TWI404796B - 軸承潤滑脂組合物 - Google Patents

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Description

軸承潤滑脂組合物
本發明係關於潤滑脂組合物且，具體而言，本發明係關於用於流體軸承之潤滑脂組合物。
本申請案主張於2008年4月9日提出申請的名稱為「BEARINGS」的美國臨時專利申請案第61/043,529號之權利，且主張於2008年4月9日提出申請的名稱為「BEARING GREASE COMPOSITION」的美國臨時專利申請案第61/043,554號之權利。該等兩個申請案皆以引用方式併入本文中。
流體軸承或流體動力軸承與機械軸承之差異在於其軸承表面(面)係由液體或氣體而非滾珠或其他機械構件分開。流體層支承內表面並阻止內軸承面與外軸承面接觸。該水力層可使得一面在由另一面支承(但不接觸)的同時繞著另一面旋轉。當軸承旋轉時，流體產生一定阻力且通常較低黏度流體產生較小阻力。然而，較低黏度流體可能比較高黏度流體更容易流動，且對於較低黏度流體而言，欲在表面間維持一個足夠厚度之層可能更為困難。因此，許多軸承包括潤滑劑(例如，油)以及增稠劑(例如，金屬鹽皂)。該等組合物能夠對旋轉產生較低程度的阻力並能夠在軸承中提供充分保持率。
在某些情況中，本申請案之標的物可涉及相互關聯產品、特定問題之替代解決方案及/或單個系統或物件之複數種不同用途。
在一個態樣中，提供高速軸承潤滑脂組合物，該潤滑脂組合物包含合成烴及蠟。
在另一態樣中，提供軸承潤滑脂，該軸承潤滑脂包含在100℃下具有小於150cSt之D-445黏度的聚α烯烴及蠟。
在另一態樣中，提供軸承總成，該軸承總成包含含有被構造及佈置為彼此獨立運動之兩個對置表面的軸承，該等表面中之至少一者包含聚合物，及介於該等對置表面間之潤滑劑層，該潤滑劑包含合成烴及石蠟。
在另一態樣中，提供高速無密封水力軸承，該軸承包含兩個對置軸承表面，該等表面中之至少一者包含聚合物及位於該等軸承表面間的潤滑劑，其中該軸承能夠以大於1m/s之滑動速度作業大於1000小時之時間。
在一個態樣中，闡述用於流體動力軸承中之潤滑脂組合物。該軸承可為(例如)闡述於同在申請中之專利申請案中的套筒軸承、軸頸軸承或軸套，該申請案與本案同日提出申請且名稱為BEARINGS且代理檔案號為O-5055，其以引用方式併入本文中。該等軸承可為高速軸承，例如，以大於1m/s之表面速度作業或展示大於1MPa‧m/s之壓力×速度(PV)之彼等。該等流體動力軸承不含有滾動元件且提供可用於各種高速應用中之無噪聲、緊湊、廉價之軸承。該等軸承可為水力軸承，可無密封，且可連續運行而無需補充或循環使用潤滑劑。軸承壽命可超過2000、3000或4000小時而無需維修。至少一個軸承表面可包括諸如含氟聚合物等聚合物或由其製成。在該等條件下，已發現在許多應用中習用潤滑脂在該等軸承之期望壽命期內不能為該等軸承提供充分的流體層。已顯示，本文所述潤滑脂組合物可在該等軸承中連續使用數千小時，而無需對軸承中之潤滑脂進行循環、更換或補充。
潤滑脂可包括2種或更多種組份，該等組份可為潤滑油及蠟增稠劑。舉例而言，該油可為烴或合成油，例如，聚α烯烴(PAO)。增稠劑可為石蠟。第三組份可為油穩定劑，例如重負荷油穩定劑。Lucas油穩定劑係設計用於內燃機的基於烴之材料。潤滑脂可不含非蠟增稠劑，例如聚脲、鋰化合物、有機黏土、及氧化矽。
