1 № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Відносний ВМІСТ у суміші алмазних часток, % позитивних негативних 100 5 10 15 20 ЗО 40 45 50 70 90 100 95 90 85 80 70 60 55 50 ЗО 10 СТІЙКІСТЬ 0,05% суспензії до розшарування, діб 18 23 28 більше ЗО більше ЗО більше ЗО більше ЗО більше ЗО більше ЗО більше ЗО 31 20 Підвищення колоїдної стабільності згаданих сумішей може бути пов'язано, у загальному вигляді, із взаємною частковою нейтралізацією поверхневих зарядів алмазних часток і утворенням малополярних агрегатів Такі агрегати стають олеофільними, на відміну від гідрофільних заряджених часток У той же час, утворення агрегатів має зворотний характер, а поверхня часток не терпить ХІМІЧНИХ змін Це підтверджується наступним ДОСЛІДОМ Колоідно-стабільну масляну суспензію алмазних часток, що містить 25% позитивно заряджених часток і 75% негативно заряджених часток, розбавили ацетоном у співвідношенні 1 50, профільтрували через фільтр із розміром пір 5мкм, осад на фільтрі промили ацетоном, висушили при 120°С Отриманий порошок диспергували у воді за допомогою Уз-диспергатора, після чого визначали знак заряду часток методом макроелектрофорезу При напрузі електричного поля 100В/см спостерігали переміщення часток як до катода так і до анода, причому візуальне співвідношення позитивно і негативно заряджених часток оцінювалося приблизно як 1 З Примітка Світла олива, щільний осад на дні Світла олива, щільний осад на дні Опалесцентна олива, неоднорідний осад Суспензія колоїдно стабільна, на дні - тонкий осад Суспензія колоїдно стабільна, осаду немає Суспензія колоїдно стабільна, осаду немає Суспензія колоїдно стабільна, осаду немає Суспензія колоїдно стабільна, осаду немає Суспензія колоїдно стабільна, на дні - тонкий осад Опалесцентна олива, неоднорідний осад Опалесцентна олива, неоднорідний осад Світла олива, на дні - рихлий осад Експериментальне встановлено, що якщо частка позитивно заряджених часток менше 10%, то колоїдна стабільність масляних суспензій знижується Підвищення частки позитивно заряджених часток більше 40% не дає додаткового ефекту стабілізації, однак впливає на протизношувані й антифрикційні властивості мастильної композиції Можливою причиною цього є баланс донорноакцепторних електронних властивостей дисперсної добавки в оливу Негативно заряджені частки є донорами електронів Це важливо з погляду їхньої взаємодії з атомарним воднем Н+, що утворюється при трибодеструкцм вуглеводнів олив [ГХайнике Трибохимия - М Мир, 1987, с 541546] Позитивні частки - акцептори електронів Адсорбуючись на негативно заряджених центрах поверхні тертя, такі частки перешкоджають навуглеводнюванню металу, зменшуючи в такий спосіб т зв «водневе зношування», що є одним з головних механізмів зносу при терті в присутності вуглеводневих олив [Справочник по триботехнике т 1 Теоретические основы - М Машиностроение, Варшава ВКЛ, 1989, с 304-323] Таким чином, 48457 наявність у мастильній композиції негативних часток перешкоджає нагромадженню в мастилі активного водню, а наявність позитивних часток - перешкоджає проникненню водню в решітку металу і пов'язаними з цим явищами трибокорозії та зносу У процесі тертя агрегати часток, що сформувалися за рахунок електростатичних сил, з різними знаками руйнуються в зонах трибоконтактів, і індивідуальні заряджені частинки діють у ВІДПОВІДНОСТІ ЗІ своїм знаком заряду, як описано вище Зменшення частки негативно заряджених частинок менше 60% приводить до відносного збільшення зносу Деякою мірою це можна порівняти зі зниженням загальної концентрації УДА в мастильній композиції Зменшення частки позитивно заряджених частинок менше 10% також погіршує протизношувальні властивості мастильної композиції У залежності від призначення мастильної композиції сумарна концентрація алмазних частинок у мастильній основі може складати від 0,01% до 5%(мас) При зниженні сумарної концентрації алмазних частинок менше 0,01% антифрикційні і протизношувані ефекти виражені слабо Підвищення сумарної концентрації більш 5% не дає додаткових триботехнічних ефектів, при цьому необгрунтовано підвищується вартість мастильної композиції Як мастильну основу можуть бути використані рідкі оливи (мінеральні, синтетичні, напівсинтетичні) і консистентні змащення Мастильна основа може містити традиційні компоненти, що забезпечують комплекс стандартних експлуатаційних характеристик Алмазні частки двох видів заряду, узяті в пропорції, що заявляється, один до другого, забезпечують підвищення колоїдної стабільності і поліпшення протизношуваних і антифрикційних властивостей мастильної композиції, як це наведено в прикладах Приклад 1 У мінеральну оливу додають 0,1% ультрадисперсного вуглецевого алмазмісткого порошку, що складає з 10% позитивно заряджених часток і 90% негативно заряджених часток Випробування проводять на машині тертя СМЦ-2 (пари тертя «сталь-бронза») Результати випробувань наведені в таблиці 2 (дослідна композиція 1) Приклад 2 У мінеральну оливу додають 0,1% ультрадисперсного вуглецевого алмазмісткого порошку, що складає з 40% позитивно заряджених часток і 60% негативно заряджених часток Випробування проводять на машині тертя СМЦ-2 (пари тертя «сталь-бронза») Результати випробувань наведені в таблиці 2 (дослідна композиція 2) Приклади 3-5 У мінеральну оливу додають 0,1% ультрадисперсного вуглецевого алмазмісткого порошку, з вмістом 3%, 30%, 45% позитивно заряджених часток і 95%, 70%, 55% негативно заряджених часток ВІДПОВІДНО Випробування проводять на машині тертя СМЦ-2 (пари тертя «сталь-бронза») Результати випробувань наведені в таблиці 2 (ДОСЛІДНІ КОМПОЗИЦІЇ 3, 4, 5) Таблиця 2 № прикла Матеріал пари тертя Мастильна олива Максим питоме навант, МПа сталь-бронза сталь-бронза сталь-бронза сталь-бронза сталь-бронза сталь-бронза Мінеральна олива Дослідна композиція 1 Дослідна композиція 2 Дослідна композиція 3 Дослідна композиція 4 Дослідна композиція 5 1,55 2,40 2,15 2,35 2,85 2,15 ДУ 1 2 3 4 5 Приклади 6-10 У мінеральну оливу додають 0,005%, 0,01%, 0,5%, 1,2% ультрадисперсного вуглецевого алмазмісткого порошку, що складає з 30% позитивно заряджених часток і 70% негативно заряджених часток Коефіцієнт Сумарене тертя при зношення Максим Максим максим зразків за час температура температура навантавипробуван, зразка, К оливи, К женні мкм 0,085 0,035 0,030 0,050 0,018 0,034 43 22 18 25 15 27 385 358 332 338 328 347 345 329 318 320 316 335 Випробування проводять на машині тертя СМЦ-2 (пари тертя «сталь-бронза») Результати випробувань наведені в таблиці 3 (ДОСЛІДНІ КОМПОЗИЦІЇ 6, 7, 8, 9, 10) Таблиця З № прикла Мастильна олива ДУ 1 2 Мінеральна олива Вміст Коефіцієнт тертя при навантаженні добавки, % 2 МПа ЗМПа 4 МПа 6 МПа 8 МПа 3 4 5 6 7 8 0,075 0,061 0,051 0,042 0,036 Об'ємна температура тертя, °С, при навантаженні 2 МПа 9 298 4 6 8 10 МПа МПа МПа МПа 10 11 12 13 303 310 317 326 Продовження таблиці З 48457 1 2 Дослідна ція 6 Дослідна ція 7 Дослідна ція 8 Дослідна ція 9 Дослідна ція 10 6 7 8 9 10 3 композикомпозикомпозикомпозикомпози 4 5 6 7 N° п/п 1 2 3 4 11 12 13 298 305 310 316 325 0,01 0,042 0,052 0,045 0,036 0,029 298 306 311 315 319 0,5 0,038 0,044 0,038 0,029 0,022 298 304 308 312 316 1,0 0,036 0,036 0,031 0,026 0,019 298 304 307 309 311 1,2 0,031 0,032 0,027 0,021 298 302 307 309 312 Знос диска JC, г/м 3,4 10-8 2,3 10-8 0,2 10-8 1,8 10-8 0,011 До консистентного мастила «Литол-24» додають 3%, 5%, 6% ультрадисперсного вуглецевого алмазмісткого порошку з вмістом 25% позитивно заряджених часток і 75% негативно заряджених часток (ДОСЛІДНІ КОМПОЗИЦІЇ 13, 14, 15) Випробування проводять на випробувальному стенді ВНДДНП-543 ВІДПОВІДНО ДО ДСТ 520-89 (перевірка 90%-го ресурсу) і ДСТ 7242-81 (динамічна вантажопід'ємність) для ПІДШИПНИКІВ кулькових радіальних однорядних 2-й розмірної групи з діаметром отворів від 15 до 30мм Режим випробування динамічна вантажопід'ємність, Н 28100 радіальне навантаження, Н частота обертання внутрішнього кільця, про/хв базова ДОВГОВІЧНІСТЬ коефіцієнт корекції розрахункова (скоректована) ДОВГОВІЧНІСТЬ встановлений безвідмовний наробіток Знос колодки JC, г/м 0,9 10-8 7061 3000 62,997 млн про , 350 годин А23 = 0,55 193 години 0,3 10-8 Мастильна композиція Літол-24 Дослідна композиція 13 Дослідна композиція 14 Дослідна композиція 15 ці 5 40,5 години Результати випробування наведені в табли Таблиця 5 90%-й ресурс час 195 232 260 259 Наведені приклади