Пластичная смазка с улучшенными противоизносными и противозадирными свойствами и способ ее получения

Настоящее изобретение относится к пластичной смазке, содержащей минеральное или синтетическое масло, загуститель - полимочевину и противоизносный наполнитель - отход производства минеральных удобрений - обезвоженный фосфогипс при следующем соотношении компонентов, % мас.: полимочевина 1-15, обезвоженный фосфогипс - 2-70 и минеральное или синтетическое масло - остальное. Также настоящее изобретение относится к способу получения пластичной смазки Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение противоизносных и противозадирных свойств заявляемой смазки при изготовлении смазки простым способом и утилизации многотоннажного отхода - фосфогипса. 2 н.п. ф-лы, 11 пр., 3 табл.

 

Изобретение относится к области нефтепереработки и нефтехимии, в частности к так называемым «белым» смазкам (пастам), предназначенным для использования в узлах трения различных машин и механизмов, в том числе и в подшипниках качения.

К «белым» смазкам-пастам относятся пластичные смазки, наполненные химически активными порошками - сульфидами, сульфатами, боратами, фторидами и т.д. Такие смазки-пасты при содержании наполнителя до 10% называются смазками, а при его содержании более 10% - пастами и используются в узлах трения различных машин и механизмов, особенно эффективны они в условиях вибрационного нагружения (вибрации), и в отличие от традиционных смазок, наполненных графитом и дисульфидом молибдена, работоспособны в подшипниках качения. В литературе такие смазки (пасты) проходят под названием «белые» пасты.

Наиболее эффективны такие составы смазок, в которых используется двойной наполнитель: носитель (в качестве которых выступают окислы, гидроксиды, карбонаты, ацетаты) и сам химически активный порошок (Справочник. Т. Манг, У. Дрезель. Смазочные материалы. - СПб.; 2012 г., с.783).

Известны разработки американской фирмы AMOCO Corporation, заявивших серию патентов по пластичным наполненным смазкам с полимочевинным загустителем.

Так, известен состав смазки, описанный в патенте US 4902435 A, в котором наполнителем используют трикальциевый фосфат и карбонат кальция, дополнительно в качестве загустителя - комплексное кальциевое мыло.

В смазке по патенту US 4830768 A в качестве наполнителя применяют трикальциевый фосфат и карбонат кальция.

В смазке по патенту CA 2010924 A1 той же фирмы описан состав смазки, содержащей в качестве наполнителя трикальциевый фосфат, карбонат кальция и водостойкий полимер.

Наиболее близким к заявленной является пластичная смазка по US 5223161 A, которая содержит, % мас.:

базовое масло (минеральное или синтетическое)	- 45-85
полимочевинный загуститель	- 1-15
противоизносный наполнитель,
содержащий сульфат кальция и ацетат кальция	- 0,2-40

Для получения этой смазки безводный сульфат кальция смешивают с базовым маслом, полимочевиной, предварительно также смешанной с базовым маслом, и составом, полученным перемешиванием полимочевины в базовом масле при 170°F, добавлением другого базового масла, повторного перемешивания, введения гидроксида кальция, перемешивания также при 170°F до образования однородной структуры, добавления ледяной уксусной кислоты, перемешивания при 180°F в течение 30 мин, нагрева перемешанного состава до 300°F, вакуумирования реакционного сосуда в течение 10 мин, охлаждения состава после снятия вакуума до 170°F и гомогенизации с измельчением.

Получаемая пластичная смазка имеет следующие свойства: температура каплепадения около 500°F (260°C), пенетрация от 284 до 319 единиц, маслоотделение за 24 часа при 212°F (100°C) от 1,3% до 2,6%, однако несмотря на неплохие трибологические характеристики (нагрузка критическая - Pк, нагрузка сваривания - Рсв и диаметр пятна износа - Dи) все они уступают по этим показателям традиционным смазкам (пастам) на основе дисульфида молибдена. Кроме того, способ получения смазки является сложным, многоступенчатым.

Смазки по другим аналогам, указанным выше, имеют приблизительно те же свойства.

Задача изобретения заключается в разработке состава пластичной смазки с улучшеными трибологическими характеристиками и в повышении ее противоизносных и противозадирных свойств до уровня традиционных смазок с дисульфидом молибдена, для замены которых она могла бы быть использована, а также разработке простого способа получения смазки с такими свойствами.

Поставленная задача достигается тем, что предложена пластичная смазка на основе минерального или синтетического масла, загустителя полимочевины и противоизносного наполнителя, содержащего безводный сульфат кальция, которая в качестве указанного наполнителя содержит отход производства минеральных удобрений - обезвоженный фосфогипс при следующем соотношении компонентов, % мас.:

полимочевина 1-15

обезвоженный фосфогипс 2-70

минеральное или синтетическое масло - остальное.

