DE3640126C2

DE3640126C2 - Verschleißminderndes Mittel und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE3640126C2
Application number: DE3640126A
Authority: DE
Inventors: Kodo Kawabata; Tetunosuke Oharu; Mikio Naisei
Original assignee: Kawabata Seisakusha KK
Current assignee: Kawabata Seisakusha KK
Priority date: 1985-11-27
Filing date: 1986-11-25
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2006-11-26
Also published as: US5173202A; DE3640126A1; JPS62127394A; JPH0670234B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein verschleißminderndes Mittel wie es zur Verminderung von Roll- und Gleitreibung an beweglichen und sich drehenden Teilen in allen Arten von Maschinen und Geräten, wie Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Schiffen etc., verwendet wird, sowie auf sein Herstellungsverfahren.

Bisher wurden an beweglichen und sich drehenden Teilen obig genannter Maschinen allgemein Schmiermittel verwendet. Als solche Schmiermittel werden, außer normalem Schmieröl, metallische Verbindungen (Molybdändisulphid etc.), nicht organische Keramikverbindungen (Graphit, Bornitrid etc.) oder organische Verbindungen (Teflon und verschiedene andere Hilfsstoffe) fein verpulverisiert und als feines Pulver verwendet. Außerdem werden sie als öllösliche Verbindungen hergestellt und dem Schmieröl beigegeben. Alle oben genannten chemischen Verbindungen haben eine hohe Hitzebeständigkeit und sind weiche Stoffe.

Da aber an den Dreh- und Gleitteilen von Maschinen und Geräten, die solche Schmieröle verwenden, wie Kraftfahrzeuge, Motorräder, Schiffe etc., leicht Hitze entsteht und Abnutzung auftritt, altern die Schmierstoffe und Schmieröle im Verlauf ihrer Betriebszeit und lassen in ihrer Schmierwirkung nach. Da Kristalle, wie Teflon, Molybdändisulphid, Graphit und Bornitrid, eine Schichtstruktur besitzen, sind sie schwach gegenüber Scherbeanspruchung. Außerdem setzen sie sich leicht an metallischen Oberflächen fest, so daß die Körnerform und die Struktur der zwischen den sich reibenden und drehenden Teilen eingeklemmten Schmierstoffe sich verändert. Da außerdem durch die Berührung mit. Luft Korrosion auftritt, ergeben sich Probleme für eine langfristig anhaltende Schmierwirkung.

Da, wie oben schon angeführt, im Falle der feinen Pulverisierung, der Stoff selbst sehr weich ist, kann er nur schwer seine einheitliche Form und Körnung beibehalten, und auch eine sehr feine Körnung ist uneinheitlich. Da diese Schmierwirkung von Stoffen mit diesen Besonderheiten bei der Feinverkleinerung auftritt, bedeutet dies, daß anstatt Pulverisierung eine Schmierbewegung auftritt. Wird Luftstrompulverisierung angewandt, sind die pulverisierten Teilchen zu leicht. Im Falle der normalen Naßdreh-Pulverisierungsmaschinen werden, wenn als Pulverisierungsmedien Stahl oder Glas verwendet werden, die Pulverisierungsmaschinen selbst oder das Pulverisierungmedium abgenutzt, und diese Verunreinigungen mischen sich unter den Pulverisierungsstoff. Die Trennung von diesen Verunreinigungen ist äußerst schwierig, und durch das daruntergemischte Metallpulver und durch Korrosionsstoffe verändern sich die Charakteristiken des Mittels, so daß sich eine Qualitätsminderung nicht vermeiden läßt.

Als allgemeine Bedingungen für Schmiermittel lassen sich die folgenden Bedingungen anführen:

(1) Nicht-Löslichkeit, Hitzebeständigkeit, Abnutzbeständigkeit, Druckfestigkeit, Nicht- Korrosion. Außerdem muß es sich um einen chemisch und physikalisch in Art und Charakteristik beständigen Stoff handeln.
(2) Das sich reibende Teil darf durch das Schmiermittel so gut wie nicht abgenutzt werden.
(3) Das Schmiermittel muß die Reibung weitgehend senken und den Reibwiderstand durch die Gleit- und Drehbewegungen vermindern.

Es lassen sich auch noch andere Bedingungen anführen. Sie alle werden durch bisherige Stoffe nicht zur Zufriedenheit erfüllt. Als ein Beispiel dafür sind hier die Einschränkung durch atmosphärische Einflüsse im Pulverisierungsprozeß angeführt. So wird zum Beispiel das vorher angeführte Bornitrid in gasförmigem Stickstoff fein pulverisiert, und die Körner unter das Öl gemischt und verwendet. Aber auch im Öl läßt sich ihre Berührung mit Sauerstoff und eine dadurch hervorgerufene Qualitätsminderung nicht vermeiden, was einen verminderten Schmiereffekt zur Folge hat.

