CN108315085A - 一种耐高温液态金属极压润滑剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐高温液态金属极压润滑剂及其制备方法；由热导率高于30W/(m·K)的镓基液态金属配制而成。所述极压润滑剂能在高达10kN的载荷下长时间稳定使用，无任何胶合迹象，临界磨损载荷远远超出了传统有机润滑剂的临界磨损载荷；具有高临界磨损载荷、低磨损率和摩擦系数、优异的散热和高温稳定性；且所述极压润滑剂的制备方法工艺简单。

Description

一种耐高温液态金属极压润滑剂及其制备方法
技术领域
本发明属于工业润滑剂技术领域，特别涉及一种耐高温液态金属极压润滑剂及其制备方法。
背景技术
摩擦在物理系统中无处不在，通常涉及复杂的物理过程和化学反应，其中发热是一个被广泛关注的现象。从远古时代钻木取火到现代航空工业中的摩擦焊接，摩擦生热不断地被人类利用，服务于我们的生活。同时，摩擦生热耗散大量能源，并对零部件的可靠性造成极大的威胁，如在极端高速和高载的摩擦副(如轴承)中，摩擦热可能造成摩擦界面的熔化和焊死，产生“胶合”，对机械系统造成灾难性后果。为了避免胶合，在传统润滑设计中，人们通常考虑润滑剂的流变学行为、润滑添加剂产生吸附膜和化学反应膜等来实现减摩和抗极压润滑。
伴随着现代机械设备向高速、高载荷、高温度等方向的发展，设备的润滑状况变得越来越苛刻；当机械设备在高负荷、高转速的条件下，传统润滑剂形成的薄膜将会被破坏，很难起到保护金属表面的作用，接触面会出现擦伤、甚至烧结的情况，此时就更为迫切需要一种极压润滑剂来提高各部件的抗磨损能力。
中国专利200910053842.2公开了金属热塑性加工用环保型高温润滑剂，其组成原料为碱金属盐20～70％，磷酸盐5～50％，酸0.5～ 30％，杀菌剂0.01～2％，再加入1～20倍重量的水加工而成，该润滑剂能抵抗的极端压力值在540N左右。
中国专利2001510762561公开了一种极压润滑剂，其组成原料为： 25％的聚乙烯醇，28％的滑石粉，5％的硅酸钠，7％的氟硼酸钠，2％的硬脂酸锌，4.5％的水溶性二烷基二硫代磷酸锌盐或直径为10-15纳米的水溶性富勒烯-苯乙烯-内烯酸共聚物纳米微粒，0.8％的水性消泡剂。该极压润滑剂的在的高温摩擦系数值在0.057～0.076，能抵抗的极端压力值为650N。
中国专利2001610986037公开了一种润滑油及其制备方法，其组成原料为植物油和浓硫酸，浓硫酸的加入量为植物油质量的5％～ 10％。混合后加入碱或碱液调节Ph值，再经脱水后得到润滑油极压剂。该润滑油能抵抗的极端压力值达到2100～2940N，润滑性较佳，能够很好地满足目前设备在高温、高载荷条件下的润滑要求。
目前，在标准四球试验机的润滑剂极压性能10秒测试中，常见润滑剂的抗胶合临界载荷只有2-3kN，极少能达到5kN。
发明内容
为克服现有润滑油抗极压能力弱的缺点，本发明提供一种耐高温液态金属极压润滑剂。
本发明提供的极压润滑剂，由热导率高于30W/(m·K)的镓基液态金属配制而成。
润滑油的承载能力主要取决于其机械性能，尤其是粘度。绝热剪切不稳定性是磨损的关键过程，其中界面温度升高会降低润滑剂的粘度和流体动力学效应、加快润滑剂的降解，同时加速材料的氧化。鉴于界面温度在磨损中的重要性，考虑摩擦界面产热和散热间的关系。本发明将导热系数比有机润滑剂高几个数量级的镓基液态金属作为极压润滑剂，加强摩擦界面产生的热量向周围环境的传递，使摩擦界面的温度维持在较低值，同时摩擦产生的反应膜起到很好的极压减摩效果，从源头上减弱了摩擦热的产生，进一步降低了摩擦热造成摩擦界面熔化和焊死的风险。此外，液态金属具有远高于有机物的温度稳定性，在多数有机润滑剂因温度变化发生物理或化学失效时，液态金属仍能正常使用。
