二硫化鎢潤滑添加劑摩擦學(xué)性能研究現(xiàn)狀

施凱烽 謝 鳳

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

二硫化鎢顆粒是一種新型的潤滑材料，具有優(yōu)良的抗磨減摩性能，是科學(xué)界公認(rèn)的摩擦潤滑效果最好的原材料之一。二硫化鎢在大氣中的分解溫度為510℃，在539℃時(shí)氧化迅速，可在425℃下長期潤滑，在真空中的分解溫度高達(dá)1150℃，其抗極壓強(qiáng)度可達(dá)到21MPa，且其抗輻射性能要比二硫化鉬、石墨、富勒烯等材料優(yōu)良，不僅能適應(yīng)一般的潤滑條件，更是能用于高溫、高壓、高負(fù)荷、高真空、腐蝕及輻射性介質(zhì)等苛刻的工作環(huán)境，因此，二硫化鎢一直作為一種高性能固體潤滑材料應(yīng)用于航空航天、軍事等高科技領(lǐng)域[1,2]。

近年來，國內(nèi)已有很多科研人員將二硫化鎢顆粒應(yīng)用于潤滑脂中制備高溫極壓潤滑脂，并取得了極好的效果[3]。與二硫化鎢結(jié)構(gòu)性質(zhì)相近的二硫化鉬在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于潤滑油中，如美國PetrolMoly公司開發(fā)的含二硫化鉬顆粒的節(jié)能環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)油已被聯(lián)合國指定為向成員國推薦的125項(xiàng)新產(chǎn)品、新技術(shù)之一，而二硫化鎢的性能要優(yōu)于二硫化鉬卻少有應(yīng)用于潤滑油，所以針對其在潤滑油中應(yīng)用的研究也在逐漸展開[4,5]。本文主要概述了二硫化鎢在潤滑脂及潤滑油中的摩擦學(xué)性能研究。

1 二硫化鎢在潤滑脂中的摩擦學(xué)性能研究

王勐[6]采用三種粒徑的二硫化鎢顆粒(0.35、0.8、1.5 μm)，分別以三種添加量(1%wt、2%wt、3%wt)加入到復(fù)合鈦基潤滑脂中去，攪拌均勻并用三輥研磨機(jī)研磨6次制得潤滑脂樣。使用四球磨機(jī)測試其摩擦學(xué)性能，在392N負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，記錄拉力值，并通過SEM表征小球磨斑。結(jié)果表明，二硫化鎢粒子在高溫情況下能充分體現(xiàn)抗磨效果，且添加量在3%的時(shí)候能達(dá)到最佳效能。二硫化鎢粒子在潤滑過程中充當(dāng)了磨粒，在常溫、高轉(zhuǎn)速、低載荷的情況下，削弱了潤滑脂的粘性，使得形成的油膜不均勻，易被破壞，潤滑效果反而不如純脂，摩擦效果的好壞主要由接觸面間的摩擦狀態(tài)決定。若不考慮二硫化鎢粒子對潤滑效果的負(fù)面影響，則粒徑越小，潤滑效果越好。

熊文[7]采用新型的一步法制備工藝，添加了多種添加劑，制備出了一種高滴點(diǎn)、良好極壓性和穩(wěn)定性的高溫二硫化鎢鋰基潤滑脂。通過研究分析得出，添加3%的粒徑為0.3μm的二硫化鎢超細(xì)粉末的潤滑脂具有最佳的高溫摩擦學(xué)性能，并通過對高溫狀態(tài)分析得出其在800℃高溫下仍具有良好穩(wěn)定性和潤滑性。研究表明，高溫下二硫化鎢的良好潤滑性是由于其在高溫下緩慢氧化形成三氧化鎢，能抑制二硫化鎢的進(jìn)一步氧化，但會(huì)因此影響其抗剪切能力；在一定的范圍內(nèi)，粒徑越小，抗磨性能越好，但減摩效果會(huì)受影響，實(shí)驗(yàn)得出最佳粒徑為0.3μm。