Aus der US-PS 4533509 ist es bekannt, zur Haft- und Gleitreibungsminimierung eine Beschichtung aus thermoplastischen Harzen mit anorganischen Materialien, die bei einer Partikelgröße von mindestens etwa 0,7 µm fein verteilt sind, vorzusehen.

Diese Erfindung löst obige Probleme. Sie vermindert den Reibungswiderstand an allen Teilen, die mit Reibung in Berührung kommen und bietet einen den Reibungswiderstand senkenden verschleißmindernden Überzugstoff und sein Herstellungsverfahren an. Andere Ziele dieser Erfindung sind es, einen in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften (Nicht-Löslichkeit, Hitzebeständigkeit, Abnutzungsbeständigkeit, Druckfestigkeit sowie Nicht-Korrosion) sich nicht verändernden verschleißmindernden Stoff und sein Herstellungsverfahren zu liefern.

Zusammenfassung der Erfindung

Die die obig aufgeführten Anforderungen erfüllende Erfindung besteht aus keramischen, fast runden Körnern mit einem Körnerdurchmesser von unter 0,5 µm, einem Schmelzpunkt von über 1800°C und einer Vickershärte von 300-1500 HV, die unter das Schmieröl gemischt werden.

Bei der Herstellung des verschleißmindernden Mittels werden die Körner bzw. das Pulver mit einem Schmelzpunkt von 1800°C und einer Vickershärte von 300-1500 HV in einen Keramikbehälter einer Pulverisierungsmaschine gegeben, dessen Vickershärte über 1500 HV beträgt. Dort werden sie durch ein keramisches Pulverisierungsmedium mit einer Vickershärte von über 1500 HV pulverisiert und zu einem Pulver mit einer Korngröße von unter 0,5 µm mit feinen, fast kugelförmigen Körnern geformt, deren besonderes Merkmal es ist, daß sie als verschleißminderndes Mittel dem Schmieröl beigemischt werden.

Kurze Erläuterung der Skizze

Die Aufgaben der Erfindung werden aus einer kurzen Erklärung der Skizze verdeutlicht.

Skizze 1 zeigt das Vergleichstestergebnis des Benzinverbrauchs bei einem Kleinwagen ohne Last, der dieses verschleißmindernde Mittel verwendet.

Die Skizze 2 zeigt die Vergleichskurve bei einer Testfahrt auf dem selben Testgelände.

Erklärung des Tests

Die Wirkung des verschleißmindernden Mittels an gleitreibenden und rollreibenden Teilen in Maschinen und Autos etc. zeigt, daß die Oberfläche dieser beweglichen Teile, die mit dem bloßen Auge betrachtet glatt erscheint, auch wenn sie noch so gut geschliffen und poliert ist, unter dem Mikroskop Rillen und Überstände im Nanometerbereich aufweist.

Wird dieses verschleißmindernde Mittel aus Keramik mit fast runder Körnung und einem Körnerdurchmesser von unter 0,5 µm, sowie einem Schmelzpunkt von über 1800°C und einer Vickershärte von 300-1500 HV unter das Schmieröl gemischt, gelangt es an die reibenden und sich drehenden Teile, dringt in deren Reibeflächen (Rillen und Überstände) ein, an welchen es sich anhäuft und deren Rillen es ausgleicht, so daß eine glatte Oberfläche entsteht, durch welche der Reibewiderstand an diesen Teilen vermindert wird.

Außerdem werden die mikroskopischen Überstände auf der Reibeoberfläche durch die Körner zerstört. Das besondere Merkmal ist jetzt, daß die in den Rillen und auf den Überständen sitzenden feinen Körner durch Hitze und Belastung die metallische Oberfläche aufweichen und schmelzen und bei der plastischen und elastischen Veränderung sich auf der Metalloberfläche ansetzen. Dabei dringen sie bis zu einer verhältnismäßig großen Tiefe in die Oberfläche des Metallteils ein. Dadurch wird die Metalloberfläche völlig glatt und die effektive Berührungsfläche wächst, was eine Verminderung des Reibungswiderstands mit sich bringt.

