CN101148626A - 钛合金纳米润滑剂 - Google Patents

Abstract

一种钛合金纳米润滑剂，用做机械润滑液的添加剂，是一种含有超细纳米金属微粉的固、液混合物，该润滑剂的重量比组成是，钛纳米粉末1％－8％，钼、镍、铜纳米粉末各1％－6％，溶剂75％－80％；金属纳米粉末的粒度为20nm－30nm；所述溶剂为醇类、酮类、酯类溶剂中的一种，且溶剂ρ＝0.80－0.85。纳米金属微粉可明显改善润滑液的润滑性能，使润滑液在摩擦面上以多种形式降低摩擦系数，增加液膜承压能力，保护工作金属表面。

Description

钛合金纳米润滑剂

技术领域

本发明涉及工业润滑剂，特别涉及一种超细纳米金属微粉的抗磨润滑剂。

背景技术

摩擦磨损是摩擦过程中存在的必然现象，摩擦损失了世界约三分之一的一次能源，磨损则是造成材料与设备破坏和失效的三种最主要的形式之一。润滑油的作用就是防止接触件在相互运动时发生粗糙体的接触，在较高的滑动速度下，是通过把润滑液分子吸附在金属表面上，形成一层液体膜，以此来隔阻摩擦表面粗糙微凸体的接触。但由于摩擦面运动时或环境因素变化(温度、压力等)对液体的物理性质影响很大，难以在摩擦面上维持液膜的承载能力，从而使粗糙表面微凸体接触，摩擦面的摩擦系数增加，使金属表面产生磨损。为了弥补液体润滑油的缺陷，通常采用润滑添加剂以改善其润滑性能和抗磨性能，这些润滑剂主要是一些无机混合物、有机混合物、液态或固态的添加剂，它们能够通过物理或化学吸附或者化学反应形成一层液膜，提高液膜的承载能力，降低摩擦面的摩擦系数。传统润滑油添加剂虽然能改善摩擦，但也起到一些副作用，如由于化合物性能不稳定，在使用过程中遇水产生酸，摩擦表面环境和条件超出化合物允许范围时，化合物可能产生化学变形，形成对润滑不利的物质，破坏润滑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述种种缺陷，提供一种钛合金纳米润滑剂，是一种含有钛、镍、钼、铜超细纳米金属微粉的固、液混合物，纳米金属微粉可明显改善润滑液的润滑性能，使润滑液在摩擦面上以多种形式降低摩擦系数，增加液膜承压能力，保护好工作金属表面。

本发明的技术解决方案是：所述钛合金纳米润滑剂是一种含有超细纳米金属微粉的固、液混合物，它的重量比组成是：

钛纳米粉末    1％-8％，

钼纳米粉末    1％-6％，

镍纳米粉末    1％-6％，

铜纳米粉末    1％-6％，

溶剂          75％-80％；

其中，所述金属纳米粉末的粒度为20nm-30nm；所述溶剂为醇类、酮类、酯类溶剂中的一种，且溶剂ρ＝0.80-0.85。

本发明的溶剂中，所述醇类包括正丁醇等；酮类包括丙酮等；酯类包括醋酸乙酯等。

制备本发明润滑剂的设备：

以每班制作500升计算，需要1000升搪瓷夹套搅拌釜两台、胶体磨一台、天平一台(称量精度0.001g，量程500g)、电子台秤一台、真空柜一个、真空泵一台、油泵两台、溶剂贮存缸一个(带计量)、小容量灌装机一台。

制备本发明润滑剂的工艺；

A.可选用的制作工艺条件：

a.所有的制作过程均在室内进行，室内粉尘控制在小于5mg/m³；

b.制作温度不超过65℃；溶剂温度不超过50℃；

c.制作时的压力为常压；

d.各种纳米粉均在真空条件下保存，称量时均在真空柜中进行，称量完后微粉应马上浸入溶剂中保存。

B.制作步骤：

a.将润滑油用泵打入二号反应釜中，预热至60℃，开动搅拌；

b.在真空柜中据配方称取纳米微粉适当量，真空保存备用；

c.开动真空泵，抽空一号釜中的空气，充入惰性气体或氮气；

d.将称量好的备用的纳米微粉依次投入一号反应釜，边投边搅拌，搅拌半个小时；再经胶体磨研磨后经泵打入二号釜中；

e.将二号釜中物料混合均匀，在60℃下高速搅拌两小时；

f.经灌装机进行灌装，灌装过程中不得停止二号釜搅拌器。

在制作全过程中，纳米微粉不能与空气、水等接触；溶剂保管时远离火源，并控制好溶剂体系的温度。

所得润滑剂的性能试验：

A.抗磨减摩试验：将本发明润滑剂以3％(重量比)的比例加入到基础油中，按国标GB/T3142要求在MS-800型四球机上检测了最大无卡咬负荷(P_B)、烧结负荷(P_D)、综合磨损值(ZMZ)、球磨直径(D)，在日本产的振子试验机上测摩擦系数(μ)，并与不加本发明润滑剂的基础油对比，结果如表1所示：

