金属表面合金剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种金属表面合金剂，由以下质量百分比的组分制备而成：植物油80-92%，金属化合物2-8%，催化剂5-15%，其中，所述金属化合物包括含铝化合物、含钙化合物、含硼化合物、含镁化合物、含钛化合物和含钼化合物，各化合物的用量使得所制备的金属表面合金剂中金属原子的质量分数分别为：铝原子0.01-0.3%，钛原子0.01-0.5%，硼原子0.1-0.5%，钙原子0.5-2%，钼原子0.5-3%。本发明还公开了该合金剂的制备方法。所述金属表面合金剂不含硫、氯和磷，满足环保要求并具有较好的极压抗磨性能和抗氧化性能。

权利要求

1.一种金属表面合金剂的制备方法，包括以下步骤：(1)金属化合物的制备：

在反应釜中，在搅拌条件下依次加入10g异丙醇铝、15g钛酸酯、20g有机磺酸钙、10g硼酸、25g有机磺酸镁和5g钼酸铵，搅拌1小时，得到棕色粘稠液体；

(2)金属表面合金剂的制备：

将5g步骤(1)制得的棕色粘稠液体移至高压反应釜中，分别加入70g棕榈油和5g盐酸，然后封闭高压反应釜，通入二氧化碳至超临界压力72.9atm，升温至超临界温度

31.26℃，搅拌条件下反应4小时后，冷却、分液、真空干燥脱水后得到油溶性透明液体或者粘稠状液体。

2.一种金属表面合金剂的制备方法，包括以下步骤：(1)金属化合物的制备：

在反应釜中，在搅拌条件下依次加入12g铝酸酯、13g异丙醇钛、24g烷基水杨酸钙、12g硼酸、21g硝酸镁和3g有机钼，搅拌1小时，得到棕色粘稠液体；

(2)金属表面合金剂的制备：

将5g步骤(1)制得的棕色粘稠液体移至高压反应釜中，分别加入60g棕榈油和2g高锰酸钾，然后封闭高压反应釜，通入二氧化碳至超临界压力72.9atm，升温至超临界温度

31.26℃，搅拌条件下反应4小时后，冷却、分液、真空干燥脱水后得到油溶性透明液体或者粘稠状液体。

3.一种金属表面合金剂的制备方法，包括以下步骤：(1)金属化合物的制备：

在反应釜中，在搅拌条件下依次加入10g异丙醇铝、15g钛酸酯、20g有机磺酸钙、10g硼酸、25g有机磺酸镁和5g钼酸铵，搅拌1小时，得到棕色粘稠液体；

(2)金属表面合金剂的制备：

将5g步骤(1)制得的棕色粘稠液体移至高压反应釜中，分别加入60g椰子油和2g高锰酸钾，然后封闭高压反应釜，通入二氧化碳至超临界压力72.9atm，升温至超临界温度

31.26℃，搅拌条件下反应4小时后，冷却、分液、真空干燥脱水后得到油溶性透明液体或者粘稠状液体。

说明书

金属表面合金剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高能机械合金化技术领域，特别是涉及一种金属表面合金剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 据国际权威机构统计，金属材料磨损、腐蚀、疲劳三大损耗约占工业总产值的30％。摩擦磨损是普遍存在的自然现象，摩擦损失了世界约三分之一的一次能源，磨损是造成材料与设备破坏和失效的三种最主要的形式之一，润滑则是降低摩擦、减少或避免磨损的最有效技术。发展具有良好抗磨损性能、高承载能力、对磨损表面具有一定修复功能、对环境无污染或少污染的润滑技术，是当代化学和材料科学及摩擦学的重要课题之一。

[0003] 二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)高效极压抗磨剂一直是自20世纪中叶以来内燃机油等油品不可缺少的添加组分，且在齿轮油、液压油等工业用油中也得到了广泛应用,但是，现在它已显得难于适应形势发展的需要。这是因为：(1)ZDDP的含磷转化产物会使用于减少汽车尾气中氮氧化物(NOx)等有害气体排放的三效催化转换器中的催化剂中毒并影响氧气传感器；(2)ZDDP会产生灰分，堵塞过滤系统,对柴油机的微粒捕集器会产生不良影响；(3)元素Zn会使某些合金轴承(主要指含银、铅部件)产生电化学腐蚀；(4)在高于160度的工况下会因急剧分解而丧失抗氧化和极压抗磨性能。

