Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состав, структура и свойства пластичных смазок (обзор литературы) 9
1.1 Состояние и перспективы развития производства и потребления пластичных смазок в Российской Федерации и за рубежом 13
1.2 Современные представления о коллоидной структуре и свойствах пластичных смазок 16
1.3 Классификация пластичных смазок 19
1.4 Влияние состава пластичных смазок на их свойства 24
1.5 Сульфонатные комплексные смазки как перспективный вид пластичных смазок 31
1.6 Технологии получения сульфонатных пластичных смазок 34
1.7 Технические требования к разрабатываемой сульфонатной комплексной смазке 36
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследования 37
2.1 Объекты исследования 37
2.1.1 Компоненты дисперсной фазы 37
2.1.2 Дисперсионные среды 41
2.2 Методы исследования 58
2.2.1 Объемно-механические характеристики 58
2.2.2 Стабильность и физико-химические свойства 61
2.2.3 Антикоррозионные и защитные (консервационные) свойства 62
2.2.4 Трибологические (антифрикционные, противоизносные и противозадирные) свойства смазок 64
2.2.5 Определение структурно-группового состава по методу IP 469/01 65
2.2.6 Определение структурно-группового состава методом ИК-спектроскопии
2.2.7 Определение термоокислительной стабильности сульфонатных смазок на подшипниковом стенде 73
ГЛАВА 3 Влияние технологических параметров производства на характеристики сульфонатных комплексных смазок 74
3.1 Аппаратурное оформление технологических режимов получения сульфонатных пластичных смазок 75
3.2 Технологические режимы получения сульфонатных пластичных смазок
3.2.1 Стадия структурообразования сульфонатной комплексной смазки 80
3.2.2 Стадия термообработки сульфонатной комплексной смазки 85
3.3 Выводы з
ГЛАВА 4 Исследование влияния типа и свойств дисперсной фазы на свойства сульфонатных комплексных смазок 90
4.1 Полиморфизм карбоната кальция 90
4.2 Тип и свойства сульфонатов кальция 94
4.3 Пластичные смазки на основе сульфонатов кальция различного типа 101
4.4 Расчет себестоимости сульфонатных смазок на основе сульфонатов кальция различного типа 106
4.5 Выводы 107
ГЛАВА 5 Исследование влияния состава и свойств дисперсионных сред на свойства сульфонатных комплексных смазок 108
5.1 Влияние молекулярной массы полиальфаолефинового масла на 110
свойства сульфонатных пластичных смазок 110
5.2 Влияние состава сложных эфиров на свойства сульфонатных пластичных смазок 113
5.3 Влияние состава и свойств нефтяных масел на свойства сульфонатных пластичных смазок 116
5.4 Выводы 119
ГЛАВА 6 РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФОНАТНЫХ КОМПЛЕКСНЫХ СМАЗОК С УЛУЧШЕННЫМИ ТРИБОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ 120
6.1 Разработка нормативной документации на технологический процесс изготовления и испытания опытно-промышленной партии сульфонатной комплексной смазки с улучшенными трибологическими характеристиками 120
6.2 Изготовление опытно-промышленной партии № 1 сульфонатной комплексной смазки (СКС) 120
6.3 Сравнительные результаты исследования опытно-промышленной партии сульфонатной комплексной смазки с товарными смазками зарубежного производства 121
6.4 Экономический эффект от постановки на производство сульфонатной комплексной смазки 124
6.5 Выводы 125
Заключение 126
Литература 128
- Влияние состава пластичных смазок на их свойства
- Антикоррозионные и защитные (консервационные) свойства
- Технологические режимы получения сульфонатных пластичных смазок
- Расчет себестоимости сульфонатных смазок на основе сульфонатов кальция различного типа
Влияние состава пластичных смазок на их свойства
Особенности свойств смазок, обуславливающие сформулированное выше их реологическое понятие, аномалию вязкости и другие специфические характеристики, связаны с коллоидной природой (структурой) смазок.
Пластичные смазки в современном представлении коллоидной химии можно рассматривать как высокоструктурированные тиксотропные дисперсии, образованные трехмерным структурным каркасом дисперсной фазы, частицы (элементы) которой в одном или двух измерениях имеют коллоидные, а в третьем макроскопические размеры. В ячейках структурного каркаса капиллярными, абсорбционными и другими физическими связями удерживается дисперсионная среда – смазочное масло [18].