俸顥等[8]以二硫化鎢超細(xì)粉末作為添加劑，通過正交實(shí)驗(yàn)，以粒徑為0.5μm，添加量為1.5%研制出一種二硫化鎢高溫潤滑脂。通過相關(guān)測試，這種潤滑脂具有高滴點(diǎn)、低摩擦系數(shù)、高油膜強(qiáng)度等良好的摩擦學(xué)性能。通過掃描電鏡觀察可發(fā)現(xiàn)，二硫化鎢超細(xì)粉末微觀結(jié)構(gòu)呈片層狀，層面十分光滑，層間易發(fā)生滑移，表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)；同時(shí)二硫化鎢晶體在400℃高溫下仍十分穩(wěn)定，通過緩慢形成致密的氧化鎢保護(hù)層，抑制進(jìn)一步氧化，同時(shí)氧化鎢也具有較低的摩擦系數(shù)，有效地保護(hù)了金屬表面并能阻止發(fā)生膠合，表現(xiàn)出良好的潤滑性能。

楊俊等[9]將二硫化鎢固體顆粒(0.3～0.5μm)添加入復(fù)合鋰鈣基潤滑脂中，并探討了二硫化鎢與其他添加劑的配合使用。實(shí)驗(yàn)表明，隨著二硫化鎢的增加，潤滑脂的滴點(diǎn)會(huì)略有上升，稠度小幅降低，分油量略有上升，這說明了二硫化鎢的加入能提高潤滑脂的熱安定性，但會(huì)影響潤滑脂的膠體安定性。隨著二硫化鎢的增加，PB、PD明顯增大，加入量為3%時(shí)，效果最好，PB達(dá)1186N，PD達(dá)4903N，有效提高了潤滑脂的極壓抗磨性能。此外，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)使用T321相比，二硫化鎢、二硫化鉬配合使用制得的潤滑脂極壓抗磨性能更加優(yōu)異；T352與T361配伍再與二硫化鉬、二硫化鎢配合使用也可以制得極壓抗磨性能極為優(yōu)異的潤滑脂。

石琛等[10]以二硫化鎢亞微粒作為高溫潤滑脂的添加劑，對其在潤滑脂中的摩擦學(xué)性能進(jìn)行亞久，并用電子探針顯微鏡和俄歇電子能譜儀對摩擦表面進(jìn)行了表征分析。研究表明，添加1.5%二硫化鎢后，潤滑脂的燒結(jié)載荷由2 500N上升到4 000N，提高了60%，磨痕直徑由0.86 mm降低到0.56 mm，下降了34.9%。二硫化鎢粒子能有效提高潤滑脂的油膜強(qiáng)度和燒結(jié)負(fù)荷，磨斑直徑明顯明顯減小，但錐入度略有下降。此外，還對油膜強(qiáng)度PB值進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，在高溫尤其是溫度大于150 ℃時(shí)，二硫化鎢的添加能顯著提高有膜強(qiáng)度，添加量為1.5%情況下，150 ℃時(shí)，油膜強(qiáng)度由基礎(chǔ)脂的696N提高到921N，提高了32.3%，200 ℃時(shí)，由649N提高到980N，提高了51.0%。研究人員認(rèn)為，二硫化鎢加入后，在金屬表面形成一層致密的吸附膜，能有效防止金屬表面的氧化和碳化，并且與摩擦副表面產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)膜，從而有效提高了潤滑脂的抗磨減摩和極壓性能。

以上文獻(xiàn)表明，二硫化鎢作為潤滑脂的添加劑加入后，能顯著改善潤滑脂的摩擦學(xué)性能，尤其是在高溫下效能更加優(yōu)異。低溫低負(fù)荷時(shí)，主要在金屬表面形成吸附膜，使金屬表面更平滑，并能保護(hù)金屬表面，而其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能明顯提高潤滑脂潤滑性能；高溫高負(fù)荷下，能生成化學(xué)反應(yīng)膜，配合吸附膜，能有效提高潤滑脂的抗磨減摩和極壓性能。