[0004] 中国专利发明专利ZL200910067880.3公开了一种陶瓷合金耦合剂，该耦合剂为含镁、铝、硼和钛陶瓷金属的抗磨添加剂，为各组分的混合物，为了保证良好的悬浮性和分散性，其所用的分散剂含氯，具有潜在的安全和环保风险。

[0005] 中国专利ZL200710143950.X公开了一种用于润滑油、脂的纳米级陶瓷金属复合物添加剂，该添加剂为包含有氮化硼，钼，铜粉体的组合物液体；该氮化硼，钼，铜粉体粉体是氮化硼和钼以共价键结构、铜以配位键结构形成的一种纳米级球状的固体颗粒物；氮化硼为球状骨架，钼以层片状包覆其上，铜以点、片状与球体的晶体缺陷处结合；该粉体中氮化硼、钼和铜所占组分的比例为7～8.5∶1～1.5∶0.5～1，该添加剂的缺点是油溶性较差，易产生沉淀。

[0006] 综上所述，现有的金属表面合金剂存在以下缺点：

[0007] （1）含硫、磷和锌，易产生腐蚀、毒害和高温失效；（2）含有氯，会产生腐蚀；（3）油溶性较差，易产生沉淀。

发明内容

[0008] 本发明的一个目的是提供一种不含硫、磷、锌、氯等有害物质、油溶性好、耐磨性高的金属表面合金剂。

[0009] 本发明的另一个目的是提供一种制备上述金属表面合金剂的方法。

[0010] 为此，本发明的技术方案如下：

[0011] 一种金属表面合金剂，由以下质量百分比的组分制备而成：

[0012] 植物油： 80-92%

[0013] 金属化合物： 2-8%

[0014] 催化剂： 5-15%，

[0015] 其中，所述金属化合物包括含铝化合物、含钙化合物、含硼化合物、含镁化合物、含钛化合物和含钼化合物，各化合物的用量使得所制备的金属表面合金剂中金属原子的质量分数分别为：

[0016] 铝原子：0.01-0.3%，

[0017] 钛原子：0.01-0.5%，

[0018] 硼原子：0.1-0.5%，

[0019] 钙原子：0.5-2%，

[0020] 钼原子：0.5-3%。

[0021] 优选的是，所述植物油为花生油、大豆油、亚麻油、棕榈油、椰子油、蓖麻油、菜子油中的一种或一种以上以任意比的混合物。

[0022] 所述催化剂为氨水、盐酸、碳酸氢铵、双氧水或高锰酸钾。

[0023] 所述含铝化合物为异丙醇铝、铝酸酯、硫酸铝、硝酸铝和铝粉的一种或一种以上以任意比的混合物。

[0024] 所述含钙化合物为氢氧化钙、氧化钙、有机磺酸钙、碳酸钙和烷基水杨酸钙中的一种或一种以上以任意比的混合物。

[0025] 所述含硼化合物为硼酸、氧化硼、硼酸酯中的一种或其中多种以任意比的混合物。

[0026] 所述含镁化合物为氧化镁、氢氧化镁、硝酸镁、有机磺酸镁中的一种或一种以上以任意比的混合物。

[0027] 所述含钛化合物为钛酸酯、氧化钛、四氯化钛、异丙醇钛、硫酸钛中的一种或一种以上以任意比的混合物。

[0028] 所述含钼化合物为氧化钼、钼酸铵、有机钼中的一种，或一种以上以任意比的混合物。

[0029] 一种上述金属表面合金剂的制备方法，包括以下步骤：

[0030] 1）金属化合物的制备：

[0031] 在搅拌条件下，按照配方向反应釜中加入含铝化合物、含钛化合物、含钙化合物、含硼化合物、含镁化合物和含钼化合物，搅拌1～4小时，得到棕色粘稠液体；

[0032] 2）金属表面合金剂的制备：

[0033] 将上述得到棕色液体移至高压反应釜中，按配方加入植物油和盐酸，然后封闭高压反应釜，通入二氧化碳至超临界压力72.9atm，升温至超临界温度31.26℃，在搅拌条件下反应3～6小时后，冷却、分液、真空干燥脱水，得到油溶性透明液体或者粘稠状液体。

