DE1004321B - Grenzschmiermittel - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Schmiermittel, insbesondere zur Schmierung von Metalloberflächen, die sich gegeneinander bewegen.

Wenn gleitende Oberflächen durch einen verhältnismäßig dicken Film eines Schmiermittels, wie z. B. eines Kohlenwasserstofföles, geschmiert werden, so ist der Widerstand gegen die relative Bewegung weitgehend ein hydronamisches Problem, das mit den Eigenschaften des Schmiermittels, besonders seiner Viskosität, im Zusammenhang steht. Bleibt der Film zwischen den gleitenden Oberflächen bestehen, so unterliegen diese keiner Abnutzung.

Wird jedoch die auf die gleitenden Flächen wirkende Belastung erhöht und bzw. oder die Gleitgeschwindigkeit vermindert, so nimmt die Filmdicke ab, bis die rauhen Stellen der Oberfläche schließlich den Film durchdringen. Unter diesen Bedingungen kann eine unmittelbare Berührung der beiden Oberflächen stattfinden, was zu starker Abnutzung und sogar zum Festfressen oder zur Bindung der Lageroberflächeli aneinander führt. Die besonderen Bedingungen, unter denen dies eintreten kann, sind als »Grenzbedingungen« bekannt und treten häufig auf, wenn z. B. ruhende Oberflächen gegeneinander in gleitende Bewegung versetzt werden.

Es wurde gefunden, daß Schmiermittel, die sich zur Verwendung unter Grenzbedingungen eignen, sogenannte Grenzschmiermittel, bezüglich ihrer Eigenschaften von üblichen Schmiermitteln völlig verschieden sind. So sind z. B. langkettige aliphatische Kohlenwasserstoffe als Grenzschmiermittel den aliphatischen Alkoholen und diese wieder den Fettsäuren unterlegen, und im allgemeinen sind feste Schmiermittel flüssigen Schmiermitteln überlegen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, langkettige Fettsäuren und Ester solcher Säuren als Grenzschmiermittel zu verwenden. Es ist jedoch bekannt, daß die Verwendung von Fettsäure-Grenzschmiermitteln gewöhnlich auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der aus der Fettsäure und dem Metall der gleitenden Flächen gebildeten Seife beschränkt ist.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, Phosphorsäuren und deren Salze als Schmiermittel und Mittel zur Verhinderung von Korrosionen zu verwenden. Insbesondere wurden für diese Zwecke organische Derivate dieser Säuren, wie beispielsweise alkylsubstituierte Säuren und deren Aminsalze, vorgeschlagen. Diese Verbindungen können zusammen mit einem üblichen Schmiermittel, wie einem Kohlenwasserstofföl, oder mit halogenierten Estern von Kieselsäure und Polymeren derselben verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein neues als Grenzschmiermittel geeignetes Schmiermittel, welches aus einer oder mehreren Polyphosphatverbindungen und einem flüssigen oder festen Träger besteht, in welchem

Anmelder:

Imperial Chemical Industries Limited,
London

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Bohr, Dipl.-Ing. H. Bohr,

München 5, und Dr.-Ing. H. Fincke,

Berlin-Lichterfelde West, Freiwaldauer Weg 28,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 10. September 1954, 11. März
und 19. August 1955

James Denis Summers-Smith

und Peter William Brett Semmens,

Norton-on-Tees (Großbritannien)

sind als Erfinder genannt worden

das Polyphosphat löslich oder dispergierbar ist. Die Polyphosphatverbindungen besitzen erfindungsgemäß ein praktisch lineares Polyphosphatanion und ein quaternäres Ammoniumkation, in welchem das Stickstoffatom an mindestens einen Rest gebunden ist, der mindestens eine Alkylgruppe von 6 oder mehr C-Atomen enthält.

