CN101029264A

CN101029264A - 一种改性齿轮油

Info

Publication number: CN101029264A
Application number: CN 200710057057
Authority: CN
Inventors: 张书达; 张文刚
Original assignee: Individual
Current assignee: Tianjin Huayu Superhard Polytron Technologies Inc
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: CN101029264B

Abstract

一种改性齿轮油，用于各种齿轮系统的润滑油。在矿物润滑油或合成润滑油中，加入平均粒径为2～6nm的经表面改性后的纳米碳作为极压抗磨剂和油性剂。其质量分数为2×10^－5～1×10^－2，其中纳米金刚石占10～99％，其余为纳米石墨。该齿轮油减摩抗磨效果显著：磨损量可减少46.7％，机械效率可提高2.84％，磨痕深度可由4.94μm降至0.07μm。在汽车齿轮箱中加入该油，可使空档滑行距离延长近1倍。它可制成车辆齿轮油、极压蜗杆油、开式工业齿轮油和闭式工业齿油，广泛用于交通运输、机械、冶金、化工和国防等诸领域。

Description

一种改性齿轮油

技术领域

润滑剂，涉及一种齿轮系统使用的润滑剂，改性纳米金刚石齿轮油。

技术背景

齿轮油是润滑油中三大品种之一，在各种设备的动力传动中起着至关重要的作用。齿轮油多以矿物油为基础油，但亦有以合成油作为基础油的。此外，还要加入各种添加剂，如清静分散剂、抗氧抗腐剂、破乳剂、抗泡剂、油性剂和极压抗磨剂等。由于齿轮在工作时负荷较大，所以具有良好的极压抗磨性是齿轮油的最重要特征之一。使用好的齿轮油，可使齿面尽量减少擦伤、胶合、点蚀及磨损。

一般油性剂在100℃左右即会从齿面脱附而使油膜破裂，但双曲面齿轮油的温度可达120～160℃(如汽车后桥)，故极压抗磨剂是不可缺少的。目前所用极压抗磨剂主要是含硫型和含磷型。

两院院士侯祥麟在专著中指出：“在负荷较高的设备中，如直升飞机减速器，如用合成油也必需加入活性较高的极压抗磨剂。但在高温下比较稳定的化合物往往极压抗磨性差，而极压抗磨性好的化合物，易在高温下分解，破坏基础油的稳定性，腐蚀金属”。“中国炼油技术”(P.472，中国石化出版社，2001)。

刘菲菲等，润滑油，2006，21(4)：39。文中指出“含硫极压抗磨剂抗烧结性好；含磷极压抗磨剂抗磨性好”。硫和磷均会对环境造成不利影响。

此外这类极压抗磨剂对齿轮油的抗乳化性能有负面影响，这往往会造成齿轮油乳化和产生泡沫，导致油膜强度降低或破裂。而含有硫和/或磷极压抗磨剂的油在乳化后，就会发生水解或沉淀，从而失去极压抗磨性能且产生有害物质使齿轮油变质。

专利CN1727459，CN1632086，CN1057477，CN1403551，CN1403549和CN1233807C均使齿轮油的极压抗磨性能得到改善，但其所用的极压抗磨剂均含有硫和/或磷。

硫和磷本身会腐蚀机件，故加入这类极压抗磨剂实际上是用缓慢腐蚀代替快速磨损。

专利RU2162878中的金刚石是微米级天然金刚石。专利CN1035440B是以0.1～30μm的石墨粉为润滑油添加剂主要成份，而其中无金刚石。专利JP05171169的油中使用的是多晶金刚石，其成本极高，很难实际应用。

张明等，石油炼制与化工，2006，37(2)：47。文中用油溶性纳米铜加在GL-5齿轮油中，可使油的摩擦系数减小，磨斑直径稍减；但在222℃时发生修饰剂的解离，且纳米铜的含量高达2％，这使油的成本提高了几倍。

