潤(rùn)滑脂中層狀二硅酸鈉對(duì)二硫化鉬的替代作用

張 哲，陳國(guó)需，程 鵬，陳 力，陳漢林， 夏 迪

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

潤(rùn)滑脂中層狀二硅酸鈉對(duì)二硫化鉬的替代作用

張 哲，陳國(guó)需，程 鵬，陳 力，陳漢林， 夏 迪

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

采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了二硫化鉬單劑作為鋰基潤(rùn)滑脂添加劑的摩擦學(xué)性能，并與其和改性層狀二硅酸鈉的復(fù)配體系在潤(rùn)滑脂中的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了比較，采用EDX檢測(cè)了鋼球表面的元素。結(jié)果表明，添加1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)二硫化鉬單劑的潤(rùn)滑脂具有最佳的摩擦學(xué)效果，當(dāng)添加二硫化鉬+層狀二硅酸鈉復(fù)配組合，并控制添加總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%范圍內(nèi)時(shí)，潤(rùn)滑脂在中高負(fù)荷下的摩擦學(xué)性能好于添加二硫化鉬單劑的潤(rùn)滑脂，層狀二硅酸鈉能部分取代二硫化鉬，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

二硫化鉬;層狀二硅酸鈉;復(fù)配體系;部分替代

作為固體潤(rùn)滑劑，二硫化鉬的歷史悠久，可追溯至17世紀(jì)[1]。其之所以具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，緣于其自身的層狀晶體結(jié)構(gòu)。它的層狀結(jié)構(gòu)是由Mo原子和S原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合在一起的六方晶系構(gòu)成，每層包括3個(gè)原子層，上下兩層為S原子，中間層為Mo原子；每層厚度0.315 nm，兩層之間的間隙為0.349 nm。由于結(jié)合層間的鍵能較低，層間易被剪切剪開(kāi)，極易發(fā)生滑移，加之每層表面柔軟韌光，從而顯示出較低的摩擦系數(shù)[2-4]。但其價(jià)格昂貴，每1 t高達(dá)2×105～3×105RMB，不論是作為固體潤(rùn)滑材料還是添加劑，均會(huì)增加使用成本。筆者在研究了二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配的基礎(chǔ)上，考察了層狀二硅酸鈉在潤(rùn)滑脂中對(duì)二硫化鉬的替代作用。層狀二硅酸鈉具有價(jià)格低、來(lái)源廣、無(wú)污染、無(wú)腐蝕等優(yōu)勢(shì)[5]，如果在潤(rùn)滑脂中能用其部分替代二硫化鉬，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

層狀二硅酸鈉(Na2Si2O5)粉體，太原精細(xì)化工研究所提供；二硫化鉬(MoS2)粉體，河南開(kāi)拓者鉬業(yè)有限公司產(chǎn)品；500SN基礎(chǔ)油，蘭州煉油廠提供；十二羥基硬脂酸鋰、油酸，化學(xué)純；石油醚(90～120℃)，分析純,重慶川東化工(集團(tuán))有限公司化學(xué)試劑廠產(chǎn)品。

1.2 潤(rùn)滑脂試樣的制備

以十二羥基硬脂酸鋰為預(yù)制皂，采用分散法將其分散在500SN基礎(chǔ)油中制備鋰基潤(rùn)滑脂，皂分含量按質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%計(jì)算。將2/3基礎(chǔ)油和所計(jì)量預(yù)制皂在高溫?zé)捴聘谢旌希瑪嚢枭郎刂?10℃，待釜內(nèi)物料呈真溶液狀態(tài)后高溫膨化5～10 min，加入剩余的1/3冷油，使其與皂混合物形成稠化劑晶核，布滿(mǎn)整個(gè)潤(rùn)滑脂介質(zhì)。溫度降至120℃時(shí)，加入添加劑，制備成實(shí)驗(yàn)用潤(rùn)滑脂試樣。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法和儀器