为了达到更好的极压减摩效果，本发明进一步优选所述镓基金属为镓和选自铟、锡、铋、锌中的一种或多种的液态金属合金。优选地，所述液态金属合金的熔点低于30℃。用于配制液态金属合金的金属单质，可为块体、粉体或片状体。
鉴于界面温度在磨损中的重要性，考虑摩擦界面产热和散热间的关系，通过改变润滑剂的导热性和热扩散性能，能提高极压润滑性能。热扩散系数高，熔点低，流动性高，生物相容性好，温度稳定性好的镓基液态金属能突破传统有机润滑油的低导热系数局限性限。
本发明提供的镓基液态金属主要以镓为主体，在镓的基础上添加相应的金属，可大大提升镓基液态金属作为润滑剂的综合性能；尤其是所述镓基液态金属中镓的含量不低于80％时，特别是不低于90％时，配以适宜的金属，其综合性能显著提升。
本发明进一步提出的，当所述液态金属合金为镓、铟的合金时；尤其是，所述镓、铟的质量比为80～95:8～12，极压减摩效果更优；最优选为90:10。
本发明进一步提出的，当所述镓基液态金属为镓、锌的合金；
优选地，所述镓、锌的质量比为95～98:3～5，更优选为96.4:3.6。
本发明提供优化方案，当所述镓基液态金属由质量比为90:10的镓、铟的合金组成；
或，由质量比为80:20的镓、铟的合金组成；
或，由质量比为96.4:3.6的镓、锌的合金组成。
上述配比下的镓基液态金属的能实现更好的散热能力和极压润滑效果。
本发明所述的极压润滑剂能快速将摩擦界面的产生的热量传递到周围环境中；在摩擦过程中产生反应膜，减弱摩擦热的产生；即使在温度大于200℃的环境中，也仍能正常使用。
本发明所述的极压润滑剂经过简单的工业制备就能获得，兼具摩擦系数值低、高温高载荷条件下润滑性好、稳定性优异的特点。
本发明的又一目的在于，提供一种制备极压润滑剂的方法，具体为：按比例取液态金属，将其充分熔合均匀后，再去氧化皮，即得所述极压润滑剂。
本发明进一步提出的，所述充分熔合均匀具体采用如下步骤：
1)将液态金属混合物加热至熔点温度，以150～250r/min的速率搅拌，待所述液态金属混合物完全熔化后，继续搅拌5～20min；
2)将搅拌后的液态金属混合物置于50℃～100℃的温度下，以100～500W功率超声20～30min，重复所述超声2～5次，即可。
优选的，所述步骤1)的加热前还包括将所述液态金属混合物先进行机械混合。
本发明进一步提出地，所述去氧化皮可采用常规技术手段进行去除；本发明优选采用如下方式：将超声后的液态金属混合物加入pH 值为13～15的碱溶液中，以150～250r/min的速率搅拌洗涤5～20min，分离液态金属混合物，即得极压润滑剂；
优选地，所述碱溶液中的碱为氢氧化钠。
本发明提供一种优选方案，所述方法包括以下步骤：
1)称取液态金属单质，将其混合后，进行机械混合；
2)再将机械混合后的液态金属混合物加热至熔点温度，以 200r/min的速率搅拌，待所述液态金属混合物完全熔化后，继续搅拌 5～10min；
3)将搅拌后的液态金属混合物置于50℃～100℃的温度下，以 200～500W的功率超声30min；在重复所述超声4次；
4)将超声后的液态金属混合物加入pH值为13.7的NaOH碱溶液中，以200r/min的速率搅拌洗涤5～20min，分离液态金属混合物，即得极压润滑剂。
本发明提供的极压润滑剂领域中有明显的优势，应用前景广阔。尤其是可应用于重载高速条件下工作的齿轮、轴承、内燃机活塞与缸膛、凸轮及其从动件等机械零部件。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种极压润滑剂，由Ga、In的液态金属合金配制而成，其中，各单质质量分数分别为90％Ga、10％In；
