TWI802986B

TWI802986B - 金屬磨損修復組成物

Info

Publication number: TWI802986B
Application number: TW110133241A
Authority: TW
Inventors: 戴龍文; 鄭大偉
Original assignee: 戴龍文
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-05-21
Also published as: TW202311513A

Abstract

一種金屬磨損修復組成物，包含無機物粉體及潤滑介質；該無機物粉體由一粗粒徑群及一細粒徑群所組成，以使該金屬磨損修復組成物得以快速成膜；其中，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀為該細粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀的5~10倍。本發明金屬磨損修復組成物可改善潤滑添加劑原位修復功能的成膜速度。

Description

金屬磨損修復組成物

本發明是有關於一種金屬磨損修復組成物，特別是指一種包含無機物粉體及潤滑介質的金屬磨損修復組成物，且該無機物粉體由一粗粒徑群及一細粒徑群所組成。

無機物粉體可作為潤滑介質的添加劑，使其成為具有金屬磨損修復功能的潤滑劑。但一般具有金屬磨損修復功能的潤滑劑成膜速度緩慢，若提高其中無機物粉體的含量比例，或是再混添其它材料，則可能造成潤滑載體本身的潤滑減磨、輔助冷卻、防鏽清潔、密封緩衝功能衰退，故不適合以此類方式改善金屬磨損修復潤滑劑的成膜速度。

因此，本發明之目的，即在提供一種金屬磨損修復組成物，可以克服上述先前技術的缺點。

於是，本發明金屬磨損修復組成物包含無機物粉體及潤滑介質；該無機物粉體由一粗粒徑群及一細粒徑群所組成，以使該金屬磨損修復組成物得以快速成膜；其中，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀為該細粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀的5~10倍。

本發明之功效在於：本發明金屬磨損修復組成物可改善潤滑添加劑原位修復功能的成膜速度。

以下將就本發明內容進行詳細說明：

較佳地，該無機物粉體包括含矽化合物。更佳地，該含矽化合物是選自於非球體層狀矽酸鹽類、二氧化矽或其組合。例如含鐵鎂質的層狀矽酸鹽類或高溫二氧化矽礦物混合物微粉，具體可為蛇紋石(serpentine)、β-石英、鱗石英(tridymite)、方英石(christobalite)或其組合。在本發明的具體實施例中，該無機物粉體為蛇紋石。該無機物粉體有助於增加傳動件金屬基材摩擦面的抗磨、耐磨、與自我修復磨損部位的功能。

較佳地，該無機物粉體的整體粒徑範圍為0.1~70 μm。

該無機物粉體還可以含有微量的其他金屬氧化物、羥基氧化物或金屬微粒。

可選擇地，以該無機物粉體的總重為100 wt%，該粗粒徑群的重量比例範圍為65~80 wt%，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀範圍為30~45 μm，且該細粒徑群的重量比例範圍為20~35 wt%，該細粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀為小於或等於5 μm。

可選擇地，以該無機物粉體的總重為100 wt%，該粗粒徑群的重量比例範圍為65~80 wt%，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀範圍為30~55 μm，該粗粒徑群的總重的5~15 wt%為粒徑大於或等於40 μm，且該細粒徑群的重量比例範圍為20~35 wt%，該細粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀為小於或等於7 μm，該細粒徑群的總重的15~50 wt%為粒徑小於或等於4 μm。

可選擇地，以該無機物粉體的總重為100 wt%，該粗粒徑群的重量比例範圍為65~75 wt%，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀範圍為15~25 μm，且該細粒徑群的重量比例範圍為25~35 wt%，該細粒徑群的粒徑分布中位徑D ₅₀為小於或等於4 μm。

較佳地，該無機物粉體是由天然礦石粉經研磨與高剪力混合而得，且該金屬磨損修復組成物還包含在研磨與高剪力混合時預混合於該無機物粉體的表面活性劑。更佳地，該預混合於該無機物粉體的表面活性劑是選自於油酸、油酸鹽、山梨糖醇酐酯(sorbitan ester)、含有胺基顏料親和基團的嵌段共聚物或其組合，具體可為油酸、油酸鹽、Span 20、Span 80、DISPERBYK-2157或其組合。該表面活性劑有助於有效分散該無機物粉體於該潤滑介質中。

較佳地，以該無機物粉體的總重為100 wt%，該表面活性劑的重量比例範圍為0.1~50 wt%。

在本發明中，該潤滑介質可為機油、潤滑油、潤滑脂等基礎油產品或其組合。例如但不限於黏度等級為VG-10~VG-1000或NLGI-000~NLGI-2的潤滑油脂。

本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

〈實施例 1 〉

實施例1的金屬磨損修復組成物所含的層狀矽酸鹽類成分的微粉為蛇紋石礦石粉。

將市售的蛇紋石礦石粉(經過220~350℃脫水預處理) 經過325目乾式篩選，去除粒徑大於45 μm的顆粒。進一步篩選通過325目、但是不通過400目的粉末，作爲粗粒徑群。