2 二硫化鎢在潤滑油中的摩擦學(xué)性能研究

不同于潤滑脂，至今為止，很少有研究人員將二硫化鎢顆粒應(yīng)用于潤滑油中，主要是因?yàn)槎蚧u顆粒密度較高、尺寸較小、比表面積大、比表面能高且顆粒表面活性高，極易發(fā)生很強(qiáng)的團(tuán)聚現(xiàn)象，限制了其在潤滑油中的應(yīng)用。但由于其優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，針對其在潤滑油中的應(yīng)用研究也在逐步開展。

國外在此方面的研究起步較早，1966年，Warren等[11]在其專利中發(fā)表了合成含有W和S的潤滑劑，此潤滑劑中含有二芳烴鎢化合物WX6-n(OR)6，含量為0.005%-5%，其中 R為含6-18個(gè)碳原子的芳基集團(tuán)，X是Br或Cl，n為1-6，化合物中S以硫醇、硫化鎢、二硫化物等形式存在，含量約為0.05%-5%，受壓力和溫度影響，含有W和S的物質(zhì)沉積在摩擦副表面。

Powers等[12]也發(fā)表了一系列含有鎢的潤滑油添加劑的制備方法。將仲鎢酸銨與水以1∶3-1∶4比例形成飽和固漿，與叔烷基胺有機(jī)相接觸，有機(jī)相分散于水中，以水溶液為橋梁，將仲鎢酸銨溶解于有機(jī)相。溫度為85～100 ℃，接觸時(shí)間為3～6 h，有機(jī)相與仲鎢酸銨質(zhì)量比例為3∶1，采用蒸餾去除水相，制得潤滑油添加劑，最終鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過19%，含水量低于1%。此發(fā)明合成的產(chǎn)品具有優(yōu)良的抗磨性和極壓性。

Gregory等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)：在常溫下，WS2具有極低的摩擦因數(shù)，約為0.08,。Baranov等[14]對WS2固體潤滑材料進(jìn)行深入探討研究，在銅粉中摻入10%的WS2粉末，有效提高了銅粉在高速摩擦條件下的粘附能力并使其得到了穩(wěn)定的摩擦因數(shù)。Murugan等[15]研究發(fā)現(xiàn)，無磁性的WS2簇由于其內(nèi)部的排列順序，能產(chǎn)生一定的磁性，在潤滑過程中更好地吸附在金屬表面。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了WS2能在金屬表面形成一層納米膜，在摩擦?xí)r保護(hù)金屬表面。

在我國，鎢系列潤滑油添加劑的發(fā)展較為緩慢，主要是對WS2納米材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾及在有機(jī)鉬基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

張金剛等[16]在1993年合成了胺基二異丙基二硫代膦酸鎢，在基礎(chǔ)油中考察其摩擦學(xué)性能，并對其表面組成和形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，此種添加劑能在摩擦副表面形成化學(xué)反應(yīng)膜，提高潤滑油的摩擦學(xué)性能。

熊仁根[17]在1996年用三氧化鎢和3,4-二巰基甲苯合鎢二硫酚合鎢，用四球磨機(jī)對極壓性能和抗磨性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，二硫酚合鎢具有優(yōu)良的極壓抗磨性能。其機(jī)理同樣是化學(xué)吸附膜起潤滑作用，在催化條件下，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成WO3和FeS，起極壓抗磨作用，這與二硫化鎢的抗磨減摩機(jī)理相近。

俸夢德[18]將0.3%wt的二硫化鎢顆粒添加入基礎(chǔ)油中制得低含量二硫化鎢潤滑油，并使用四球磨機(jī)測試其摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在常溫時(shí)，二硫化鎢潤滑油的油膜強(qiáng)度比基礎(chǔ)油提升了37.5%；隨著溫度的上升，摩擦因數(shù)降低，在100 ℃，372.4N負(fù)荷下，二硫化鎢潤滑油的摩擦因數(shù)為0.042，比基礎(chǔ)油的0.072降低了43.8%，抗磨減摩效果顯著。

