CN114410365A - 一种机车轮轨用固体润滑棒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及机车润滑材料领域，具体公开了一种机车轮轨用固体润滑棒及其制备方法。一种机车轮轨用固体润滑棒组合物，包括如下重量百分比的原料：复合磺酸钙润滑脂2‑5%、不饱和树脂40‑70%、固化剂1‑4%、极压抗磨添加剂20‑50%、摩擦改进剂1‑10%以及金属粉1‑10%。其制备方法为：将原料混合后经过脱气处理，然后经过加热固化即可。本申请的固体润滑棒可用于机车车轮轨的润滑，与现有的机车轮轨用固体润滑棒相比，其可以显著降低轮轨的摩擦系数、提高其抗磨损性能，并且还具有减少维护频次、节约应用成本以及无污染的优点。

Description

一种机车轮轨用固体润滑棒及其制备方法
技术领域
本申请涉及机车润滑材料领域，更具体地说，它涉及一种机车轮轨用固体润滑棒及其制备方法。
背景技术
随着我国城市群战略的提出，城市之间的联系越来越紧密，在建或已建成城际铁路，使得城市圈之间人员和货物的来往趋于公交化。全国各大城市争相开通地铁，由于其具有载客量大、准时快捷等特点，地铁已成为许多市民出行首选公共交通工具。电力机车作为轨道交通的动力源经历了一百多年的发展，仍然依靠轮轨之间的一种特殊的摩擦来实现对列车的牵引和制动控制，即列车主要依靠轮对与钢轨之间所存在的摩擦作用力以实现运动。当轨道列车运行至曲线路段时，外轨侧导向轮与钢轨形成两点接触，轮缘与轨距角处于滚动摩擦与滑动摩擦兼有的混合摩擦状态，造成外轨侧轮缘磨损及钢轨侧磨加剧。通过一定的润滑技术手段在一定程度上可以减缓机车用曲线钢轨侧磨和车辆轮缘的过早磨耗，延长换轨及列车轮对周期，节约列车牵引能耗，达到保证机车行车安全的目的。
目前轮轨润滑技术可分为车载轮缘润滑系统、车载钢轨润滑系统、地面钢轨润滑系统和车载轮缘固体润滑技术。固体润滑技术可以有效解决钢轨和轮缘的疲劳剥离掉块问题，避免油脂润滑存在的致命缺陷，故当前国内外地铁列车外轨侧轮缘和钢轨多应用车载轮缘固体润滑技术。轨道轮轨用固体润滑材料当前多为棒状，如圆形聚乙烯-固体润滑套管以及二元润滑棒、热塑性一元固体润滑棒以及热固性一元固体润滑棒等。上述固体润滑棒多为高分子材料和相关固体润滑材料经熔融热压制成或是通过热固性原材料引发浇注模具定型制得，但是仍然存在润滑效果不足的缺陷。
发明内容
为了提高固体润滑棒的润滑性能，本申请提供一种机车轮轨用固体润滑棒组合物及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种机车轮轨用固体润滑棒组合物，采用如下的技术方案：
一种机车轮轨用固体润滑棒组合物，包括如下重量百分比的原料：复合磺酸钙润滑脂2-5%、不饱和树脂40-70%、固化剂1-4%、极压抗磨添加剂20-50%、摩擦改进剂1-10%以及金属粉1-10%。
复合磺酸钙润滑脂作为一类新型润滑脂，与其他高温润滑脂相比性能十分全面，其本身具有优异的高温性能、抗水性能、极压抗磨性能和防锈性能。复合磺酸钙润滑脂所含的方解石纳米碳酸钙颗粒被磺酸钙胶束所包裹，即其为含有纳米碳酸钙颗粒的胶体体系，利用胶体体系，可以提高纳米二氧化硅的分散性，降低其团聚现象。通过采用上述技术方案，将复合磺酸钙润滑脂作为润滑组分加入到固体润滑棒体系，利用其所含的润滑油及纳米碳酸钙，与其他润滑、抗磨材料配合，具有协同作用，使固体润滑棒兼具润滑脂润滑、固体润滑以及纳米润滑的优势。不仅兼顾了轮缘油脂润滑剂的优点，而且纳米颗粒的应用还可改善机车运行过程中滑差率存在所造成的轮-轨微动磨损，同时复合磺酸钙基润滑脂的引入还可进一步提高固体转移膜与轮缘的粘结强度，从而延长固体润滑棒的服役寿命，减少维护频次，节约应用成本。经过实验可知，在撤除本申请的固体润滑棒的试块体后，维持原摩擦系数的时间可以达到1110s以上，而未添加复合磺酸钙润滑脂的固体润滑棒，在撤除试块体后其维持原摩擦系数的时间仅仅为120s，说明本申请的固体润滑棒具有更为优异的润滑性能。
优选的，所述不饱和树脂为卤代聚酯树脂、环氧乙烯基酯树脂、溴化双酚A环氧乙烯基酯树脂、双酚A环氧乙烯基酯树脂、阻燃溴化环氧乙烯基酯树脂中的一种或它们的混合。
