DD246788A1

DD246788A1 - PROCESS FOR LUBRICATION AT DEEP TEMPERATURES

Info

Publication number: DD246788A1
Application number: DD28799586A
Authority: DD
Inventors: Dietrich Prescher; Hans Driescher; Michael Scheiding; Juergen Schulze
Original assignee: Adw Ddr Inst Kosmosforschung
Priority date: 1986-03-18
Filing date: 1986-03-18
Publication date: 1987-06-17

Abstract

Das Verfahren zur Schmierung bei tiefen Temperaturen verwendet ausschliesslich fluorhaltige Verbindungen des Typs RF-A. Weitere Schmierstoffe oder Additive kommen nicht zum Einsatz. Die verwendeten Tieftemperaturschmiermittel eignen sich vorteilhaft bei Reibpaarungen, die Temperaturen weit unterhalb von 0C ausgesetzt sind und ermoeglichen sogar ein Arbeiten feinmechanischer Geraete bei der Temperatur des fluessigen Stickstoffs. Durch ihren Einsatz kommt es zur Erhoehung der Lebensdauer feinmechanischer Geraete sowie zu einer Senkung des Energiebedarfs, aus der sich die Moeglichkeit einer guenstigen Gestaltung des Masse-Leistungs-Verhaeltnisses von feinmechanischen Geraeten ergibt.The low temperature lubrication method uses only fluorine-containing compounds of the RF-A type. Other lubricants or additives are not used. The low-temperature lubricants used are advantageously suitable for friction pairings, which are exposed to temperatures well below 0C and even allow working fine mechanical devices at the temperature of the liquid nitrogen. Their use increases the life of fine mechanical equipment and reduces the energy requirement, which results in a favorable design of the mass-performance ratio of precision mechanical devices.

Description

Field of application of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei der Schmierung von Lagern in der Tieftemperaturtechnik und in technischen Geräten oder Konsumgütern, die Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt des Wassers ausgesetzt sind, angewendet.The process of the invention is used in the lubrication of bearings in cryogenic technology and in technical equipment or consumer goods, which are exposed to temperatures well below the freezing point of the water.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, fluorhaltige Additive Schmierölen beizugeben. Beispielsweisewird in der DD-PS 207 31 Oder Einsatz fluorhaltiger Additive des Typs Rp-X-R in Schmierölen zwecks Minderung des Verschleißes empfohlen. Bei derartigen Anwendungen werden die fluorhaltigen Additive den Schmierölen in Konzentrationen bis zu 10 Ma.-% zugesetzt. Diese Schmieröle sind auf Grund ihres überwiegenden Anteils an Kohlenwasserstoffverbindungen nur begrenzt einsetzbar, d.h. bei extremen Einsatzbedingungen wie Arbeiten bei tiefen Temperaturen versagen diese Schmierstoffe.It is known to add fluorine-containing additives to lubricating oils. For example, it is recommended in DD-PS 20731 or use of fluorine-containing additives of the type Rp-X-R in lubricating oils to reduce the wear. In such applications, the fluorochemical additives are added to the lubricating oils in concentrations up to 10 wt%. These lubricating oils have limited utility due to their predominant proportion of hydrocarbon compounds, i. In extreme conditions such as working at low temperatures, these lubricants fail.

Einen hohen Anteil (70-80%) an fluorhaltigen telomeren Alkoholen in Form ihrer Adipinsäureester besitzen Schmierstoffe nach SU-PS 449925. Nachteilig ist ihr Gebrauch wegen der Zersetzlichkeit der Estergruppe unter tribochemischen Bedingungen.A high proportion (70-80%) of fluorine-containing telomeric alcohols in the form of their adipic acid esters have lubricants according to SU-PS 449925. Their disadvantage is their use because of the decomposability of the ester group under tribochemical conditions.

