ITTO20080172A1

ITTO20080172A1 - Composto antiattrito antiusura

Info

Publication number: ITTO20080172A1
Application number: IT000172A
Authority: IT
Inventors: Franco Coccollone
Original assignee: Nanotek Srl
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-07
Also published as: EP2250243A1; WO2009109849A1

Description

Descrizione

Composto antiattrito e antiusura

Forma oggetto del presente trovato un composto antiattrito e antiusura per gruppi meccanici in genere, quali cambi, differenziali e similari.

Com’è noto, l’attrito e l’usura sono problemi molto importanti nella meccanica in generale. Per lo studio di questi fenomeni si è sviluppata la tribologia, una scienza multidisciplinare che si occupa, appunto, di problemi di attrito e di usura, nonché di conseguenza anche di aspetto legati alla lubrificazione degli organi meccanici. La riduzione dell’attrito e dell’usura dei componenti nei motori a combustione interna, in ingranaggi, in cuscinetti ed in cinematismi in generale, sono tipici esempi di problemi di tribologia. A partire dagli anni ottanta, decine di additivi per lubrificanti sono apparsi sul mercato: correttori di viscosità, promotori di scorrevolezza, antiossidanti, anticorrosivi, antischiuma, detergenti, disperdenti, peraltro già presenti in una certa percentuale in ogni olio lubrificante. Da alcuni anni un’altra generazione di additivi a base di bisolfuro di molibdeno (MoS2), grafite, politetrafluoroetilene o teflon (P.T.F.E.), fullerene, è entrata nel mercato, proponendosi sia come lubrificanti solidi, sia come rigeneranti dell’usura. In realtà, mentre le buone prestazioni come lubrificanti solidi non sono in discussione, tali prodotti non hanno, se non temporaneamente, qualità rigeneranti di parti usurate nei motori termici a combustione interna: infatti, il fullerene (C 60) è un modificatore di attrito, da radente in volvente, ed esaurisce la sua limitata azione con la sostituzione del lubrificante. Gli altri prodotti diventano chimicamente instabili e si ossidano, rispettivamente, a 440°C il MoS2, a 310°C la grafite e a 295°C il P.T.F.E., temperature ben al di sotto dei 900°C che si raggiungono nelle zone ad elevato attrito nei motori termici a combustione interna. Da qualche anno la ricerca si è, quindi, orientata su prodotti anti-usura permanenti e resistenti ad elevate temperature.

Le più recenti ricerche note allo stato della tecnica hanno portato alla realizzazione di sostanze tribotecniche, altresì dette nanopolveri, interamente di origine minerale e metallica, disperse in un composto a base di olio compatibile con qualsiasi tipo di olio o grasso lubrificante, in grado di distribuirsi omogeneamente su tutto il volume di olio e sulle superfici metalliche in attrito. Dette sostanze proteggono e ripristinano i blocchi ed i meccanismi metallici usurati di qualsiasi componente industriale e motore veicolare e prevengono l’usura dei motori nuovi. Inoltre, rimuovono i metalli pesanti all’interno dell’olio lubrificante usurato, ne impediscono il rilascio successivo, abbattono l’attrito e quindi impediscono il sovrariscaldamento e la combustione dell’olio lubrificante stesso, con conseguente diminuzione delle emissioni inquinanti da esso derivanti. Un esempio di realizzazione del genere è descritto nella domanda di brevetto per invenzione LU2005A00017.

Il grosso svantaggio delle applicazioni già note è costituito dal fatto che dette sostanze, pur essendo composte da particelle di dimensioni di pochi micron, hanno ancora una dimensione troppo elevata. Tutto ciò è in forte contro tendenza con le richieste dei costruttori di veicoli. In quanto nei moderni sistemi di lubrificazione, la filtrazione avviene tramite filtri con finestrelle tra i 10 e 15 micron.