Unter der Bezeichnung »praktisch lineares PoIyphosphatanion«· wird ein Anion verstanden, welches ein polymeres Anion ist, das als basische sich wiederholende Einheit die Gruppe P OJ aufweist, das jedoch keine Ringstruktur besitzt.

Geeignete Träger sind z. B. Mineralöle oder Schmier-

fette, flüssige oder feste Siloxane, pflanzliche öle, Ester, Seifen, Polyalkylenglykole, Gemische praktisch vollständig halogenierter aromatischer Kohlenwasserstoffe oder beliebige Kombinationen derartiger Stoffe.

Geeignete quaternäre Ammoniumgruppen sind z. B.: Cetyltrimethylammonium, Cetylpyridinium, Tetradecylpyridinium, Didecyl-dimethylammonium, Lauryl-benzyldimethylammonium, Dioctyl-dimethylamrnonium, /?-ptert.-Octyl-phenoxyäthylbenzyl-diäthylammonium und Stearinsäureamidomethylpyridinium.

Die Polyphosphate selbst sind im allgemeinen fettartige Stoffe und können in dem Grenzschmiermittel in Mengen von nur 2 Gewichtsprozent, wenn z. B. ein flüssiges Produkt auf Grundlage eines flüssigen PoIyalkylenglykols als Träger in Betracht kommt, oder in

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Mengen von sogar 80 Gewichtsprozent enthalten sein, wenn das Schmiermittel ein Schmierfett auf Grundlage des gleichen Trägers ist. Der Anteil an Polyphosphat kann natürlich auch geringer oder höher sein, je nach der Art des erforderlichen Grenzschmiermittels.

Erfindungsgemäß zusammengesetzte Grenzschmiermittel sind besonders wirksam bei der Schmierung gleitender Flächen, z. B. von Lagern, unter Grenzbedingungen, sowie auch zur Schmierung von Lagern für Wellen aus rostfreiem Stahl unter Grenzbedingungen. Aus den nachstehenden Tabellen geht hervor, daß die Grenzschmiermittel nach der Erfindung gewöhnlich mit steigender Temperatur an Wirksamkeit zunehmen. Dagegen ist der Temperaturbereich der meisten Fettsäuren bei ihrer Verwendung als Grenzschmiermittel allgemein enger. Die Wirkung einer geringen Herabsetzung des Reibungskoeffizienten zwischen Oberflächen, die sich unter Grenzbedingungen in gleitender Bewegung befinden, ist äußerst wichtig, da der Grad der Abnutzung oft um ein Vielfaches herabgesetzt werden kann.

Die getrocknete feste Polyphosphatverbindung und der Träger werden in den erforderlichen Mengenverhältnissen, vorzugsweise unter Rühren, bei einer möglichst niedrigen Temperatur miteinander gemischt.

Dieses Beispiel erläutert die Herstellung des Cetylpyridiniumpolyphosphate, welches gemäß Beispiel 2 zu einem Schmiermittel verarbeitet wird. Für die Herstellung dieses Cetylpyridiniumpolyphosphäts und ebenfalls für die Herstellung des Schmiermittels an sich wird kein Schutz beansprucht.

Beispiel 1

50 g Kaliumpolyphosphatpulver wurden zu einer Lösung von 215 g Cetylpyridiniumbromid in 11 Wasser zugesetzt, und das Gemisch wurde 3 Stunden bei 20° gerührt. Das Rühren wurde unterbrochen und die wäßrige Flüssigkeit durch Dekantieren von der fettartigen Masse getrennt. Der feste Stoff wurde gesammelt, mit Wasser gewaschen, zwecks Entfernung der Flüssigkeit ausgedrückt und 12 Stunden in einem Ofen bei 105° getrocknet. 20 g des getrockneten festen Körpers wurden unter Rühren bei 100° mit 20 g eines Mineralöls gemischt, welches eine Viskosität von 32 cSt bei 37,8° und 4,25 cSt bei 98,9° sowie einen Fließpunkt von — 26° hatte. Das Produkt war ein braunes Fett.