Obige feinkörnige Schicht bildet sich als feiner Überzug, der sich nicht von Werkstücken und Metallsplittern abkratzen läßt. Deshalb wird diese Erfindung auch verschleißminderndes Überzugsmittel genannt. Bei der Herstellung werden Pulverisierungsgefäße und ein Pulverisierungsmedium obig erwähnter Härte verwendet. Dadurch werden die Keramikkörner und das Pulver zu runden Körnern von unter 0,5 µm Durchmesser geformt, als welche sie dann dem Schmieröl beigemischt werden.

Zum Formen des feinkörnigen Keramikpulvers werden sie in den Keramikbehälter einer Naß-Sandmühle gegeben und mittels eines keramischen Pulverisierungsmediums von obig genannter Härte zu Pulver zerschlagen. Dieses Pulverisierungsmedium kann beispielsweise keramische Perlen verwenden, wodurch die Pulverisierung erfolgt und allmählich die Kugelform entsteht. Bei ausgeglichener Körnerverteilung mit Korndurchmesser von unter 0,5 µm können gleichmäßig kugelförmige Körnerdurchmesser von 0,1 µm entstehen.

Werden Körnerdurchmesser von unter 0,5 m geformt, nimmt auch bei leicht schleifbaren Stoffen die Schleifbarkeit ab. Da es sich außerdem um fast runde Kugelformen handelt, nimmt die Schleifbarkeit weiter ab, und die gewünschten Formen entstehen. Als Schmieröl wird z. B. normales Schmieröl verwendet. Da es sich hierbei aber nur um eines von möglichen Beispielen handelt, muß es sich nicht auf normales Schmieröl beschränken, sondern kann auch in anderen zu diesem praktischen Zweck verwendeten Flüssigkeiten enthalten sein. Um außerdem die Abnutzungshärte der sich reibenden Teile, die aus metallischen Stoffen bestehen, zu senken, wird Keramik mit einer maximalen Vickershärte von 850 HV, nahe der absoluten Härte verwendet. Wird bei kugelförmigen Keramikkörnern von weniger als 0,5 µm Durchmesser grobe und nicht-kugelförmige Keramik gewählt, ist die Schleiffähigkeit bei weitem geringer. Aber Lösungsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Abnutzungsbeständigkeit, Druckfestigkeit und Betriebsfähigkeit bleiben über der minimalen Abnutzungshärte des Keramikstoffes von über 300 HV, und es wird zum Beispiel Zirkoniumoxid verwendet.

Da die optimale Temperatur in den Verbrennungskammern von über 1000° bis zu 2000°C erreicht, konnten bisherige Schmiermittel dieser Art die Hitze nicht aushalten. Das reibungsmindernde Mittel dieser Erfindung weist ausreichende Hitzebeständigkeit auf und glättet die feinen Unebenheiten der Metalloberflächen. Es führt Hitze ab und weist dieselben Effekte wie Schmieröl auf. Der Schmiereffekt hält auch dann an, wenn in dem Gemisch der Schmierölanteil einmal absinken sollte.

Im folgenden werden die Tests zu dem reibungsmindernden Mittel dieser Erfindung beschrieben.