Lo scorso anno la società scrivente ha depositato una domanda di brevetto (TO2007A000132) avente per oggetto una sostanza costituta da particelle molto piccole, paragonabili alle dimensioni atomiche, efficace nei confronti dei fenomeni di usura in quantitativi molto limitati e non contaminante del lubrificante. Detta sostanza comprende almeno un reagente tra silice, grafite e diamante ed è ottenuta per mezzo di frantumazione molto spinta tale da ottenere particelle di dimensione non superiore a 15 nm. I risultati ottenuti con tale additivo sono stati molto promettenti ed hanno spinto la società scrivente ad ulteriori ricerche ed approfondimenti.

Scopo del presente trovato è un composto antiattrito e antiusura che costituisce un perfezionamento della precedente invenzione ed aumenta i campi di applicazione e le cui caratteristiche sono precisate nella rivendicazione 1. Trattasi di un additivo con alto potere lubrificante, ad alta conduttività di calore, permanente anche dopo la sostituzione del lubrificante. E’ frutto della nanotecnologia ed è un composto di nanoparticelle di origine minerale e metallica, aventi l’effetto di riempire i vuoti e le porosità dei metalli e di trattare le regioni sottoposte ad osmosi ed usura con una membrana permanente, a basso coefficiente di attrito e ad alta resistenza al calore. Il composto resta chimicamente stabile sino ad oltre 1100°C, superando abbondantemente le prestazioni richieste nei motori termici a combustione interna. Inoltre, è caratterizzato dal fatto di poter essere veicolato in lubrificanti di qualsivoglia tipologia (oli o grassi) e, interposto tra superfici metalliche in moto relativo forma un composto denominato silicato di ferro, rame e nichel, con basso coefficiente di attrito e ad alta conduttività di calore pari quasi a quella dell’argento.

Secondo un altro scopo, il composto in oggetto svolge anche un’eccezionale azione di lubrificante solido, durante l’avviamento a freddo, momento in cui il pericolo di usura è maggiore, quando nei primi giri il lubrificante liquido non è ancora andato in circolo, ed il contatto tra le superfici genera forte resistenza e provoca profonde abrasioni.

Questi ed altri vantaggi appariranno nel corso della descrizione dettagliata dell'invenzione che farà riferimento ad alcuni esempi di realizzazione assolutamente non limitativi.

L’oggetto del presente trovato è un composto tribotecnico, ossia un composto con proprietà di riduzione dell’attrito, nonché un rigenerante delle parti usurate, ed è veicolato da un qualsiasi lubrificante (olio o grasso). Esso comprende almeno uno tra i seguenti reagenti: silice, grafite, diamante, allumina, rame e nichel tutti presenti sotto forma di nanopolvere. Comprende inoltre una fase liquida oleosa nella quale le dette nanopolveri sono in sospensione. I reagenti possono essere utilizzati singolarmente, in purezza, o secondo una loro miscela, a seconda delle prestazioni desiderate. Ad esempio, la silice può essere utilizzata in purezza, la grafite sino al 76%, il diamante sino al 46%. Utilizzando silice in alte percentuali, sino al 100%, si ottiene un composto con eccellenti qualità di fonoassorbenza . Aumentando le percentuali di grafite e diamante, sino ai massimi valori sopra indicati si ottiene un prodotto finale con minori qualità fonoassorbenti, ma con un più basso coefficiente di attrito (sino al 2% in meno rispetto al caso con utilizzo di sola silice). La nanotecnica applicata nella presente invenzione si avvale di polimeri di natura fossile e sintetica, minerali e metalli frantumati in piccolissime particelle, nell’ordine di qualche milionesimo di millimetro, per effetto della dimensione e della polarizzazione le particelle sono orientate dal campo elettrico, inglobano i metalli pesanti presenti nell’olio (residuo dell’effetto dell’usura) e ne impediscono un successivo rilascio; nelle zone di attrito, il calore sviluppato dal processo di schiacciamento meccanico forma microfusioni tra le particelle che, riempiendo il meato danno vita al nuovo composto. Si crea, pertanto, una pellicola su tutte le superfici sottoposte ad attrito: nel caso di ingranaggi, si migliora lo scivolamento tra le dentature ed anche nell’asse di rotolamento, nel caso dei cuscinetti, si riducono la rumorosità e le vibrazioni, quali effetto passivo dell’attrito. Inoltre, nel caso di motori a combustione interna, oltre al miglioramento dello scorrimento degli anelli nei cilindri, si aumenta la tenuta durante le fasi di compressione e di combustione, si limitano le perdite di pressione, si riduce la fuoriuscita di gas nocivi e di particolato, si riporta la compressione effettiva ai valori nominali e si riduce la dispersione termica, essendosi formata una nuova barriera adiabatica.

