專利名稱：一種改性齒輪油的制作方法
技術領域：
潤滑劑，涉及一種齒輪系統(tǒng)使用的潤滑劑，改性納米金剛石齒輪油。
背景技術：
齒輪油是潤滑油中三大品種之一，在各種設備的動力傳動中起著至關重要的作用。齒輪油多以礦物油為基礎油，但亦有以合成油作為基礎油的。此外，還要加入各種添加劑，如清靜分散劑、抗氧抗腐劑、破乳劑、抗泡劑、油性劑和極壓抗磨劑等。由于齒輪在工作時負荷較大，所以具有良好的極壓抗磨性是齒輪油的最重要特征之一。使用好的齒輪油，可使齒面盡量減少擦傷、膠合、點蝕及磨損。
一般油性劑在100℃左右即會從齒面脫附而使油膜破裂，但雙曲面齒輪油的溫度可達120～160℃(如汽車后橋)，故極壓抗磨劑是不可缺少的。目前所用極壓抗磨劑主要是含硫型和含磷型。
兩院院士侯祥麟在專著中指出“在負荷較高的設備中，如直升飛機減速器，如用合成油也必需加入活性較高的極壓抗磨劑。但在高溫下比較穩(wěn)定的化合物往往極壓抗磨性差，而極壓抗磨性好的化合物，易在高溫下分解，破壞基礎油的穩(wěn)定性，腐蝕金屬”。“中國煉油技術”(P.472，中國石化出版社，2001)。
劉菲菲等，潤滑油，2006，21(4)39。文中指出“含硫極壓抗磨劑抗燒結(jié)性好；含磷極壓抗磨劑抗磨性好”。硫和磷均會對環(huán)境造成不利影響。
此外這類極壓抗磨劑對齒輪油的抗乳化性能有負面影響，這往往會造成齒輪油乳化和產(chǎn)生泡沫，導致油膜強度降低或破裂。而含有硫和/或磷極壓抗磨劑的油在乳化后，就會發(fā)生水解或沉淀，從而失去極壓抗磨性能且產(chǎn)生有害物質(zhì)使齒輪油變質(zhì)。
專利CN1727459，CN1632086，CN1057477，CN1403551，CN1403549和CN1233807C均使齒輪油的極壓抗磨性能得到改善，但其所用的極壓抗磨劑均含有硫和/或磷。
硫和磷本身會腐蝕機件，故加入這類極壓抗磨劑實際上是用緩慢腐蝕代替快速磨損。
專利RU2162878中的金剛石是微米級天然金剛石。專利CN1035440B是以0.1～30μm的石墨粉為潤滑油添加劑主要成份，而其中無金剛石。專利JP05171169的油中使用的是多晶金剛石，其成本極高，很難實際應用。
張明等，石油煉制與化工，2006，37(2)47。文中用油溶性納米銅加在GL-5齒輪油中，可使油的摩擦系數(shù)減小，磨斑直徑稍減；但在222℃時發(fā)生修飾劑的解離，且納米銅的含量高達2％，這使油的成本提高了幾倍。
ЛяMкиHAE等人(ДAH CCCP，302611)和Greiner NR等人(Nature，333440)早在20世紀八十年代即用負氧平衡法制出了納米金剛石。文潮等人(兵器材料科學與工程，2350)利用純TNT作原料又制出了不含金剛石的納米石墨。將納米碳(納米金剛石和納米石墨)用于齒輪油是個極待開發(fā)的重大課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種以納米碳作齒輪油中的極壓抗磨劑和油性劑的齒輪油。使用它可降低齒輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)、減少齒面的膠合和擦傷、提高機械效率、降低油溫，并對摩擦副具有自修復功能。
這里所說的納米碳是指其平均粒徑為2～6nm的碳的同素異形體，它包括金剛石和石墨，其中金剛石占10～99％。納米碳在齒輪油中的濃度的質(zhì)量分數(shù)為2×10-5～1×10-2，即每kg油液中含納米碳20mg～10g。