Таким образом, смазки надо рассматривать как весьма сложные поликомпонентные системы, основные свойства которых обуславливаются их составом. Дисперсная фаза (загуститель) в процессе изготовления смазки образует трехмерный структурный каркас, пронизывающий дисперсионную среду во всем ее объеме. Элементы (частицы дисперсной фазы) структурного каркаса в двух, но чаще в одном измерительном направлении имеют коллоидные размеры.
В ячейках трехмерного структурного каркаса смазки 60-80 % дисперсионной среды удерживается за счет адсорбционных связей, а остальная часть – механически.
Тем не менее, при оценке смазок с позиции коллоидной химии и изучении процесса структурообразования, их прежде всего рассматривают как двухкомпонентные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы. Что касается третьего, т.е. остальных компонентов, то в данном случае определяют их роль в структурообразовании и формировании этой системы.
В качестве дисперсионной среды, на долю которой приходится 75-95 % состава (общей массы) смазки, используют нефтяные, синтетические масла и другие смазочные жидкости. Дисперсной фазой (5-25 %) могут служить соли высокомолекулярных карбоновых кислот – мыла, твердые углеводороды (парафин, церезин, озокерит и т.п.), неорганические (высокодисперсный силикагель, бентониты, лиофильный, а также вспученный графит и т.п.) материалы, а также другие высокодисперсные вещества с хорошо развитой удельной поверхностью, способные к структурообразованию в неводных средах [25,26,27,28]. Пожалуй, к таким двухкомпонентным системам можно отнести только смазки на полисилоксанах, загущенных сажей, пигментами и полимерами. Во всех остальных случаях кроме дисперсионной среды и дисперсной фазы в смазках всегда присутствуют третий, а то и четвертый и более компоненты. Этими компонентами могут быть обязательные, без которых пластичная смазка либо не может существовать как структурированная система (например, вода в большинстве мыльных и особенно в гидратированных кальциевых смазках), либо они присутствуют в ней как компоненты, образовавшиеся в технологическом процессе приготовления смазки (например, глицерин, выделившийся при омылении жиров, продукты окисления дисперсионной среды – результат термообработки смазки и т.п.).
Иногда для регулирования процесса структурообразования при производстве смазок в их состав вводят различные поверхностно-активные вещества (ПАВ) [28]. Наконец, с целью улучшения эксплуатационных свойств смазок используют различные функциональные присадки и твердые добавки – наполнители. По воздействию на структуру и реологические свойства смазок наполнители различного происхождения отнесены к трем группам: инертные (графит, порошки металлов), активные, действующие по физическому механизму (окислы молибдена, свинца и др.), твердые добавки слоистого строения – графит, дисульфид молибдена, политетрафторэтилен широко используются в смазках для улучшения антифрикционных свойств [26,27]. Одновременное улучшение антифрикционных, защитных, противоизносных и других свойств смазок может быть достигнуто физической и химической модификацией поверхности твердых добавок, а также при совместном применении твердых добавок и присадок различной химической природы и функционального назначения [29]. В этом случае и сажевые, и пигментные, и полимерные смазки также становятся более чем двухкомпонентными системами.
Следовательно, смазки являются структурированными дисперсиями, образованными загустителями в смазочном масле.
Основные реологические свойства смазок связаны с особенностями их структуры и определяются, с одной стороны, дисперсностью, анизометричностью волокон, образующих структурный каркас, с другой - величиной энергии связи между структурными элементами каркаса и взаимодействием дисперсной фазы с дисперсионной средой.
Работоспособность смазок в узлах трения при деформации под действием нагрузок во многом определяется их тиксотропными свойствами или, в общем виде, механической стабильностью. В коллоидной химии под тиксотропией понимают изотермический переход или гелей в золь под влиянием механического воздействия с обратным превращением в студень или гель после прекращения механического воздействия. Тиксотропными системами являются и пластичные смазки, поскольку они способны восстанавливать структуру и механические свойства после деформирования или при снижении его интенсивности. Приходится констатировать, что закономерности, определяющие тиксотропные свойства пластичных смазок, изучены пока лишь в самом общем виде.