潤滑脂組合物之油部分可佔潤滑脂組合物體積之50%以上、60%以上、70%以上或80%以上。油部分亦可佔潤滑脂體積的95%以下、90%以下、80%以下或70%以下。在一個實施例中，油部分佔潤滑脂組合物體積的62%。蠟部分可佔潤滑脂組合物體積的5%以上、10%以上、15%以上、20%以上或25%以上。在一個實施例中，蠟佔該組合物體積的19%。舉例而言，油穩定劑部分可佔潤滑脂組合物體積的0%、1%以上、5%以上、10%以上或15%以上。在一個實施例中，油穩定劑佔該組合物體積的19%。
潤滑脂可用於包括用於電動機中之彼等的各種高速軸承中。一或多個軸承表面可包括聚合物(或由該聚合物製成)。該聚合物可為諸如聚四氟乙烯(PTFE)等含氟聚合物。軸承襯可為金屬、合金或聚合物且可為複合物，例如黏附至金屬背襯上之聚合物層。軸承表面上之聚合物層可包括額外組份，例如石墨、炭黑、碳纖維、玻璃纖維、二硫化鉬、雲母、矽灰石、青銅、銅、不銹鋼、氧化鋁、二硫化鎢、氮化硼、氟化鈣、芳族聚醯胺纖維、玄武岩、纖維、顏料、耐熱聚合物粉末、或芳族聚酯(例如，EKONOL)。表面材料亦可包括經填充聚醯亞胺，例如經青銅填充之聚醯亞胺。軸承之旋轉組件可由金屬、合金、聚合物、或其組合製成。在軸承之旋轉與靜止同軸組件間的徑向間隙可小於0.1mm且可在0.013-0.076mm範圍內。潤滑脂在該間隙內提供低黏度流體，其上承載軸承之運動組件及任何相關聯軸。據信，本文所述潤滑脂展示可改良聚合物表面潤濕的特定性質，此允許潤滑脂在對置同軸表面間提供充分流體層，且在軸承長時期使用或甚至使用壽命期間無需更換潤滑脂。
據信，在由含氟聚合物表面與金屬表面界定之間隙內，該潤滑脂組合物展示出增強的毛細管作用。即便在處於液態且負載下時，該增強的毛細管作用亦可將潤滑脂吸引至間隙內並防止潤滑脂自間隙內擠出。該增強的毛細管作用可能係由於含氟聚合物表面與現有潤滑脂相比所表現出的高度可濕性所致。結果係潤滑脂可向流體軸承提供低黏度液體層，其即便在高負載及高速下亦不會被壓出軸承間隙。亦可調配潤滑脂以展示優異的抗氧化性。
潤滑脂之油部分可為天然烴或合成烴。合成烴包括第V類基礎油(合成酯及聚烷二醇)及第IV類基礎油(聚α烯烴(PAO))。其他合成油包括(例如)多元醇酯、聚矽氧、聚內烯烴、酯、中性磷酸酯、聚合物酯、聚烷二醇、烷基化芳族化合物、全氟烷基聚醚、聚苯基醚、環狀烴、聚三氟氯乙烯、含矽烴(silahydrocarbon)、磷腈、碳酸二烷基酯、烷基環戊烷、聚丁烯、或經化學修飾之礦物油。非合成油包括(例如)環烷烴礦物油、及石蠟礦物油。聚α烯烴係熟習此項技術者已知且通常係藉由使具有6至12個碳原子之α-烯烴聚合而製得。在某些實施例中，8、9、10、11或16碳α-烯烴可能較佳。一特定PAO可為單體、二聚體、三聚體及四聚體之混合物。潤滑脂中之PAO可為寡聚物或可經選擇以達成期望黏度範圍之寡聚物的混合物。
