二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系的摩擦學(xué)性能

張 哲，陳國需，李華峰，楊 皛，陳 力

(后勤工程學(xué)院 油料應(yīng)用與管理工程系， 重慶 401311)

二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系的摩擦學(xué)性能

張 哲，陳國需，李華峰，楊 皛，陳 力

(后勤工程學(xué)院 油料應(yīng)用與管理工程系， 重慶 401311)

應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)給出了二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系的添加比例，并對粉體進(jìn)行了XRD、能量色散X射線分析及粒度測定?？疾炝藦?fù)配體系的摩擦學(xué)性能，應(yīng)用1stopt軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析。結(jié)果表明，二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系能夠在一定程度上改善基礎(chǔ)脂的抗磨減摩性能，尤其在高負(fù)荷下效果顯著。擬合的回歸方程能夠較好地反映復(fù)配體系添加量與摩擦磨損性能的關(guān)系，其擬合值與實(shí)測值具有較好的一致性。

均勻設(shè)計(jì)，復(fù)配體系，摩擦學(xué)，回歸分析

二硫化鉬具有良好的潤滑性能，此得益于其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的較低的摩擦系數(shù)[1-2]。目前，其應(yīng)用較廣，但是價(jià)格較貴，使用成本高。層狀二硅酸鈉具有類似二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)[3]，且熱穩(wěn)定性好、成本低廉、功能全面、使用無污染，是一種開發(fā)潛力巨大的固體潤滑材料[4]。目前對其研究，尤其作為潤滑脂添加劑的研究甚少。

二硫化鉬或?qū)訝疃杷徕c單獨(dú)作為潤滑脂添加劑時(shí)，在極壓性能方面的表現(xiàn)比較單一[5]。二硫化鉬作為潤滑脂添加劑時(shí)，對燒結(jié)負(fù)荷PD的提高明顯，但對最大無卡咬負(fù)荷PB的提高較少；層狀二硅酸鈉作為潤滑脂添加劑時(shí)，其結(jié)果恰恰相反，對PB的提高明顯，而對PD的貢獻(xiàn)不大。基于此，筆者擬將兩者復(fù)配使用，一方面降低使用成本，另一方面期望兩者有好的復(fù)配效果，在提高鋰基潤滑脂抗磨減摩性能的同時(shí)提高其極壓性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

二硫化鉬(MoS2)，純度98.68%，上海晶純實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；層狀二硅酸鈉(Na2Si2O5)，實(shí)驗(yàn)室球磨自制；500SN基礎(chǔ)油，中國石化重慶一坪公司產(chǎn)品；油酸，化學(xué)純，蘇州工業(yè)園區(qū)正興化工研究院產(chǎn)品；石油醚，沸程90～120℃，重慶川東化工(集團(tuán))有限公司化學(xué)試劑廠產(chǎn)品；12-羥基硬脂酸鋰皂，山東紅星化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 改性層狀二硅酸鈉(Na2Si2O5)粉體的制備[6]

將一定量Na2Si2O5通過超聲波處理分散于石油醚中，同時(shí)將配比量的油酸亦均勻分散于其中，使油酸與Na2Si2O5質(zhì)量比為0.5。得到的混合液倒入球磨機(jī)中，球磨30 min，抽濾，石油醚洗滌3次，真空干燥箱80℃干燥24h，研磨，即得到淡黃色的改性Na2Si2O5粉末。

1.3 潤滑脂的制備[7]

將2/3基礎(chǔ)油和預(yù)制皂加入煉制釜內(nèi)攪拌升溫，直至完全熔化(此時(shí)溫度約為200℃)，高溫膨化5～10 min。待釜內(nèi)物料呈真溶液狀態(tài)時(shí)，加入剩余的冷油，使其與皂混合物形成稠化劑晶核，保持溫度在170℃繼續(xù)攪拌5 min。將得到的基礎(chǔ)脂迅速分為13份，待溫度降至120℃時(shí)，加入計(jì)量的添加劑，配制成13份含不同添加量添加劑的潤滑脂和基礎(chǔ)脂樣品，攪拌均勻。待冷卻至室溫后，在三輥磨中研磨6次，得到基礎(chǔ)脂和添加有不同添加量復(fù)配體系的潤滑脂。

1.4 改性Na2Si2O5粉體的表征

采用島津公司Lab XRD-6100型X射線衍射儀對Na2Si2O5粉體進(jìn)行XRD分析，Cu靶輻射，掃描電壓40 kV，電流30 mA，階寬0.2°，步速5°/min，定時(shí)階梯掃描方式得到XRD譜。采用中國科學(xué)院東方集成公司MicrotracS3500型激光粒度儀測定Na2Si2O5粉體粒徑。