Л_яMкиH AE等人(ДAH CCCP，302：611)和Greiner NR等人(Nature，333：440)早在20世纪八十年代即用负氧平衡法制出了纳米金刚石。文潮等人(兵器材料科学与工程，23：50)利用纯TNT作原料又制出了不含金刚石的纳米石墨。将纳米碳(纳米金刚石和纳米石墨)用于齿轮油是个极待开发的重大课题。

发明内容

本发明的目的是提出一种以纳米碳作齿轮油中的极压抗磨剂和油性剂的齿轮油。使用它可降低齿轮系统的摩擦系数、减少齿面的胶合和擦伤、提高机械效率、降低油温，并对摩擦副具有自修复功能。

这里所说的纳米碳是指其平均粒径为2～6nm的碳的同素异形体，它包括金刚石和石墨，其中金刚石占10～99％。纳米碳在齿轮油中的浓度的质量分数为2×10^-5～1×10^-2，即每kg油液中含纳米碳20mg～10g。

本专利解决了纳米金刚石和纳米石墨在齿轮油中的悬浮问题，所研制的多种齿轮油放置2年以上未见沉淀。

经本专利表面改性后的纳米碳，既可从基础油调和，亦可在市售的齿轮油中加入。它可制成车辆齿轮油、极压蜗杆油、开式工业齿轮油和闭式工业齿轮油等。

具体实施方式

欲使用纯纳米金刚石需将爆轰后的黑粉(含纳米金刚石、纳米石墨及其它杂质)经除杂处理。首先用气相氧化法将其置于马弗炉中，升温至440℃，保温45min。此时黑粉中的非金刚石碳已基本清除，粉末已变成灰色。再用液相氧化法，取上述灰粉100g置于2000ml的烧杯中，加入700ml浓度为72％的HClO₄和10gK₂Cr₂O₇，置于已放好石棉网的电炉上加热。溶液沸腾后逐渐由墨绿色转变成橙红色至紫红色，此时非金刚石碳已除净。静置、冷却、倾析出酸液，用蒸馏水清洗数遍，直至溶液显中性。待金刚石全部沉淀后，轻轻倒出废液，置于烘箱中烘干。快干时应从烘箱中取出搅拌数次，以免结成大块。烘干后的粉为浅灰色，将其置于玛瑙研钵中研碎其中的小团块，使纳米金刚石成为分散较好的粉末。

将用纯TNT作原料制出的不含金刚石的纳米石墨粉，取此种黑粉100～150g置于5000ml烧杯中，加入浓度为37％的盐酸2000ml，充分搅拌，加热，沸腾后继续煮沸0.5～1h。清洗至中性，烘干，碾碎，制成纯纳米石墨粉。

将经过上述除杂处理的纳米金刚石和纳米石墨按一定比例混合成纳米碳粉，其中金刚石占10～99％。在微波等离子体组合仪中在800℃用等离子氢处理4h，以使纳米碳的表面带有更多的有利于在油中悬浮的官能团，如-CH₂-和-CH₃等。经红外光谱检测，在2850～2970cm^-1范围内，处理后的吸收波强度比处理前的高一个数量级。若保存24h以上则需真空密封以保持其表面清净。这种纳米碳粉是目前齿轮油中性能最好的极压抗磨剂和油性剂。

以矿物油或合成油为基础油，加入至少一种抗氧抗腐剂，其质量分数为0.1～1.0％；至少一种抗泡剂，其质量分数为5～50ppm；至少一种抗乳化剂，其质量分数为0.05～0.4％。必须有纳米碳作为极压抗磨剂和油性剂，其质量分数为2×10^-5～1×10^-2，其中金刚石占10～99％。这是本发明的最突出创新。

