CN104220571A - 具有改进的同步啮合性能的手动变速器润滑剂 - Google Patents

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Abstract

包含如下组分的润滑剂:(a)具有润滑粘度的油;和(b)具有基于无油计算至少约640的总碱值(TBN)的过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂,有效地润滑手动变速器的同步器中的表面。

Description

具有改进的同步啮合性能的手动变速器润滑剂
发明背景
本发明涉及用于具有金属同步啮合组件的手动变速器且具有改进性能的润滑剂。用许多油在手动变速器中同步啮合部件出现问题:提供非最佳摩擦或者产生高组件磨耗,导致同步啮合损坏和差或失效的换档。
同步器是许多手动变速箱的更重要组件之一。提高性能、降低换挡力和使齿轮之间能量损耗最小化是新一代同步器系统的主要目的。机械系统的能力改进和具有各种设计和材料的各种同步器的引入容许现有同步器设计经济地再设计成更有效的设计。对于这些设计需要再配制用于手动变速器润滑油的润滑剂和添加剂以便能够保持同步器的相互作用部件之间的适当摩擦并保护这些部件以防磨损。
常规齿轮油或手动变速器用油通常包含化学组分,例如活性硫和表面活性胺有机磷酸盐。尽管以常用量作为添加剂提供特压润滑是优异的,这些添加剂单独地通常太光滑,即它们不能提供所需或最佳的摩擦响应且不能适当地保护被润滑表面以防磨损或腐蚀损耗。
美国专利6,503,872,Tomaro,2003年1月7日公开了延长换油手动变速器润滑剂,其包含至少一种酸性有机化合物的碱性碱或碱土金属盐。过碱性材料通常具有至多约600或约500,或者约400的总碱值。在实施例1中,手动变速器润滑剂通过向手动变速器基本油料中混入1.2份实施例A-6(金属二硫代磷酸盐)与0.4份过碱性磺酸镁的油溶液(42%稀释油,金属比14.7,9.4%镁和400总碱值)以形成中间体,向该中间体中加入0.5份亚磷酸二丁酯而制备。在其它实施例中,还存在硫化苯酚钙(38%稀释油,255总碱值)。
PCT公开WO 1987/05927,1987年10月8日公开了包含除其它组分外,所选择的碱土金属盐的手动变速器用油。在实施例IV中,手动变速器用油通过将3.5份烷基苯磺酸钙(过碱性)与其它成分结合而制备,其中烷基包含平均约24个碳原子。在过碱性盐的描述中,描述了通常可存在与中和阴离子所需的相比基于当量约10:1-30:1,优选11:1-18:1的过量碱土金属。
美国专利6,617,287,Gahagan,2003年9月9日公开了具有改进同步啮合性能的手动变速器润滑剂。同步器中具有烧结金属部件的手动变速器的磨损和太低摩擦的问题据说通过使用用高含量的碱土磺酸盐与胺磷酸盐组合配制的润滑油解决。优选的金属盐为镁或钙,更优选镁。过碱性材料通常具有约20至约700,优选约100至约600,更优选约250至约500的总碱值。在实施例中,使用具有400的TBN的过碱性烷基苯磺酸钙且包含约32%的矿物油稀释剂。
美国专利出版物2008/0119378,Gandon等人,2008年5月22日公开了包含烷基甲苯磺酸盐作为摩擦改进剂的官能流体。该流体可以为拖拉机用油、变速器用油或液压油。烷基甲苯磺酸盐可以为中性或过碱性盐,并且可将它们高度过碱化以具有约50至约400,或者约280至约350,或者约320的TBN。
欧洲专利申请EP 0 552 863,1993年7月28日公开了高硫矿物油组合物并降低具有高硫化合物含量的矿物油的铜腐蚀性。实施例1公开了添加剂浓缩物,其包含除其它组分外,1.33%的指出具有254的TBN的过碱性硫化苯酚钙,和1.33%的作为在轻矿物油中的50%溶液的二壬基萘磺酸钙。润滑油组合物可用于多种应用中,例如汽车曲轴箱润滑油、自动变速器用油、齿轮油、液压油或切削油。优选的应用是作为动力传送流体,尤其是液压油。
美国专利4,792,410,Schwind等人,1988年12月20日公开了适于手动变速器用油的润滑剂组合物。实施例II公开了包含除其它组分外,3.0份烷基苯磺酸钙(过碱性)的手动变速器用油。实施例III包含3.5份的过碱化至200总碱值的硫偶联烷基(C12)苯酚钙。
PCT公开WO 2000/26328,2000年5月11日公开了具有过碱性金属盐和有机亚磷酸盐的润滑剂。该润滑剂可用于手动变速器中。实施例1公开了通过将具有53%油和41的总碱值的0.7%苯磺酸钙(与其它组分)混合而制备的润滑剂。
欧洲专利申请EP 0 987 311,2000年3月22日公开了变速器用油组合物。包含油和(除其它组分外)至少0.1重量%过碱性金属盐的组合物提供用于无级变速器的改进流体。据说手动变速器用油(尤其)可获益于该发明的组分的结合。实施例5公开了包括0.3份过碱性磺酸钙,包括0.1份稀释油(300TBN)的组分的混合物。合适的过碱性材料本身优选具有基于无油50-550,更优选100-450的总碱值。
美国专利3,652,410,Hollinghurst等人,1972年3月28日公开了用于多效润滑油的润滑剂组合物,其尤其可用于变速器。表I中的实施例包含总碱值为300的碱性磺酸钙。
美国专利7,238,651,Kocsis等人,2007年7月3日公开了过碱性清净剂的制备方法和该清净剂在内燃机中的用途。一个实施例公开了500TBN磺酸钙的制备。总碱值描述为包含加工中所用油的最终过碱性清净剂的度量。也可存在各种任选性能添加剂。