показують, що мастильна композиція, що заявляється, має підвищені протизношувані властивості на 20-35% і поліпшені антифрикційні характеристики на 15-26% Збільшення концентрації алмазних часток більш 5% у мастильній основі (дослідна композиція 15) не дає додаткового технічного ефекту, однак підвищує вартість мастильної композиції, що недоцільно Приклад 16 10 0,075 0,060 0,051 0,040 0,033 Таблиця 4 М14В2 Дослідна композиція 11 Дослідна композиція 12 Приклади 13-15 9 0,05 Приклади 11-12 До моторної оливи М14В2 додають 1%, 2% ультрадисперсного вуглецевого алмазмісткого порошку з вмістом 30% позитивно заряджених часток і 70% негативно заряджених часток (ДОСЛІДНІ композиції 11, 12) Випробування проводять на машині тертя СМЦ-2 за схемою диск (матеріал колінчатого валу тепловозного двигуна) - колодка (матеріал вкладишу) Робочі поверхні зразків колінвалу (050мм) з високоміцного магнієвого чавуну зміцнюють електроіскровим легуванням за технологією виготовлення колінвалів тепловозних двигунів Зразки вкладишів являють собою сегменти біметалічних вкладишів з робочим шаром зі сплаву AT 20-1, площа робочої поверхні яких складає 2 див2 Змащення здійснюють за методом занурення рухливого контртіла (диска) в оливу Знос визначають ваговим методом з точністю до 1 10-4 р Результати випробувань приведені в таблиці 4 Олива 8 Динамічна вантажопід'ємність % 101 120 135 134 Н 28100 32315 35406 35288 % 100 115 126 126 До моторної оливи М-8В додають 0,03% ультрадисперсного вуглецевого алмазмісткого порошку, що містить 20% позитивно заряджених часток і 80% негативно заряджених часток (дослідна композиція 16), після чого отриману мастильну композицію заливають як моторну оливу в автомобіль Москвич, двигун М-412 IE Проводять виміри за витратою палива і технічним станом двигуна внутрішнього згоряння Випробування по витраті палива проводять на мірній 48457 ДІЛЯНЦІ дороги 25км при швидкості 80км/годину з використанням мірного бачка з ціною поділу 50 дивЗ (0,05л) На кожнім етапі випробувань прово N° п/п Мастильна композиція 1 2 3 Моторне масло М-8В Дослідна композиція 16, пробіг 1940км Дослідна композиція 16, пробіг 10000км 10 дять два заїзди (туди і назад) , результати вимірів витрати палива усереднюють Результати наведені втабл 6 Таблица 6 Витрати палива, л назад середнє 1,9 1,875 туди 1,85 на 100км 7,50 Зниження витрат палива, % 1,80 1,87 1,835 7,34 2,1 1,78 1,84 1,810 7,24 3,5 Мастильна композиція має поліпшені антифрикційні властивості, що підтверджується зниженням витрати палива на 2,1-3,5% у порівнянні з базовим моторним мастилом Випробування за технічним станом двигуна внутрішнього згоряння проводять шляхом виміру компресії (ступеня стиску) у циліндрах двигуна при його роботі на штатній моторній мастила М-8В, а також на ДОСЛІДНІЙ КОМПОЗИЦІЇ 16 при пробігу 1,4, 3,0, 4,0 і 10 тис км Результати вимірів компресії наведені втабл 7 Таблиця 7 № п/п 1 2 3 4 5 Компресія, кгс/см2, циліндри Мастильна композиція, пробіг, км Моторне масло М-8В 0 Дослідна композиція 16 1395 Дослідна композиція 16 2950 Дослідна композиція 16 4040 Дослідна композиція 16 10000 1 2 3 4 9,5 9,5 10,4 10,6 10,5 9,2 9,5 10,0 11,0 10,9 9,0 9,5 10,6 10,4 10,4 8,5 9,5 10,3 11,0 10,9 Таким чином, мастильні композиції, що складаються з мастильної основи і вуглецевої присадки, що містить ультрадсперсні частки алмазу і різними знаками заряду поверхні, узятими в співвідношенні, що заявляється, 10-40% позитивно і 60-90% негативно заряджених частинок, забезпечують поліпшені експлуатаційні характеристики індустріальних, моторних масел і мастил, завдяки підвищеним антифрикційним і протизношуваним властивостям середнє значення 9,05 9,5 10,3 10,75 10,68 Збільшення середньої компреси, % 4,9 13,8 18,8 18,0 На підставі вищевикладеного, просимо прийняти до розгляду наступну формулу винаходу Мастильна композиція, що складається з мастильної основи і вуглецевої присадки, що містить ультрадісперсні частки алмазу, яка відрізняється тим, що 10-40% часток мають позитивний заряд поверхні, а 60-90% часток - негативний заряд поверхні, причому сумарна концентрація алмазних часток у мастильній основі складає 0,01-5% ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71