通过采用上述技术方案，本申请以不饱和树脂作为高分子成型材料，相较于热塑性树脂，热固性的不饱和树脂具有强度高、耐磨性好、抗冲击力强的优点，可以提高固体润滑棒的成型性，延长其使用时间。
优选的，所述固化剂为环烷酸钴、过氧化甲乙酮、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过硫酸铵中的一种或它们的混合。
优选的，所述极压抗磨添加剂为二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、石墨中的一种或它们的混合。
所述极压抗磨添加剂的粒径为300目。
通过采用上述技术方案，二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、石墨作为极压抗磨添加剂，可以降低金属材料在高负荷下的磨损，提高其抗磨性能。
优选的，所述摩擦改进剂为粉煤灰、有机膨润土、滑石粉、硬脂酸镁、硬脂酸铝、硅酸铝镁中的一种或它们的混合。
所述摩擦改进剂的粒径为300目。
通过采用上述技术方案，粉煤灰、有机膨润土、滑石粉、硬脂酸镁、硬脂酸铝作为摩擦改进剂，可以提高固体润滑棒的润滑性能，降低轮轨的磨损。
优选的，所述金属粉为铝粉、锌粉、锡粉、青铜粉、铜粉、银粉、金粉中的一种或它们的混合。
所述金属粉的粒径为500目。
金属粉的粒径越小，其比表面积越大，可以起到更好的降低摩擦和磨损的作用，然而粒径过小也会导致金属粉易出现团聚的现象，使其分散性较差。通过采用上述技术方案，本申请的金属粉的粒径优选为500目，可以在具有较好的分散性的前提下，起到很好的降低摩擦以及磨损的作用。
第二方面，本申请提供一种机车轮轨用固体润滑棒组合物的制备方法，采用如下的技术方案：
一种机车轮轨用固体润滑棒组合物的制备方法，包括如下步骤：将不饱和树脂进行脱气处理，然后加入极压抗磨添加剂、金属粉、摩擦改进剂以及复合磺酸钙润滑脂，脱气处理；然后加入固化剂，搅拌后得到混合物；将混合物加热固化即可。
优选的，所述不饱和树脂的脱气处理包括如下步骤：将不饱和树脂在真空度为-0.07～-0.10MPa 的条件下，以100～500r/min的速度搅拌10～60 min。
通过采用上述技术方案，脱气处理可以排出不饱和树脂中的气体，提高其他原料在不饱和树脂中的分散性，有利于提高固体润滑棒的致密性以及强度，改善棒体出现气孔、裂纹等外观缺陷。
优选的，所述加热固化包括如下步骤：将混合物在110-130℃的温度下加热2-6h，然后再在140-160℃的温度下加热2-6h。
通过采用上述技术方案，经过实验得知，在110-130℃的温度下进行第一次加热，具有很好的反应活化能，在140-160℃的温度下进行第二次加热，可以提高反应速率，有利于固体润滑棒的成型，固化率能够达到95%以上，可以提高固体润滑棒的致密性以及力学强度。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
由于本申请将复合磺酸钙润滑脂作为润滑组分加入到固体润滑棒体系，利用其所含的润滑油及纳米碳酸钙，与其他润滑、抗磨材料配合，具有协同作用，使固体润滑棒兼具润滑脂润滑、固体润滑以及纳米润滑的优势，从而延长固体润滑棒的服役寿命，减少维护频次，节约应用成本。
附图说明
图1是本申请实施例1的固体润滑棒的摩擦系数测试曲线图。
图2是本申请实施例2的固体润滑棒的摩擦系数测试曲线图。
图3是本申请对比例2的固体润滑棒的摩擦系数测试曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例
实施例中的原料均可通过市售获得。其中，由于不饱和树脂主要与产品的成型性能有关，在进行摩擦性能测试时，任意种类的不饱和树脂均可实现，因此以下实施例和对比例中可以选择任意的不饱和聚酯树脂，只需保证各实施例和各对比例的不饱和树脂相同即可；固化剂选择与不饱和聚酯相适配的固化剂即可，实施例和对比例中的固化剂均选择过氧化甲乙酮；极压抗磨添加剂选择二硫化钼，粒径为300目；摩擦改性剂选择硅酸铝镁，粒径为300目；金属粉选择铜粉，粒径为500目；复合磺酸钙润滑脂符合GB/T33585-2017《复合磺酸钙基润滑脂》的要求即可。