美国专利出版物2010-0152080,Tipton等人,2010年6月17日公开了显示出良好动态摩擦性能的润滑剂组合物。该润滑剂组合物包含具有润滑粘度的油和油溶性支链烃基取代芳烃磺酸盐,所述油溶性支链烃基取代芳烃磺酸盐具有至少一个烃基取代基,该烃基取代基为高度支化的基团,如通过具有大于约0.180的Chi(0)/Shadow XY比所定义。
美国出版物2009/0203564,Seddon等人,2009年8月13日公开了制备中性或过碱性清净剂的方法。在某些实施方案中,清净剂可具有100-1300或250-920的TBN。据说过碱性清净剂适于任何润滑剂组合物;所列润滑剂尤其包括变速器用油和齿轮油。
因此,公开的技术通过正确选择过碱性清净剂和其它组分解决了润滑手动变速器的同步器中的摩擦要求与抗磨性能平衡的问题。
附图简述
图1阐示了用所公开技术的润滑剂润滑的钢-黄铜界面的摩擦性能。图2阐示了用对比润滑剂润滑的界面的摩擦性能。
发明概述
公开的技术提供润滑手动变速器的同步器中的非烧结金属基表面的方法,所述方法包括向其中供入包含如下组分的润滑剂:(a)具有润滑粘度的油;和(b)具有如基于无油计算至少约640的总碱值(TBN)的过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂。在一个实施方案中,同步器中的至少一个被润滑表面为黄铜。
发明详述
下面通过非限定性阐述描述各优选特征和实施方案。
用于润滑手动变速器的同步器表面的润滑剂包含具有润滑粘度的油,也称为基油。基油可选自American Petroleum Institute(API)Base OilInterchangeability Guidelines的组I-V中的任一种基油,即:
组I、II和III为矿物油基本油料。具有润滑粘度的油可包括天然或合成油及其混合物。可使用矿物油和合成油,例如聚α烯烃油和/或聚酯油的混合物。在某些实施方案中,所用油为矿物油基本油料且可以为组I、组II和组III基油中的一种或多种或者其混合物。在某些实施方案中,油不是合成油。在某些实施方案中,油为组I或者组II或其混合物。
天然油包括动物油和植物油(例如植物酸酯),以及矿物润滑油如液体石油以及链烷烃、环烷烃和混合链烷烃-环烷烃型的溶剂处理或酸处理的矿物润滑油。加氢处理或加氢裂化油也是有用的具有润滑粘度的油。衍生自煤或页岩的具有润滑粘度的油也是有用的。
合成油包括烃油和卤素取代的烃油,例如聚合和共聚烯烃及其混合物、烷基苯、聚苯、烷基化二苯醚和烷基化二苯硫和它们的衍生物、其类似物和同系物。氧化烯聚合物和共聚物及其衍生物,和其中末端羟基已通过例如酯化或醚化改性的那些为另一类合成润滑油。其它合适的合成润滑油包括二羧酸的酯和由C5-C12单羧酸和多元醇或多元醇醚制备的那些。其它合成润滑油包括含磷酸的液体酯、聚四氢呋喃、硅基油如聚-烷基-、聚芳基-、聚烷氧基-或聚芳氧基-硅氧烷油和硅酸酯油。
其它合成油包括通过费托反应制备的那些,通常为加氢异构化费托合成烃或蜡。在一个实施方案中,油可通过费托气-至-液(gas-to-liquid)合成程序制备,以及其它气-至-液油。
可使用上文所述类型的天然或合成(及其混合物)的未精炼、精炼和再精炼油。未精炼油为不经进一步提纯处理,直接由天然或合成来源得到的那些。精炼油类似于未精炼油,不同的是已将它们在一个或多个提纯步骤中进一步处理以改进一种或多种性能。再精炼油通过类似于用于得到精炼油的方法应用于已经使用过的精炼油而得到。通常将再精炼油另外加工以除去废添加剂和油分解产物。
存在的具有润滑粘度的油的量通常是从100重量%中减去下文更详细描述的过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂和可能存在的其它性能添加剂的量之和以后的余量。
润滑组合物可以为浓缩物和/或完全配制润滑剂的形式。如果润滑组合物为浓缩物(其可与其它油结合以完全或部分形成最终润滑剂)的形式,则这些添加剂与具有润滑粘度的油和/或稀释油的比包括1:99-99:1重量计或80:20-10:90重量计的范围。
所述润滑剂的另一组分是具有如基于无油计算至少640的总碱值(TBN)的过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂或这类清净剂的混合物。清净剂通常为过碱性材料,也称为过碱性或超碱性盐,其通常为具有超过中和(根据金属和清净剂阴离子的化学计量)会存在的金属含量的均匀牛顿体系。过量金属的量通常根据金属比表示,即金属的总当量与酸性有机化合物的当量之比。过碱性材料通过酸性材料(例如二氧化碳)与酸性有机化合物、惰性反应介质(例如矿物油)、化学计量过量的金属碱和促进剂如苯酚或醇反应而制备。酸性有机材料通常具有足够的碳原子数以提供油溶性。
过碱性清净剂可通过总碱值(TBN),中和所有的材料碱度所需的强酸的量表征,表示为mg KOH/g试样。TBN为描述于ASTM D4739中的非常熟知的参数。由于过碱性清净剂通常以包含稀释油的形式提供,就该文件而言,TBN相对于无油基再计算。各种清净剂可具有100-1000,或者150-800或400-700的TBN。本技术特别感兴趣的清净剂具有至少640,例如650-1000,或者甚至680-800的TBN。每种情况下单位为mg KOH/g。