石琛等[19]通過表面化學(xué)修飾和吸附修飾表面改性超細(xì)二硫化鎢顆粒，將其添加入半合成機(jī)油基礎(chǔ)油，并加入適量的功能添加劑，制得二硫化鎢發(fā)動(dòng)機(jī)油。通過四球磨機(jī)測試其摩擦學(xué)性能，并與國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)油油膜強(qiáng)度分別為國外發(fā)動(dòng)機(jī)油和國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)油的1.06倍和1.38倍，燒結(jié)負(fù)荷分別為1.75和2.33倍。進(jìn)行長磨實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增長而減小，磨斑直徑明顯減小，且磨斑表面較為光滑，無明顯犁溝。說明制得的二硫化鎢機(jī)油具有優(yōu)秀的抗磨減摩和極壓性能。

李登伶等[20]通過表面化學(xué)修飾的自制納米二硫化鎢粉末以1%wt的比例加入汽油機(jī)油中制得含二硫化鎢的汽油機(jī)油，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)模擬臺(tái)架試驗(yàn)，考察了二硫化鎢在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，二硫化鎢機(jī)油比普通機(jī)油的油膜強(qiáng)度提高了21.6%，燒結(jié)負(fù)荷提高了100%，磨斑直徑減小了11.8%，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的磨損量降低了27.6%。這說明了二硫化鎢機(jī)油能顯著延長發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用壽命和換油周期，此外，在臺(tái)架試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)二硫化鎢機(jī)油能有效降低燃油消耗，平均節(jié)油13-28%，性能優(yōu)異。

張俐麗[21]將自制的平均直徑10-15nm，長度0.1-2μm的二硫化鎢納米棒用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Span-80超聲分散20min到基礎(chǔ)油中，制得不同濃度的二硫化鎢潤滑油，并通過立式萬能摩擦磨損儀考察其摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與基礎(chǔ)油相比，添加了二硫化鎢納米棒的潤滑油能顯著提升抗磨性能，降低摩擦因數(shù)；添加2%wt二硫化鎢納米棒的潤滑油的磨斑直徑降低了50%，且磨斑平整光滑，無撕裂或者是犁溝現(xiàn)象。二硫化鎢納米棒在摩擦前期起到了“微軸承”的作用，隨著摩擦進(jìn)行，納米棒被壓平，在摩擦副表面形成保護(hù)膜，阻止了摩擦副之間的直接接觸，提高潤滑性能。

由于二硫化鎢的特殊物理性質(zhì)，其在潤滑油中的應(yīng)用發(fā)展是一個(gè)較漫長的過程，國外起步較早，已初步實(shí)現(xiàn)了在潤滑油應(yīng)用，而我國雖起步晚近三十年，但在理論研究上已迅速追趕。二硫化鎢顆粒的加入能明顯延長潤滑油使用壽命，且對節(jié)能減排有非常積極的意義。二硫化鎢在潤滑油中起效的機(jī)理與在潤滑脂中相似，但必須解決其易團(tuán)聚的特殊物理性質(zhì)，現(xiàn)我國采取的表面修飾技術(shù)已能初步解決這一問題，但距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。

3 結(jié) 語

二硫化鎢微粒作為一種新型的固體潤滑添加劑具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，特別在高溫和高負(fù)荷情況下能顯著提升潤滑劑的潤滑性能。目前，二硫化鎢在潤滑脂中的應(yīng)用已較為成熟，能有效改善潤滑脂的抗磨減摩以及極壓性能；在潤滑油中應(yīng)用時(shí)，雖然機(jī)理相似，但由于其在潤滑油特殊的物理性質(zhì)，極大提高了其在潤滑油中的應(yīng)用難度，找到合適的加工工藝、最佳的表面修飾以及分散方式是目前最迫切的攻關(guān)難題。

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