Secondo una particolare forma di realizzazione idonea per motori di media usura, la composizione della fase solida è riportata in tabella 1:

Mentre la fase liquida è costituita da olio minerale in percentuale volumetrica dell’80%, olio sintetico (15%) e triolo (5%).

Una forma di realizzazione alternativa del composto, particolarmente idonea per motori nuovi, nei quali si può rinunciare all’effetto di lappatura (si veda oltre) riducendo la dimensione delle particelle, è riportata nella sottostante tabella 2.

Tabella 2

Le differenze con il precedente composto sono svariate e di importantissimo effetto. Se da un lato tutte le prestazioni già raggiunte dal vecchio prodotto e riferite nella precedente domanda di brevetto, restano ugualmente conseguite anche dal nuovo composto, quest’ultimo consegue ulteriori e fondamentali vantaggi.

Innanzitutto, lo schiacciamento meccanico delle particelle di silice, grafite e diamante provoca un effetto di lappatura che lucida le superfici. Inoltre, per effetto dell’alta temperatura il rame passa dallo stato solido a quello liquido (1084°C) e inglobando il nichel e le particelle di usura penetra per osmosi nel metallo. In aggiunta, il rame ed il nichel sono ottimi conduttori e scambiatori di calore, distribuiscono uniformemente il calore accumulatosi nelle regioni sottoposte a fatica meccanica, migliorando il raffreddamento delle stesse. Il presente composto aumenta il rendimento termico nei motori a combustione interna per l’effetto del film ad alta conduttività di calore, riduce la perdita di pressione al momento della compressione e della combustione, aumenta sensibilmente la potenza, o viceversa riduce il consumo di carburante a parità di potenza erogata. Infine, l’allumina (Al2O3) è inserita nel composto per ricreare la pellicola antiattrito delle bronzine, in particolare quelle dell’albero motore, sia di banco, sia di biella. La temperatura dell’olio motore (180°C), e la pressione meccanica fungono da catalizzatore, creando lo stato di aggregazione della materia.

Di seguito si riportano alcuni risultati delle analisi effettuate dal Centro Nazionale Ricerche sulle Nanostrutture dell’Università di Modena-Reggio Emilia su un motore Diesel a 4 tempi di una Fiat Punto, con 300.000 chilometri, fortemente usurato ed in prossimità del grippaggio. Faremo riferimento alle figure delle tavole da 1/3 a 3/3 ed in particolare:

•la Fig. 1 è un confronto al microscopio ottico a vari ingrandimenti di un piattello trattato con il composto in oggetto (Fig. 1a), un piattello che ha lavorato con lubrificante normale (Fig. 1b) ed un piattello che non ha lavorato (Fig. 1c). All’interno dei riquadri rossi sono evidenziate delle zone graffiate in seguito al contatto camma-piattello;