[0034] 本发明的金属表面合金剂利用化学和物理冶金相结合的方法来改变金属材料表面化学成分和组织结构，从而使材料表面获得所要求性能的工艺过程。以润滑剂为载体，利用摩擦产生的热，通过化学热处理技术，一方面可以提高材料硬度、耐腐蚀和耐热性能，另一方面还可以提高材料的耐磨性。

[0035] 本发明的金属表面合金剂为含硼、钙、钼、铝和镁的多元化合物，其本身不含硫、氯和磷，满足环保及美国石油协会(API)GF-4、GF-5的低硫、磷要求并具有较好的极压抗磨性能和抗氧化性能。

附图说明

[0036] 图1为实施例3制得的金属表面合金剂按0.5wt%的比例加入到润滑油中测得的摩擦副表面元素的电子能谱。

具体实施方式

[0037] 下面结合具体实施例对本发明的方法进行详细说明。

[0038] 实施例1

[0039] 一种金属表面合金剂的制备方法，包括以下步骤：

[0040] （1）金属化合物的制备：

[0041] 在反应釜中，在搅拌条件下依次加入10g异丙醇铝、15g钛酸酯、20g有机磺酸钙、10g硼酸、25g有机磺酸镁和5g钼酸铵，搅拌1小时，得到棕色粘稠液体。

[0042] （2）金属表面合金剂的制备：

[0043] 将5g步骤（1）制得的棕色液体移至高压反应釜中，分别加入70g棕榈油和5g盐酸，然后封闭反应釜，通入二氧化碳至超临界压力72.9atm，升温至超临界温度31.26℃，搅拌条件下反应4小时后，冷却、分液、真空干燥脱水后得到油溶性透明液体或者粘稠状液体。

[0044] 实施例2

[0045] 一种金属表面合金剂的制备方法，包括以下步骤：

[0046] （1）金属化合物的制备：

[0047] 在反应釜中，在搅拌条件下依次加入12g铝酸酯、13g异丙醇钛、24g烷基水杨酸钙、12g硼酸、21g硝酸镁和3g有机钼，搅拌1小时，得到棕色粘稠液体。

[0048] （2）金属表面合金剂的制备：

[0049] 将5g步骤(1）制得的棕色液体移至高压反应釜中，分别加入60g棕榈油和2g高锰酸钾，然后封闭反应釜，通入二氧化碳至超临界压力72.9atm，升温至超临界温度31.26℃，搅拌条件下反应4小时后，冷却、分液、真空干燥脱水后得到油溶性透明液体或者粘稠状液体。

[0050] 实施例3

[0051] 将5g实施例1步骤（1）制得的棕色液体移至高压反应釜中，分别加入60g椰子油和2g高锰酸钾，然后封闭反应釜，通入二氧化碳至超临界压力72.9atm，升温至超临界温度31.26℃，搅拌条件下反应4小时后，冷却、分液、真空干燥脱水后得到油溶性透明液体或者粘稠状液体。

[0052] 将上述制得的金属表面合金剂按0.5wt%的比例加入到润滑油中，测得的摩擦副表面元素的电子能谱（EDX）如图1所示。

[0053] 下表是上述3个实施例制得的金属表面合金剂在不同载荷下的抗压抗磨性能测试结果。

[0054]

[0055] 从上述实验数据可知，本发明实施例制备的金属表面合金剂不含有硫、磷、锌、氯等有害物质，同时具有比ZDDP更好的极压抗磨性能，摩擦系数下降70%，磨斑直径下降80%以上。图1摩擦副表面能谱分析可以证明，该金属表面合金剂在润滑油中长期使用会在金属表面形成含硼，镁，钼，铁，钛的合金层结构。