微米級二硫化鉬作為添加劑的潤滑油性能研究

劉小華, 劉利國, 丁詩泳, 周洪梅, 唐 揚, 王澤宇

(江南大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

二硫化鉬(MoS2)是灰鉬礦的主要成分，是一種灰黑色帶有金屬光澤的固體粉末，具有和石墨相似的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間的硫原子結(jié)合力(范德華力)較弱，易于滑動而表現(xiàn)出很好的減磨作用；此外，暴露在晶體表面的硫原子對金屬表面產(chǎn)生很強的黏附作用，形成很牢固的膜，使得其潤滑性能優(yōu)于石墨[1-2].因此，二硫化鉬成為目前最熱門的潤滑油添加劑之一，國內(nèi)外學(xué)者紛紛對此展開了研究，多家科研單位和機構(gòu)研制出了納米級二硫化鉬作添加劑的潤滑油，并已投入使用[3-4].納米級二硫化鉬與微米級二硫化鉬相比具有活性高、選擇性好的優(yōu)勢[5]，且微米級二硫化鉬做添加劑更易發(fā)生團聚現(xiàn)象,所以目前對二硫化鉬的研究集中在納米級水平.但是微米級二硫化鉬低廉的價格使得其相對于納米級二硫化鉬具有更廣闊的市場前景，因此本文考察微米級二硫化鉬作為添加劑的潤滑油的極壓性能和抗磨減摩特性.

1 試驗方法與內(nèi)容

1.1 試驗前期準備

實驗所用的基礎(chǔ)油為18#雙曲線車輛齒輪油，所用二硫化鉬由天津市巴斯夫化工有限公司生產(chǎn)，粒度在20～80μm.首先用硬脂酸與硅烷偶聯(lián)劑作改性劑(二者均占二硫化鉬質(zhì)量的0.25%)，采用濕法改性法對二硫化鉬作表面處理.然后，準確配置二硫化鉬與基礎(chǔ)油質(zhì)量比分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的復(fù)合潤滑油.將配置的潤滑油常溫下放置2個月，不發(fā)生團聚者即為合格的試驗用油.

1.2 方法與內(nèi)容

(1)極壓性能測試：MRS-10W型四球機工作示意圖如圖1所示，參照GB/T 12583-1998的要求逐級加負荷，每個試驗做10s，試驗后測量3個鋼球的磨斑直徑取平均值，然后按規(guī)定方法確定出代表潤滑劑承載能力的最大無卡咬負荷(PB值)和燒結(jié)負荷(PD值).分別對不同濃度的油樣重復(fù)上述操作，確定各油樣的最大無卡咬負荷(PB值)和燒結(jié)負荷(PD值).每次試驗前，用石油醚仔細清洗各工件并吹干，磨斑沿劃線方向與垂直方向測量，任一磨斑直徑與平均值之差不能大于0.04mm，否則檢查上球與油環(huán)的軸對稱問題.將整個試驗過程重復(fù)3次.

圖1 四球機示意圖

(2)減磨性能測試：頂球在1 200r/min的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)30min.此組試驗選擇基礎(chǔ)油和MoS2含量為1.5%的潤滑油作為研究對象，試驗載荷選擇100N、200N、300N、400N和500N.經(jīng)過3次重復(fù)試驗后，測量3個鋼球的磨斑直徑取平均值，通過磨斑直徑平均值來評價減磨性能.

(3)摩擦磨損試驗：加工成塊的45#鋼作為上試樣，45#鋼作為下試樣，在M-2000型試驗機上進行滑動試驗.在低速(200r/min)情況下，進行摩擦試驗30min.試驗使用二硫化鉬含量為1.5%的潤滑油和基礎(chǔ)油作為潤滑劑；每種潤滑工況下所加載荷依次為100N、150N、200N、250N、300N.在M-2000型試驗機上讀出摩擦力矩M后，換算出摩擦系數(shù)μ=M/RP，式中R為摩擦環(huán)半徑且R=20mm，P為所加載荷.試驗結(jié)束后，用無水乙醇浸泡，放在超聲波振蕩儀中清洗，取出放入干燥箱中干燥，再放在0.01mg感量的電子分析天平測量45#鋼的磨損量.磨損量計算公式為：△m=m—mi，其中△m為磨損量，m為試樣的初始質(zhì)量，mi為試驗結(jié)束后試樣的質(zhì)量.摩擦磨損示意圖如圖2所示.

圖2 摩擦磨損示意圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微米級二硫化鉬對潤滑油極壓性能的影響

圖3和圖4分別為不同MoS2含量下的潤滑油的最大無卡咬負荷值(PB)和燒結(jié)負荷值(PD值)，從圖中可知，微米級二硫化鉬的加入，使得潤滑油的承載能力有了一定提高，主要表現(xiàn)在PB值.因為加入微米級二硫化鉬添加劑以后，微粒形成的表面膜阻止了微凸體的直接接觸，故承載能力大大改善.但是當(dāng)添加量超過2.0%后，PB值幾乎不再增加，因為一定量的微米二硫化鉬就足以形成有效的表面膜，添加量增加，其耐受強度變化不大.