• la Fig. 2, sempre tratta da un’analisi al microscopio elettronico, mostra due strisce estratte da un unico cilindro che ha lavorato con lubrificante addizionato con il presente composto; il cilindro è al limite del grippaggio e fortemente ovalizzato e i due elementi sono stati estratti da due zone a distanza angolare di 90°, in particolare: la Fig. 2a è un estratto da una zona in cui il contatto segmento-cilindro è massimo, la Fig. 2b è un estratto da una zona in cui il contatto è solo pistone-cilindro ed i segmenti partecipano limitatamente;

• la Fig. 3 riporta le immagini tratte da analisi con microscopio elettronico a scansione (SEM), ad ingrandimento crescente, del piattello di Fig. 1 trattato con il composto oggetto della

presente invenzione;

• la Fig. 4 riporta le stesse immagini di Fig. 3 ma riferite al piattello di Fig. 1 trattato con un normale lubrificante.

Con riferimento alla Fig. 1, le analisi con microscopio ottico dei piattelli punterie, mostrano innanzitutto una netta differenza (visibile anche ad occhio nudo) tra i piattelli che hanno lavorato con il composto in oggetto (Fig. 1a) ed i piattelli che hanno lavorato con normale lubrificante (Fig. 1b). La differenza non è tanto legata alla presenza, più o meno sostanziale, di graffi sulla superficie dovuti al contatto camma-piattello, presente su tutti i piattelli quanto piuttosto alla morfologia della sottomatrice metallica. Nei piattelli che non hanno visto l’utilizzo del lubrificante additivato con il presente composto la superficie appare nettamente più rugosa e quindi più simile al componente originale (mai utilizzato all’interno del motore). In particolare in Fig. 1 si nota come entrambi i piattelli che hanno lavorato nel motore siano graffiati a livello macroscopico (5X di ingrandimento), mentre aumentando l’ingrandimento si nota come al di là dei graffi macroscopici ci sia una netta differenza di rugosità superficiale. Con riferimento alla fig. 2, l’analisi al microscopio ottico effettuata sui campioni prelevati dalle strisce di cilindro evidenzia dei risultati analoghi a quelli osservati sui piattelli. In particolare, la Fig. 2a presenta varie zone di interesse, legate al contatto segmenti-cilindro. C’è una prima zona, tra i punti 1 e 6 in cui avviene il contatto tra segmenti e la superficie del cilindro, mentre oltre il punto 6 non c’è più nessun tipo di contatto (in corrispondenza di 6, si ha il fine corsa dell’ultimo segmento e tra 6 e 7 c’è il contatto raschia olio). E’ da notare come tra 1 e 3 la superficie sia prevalentemente pulita, con vari graffi di rettifica per il ricircolo di lubrificante e alcuni segni del bloccaggio dei segmenti sulla superficie del cilindro, oltre il punto 3, la superficie risulta più sporca ma la sottomatrice è del tutto analoga. Oltre il punto 7 invece è interessante notare come la situazione cambi radicalmente, in questa zona infatti sono presenti molti segni di rettifica con graffi macroscopici e anche una sottomatrice di graffi più microscopici. Questa sottomatrice scompare completamente nelle zone che hanno lavorato con il presente composto (tra i punti 1 e 6). Per quanto riguarda la Fig. 2b, si nota come non ci siano delle vere e proprie zone di transizione, legate fondamentalmente al contatto tra i segmenti (che percorrono una corsa limitata) e la parete interna del cilindro. In questo caso i segmenti non sono praticamente in funzione ed il contatto avviene quasi esclusivamente tra pistone e cilindro. Per questo motivo il sistema lavora quasi alla stessa maniera su tutta la lunghezza del cilindro, non creando zone morfologicamente molto diverse lungo la corsa. L’unica zona con qualche peculiarità è quella in basso, zona 8-9, zona in cui non ci sono affatto i segmenti e probabilmente il contatto tra pistone cilindro è molto forte, creando dei profondi graffi in direzione assiale. In tutte le zone analizzate in questo campione, si nota una diminuzione della rugosità del campione con la scomparsa della sottomatrice dei segni di rettifica, rimangono ovviamente i segni più marcati, ma localmente la rugosità appare molto migliorata. L’analisi dei piattelli punteria al microscopio elettronico SEM, puramente morfologica, conferma quello che era stato osservato al microscopio ottico. Come si vede nei diversi ingrandimenti delle figure 3-4 si ha infatti una netta differenza di rugosità tra il piattello trattato con il presente composto ed il piattello non trattato con l’additivo. In Fig. 3 si nota come la superficie sia notevolmente liscia, a parte alcuni graffi di rettifica, soprattutto nella grana del materiale, mentre in Fig. 4 è possibile notare come la superficie abbia una scarsa finitura superficiale con molte imperfezioni nella grana del materiale (la superficie ha una porosità molto accentuata).