采用SH/T0204抗磨減摩試驗(yàn)方法考察添加有復(fù)配組合物的潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能，轉(zhuǎn)速(1200±50)r/min，溫度(75±2)℃，時(shí)間(60±1)min，分別進(jìn)行了196 N、392 N、588 N 3種載荷的實(shí)驗(yàn)。采用GB/T3142潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法測(cè)定潤(rùn)滑脂的極壓性能，轉(zhuǎn)速(1450±50)r/min，室溫，時(shí)間10 s。采用濟(jì)南宏試金MMW-1P立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和MQ-800四球機(jī)，以點(diǎn)接觸的方式考察潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能，所用標(biāo)準(zhǔn)鋼球由中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院提供，材質(zhì)GCr15，尺寸12.7000 mm。

1.4 層狀二硅酸鈉的改性

前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]表明，作為潤(rùn)滑脂添加劑，改性后的層狀二硅酸鈉粉體較之未改性的粉體具有更好的摩擦學(xué)性能，所以在復(fù)配之前先對(duì)其進(jìn)行改性。將5 g層狀二硅酸鈉粉體超聲波分散于100 mL石油醚中，同時(shí)將與層狀二硅酸鈉粉體質(zhì)量比為0.5的油酸在50 mL石油醚中分散均勻。兩者加入球磨機(jī)中球磨30 min，抽濾，石油醚洗滌濾餅3遍，真空干燥箱80℃干燥24 h，研磨，得到淡黃色的粉末即為改性的層狀二硅酸鈉[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 二硫化鉬和層狀二硅酸鈉粉體的XRD分析和粒徑分布

2.1.1 XRD分析結(jié)果

圖1為二硫化鉬粉體和改性、未改性層狀二硅酸鈉粉體的XRD譜。由圖1可見(jiàn)，二硫化鉬晶體的特征衍射峰清晰明顯，雜峰較少，表明其雜質(zhì)含量較少。改性和未改性層狀二硅酸鈉所出現(xiàn)的衍射峰較復(fù)雜，且強(qiáng)度不一，表明其中含有少量雜質(zhì)，推測(cè)是由于在儲(chǔ)存期間吸收了少量水分，破壞了部分結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了少量分解物。實(shí)驗(yàn)設(shè)備中樣品框窗口的大小不一導(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)度存在差別[8]。但其主要衍射峰清晰，且各峰位相互對(duì)應(yīng)，說(shuō)明改性并沒(méi)有改變層狀二硅酸鈉晶體結(jié)構(gòu)，改性前后屬于同一晶系。

2.1.2 粒徑分布

二硫化鉬和改性層狀二硅酸鈉粉體的粒徑分布示于圖2。由圖2可見(jiàn)，二硫化鉬的粒徑分布單一，均勻性好，其中位直徑D50=1.48 μm；改性層狀二硅酸鈉粉體的粒度分布呈現(xiàn)“兩邊低，中間高”的狀態(tài)，分布范圍約為1～10 μm，其中位直徑D50=3.74 μm。因此，二硫化鉬和改性層狀二硅酸鈉粉體均符合作為潤(rùn)滑添加劑的粒度要求[9]。

圖2 MoS2和改性層狀二硅酸鈉(Na2Si2O5)粉體的粒徑分布

2.2 二硫化鉬單劑對(duì)提高潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能的作用

圖3為添加MoS2單劑的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的減摩性能。由圖3可見(jiàn)，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)逐漸增大；添加有MoS2粉體的潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)在各個(gè)載荷下均小于基礎(chǔ)脂的，特別是當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，在各個(gè)載荷下均有較好的減摩性能。

圖3 添加不同量MoS2粉體的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的減摩性能

圖4為添加MoS2單劑的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的抗磨性能。由圖4可見(jiàn)，隨著載荷的增加，試樣的抗磨性能有所下降，在中高載荷下有顯著的抗磨性，在低載荷下沒(méi)有效果。說(shuō)明含有MoS2粉體的潤(rùn)滑脂更適合在苛刻條件下使用。特別是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的MoS2的潤(rùn)滑脂，在各個(gè)載荷下均具有較好的抗磨性能。