Beispiel 2

1,5 g Cetylpyridiniumpolyphosphat (hergestellt nach Beispiel 1) wurden unter ständigem Rühren mit 50 ecm Polymethylphenylsiloxan 15 Minuten auf 220° erhitzt. Die letztere Mischung besaß eine Viskosität von 250 cSt bei 37,8° und 25 cSt bei 98,9°. Das Produkt war eine klare, dunkelbraune Flüssigkeit.

Es wird zunächst die Herstellung von Cetyltrimethylammoniumbromidpolyphosphat beschrieben, wofür an sich kein Schutz begehrt wird.

Beispiel 3

8,5 g Kaliumpolyphosphat wurden zu einer Lösung von 30 g Cetyltrimethylammoniumbromid in 150 ecm Wasser zugesetzt und die Mischung 4^χ/₂ Stunden bei 20° gerührt. Das Rühren wurde dann unterbrochen, und nach dem Absitzen wurde die wäßrige Lösung von dem festen Reaktionsprodukt getrennt. Der feste Körper wurde dann gesammelt, mit Wasser gewaschen, zwecks Entfernung der verbleibenden wäßrigen Flüssigkeit ausgedrückt und schließlich 12 Stunden in einem Ofen bei 105° getrocknet.

8 g des getrockneten Produktes wurden bei etwas unterhalb 100° 15 Minuten lang mit 2 ecm eines PoIyalkylenglykols gemischt, welches eine Viskosität von 61,7 cSt bei 37,8° und 11 cSt bei 98,9° besaß. Das Produkt war ein gelbes Fett.

Bei der Herstellung dieser Grenzschmiermittel unter Verwendung eines flüssigen Trägers genügt es oft, die Komponenten etwa 10 Minuten lang unter Rühren miteinander zu mischen und das ungelöste Polyphosphat abzufiltrieren.

Die nachfolgenden Tabellen geben eine Zusammenfassung von Versuchsergebnissen, die mit verschiedenen erfindungsgemäß zusammengesetzten Grenzschmiermitteln erhalten wurden. Die geschmierten Oberflächen bestanden aus Flußstahl und austenitischem rostfreiem Stahl, und der Reibungskoeffizient wurde unter Grenzbedingungen bei einer relativen Gleitgeschwindigkeit von 0,08 cm/Sek. zwischen 20 und 200° mit einer kinetischen Grenzreibungsvorrichtung gemessen. Zu Vergleichszwecken sind auch die unter den gleichen Versuchsbedingungen ohne Schmiermittel und unter Schmierung nur durch den Träger ermittelten Reibungskoeffizienten für Flußstahl aus austenitischem Stahl angegeben.

TabeUe I

Reibungskoeffizienten unter Grenzbedingungen Gleitgeschwindigkeit = 0,8 cm/Sek.

Schmiermittel	% Polyphosphat	20°	60°	100°	Flußstahl	140°	160°	180°	200°
% flüssiger Träger	0%	0,82	0,92	0,88	120°	0,94	0,92	0,87	0,95
0%	0%	0,14	0,20	0,26	0,83	0,85	0,92	1,01	—
100% M. O.	67% C. A. P.	0,09	0,09	0,08	0,55	0,08	0,07	0,05	—
33% M. O.	50% C. P. P.	0,10	0,10	0,09	0,07	0,07	0,06	0,05	—
50% M. O,	50% D.D. A-P.	0,09	0,08	0,07	0,08	0,06	0,05	0,05	0,05
50% M. O.	3% D. D. A. P.	0,10	0,09	0,08	0,06	0,06	0,06	0,05	0,05
97% M. O.	3% L. B. A. P.	0,13	0,14	0,11	0,07	0,10	0,09	0,14	0,12
97% M. O.	3% O. P. A. P.	0,13	0,12	0,14	0,09	0,13	0,13	0,12	0,14
97% M. O.	0%	0,09	0,10	0,12	0,14	0,14	0,14	0,14	0,15
100% C. O.	3% C. P. P.	0,09	0,06	0,07	0,12	0,06	0,06	0,06	0,06
97% CO.	5% T. P. P.	0,08	0,07	0,06	0,07	0,06	0,06	0,06	0,05
95% C. O.	5% L. B. A. P.	0,08	0,07	0,07	0,07	0,06	0,06	0,06	0,06
95% C. O.	4% O. P. A. P.	0,09	0,09	0,09	0,07	0,08	0,09	0,09	0,10
96% C. O.	0%	0,19	0,21	0,23	0,09	0,24	0,24	0,33	0,29
100% P. A. G.	5% C. A. P.	0,12	0,10	0,09	0,24	0,09	0,08	0,07	0,08
95% P. A. G.	80 «/„ C. A. P.	0,09	0,09	0,07	0,09	0,05	0,05	0,05	0,05
20% P. A. G.				0,06