在一些實施例中，油部分於100℃下可具有10-1000cSt、20-500cSt或50-150cSt之運動黏度。在40℃下，運動黏度可在1-100cSt、5-50cSt或5-20cSt之範圍內。於100℃下之複合黏度可為0.1-0.001Pa-S、0.05-0.003Pa-S或0.02-0.005Pa-S。該油之複合黏度在40℃與100℃間的差異可小於20倍或小於10倍。在一些實施例中，該油之複合黏度在40℃與100℃間的差異可大於5倍、大於10倍或大於20倍。在該等情況下，潤滑脂於40℃下可具有比於70℃下之動力黏度大5倍、10倍、或15倍的動力黏度(平行板)。黏度指數(VI)可為(例如)10-1000、50-500或100-300。該油可具有任一適宜密度且可在0.70-0.95g/cm3 範圍內或在0.80-0.90g/cm3 範圍內。該油組份之分子量可在(例如)介於100與10,000或300與1000或600與900之間。一較佳PAO具有約761之平均分子量及約610之數目平均分子量且多分散性指數為約1.25。
在一組實施例中，油部分可為市售第IV類或第V類機油，例如MobilOW-40。下表1中提供Mobil 1 OW-40之部分性質。
亦藉由質譜法來分析Mobil 1 OW-40之試樣。下表2中提供所檢測之化合物。任一該等化合物或其組合皆可形成潤滑脂組份。
潤滑脂之增稠劑組份可為可具有介於50與150℃之間、70與120℃之間、或90與110℃之間之熔點的石蠟。該蠟可主要包括C11 至C28 之烷烴。該蠟亦可包括諸如BHT等抗氧化劑且可具有諸如苯衍生物(包括1-乙基-3,5-二甲基苯及1,2,4-三乙基苯)等一些芳族內含物。在較佳實施例中，該蠟可具有在25℃至200℃、50℃至150℃或75℃至125℃範圍內之熔點。在一個實施例中，已顯示諸如冷溫滑雪蠟等低溫滑雪蠟可發揮良好作用。
亦藉由質譜法來分析Bakoda冷溫滑雪蠟之試樣。下表3中提供所檢測之化合物。任一該等化合物或其組合皆可形成潤滑脂組份。
潤滑脂亦可包括添加劑組份，例如黏度改進劑及/或抗磨劑(AW)及/或特高壓力(EP)添加劑。該等化合物可為(例如)基於硫或磷之材料。添加劑可不含金屬與金屬鹽及金屬皂。添加劑可具有大於基礎油之黏度的黏度。舉例而言，添加劑之動黏度於100℃下可為大於50cSt或大於100cSt。添加劑組份可為以烴為主之油穩定劑且包括C12至C22、C23、C26、C27及C28之各種烷烴。油穩定劑亦可包括環狀化合物，例如視情況具有側基之C6及C14環狀烷烴。其可包括具多支鏈之烷烴。其亦可含有烯烴單體及/或a-烯烴單體。添加劑之分子量可為(例如)500至5000且在某些情況下為500至2000或750至1500。穩定劑亦可包括基於硫之抗磨添加劑且/或可實質上不含金屬。適宜油穩定劑之一個實例係購自Lucas Oil Products之Lucas重負荷油穩定劑。Lucas重負荷油穩定劑係於100℃下具有107cSt動黏度的基於石油之穩定劑。凝膠滲透層析法(GPC)顯示1270之重量平均分子量及823之數目平均分子量。多分散性指數係1.54。
藉由質譜法來分析Lucas重負荷油穩定劑之試樣。下表4中提供所檢測之化合物。任一該等化合物或其組合皆可形成潤滑脂組份。
潤滑脂可藉由首先使蠟熔化並隨後於油部分中混合來製備。在潤滑脂冷卻時可繼續混合以減少蠟之任何沉降。冷卻後，形成膏糊樣潤滑脂組合物。可在將油部分添加至蠟中之前或之後將油穩定劑混合至該組合物中。
使用62體積% Mobil 1 OW-40合成油、19體積% Bakoda冷溫滑雪蠟及19體積%Lucas油穩定劑來調配被標識為「A」之實驗潤滑脂。使蠟熔化並將其與合成油及油穩定劑混合。使用經修改ASTM D-5483測試程序來測試所得潤滑脂之氧化穩定性。為了比較潤滑脂「A」與設計用於類似應用之現有技術潤滑脂，亦測試了電動機軸承潤滑脂MobilEM。將每一潤滑脂試樣放置於鋁盤中並轉移至PDSC測試單元中。在500psi純乾燥氧下實施測試。以60℃/分鐘將溫度由室溫升高至210℃並隨後保持在210℃下。下表5中提供每一潤滑脂之氧化時間。
