JP4451306B2 - 回転トラニオンで支持された装置を潤滑するための固形潤滑剤 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、高温環境で用いられる固形潤滑剤に関する。より具体的には、本発明は、リン酸トリフェニル、グラファイトなどの潤滑剤及び軟質金属を含有する固形潤滑剤に関する。

発明の背景
固形潤滑剤は、石灰、セメント、カオリン、パルプ、紙等の製造プロセスで用いられる回転窯の様々な部品間の摩擦及び疲労を減らすために用いられている。潤滑剤の成分の選択は、潤滑剤が沈殿する環境の運転温度より低い温度での潤滑剤の自己発火を防ぐために重要である。窯環境は、華氏1,000度（摂氏537度）以上の温度に達する。パラフィンを含有する従来の潤滑剤は、低い自己発火温度を有するため、このような高温環境にはしばしば不適である。高い自己発火温度を有する有機リン酸エステル材料が、これまで液体潤滑剤には用いられてきたが、固形潤滑剤で用いられたことはなかった。

石灰及びセメント工場等にある窯など、温度が華氏1,000度（摂氏537度）を越えることがある大変高温の環境で用いるのに適した自己発火温度を有する固形潤滑剤があることが好ましいであろう。

発明の概要
本発明は、高温環境で用いるための固形潤滑剤棒を提供するものである。該棒は、担体、固形潤滑剤及び軟質金属を含む。該担体は、リン酸トリフェニルなどの有機リン酸エステルであってよい。該固形の潤滑剤はカーボン、グラファイト等であってよい。シリカゲル及び／又は無機クレーを増粘剤として加えてもよい。該軟質金属は銅、アルミニウム、すず、これらの混合物等であってよい。ある好適な実施態様では、材料の比率はリン酸トリフェニルが約６０％、及び固形（即ち固形潤滑剤及び軟質金属）が約４０％である。本固形潤滑剤棒は、好ましくは少なくとも華氏約1,000度（摂氏537度）の自己発火温度を有する。

さらに本発明は、当該組成物を簡単に混合できるように該担体（例えばTPP）をまず融解させるステップを含む、本発明の組成物を形成する方法も提供するものである。粉末状の固形潤滑剤と、粉末状又はフレーク状の軟質金属とを、融解した液体の担体に加え、混合する。こうして形成された混合物を鋳型に注ぎ込み、そこでこの混合物を冷まして担体を固化させる。該鋳型により、棒又は他の所望の形状をもたらすことができる。固化すると、該組成物は固形潤滑剤棒となり、このときグラファイト又は他の固形潤滑剤成分と軟質金属は、負荷支持潤滑作用の大半の部分を担い、他方担体は穏やかな抗疲労（抗酸化剤）剤として働く。

本発明の他の特徴及び長所は、付属の請求の範囲を考慮に入れつつ、以下の本発明の実施態様の詳細な説明の項を読まれれば明白となるであろう。

実施態様の詳細な説明
本発明は、概略的には、担体、固形潤滑剤及び軟質金属を含む固形潤滑剤棒（又は他の形状）を提供するものである。潤滑剤棒の担体は、高い使用温度での焼け付きを防ぐために高い発火温度を有する材料である。ある実施態様では、リン酸トリフェニル（「TPP」）を有機リン酸エステル担体として用いる。TPPが好ましい理由は、それが（華氏1,000度（摂氏537度）の範囲の）高い自己発火温度を有するからであり、従って石灰、セメント、及び他の製造工場の行程で用いられる窯など、高温環境に適したものになっている。

低温の環境の場合、合成ワックス及び／又はパラフィンを固形潤滑剤に取り入れて、融解点及び性能パラメータを変更することができる。ワックスを用いるある実施態様では、該ワックスは、インターナショナル・ワックス社のパラフィン・ワックス1230番など、華氏125-127度（摂氏約52-53度）の融解点を有するパラフィンである。該コポリマは、摂氏103-110度の融解点を有するエチレンアクリル酸コポリマ、具体的には、BASF社のエチレンコポリマEAS-1か、又は、摂氏87-92度の融解点を有するポリエチレンから主に成るエチレン-酢酸ビニルコポリマ、具体的には、やはりBASF社のポリエチレングリコールEVA-1、である。コポリマ又はポリマと比べて、パラフィンを担体として用いることの利点は、パラフィンは融解しても有害な残渣は大変僅かしか残さないが、 ポリマ又はコポリマは、融解及び気化後、かなりの量のプラスチック残渣が残る場合があることである。