a) Zunächst wurden ungefähr 4 µm große Zirkoniumoxidkörner in den obig beschriebenen Naßverfahrens-Pulverisierungsbehälter gegeben und im Naßverfahren bei einer Festanteilsdichte von 50% fünfzehn Minuten lang zerschlagen, wodurch das reibungsmindernde Mittel von feinen Körnern mit einem Durchmesser von gleichmäßig 0,1 µm erzielt wurde. Dieser Körnerdurchmesser wurde mittels eines Elektronenmikroskops überprüft. Die in obigem Naßverfahren verwendete Flüssigkeit ist nicht speziell beschränkt, beispielsweise läßt sich Wasser verwenden. Aber auch bei Verwendung einer anderen Flüssigkeit als Wasser, läßt sich der gleiche Erfolg erzielen.
b) Das in obigem Verfahren (a) gewonnene feinkörnige Pulver in einer Menge von 60 g wird 300 g Motorenöl untergemischt und in einem Zerstreuer dispergiert, wodurch 360 g reibungsmindernden Mittels entstehen.
c) Durch Vermischen der verschiedenen unten aufgeführten Vergleichsstoffe in Motorenöl wurden Testdaten zusammengestellt.
- A) Auf dem Markt erhältliches Teflon-Schmiermittel,
- B) auf dem Markt erhältliches Bornitrid- Schmiermittel,
- C) auf dem Markt erhältliches Molybdändisulphid- Schmiermittel
- D) sowie der Gegenstand dieser Erfindung, das reibungsmindernde Mittel (feinkörnig).
Diese Mittel wurden im Motoröl von Kraftfahrzeugen verwendet und die folgenden Tests durchgeführt:
d) Prüfung, ob sich die niedrige Drehzahl und eine Beschleunigung aus niedriger Drehzahl ändert:
Prüfmethode:
Zur jeweils vorgeschriebenen Ölmenge wurden 25% Festteile pro Liter zugegeben. Es wurden Wagen mit manuellem Schaltgetriebe verwendet, die anschließend 500 km gefahren wurden.
Testergebnis:
Durch Verwendung des reibungsmindernden Mittels dieser Erfindung konnte bei niedriger Geschwindigkeit im Vergleich zu den anderen Zusätzen eine relativ gleichmäßige Drehzahl erreicht werden. Zum Ineinandergreifen des Getriebes läßt sich sagen, daß vor allem im höchsten Gang bei niedriger Geschwindigkeit eine reibungslose Beschleunigung möglich wurde.
- A) Herkömmliches Teflon-Schmiermittel: Beschleunigung aus 30 km/h war möglich.
- B) Herkömmliches Bornitrid-Schmiermittel: Beschleunigung aus 30 km/h war möglich.
- C) Herkömmliches Molybdändisulphid-Schmiermittel:
  Beschleunigung aus 33 km/h war möglich.
- D) Bei Verwendung des reibungsmindernden Mittels aus dieser Erfindung: Beschleunigung aus 25 km/h war möglich.
e) Prüfung des Ansteigens der maximalen Drehzahl:
Prüfmethode:
Vor der Zugabe der Additive wurden die Motoren auf eine maximale Drehzahl von 6300 Umdrehungen pro Minute getestet.
Testergebnis:
- A) Herkömmliches Teflon-Schmiermittel: Drehzahl von 6800 Umdrehungen pro Minute,
- B) Herkömmliches Bornitrid-Schmiermittel: Drehzahl von 6800 Umdrehungen pro Minute,
- C) Herkömmliches Molybdändisulphid-Schmiermittel: Drehzahl von 6600 Umdrehungen pro Minute,
- D) Bei Verwendung des reibungsmindernden Mittels aus dieser Erfindung: Drehzahl von 7300 Umdrehungen pro Minute.
f) Prüfung des Benzinverbrauchs:
Testergebnis:
Bezüglich des Benzinverbrauchs zeigte sich bei einer Drehzahl von 2500 Umdrehungen pro Minute eine sehr geringfügige Verbrauchsabnahme von nur 2%. Vergleich des Benzinverbrauchs bei einer Drehzahl von 4500 Umdrehungen pro Minute vor Zugabe der Additive:
- A) Herkömmliches Teflon-Schmiermittel: Verbrauchsabnahme von 4,5%
- B) Herkömmliches Bornitrid-Schmiermittel:
  Verbrauchsabnahme von 4,0%
- C) Herkömmliches Molybdändisulphid-Schmiermittel: Verbrauchsabnahme von 3,0%
- D) Bei Verwendung des reibungsmindernden Mittels aus dieser Erfindung: Verbrauchsabnahme von 7,0%.
g) Anhalten dieses Einspareffekts:
Testergebnis:
- A) Herkömmliches Teflon-Schmiermittel:
  Verbrauchsminderung über eine Strecke von 2000 km
- B) Herkömmliches Bornitrid-Schmiermittel: Verbrauchsminderung über eine Strecke von 2000 km
- C) Herkömmliches Molybdändisulphid-Schmiermittel: Verbrauchsminderung über eine Strecke von 2500 km
- D) Bei Verwendung des reibungsmindernden Mittels aus dieser Erfindung:
  Verbrauchsminderung über eine Strecke von über 20 000 km.
Des weiteren erfolgten Tests bezüglich des Benzinverbrauchs, wie sie aus den Testergebnissen der nachfolgenden Tabelle hervorgehen. Die Testfahrzeuge waren Kleintransporter:
Auf eine Schmierölfüllung von 36 Litern für die beiden Testfahrzeuge A und B wurden 400 g reibungsminderndes Mittel als Additiv dem Öl beigegeben. Die Testfahrzeuge C und D verwendeten kein Additiv. Auswertung:
Bei Zugabe dieses reibungsmindernden Mittels treten keine zahlenmäßigen Schwankungen auf und ein gewisser Effekt kann erkannt werden. Ohne Zugabe von Additiven sind starke zahlenmäßige Schwankungen erkennbar.
h) Desweiteren wurde ein vergleichender Kraftstoffverbrauchstest ohne Belastung durchgeführt, dessen Ergebnisse die Kurve in Skizze 1 zeigt. Benutzt wurden Kraftfahrzeuge mit kleinvolumigen Dieselmotoren. Auch die Kurve dieses Vergleichtests verdeutlicht die Abnahme des Kraftstoffverbrauchs bei Verwendung des reibungsmindernden Mittels.
i) Ein Vergleichstest zum Kraftstoffverbrauch wurde auf einem festgelegten Gelände durchgeführt und die Ergebnisse in einer Kurve in Skizze 2 festgehalten. Auch hier wird der Anstieg der Wirtschaftlichkeit durch Zugabe des reibungsmindernden Mittels dieser Erfindung deutlich.
j) Im Folgenden wurde der Schmiereffekt des reibungsmindernden Mittels auf die sich reibenden Teile auf unten aufgeführte Weise getestet:
Prüfungsobjekt:
Prüfung des Vorhandenseins einer Schmierwirkung des reibungsmindernden Mittels auf die sich reibenden Teile von Maschinen:
- 1. Getestete Maschine: Fräsmaschine der Firma Omaku (STM 3V-Typ)
  Schmierölfüllung: 60 Liter
  Zugabeweise: Aus dem Ölbehälter werden ca. 6 l Öl abgelassen und mit 600 cl des reibungsmindernden Mittels in einen Behälter gegeben und dort gemischt. Dann wird der Strom für das Schmiersystem eingeschaltet und, während sich das Schmieröl im Ölkreislauf bewegt, das Gemisch eingefüllt.
  Meßgerät: Klemmenmeter (Amperemeter) SLM-15R der Firma Sanwa Denki AG.
  Testergebnis:
  Stromverbrauch vor Zugabe des reibungsmindernden Mittels: 14A Veränderung:
  Stromverbrauch zwei Stunden nach Zugabe des reibungsmindernden Mittels: 11A Veränderung: 21,42%
- 2. Getestete Maschine: Drehbank Nr. 3 der Firma Daiwa
  Schmierölfüllung an der Hauptachse: 3,75 Liter
  Zugabeweise: Ablassen des Öls an der Hauptachse und Zugabe des reibungsmindernden Mittels von 60 cl bei Betreiben der Drehbank bei 95 Umdrehungen pro Minute.
  Einfahrzeit: Die Maschine läuft bei 960 Umdrehungen pro Minute für 90 Minuten, bevor die Messung erfolgt.
  Meßgerät: Gleich wie in Prüfung 1. Testergebnisse: Auf obige Methode konnte ein positiver Effekt für die sich reibenden Teile bei verschiedenen Maschinen bewiesen werden.