实施例1
一种机车轮轨用固体润滑棒采用如下方法制备而成：
S1、在250mL三口烧瓶中加入120.0g不饱和聚酯树脂，三口烧瓶上分别接抽滤装置、机械搅拌装置和加料装置。在室温下，以搅拌速度为200r/min、真空度为-0.09MPa的条件，对不饱和聚酯树脂脱气处理5min；然后加入120.0g二硫化钼、6.0g铜粉、6.0g硅酸铝镁和6.5g复合磺酸钙润滑脂，继续搅拌脱气处理3h；然后加入3.0g固化剂，持续搅拌5min，得到混合物；
S2、将混合物注入模具中，将模具置于烘箱中，在120℃的温度下加热3h，然后升温至150℃，在150℃的温度下加热3h；加热固化后，冷却脱模，得到机车轮轨用固体润滑棒。
实施例2
一种机车轮轨用固体润滑棒采用如下方法制备而成：
S1、在250mL三口烧瓶中加入120.0g不饱和聚酯树脂，三口烧瓶上分别接抽滤装置、机械搅拌装置和加料装置。在室温下，以搅拌速度为200r/min、真空度为-0.09MPa的条件，对不饱和聚酯树脂脱气处理5min；然后加入120.0g二硫化钼、6.0g铜粉、6.0g硅酸铝镁和13.2g复合磺酸钙润滑脂，继续搅拌脱气处理3h；然后加入3.0g固化剂，持续搅拌5min，得到混合物；
S2、将混合物注入模具中，将模具置于烘箱中，在120℃的温度下加热3h，然后升温至150℃，在150℃的温度下加热3h；加热固化后，冷却脱模，得到机车轮轨用固体润滑棒。
对比例
对比例1
一种机车轮轨用固体润滑棒采用如下方法制备而成：
S1、在250mL三口烧瓶中加入120.0g不饱和聚酯树脂，三口烧瓶上分别接抽滤装置、机械搅拌装置和加料装置。在室温下，以搅拌速度为200r/min、真空度为-0.09MPa的条件，对不饱和聚酯树脂脱气处理5min；然后加入120.0g二硫化钼、6.0g铜粉、6.0g硅酸铝镁，继续搅拌脱气处理3h；然后加入3.0g固化剂，持续搅拌5min，得到混合物；
S2、将混合物注入模具中，将模具置于烘箱中，在69℃的温度下加热2h，然后在85℃的温度下加热4h，最后在107℃的温度下加热6h；加热固化后，冷却脱模，得到机车轮轨用固体润滑棒。
其中，69℃的温度为固化反应动力学测算所得凝胶化温度，85℃的温度为固化反应动力学测算所得固化温度，107℃的温度为度为固化反应动力学测算所得熟化温度。
对比例2
一种机车轮轨用固体润滑棒采用如下方法制备而成：
S1、在250mL三口烧瓶中加入120.0g不饱和聚酯树脂，三口烧瓶上分别接抽滤装置、机械搅拌装置和加料装置。在室温的条件下，以搅拌速度为200r/min、真空度为-0.09MPa的条件，对不饱和聚酯树脂脱气处理5min；然后加入120.0g二硫化钼、6.0g铜粉、6.0g硅酸铝镁，继续搅拌脱气处理3h；然后加入3.0g固化剂，持续搅拌5min，得到混合物；
S2、将混合物注入模具中，将模具置于烘箱中，在120℃的温度下加热3h，然后升温至150℃，在150℃的温度下加热3h；加热固化后，冷却脱模，得到机车轮轨用固体润滑棒。
对比例3
S1、在250mL三口烧瓶中加入120.0g不饱和聚酯树脂，三口烧瓶上分别接抽滤装置、机械搅拌装置和加料装置。在室温的条件下，以搅拌速度为200r/min、真空度为-0.09MPa的条件，对不饱和聚酯树脂脱气处理5min；然后加入120.0g二硫化钼、6.0g铜粉、6.0g硅酸铝镁和20.7g复合磺酸钙润滑脂，继续搅拌脱气处理3h；然后加入3.0g固化剂，持续搅拌5min，得到混合物；
S2、将混合物注入模具中，将模具置于烘箱中，在120℃的温度下加热3h，然后升温至150℃，在150℃的温度下加热3h。
上述材料脱模时发现不包饱和聚酯树脂未聚合。
性能检测试验
通过对比例1和对比例2比较发现，对比例1的加热总时间为12h，对比例2的加热总时间为6h。采用对比例2的工艺条件可以提高产品的制备速率，实施例1和实施例2即选择对比例2的制备工艺，通过对比例3与实施例1和实施例2的比较，确定复合磺酸钙基润滑脂用量2-5%为宜。