1.5 摩擦磨損試驗(yàn)

采用點(diǎn)接觸的方式考察潤滑脂的摩擦學(xué)性能，使用中國石化石油化工科學(xué)研究院提供的GCr15標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)鋼球，直徑12.7000 mm。采用濟(jì)南宏試金試驗(yàn)儀器有限公司MMW-1P型雙顯示立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試潤滑脂的抗磨減摩性能，試驗(yàn)方法參見SH/T0204-1992；轉(zhuǎn)速(1200±50)r/min，溫度(75±2)℃，時(shí)間(60±1)min，載荷(392±2)N；同時(shí)考察試樣在196N和588N載荷下的抗磨減摩效果。采用濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠MQ-800型四球試驗(yàn)機(jī)測試試樣的極壓性能，試驗(yàn)方法參見GB/T3142-1982；轉(zhuǎn)速(1450±50)r/min，溫度室溫，時(shí)間10 s。采用日立公司S-3700N型掃描電子顯微鏡自帶能量色散X射線分析儀分析鋼球磨斑表面元素含量(EDX法)。

1.6 實(shí)驗(yàn)方法

采用均勻?qū)嶒?yàn)考察MoS2和Na2Si2O5復(fù)配體系的摩擦學(xué)性能。以x1表示MoS2添加量，x2表示Na2Si2O5添加量，x1、x2變化范圍為0～3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。選擇均勻設(shè)計(jì)表(1210)設(shè)計(jì)2因素、12水平的均勻?qū)嶒?yàn)。按照該設(shè)計(jì)表選擇1、5水平安排實(shí)驗(yàn)，得到均勻設(shè)計(jì)表1[8]。

表1 MoS2粉體和Na2Si2O5粉體復(fù)配實(shí)驗(yàn)的均勻設(shè)計(jì)表

x1=w(MoS2);x2=w(Na2Si2O5)

2 結(jié)果與討論

2.1 MoS2和Na2Si2O5粉體的XRD表征結(jié)果

圖1為MoS2和改性、未改性Na2Si2O5粉體的XRD譜。由圖1可以看出，MoS2的衍射峰清晰明顯，雜峰較少，說明其雜質(zhì)含量較低；改性和未改性Na2Si2O5衍射峰較多，且峰強(qiáng)度不一，說明其中含有少量雜質(zhì)，推測是由于在儲(chǔ)存期間吸收了少量水分，部分結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生少量分解物所致。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的樣品框窗口大小不一導(dǎo)致了參與衍射的粉末體積存在差異，而衍射峰的強(qiáng)度與樣品參與衍射的體積成正比，所以其強(qiáng)度不一[9]。改性、未改性Na2Si2O5粉體的XRD中Na2Si2O5的特征衍射峰清晰，且各峰位相互對應(yīng)，說明改性并未改變Na2Si2O5晶體結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)單元相同，改性前后屬于同一晶系。

2.2 MoS2和Na2Si2O5粉體的粒度分布

MoS2和Na2Si2O5粉體的粒徑分布如圖2所示。從圖2可見，MoS2粉體的粒徑分布單一，均勻性好，其顆粒的累積粒徑分布達(dá)到50%時(shí)所對應(yīng)的中位直徑D50=1.48μm；Na2Si2O5粉體的粒徑分布較寬，在1～10μm范圍，其D50=3.74μm。二者的粒徑分布均符合作為潤滑添加劑的粒度要求[10]。

圖1 MoS2和改性前后Na2Si2O5粉體的XRD譜

圖2 MoS2和Na2Si2O5粉體的粒徑分布

2.3 添加MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的潤滑脂的摩擦學(xué)性能

2.3.1 復(fù)配體系對潤滑脂理化性能的影響

表2列出了添加不同水平MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的潤滑脂的理化性能。從表2可以看出，復(fù)配體系的加入基本未改變潤滑脂的滴點(diǎn)和非工作錐入度。個(gè)別水平下滴點(diǎn)有微小降低，說明MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的加入在一定程度上擾亂了皂纖維的結(jié)構(gòu)，對潤滑脂的膠體安定性產(chǎn)生了一定的影響。推測這是由于其中MoS2表面含有少量的極性基團(tuán)，這些基團(tuán)能被吸附在皂分子極性端間，擴(kuò)大了皂分子間的排列距離，從而使分油更加容易，導(dǎo)致滴點(diǎn)下降，但整體影響不大。