表1

	矿物油500SN	矿物油500SN+3％添加剂
			最大无卡咬负荷PB/N烧结负荷PD/N综合磨损值(ZMZ)球磨直径(D)(60min，400N)/mm摩擦系数μ	480120021.760.7450.148	1050320048.560.2540.046

由表1可以看出，最大无卡咬负荷、烧结负荷、综合磨损值分别提高了118％、166％、123％，磨斑直径、摩擦系数分别降低了近200％、221.7％。

B.抗氧化实验：按SH/T0193-92要求检测氧化安全性，500SN基础油检测值为30(旋转氧弹，min)，添加了本发明润滑剂的检测值为310(旋转氧弹，min)提高了十倍多。

C.节油实验：将本发明润滑剂以3％(重量比)比例加入到润滑油中，在丰田ST-182(五座)车上实际长途行车检测燃油节省率，结果如表2所示：

表2

长途行车行驶里程	1700	600
			耗油量累计值/L未加润滑剂时油耗(L/100km)加润滑剂后油耗(L/100km)节油率/％平均节油率/％	1069.56.24约34约34	3696.00约34

由表2可以看出，实际行车试验中，添加了3％纳米润滑剂后燃油节省率达34％以上。

由上述数据可知，本发明的润滑剂具有良好的减摩抗磨性能，抗氧化安定性和润滑性能，具有明显的节油效果。

本发明的技术原理是，液体润滑油是目前应用最为广泛的一种润滑方式，它的优点很多，但其固有的缺陷亦未彻底解决，这就是液体的理化性质受到温度和压力变化影响很大，虽然通过一定的办法改善了这一缺陷，如向液体中添加各种有机或无机添加剂，可以有效的改善液体润滑油的润滑性能，但也只能在特定允许温度和压力条件下产生作用，如当摩擦的环境和条件超出了特定的允许范围时，这些添加剂在液体中就无能为力了，并可能产生一些化学变化，生成不利于润滑的物质，破坏润滑油本身具有的润滑性能。

本发明针对这一缺陷，利用从固体材料在相同的温度和压力变化条件下，其理化性质要比液体材料稳定得多的原理寻找出液体润滑油润滑性能改善的另一条途径，将金属材料加工成仅具有几十纳米直径的纳米微粉，作为添加剂加入润滑液中，使其在润滑液发挥其固体纳米材料的独特性能，使润滑液即使在较高的温度及压力变化条件下，也能降低摩擦系数，增加承压能力，使摩擦面得到有效的保护。加工成纳米级的微粉是因为纳米材料仅是在纳米尺度上原子和分子的集合体，即大于原子簇又小于通常微粉，一般粒径为0.1~100nm之间的纳米级材料，处物质五观(宇观、宏观、介观、微观、妙观)排列介观之中。

由于纳米材料的表面原子数与总原子数之比随材料尺寸的急剧减小而急剧增大，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，表面原子周围缺乏相邻原子，因而具有许多悬键，具备不饱和性质，表面积、表面能和表面结合能迅速增大，产生所谓的“表面效应”。表面原子周围由于缺乏相邻的原子，表面原子的化学键具有悬空键和不饱和性，以及表面原子电子云具有很强的方向性，呈现极强的表面反应活性。这种纳米粒子具有常规化学物质无法比拟的优越性。

当纳米材料尺寸小到同传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界势场将消失，材料的电磁性、光学性质、热阻性等比起普通材料都发生了巨大的变化，这称为小尺寸效应，这种效应将导致纳米材料的熔点降低、磁性变化、光吸收性增加、吸收峰频移等特性。

纳米粒子尺寸小到接近或小于量子波尔半径时，粒子的费米能级附近的电子能级将由连续能级变成分立能级，这将直接改变纳米材料的电学及光学性质，从而使纳米材料具有很高的光学非限性，光催化性质等等。