Ferner ist auch hierbei noch ein Anteil von 20 bis 30% Kohlenwasserstoffverbindungen im Schmierstoffsystem vorhanden, der sich bei tiefen Temperaturen nachteilig auf die Funktionsfähigkeit von mechanisch bewegten Teilen auswirkt.Furthermore, even here, a proportion of 20 to 30% hydrocarbon compounds in the lubricant system is present, which adversely affects the functioning of mechanically moving parts at low temperatures.

Ebenfalls ist nach US-PS 3784471 und US-PS 3788987 die Anwendung von Perfluoralkylpolyethern als Grundöl bekannt, in das feste Stoffe wie Graphit, Molybdänsulfid u.a. mittels einer oberflächenaktiven Substanz als Dispergator eingearbeitet werden.Also, the use of Perfluoralkylpolyethern known as a base oil in the solid materials such as graphite, molybdenum sulfide u.a. be incorporated by means of a surface-active substance as a dispersant.

Offenbar ist erst ein derartiges Drei-Komponenten-System als Schmierstoff brauchbar.Apparently only such a three-component system is useful as a lubricant.

Wenn auch Fortschritte, wie Verschleiß-und Reibungsminderung, durch den Einsatz fluorhaltiger Additive in Schmierstoffen erzielt wurden, so fehlt es dennoch an Schmierstoffen, die bei extrem tiefen Temperaturen ihre Schmierwirkung beibehalten.While advances such as wear and friction reduction have been achieved through the use of fluorine-containing additives in lubricants, there is still a lack of lubricants that maintain their lubricating properties at extremely low temperatures.

Bei den handelsüblichen als kältefest bezeichneten Schmierstoffen, die zur Schmierung mechanisch bewegter Systeme in der Feingerätetechnik verwendet werden, wird zwar ein günstiger Stockpunkt (z.B. —60 ⁰C) erreicht, jedoch liegt die Schmierwirkung bereits bei -20⁰C mit Reibwerten über den Werten der Trockenreibung.In the commercial as a cold-resistant designated lubricants which are used to lubricate mechanically moving systems of the precision engineering, although a favorable pour point (for example -60 ⁰ C) is reached, however, the lubricating effect is already at -20 ⁰ C and the friction coefficients to the values of dry friction.

Bei feinmechanischen Geräten mit präzisen und schnellen Bewegungsabläufen, die mit möglichst wenig Energieaufwand erfolgen müssen (z. B. bei Fotokameraverschlüssen) ist der Einsatz von Schmierstoffen zur Erzielung geringer Reibwerte bei niedrigen Temperaturen erforderlich. Da für derartige Systeme und Bedingungen keine geeigneten Schmierstoffe existieren, behilft man sich in der Weise, daß die Lager entölt werden und damit Trockenreibung vorliegt. Als Konsequenz dieser Maßnahme muß das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls des Gerätes durch erhöhten Verschleiß in Kauf genommen werden.Precision mechanical devices with precise and fast motion sequences, which require the least possible expenditure of energy (eg for camera shutter), require the use of lubricants to achieve low coefficients of friction at low temperatures. Since no suitable lubricants exist for such systems and conditions, it is possible to ensure that the bearings are deoiled and dry friction is present. As a consequence of this measure, the risk of premature failure of the device due to increased wear must be accepted.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Schmierung für Reibpaarungen anzugeben, welches insbesondere bei tiefen Temperaturen ein präzises Arbeiten mit verbesserten Reibverhältnissen gestattet.The aim of the invention is to provide a method of lubrication for friction pairings, which allows precise working with improved friction conditions, especially at low temperatures.