參見圖1所示的製備流程，將該蛇紋石礦石粉經過200目篩選後，採用攪拌研磨機進行精磨(直徑為0.3~1.0 mm的氧化鋯磨球，漿料溫度為20~40℃，轉速為1000~2000 rpm，研磨時間為5~30 min，進行第一次添加表面活性劑，其中水、固體粉末、磨球三者的體積比為4：1：20)。再採用高剪力均質機進行溼式混合(漿料溫度為20~70℃，轉速為6000~12000 rpm，均質時間為30~120 min，進行第二次添加表面活性劑，其中水與固體粉末的重量比為5：1~20：1)。再採用溼式渦錐分級機(cyclosizer)進行分級，最後經過噴霧乾燥及旋轉烘烤(220~350℃，30~120 min)進行完全脫水，作爲細粒徑群的選料。

以該蛇紋石礦石粉的總重為100 wt%，該粗粒徑群的重量比例為70 wt%，該細粒徑群的重量比例為30 wt%。使用雷射粒徑分析儀分別量測懸浮在液體中的上述依照70/30重量比例混合的無機物粉體、細粒徑群的無機物粉體、粗粒徑群的無機物粉體，粒徑分布圖分別如圖2所示。

實施例1中先後兩次添加的表面活性劑為油酸及Span 80的組合。以該蛇紋石礦石粉的總重為100 wt%，油酸的重量比例為5 wt%、Span 80的重量比例為5 wt%。

實施例1的金屬磨損修復組成物所含的潤滑介質採用NLGI-2號油脂(SKF PS2 鋰基半合成油脂)。蛇紋石礦石粉與油脂的重量比例範圍可為1：50~1：1500。

將5.0 g由上述粗粒徑群及細粒徑群所組成的無機物粉體(含有0.5 g表面活性劑)與500 g上述油脂在容器中直接機械混合(使用一般可變速油脂攪拌混煉設備)，搭配加熱保溫裝置(65~70℃，60 min)製得成約505 g實施例1的金屬磨損修復組成物。

實施例1的金屬磨損修復組成物替代傳統軸承潤滑油或是油脂時，其中的微量無機物粉體可提供滾珠與軸承內外滑道傳接觸面的抗磨修損能力，降低磨擦阻力，提升軸承組與鏈條應用的滑動性能與耐用性。

〈實施例 2 〉

實施例2的金屬磨損修復組成物所含的層狀矽酸鹽類成分的微粉為蛇紋石礦石粉。

實施例2的蛇紋石礦石粉的篩選與實施例1類似，差異之處在於以粒徑分布中位徑D ₅₀為15~22 μm作爲粗粒徑群，以粒徑分布中位徑D ₅₀小於或等於4 μm(其中含有相對大量的小於或等於2 μm)作爲細粒徑群。

以該蛇紋石礦石粉的總重為100 wt%，該粗粒徑群的重量比例為70 wt%，該細粒徑群的重量比例為30 wt%。

實施例2的金屬磨損修復組成物所含的表面活性劑為油酸或DISPERBYK-2157，以該蛇紋石礦石粉的總重為100 wt%，油酸或DISPERBYK-2157的重量比例為1 wt%。

實施例2的金屬磨損修復組成物所含的潤滑介質亦採用NLGI-2號油脂(SKF PS2鋰基半合成油脂)。蛇紋石礦石粉與油脂的重量比例範圍可為1：50~1：1500。

將5.0 g由上述粗粒徑群及細粒徑群所組成的無機物粉體(含有0.05 g表面活性劑)與500 g上述油脂在容器中直接機械混合(使用一般可變速油脂攪拌混煉設備)，搭配加熱保溫裝置(65~70℃，120 min)製得成約505 g實施例2的金屬磨損修復組成物。

實施例2的金屬磨損修復組成物替代傳統軸承潤滑油或是油脂時，其中的微量無機物粉體可提供精密級滾珠與軸承內外滑道、線性導軌與滑塊接觸曲面與平面抗磨修損能力，降低磨擦阻力，維持傳動件的運動精度與提升耐用性。

〈比較例〉

作爲對比金屬磨損修復組成物的快速成膜效果，比較例的金屬磨損修復組成物的製備如下：

在圖1製備流程中的第一步中，將市售蛇紋石礦石粉經過200目乾式篩選，去除粒徑大於74 μm的顆粒。該無機物粉體的粒徑分布如圖3，是球磨常態處理所得的典型單模寬分布(monomodal distribution)，D ₅₀= 8μm；該粒徑粗細分布不同於本發明實施例的雙模分布(bimodal distribution)。