該測試結果顯示潤滑脂A之氧化穩定性比市售Polyrex EM之氧化穩定性高得多。
藉由使用Falex型「軸頸軸承」潤滑脂測試裝置實施標準測試，對照市售產品來進一步評價潤滑脂「A」。所測試軸承表面係具有EKONOL之PRO，即在鋼/青銅上包括含EKONOL之PTFE層的表面。以3MPa之負載與2m/s之測試速度實施該測試。量測外側軸承表面上之溫度。在具體潤滑脂之溫度超過200℃後中止測試。評價潤滑脂並在下表6中提供測試結果。圖1提供展示結果比較的方框圖。圖1中之每一方框代表所記錄的該具體潤滑脂之溫度範圍。
結果顯示，在相同條件下，實驗潤滑脂「A」提供更佳潤滑性，達成明顯低於任何市售產品的作業溫度。此表明，當在高速軸承中使用並與該等習用潤滑脂比較時，潤滑脂A提供更低溫作業、更小摩擦、及更長軸承壽命。
在另一實驗中，將潤滑脂「A」施用於19.05mm軸承(軸直徑)，該軸承闡述於與本案同日提出申請，標題為BEARINGS且代理檔案號為O-5055的同在申請中之專利申請案中。軸承襯係位於鋼上之PTFE/石墨的NORGLIDE PRO材料。軸承間隙係0.025mm。在1112N負載下以2000rpm對軸承實施長達1350小時的測試。保持扭矩恆定並隨時間記錄軸承溫度。在整個測試期間，軸承溫度不超過58℃且在測試期後，軸承襯未顯示任何磨損跡象。
在相同軸承上利用相同潤滑脂實施類似測試，僅除了提高軸承速度並記錄在不同軸承速度下之溫度。圖2以圖形式提供結果。
使用相同軸承及潤滑脂「A」來實施另一測試以評價負載變化之作用。使軸承速度保持恆定於2000rpm下且將負載由20lb增加至250lb，同時監測溫度。結果提供於圖3中，且顯示溫度隨著負載的增加而逐漸上升且隨著負載的增加而以減速上升。
繼續在Falex軸頸軸承儀器中進行長期測試。到目前為止，具有0.0254mm徑向間隙之PTFE軸套一直係使用在測試前置於間隙內之潤滑脂A作業。軸承係在200lb之負載下以2000rpm作業。
調配包括50% Mobil 0W-40及50% Bakoda滑雪蠟之潤滑脂(無油穩定劑)，並使用Falex軸頸軸承儀器對其實施大於1500小時時期連續服務的測試。使用具有0.0254mm徑向間隙之PTFE軸套。圖4以圖形式提供該測試之溫度及扭矩的結果。穩態溫度保持在60℃以下且扭矩保持在遠低於1in-lb(0.113Nm)之下。此顯示作業條件下的低摩擦係數及降低的軸承磨損。
圖5以圖形形式顯示潤滑脂之一個實施例以及組成該實施例之三種獨立組份的複合黏度。使用以下技術來確定潤滑脂A、其3種主要組份、及三種市售軸承潤滑脂之複合黏度。
使用具有平行板幾何形狀之TA儀器ARES旋轉流變儀來實施動態溫度漸變測試。將豌豆大小的流體或潤滑脂試樣放置於一對可棄式50mm鋁板之下部部分上。板按收到狀態使用。使頂板下移直至接觸流體並關閉流變儀之平行板部分附近的烘箱。將溫度升高至40℃並保持約5分鐘直至系統平衡。隨後使頂板下移直至液體自板之邊緣滲出。然後開始分析程序。對於商用潤滑脂(ST-80 HG熱浸型、Nye潤滑劑氟代烴凝膠880 FG及Amsoil半流體00合成EP潤滑脂鋰複合物)而言，以3℃/min將溫度由20℃升高至120℃。對於潤滑脂A而言，最大溫度係100℃，其中加熱速率與商用潤滑脂相同。將Bakoda蠟加熱至100℃、實施平衡及壓碎、並以3℃/min斜坡升高至140℃。所有測試皆使用10Hz頻率。使用0.5mm板間間隙及基於該間隙距離之0.5%應變來測試商用潤滑脂。使用0.192mm間隙及基於該間隙距離之100%應變來測試油、蠟、穩定劑、及潤滑脂「A」。圖5及6中提供結果。