将纳米碳粉按(1～5)％的浓度加入到基础油中，油料和玛瑙球在每罐中约占(50～70)％，其中油料约占体积的一半，置于行星式球磨机中处理24h。

用基础油将经过球磨处理的含有纳米碳的油稀释至所需纳米碳的浓度，然后加入上述的其他几种添加剂。将此油料置于强力超声波清洗机中处理4h，其超声波的能量密度要达到(4～6)kw/m²。

下面结合实施例进一步说明它的制备、应用及效果。

实施例1：

蜗杆油是齿轮油的重要分支之一。极压蜗杆油A的配制：首先用75kg中粘度指数的MVI 150BS光亮油和25kg 750SN中性油，加入到带有搅拌器的调和釜中。在75～80℃下搅拌1～2h，调配成460基础油。再加入102清净剂(中碱值石油磺酸钙)450g，202抗氧抗腐剂(硫磷丁辛基锌盐)1080g，1001抗乳化剂(胺与环氧化物缩合物)270g，901抗泡剂(甲基硅油)1g，405油性剂(硫化烯烃棉子油-1)1900g，306极压抗磨剂(磷酸三甲酚脂)1100g，继续保温搅拌1～2h，配制成N460极压蜗杆油。油性剂和极压抗磨剂在油中的质量分数为2.86％。

极压蜗杆油B的配制：将206g的纳米碳(其中金刚石占99％)置于微波等离子体组合仪中，在800℃下用等离子氢处理4h。用它代替蜗杆油A中的油性剂和极压抗磨剂，。将其加入到10kg已配好的460基础油中，初步搅拌后置于XQM-20行星式球磨机中处理24h。此时纳米碳的浓度为2％，将其加入到余下的90kg的460基础油中。然后加入上述的其他几种添加剂，在调和釜中加热搅拌，工艺同前。将此油料置于TA-D18型强力超声波清洗机中处理4h，其超声波的能量密度要达到(4～6)kw/m²。在超声处理过程中要保持油液处于75～80℃。此时纳米碳的浓度为0.2％。

用上述两种460极压蜗杆油作对比实验，使用MM-200型磨损实验机测试。上试样：45钢，淬火处理，硬度45～50HRC。下试样：45钢，淬火处理，硬度45～50HRC，表面粗糙度Ra为1.6nm。两试件对磨1h后测量下试件磨损量。当负载为240N时，使用460极压蜗杆油A的磨损量为0.45g；而使用含有0.2％纳米金刚石的极压蜗杆油B时，其磨损量仅为0.24g，其磨损量减少46.7％。

实施例2：

仍用上述两种油作对比实验。实验设备：天津市北新微型减速机厂生产的VWA42型蜗杆减速机；用JC转矩转速传感器测传动转矩，用PC201机械效率仪测试机械效率。输出转矩分别为4.0和14.0Nm。使用含有0.2％纳米金刚石的极压蜗杆油B比极压蜗杆油A在两种负载情况下机械效率均提高了2.84％。

实施例3：

在Royal 85w/140合成齿轮油C中，加入纳米碳(质量分数为0.1％)，其中金刚石占60％，制成油D。

用油D与合成齿轮油C作对比实验。设备：AW润滑磨损实验机。启动电机，加2个砝码后去掉油盒，使摩擦副处于贫油状态。无砝码时负载为65.3N，每个砝码负载为117.6N。设备运转后每隔10sec加1个砝码。加至第12个砝码后开始计时，直至卡死，比较期间的时间间隔。齿轮油C为113sec，而加有0.1％纳米金刚石的齿轮油D为310sec。后者是前者的2.74倍。

实施例4：

在68号CKC中负荷工业闭式齿轮油E中加入0.02％的纳米碳，其中金刚石占33％，制成油F。

用油E和F作对比实验。实验设备：德国Optimol公司制的SRV往复式摩擦磨耗实验机。上试件：直径7mm铬钢球；下试件：SKH高速钢。实验时间5000sec。当负载为50N时，油F的咬合期时间为2146sec，而使用含有0.02％纳米金刚石油F时，其咬合期时间缩减至278sec，磨痕深度则由4.94μm降至3.58μm。当负载为100N时，这两种油咬合期时间分别为2754sec和2345sec，磨痕深度则由12.25μm降至9.00μm。