纳米材料上述独特的结构特性，导致纳米材料产生了诸如高扩散性、易烧结性、熔点降低、硬度增加、催化反应活性大等一系列特性，如将具有上述特性的纳米材料应用于制备润滑材料时，不仅可以在摩擦表面形成降低摩擦系数的薄膜，降低工件的磨损，还可以有效的修复已破损的摩擦表面，起到抗磨作用。

本发明通过对所述纳米添加剂进行的各项研究得知，纳米材料具有良好的减摩作用，归纳起来主要有以下四个方面：

(1)渗透和摩擦化学作用：分散在润滑油中的纳米颗粒，由于其高的表面能，在摩擦刚刚开始时，这些颗粒就扩散吸附在摩擦表面上，形成一层物理吸附膜，纳米颗粒中的元素渗透到金属的亚表面或在摩擦表面上发生化学反应，生成坚固耐磨的化学反应膜(纳米合金薄膜)，将摩擦金属表面隔开，降低了摩擦、磨损；

(2)滚珠作用：纳米润滑剂之所以有较好的润滑效果，是由于纳米粉体颗粒为球形，它们起到一种类似“球轴承”的作用，从而提高了润滑性能；同时在重载荷和高温条件下，摩擦表面间的球形颗粒被压平，形成一滑动系，降低了摩擦和磨损；

(3)吸附作用：用于修饰纳米颗粒的有机物易于吸附在摩擦金属表面上，形成一层有机复合膜，将金属表面隔开，起到了减摩抗阻的作用；

(4)修复作用：纳米金属粉可以填充工作表面的微坑和损伤部位，从而起到修复作用另外还起到增加摩擦表面面积，分散平衡压力的作用。

本发明采用超细纳米金属微粉的另一个原因就是作为添加剂加入到润滑液中后，能均匀分散于油中，由于不改变油的流动性，因而有效地降低了磨损，纳米金属微粉作为添加剂膨胀系数与大多数金属接近，不会在高温下发生尺寸变化，还能起到导热的作用，不会引起局部过热现象。综上所述，超细纳米金属微粉作为润滑液添加剂，很好的改善其润滑性能是必然的。

本发明通过多次实验，选择出最佳效果的四种金属纳米微粉即钛、镍、钼、铜，这四种金属纳米身教粉能很好的加散到润滑液液相中，并能很好的扩散到摩擦金属表面层内，使钢的表面如晶格参数、硬度发生显著变化，钛纳米微粉本身具有其优良的延展性，本身起到一种润滑缓冲作用；钼纳米微粉则能与环境中的氧、硫结合成具有层状晶格结构的固体润滑材料，使之具有优良的氧化稳定性；镍、铜可以增加摩擦面的承载面积，并以微团的形式存在于摩擦表面上，变滑动、挫动为滚动，起到了降摩抗磨的作用。这四种纳米金属微粉制成的抗磨润滑剂，大大的改善了润滑液的润滑效果。

由以上可知，本发明为钛合金纳米润滑剂，是一种含有超细纳米金属微粉的固、液混合物，润滑剂中的纳米金属微粉可明显改善润滑液的润滑性能，使润滑液在摩擦面上以多种形式降低摩擦系数，增加液膜承压能力，保护好工作金属表面。

具体实施方式

一种钛合金纳米润滑剂，是一种含有超细纳米金属微粉的固、液混合物，该润滑剂的重量比组成是：钛纳米粉末1-8％，钼纳米粉末1-6％，镍纳米粉末1-6％，铜纳米粉末1-6％，溶剂75-80％；其中，所述金属纳米粉末的粒度为20nm-30nm；所述溶剂为正丁醇、丙酮、醋酸乙酯中的一种，且溶剂ρ＝0.80-0.85。可采用上述设备和工艺制备所述润滑剂，而所述超细纳米金属微粉的制备可采用2005年11月02日由中国国家知识产权局公布的第200410036761.9号专利申请公开说明书记载的方法进行。

Claims (2)

1.一种钛合金纳米润滑剂，是一种含有超细纳米金属微粉的固、液混合物，其特征是，该润滑剂的重量比组成是：

钛纳米粉末  1％-8％，

钼纳米粉末  1％-6％，

镍纳米粉末  1％-6％，

铜纳米粉末  1％-6％，

溶剂        75％-80％；

其中，所述金属纳米粉末的粒度为20nm-30nm；所述溶剂为醇类、酮类、酯类溶剂中的一种，且溶剂ρ＝0.80-0.85。

2.根据权利要求1所述钛合金纳米润滑剂，其特征是，所述醇类溶剂为正丁醇，酮类溶剂为丙酮，酯类溶剂为包括醋酸乙酯。