2.3.2 復(fù)配體系對潤滑脂抗磨減摩性能的影響

圖3為添加不同水平MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)。從圖3可以看出，與未添加MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的基礎(chǔ)脂相比，在低載荷下添加MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂的摩擦系數(shù)并未減小，反而增大。推測是由于在低載荷下，摩擦條件相對比較溫和，處于流體潤滑狀態(tài)，摩擦發(fā)生在潤滑脂內(nèi)部，添加劑的加入，擾亂了流體流動(dòng)的規(guī)律，所以其摩擦系數(shù)反而比基礎(chǔ)脂更高。但在稍高的載荷下，復(fù)配體系的效果開始顯現(xiàn)，在水平2時(shí)，潤滑脂的摩擦系數(shù)相對基礎(chǔ)脂降低了28.6%；特別是在高載荷下，其摩擦系數(shù)降低非常明顯，在水平9和10時(shí)，摩擦系數(shù)較之基礎(chǔ)脂降低了50.3%，減摩效果顯著。從圖3還可見，添加MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂在高載荷下的摩擦系數(shù)均低于小、中載荷，說明復(fù)配添加劑更適宜在苛刻條件下使用。

表2 添加MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系對潤滑脂理化性能的影響

圖3 添加不同水平MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)

圖4為添加不同水平MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂在不同載荷下的鋼球磨斑直徑。從圖4可見，鋼球磨斑直徑的變化與摩擦系數(shù)的變化規(guī)律一致。在196 N低載荷時(shí)，大部分水平的磨斑直徑大于基礎(chǔ)脂；但在中載荷時(shí)，部分水平的磨斑直徑降低較多，最好的水平10和11，較之基礎(chǔ)脂磨斑直徑降低了24%；高載荷下的水平9和10，其磨斑直徑降低了43.3%，抗磨效果顯著。從整體上看，高載荷下MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的抗磨性優(yōu)勢明顯。根據(jù)軸承特性參數(shù)ηV/P可以看出，當(dāng)提高載荷時(shí)，特性參數(shù)減小，導(dǎo)致潤滑狀態(tài)發(fā)生變化，由流體潤滑向薄膜潤滑、邊界潤滑轉(zhuǎn)化，此時(shí)添加劑能夠發(fā)揮在乏油狀態(tài)下的作用，變摩擦副之間的運(yùn)動(dòng)為晶層內(nèi)部的滑移，并在一定條件下形成了抗磨減摩性能優(yōu)異的表面膜，提高了基礎(chǔ)脂的摩擦學(xué)性能。

圖4 添加不同水平MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂在不同載荷下的鋼球磨斑直徑(WSD)

2.3.3 復(fù)配體系對潤滑脂極壓性能的影響

表3列出了添加不同水平MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂的極壓性能。從表3可以看出，復(fù)配體系對潤滑脂極壓性能的影響顯著，不但表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗油膜破裂能力，也大幅提高了基礎(chǔ)脂的抗燒結(jié)能力，彌補(bǔ)了兩種添加劑在極壓性能方面作用單一的缺陷，達(dá)到了預(yù)期的效果。特別是在水平10和12時(shí)，提高最為顯著，PB提高了117%，PD提高了57.5%。

表3 添加不同水平MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系潤滑脂的極壓性能

2.3.4 復(fù)配體系與單劑作用比較

表4為分別添加MoS2、Na2Si2O5、MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的潤滑脂的摩擦學(xué)性能。其中復(fù)配體系選擇綜合性能優(yōu)異的水平10，Na2Si2O5單劑和MoS2單劑均為前期實(shí)驗(yàn)得到的最佳添加量。從表4可以看出，在中、低載荷下，添加水平10復(fù)配體系的減摩效果并未優(yōu)于單劑，在392N下具有一定的抗磨性能；但在高載荷下，其抗磨減摩性能顯著，均明顯優(yōu)于單劑的作用。同時(shí)，還可以看出，單劑作用下的極壓性能表現(xiàn)單一，而復(fù)配組合發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，全面提高了極壓性能。

表4 分別添加MoS2、Na2Si2O5、MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的潤滑脂的摩擦學(xué)性能

2.4 潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑與MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系兩種添加劑添加量的關(guān)系方程

根據(jù)均勻設(shè)計(jì)結(jié)果，采用1stopt軟件擬合了不同載荷下潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑與MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系兩種添加劑添加量的關(guān)系方程，分別如式(1)～(6)所示。

(1)Load=196N

(1)

(2)

(2)Load=392N

(3)

(4)

(3)Load=588N

(5)

(6)

式(1)～(6)中，y1表示摩擦系數(shù)的數(shù)值；y2表示磨斑直徑的數(shù)值；x1、x2如1.6節(jié)中所述。根據(jù)得到的方程，在合理的范圍(x1>0，x2≤0.03，y1>0，y2<0.08)內(nèi)，得到最佳值下的x1、x2，并實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，其結(jié)果列于表5。從表5可以看出，擬合值與實(shí)測值相差不大，特別是在中、高載荷下的磨斑直徑，擬合結(jié)果較準(zhǔn)確。