尽管要求存在过碱性磺酸钙清净剂,但也可存在其它金属,无论在磺酸盐清净剂(例如过碱性芳基磺酸镁清净剂)中还是不同的清净剂基质(例如过碱性苯酚钙清净剂)中。通常用于制备碱金属盐的金属化合物通常为任何1族或2族金属化合物(元素周期表的CAS版本)。实例包括碱金属如钠、钾、锂、铜、镁、钙、钡、锌和镉。在一个实施方案中,金属为钠、镁或钙。盐的阴离子部分可以为氢氧根、氧化物离子、碳酸根、硼酸根或硝酸根。本技术特别感兴趣的清净剂为通常使用氧化钙或氢氧化钙制备的钙清净剂。由于特别感兴趣的清净剂为碳酸化清净剂,它们为用二氧化碳处理的材料。这类处理导致碱金属更有效地结合到组合物中。涉及与二氧化碳反应的高TBN清净剂的形成公开于例如US7,238,651,Kocsis等人,2007年7月3日中,参见例如实施例10-13和权利要求书。然而,也任选存在不需要碳酸化或者不需要如此高过碱化(即较低TBN)的其它清净剂。然而,如果存在多种清净剂,理想的是过碱性芳基磺酸钙清净剂作为主要重量量的金属清净剂存在,即基于无油至少50重量%或者至少60或者70或者80或90重量%的含金属清净剂。
用于本技术中的润滑剂包含过碱性磺酸盐清净剂。合适的磺酸包括磺酸和硫代磺酸,包括单核或多核芳族或脂环族化合物。某些油溶性磺酸盐可由R2-T-(SO3 -)a或R3-(SO3 -)b表示,其中a和b各自为至少1;T为环状核如苯或甲苯;R2为脂族基团,例如烷基、链烯基、烷氧基或烷氧基烷基;(R2)-T通常包含总计至少15个碳原子;且R3为通常包含至少15个碳原子的脂族烃基。基团T、R2和R3也可包含其它无机或有机取代基;它们也可描述为烃基。在一个实施方案中,磺酸盐清净剂可以为主要线性烷基苯磺酸盐清净剂,如美国专利申请2005-065045的第[0026]-[0037]段所述。在一些实施方案中,线性烷基(或烃基)可在沿着烷基线性链的任何位置与苯环连接,但通常在线性链的2、3或4位,在一些情况下主要在2位。在其它实施方案中,烷基(或烃基)可以为支化的,即由支化烯烃如丙烯或1-丁烯或异丁烯形成。也可使用具有线性和支化烷基的混合物的磺酸盐清净剂。
在某些实施方案中,所述技术的碳酸化芳基磺酸钙清净剂可基于烷基化和磺化苯;在另一实施方案中,它可基于烷基化和磺化甲苯。在每种情况下,如果甲苯用作起始芳族化合物,则除甲基外,可存在1或者2或3个,在某些实施方案中,1个烷基(或烃基)与芳环连接。在一个实施方案中,清净剂为单烷基苯单磺酸盐,在另一实施方案中,它为单烷基甲苯单磺酸盐。如果存在一个烷基,则它可包含足够数目的碳原子以赋予清净剂油溶性,例如至少8个碳原子,或者10-100个碳原子,或者10-50个碳原子,或者12-36个碳原子,或者14-24或16-20或者作为选择,约18个碳原子。如果存在多于一个烷基(不同于甲基),则各烷基可具有上述数目的碳原子,或者所有烷基一起可具有总计上述数目的碳原子(例如两个C12烷基,烷基中总计24个碳原子)。
在本发明某些实施方案中,还可存在(即除过碱性芳基磺酸钙清净剂外)的另一类过碱性材料为过碱性酚盐清净剂。某些商品级磺酸钙清净剂包含次要量的苯酚钙清净剂以帮助其加工或其它原因,并且可包含例如4%的酚盐基质含量和96%的磺酸盐基质含量。用于制备酚盐清净剂的苯酚可由(R1)a-Ar-(OH)b表示,其中R1为具有4-400或者6-80或者6-30或者8-25或8-15个碳原子的脂族烃基;Ar为芳族基团如苯、甲苯或萘;a和b各自为至少1,a和b的和为至多Ar的芳族核上可取代氢的数目,例如1-4或1-2。对于各苯酚化合物,通常存在平均至少7或8个由R1基团提供的脂族碳原子,在一些情况下,约12个碳原子。酚盐清净剂有时也作为硫桥联物种或作为亚甲基桥联物种提供。硫桥联物种可通过烃基苯酚与硫反应而制备。亚甲基桥联物种可通过烃基苯酚与甲醛(或反应性等价物如仲甲醛)反应而制备。实例包括硫桥联十二烷基酚(过碱性Ca盐)和亚甲基偶联庚基苯酚。
在另一实施方案中,任选其它过碱性材料为过碱性水杨苷清净剂。过碱性水杨苷清净剂通常为基于水杨苷衍生物的过碱性镁盐。这类水杨苷衍生物的一般实例可由下式表示:
其中X为-CHO或-CH2OH,Y为-CH2-或-CH2OCH2-,且-CHO基团通常包含至少10摩尔%的X和Y基团;M为氢、铵或金属离子的化合价(即如果M为多价的,则一个化合价由所述结构满足,其它化合价由其它物种如阴离子或具有相同结构的另一情况满足),R1为具有1-60个碳原子的烃基,m为0至通常10,且p各自独立地为0、1、2或3,条件是至少一个芳环包含R1取代基且所有R1基团中的碳原子总数为至少7。当m为1或更大时,一个X基团可以为氢。在一个实施方案中,M为Mg离子的化合价(或等价物)或Mg和氢的混合物。水杨苷清净剂更详细地公开于美国专利6,310,009中,尤其参考它们的合成方法(第8栏和实施例1)和各X和Y物种的优选量(第6栏)。
其它任选清净剂包括salixarate清净剂。salixarate清净剂为由包含至少一个式(I)或式(II)单元的化合物表示的过碱性材料:
其中化合物的各端具有式(III)或(IV)的端基:
这类基团通过二价桥联基团A连接,其可以相同或不同。在式(I)-(IV)中,R3为氢、烃基或金属离子的化合价;R2为羟基或烃基,且j为0、1或2;R6为氢、烃基或杂取代的烃基;R4为羟基且R5和R7独立地为氢、烃基或杂取代的烃基,或者R5和R7都为羟基且R4为氢、烃基或杂取代的烃基;条件是R4、R5、R6和R7中的至少一个为包含至少8个碳原子的烃基;且其中该分子平均包含至少一个单元(I)或(III)和至少一个单元(II)或(IV),且组合物中单元(I)和(III)的总数与单元(II)和(IV)的总数之比为0.1:1-2:1。二价桥联基团“A”(每次出现时可以相同或不同)包括-CH2-和-CH2OCH2-,其中任一个可衍生自甲醛或甲醛等价物(例如聚甲醛、甲醛水)。