Способ получения смазки включает полное обезвоживание фосфогипса путем его обжига при температуре 450-700°C, добавление обезвоженного фосфогипса к составу, включающему минеральное или синтетическое масло и полимочевину, и перемешивание.

Фосфогипс - отход производства минеральных удобрений, основу которого составляют в основном сульфат кальция в форме гипса и трикальциевый фосфат с примесью окислов алюминия, натрия, калия, а также небольшого количества силикатов и фторидов.

Этот отход образуется при производстве фосфорных удобрений из природного сырья - апатита или фосфорита, основу которых составляет нерастворимый в воде трикальциевый фосфат. Схема превращения нерастворимого в воде трикальциевого фосфата в растворимый вторичный фосфат (преципитат) приведена ниже (см. Глинка Н.Л. Общая химия. 1971, с.411):

$${\text{Ca}}_{\text{3}}{\text{(PO4)}}_{\text{2}}+{\text{3 H}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}={\text{3 CaSO}}_{\text{4}}\downarrow +{\text{2H}}_{\text{3}}{\text{PO}}_{\text{4}}\text{ (1)}$$

$${\text{H}}_{\text{3}}{\text{PO}}_{\text{4}}+{\text{Ca(OH)}}_{\text{2}}={\text{CaHPO}}_{\text{4}}\ast {\text{H}}_{\text{2}}\text{O}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\text{ (2)}$$ .

Образующаяся по этой схеме смесь нерастворимого осадка сульфата кальция с другими нерастворимыми соединениями составляет основу фосфогипса - отхода этого производства фосфорных удобрений.

В таблице 1 приведен состав фосфогипса - отхода производства минеральных удобрений. Учитывая сложную смесь образующихся отходов, химический анализ их представлен входящих в них в виде окислов элементов.

Таблица 1
Качественный состав фосфогипса
H2O Общ.	В пересчете на сухое вещество, % мас.
P2O5 Общ.	P2O5 Водораств.	F Общ.	F Водораств.	Na2O	K2O	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	SO3	SrO	РЗЭ
25-32	1,0-1,5	0,6-0,8	0,4-0,6	0,2-0,3	0,1-0,3	0,06-0,1	0,4-0,7	0,15-0,27	0,1-0,3	38-40	53-56	1,9-1,25	0,8-0,9

Для применения в качестве противоизносного и противозадирного наполнителя может быть использован только специально подготовленный фосфогипс, т.к. входящая в состав отходов кристаллизационная вода способствует коррозии и от нее необходимо избавиться. Известно, что полное обезвоживание сульфата кальция (гипса) происходит при 450-700°C. Эту температуру используют и для обезвоживания отходов (фосфогипса). Полностью обезвоженный фосфогипс представляет собой в основном сульфат кальция и трикальциевый фосфат с примесью небольших количеств фторидов, силикатов и окислов редкоземельных элементов (РЗЭ) (см. табл. №1 без кристаллизационной воды).

Примеры 1-7

Полимочевинные смазки для испытаний готовят путем добавления к минеральному маслу (индустриальному маслу И-50) аминов и изоцианатов в количествах, требуемых для образования полимочевины, при температуре 80°C в течение 0,5 час, затем температуру повышают до 150°C до полного завершения реакции образования полимочевины. Затем к составу, включающему минеральное масло и полимочевину, при температуре 60-80°C и перемешивании добавляют наполнитель в количестве 2, 5, 10, 20, 30, 50 или 70% мас., смазку перемешивают и гомогенизируют (С учетом того что наполнитель меняет пенетрацию смазки, количество загустителя - полимочевины менялось таким образом, чтобы пенетрация оставалась на уровне 284-319 единиц, как в смазке-аналоге по US 5223161 A).

На четырехшариковой машине трения по ГОСТ 9490 определяют трибологические характеристики смазки при различном содержании наполнителя. Противозадирные свойства смазок оценивают по коэффициентам Pк - нагрузка критическая и Рсв - нагрузка сваривания, таким образом, что чем они выше, тем лучше указанные свойства смазки. Противоизносные свойства оценивают по пятну износа - Dи - чем оно меньше, тем выше противоизносные свойства смазок. Результаты испытаний на четырехшариковой машине трения смазки при различном содержании наполнителя представлены в таблице 2.