圖3 不同MoS2含量下的潤滑油的最大無卡咬載荷

圖4 不同MoS2含量下的潤滑油的燒結(jié)負荷

2.2 微米級二硫化鉬對潤滑油抗磨減摩特性的影響

從微米級二硫化鉬含量對潤滑油極壓性能的影響來看，含1.5%MoS2的潤滑油性能相對較好，為此，再用四球機做一組試驗，以測定含1.5%MoS2的潤滑油的減磨特性，結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同載荷下的磨斑直徑

圖5中數(shù)據(jù)顯示，含1.5%MoS2的潤滑油的抗磨減摩特性從總體趨勢來看不如基礎(chǔ)油，似乎出現(xiàn)了比較反常的現(xiàn)象，其原因在于潤滑油中所加的二硫化鉬微粒尺寸較大(約50μm)，遠大于四球摩擦副間的油膜厚度，因此摩擦副間吸附的主要是潤滑油分子，而該潤滑劑所表現(xiàn)的摩擦特性更多是受這些大尺寸的二硫化鉬顆粒影響所致，很難形成穩(wěn)定的減磨潤滑層，甚至這些顆粒游離在油中，造成所謂的流體磨粒磨損，對磨擦副造成機械磨損，所以相比基礎(chǔ)油抗磨減摩特性有變差的假象[6-9].為此，改用摩擦磨損試驗機做試驗.

圖6 不同載荷下摩擦副之間的摩擦系數(shù)

圖7 不同載荷下的磨損量

圖6、圖7分別是用M-2000型摩擦磨損試驗機做的摩擦磨損試驗所得到的摩擦副間的摩擦系數(shù)和磨損量的結(jié)果.同空白組的基礎(chǔ)油相比，含1.5%MoS2的潤滑油有效地減小了摩擦副之間的摩擦系數(shù)，同樣，也減小了摩擦副之間的磨損量.由于在摩擦磨損試驗機上，此時的摩擦環(huán)與摩擦塊之間滿足形成“流體動力潤滑”的條件，即兩物體存在相對運動、摩擦面是楔形的、液體具有一定的粘度，所以二硫化鉬顆粒得以進入摩擦副間.根據(jù)“微軸承”效應(yīng)，均勻分散在潤滑油中的MoS2微粒可以變摩擦副之間的滑動摩擦為滾動摩擦，同時起到支撐作用，在一定程度上隔開兩摩擦面，阻止金屬表面大面積接觸，從而表現(xiàn)出了良好的抗摩減磨特性[10-11].

3 結(jié)束語

基礎(chǔ)油中添加含量為1.5%的微米級二硫化鉬后，潤滑油的最大無卡咬載荷提高了15.5%，摩擦副之間的摩擦系數(shù)降低了33.1%，磨損量減少了43.5%.微米級二硫化鉬作為添加劑有比較好的效果，并且相對納米添加劑而言，其價廉的優(yōu)勢顯得更加明顯.因此在性能良好和價格低廉的雙重優(yōu)勢下，選擇微米級二硫化鉬作為潤滑油添加劑有較大的效益.通過四球機的試驗表明，研究含較大粒徑固體添加劑的潤滑劑的抗磨減摩特性時，選用四球機可能是不合適的，很可能得出誤導(dǎo)性結(jié)論，應(yīng)通過摩擦磨損試驗機來研究其抗磨減摩特性.

[1]何江山，崔雅茹，李凱茂.納米二硫化鉬的制備與研究進展[J].濕法冶金，2012，31(5)：274-276.

[2]胡坤宏，沃恒洲，韓效釗，等.納米二硫化鉬制備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].當(dāng)代化工，2003，23(8)：14-21.

[3]沃恒洲.納米潤滑級二硫化鉬摩擦學(xué)特性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

[4]張文鉦.二硫化鉬潤滑劑研究進展[J].中國鉬業(yè)，2006，30(5)：3-7.

[5]胡坤宏.納米二硫化鉬制備工藝及其摩擦性能的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004.

[6]張廣宇.表面物理學(xué)的回顧與展望[R].CSRN KXY-931324.北京：科學(xué)出版社，2006.

[7]王曉麗，徐冰士，許一.納米銅潤滑油添加級的摩擦磨損特性及其機理研究[J].摩擦學(xué)報，2007，27(3)：235-239.

[8]徐灝.密封[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[9]李磊，顧卓明，顧彩香，等.納米粒子作為潤滑油添加劑的性能研究[J].當(dāng)代化工，2007，36(3)：268-271.

[10]劉衛(wèi)，邵建人，左林，等.納米銅添加劑對潤滑油承載能力的影響[J].國外建材科技，2003，24(1)：59-60.

[11]于鶴龍，徐濱士，許一，等.納米銅作為潤滑油添加劑的研究進展[J].材料導(dǎo)報，2005，19(10)：53-55.