Salixarate清净剂及其制备方法更详细地描述于美国专利号6,200,936和PCT公开WO01/56968中。认为salixarate衍生物具有主要线性,而不是大环结构,但两种结构都意欲包括在术语“salixarate”中。在一个实施方案中,salixarate清净剂可包含以下结构表示的一部分分子(在中和以前):
其中R8基团独立地为包含至少8个碳原子的烃基。
乙醛酸清净剂也是任选的过碱性材料。它们基于阴离子基团,在一个实施方案中,可具有结构:
其中各个R独立地为包含至少4或8个碳原子的烷基,条件是所有这种R基团中的碳原子总数为至少12或者16或24。作为选择,各个R可以为烯烃聚合物取代基。制备过碱性乙醛酸清净剂的酸性材料为羟基芳族材料如烃基取代苯酚与羧酸反应物如二羟乙酸和其它ω-含氧链烷酸的缩合产物。过碱性二羟乙酸清净剂和它们的制备方法更详细地公开于美国专利6,310,011及其中引用的参考文献中。
另一任选过碱性清净剂为过碱性水杨酸盐,例如取代水杨酸的碱金属盐或碱土金属盐。水杨酸可以为烃基取代的,其中各个取代基含有平均至少8个碳原子每取代基和1-3个取代基每分子。取代基可以为聚亚烷基取代基。在一个实施方案中,烃基取代基包含7-300个碳原子且可以为具有150-2000的分子量的烷基。过碱性水杨酸盐清净剂和它们的制备方法公开于美国专利4,719,023和3,372,116中。
其它任选过碱性清净剂可包括具有曼尼希碱结构的过碱性清净剂,如美国专利6,569,818中所公开的。
在某些实施方案中,以上清净剂(例如酚盐、水杨苷、salixarate、乙醛酸或水杨酸盐)中羟基取代的芳环上的烃基取代基不含或基本不含C12脂族烃基(例如少于1%、0.1%或0.01重量%的取代基为C12脂族烃基)。在一些实施方案中,这类烃基取代基含有至少14或至少18个碳原子。
本技术的配制剂中过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂的量通常为至少0.1重量%,例如0.14-4重量%,或者0.2-3.5重量%,或者0.5-3重量%,或者1-2重量%。可选量包括0.5-4%、0.6-3.5%、1.0-3%,或者1.5-2.8%,例如至少1.0%。可存在一种或多种过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂,如果存在多于一种,则这类材料的总量可以在上述%范围内。通过这类材料向润滑剂提供的钙的量当然取决于清净剂的过碱性程度,但在一些实施方案中,提供的钙的量可以为0.03-1.0重量%,或者0.1-0.6重量%或0.2-0.5重量%。
任何任选的其它清净剂可以以类似的量存在。即在某些实施方案中,可存在过碱性酚盐清净剂,其可任选为苯酚钙并且可任选为碳酸化清净剂,例如过碱性碳酸化苯酚钙。它也可以为硫桥联材料。如果存在的话,这类材料的量可以为0-4%,或者0.05-4%、0.1-4%,或者0.5-4%,或者1-3%,或者1.5-2.8重量%,或者作为选择0.05-0.1%。同样,在某些实施方案中,可存在过碱性磺酸镁清净剂。它可任选为碳酸化清净剂,例如基于先前所述任何磺酸的过碱性碳酸化芳基磺酸镁。如果存在的话,这类材料的量可以为0-4%,或者0.5-4%、0.1-4%,或者0.5-4%,或者1-3%,或者1.5-2.8重量%。
如本文件中所用,表述如“由式表示”指提出的式通常为所述化学物质结构的代表。然而,可发生微小变化,例如位置异构化。这类变化意欲包括在内。
除了具有润滑粘度的油和一种或多种过碱性清净剂外,本发明润滑剂通常还包含可用于手动变速器用油中的各种其它添加剂。一种该添加剂为可用作抗磨剂或可提供其它益处的含磷材料。
含磷材料可包括至少一种亚磷酸酯。在一个实施方案中,亚磷酸酯为二-或三烃基亚磷酸酯,在一个实施方案中,可以为二烷基亚磷酸酯。亚磷酸酯可以以0.05-3,或者0.2-2,或者0.2-1.5,或者0.05-1.5,或者0.2-1,或者0.2-0.7重量%的量存在。烃基或烷基可具有1-24,或者1-18,或者2-8个碳原子。各个烃基可独立地为烷基、烯基、芳基或其混合物。当烃基为芳基时,它包含至少6个碳原子,例如6-18个碳原子。烷基或烯基的实例包括丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、油基、亚油基和硬脂基。芳基的实例包括苯基和萘基以及取代的芳基如庚基苯基。亚磷酸酯及其制备是已知的,许多亚磷酸酯是市售的。特别有用的亚磷酸酯包括亚磷酸氢二丁酯、亚磷酸二油基酯、二(C14-18)亚磷酸酯和亚磷酸三苯酯。在一个实施方案中,磷组分为二烷基亚磷酸酯。
另一含磷材料可包括含磷酸的金属盐。下式的金属盐可容易地通过将五硫化二磷(P2S5)和醇或苯酚加热以形成O,O-二烃基二硫代磷酸而得到:
[(R8O)(R9O)P(=S)-S]n-M
其中R8和R9独立地为包含3-30个碳原子的烃基。反应以提供R8和R9基团的醇可以为醇的混合物,例如异丙醇和4-甲基-2-戊醇的混合物,在一些实施方案中,仲醇和伯醇如异丙醇和2-乙基己醇的混合物。可使所得酸与碱性金属化合物反应以形成盐。具有化合价n的金属M通常为铝、锡、锰、钴、镍、锌或铜,在许多情况下为锌以形成二烷基二硫代磷酸锌。这类材料是润滑剂配制剂领域中的技术人员熟知且容易得到的。提供低磷挥发度的合适变化方案公开于例如美国公开的申请2008-0015129中,参见例如权利要求书。