测得其热导率为31W/(m·K)。
实施例2
本实施例提供一种极压润滑剂，由Ga、In的液态金属合金配制而成，其中，各单质质量分数分别为80％Ga、20％In。
测得其热导率为30.5W/(m·K)。
实施例3
本实施例提供一种极压润滑剂，由Ga、Zn的液态金属合金配制而成，其中，各单质质量分数分别为96.4％Ga、3.6％Zn。
测得其热导率为30.68W/(m·K)。
实施例4
本实施例提供实施例1～3所述极压润滑剂的制备方法，包括如下步骤：
1)称取液态金属单质，将其混合后，进行机械混合；
2)再将机械混合后的液态金属混合物加热至熔点温度，以 200r/min的速率搅拌，待所述液态金属混合物完全熔化后，继续搅拌 5～10min；
3)将搅拌后的液态金属混合物置于50℃～100℃的温度下，以 200～500W的功率超声30min；在重复所述超声4次；
4)将超声后的液态金属混合物加入pH值为13.7的NaOH碱溶液中，以200r/min的速率搅拌洗涤5～20min，分离液态金属混合物，即得极压润滑剂。
对比例1
本对比例提供一种润滑剂，由Ga、In、Sn的液态金属合金配制而成，其中，各单质质量分数分别为64％Ga、24％In、12％Sn。
制备方法同实施例4。
测得热导率为25.6W/(m·K)。
对比例2
本对比例提供一种润滑剂，由Ga、In、Sn的液态金属合金配制而成，其中，各单质质量分数分别为76.4％Ga、14.4％In、9.2％Sn。
制备方法同实施例4。
测得热导率为26W/(m·K)。
对比例3
本对比例提供一种润滑剂，由Ga、In的液态金属合金配制而成，其中，各单质质量分数分别为75.5％Ga、24.5％In。
制备方法同实施例4。
测得热导率为26W/(m·K)。
对比例4
本对比例提供一种润滑剂，由Ga单一液态金属配制而成，其中。
制备方法同实施例5。
测得热导率为29.4W/(m·K)
实验例1
本实验例验证实施例1～3所述极压润滑剂和对比例1～4所述的润滑剂的润滑效果；分别以市面上常用齿轮油、聚-α-烯烃(PAO)作为对比对象进行标准四球摩擦磨损试验。从临界磨损载荷、摩擦系数、磨损率三个指标评估各润滑剂的润滑效果。试验在商用微机控制电液伺服四球摩擦试验机(型号：MRS-10D)上进行，试验标准为 ASTMD2783-0330。实验室测试结果如下：
(1)临界磨损载荷：
表1
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 PAO 齿轮油
≥10KN ≥10KN ≥10KN ≥10KN ≥10KN ≥10KN ≥10KN 1.6KN 3.1kN
PAO和齿轮油的临界磨损载荷分别为1.6KN和3.1kN。而镓基液态金属极压润滑剂临界磨损载荷达到了试验机的最大加载能力 10kN，且在该载荷条件能够长时间稳定运行，无任何胶合迹象。同时，在此过程中，液态金属极压润滑剂温度超过230℃，而在此温度下大多数有机润滑剂物理或化学失效。
(2)摩擦系数：
表2
在试验机的最大加载能力(10kN)下，试验时间达到150s时，实施例1～3所述的极压润滑剂产生的摩擦系数极低，仅为0.05-0.06，是齿轮油在2kN时的摩擦系数的1/2；且明显低于对比例1-4(热导率低于30W/(m·K)的镓基液态金属极压润滑剂)在3.1KN载荷下的摩擦系数。
(3)磨痕直径：
表3
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