本発明において、極圧添加剤として用いるためのリンを含有する有機化合物は、亜リン酸エステル及びリン酸エステルである。該亜リン酸エステルには、限定はしないが、亜リン酸トリフェニル、亜リン酸トリクレジル、亜リン酸ジフェニルノニルフェニル、亜リン酸トリス（ノニルフェニル）、亜リン酸トリイソオクチル、亜リン酸ジフェニルイソデシル、亜リン酸フェニルジイソデシル、これらの混合物等がある。リン酸エステルには、限定はしないが、リン酸トリフェニル、リン酸トリクレジル、リン酸トリキシレニル、リン酸クレジルジフェニル、リン酸オクチルジフェニル、リン酸キシレニルジフェニル、リン酸トリラウリル、リン酸トリセチル、リン酸トリステアリル、リン酸トリオレイル、リン酸オレイルイドロゲン（原語：oleylydrogen phosphate）、これらの混合物等がある。

本潤滑剤棒の潤滑剤は、粉末カーボン、グラファイト、モリブデン、硼素、窒化硼素、タングステン、ポリテトラフルオロエチレン、及びこれらの混合物、から成る群より選択される材料を含む。ある実施態様では、ニューヨーク州ブロクトンのアプライド・カーボン・テクノロジー社から入手可能なグラファイトを用いる。シリカゲル又は無機クレイ又はこれらの混合物は充填材及び担体として利用でき、混合物に潤滑性を提供するのではなく、これらは典型的にはゲル化剤として用いられる。挙げられている他の製品は、完成品に抗疲労性及び極圧性の特徴を提供するものである。

軟質金属は銅、アルミニウム、すず、又はこれらの混合物から成る群より選択される。いくつかの用途の場合、おそらくは反応性が高すぎるであろうが、亜鉛及び／又は鉛を用いることもできる。軟質金属はフレーク状又は粉末状で提供する。

ある実施態様では、材料比は約60%がTPPで約40%が固体（即ち固形潤滑剤及び軟質金属）である。より広い幅には、100%のTPPや、あるいは、何らかの比率のTPPを、約1乃至約50%の固体又は二種の固体の組合せと併用する混合物が含まれるであろう。上に挙げたものの中から、他の潤滑成分のいずれか一つを代替的に置換して、潤滑すると共に、疲労を減らすようにデザインされた機能的な良質の製品を得ることができよう。別の実施態様では、TPPを単独の担体として用いることができ、最高で合計約50%の固形分（即ち固形潤滑剤及び軟質金属）を加える。固形潤滑剤、例えば、しかし限定はしないがグラファイト）と混合金属（例えば、しかし限定はしないが銅）との組合せは約1%で変更することができ、即ち、範囲の一方の端の最高約49%のグラファイト及び約1%の銅から、最高で約49%の銅及び約1%のグラファイトを用いてもよい。ある実施態様では、環境上の報告要件及び費用を抑えるために、銅を約10%未満に制限することが好ましい。

ある実施態様では、固形分、グラファイト又はその代替物の組合せを約1%まで下げることができるが、最小値は約5%とするのが有益であろう。前記の銅、又は、今は環境への配慮から最大で約10%の使用となっているその代替物をごく微量まで低くすることができ、その比率は、完成品の費用及び最大飽和点を制約とするだけであり、優れた／最適な性能が得られるまで最高に上げることができる。

銅は、例えばカンブロ社の銅フレーク粉末５３０番など、３２５番メッシュ上で約1.5%の最大保持率を有する銅粉末から選択される。亜鉛は、ピュリティ・ジンク社のジンク・ダストUP4など、約3.50乃至4.50ミクロンの平均粒子サイズを有する亜鉛粉末から選択される。アルミニウムは、カンブロ社のアルミニウム粉末８０５番など、３２５番メッシュ上で約1.5%の最大保持率を有するアルミニウム粉末から選択される。銅粉末を用いる利点は、二番目に最も安価な金属潤滑性粉末であり、熱を大変効果的に散逸させるからである。

ある実施態様では、貴金属粉末は、銅、銀又はこれらの混合物から成る群より選択される。銅は、例えばカンブロ社の銅フレーク粉末５３０番など、３２５番メッシュ上で約1.5%の最大保持率を有する銅粉末から選択される。銀は、ジョンソン・アンド・マセイ社の銀粉末など、３２５番メッシュ上で約1.5%の最大保持率を有する銀粉末から選択される。銅粉末を用いる利点は既に上述した通りであるが、銀粉末は、銅粉末よりも熱を散逸させる。反応性又は費用が問題とならなければ、亜鉛、アルミニウム、銀、金、銅、鉛、すず、アンチモニー等を含め、いずれの金属を用いることもできよう。