又一类磷抗磨剂可包括含磷酸酯的胺盐。该材料可用作特压剂和防磨剂中的一种或多种。含磷酸酯的胺盐可包括磷酸酯及其盐;二烷基二硫代磷酸酯及其盐;亚磷酸酯;和含磷羧酸酯、醚和酰胺;及其混合物。含磷酸酯的胺盐可包含多种化学结构中的任一种。特别地,当含磷酸酯化合物包含一个或多个硫原子时,即当含磷酸为硫代含磷酸酯(包括单-或二硫代含磷酸酯)时,多种结构是可能的。含磷酸酯可通过使磷化合物如五氧化二磷与醇反应而制备。合适的醇包括包含至多30或者至多24,或者至多12个碳原子的那些,包括伯醇或仲醇,例如异丙醇、丁醇、戊醇、仲戊醇、2-乙基己醇、己醇、环己醇、辛醇、癸醇和油醇及其异构体的混合物,以及具有例如8-10、12-18,或者18-28个碳原子的多种商业醇混合物中的任一种。也可使用多元醇如二醇。可适用作胺盐的胺包括伯胺、仲胺、叔胺及其混合物,包括具有至少一个烃基的胺,在某些实施方案中,具有2或3个烃基的胺,所述烃基具有例如2-30或者8-26或者10-20或者13-19个碳原子。
在某些实施方案中,磷抗磨剂可以以向润滑剂提供0.01-0.2或者0.015-0.15或者0.02-0.1或者0.025-0.08%的磷的量存在。
润滑剂配制剂通常还包含至少一种分散剂。分散剂是润滑剂领域中熟知的,主要包括称为无灰分散剂和聚合分散剂的。无灰分散剂之所以如此称谓,是因为当提供时,它们不含金属,因此在加入润滑剂中时通常不贡献硫酸盐灰分。然而,它们在加入包含含金属物种的润滑剂中时当然可与环境金属相互作用。无灰分散剂的特征是连接在较高分子量烃链上的极性基团。典型的无灰分散剂包括N-取代的长链链烯基琥珀酰亚胺,其具有多种化学结构,通常包括:
其中R1各自独立地为烷基,常常为基于聚异丁烯前体的分子量(Mn)为500-5000的聚异丁烯基团,R2为亚烷基,通常亚乙基(C2H4)。这类分子通常衍生自链烯基酰化剂与多胺的反应,除以上所示简单的酰亚胺结构外,两个结构部分之间的多种键是可能的,包括多种酰胺和季铵盐。在上式中,胺部分显示为亚烷基多胺,但也可使用其它脂族和芳族单胺和多胺。另外,R1基团在酰亚胺结构上的多种键模式也是可能的,包括各种环键。酰化剂的羰基与胺的氮原子之比可以为1:0.5-1:3,在其它情况下为1:1-1:2.75或1:1.5-1:2.5。琥珀酰亚胺分散剂更完整地描述于美国专利4,234,435和3,172,892以及EP 0355895中。
另一类无灰分散剂是高分子量酯。这些材料类似于上述琥珀酰亚胺,不同之处在于它们可视为通过烃基酰化剂与多元脂族醇如甘油、季戊四醇或山梨糖醇反应而制备。这类材料更详细地描述于美国专利3,381,022中。
另一类无灰分散剂为曼尼希碱。这些为通过较高分子量的烷基取代的苯酚、亚烷基多胺与醛如甲醛缩合而形成的材料。这类材料可具有一般结构:
(包括多种异构体等)并更详细地描述于美国专利3,634,515中。
其它分散剂包括聚合物分散剂添加剂,其一般为含有极性官能以赋予聚合物分散力特征的烃基聚合物。
可将并且通常将分散剂通过与多种试剂中的任一种反应而后处理。其中,这些为脲、硫脲、二巯基噻二唑、二硫化碳、醛、酮、羧酸、烃取代的琥珀酸酐、腈、环氧化物、硼化合物和磷化合物。在某些实施方案中,使用分散剂并且是硼酸化分散剂,例如硼酸化琥珀酰亚胺分散剂。在某些实施方案中,将分散剂用酸如对苯二甲酸后处理,因此例如对苯二甲酸处理的琥珀酰亚胺分散剂。在某些实施方案中,将分散剂用硼化合物和对苯二甲酸中的至少一种处理。这类分散剂(其也可任选用其它材料如二巯基噻二唑进一步后处理)更详细地公开于美国专利7,902,130,Baumanis等人,2011年3月8日中;参见例如其实施例1。
本技术的完全配制润滑剂中分散剂的量可以为润滑剂组合物的至少0.1%,或者至少0.3%或者0.5%或者1%,且在某些实施方案中,至多5%或者4%或者3%或者2重量%。
可存在的另一组分是抗氧化剂。抗氧化剂包括酚类抗氧化剂,其可包含含有2或3个叔丁基的丁基取代苯酚。对位也可被烃基、含酯基团或桥联两个芳环的基团占据。抗氧化剂还包括芳族胺,例如壬基化二苯胺、苯基-α-萘胺(“PANA”)或烷基化苯基萘胺。其它抗氧化剂包括硫化烯烃、钛化合物和钼化合物。美国专利No.4,285,822例如公开了包含含钼和硫的组合物的润滑油组合物。美国专利申请公布2006-0217271公开了多种钛化合物,包括钛醇盐和钛酸化分散剂,该材料还可赋予沉积物控制和过滤性的改进。其它钛化合物包括钛羧酸盐如新癸酸盐。抗氧化剂的典型量当然取决于具体抗氧化剂和它各自的效率,但说明性总量可以为0.01-5重量%或者0.15-4.5%或0.2-4%。另外,可存在多于一种抗氧化剂,且这些中的某些组合在其组合总效果方面可以是协同增效的。
粘度改进剂(有时也称为粘度指数改进剂或粘度改进剂)可包含在本技术的组合物中。粘度改进剂通常为聚合物,包括聚异丁烯、聚甲基丙烯酸酯、二烯聚合物、聚烷基苯乙烯、酯化苯乙烯-马来酸酐共聚物、链烯基芳烃-共轭二烯共聚物和聚烯烃。还具有分散剂性能和/或抗氧化性能的多功能粘度改进剂是已知的并可任选使用。
另一添加剂是除上述那些外的抗磨剂。抗磨剂的实例包括含磷抗磨/特压剂如金属硫代磷酸盐、磷酸酯及其盐,含磷羧酸、酯、醚和酰胺;和亚磷酸盐。不含磷的抗磨剂包括硼酸酯(包括硼酸化环氧化物)、二硫代氨基甲酸酯化合物、含钼化合物和硫化烯烃。
可用作抗磨剂的其它材料包括酒石酸酯、酒石酰胺和酒石酰亚胺。实例包括油基酒石酰亚胺(由油胺和酒石酸形成的酰亚胺)和油基或其它烷基二酯(来自例如混合C12-16醇)。可能有用的其它有关材料包括通常其它羟基羧酸的酯、酰胺和酰亚胺,所述其它羟基羧酸包括羟基-聚羧酸,例如酸如酒石酸、柠檬酸、乳酸、羟基乙酸、羟基丙酸、羟基戊二酸及其混合物。这些材料也可用于包含磷化合物的配制剂如低磷油中。这些材料也可赋予润滑剂除抗磨性能外的其它功能。它们更详细地描述于美国公布2006-0079413和PCT公布WO2010/077630中。如果存在的话,羟基羧酸(或由其衍生的化合物)的这类衍生物通常可以以0.1-5重量%,或者0.2-3重量%,或者大于0.2重量%至3重量%的量存在于润滑组合物中。