圖6以圖形形式繪示潤滑脂A以及三種市售潤滑脂之複合黏度。潤滑脂A與商用潤滑脂之比較表明潤滑脂A之複合黏度自40℃至100℃變化明顯(降低)。
圖7提供自對Lucas重負荷油穩定劑(I)、Mobil 1 OW-40合成油(II)、Bakoda冷溫滑雪蠟(III)、經100小時加熱後之潤滑脂A1(IV)、及未經加熱之潤滑脂A1(V)所實施紅外傅立葉變換光譜(FTIR)分析而獲得之光譜圖的複本。所使用儀器係配備有單反射ATR Thunderdome之Nicolet 360 FT-IR AVATAR紅外分光光度計。所探測波數之範圍為4000-650cm-1 且所收集頻譜使用64次掃描。
儘管本文已闡述並圖解說明本發明之若干實施例，但熟悉此項技術者將易於構想用於實施該等功能及/或獲得該等結果及/或一或多個本文所述優點之各種其他構件及/或結構，且認為此等改變及/或修改中之每一者皆在本發明之範圍內。更一般而言，熟悉此項技術者將易於瞭解，本文所述之所有參數、尺寸、材料及構形皆意指例示性且實際參數、尺寸、材料及/或構形將端視本發明之教示內容用於之一個或多個具體應用而定。彼等熟習此項技術者僅使用常規實驗即可認識到或能確定本文所述的本發明具體實施例的許多等效內容。因此，應理解前述實施例僅係作為實例呈現，且本發明在隨附申請專利範圍及其等效內容之範圍內可以不同於所具體闡述及主張之方式實施本發明。本發明係關於本文所述之每一個別特徵、系統、物件、材料、套組及/或方法。另外，若此等特徵、系統、物件、材料、工具及/或方法不相互矛盾，則兩個或更多個此等特徵、系統、物件、材料、套組及/或方法之任何組合包含於本發明之範圍內。
應理解，本文所界定及使用之所有定義控制辭典定義、以引用方式併入文檔中之定義及/或所定義術語之普通意思。
除非有明確相反之指示，否則應理解，在本文說明書及申請專利範圍中所使用之不定冠詞一意指「至少一個」。
應理解，在本文說明書及申請專利範圍中所使用之片語「及/或」意指如此相關連要素之「二者之一或二者」，即，於某些情況下共同存在而於其他情況下單獨存在之要素。除非有明確相反之指示，否則無論與彼等明確指明之要素有關還是無關，除藉由「及/或」字句明確指明之要素外，可視需要存在其他要素。
本申請案中所引用或提及之所有參考文獻、專利及專利申請案及公開案之全部內容皆以引用方式併入本文中。
圖1係繪示測試結果之方框圖；
圖2係繪示一個實施例之溫度對速度的圖；
圖3係繪示一個實施例之溫度對負載的圖；
圖4提供經長期測試之一個實施例的溫度與扭矩之圖示結果；
圖5係繪示潤滑脂之一個實施例及其個別組份之複合黏度的圖；
圖6係繪示比較潤滑脂之一個實施例與三種市售潤滑脂之複合黏度的圖；及
圖7提供一個實施例及其組份之FTIR數據。
(無元件符號說明)

Claims (30)

  1. 一種高速軸承潤滑脂組合物，其包含：合成烴；及15體積%以上的蠟，其中該蠟包含具有在75至125℃範圍內之熔點的石蠟。