本発明の組成物を形成する方法は、本組成物が容易に混合するように、まず担体（例えばTPP）を融解させるステップを含む。粉末状の固形潤滑剤と、粉末又はフレーク状の軟質金属とを、融解した液体の担体に加え、混合する。こうして形成された混合物を鋳型に注ぎ入れ、そこで混合物を冷ますと、担体が固化する。該鋳型は棒又は他の所望の形状を生ずるものでよい。固化すると、当該の組成物は固形の潤滑剤棒となり、この場合グラファイト又は他の固形潤滑剤成分と軟質金属とは、負荷支持潤滑作用の大部分を提供し、他方、担体は、穏やかな抗疲労（抗酸化）剤として作用する。該鋳型は、窯の負荷支持フィラー棒又は窯のシェルと、停留リングの内側の孔との間に容易に挿入可能な潤滑剤棒を提供する大きさに形成されている。窯は高温で運転するため、担体は融解し、固形潤滑剤が摩擦表面上に流れ、沈積する。棒を押出成形する場合、固形分の比率は、約90%まで高くしてもよい。

さらに本発明は、上記及び実施例で解説されるプロセスにより作製された固形潤滑剤棒も提供する。

TPPを用いると、融解点が微結晶ワックスよりも低くなり、パラフィン及び微結晶ワックスの両方よりも自己発火点が著しく高くなる。これらの利点により、融解点を上げることなく、配合中の微結晶ワックスに替えてTPPを用いることが可能になる。さらに、融解点が低いことが望ましいのであれば、パラフィン・ワックスの代替も可能である。当該の配合（非TPP）はパラフィン及び微結晶ワックスの両方を、融解点を変えるために配合中に様々な比率で用いると共に、パラフィン・ワックス中への固形分の溶解性を高めている。TPPの使用は、それをパラフィン・ワックスに替えて用いた場合、装置表面に形成される潜在的に粘着性の残渣を無くす一助となる。

まずTPP又はワックスの混合物を用意し、３０ポンドのワックス／担体を計り、それをケットルに注ぎ入れ、加熱及び攪拌を行って固形のワックス／TPP担体を液化させることにより、５０ポンドのバッチを作製する。担体が液体になったら、１５ポンドの粉末状グラファイトをこのバッチに加え、完全に混合する。次に５ポンドの銅フレークを加え、再度混合して、均質に混ぜ合わせる。次に完全な混合物を熱いうちに鋳型に注ぎ入れ、この鋳型を保管し、冷ます。生成物は冷めるにつれ、再度固形となる。生成物が充分に冷めたら、棒を鋳型から引き抜き、この棒を梱包する。押出成型器を用いることも可能であり、それにより延べ労働時間、人件費が減り、生産量が増え、製品の均質性が向上するであろう。

製品サンプルをASTM法E-659を用いて検査した。加熱装置は４つの熱電対点（外側に３つ、そして内側に１つ）を有し、これらはサンプルを挿入する前に等しくしておかねばならない。サンプルを室温で破砕し、シュートを通し、一定の温度間隔に維持されるフラスコ内に送る。華氏790度（摂氏421度）で始まり、華氏30度ずつ、華氏1090度に達するまで上昇する１０種類の温度サンプルを用いた。装置の最大温度は、熱電対上のアルミニウム箔のリード線 のために、華氏1090度だった。従って、当該のポリマの自己発火点は、華氏1090度（摂氏588度）を越える。

上では本発明のごく１、２の例示的な実施例しか解説しなかったが、当業者であれば、本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、数多くの変更を該例示的な実施例において可能であることは容易に理解されよう。従って、このような変更はすべて、以下の請求の範囲に定義された本発明の範囲内に包含されるものと、意図されている。さらに、ここで引用されたいずれかの特許、出願及び公開文献の全文は、引用をもってここに援用されたものであることに留意されたい。

Claims (12)