可任选用于润滑油中的其它添加剂包括倾点下降剂、特压剂、抗磨剂、颜色稳定剂和消泡剂。
本文所述润滑剂配制剂有效地用于润滑具有同步器的手动变速器,所述同步器具有由多种金属基材料构成的组件且因此具有至少一个由这类材料构成的表面,在某些实施方案中具有两个相互作用(配合、功能上啮合或可啮合)的表面。金属基材料描述为非烧结的以区别于作为烧结黄铜的这类材料。烧结是用于由粉末产生物体如金属部件的方法。在烧结方法中,可将粉状材料保持在具有所需形状的模具中并加热至物质熔点以下的温度。通过该处理,单独的颗粒熔合在一起并形成固体件,同时保持一定程度的粒状结构。相反,非烧结金属基材料可通过涉及金属熔融的其它方法形成。在一个实施方案中,如本文所述,同步器的相互作用的表面中的一个由第一金属如钢构成,第二表面由不同的金属基物质构成。术语“金属基物质”意欲不包括树脂状物质、纤维性物质或其它非金属物质,即使它们可能包含含金属的颗粒在其中,但未必排除非金属材料的存在。在某些实施方案中,一个表面为钢,第二表面为另一金属基物质;其中可使用的材料为黄铜,包括实心黄铜(solid brass);青铜,包括实心青铜(solid bronze);钼;和铝。在一个实施方案中,组件为实心黄铜。在同步器中,一个配合组件(通常齿轮锥)由钢构成且另一组件或表面(通常同步器闭锁环)由一种前述材料构成或者具有一种前述材料的表面。还可任选存在的另一表面可包含非金属材料如碳纤维或苯酚树脂。
术语“金属基表面”还意欲包括可具有金属氧化物或其它这类物质的表面涂层或表面处理的金属物质。涂层可例如通过将钢基质用物质如MoO3喷涂以赋予金属部件所需性能而有意地施涂。这类钼处理基质通常在工业中称为钼部件,即使钼的量可能仅通过相当薄的表面层提供。也不能精确地知道钼或其它涂层存在的化学状态,无论是作为例如金属Mo还是Mo氧化物,还是一些其它状态。然而,这类材料可被认为是金属基的。与树脂状物质、纤维性物质或陶瓷物质相反,这样制备的部件具有金属的外观和一般性能。当然,甚至未有意处理的金属表面通常由于金属与空气中的氧的自发反应而具有金属氧化物薄层。这类材料同样称为金属基材料或金属基表面,或者金属基物质的表面。
除非另有指出,本文所述各个化学组分的量表示为排除了通常可存在于商业材料中的任何溶剂或稀释油,即基于活性化学物质。然而,除非另外指出,本文提及的各个化学物质或组合物应当理解为可含有异构体、副产物、衍生物和通常理解存在于商品级中的其它这类材料的商品级材料。
如本文所用,术语“烃基取代基”或“烃基”以其本领域技术人员熟知的常用意义使用。具体而言,它指具有直接连接在分子其余部分上的碳原子且主要具有烃性质的基团。烃基的实例包括:
烃取代基,即脂族(例如烷基或链烯基)、脂环族(例如环烷基、环烯基)取代基,及芳族-、脂族-和脂环族取代的芳族取代基,以及其中环通过该分子的另一部分完成(例如两个取代基一起形成环)的环状取代基;
取代的烃取代基,即含有在本发明上下文中不改变取代基的主要烃性质的非烃基团(例如卤素(尤其是氯和氟)、羟基、烷氧基、巯基、烷基巯基、硝基、亚硝基和亚硫酰基)的取代基;
杂取代基,即在本发明上下文中,在具有主要烃性质的同时在由碳原子组成的环或链中含有不同于碳的取代基,且包括取代基如吡啶基、呋喃基、噻吩基和咪唑基。杂原子包括硫、氧和氮。一般而言,对于每10个碳原子,在烃基中存在不多于2,或者不多于1个非烃取代基;作为选择,烃基中可不存在非烃取代基。
已知一些上述材料在最终配制剂中可能相互作用,使得最终配制剂的组分可能与起初加入的那些不同。例如,金属离子(例如清净剂的)可迁移至其它分子的其它酸性或阴离子部位。由此形成的产品,包括经以其意欲用途使用本发明组合物而形成的产品可能不容易描述。然而,所有这类改进和反应产物均包括在本发明的范围内;本发明包括通过将上述组分混合而制备的组合物。
实施例
制备配制剂并在“耐久性试验”中在同步器试验设备中测试。这是常用于评估离合器同步器的磨耗、摩擦和耐久性特性的筛选试验。试验设备通常不模拟同步器组件的完全啮合,而是测量同步器闭锁环与齿轮锥之间的摩擦。该设备包含将组件装配于其中的试验设备浴(test rig bath)。
设备测量作为速度和载荷的函数的同步器与辅助锥之间的摩擦。该设备包含将组件装配于其中的试验设备浴。将同步器在该室的一侧连接在试验设备键上并将锥在另一侧组装在实验设备夹具上。所用试验条件显示于下表中。将流体保持在80℃,其中同步器通常以1000rpm旋转。试验的工作时间(接触时间)为以981N的载荷0.2秒,且停机时间(非接触时间)为5秒。
试验程序分成如下5个阶段:
磨合阶段(100次循环)
初始性能阶段,在限定速度(1000-25rpm)下测量若干次摩擦。
耐久性阶段,记录动摩擦(10,000次循环)
后耐久性阶段,在限定速度(1000-25rpm)下测量若干次摩擦。
最后,测量静摩擦。
试验数据提供容许对比备选物的摩擦和磨耗性能的几个关键参数。不同备选物的相对耐久性和换挡质量的对比基于以下参数进行:通过耐久性试验期间的摩擦值评估的动摩擦等级;通过稳定性和和耐久性阶段期间平均摩擦值的趋势评估的摩擦耐久性。
在该工作中,两类主要同步器用于试验。这些同步器的主要特征汇总于下表中。两个部件都是用于标准车辆中的OEM生产部件:
客车黄铜同步器 商用车钼同步器b
齿轮锥角(°) 6.20 7.00
宽度(mm) 6.88 10.01
有效半径(mm) 33.50 62.00
组成a
铝(重量%) 3.0
硅(重量%) 1.8
锰(重量%) 3.8
铜(重量%) 61.3
锌(重量%) 30.2
钼(重量%) 60.1
氧(重量%) 30.9
a.所有元素测量在扫描电子显微镜内使用能量散射X射线(EDX)进行。
b.该同步器由用MoO3喷涂的钢锥(约98.5%Fe,1.5%Cr)组成。
换挡质量通过检查性能试验特征评估,其显示出随着转速的摩擦变化。理想的是具有平稳的摩擦特征,低速下一定水平或轻微的摩擦降低提供改进的同步器啮合和改进的换挡质量。
动摩擦系数可表示为循环数的函数。该性能的定量表示可通过计算相对于稳定性的循环数得到。理想地,流体应在整个试验持续时间显示出稳定的摩擦。一些流体在试验开始时摩擦可能变化,然后在若干循环以后稳定化至最终值。其它流体可能根本不稳定化,且摩擦可能在10,000次循环以后仍提高或降低。耐久性阶段计算的数据是在1、200、500、1000次循环以后以及在每1000次循环,其后直至10,000次循环累计的动摩擦。“直至稳定性的循环数”摘要给出其后摩擦一致且仅显示出小变化的循环数的值。具体而言,它由下式定义:
直至稳定性的循环数=使得标准偏差({μd,i:i≥c})≤0.0015的最小值c
其中μd,i为在i次循环以后的动摩擦,i=1、200、500、1000、…、10000。选择0.0015的值以给出试验结果之间的良好区别且给出与摩擦痕迹的目测检查类似的结论。如果所有这类试验的标准偏差>0.0015,则直至稳定性的循环数记录为>10,000。
提供良好摩擦性能、良好耐久性性能和较低“直至稳定性的循环数”的流体的性能实例图示于图1中。在约2000次循环的较短磨合以后,流体显示出对试验的剩余部分而言稳定的动摩擦。该试样具有2000的“直至稳定性的循环数”值。相反,图2显示提供差耐久性性能的流体的性能实例。在初始磨合阶段以后,经试验过程存在渐进的摩擦降低,在7000次循环以后变得更加明显。它的“直至稳定性的循环数”>10,000。该摩擦劣化是不理想的。
基础配制剂1.第一系列试验以如下基线配制剂运行。所示量为无油重量%:
清净剂–如下所述量和特性
硼酸化琥珀酰亚胺分散剂–1.12%
芳族胺抗氧化剂–0.5%
双(烃基二硫代)噻二唑–0.2%
亚磷酸二丁酯–0.2%
聚α烯烃,100cSt–8%
聚α烯烃合成基油,4cSt–至=100%的余量
在第一系列试验中,研究三种清净剂并以会提供近似相同量的阴离子基质(即大约相同重量%的磺酸盐结构部分,尽管变化量的稀释油和碱(CaCO3或其它物种))的量存在。对于实施例1系列,清净剂为2.42%(无油)的量的高TBN磺酸钙清净剂,690TBN(无油)。对于实施例2系列(对比例或参比例),清净剂为0.86%的量的低TBN(基本中性)磺酸钙清净剂,30TBN(无油)。对于实施例3系列(对比例或参比例),清净剂为2.38%的量的高TBN磺酸镁清净剂,590TBN(无油)。试验结果显示于下表中:
*参比例或对比例
a计算的,重量%
b.钢上的MoO3涂层
基础配制剂2.第二系列试验以如下基线配制剂运行。所示量为无油重量%:
清净剂–1%(包括稀释油)–如下所述特性
硼酸化琥珀酰亚胺分散剂–1.97%
芳族胺抗氧化剂–0.5%
双(烃基二硫代)噻二唑–0.3%
亚磷酸二丁酯–0.3%
聚α烯烃,100cSt–8%
聚α烯烃合成基油,4cSt–至=100%的余量
在第二系列试验中,研究三种清净剂并以与所提供的名义上相同1.0%(包括磺酸盐结构部分、碱和油)的量存在。对于实施例4系列,清净剂为高TBN磺酸钙清净剂,690TBN(无油),1.0%(包括稀释油),或者0.58%活性化学物质(即基于无油)的量。对于实施例5系列(对比例或参比例),清净剂为中-高TBN磺酸钙清净剂,600TBN(无油),1.0%(包括稀释油),或者0.50%活性化学物质的量。对于实施例6系列(对比例或参比例),清净剂为高TBN磺酸镁清净剂,590TBN(无油),1.0%(包括稀释油),或者0.68%活性化学物质的量。试验结果显示于下表中:
*参比例或对比例
a计算的,重量%
b.钢上的MoO3涂层
结果显示所述技术的材料提供在直至稳定性的循环数方面良好的摩擦性能和耐久性,同时还提供良好的μsd测量。
将以上提及的各文件通过引用并入本发明。任何文件的提及不是承认该文件取得现有技术的资格或以任何权限构成技术人员的常识。除实施例中,或另外明确说明外,在本说明书中描述材料的量、反应条件、分子量、碳原子数等的所有数量应当理解被措辞“约”修饰。应当理解本文所述量、范围和比的上限和下限可独立地组合。类似地,本发明各个元素的范围和量可以与任何其它元素的范围或量一起使用。如本文所用,表述“基本由…组成”容许包括不实质地影响所考虑的组合物的基本和新特性的物质。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.润滑手动变速器的同步器中的非烧结金属基表面的方法,其包括向其中供入包含如下组分的润滑剂:
(a)具有润滑粘度的油;和
(b)具有基于无油计算至少640的总碱值(TBN)的过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂,其中润滑剂中过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂的量为0.14-4重量%。