2.26mm 2.26mm 2.26mm 2.3mm 2.31mm 2.31mm 2.31mm
在试验机的最大加载能力(10kN)下，试验时间达到150s时，实施例1-3(热导率高于30W/(m·K)的镓基液态金属)的磨痕直径明显低于对比例1-4(热导率25-29.6W/(m·K)镓基液态金属)的磨痕直径。
(4)磨损率：分别在载荷为2KN、1.2KN、10KN的条件下，进行比较，结果如下
表4
表5
表6
磨损试验中磨合期和稳定滑动期(试验开始0-150s)的磨损率数据显示：2kN载荷条件下，齿轮油的磨损率比液态金属极压润滑剂高出约1个数量级；1.2kN载荷条件下，PAO的磨损率比液态金属极压润滑剂高出约4个数量级，比载荷为10KN条件下的液态金属极压润滑剂的磨损率高出2个数量级。其中，在相同条件下，实施例1-3(热导率高于30W/(m·K)的镓基液态金属)的磨损率低于对比例1-4(热导率低于30W/(m·K)的镓基液态金属极压润滑剂)的磨损率。
通过以上几个性能指标的对比，实施例1～3所述的所述的镓基液态金属极压润滑剂相比传统有机润滑剂优势及其明显，相对于对比例1～4所述的镓基液态金属极压润滑剂也有比较明显的突破。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种极压润滑剂，其特征在于，由热导率高于30W/(m·K)的镓基液态金属配制而成。
2.根据权利要求1所述的极压润滑剂，其特征在于，所述镓基金属为镓和选自铟、锡、铋、锌中的一种或多种的液态金属合金。
3.根据权利要求1或2所述的极压润滑剂，其特征在于，所述镓基液态金属中镓的含量不低于80％；优选为不低于90％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的极压润滑剂，其特征在于，所述镓基液态金属为镓、铟的合金；
优选地，所述镓、铟质量比为80～95:8～12，更优选为90:10。
5.根据权利要求1～3任一项所述的极压润滑剂，其特征在于，所述镓基液态金属为镓、锌的合金；
优选地，所述镓、锌的质量比为95～98:3～5，更优选为96.4:3.6。
6.根据权利要求1所述的极压润滑剂，其特征在于，所述镓基液态金属由质量比为90:10的镓、铟的合金组成；
或，由质量比为80:20的镓、铟的合金组成；
或，由质量比为96.4:3.6的镓、锌的合金组成。
7.一种制备极压润滑剂的方法，其特征在于，按比例取液态金属，将其充分熔合均匀后，再去氧化皮，即得所述极压润滑剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述充分熔合均匀具体采用如下步骤：
1)将液态金属混合物加热至熔点温度，以150～250r/min的速率搅拌，待所述液态金属混合物完全熔化后，继续搅拌5～20min；
2)将搅拌后的液态金属混合物置于50℃～100℃的温度下，以100～500W功率超声20～30min，重复所述超声2～5次，即可；
优选地，所述步骤1)的加热前还包括将所述液态金属混合物先进行机械混合。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述去氧化皮具体为：将超声后的液态金属混合物加入pH值为13～15的碱溶液中，以150～250r/min的速率搅拌洗涤5～20min，分离液态金属混合物，即得极压润滑剂；
优选地，所述碱溶液中的碱为氢氧化钠。
10.根据权利要求1～6任一项所述的极压润滑剂或权利要求7～9任一项所述方法制得的极压润滑剂在润滑机械零部件上的应用。
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