Le applicazioni preferenziali del trovato sono motori a combustione interna, cambi, differenziali, riduttori, cuscinetti e tutti gli organi sottoposti ad attrito, lubrificati ad olio o grasso. I campi di impiego, pertanto, rivestono l’intero settore dei trasporti (automobilistico, navale, ferroviario, aeronautico) e gli impianti industriali fissi.

Il dosaggio preferenziale per metro quadro di superficie sottoposta ad attrito è pari a 0,7 grammi ( /- 30%) di polveri in sospensione nella fase liquida oleosa. Il composto pronto all’uso è contenuto in siringhe, diluito in percentuale di circa 0,14 g per ml nel suddetto liquido. Vantaggiosamente, il contenuto di una siringa sarà pari a 5 ml, essendo questo quantitativo, ad esempio, idoneo per il trattamento di un motore o cambio o differenziale lubrificato con d’olio.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1) Composto antiattrito e antiusura per gruppi meccanici, quali cambi di velocità, gruppi differenziali e similari, comprendente una fase solida ed una fase liquida in cui detta fase solida è in sospensione e caratterizzato dal fatto di comprendere almeno uno tra i seguenti elementi: silice, grafite, diamante, allumina, rame e nichel, tutti presenti sotto forma di nanopolvere.
2) Composto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elementi nella forma di nanopolvere possono essere utilizzati singolarmente, in purezza, o secondo una loro miscela.
3) Composto secondo la rivendicazione 2, laddove la sua composizione è riportata nella seguente tabella:
4) Composto secondo la rivendicazione 2, laddove la sua composizione è riportata nella seguente tabella:
5) Composto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta miscela è costituita da silice.
6) Composto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta miscela è costituita da grafite sino ad una percentuale massima del 76%.
7) Composto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta miscela è costituita da diamante sino ad una percentuale massima del 46%.
8) Composto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la fase liquida è costituita da olio minerale in percentuale volumetrica dell’80%, olio sintetico (15%) e triolo (5%).
9) Composto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di poter essere veicolato in un qualsiasi lubrificante, come olio, grasso o similare.
10) Composto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da un dosaggio dell’ordine di 0,7 g ( /- 30%) di polveri in sospensione nella fase liquida oleosa per metro quadrato di superficie sottoposta ad attrito.
11) Composto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere utilizzato per mezzo di siringhe con una diluizione in olio lubrificante pari a 0,14 g per ml.
12) Composto secondo la rivendicazione 11, laddove il contenuto di una siringa è pari a 5 ml ed è idoneo per il trattamento di un motore o cambio o differenziale lubrificato con 5 l d’olio.
13) Uso di un additivo come descritto nelle rivendicazioni da 1 a 12 per tutte le applicazioni meccaniche con corpi in moto relativo, ovvero, motori a combustione interna, cambi, differenziali, riduttori, cuscinetti e tutti gli organi sottoposti ad attrito, lubrificati ad olio o grasso.
14) Uso di un additivo come descritto nelle rivendicazioni da 1 a 12 per l’intero settore dei trasporti e per gli impianti industriali fissi.