表5 MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系最佳添加量下潤滑脂的μ和WSD的擬合值和實(shí)測值

2.5 MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系的抗磨減摩機(jī)理

加入潤滑脂中的MoS2和Na2Si2O5的粒徑存在梯度分布，當(dāng)其隨潤滑脂進(jìn)入摩擦副構(gòu)件時(shí)，粒徑較大的Na2Si2O5粉體首先以磨粒磨損的形式對摩擦表面進(jìn)行拋光和精加工，并在點(diǎn)接觸的高應(yīng)力和高溫下不斷細(xì)化，填充在摩擦副的凹坑中，增加了實(shí)際接觸面積。同時(shí)，兩種均為層狀結(jié)構(gòu)的MoS2和Na2Si2O5粉體，其層間結(jié)合力弱，而層內(nèi)各鍵鍵能較高，所以在外力作用下易產(chǎn)生滑移，降低了摩擦系數(shù)。另外，在高溫和高剪切力作用下，含有Na2Si2O5的摩擦學(xué)體系會(huì)釋放出活性氧原子和鐵碳體、鐵氧體等[11-12]。這些物質(zhì)在摩擦產(chǎn)生的能量作用下，在摩擦副表面，特別是具有高活性的、有缺陷的表面(微凸體)處與金屬基體作用，形成了一層抗磨減摩性能優(yōu)異的表面膜，增加了耐磨性。

圖5為添加水平10的MoS2-Na2Si2O5復(fù)合體系潤滑脂的鋼球磨斑表面的EDX譜。從圖5可以看出，在摩擦表面均檢測到了兩種粉體的特征元素Na、Si和Mo。按照二者的分子式Na2Si2O5和MoS2，如果二者均同鋼球表面發(fā)生反應(yīng)，在水平10添加量的條件下，鋼球表面Mo含量理論值應(yīng)大大高于Na含量的理論值，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻得到Na元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.85%)高于Mo元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.74%)。說明復(fù)配體系在發(fā)揮作用的情況下，Na2Si2O5和鋼球表面的作用更強(qiáng)，對抗磨減摩的貢獻(xiàn)較之MoS2更大。

圖5 添加水平10的MoS2-Na2Si2O5復(fù)合體系潤滑脂的鋼球磨斑表面的EDX譜

3 結(jié) 論

(1)二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系可在一定程度上改善基礎(chǔ)脂的摩擦學(xué)性能，添加2.5%MoS2-2.75%Na2Si2O5復(fù)配體系的效果顯著。

(2)MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系發(fā)揮了兩者各自的摩擦學(xué)優(yōu)勢，同時(shí)提高了最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷，且較之單劑，其抗磨減摩效果明顯。

(3)根據(jù)復(fù)配結(jié)果擬合的潤滑脂摩擦系數(shù)和磨斑直徑與MoS2-Na2Si2O5復(fù)配體系添加量的關(guān)系方程計(jì)算得到的摩擦系數(shù)和磨斑直徑與實(shí)測值具有較好的一致性。

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Tribological Properties of the Compounded System of Molybdenum Disulfide and Crystalline Layered Sodium Disilicate as the Additives of Lithium Grease

ZHANG Zhe，CHEN Guoxu，LI Huafeng，YANG Xiao，CHEN Li

(DepartmentofOilApplicationandManagementEngineering，LogisticalEngineeringUniversity，Chongqing401311，China)

The uniform design was used to determine the addition proportions of molybdenum disulfide powder and crystalline layered sodium disilicate powder in grease. The powders were characterized by XRD， EDX and laser granularity analyzer. The anti-wear & friction reducing properties of the combined system were studied. Meanwhile， the data analysis software 1stopt was used to analyze the obtained data. It was shown that the combined system of molybdenum disulfide powder and crystalline layered sodium disilicate powder could improve the antiwear & friction reducing properties of the based grease， especially under high loads. The regression equation showed good relationship of the addition of combined system and the friction coefficient and the wear scar diameter of the grease.

uniform design; compounded system; tribology; regression analysis

2013-12-11

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC，2009AB4224)資助 第一作者： 張哲，男，碩士研究生，從事潤滑材料的研究; E-mail:814638891@qq.com

陳國需，教授，主要從事油料應(yīng)用、摩擦化學(xué)和潤滑材料的研究；Tel: 023-68582245; E-mail：chen＿guoxu@21cn.com

1001-8719(2015)01-0172-06

TH117

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.01.027