I 004321

	Schmiermittel	% Polyphosphat	20°	60°	100°	6	Flußstahl	140°	■	160°	180°	200°
5	% flüssiger Träger	0%	0,14	0,17	0,67	120°	0,78		0,95	0,93	0,96
100 % P. P. S.	3% C. P. P.	0,11	0,07	0,06	0,76	0,08	0,09	0,11	0,10
97o/o P. P. S.	0%	0,14	0,13	0,15	0,07	0,18	0,22	0,21
100 % CX.	45% C. P. P.	0,10	0,08	0,06	0,17	0,05	0,06	0,06	0,06
55 % C. X.	79% D. D. A. P.	0,11	0,10	0,08	0,05	0,08	0,07	0,09	0,07
21% C. X.	33% S. M. P.	0,12	0,10	0,08	0,08	0,07	0,07	0,07	0,09
67 0/0 6. X.	49% L. B. A. P.	0,11	0,10	0,08	0,07	0,09	0,10	0,11	0,10
510/0 C X.	70% D. O. D. A. P.	0,11	0,09	0,08	0,08	0,08	0,08	0,08	0,08
30 % C. X.	0%	0,18	0,30	0,51	0,08	0,95	0,94	0,94
100 % L. P.	2% C. P. P.	0,18	0,14	0,13	0,81	0,14	0,15	0,14	0,16
98% L. P.	80% C. P. P.	0,09	0,09	0,07	0,15	0,06	0,05	0,05	—-
20% L. P.	80 0/0 C. A. P.	0,07	0,06	0,05	0,06	0,05	0,04	0,04	—
20% L. P.					0,04

	% Polyphosphat	20°	Tabelle	II	100°	rostfreier Stahl	1,28	160°	180°	200°
	0%	1,11			1,24	120° I 140°	0,32	1,25	1,28	1,31
Schmiermittel	0%	0,12	60°	0,16	1,30	0,08	1,12	1,16	—
°/o flüssiger Träger	67% C. A. P.	0,09	1,27	0,09	0,29	0,08	0,06	0,05	—
0%	50% C. P. P.	0,11	0,16	0,11	0,08	0,08	0,07	0,06	—
100% M. O.	25% C. P. P.	0,11	0,09	0,12	0,09	0,06	0,07	0,06	0,06
33 % M. O.	50% D. D. A. P.	0,10	0,10	0,08	0,11	0,19	0,06	0,05	0,08
50% M. O.	0%	0,15	0,11	0,21	0,06	0,05	0,22	0,20	0,23
75% M. O.	80% C. A. P.	0,09	0,10	0,05	0,20	0,53	0,05	0,05	0,04
50% M. O.	0%	0,20	0,21	0,26	0,05	0,08	0,91	0,87	0,98
100% P. A. G.	2% C. P. P.	0,12	0,06	0,08	0,43		0,09	0,08	0,09
20% P. A. G.		0,20		0,08
100% P. P. S.		0,10
98% P. P. S.