在比較例的無機物粉體與潤滑介質混合時，直接添加的表面活性劑同樣為油酸或DISPERBYK-2157，以該蛇紋石礦石粉的總重為100 wt%，油酸或DISPERBYK-2157的重量比例同樣為1 wt%。

將5.0 g由上述蛇紋石礦石粉與500 g上述NLGI-2號油脂在容器中直接機械混合，搭配加熱保溫裝置(65~70℃，120 min)製得成約505 g比較例的金屬磨損修復組成物。

[ 成膜速度測試 ]

測試上述金屬磨損修復組成物對傳動件的原位修復是否具有加速成膜的功效，是採用傳動件實物並模擬使用情景條件準備樣品，用金相實驗的方式比對膜厚。使用相同的滾珠軸承，分別施用上述實施例1、實施例2與比較例的金屬磨損修復組成物替代普通潤滑油脂。在相同的運轉速度，相同的徑向荷載下，對軸承進行設定時間的連續轉磨。在上述的滾珠軸承轉磨過程中，鋼球在軸承內外壁之間的滑道上滾動，潤滑油脂內所含的修復材料添加物在金屬摩擦副(friction pair)之間受到壓力與剪應力而滾塗磨壓。因此，在軸承內外壁以及鋼球的表面上逐漸形成陶瓷金屬膜層。取樣檢測鋼珠表面的膜層厚度，為相對可行的可靠方式。

軸承轉磨樣品準備機臺包含變頻控制轉速的直驅電動機，配置軸承夾治具。施加於單一軸承的靜負載力為490 N(相當50 kg)與980 N(相當100 kg)；軸承轉磨選速度為1000 rpm；在空冷轉磨的過程中，量測軸承表面溫度均未超過60℃。

選用自行車的花鼓常用的規格：徑向受力的深溝球軸承(台灣永興軸承，6805ZZ型，鋼球直徑3.5 mm)。全新軸承，除了防鏽油，沒有預先裝填潤滑油脂。先使用石油溶劑清洗掉軸承的防鏽油，按照原廠建議的潤滑脂施用方式，以相同劑量分別將上述實施例1與實施例2以及比較例的金屬磨損修復組成物油脂裝填於各待測試的軸承。

被測試的軸承在上述機臺上完成設定的荷載、轉速與時間的轉磨後，軸承的鋼珠被取下；清洗後，依照下述Calo test(球磨法)的步驟準備軸承鋼球的金相樣品：1. 膠封，2. 手工粗磨，3. 鑽石粉精拋光，以曝露鋼球的部分截面。

〈 Calo test( 球磨法 ) 〉

Calo test(球磨法，也稱為球坑測試或塗層厚度測試，符合ISO EN-1071-2 和VDI 3198)是科研與品管室廣泛採用的鍍膜厚度檢驗法，適用於量測金屬基材上的鍍膜層厚度(0.1~50 μm)。對於在軸承鋼球表面上所形成膜層的厚度，本發明採用結合金相實驗手法的inverse Calo test方式。

參見圖4顯示的inverse Calo test測試鋼球剖面示意圖，以金相實驗室平面研磨方式磨去球體直徑的1%到10%，經過鑽石拋光液與絲布細拋程序，足夠曝露出膜層的斜面，供光學量測尺寸。在圓球體表面形成膜層的厚度計算方式如下：

已知軸承鋼球原始直徑d ₀(6805ZZ軸承鋼珠直徑為3.50±0.01 mm)。

d ₀/2 = 金相樣品未磨去的部分A+磨去的部分B。

用金相顯微鏡(儀器解析力為0.25 μm，量測精度為1 μm)量出d ₁與d ₂。

使用以下公式算得鋼球表面陶瓷金屬複合膜層的厚度C：

對於上述軸承鋼球轉磨實驗的3組(實施例1、實施例2與比較例)陶瓷金屬複合膜膜層進行金相準備與膜層厚度量測(每組測試的滾珠軸承上取樣至少3顆鋼球，固定轉磨速度為1000 rpm)，其陶瓷金屬複合膜層的厚度量測結果分別如表1及圖6所示(厚度單位為μm，數據為各組鋼珠樣品量測計算所得的平均值，整體平均誤差為±0.2 μm)。【表1】

金屬磨損修復組成物	轉磨荷載(N)	轉磨時間(min)
0	30	60	90	120	150	180	210	240
實施例1	980	0	0.6	1.0	2.9	3.8	6.1	6.9	6.7	6.8
490	0	0.0	0.4	0.8	1.5	2.7	3.8	4.3	4.9
實施例2	980	0	0.4	0.7	2.2	2.7	3.9	4.6	4.9	5.1
490	0	0.0	0.4	0.6	1.0	1.2	1.5	1.7	1.8
比較例	980	0	0.0	0.0	0.4	1.8	3.0	3.3	4.5	5.4
490	0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.4	1.0	1.8	2.5