本專利解決了納米金剛石和納米石墨在齒輪油中的懸浮問題，所研制的多種齒輪油放置2年以上未見沉淀。
經(jīng)本專利表面改性后的納米碳，既可從基礎油調(diào)和，亦可在市售的齒輪油中加入。它可制成車輛齒輪油、極壓蝸桿油、開式工業(yè)齒輪油和閉式工業(yè)齒輪油等。
具體實施例方式
欲使用純納米金剛石需將爆轟后的黑粉(含納米金剛石、納米石墨及其它雜質(zhì))經(jīng)除雜處理。首先用氣相氧化法將其置于馬弗爐中，升溫至440℃，保溫45min。此時黑粉中的非金剛石碳已基本清除，粉末已變成灰色。再用液相氧化法，取上述灰粉100g置于2000ml的燒杯中，加入700ml濃度為72％的HClO4和10gK2Cr2O7，置于已放好石棉網(wǎng)的電爐上加熱。溶液沸騰后逐漸由墨綠色轉(zhuǎn)變成橙紅色至紫紅色，此時非金剛石碳已除凈。靜置、冷卻、傾析出酸液，用蒸餾水清洗數(shù)遍，直至溶液顯中性。待金剛石全部沉淀后，輕輕倒出廢液，置于烘箱中烘干?？旄蓵r應從烘箱中取出攪拌數(shù)次，以免結(jié)成大塊。烘干后的粉為淺灰色，將其置于瑪瑙研缽中研碎其中的小團塊，使納米金剛石成為分散較好的粉末。
將用純TNT作原料制出的不含金剛石的納米石墨粉，取此種黑粉100～150g置于5000ml燒杯中，加入濃度為37％的鹽酸2000ml，充分攪拌，加熱，沸騰后繼續(xù)煮沸0.5～1h。清洗至中性，烘干，碾碎，制成純納米石墨粉。
將經(jīng)過上述除雜處理的納米金剛石和納米石墨按一定比例混合成納米碳粉，其中金剛石占10～99％。在微波等離子體組合儀中在800℃用等離子氫處理4h，以使納米碳的表面帶有更多的有利于在油中懸浮的官能團，如-CH2-和-CH3等。經(jīng)紅外光譜檢測，在2850～2970cm-1范圍內(nèi)，處理后的吸收波強度比處理前的高一個數(shù)量級。若保存24h以上則需真空密封以保持其表面清凈。這種納米碳粉是目前齒輪油中性能最好的極壓抗磨劑和油性劑。
以礦物油或合成油為基礎油，加入至少一種抗氧抗腐劑，其質(zhì)量分數(shù)為0.1～1.0％；至少一種抗泡劑，其質(zhì)量分數(shù)為5～50ppm；至少一種抗乳化劑，其質(zhì)量分數(shù)為0.05～0.4％。必須有納米碳作為極壓抗磨劑和油性劑，其質(zhì)量分數(shù)為2×10-5～1×10-2，其中金剛石占10～99％。這是本發(fā)明的最突出創(chuàng)新。
將納米碳粉按(1～5)％的濃度加入到基礎油中，油料和瑪瑙球在每罐中約占(50～70)％，其中油料約占體積的一半，置于行星式球磨機中處理24h。
用基礎油將經(jīng)過球磨處理的含有納米碳的油稀釋至所需納米碳的濃度，然后加入上述的其他幾種添加劑。將此油料置于強力超聲波清洗機中處理4h，其超聲波的能量密度要達到(4～6)kw/m2。
下面結(jié)合實施例進一步說明它的制備、應用及效果。
實施例1蝸桿油是齒輪油的重要分支之一。極壓蝸桿油A的配制首先用75kg中粘度指數(shù)的MVI 150BS光亮油和25kg 750SN中性油，加入到帶有攪拌器的調(diào)和釜中。在75～80℃下攪拌1～2h，調(diào)配成460基礎油。再加入102清凈劑(中堿值石油磺酸鈣)450g，202抗氧抗腐劑(硫磷丁辛基鋅鹽)1080g，1001抗乳化劑(胺與環(huán)氧化物縮合物)270g，901抗泡劑(甲基硅油)1g，405油性劑(硫化烯烴棉子油-1)1900g，306極壓抗磨劑(磷酸三甲酚脂)1100g，繼續(xù)保溫攪拌1～2h，配制成N460極壓蝸桿油。油性劑和極壓抗磨劑在油中的質(zhì)量分數(shù)為2.86％。