圖4 添加MoS2粉體的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的抗磨性能

2.3 潤(rùn)滑脂中層狀二硅酸鈉對(duì)二硫化鉬的部分替代作用

2.3.1 加有MoS2和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能

考察潤(rùn)滑脂中改性層狀二硅酸鈉(Na2Si2O5)對(duì)MoS2的替代作用時(shí)，由于MoS2粉體單劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的添加量時(shí)有最好的抗磨減摩性能，故控制兩者添加總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以?xún)?nèi)，得到6組復(fù)配組合，分別為0.75%MoS2+0.25%Na2Si2O5、0.25%MoS2+0.25%Na2Si2O5、0.25%MoS2+0.50%Na2Si2O5、0.50%MoS2+0.25%Na2Si2O5、0.25%MoS2+0.75%Na2Si2O5、0.50%MoS2+0.50%Na2Si2O5。 上述組合中的Na2Si2O5均為改性層狀二硅酸鈉。表1列出了加入各復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂的理化指標(biāo)。由表1可見(jiàn)，潤(rùn)滑脂加入復(fù)配組合，對(duì)滴點(diǎn)和錐入度值均沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響，說(shuō)明添加復(fù)配組合不會(huì)擾亂潤(rùn)滑脂中的皂纖維結(jié)構(gòu)，僅改變了潤(rùn)滑脂的外觀。

表1 添加復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的理化指標(biāo)

圖5為添加復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的減摩性能。由圖5可見(jiàn)，196 N載荷下，添加1#復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)高于添加MoS2單劑的摩擦系數(shù)； 392 N載荷下，添加5#復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的減摩性能最佳，其摩擦系數(shù)與添加MoS2單劑的基本相同；588 N載荷下，添加6#復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的減摩性能最好，其摩擦系數(shù)較之添加MoS2單劑的降低了18.5%。說(shuō)明作為潤(rùn)滑脂添加劑，改性層狀二硅酸鈉在中高負(fù)荷下能夠一定程度上替代MoS2，且在高負(fù)荷下效果優(yōu)于含MoS2單劑的潤(rùn)滑脂。

圖5 添加復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的減摩性能

圖6為添加復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的抗磨性能。由圖6可見(jiàn)，196 N載荷下，添加2#復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的抗磨性能最好，但仍然大于添加MoS2單劑的數(shù)值；392 N載荷下，添加6#復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的抗磨性能最好，其抗磨性能較添加MoS2單劑的提高了10%；588 N載荷下，仍然是添加6#復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂最佳，其抗磨性能較添加MoS2單劑的提高了22.4%。說(shuō)明復(fù)配組合能在中高負(fù)荷下發(fā)揮抗磨作用，特別是在高負(fù)荷下，效果顯著?？鼓バ苑矫妫瑵?rùn)滑脂中改性層狀二硅酸鈉同樣具有替代MoS2的能力。

圖6 添加復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂在不同載荷下的抗磨性能

由上述數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析得到，復(fù)配組合以不高于1%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入潤(rùn)滑脂中，在196 N低載荷、392 N中載荷、588 N高載荷下摩擦系數(shù)的變化范圍依次為(0.074～0.087)、(0.075～0.101)、(0.084～0.094)。磨損(WSD)的變化范圍依次為(0.51～0.60 mm)、(0.63～0.85 mm)、(0.66～0.79 mm)。而添加MoS2單劑的樣品在不同載荷下的摩擦系數(shù)依次為0.062、0.074、0.103，WSD依次為0.48 mm、0.70 mm、0.85 mm。可見(jiàn)復(fù)配組合在中高負(fù)荷、特別是高負(fù)荷下具有優(yōu)于單獨(dú)使用MoS2的減摩抗磨性能；添加復(fù)配組合6#的潤(rùn)滑脂在196 N、392 N、588 N時(shí)摩擦系數(shù)較添加MoS2單劑的分別變化了+29.8%、+8.5%、-18.5%，相應(yīng)的WSD分別變化了+12.5%、-10%、-22.4%，可見(jiàn)，復(fù)配組合的抗磨減摩性能隨著載荷的增加而得到改善，在高載荷下具有優(yōu)于MoS2單劑的抗磨減摩效果。