  2. 如請求項1之潤滑脂組合物，其中該合成烴包含由C6 、C7 、C8 、C9 、C10 、C11 、C12 及/或C16 α-烯烴之單體形成的聚α烯烴。
  3. 如請求項1之潤滑脂組合物，其進一步包含基於石油之油穩定劑。
  4. 如請求項2之潤滑脂組合物，其中該聚α烯烴於100℃下具有小於150 cSt之D-445黏度。
  5. 如請求項2之潤滑脂組合物，其中該聚α烯烴於100℃下具有小於100 cSt之D-445黏度。
  6. 如請求項2之潤滑脂組合物，其中該聚α烯烴於100℃下具有小於50 cSt之D-445黏度。
  7. 如請求項2之潤滑脂組合物，其中該聚α烯烴於100℃下具有大於10 cSt之D-445黏度。
  8. 如請求項4之潤滑脂組合物，其中該油穩定劑包含EP添加劑。
  9. 如請求項1之潤滑脂組合物，其中該潤滑脂於210℃下展示大於5分鐘的ASTM D5483氧化誘導時間。
  10. 如請求項1之潤滑脂組合物，其中該潤滑脂於210℃下展示大於30分鐘的ASTM D5483氧化誘導時間。
  11. 如請求項1之潤滑脂組合物，其中該組合物基本上不含金屬皂及聚脲。
  12. 如請求項1之軸承潤滑脂，其中該合成烴基本上不含聚丁烯。
  13. 一種高速軸承，其包含如請求項1之潤滑脂組合物。
  14. 一種電動機，其包含如請求項13之高速軸承。
  15. 一種軸承潤滑脂組合物，其包含：在100℃下具有小於150 cSt之D-445黏度的聚α烯烴；及蠟，及15體積%以上的石蠟。
  16. 如請求項15之軸承潤滑脂，其進一步包含油穩定劑。
  17. 如請求項16之軸承潤滑脂，其中該油穩定劑包含EP添加劑。
  18. 如請求項15之軸承潤滑脂，其中該聚α烯烴於40℃下具有大於10 cSt之D-445黏度。
  19. 如請求項15之軸承潤滑脂，其包含50體積%至90體積%之該聚α烯烴。
  20. 一種軸承總成，其包含：包含經構造及佈置為彼此獨立運動之兩個對置表面的軸承，該等表面中之至少一者包含聚合物；介於該等對置表面間之高速軸承潤滑脂組合物層，該高速軸承潤滑脂組合物包含：合成烴；及15體積%以上的石蠟。
  21. 如請求項20之軸承總成，其中該合成烴係第IV類或第V 類基礎油。
  22. 如請求項21之軸承總成，其中該合成烴包含聚α烯烴。
  23. 如請求項20之軸承總成，其中該兩表面中之至少一者包含含氟聚合物。
  24. 如請求項20之軸承總成，其中該兩表面中之至少一者包含金屬或金屬合金。
  25. 如請求項20之軸承總成，其中該軸承不包括滾動元件。
  26. 如請求項20之軸承總成，其中該兩對置表面同軸且間隔間隙小於0.1 mm。
  27. 一種高速無密封水力軸承，其包含：兩個對置軸承表面，該等表面中之至少一者包含聚合物；及位於該等軸承表面間的高速軸承潤滑脂組合物，其中該軸承能夠以大於1 m/s之滑動速度作業大於1000小時之時間，且其中該高速軸承潤滑脂組合物包含合成烴及15體積%以上的石蠟。
  28. 如請求項27之軸承，其中該軸承經受大於1 MPa之軸承壓力。
  29. 如請求項27之軸承，其中該聚合物包含PTFE。
  30. 如請求項27之軸承，其中該軸承之溫度不超過70℃。
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