極壓蝸桿油B的配制將206g的納米碳(其中金剛石占99％)置于微波等離子體組合儀中，在800℃下用等離子氫處理4h。用它代替蝸桿油A中的油性劑和極壓抗磨劑，。將其加入到10kg已配好的460基礎油中，初步攪拌后置于XQM-20行星式球磨機中處理24h。此時納米碳的濃度為2％，將其加入到余下的90kg的460基礎油中。然后加入上述的其他幾種添加劑，在調(diào)和釜中加熱攪拌，工藝同前。將此油料置于TA-D18型強力超聲波清洗機中處理4h，其超聲波的能量密度要達到(4～6)kw/m2。在超聲處理過程中要保持油液處于75～80℃。此時納米碳的濃度為0.2％。
用上述兩種460極壓蝸桿油作對比實驗，使用MM-200型磨損實驗機測試。上試樣45鋼，淬火處理，硬度45～50HRC。下試樣45鋼，淬火處理，硬度45～50HRC，表面粗糙度Ra為1.6nm。兩試件對磨1h后測量下試件磨損量。當負載為240N時，使用460極壓蝸桿油A的磨損量為0.45g；而使用含有0.2％納米金剛石的極壓蝸桿油B時，其磨損量僅為0.24g，其磨損量減少46.7％。
實施例2仍用上述兩種油作對比實驗。實驗設備天津市北新微型減速機廠生產(chǎn)的VWA42型蝸桿減速機；用JC轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測傳動轉(zhuǎn)矩，用PC201機械效率儀測試機械效率。輸出轉(zhuǎn)矩分別為4.0和14.0Nm。使用含有0.2％納米金剛石的極壓蝸桿油B比極壓蝸桿油A在兩種負載情況下機械效率均提高了2.84％。
實施例3在Royal 85w/140合成齒輪油C中，加入納米碳(質(zhì)量分數(shù)為0.1％)，其中金剛石占60％，制成油D。
用油D與合成齒輪油C作對比實驗。設備AW潤滑磨損實驗機。啟動電機，加2個砝碼后去掉油盒，使摩擦副處于貧油狀態(tài)。無砝碼時負載為65.3N，每個砝碼負載為117.6N。設備運轉(zhuǎn)后每隔10sec加1個砝碼。加至第12個砝碼后開始計時，直至卡死，比較期間的時間間隔。齒輪油C為113sec，而加有0.1％納米金剛石的齒輪油D為310sec。后者是前者的2.74倍。
實施例4在68號CKC中負荷工業(yè)閉式齒輪油E中加入0.02％的納米碳，其中金剛石占33％，制成油F。
用油E和F作對比實驗。實驗設備德國Optimol公司制的SRV往復式摩擦磨耗實驗機。上試件直徑7mm鉻鋼球；下試件SKH高速鋼。實驗時間5000sec。當負載為50N時，油F的咬合期時間為2146sec，而使用含有0.02％納米金剛石油F時，其咬合期時間縮減至278sec，磨痕深度則由4.94μm降至3.58μm。當負載為100N時，這兩種油咬合期時間分別為2754sec和2345sec，磨痕深度則由12.25μm降至9.00μm。
實施例5在68號CKC中負荷工業(yè)閉式齒輪油E中加入0.06％的納米碳，其中金剛石占28％，制成油H。
用油H與原油E作對比實驗，所用設備同例4。當負載為50N時，咬合期時間由214sec驟減至0sec；磨痕深度由4.94μm驟減至0.07μm(相對減少98％)；當負載為100N時，咬合時間由2754sec驟減至551sec。
實施例6
在GL-5車輛齒輪油I(礦物油)中，加入0.3％的納米碳，其中金剛石占50％，制成油J。