由以上測試的量化結果可以得到以下2點結論：

1. 滾動軸承鋼珠(以及與鋼珠接觸的軸承內外滑道)在同樣的荷載力之下，施用實施例1及實施例2的金屬磨損修復組成物，於轉磨30 min後，就在表面形成可量測到的陶瓷金屬複合膜層；而施用比較例的金屬磨損修復組成物，在較高壓力(980 N)下則要被轉磨90 min，才能形成相等厚度的膜層。在較低的壓力(490 N)下比較例則要被轉磨150 min，才能形成相當厚度的表面膜層。

2. 比較開始形成陶瓷金屬複合膜層的時間點，以及膜層厚度持續增加的速度，都是與外加在軸承上的荷載力成正比，顯示陶瓷金屬複合膜層是金屬磨損修復組成物受到局部壓力/剪力在摩擦副的金屬表面堆積與擠壓成型。而本發明實施例1及實施例2的無機物粉體顆粒雙峰分布組合物，在同樣的固體含量與同樣的壓擠條件下提高了粉體動態堆積密度，得以大幅度縮減所需的成膜時間。

綜上所述，本發明金屬磨損修復組成物在提供良好的潤滑抗磨損與原位修復功效的前提下，可改善潤滑添加劑原位修復功能的成膜速度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：［圖1］是本發明的金屬磨損修復組成物的無機物粉體的製備流程圖；［圖2］是本發明實施例1的金屬磨損修復組成物的無機物粉體的粒徑分布圖；［圖3］是比較例的金屬磨損修復組成物的無機物粉體的粒徑分布圖；［圖4］是inverse Calo test測試鋼球的剖面示意圖；及［圖5］是施用實施例1、實施例2與比較例的金屬磨損修復組成物進行測試的累積轉磨時間與所形成的膜層量測厚度關係圖。

Claims

一種金屬磨損修復組成物，包含：無機物粉體及潤滑介質；該無機物粉體由一粗粒徑群及一細粒徑群所組成，以使該金屬磨損修復組成物得以快速成膜；其中，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀為該細粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀的5~10倍，以該無機物粉體的總重為100wt%，該粗粒徑群的重量比例範圍為65~80wt%，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀範圍為30~45μm，且該細粒徑群的重量比例範圍為20~35wt%，該細粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀為小於或等於5μm。
一種金屬磨損修復組成物，包含：無機物粉體及潤滑介質；該無機物粉體由一粗粒徑群及一細粒徑群所組成，以使該金屬磨損修復組成物得以快速成膜；其中，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀為該細粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀的5~10倍，以該無機物粉體的總重為100wt%，該粗粒徑群的重量比例範圍為65~80wt%，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀範圍為30~55μm，該粗粒徑群的總重的5~15wt%為粒徑大於或等於40μm，且該細粒徑群的重量比例範圍為20~35wt%，該細粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀為小於或等於7μm，該細粒徑群的總重的15~50wt%為粒徑小於或等於4μm。
一種金屬磨損修復組成物，包含：無機物粉體及潤滑介質；該無機物粉體由一粗粒徑群及一細粒徑群所組成，以使該金屬磨損修復組成物得以快速成膜；其中，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀為該細粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀的5~10倍，以該無機物粉體的總重為100wt%，該粗粒徑群的重量比例範圍為65~75wt%，該粗粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀範圍為15~25μm，且該細粒徑群的重量比例範圍為25~35wt%，該細粒徑群的粒徑分布中位徑D₅₀為小於或等於4μm。
如請求項1~3中任一項所述的金屬磨損修復組成物，其中，該無機物粉體的整體粒徑範圍為0.1~70μm。
如請求項1~3中任一項所述的金屬磨損修復組成物，其中，該無機物粉體是選自於非球體層狀矽酸鹽類、二氧化矽或其組合。
如請求項1~3中任一項所述的金屬磨損修復組成物，其中，該無機物粉體是由天然礦石粉經研磨與高剪力混合而得，且該金屬磨損修復組成物還包含在研磨與高剪力混合時預混合於該無機物粉體的表面活性劑。
如請求項6所述的金屬磨損修復組成物，該預混合於該無機物粉體的表面活性劑是選自於油酸、油酸鹽、山梨糖醇酐酯、含有胺基顏料親和基團的嵌段共聚物或其組合。
如請求項6所述的金屬磨損修復組成物，以該無機物粉體的總重為100wt%，該表面活性劑的重量比例範圍為0.1~50wt%。