Наиболее распространенными являются мыльные пластичные смазки, в которых загустителем служат соли природных или синтетических высших жирных кислот – мыла. В большинстве стран основную долю ассортимента смазок составляют смазки на основе кальциевых, литиевых, натриевых, алюминиевых и бариевых мыл. Наиболее универсальные из них литиевые смазки [29].
Антикоррозионные и защитные (консервационные) свойства
Объемно-механические свойства смазок включают в себя определение их упруго-пластичных и прочностных характеристик, ползучести, течения и тиксотропии. Учитывая то, что смазки также представляют собой коллоидно-дисперсные системы, для изучения их объемно-механических свойств прежде всего используют методы реологии, поэтому такие характеристики часто называют реологическими.
Предел прочности на сдвиг – это то минимальное критическое усилие (нагрузка), которое необходимо приложить, чтобы произошла деформация структурного каркаса смазки и началось ее движение. Предел прочности является истинной физической характеристикой смазок. Он определяет способность смазки поступать в зону трения рабочих узлов и удерживаться на трущихся поверхностях.
Чаще всего для определения предела прочности смазок при сдвиге используют пластометр К-2 конструкции К.И. Климова (ГОСТ 7143, метод Б). Стандартами ASTM, FTMS, IP, DIN и другими определение предела прочности смазок не предусмотрено.
Эффективная вязкость — подразумевает вязкость ньютоновской жидкости (масла), которая при данном режиме течения оказывает такое же сопротивление сдвигу, как и смазки.
Является важнейшей эксплуатационной характеристикой. Она определяет условия (возможность) заправки смазки в узлы трения при низких температурах, влияет на пусковой и установившийся моменты сдвига подшипников и эксплуатационные потери при работе различных узлов трения.
Для определения вязкости смазок используют автоматические капиллярные вискозиметры конструкции А.А. Константинова, Г.В. Виноградова и В.В. Синицына АКВ-2 и АКВ-4 (ГОСТ 7163). Существуют и другие методы измерения вязкости смазок, например, в ротационном вискозиметре ПВР-1 конструкции В.П. Павлова (ГОСТ 9127) или с помощью вискозиметра РВ-7 М.П. Воларовича.
По методикам ASTM, FTMS, IP, DIN вязкость смазок определяют с помощью прибора SOD (метод ASTM D 1092). Существует также метод ASTM D 3232, которым предусмотрено измерение текучести смазок при высоких температурах с помощью ротационного вискозиметра Брукфельда.
Пенетрация – условный эмпирический показатель, который лишен физического смысла и не характеризует эксплуатационных свойств смазок. Тем не менее, на Западе, в США и других странах пенетрация используется для оценки объемно-механических свойств смазок.
Для определения пенетрации используют пенетрометр Ричардсона и методику, стандартизованную ГОСТ 5346 или ASTM D 217, IP 50. До сих пор действует классификация смазок по системе NLGI, в основу которой положена их градация по численным значениям пенетрации.
Механическая стабильность - изменение объемно-механических свойств смазок, например предела прочности, в результате механической обработки и последующего их отдыха. В коллоидной химии такие изменения свойств (предела текучести, вязкости) дисперсных систем называют тиксотропией.
Механическая стабильность - важная эксплуатационная характеристика смазок, применяемых в подшипниках качения и особенно для, используемых в различных шарнирах, плоских опорах, подшипниках скольжения, так как в этом случае в работу вовлекается весь запас смазки.
Механическая стабильность смазок регламентируется ГОСТ 19295. С помощью этого метода оценивается реологическое состояние смазки в узле трения.
По методикам ASTM D 217-1150 и FTMS 313 предусмотрена оценка механической стабильности смазок определением пенетрации смазок после 100 000 двойных ударов. Существует и другой метод, также базирующийся на измерении пенетрации смазки до и после ее разрушения в приборе Roll Schel Test (ASTM D 1831), а также метод RIV (Fiat 50501).
Температура каплепадения - максимальная температура, при которой из капсюля термометра Уббелоде падает капля смазки, нагреваемой в строго регламентированных условиях. В связи с тем, что смазки являются многокомпонентными системами, она условно характеризует температуру плавления смазок и в этой связи лишена физического смысла.
По температуре каплепадения смазок иногда можно судить о природе загустителя, на котором смазка изготовлена, а отсюда уже (косвенно) - о возможных областях ее применения, но и то при условии, что известны состав и свойства дисперсионной среды смазки.