表2為含有復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的極壓性能。由表2可見(jiàn)，相比于基礎(chǔ)脂和含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% MoS2粉體的潤(rùn)滑脂，含復(fù)配組合潤(rùn)滑脂的PB和PD值均增加或與其值持平，表明復(fù)配組合能夠提高基礎(chǔ)脂的極壓性能，層狀二硅酸鈉粉體可以部分替代MoS2粉體。同時(shí)，當(dāng)復(fù)配組合中MoS2粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%時(shí)，PB和PD值隨層狀二硅酸鈉粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大；當(dāng)復(fù)配組合中層狀二硅酸鈉粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%時(shí)，只有PB值隨MoS2粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，PD值沒(méi)有變化。表明復(fù)配組合在提高極壓性方面，二者具有協(xié)同效應(yīng)，但層狀二硅酸鈉粉體所發(fā)揮的作用更加突出。

表2 添加復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂的極壓性能

綜合而言，添加6#復(fù)配組合的潤(rùn)滑脂具有較好的摩擦學(xué)性能，且在中高負(fù)荷下作用明顯，表明改性層狀二硅酸鈉能夠在一定程度上替代MoS2。

2.3.2 二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系中兩者貢獻(xiàn)對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可知，對(duì)復(fù)配組合而言，當(dāng)MoS2粉體的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.50%時(shí)，隨著層狀二硅酸鈉粉體添加量的增加，在各個(gè)載荷下潤(rùn)滑脂摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，WSD也有類(lèi)似的變化，表明在1%的總量范圍內(nèi)，增大層狀二硅酸鈉粉體的添加量，能夠改善基礎(chǔ)脂的抗磨減摩性能。反之，當(dāng)層狀二硅酸鈉粉體的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%和0.5%時(shí)，增大MoS2粉體的添加量，潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)和WSD的變化呈現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的狀況。表明復(fù)配體系在發(fā)揮作用的過(guò)程中，層狀二硅酸鈉粉體對(duì)潤(rùn)滑脂抗磨減摩性能改善的貢獻(xiàn)要強(qiáng)于MoS2粉體。

2.4 二硫化鉬和層狀二硅酸鈉復(fù)配組合的抗磨減摩機(jī)理分析

復(fù)配組合在低負(fù)荷下沒(méi)有效果，但在中高負(fù)荷下，特別是高負(fù)荷下效果顯著，推測(cè)是由于在低負(fù)荷下，潤(rùn)滑狀態(tài)處于流體潤(rùn)滑，添加劑加入潤(rùn)滑脂中，不但不能很好發(fā)揮本身效應(yīng)，反而對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，增大了流體間的內(nèi)摩擦力，所以增大了摩擦；在中高負(fù)荷下，潤(rùn)滑狀態(tài)向薄膜潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑轉(zhuǎn)化，添加劑發(fā)揮了自身在苛刻條件下的優(yōu)勢(shì)，對(duì)摩擦表面進(jìn)行了一系列的作用，從而降低了摩擦磨損。