Таблица 2
Влияние содержания наполнителя на трибологические характеристики заявляемой смазки
№№ примеров	Состав смазки, % мас.	Трибологические характеристики
Наполнитель - обезвоженный фосфогипс	Минеральное масло	Полимочевина	Pкр., кгс	Рсв., кгс	Dи, мм
1	2	86	12	84	200	0.72
2	5	83	12	126	315	0.68
3	10	78	12	160	630	0.58
4	20	68	12	178	708	0.56
5	30	58	12	200	750	0.55
6	50	38	12	250	более 800	0,53
7	70	18	12	данные отсутствуют*	данные отсутствуют*	0,52
* значение данных показателей превосходит измерительные возможности четырехшариковой машины трения

Примеры 8-11 (сравнительные)

Проведено сравнение свойств смазки по примеру 3, содержащей 10% мас. обезвоженного фосфогипса, со свойствами смазок-аналогов. Для сравнения используют смазки по патенту US 4830767 A (смазка №1, наполнитель трикальциевый фосфат и карбонат кальция) и по патенту US 5223161 A (смазка №2, наполнитель сульфат кальция и ацетат кальция), а также полимочевинную смазку с традиционным наполнителем - дисульфидом молибдена и смазку без наполнителя. Для всех смазок, кроме испытания трибологических свойств на четырехшариковой машине трения по ГОСТ 9490, проверяют также: температуру каплепадения по ГОСТ 6793, пенетрацию по ГОСТ 5346 и коллоидную стабильность (КСА) по ГОСТ 7142 при 100°C в течение 24 часов.

В таблице 3 приведены показатели заявляемой смазки с фосфогипсом в сравнении с вышеуказанными смазками.

Таблица 3
Физико-химические свойства наполненных полимочевинных смазок
№№ примеров	Наименование смазки	Физико-химические показатели
		Тем-ра каплепадения, °C	Пенетрация, ед.	КСА	Трибологические характеристики
Pкр., кгс	Рсв., кгс	Dи, мм
3	Смазка с фосфогипсом*	Более 260	285	4.0	160	630	0.58
8	Смазка №1*	255	290	2.6	126	422	0.62
9	Смазка №2*	260	304	4.4	126	473	0.64
10	Смазка с дисульфидом молибдена*	Более 260	290	3.8	141	500	0.72
11	Смазка без наполнителя**	251	310	4.8	63	178	0.78
* состав, % мас.: индустриальное масло И-50 - 78, полимочевина - 12, наполнитель - 10
* состав, % мас: индустриальное масло И-50 - 88, полимочевина - 12

Для смазок с обезвоженным фосфогипсом, приготовленных на синтетическом масле - диоктилсебацинате (ДОС), эти показатели примерно на 20% лучше.

Сбалансированная смесь соединений, входящих в фосфогипс, вводимая в заявляемые смазки, как видно из табл.3, вызывает синергетический эффект при ее применении и превосходит по трибологическим свойствам полимочевинные смазки, заявленные фирмой AMOCO с химически активными наполнителями в виде сульфата и фосфата кальция, и при этом не уступает традиционным смазкам на основе дисульфида молибдена.

Заявленная смазка получается простым способом, а использование отходов - фосфогипса улучшает экологическую обстановку в регионах, где существуют такие отходы.

Таким образом, предлагаемый состав пластичной смазки с концентрацией фосфогипса от 2% до 70% мас., являющегося отходом производства минеральных удобрений, по трибологическим характеристикам близок к смазкам (пастам), наполненным дисульфидом молибдена. Например, для пасты ВНИИНП-232, содержащей до 70% MoS₂, данные по Pкр. и Рсв. отсутствуют, т.е. возможности четырехшариковой машины полностью исчерпаны и дальнейшее наполнение не имеет смысла, т.к. достигнут максимум по Pкр. и Рсв., а диаметр пятна износа больше не уменьшается при дальнейшем увеличении количества наполнителя (см. Синицын В.В. Пластичные смазки в СССР. М., Химия, 1979, с.241). Показатели заявленной смазки, как видно из табл.2, пример 7, также могут превосходить возможности четырехшариковой машины трения.

1. Пластичная смазка на основе минерального или синтетического масла, загустителя - полимочевины и противоизносного наполнителя, содержащего безводный сульфат кальция, отличающаяся тем, что в качестве указанного наполнителя она содержит отход производства минеральных удобрений - обезвоженный фосфогипс при следующем соотношении компонентов, % мас.:

полимочевина	1-15
обезвоженный фосфогипс	2-70
минеральное или синтетическое масло	остальное

2. Способ получения смазки по п.1, отличающийся тем, что он включает полное обезвоживание фосфогипса путем его обжига при температуре 450-700°C, добавление обезвоженного фосфогипса к составу, включающему минеральное или синтетическое масло и полимочевину, перемешивание и гомогенизацию.