Технологические режимы получения сульфонатных пластичных смазок
В случае получения сульфонатных смазок такая технология подразумевает использование так называемых промоторов структурообразования, к которым можно отнести спирты, альдегиды, кислоты и т.д. Существуют технологии получения сульфонатных смазок, в которых в качестве промоторов выступают вещества опасные для здоровья человека - например, метанол [20]. Такой процесс получения может потребовать сложного технологического оборудования -создание повышенных давлений и температур [21].
По этой технологии в состав загустителя уже входят все необходимые промоторы структурообразования и для получения сульфонатной смазки требуется только добавление базового масла и воды.
Мы рассмотрим технологические режимы производства сульфонатных пластичных смазок с получением загустителя в процессе производства смазки, так как в Российской федерации не производят готовый сульфонатный загуститель для производства пластичных смазок. Следует заметить, что технологический режим напрямую зависит от выбранного оборудования для получения смазки.
Все модельные смазки приготовлены на специально разработанном аппарате - реакторе Р-1ЖВ, состоящем из емкости с подогревом, механической скребковой мешалки и автоматического терморегулятора, с помощью которого контролировали и поддерживали температуру. Под технологическим режимом понимается совокупность таких параметров как температура, давление и время приготовления. 3.1 Аппаратурное оформление технологических режимов получения сульфонатных пластичных смазок
Реактор Р-1ЖВ предназначен для исследования технологии получения новых пластичных смазок путем перемешивания различных компонентов при определенной температуре, давлении и скорости перемешивания.
Технические характеристики: - температура контролируемой среды – от 25 до 250 С; - скорость вращения мешалки – до 150 об/мин; - объем рабочей емкости – до 1000 см3; Принципиальная схема реактора представлена на рисунке 3.1. Реактор удовлетворяет требованиям ГОСТ 5346 при следующих условиях эксплуатации: - температура окружающего воздуха – от +5 С до +50 С; - относительная влажность воздуха – до 80%; - атмосферное давление – от 84 до 107 кПа. Металлические и неметаллические покрытия реактора удовлетворяют требованиям ГОСТ 9.303 Принцип действия
Реактор состоит из корпуса (емкости 1), куда помещают различные компоненты смазок. Снаружи корпуса расположена емкость 2, куда заливают теплоноситель – кремнийорганическую жидкость типа ПМС-200. Для заливки и контроля наличия жидкости служит расширительная емкость 3 и штуцер 4 с заглушкой 5. Объем заливаемой жидкости составляет 1,1 дм3. Вокруг емкости 3 размещен специальный термоэлектрический нагреватель 6 (ТЭН), прижатый кожухом 7 и заизолированный теплоизоляцией из базальтового картона 8. Вся конструкция закрыта наружным кожухом 9. В емкость с кремнийорганической жидкостью встроен датчик температуры 10. ТЭН подключен к силовому разъему 11, датчик температуры подключен к клеммнику 12. Рисунок 3.1 - Принципиальная схема реактора Р-1ЖВ Загрузка компонентов осуществляется через съемную крышку 13, а для их перемешивания в объеме – смеситель 14, который вращается приводом 15 через резиновую муфту 16. Привод закреплен на траверсе 17. На крышке расположены два штуцера 18 и 19 и закрытое пробкой 20 отверстие, которые предназначены для подачи в рабочий объем реактора твердой, жидкой или газовой фракций компонентов в процессе работы реактора. Корпус реактора крепится на основании 21. Траверсы с приводом перемешиваются вверх-вниз по стойкам 22 и закрепляются в нужном положении по высоте при помощи двух ручек 23.
Расчет себестоимости сульфонатных смазок на основе сульфонатов кальция различного типа
Свойства образцов сульфонатных смазок на пентаэритритовых эфирах различного производства представлены в таблице 5.3.