将实施例1、实施例2以及对比例2制备的固体润滑棒产品加工成 12.2 mm*12.2mm *5.0 mm的实验块体，采用经GPM-30滚动接触疲劳试验机以机车用实际轮轨材料加工主试件和陪试件点接触试轮综合评价其摩擦学性能，具体过程如下：将被测试样和陪试样安装在试验机的试样安装位置并加载固体润滑材料，加载力36 N，主试件的转速均为500转/分，主试样与陪试样保持约 10% 的滑差率，主试件与陪试件之间最大Hertz接触应力保持在1.5 GPa。10分钟后撤除固体润滑材料，待摩擦系数升高至主试件与陪试件干摩擦的摩擦系数时，停止试验，测试结果如图1-图3所示。
参见图1-图3，图1为实施例1的固体润滑棒的摩擦系数测试曲线图，复合磺酸钙润滑脂的添加量为2.5%；图2是实施例2的固体润滑棒的摩擦系数测试曲线图，复合磺酸钙润滑脂的添加量为5.0%；图3是对比例2的固体润滑棒的摩擦系数测试曲线图，未添加复合磺酸钙润滑脂。
通过测试曲线可以看出：添加2.5%复合磺酸钙润滑脂组分固体润滑棒在加载阶段摩擦系数在0.20左右，撤除润滑棒测试块体（10min时曲线出现明显下降波动）以后其摩擦系数可以维持730 s的时间。添加5.0%复合磺酸钙润滑脂组分固体润滑棒在加载阶段摩擦系数在0.20左右，撤除润滑棒测试块体以后其摩擦系数可以维持1110 s的时间。未添加复合磺酸钙润滑脂组分固体润滑棒在加载阶段摩擦系数在0.20左右，撤除润滑棒测试块体以后其摩擦系数可以维持120 s的时间。说明随着复合磺酸钙润滑脂组分添加量的增加，所制备的润滑棒产品其转移维持时间有一定幅度提升，但由于复合磺酸钙润滑脂的用量过高会影响固体润滑棒的成型性能，因此综合考虑，添加5.0%复合磺酸钙润滑脂组分固体润滑棒性能较优。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种机车轮轨用固体润滑棒，其特征在于，包含如下重量百分比的原料：复合磺酸钙润滑脂2-5%、不饱和树脂40-70%、固化剂1-4%、极压抗磨添加剂20-50%、摩擦改进剂1-10%以及金属粉1-10%。
2.根据权利要求1所述的一种机车轮轨用固体润滑棒，其特征在于，所述不饱和树脂为卤代聚酯树脂、环氧乙烯基酯树脂、溴化双酚A环氧乙烯基酯树脂、双酚A环氧乙烯基酯树脂、阻燃溴化环氧乙烯基酯树脂中的一种或它们的混合。
3.根据权利要求1所述的一种机车轮轨用固体润滑棒，其特征在于，所述固化剂为环烷酸钴、过氧化甲乙酮、过硫酸钾、偶氮二异丁腈、过硫酸铵中的一种或它们的混合。
4.根据权利要求1所述的一种机车轮轨用固体润滑棒，其特征在于，所述极压抗磨添加剂为二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、石墨中的一种或它们的混合。
5.根据权利要求1所述的一种机车轮轨用固体润滑棒，其特征在于，所述摩擦改进剂为粉煤灰、有机膨润土、滑石粉、硬脂酸镁、硬脂酸铝、硅酸铝镁中的一种或它们的混合。
6.根据权利要求1所述的一种机车轮轨用固体润滑棒，其特征在于，所述金属粉为铝粉、锌粉、锡粉、青铜粉、铜粉、银粉、金粉中的一种或它们的混合。
7.权利要求1-6任一项所述的一种机车轮轨用固体润滑棒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将不饱和树脂进行脱气处理，然后加入极压抗磨添加剂、金属粉、摩擦改进剂以及复合磺酸钙润滑脂，脱气处理；然后加入固化剂，搅拌后得到混合物；将混合物加热固化即可。
8.权利要求7所述的一种机车轮轨用固体润滑棒的制备方法，其特征在于，所述不饱和树脂的脱气处理包括如下步骤：将不饱和树脂在真空度为-0.07～-0.10MPa的条件下，以100～500r/min的速度搅拌10～60 min。
9.权利要求7所述的一种机车轮轨用固体润滑棒的制备方法，其特征在于，所述加热固化包括如下步骤：将混合物在110-130℃的温度下加热2-6h，然后再在140-160℃的温度下加热2-6h。
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