Explanation of the essence of the invention

Ausgehend von umfangreichen Untersuchungen der bekannten technischen kältefesten Schmiermittel besteht die erfinderische Aufgabenstellung darin, ein Verfahren anzugeben, welches, abweichend von den bisher verwendeten Zwei- oder Mehrkomponentenschmiermittelsystemen ohne den Einsatz von nachteiligen Grundölsubstanzen auf Kohlenwasserstoffbasis, eine ausreichende Schmierwirkung im Tieftemperaturbereich aufweist.Based on extensive investigations of the known technical cold-resistant lubricants, the inventive task is to provide a method which, unlike the previously used two- or multi-component lubricant systems without the use of adverse base oil substances based on hydrocarbons, has a sufficient lubricating effect in the low temperature range.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, als Schmiermittel ausschließlich fluorhaltige Verbindungen, die der allgemeinen Formel R_F-A entsprechen, worin R_F ein per- oder polyfluorierter Alkyl- oder Alkenylrest mit mindestens vier Kohlenstoffatomen und A ein durch Sauerstoff oder Schwefel überbrückter unsubstituierter oder substituierter Aryl- oder Alkylrest oder ein perfluorierter Alkylrest ist, einzusetzen. Diese fluorhaltigen Verbindungen können als Einzelverbindung, in Form von Homologengemischen oder auch als Gemische verschiedener Verbindungen o.g. Struktur zum Einsatz kommen. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung der o. g. Schmiermittel entsteht eine Schmierwirkung, die sich günstig auf Reibung und Verschleiß auswirkt, ohne daß weitere Schmierstoffe oder Additive benötigt werden. Auf Grund des sehr hohen Fluoranteils im Molekül der fluorhaltigen Verbindungen, sind die erfindungsgemäßen Schmiermittel geeignet, einen weiteren Temperaturbereich als bisher bekannte Schmierstoffe abzudecken, so daß selbst unter extremen Bedingungen (wie Temperaturen unter -80⁰C) eine Verwendung möglich ist. Der nichtfluorierte Teil des Moleküls muß sich in einem günstigen Masseverhältnis zum fluorierten Teil des Moleküls befinden, um die Schmierwirkung unter den geforderten Bedingungen nicht zu behindern. Er ist für die Einstellung der geeigneten Viskosität des Schmiermittels verantwortlich.According to the invention is proposed to solve the problem, as a lubricant exclusively fluorine-containing compounds corresponding to the general formula R _F -A wherein R _{F is} a per- or polyfluorinated alkyl or alkenyl radical having at least four carbon atoms and A is bridged by oxygen or sulfur unsubstituted or substituted aryl or alkyl radical or a perfluorinated alkyl radical is to use. These fluorine-containing compounds can be used as a single compound, in the form of mixtures of homologs or else as mixtures of various compounds and structures. In the inventive use of the above-mentioned lubricant creates a lubricating effect, which has a favorable effect on friction and wear, without further lubricants or additives are needed. Due to the very high fluorine content in the molecule of the fluorine-containing compounds, lubricants of the invention are suitable to cover a wider temperature range than previously known lubricants, so that even under extreme conditions (such as temperatures below -80 ⁰ C), a use is possible. The non-fluorinated portion of the molecule must be in a favorable mass ratio to the fluorinated portion of the molecule so as not to interfere with the lubricating effect under the required conditions. He is responsible for setting the appropriate viscosity of the lubricant.

Der erfindungsgemäße kombinierte Einsatz von zwei oder mehreren fluorierten Verbindungen o.g. Struktur kann ebenfalls zur gewünschten Viskositätseinstellung dienen, hat aber darüber hinaus noch positive Auswirkungen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der Reibpaarungen. Erfindungsgemäß einsetzbare Homologengemische o.g. fluorhaltiger Verbindungen haben den Vorteil der einfachen Herstellung ohne kostspielige Abtrennungsverfahren.The combined use of two or more fluorinated compounds according to the present invention. Structure can also serve for the desired viscosity adjustment, but also has positive effects on the friction and wear behavior of the friction pairings. According to the invention usable homolog mixtures o.g. fluorine-containing compounds have the advantage of ease of preparation without costly separation processes.

Vorteilhaft bei der Hersteilung der erfindungsgemäßen Schmiermittel ist, daß die sonst übliche komplizierte Zusammensetzung verschiedenartiger Komponenten in den Schmierstoffen durch stoffeinheitliche Verbindungen abgelöst werden, die nicht Anlaß zu Entmischungen geben können.An advantage of the production of lubricants of the invention is that the otherwise complicated composition of various components in the lubricants are replaced by uniform compounds that can not give rise to segregation.