	miermittel °/0 Polyphosphat	20°	Tabelle	III	Fluß 120°	stahl 140°	160°	180°	200°
Scr % flüssiger Träger	0% 7% C. A. P.	0,14 0,13	60°	100°	0,17 0,14	0,17 0,10	0,17 0,06	0,18 0,09	0,16 0,08
1000/0 p.j. 93 0/0 P. J.		0,19 0,13	0,21 0,15

	% Polyphosphat	20°	Tabelle	IV	rostfreier Stahl	140°	160°	180°	200°
	0%	0,13			120°	0,20	0,20	0,21	0,19
Schmiermittel	70/0 C. A. P.	0,12	60°	100°	0,18	0,10	0,10	0,07	0,06
% fester Träger	0%	0,56	0,17	0,18	0,12	0,75	0,81	0,75	0,95
100% p.j.	50% C. P. P.	0,09	0,08	0,10	0,70	0,24	0,21	0,16	0,16
93% PJ.		0,73	0,78	0,21
100% P. P. S.		0,07	0,22
50% P. P. S.

Erklärung der Abkürzungen

■■ Cetyltrimethylammoniumpolyphosphat
Cetylpyridiniumpolyphosphat
Didecyl-dimethylammoniumpolyphosphat
Lauryl-benzyl-dimethylammoniumpolyphosphat
/J-p-tert.-Octyl-phenoxyäthylbenzyl-diäthylammoniumpolyphosphat
Tetradecylpyridiniumpolyphosphat
Stearinsäureamidomethylpyridiniumpolyphosphat
Di-n-octyl-dimethylammoniumpolyphosphat
Mineralöl, Viskosität = 32 cSt bei 37,8°; 4,25 cSt bei 98,9°
Rizinusöl

Polyalkylenglykol, Viskosität = 61,7 cSt bei 37,8°, 11 cSt bei 98,9°
Polymethylphenylsiloxan, flüssig, Viskosität 25OcSt bei 37,8°; 25 cSt bei 98,9° Gemisch von im wesentlichen vollkommen halogenierten aromatischen Kohlenwasserstoffen mit einem Fluorgehalt von etwa 22 bis 44 °/₀, einem Chlorgehalt von etwa 37 bis 61 °/₀ und einem Wasserstoffgehalt von weniger als 0,1 °/₀ flüssiges Paraffin
Petrolatum

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Grenzschmiermittel, bestehend aus einem flüssigen oder festen Träger und einem oder mehreren in demselben löslichen oder dispergierbaren PoIyphosphat mit praktisch linearem Anion und quaternärem Ammoniumkation, in welchem das Stickstoffatom an mindestens einem, mindesten einer Alkylgruppe von 6 oder mehr C-Atomen enthaltenden Rest gebunden ist.

2. Grenzschmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kation der Polyphosphate Cetylpyridinium, Cetyltrimethylammonium, Tetradecylpyridinium, Stearinsäureamidopyridinium, Didecyldimethylammomum, Dioctyl - dimethylammonium, Lauryl-benzyldimethylammonium oder /J-p-tert.-Octyl-phenoxyäthylbenzyl-diäthylammonium ist.

3. Grenzschmiermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Mineralöl, Rizinusöl, Polymethylphenylsiloxanen, PoIyalkylenglykolen, flüssigem Paraffinöl, einem Gemisch von praktisch vollständig halogenierten Kohlenwasserstoffen mit einem Fluorgenalt von etwa 22 bis 44%, einem Chlorgehalt von etwa 37 bis 61% und einem Wasserstoffgehalt von weniger als 0,1 % oder aus einem oder mehreren festen Polymethylphenylsiloxanen und bzw. oder Petrolatum besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 851 237,865 038,865 039, 833;
USA.-Patentschriften Nr. 2 602 049, 2 605 226.

© 609 839/368 3.57