实施例5：

在68号CKC中负荷工业闭式齿轮油E中加入0.06％的纳米碳，其中金刚石占28％，制成油H。

用油H与原油E作对比实验，所用设备同例4。当负载为50N时，咬合期时间由214sec骤减至0sec；磨痕深度由4.94μm骤减至0.07μm(相对减少98％)；当负载为100N时，咬合时间由2754sec骤减至551sec。

实施例6：

在GL-5车辆齿轮油I(矿物油)中，加入0.3％的纳米碳，其中金刚石占50％，制成油J。

用齿轮油I与油J作对比实验。设备：AW润滑磨损实验机。启动电机，平稳缓慢地加负荷到770.9N。在运转过程中观察油温。从油温升到103℃开始计时，直到油温升至150℃止。测量这一升温过程的时间间隔。用GL-5车齿轮油I时，此一间隔为706sec。当加入0.3％纳米碳齿轮油J时，此一间隔为1070sec，即同比延长了51.6％。

实施例7：

夏利1.3L经济型轿车，将原厂装车齿轮油GL-4作为油样K。在其中加入0.005％的纳米碳，其中金刚石占45％，制成油样L。

当车速为60km/h时放在空挡使车在平直大道上滑行，其空挡滑行距离(车速降至20km/h)由不足300m延长至500m以上。

实施例8：

轧机减速箱，功率400kw，转速比18.87，齿面接触应力达2Gpa。原用100重负荷工业齿轮油M。现加入纳米碳，浓度为0.5％(质量分数)，其中金刚石占15％，制成油样N。

用油样M时的油温为53℃，用油样N时降到50℃以下。换油期由油样M的半年延长至油样N的1～2年。

实施例9：

先用65％(质量分数)90BS光亮油和35％(质量分数)200SN中性油置于调和釜中，于80±5℃搅拌1～2h，制成N150基础油。然后取这样的N150基础油88.5kg，202抗氧抗腐剂(硫磷丁辛基锌盐)6.1kg，502抗氧剂(2，6-二叔丁基混合酚)0.9kg，603粘度指数改进剂(聚异丁烯)2.7kg，705防锈剂(碱性二壬基萘磺酸钡盐)0.4kg，801降凝剂(烷基萘)0.4kg，901抗泡剂(甲基硅油)1g，1001抗乳化剂(胺与环氧化物缩合物)0.1kg，0.9kg的341极压抗磨剂(环烷酸铅)。以上原料经充分搅拌混匀，加热至80℃，保温搅拌40min。经滤油机过滤后即得N150齿轮油成品油，此为油样O。油样P的制备过程与油样O相同，只是用纳米碳0.9kg(其中金刚石占10％质量分数)代替341极压抗磨剂(环烷酸铅)。

皮带机所用的3ZZ700-1/11大型减速器，用油样O时空载电流为55A，油温为48℃。用油样P后空载电流和油温渐降，2天后，电流降至49A，油温降至42℃。

Claims

1.一种改性纳米金刚石齿轮油。其特征在于以平均粒径为2～6nm的经表面改性后的纳米碳作为极压抗磨剂和油性剂，其质量分数为2×10^-5～1×10^-2，其中金刚石占10～99％。

2.权利要求1所述的纳米金刚石和纳米石墨是用负氧平衡法制造的，其中的金刚石和石墨需经提纯，二者按一定比例混合后再经表面改性处理：800℃等离子氢处理4h，按(1～5)％质量分数与油混合，再在行星式球磨机中处理24h，用油稀释至成品油所需浓度，再经大功率超声波处理4h。经过这样处理的齿轮油可使纳米金刚石稳定悬浮2年以上。