Selbstverständlich sind die eingesetzten Schmiermittel auch für Anwendungen bei Temperaturen über 0°C einsetzbar. Der Einsatz der Schmiermittel gestattet, bei niedrigen Temperaturen mit verbesserten Reibverhältnissen zu arbeiten. Es kommt zu einer Verkleinerung des Reibkoeffizienten von Reibpaarungen, dieTemperaturen unter 0°C ausgesetzt sind und sogar zu einer Realisierung der Schmierung von Reibpaarungen, die im Bereich der Temperatur des flüssigen Stickstoffs arbeiten. Durch die mit dem Einsatz dieser Schmiermittel verbundene Senkung des Energiebedarfs ergibt sich die Möglichkeit einer günstigeren Gestaltung des Masse-Leistungs-Verhältnisses von Geräten (Verkleinerung der Geräte, Materialeinsparung u.a.).Of course, the lubricants used can also be used for applications at temperatures above 0 ° C. The use of the lubricants allows working at low temperatures with improved friction conditions. There is a reduction in the coefficient of friction of friction pairings exposed to temperatures below 0 ° C, and even realization of the lubrication of friction pairings operating in the range of liquid nitrogen temperature. By reducing the energy consumption associated with the use of these lubricants, there is the possibility of a more favorable design of the mass-power ratio of devices (reduction of devices, material savings, etc.).

embodiment

Als fluorhaltige Verbindungen für das Verfahren zur Schmierung kommen beispielsweise folgende in Frage:Examples of suitable fluorine-containing compounds for the process of lubrication are the following:

0-C₆H₅ 0-C ₆ H ₅

TieftemperaturschmiermittelLow temperature lubricants RfRf (TTS)(TTS) 11 C₆F₁₁ C ₆ F ₁₁ 22 C₈Fi₅ C ₈ Fi ₅ 33 H(CF₂CFj)₄CH₂ H (CF ₂ CFj) ₄ CH ₂ 44 C_nF_2n_Kn = 8...9)C _n F _2n _Kn = 8 ... 9) 55 C₇F₁₃ C ₇ F ₁₃ 66 C₄F₇ C ₄ F ₇ 77 CeF₁₁CI₄ CeF ₁₁ CI ₄ 88th C₆F₉ C ₆ F ₉ 99 C₇F₁₅CH₂ C ₇ F ₁₅ CH ₂ 1010 C₁₀F₁₉ C ₁₀ F ₁₉ 1111 CnFon _ 1 in = R QlCnFon _ 1 in = R Ql

0-CH₃ 0-C₈H₁₇ 0-CH₂CH₂OH S-CH₂CH₂OH 0-CH₂CH₂OCH₃ 0-CH₂CH₂OC₅F₉ 0-CH ₃ 0-C ₈ H ₁₇ O-CH ₂ CH ₂ OH S-CH ₂ CH ₂ OH 0-CH ₂ CH ₂ OCH ₃ O-CH ₂ CH ₂ OC ₅ F ₉