Die Zusammensetzung des reibungsmindernden Mittels dieser Erfindung wurde auf den vorigen Seiten erörtert. Das reibungsmindernde Mittel setzt sich auf den metallenen Dreh- und Reibeoberflächen von Maschinenteilen fest und bewirkt dadurch die Formung einer harten glatten Oberfläche, durch welche die Reibung weitgehend gesenkt werden kann. Außerdem weist dieses reibungsmindernde Mittel hervorragende physikalische und chemische Eigenschaften wie Lösungsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Abnutzungsbeständigkeit, Druckfestigkeit sowie Nicht-Korrosion auf und bietet nicht verändernde physikalische und chemische Eigenschaften.

Außerdem kann das Herstellungsverfahren für dieses reibungsmindernde Mittel zur Verfügung gestellt werden.

Claims

1. Ein reibungsminderndes Mittel, dadurch ge kennzeichnet, daß es aus feinen keramischen Körnern besteht mit einem Körnerdurchmesser von unter 0,5 µm mit fast kugelförmigen Körnern, einem Schmelzpunkt von über 1800°C und einer Vickershärte von 300 bis 1500 HV.

2. Ein reibungsminderndes Mittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es unter Schmieröl ge mischt ist.

3. Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines reibungsmindernden Mittels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß keramische Körner mit einem Schmelzpunkt von über 1800°C und einer Vickers härte von 300 bis 1500 HV in den Keramikbehälter einer Feinzerkleinerungsmaschine mit einer Vickershärte von über 1500 HV gegeben und dort mittels eines Pulveri sierungsmediums mit einer Vickershärte von über 1500 HV zerkleinert werden, wodurch Körner mit einem Durch messer von unter 0,5 µm und annähernder Kugelform ent stehen.

4. Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines reibungsmindernden Mittels nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner mit einem Durch messer von unter 0,5 µm und annähernder Kugelform unter ein Schmieröl gemischt werden.