復(fù)配組合能夠改善基礎(chǔ)脂的摩擦學(xué)性能的機(jī)理可以從4個(gè)方面解釋。(1) 復(fù)配物本身的層狀結(jié)構(gòu)決定了其具有較好的減摩性能，在受到外力剪切作用下，層狀結(jié)構(gòu)易于滑移，所以減摩性能顯著；(2)表3和圖7為添加6#組合的潤(rùn)滑脂四球試驗(yàn)后鋼球表面的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和EDX譜。由圖7可知，EDX檢測(cè)到了層狀二硅酸鈉中的特征元素Na、Si，但沒(méi)有檢測(cè)到Mo，表明改性層狀二硅酸鈉和摩擦表面發(fā)生了作用，產(chǎn)生了抗磨減摩性能優(yōu)異的表面膜，而MoS2只是以層狀結(jié)構(gòu)發(fā)揮減摩性；(3)層狀二硅酸鈉晶體的熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和硬度較高，粒徑處于微米級(jí)的層狀二硅酸鈉的熔點(diǎn)低于常規(guī)的層狀二硅酸鈉晶體，當(dāng)其隨潤(rùn)滑脂進(jìn)入摩擦副接觸表面時(shí)，在摩擦的高溫及高剪切力作用下，很容易在金屬表面的微凹陷處熔融沉積，在摩擦表面沉積成膜[10-11]，形成類(lèi)陶瓷層的表面膜，具有很好的抗磨減摩性能；(4) 層狀二硅酸鈉硬度比金屬高得多，在摩擦副高的接觸應(yīng)力下會(huì)迅速嵌入金屬表面，形成嵌入層，強(qiáng)化了金屬表面層，提高了表面硬度，降低了摩擦和磨損，同時(shí)阻礙MoS2與金屬的反應(yīng)，EDX能譜檢測(cè)到的特征元素也間接地支持了這一假說(shuō)。

圖7 添加6#組合的潤(rùn)滑脂四球試驗(yàn)后鋼球磨斑表面的EDX譜

表3 添加6#組合的潤(rùn)滑脂四球試驗(yàn)后鋼球磨斑表面的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Table 3 The element mass fraction of friction surface of the steel ball after four-ball test of grease with 6#compounded system added

Elementw/%C2 35O3 55Na1 42Si2 67Cr1 61Fe88 40

3 結(jié) 論

(1) 在點(diǎn)接觸條件下，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的二硫化鉬的潤(rùn)滑脂具有較好的抗磨減摩性能，在高載荷下效果顯著。

(2) 改性層狀二硅酸鈉和二硫化鉬的復(fù)配組合能夠在一定程度上提高潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能，特別是在中高載荷下，具有顯著的效果。對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能的改善，層狀二硅酸鈉粉體的貢獻(xiàn)大于二硫化鉬粉體。

(3) 改性層狀二硅酸鈉粉體和二硫化鉬粉體復(fù)配組合為0.5%二硫化鉬+0.5%改性層狀二硅酸鈉時(shí)，所得潤(rùn)滑脂具有顯著的摩擦學(xué)性能，改性層狀二硅酸鈉粉體具有部分替代二硫化鉬的能力。

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Substitution of Crystalline Layered Sodium Disilicate for Molybdenum Disulfide as Additives in Lithium Grease

ZHANG Zhe, CHEN Guoxu, CHENG Peng, CHEN Li, CHEN Hanlin, XIA Di

(DepartmentofPetrochemistry,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

The tribological properties of the micron level molybdenum disulfide powder were investigated by way of four-ball test in lithium grease, and a comparison was made between molybdenum disulfide and the compounded system which consisted of molybdenum disulfide and crystalline layered sodium disilicate. The elements of the ball’s surface were detected by the EDX(Energy dispersive X-ray detector). It was found that the lithium grease with 1% molybdenum disulfide powder in it had the best tribological properties. The lithium grease with compounded system as additive had better tribological properties than the lithium grease with molybdenum disulfide under the high loads when the adding quantity was controlled within the scope of 1%. So the crystalline layered sodium disilicate can partly replace molybdenum disulfide under certain conditions.

molybdenum disulfide; crystalline layered sodium disilicate; compounded system; part replace

2014-01-26

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC，2009AB4224)資助

張哲，男，碩士研究生，從事潤(rùn)滑材料的研究；E-mail:814638891@qq.com

陳國(guó)需，男，教授，從事油料應(yīng)用、摩擦化學(xué)和潤(rùn)滑材料的研究；E-mail：chen_guoxu@21cn.com

1001-8719(2015)03-0790-06

TH117

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.03.026