0-CH₂CH₂N' 00-CH ₂ CH ₂ N '0

C₄F₉ 0-C₁₀F₂₁ C ₄ F ₉ 0-C ₁₀ F ₂₁

In der Figur 1 ist die Abhängigkeit des Reibwertes von der Temperatur für verschiedene Reibpaarungen dargestellt. Die Messung erfolgte mit Hilfe einer Vorrichtung, bei der eine gehärtete Stahlplatte (80 mm Durchmesser) mit geläppter Oberfläche (R_z =S 0,5 μηη) horizontal miteinerGeschwindigkeitvon 1 ms"¹ rotierte. Als Gleitpartner wurden drei um 120°zueinanderversetzte Zylinder aus Stahl (5 mm Durchmesser) selbstjustierend mit einem Aufdruck von 1 N pro Zylinder stirnseitig gegen die rotierende Platte gedrückt. Der Reibwert wurde aus der Mitnahmekraft der Reibpaarung gegeneinander gewonnen.FIG. 1 shows the dependence of the coefficient of friction on the temperature for different friction pairings. The measurement was carried out by means of a device in which a hardened steel plate (80 mm diameter) having a lapped surface (R _z = S 0.5 μm) was rotated horizontally at a speed of 1 ms ^-1 as a sliding partner, three cylinders of 120 ° offset from each other were made of steel (5 mm diameter) Self-aligning with an imprint of 1 N per cylinder pressed against the face side against the rotating plate The friction value was obtained from the driving force of the friction pair against each other.

In der nachfolgenden Auswertung beziehen sich die gewonnenen Ergebnisse nur auf die zuvor genannten Prüfbedingungen. Im konkreten Anwendungsfall, bei anderen Materialpaarungen, Belastungen und Reibgeschwindigkeiten können die im Prüfgerät ermittelten Werte von den tatsächlichen Werten abweichen.In the following evaluation, the results obtained relate only to the test conditions mentioned above. In concrete cases of application, with other material pairings, loads and friction speeds, the values determined in the tester may deviate from the actual values.

Kurve 1 zeigt den Verlauf der Temperaturabhängigkeit des Reibwertes μ bei Trockenverlauf im Bereich von —70°Cbis+50°C. Der temperaturabhängige Reibverlauf für ein handelsübliches Spezialöl ist in Kurve 2 dargestellt. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, erreicht das Spezialöl bei ca. -20°C einen Reibwert, der im Bereich von μ ~ 0,3 liegt und damit für viele feinmechanische Anwendungen nicht mehr akzeptabel ist.Curve 1 shows the course of the temperature dependence of the coefficient of friction μ in the course of a dry process in the range from -70 ° C to + 50 ° C. The temperature-dependent friction curve for a commercially available special oil is shown in curve 2. As can be seen in the diagram, the special oil reaches a friction coefficient of approx. -20 ° C, which lies in the range of μ ~ 0.3 and is therefore no longer acceptable for many fine mechanical applications.

Diese Grenze, die im Einzelfall durchaus in einem anderen Bereich liegen kann, wird durch die erfindungsgemäßen Schmiermittel TTS4 bzw. TTS11 erst bei -35⁰C (Kurve 3) bzw. bei -55°C (Kurve 4) erreicht.This limit, which may well be in another area in the individual case, is achieved by the inventive lubricant or TTS4 TTS11 only at -35 ⁰ C (curve 3), or at -55 ° C (curve 4).

Das Schmiermittel TTS 5 wurde in der Lagerung einer Dosiereinrichtung für flüssigen Stickstoff direkt der Temperatur des flüssigen Stickstoffs ausgesetzt. Ungeschmiert oder mit bisher bekannten Schmierstoffen war das Lager funktionsunfähig. Beim Einsatz des TTS5 konnten mehrere Hundert Betätigungsvorgänge realisiert werden.The lubricant TTS 5 was exposed directly to the temperature of the liquid nitrogen in the storage of a metering device for liquid nitrogen. Unlubricated or with previously known lubricants, the bearing was inoperative. When using the TTS5, several hundred actuation processes could be realized.

Claims

Invention claim:

1. A process for lubrication at low temperatures, characterized in that only fluorine-containing compounds of the general formula

R _F -A correspond,

wherein R _{F is} a per- or polyfluorinated alkyl or alkenyl radical having at least four carbon atoms and A is an unsubstituted or substituted aryl or alkyl radical bridged by oxygen or sulfur or a perfluorinated alkyl radical.

2. A method of lubrication according to item 1, characterized in that the fluorine-containing compounds are used as a single compound.

3. A method of lubrication according to item 1, characterized in that the fluorine-containing compounds are used in the form of homolog mixtures.

4. The method of lubrication according to item 1 to 3, characterized in that mixtures of different fluorine-containing compounds are used.

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