1. トラニオンで支持された回転装置を潤滑するための固形潤滑剤であって、
   ａ）有機リン酸エステル材料と、
   ｂ）グラファイト、モリブデン、硼素、窒化硼素、タングステン、ポリテトラフルオロエチレン、及びこれらの混合物から成る群より選択される固形潤滑剤と、
   ｃ）銅、アルミニウム、すず及びこれらの混合物から成る群より選択される金属と
   を含み、少なくとも華氏1,000度（摂氏537度）の自己発火点を有する、
   固形潤滑剤。
2. 前記有機リン酸エステル材料ａ）が、亜リン酸トリフェニル、亜リン酸トリス−（ノニルフェニル）、亜リン酸ジフェニルイソデシル、亜リン酸フェニルイソデシル、及びこれらの混合物から成る群より選択される亜リン酸エステルである、請求項１に記載の固形潤滑剤。
3. 前記有機リン酸エステル材料ａ）が、リン酸トリフェニル、リン酸トリクレジル、リン酸トリキシレニル、リン酸クレジルジフェニル、及びこれらの混合物から成る群より選択されるリン酸エステルである、請求項１に記載の固形潤滑剤。
4. 前記有機リン酸エステル材料ａ）の前記固形潤滑剤ｂ）及び前記金属ｃ）に対する比率が60:40である、請求項１に記載の固形潤滑剤。
5. 前記固形潤滑剤及び金属が、固形潤滑剤全体に対して、合計して1乃至50重量%の範囲で存在し、残りが主に前記有機リン酸エステル材料ａ）である、請求項１に記載の固形潤滑剤。
6. 前記有機リン酸エステル材料ａ）がリン酸トリフェニルである、請求項５に記載の固形潤滑剤。
7. 前記グラファイト及び前記銅が、固形潤滑剤全体に対して、49重量%のグラファイト及び1重量%の銅乃至1重量%のグラファイト及び40重量%の銅の濃度範囲で存在する、請求項１に記載の固形潤滑剤。
8. パラフィン、蜂蜜ワックス及び合成ワックスから成る群より選択される少なくとも１つの担体をさらに含む、請求項１に記載の固形潤滑剤。
9. シリカゲル、無機クレイ、及びこれらの混合物から成る群より選択される増粘剤をさらに含む、請求項１に記載の固形潤滑剤。
10. ａ）リン酸トリフェニルを含む有機リン酸エステル材料、
    ｂ）粉末状グラファイトを含む固形潤滑剤、及び
    ｃ）銅を含む金属、
    を含む、トラニオンで支持された回転装置を潤滑するための固形潤滑剤であって、
    前記固形潤滑剤全体に対して、前記リン酸トリフェニルを60重量%含み、前記粉末状グラファイト及び銅を合計して40重量%含み、前記固形潤滑剤が、少なくとも華氏1,000度（摂氏537度）の自己発火点を有する、固形潤滑剤。
11. ａ）リン酸トリフェニルを融解させて液体又は半液体を形成させるステップと、
    ｂ）ステップａ）の前記液体又は半液体に、グラファイト、モリブデン、硼素、窒化硼素、タングステン、シリカゲル、無機クレイ、ポリテトラフルオロエチレン、及びこれらの混合物から成る群より選択される粉末状で提供された固形潤滑剤材料を加え、ステップａ）の前記液体又は半液体に、銅、アルミニウム、すず及びこれらの混合物から成る群より選択されるフレーク又は粉末状で提供された金属も加えるステップと、
    ｃ）ステップ（ｂ）の成分を混合して混合物を形成するステップと、
    ｄ）ステップ（ｃ）の混合物を鋳型に注ぎ入れるステップと、
    ｅ）ステップ（ｄ）の鋳込まれた混合物を冷まして固体を形成させるステップと
    を含む、固形潤滑剤を形成する方法であって、
    前記固形潤滑剤が、少なくとも華氏1,000度（摂氏537度）の自己発火温度を有する、
    方法。
12. ａ）リン酸トリフェニルを融解させて液体又は半液体を形成させるステップと、
    ｂ）ステップａ）の前記液体又は半液体に、グラファイト、モリブデン、硼素、窒化硼素、タングステン、シリカゲル、無機クレイ、ポリテトラフルオロエチレン、及びこれらの混合物から成る群より選択される粉末状で提供された固形潤滑剤材料を加え、ステップａ）の前記液体又は半液体に、銅、アルミニウム、すず及びこれらの混合物から成る群より選択されるフレーク又は粉末状で提供された金属も加えるステップと、
    ｃ）ステップ（ｂ）の成分を混合して混合物を形成するステップと、
    ｄ）ステップ（ｃ）の混合物を鋳型に注ぎ入れるステップと、
    ｅ）ステップ（ｄ）の鋳込まれた混合物を冷まして固体を形成させるステップと
    を含むプロセスにより形成される固形潤滑剤であって、
    前記固形潤滑剤が、少なくとも華氏1,000度（摂氏537度）の自己発火温度を有する、固形潤滑剤。