2.根据权利要求1的方法,其中同步器具有至少一个黄铜、青铜或钼材料的表面。
3.根据权利要求1或权利要求2的方法,其中同步器具有至少一个实心黄铜或实心青铜的表面。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法,其中所述同步器中的至少一个被润滑的非烧结金属基表面为黄铜。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法,其中碳酸化芳基磺酸钙清净剂具有650-1000的TBN。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法,其中芳基磺酸盐清净剂包含烷基芳基磺酸盐阴离子,其中烷基为线性的。
7.根据权利要求1-5中任一项的方法,其中芳基磺酸盐清净剂包含烷基芳基磺酸盐阴离子,其中烷基为支化的。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法,其中芳基磺酸盐清净剂包含烷基芳基磺酸盐阴离子,其中烷基包含12-36个碳原子。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法,其中芳基磺酸盐为烷基取代的苯磺酸盐或烷基取代的甲苯磺酸盐。
10.根据权利要求1-9中任一项的方法,其中润滑剂中钙的量为0.03-1.0重量%。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法,其中润滑剂中过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂的量为0.14-3重量%。
12.根据权利要求1-11中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含过碱性酚盐清净剂。
13.根据权利要求1-12中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含过碱性磺酸镁。
14.根据权利要求1-13中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含二烷基亚磷酸酯。
15.根据权利要求1-14中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含已经用硼酸化剂和对苯二甲酸中的至少一种处理的琥珀酰亚胺分散剂。

Claims (16)

1.润滑手动变速器的同步器中的非烧结金属基表面的方法,其包括向其中供入包含如下组分的润滑剂:
(a)具有润滑粘度的油;和
(b)具有基于无油计算至少约640的总碱值(TBN)的过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂。
2.根据权利要求1的方法,其中同步器具有至少一个黄铜、青铜或钼材料的表面。
3.根据权利要求1或权利要求2的方法,其中同步器具有至少一个实心黄铜或实心青铜的表面。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法,其中所述同步器中的至少一个被润滑的非烧结金属基表面为黄铜。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法,其中碳酸化芳基磺酸钙清净剂具有约650至约1000的TBN。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法,其中芳基磺酸盐清净剂包含烷基芳基磺酸盐阴离子,其中烷基为线性的。
7.根据权利要求1-5中任一项的方法,其中芳基磺酸盐清净剂包含烷基芳基磺酸盐阴离子,其中烷基为支化的。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法,其中芳基磺酸盐清净剂包含烷基芳基磺酸盐阴离子,其中烷基包含约12至约36个碳原子。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法,其中芳基磺酸盐为烷基取代的苯磺酸盐或烷基取代的甲苯磺酸盐。
10.根据权利要求1-9中任一项的方法,其中润滑剂中钙的量为约0.03至约1.0重量%。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法,其中润滑剂中过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂的量为约0.14至约4重量%。
12.根据权利要求1-11中任一项的方法,其中润滑剂中过碱性碳酸化芳基磺酸钙清净剂的量为约0.14至约3重量%。
13.根据权利要求1-12中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含过碱性酚盐清净剂。
14.根据权利要求1-13中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含过碱性磺酸镁。
15.根据权利要求1-14中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含二烷基亚磷酸酯。
16.根据权利要求1-15中任一项的方法,其中润滑剂进一步包含已经用硼酸化剂和对苯二甲酸中的至少一种处理的琥珀酰亚胺分散剂。
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