Физико-химические свойства сульфонатных смазок на сложноэфирных маслах № п/п Наименование показателя Дисперсионная среда образцов сульфонатной смазки Эфир NycoBase 5750 Эфир NycoBase 5950 Эфир Priolube 3939 1. Температура каплепадения, С 250 250 250 2. Предел прочностина сдвиг, Па: при 20 С при 50 С 150 100 1440 560 1240 360 3. Коллоидная стабильность, % 2,59 1,92 3,38 4. Вязкость эффективная при 20С, Па с 610,14 1291,8 1105,13 5. Защитные свойства на пластинках: медь М1 или М2 сталь ШХ15 выдерживает выдерживает 6. Пенетрация, при 25 С, с перемешиванием 60 двойных тактов, 0,1 мм 381 315 172 7. Смываемость водой, % через 5 минут через 15 минут через 30 минут 74,0 100 21,20 32,87 44,14 10,18 20,56 29,64 8. Трибологические характеристики на четырёхшариковой машине при температуре (20±5)С: Нагрузкасваривания, Рс, кгс Критическаянагрузка, Рк, кгс Диаметрпятна износа, Di; мм 447 71 0,3 422 71 0,6 400 63 0,4
Все приготовленные образцы сульфонатной смазки обладают отличными антикоррозионными свойствами, за счет наличия частиц кальцита, которые являются природными ингибиторами коррозии, что подтверждается литературными данными. Хорошими противозадирными свойствами (EP – extreme pressure) обладают все приготовленные образцы, что объясняется наличием большой концентрации сераорганических соединений в составе смазки. Данные эфирные масла представляют собой смесь эфиров пентаэритрита различного состава, отличающиеся содержанием тех или иных кислотных радикалов (Рисунок 5.2).
Смазки на основе сложных эфиров пентаэритрита показывают неудовлетворительные результаты испытаний (Таблица 5.3). Образцы смазок на данных эфирах быстро смываются водой (более 30%), при этом смазка на основе эфира Nycobase 5750 практически полностью смывается водой через 15 минут испытаний, то есть смазки обладают плохой водостойкостью. Возможно, это связано с плохой гидролитической стабильности эфиров. Образцы смазок на основе эфира Nycobase 5750 и эфира Priolube 3939 отличаются от всех остальных образцов высоким пределом прочности, что может отрицательно сказаться на способности смазки поступать к трущимся поверхностям. Эти два образца имеют также высокие значения эффективной вязкости, что увеличивает пусковой и установившийся крутящие моменты подшипников, а также эксплуатационные потери при работе узла трения.
Так же стоит отметить, что сложные эфиры могут подвергнуться гидролизу при контакте с водой, что может существенно изменить свойства смазки, в частности антикоррозионные. При этом вода в производстве сульфонатных смазок является промотором структуры, и в процессе применения водостойкость является одним из преимуществ сульфонатных комплексных смазок. Следовательно, применение сложных эфиров в качестве дисперсионной среды сульфонатных смазок, ограничено в связи с плохой химической стабильностью смазок на их основе. Кроме того, смазки на сложных эфирах могут вызывать набухание резиновых уплотнений [21].
Высокий предел прочности смазок на основе эфиров пентаэритрита и высокая вязкость объясняются наличием достаточно прочных водородных связей между атомами кислорода, входящими в состав масла и атомами водорода оксигрупп из состава сульфонатного комплекса.
Эфиры пентаэритрита встраиваются в структуру сульфонатного комплекса, взаимодействуя с углеводородными хвостами сульфотанов кальция. Увеличение в составе эфира пентаэритрита кислотных радикалов С10, приводит к увеличению объемно-механических свойств конечной смазки.
Все приготовленные образцы сульфонатной смазки обладают отличными антикоррозионными свойствами, за счет наличия комплексов кальцита, которые являются природными ингибиторами коррозии. Тем не менее, образцы, приготовленные на маловязких маслах, не обладают достаточным пределом прочности при повышенных температурах, поскольку эти смазки будут выдавлены вращающимися деталями из подшипников. Это объясняется малыми дисперсными силами взаимодействия низкомолекулярных углеводородов маловязких масел с углеводородными цепями сульфонатов. У высоковязких нефтяных масел с большей суммарной длиной радикалов эти силы выше и смазки получаются более прочными.
Хорошими противозадирными свойствами (EP – extreme pressure) обладают все приготовленные образцы, что подтверждает природные противозадирные свойства смазок на основе сульфоната кальция. Сера, имеющаяся в смазке в большом количестве, работает как противозадирный элемент, образуя при трении сульфиды железа, препятствующие адгезионному схватыванию стальных поверхностей.