用齒輪油I與油J作對比實驗。設備AW潤滑磨損實驗機。啟動電機，平穩(wěn)緩慢地加負荷到770.9N。在運轉(zhuǎn)過程中觀察油溫。從油溫升到103℃開始計時，直到油溫升至150℃止。測量這一升溫過程的時間間隔。用GL-5車齒輪油I時，此一間隔為706sec。當加入0.3％納米碳齒輪油J時，此一間隔為1070sec，即同比延長了51.6％。
實施例7夏利1.3L經(jīng)濟型轎車，將原廠裝車齒輪油GL-4作為油樣K。在其中加入0.005％的納米碳，其中金剛石占45％，制成油樣L。
當車速為60km/h時放在空擋使車在平直大道上滑行，其空擋滑行距離(車速降至20km/h)由不足300m延長至500m以上。
實施例8軋機減速箱，功率400kw，轉(zhuǎn)速比18.87，齒面接觸應力達2Gpa。原用100重負荷工業(yè)齒輪油M。現(xiàn)加入納米碳，濃度為0.5％(質(zhì)量分數(shù))，其中金剛石占15％，制成油樣N。
用油樣M時的油溫為53℃，用油樣N時降到50℃以下。換油期由油樣M的半年延長至油樣N的1～2年。
實施例9先用65％(質(zhì)量分數(shù))90BS光亮油和35％(質(zhì)量分數(shù))200SN中性油置于調(diào)和釜中，于80±5℃攪拌1～2h，制成N150基礎油。然后取這樣的N150基礎油88.5kg，202抗氧抗腐劑(硫磷丁辛基鋅鹽)6.1kg，502抗氧劑(2，6-二叔丁基混合酚)0.9kg，603粘度指數(shù)改進劑(聚異丁烯)2.7kg，705防銹劑(堿性二壬基萘磺酸鋇鹽)0.4kg，801降凝劑(烷基萘)0.4kg，901抗泡劑(甲基硅油)1g，1001抗乳化劑(胺與環(huán)氧化物縮合物)0.1kg，0.9kg的341極壓抗磨劑(環(huán)烷酸鉛)。以上原料經(jīng)充分攪拌混勻，加熱至80℃，保溫攪拌40min。經(jīng)濾油機過濾后即得N150齒輪油成品油，此為油樣O。油樣P的制備過程與油樣O相同，只是用納米碳0.9kg(其中金剛石占10％質(zhì)量分數(shù))代替341極壓抗磨劑(環(huán)烷酸鉛)。
皮帶機所用的3ZZ700-1/11大型減速器，用油樣O時空載電流為55A，油溫為48℃。用油樣P后空載電流和油溫漸降，2天后，電流降至49A，油溫降至42℃。
權(quán)利要求
1.一種改性納米金剛石齒輪油。其特征在于以平均粒徑為2～6nm的經(jīng)表面改性后的納米碳作為極壓抗磨劑和油性劑，其質(zhì)量分數(shù)為2×10-5～1×10-2，其中金剛石占10～99％。
2.權(quán)利要求1所述的納米金剛石和納米石墨是用負氧平衡法制造的，其中的金剛石和石墨需經(jīng)提純，二者按一定比例混合后再經(jīng)表面改性處理800℃等離子氫處理4h，按(1～5)％質(zhì)量分數(shù)與油混合，再在行星式球磨機中處理24h，用油稀釋至成品油所需濃度，再經(jīng)大功率超聲波處理4h。經(jīng)過這樣處理的齒輪油可使納米金剛石穩(wěn)定懸浮2年以上。
全文摘要
一種改性齒輪油，用于各種齒輪系統(tǒng)的潤滑油。在礦物潤滑油或合成潤滑油中，加入平均粒徑為2～6nm的經(jīng)表面改性后的納米碳作為極壓抗磨劑和油性劑。其質(zhì)量分數(shù)為2×10
文檔編號C10N30/06GK101029264SQ20071005705
公開日2007年9月5日 申請日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者張書達, 張文剛 申請人:張書達