二硫化鉬/碳納米管對聚脲潤滑脂的摩擦學性能影響研究

夏延秋，王遠慧，馮欣，楊洪濤

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.湖北潤德西科技有限公司，湖北 襄陽 441000)

0 引言

摩擦是最常見的耗能物理現(xiàn)象之一，摩擦引起的磨損是機械裝置失效的主要原因。為了降低摩擦引起的機械故障，通常使用添加劑來提高摩擦副的減摩和抗磨能力[1-2]。萬向節(jié)軸承是汽車軸承的一個重要部件。其中汽車等速萬向節(jié)廣泛用于汽車底盤傳動裝置中，用于連接汽車變速箱和車輪動力傳送機構，采用潤滑脂進行潤滑。潤滑脂要求具有良好的高低溫性能、良好的抗氧化性能和耐高溫性能，好的泵送性、長壽命、低的摩擦因數(shù)以及橡膠相容性等性能。

目前汽車等速萬向節(jié)潤滑脂主要有復合鋰基脂和聚脲潤滑脂兩大類。研究發(fā)現(xiàn)，聚脲基潤滑脂(PUG)由于具有比復合鋰基脂更好的氧化穩(wěn)定性、高/低溫性、機械穩(wěn)定性、防銹性能和膠體穩(wěn)定性等優(yōu)點[3-5]，在高端潤滑脂市場占有很大比例。張?zhí)m英，嚴飛等人[6-7]發(fā)現(xiàn)，聚脲潤滑脂優(yōu)異的耐高溫性能、長壽命以及極壓性能適宜汽車萬向節(jié)的潤滑。杜鄭珊等人[8-10]發(fā)現(xiàn)，聚脲脂潤滑的萬向節(jié)軸承壽命遠大于復合鋰基脂和鋰基脂。Yang Kang等人研究MoS2和碳納米管在復合材料方面的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)MoS2和碳納米管復合材料能夠展現(xiàn)出更好的摩擦學性能，優(yōu)于單個固體潤滑劑的效果[11-13]。

本文嘗試將MoS2/CNTs添加到聚脲潤滑脂中，來提高商用萬向節(jié)脂的摩擦磨損和承載能力，探討MoS2/CNTs復配添加劑在聚脲潤滑脂中的潤滑機理。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

二硫化鉬粉末(金堆城鉬業(yè)集團有限公司，粒徑約為10 μm)；碳納米管和聚脲潤滑脂(湖北潤德西科技有限公司)。

1.2 試驗儀器

MS-10J型四球摩擦磨損試驗機(廈門天機自動化有限公司),尼康ECLIPSE LV150N正置金相顯微鏡。

1.3 潤滑脂的理化性質(zhì)測試

依據(jù)國家標準 GB/T 3498-2008和GB/T 7326-1987對聚脲潤滑脂的滴點和防腐性進行了測試。

1.4 摩擦磨損試驗條件

采用四球摩擦磨損試驗機考察不同二硫化鉬(MoS2)和碳納米管(CNTs)復配(1∶10)添加量與聚脲潤滑脂減摩抗磨性能的關系。試驗溫度為室溫(25 ℃)、時間30 min、轉(zhuǎn)速1450 r/min；鋼球為廈門天機自動化有限公司提供的GCr15標準鋼球，硬度6.37～6.86 GPa，直徑12.7 mm，試驗前用石油醚清洗，熱風吹干。計算機記錄平均摩擦系數(shù)，光學顯微鏡讀取3個鋼球平均磨斑直徑，同時記錄燒結(jié)負荷值。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑脂基本理化性能

表1示出了制備的聚脲潤滑脂的滴點和防腐蝕性能。

表1 潤滑脂的基本性質(zhì)

2.2 摩擦磨損性能

為了確定聚脲潤滑脂中的MoS2和CNTs最佳復配含量，圖1示出了載荷392 N、轉(zhuǎn)速1450 r/min、時間30 min、溫度室溫(25 ℃)條件下，分別添加0.5%、1%、1.5%、2%的MoS2/CNTs添加劑對聚脲潤滑脂減摩和抗磨性能的影響。

圖1 基礎脂隨MoS2/CNTs含量的變化曲線

試驗發(fā)現(xiàn)，MoS2/CNTs作為添加劑，4種濃度的 MoS2/CNTs均改善了聚脲潤滑脂的減摩性能，而且摩擦系數(shù)隨添加劑含量的增加而降低(圖1a)。當 MoS2/CNTs質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，其平均摩擦系數(shù)為0.056，相比聚脲潤滑脂降低了22.22%，提高了萬向節(jié)脂的減摩性能。同時發(fā)現(xiàn)MoS2/CNTs添加劑質(zhì)量分數(shù)為1.0% 時，磨斑直徑最小，相比基礎脂降低了20%，抗磨性能最優(yōu)(圖1b)。因此，當 MoS2/CNTs 添加劑質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，聚脲潤滑脂具有更好的減摩抗磨性能。

2.3 磨損表面分析

為了分析摩擦磨損試驗后鋼球表面的磨斑變化，采用光學顯微鏡對摩擦磨損試驗后的鋼球表面進行了觀察和分析。鋼球在不同潤滑條件下進行摩擦磨損試驗后的表面形貌如圖2所示。圖2(a)是聚脲潤滑脂潤滑下的磨斑表面形貌圖，磨斑表面相對粗糙，伴隨著較為明顯的黏著磨損; 圖2(b、c)是加入0.5% MoS2/CNTs和1.0% MoS2/CNTs后磨斑表面形貌圖，可以看出黏著磨損相對減弱。

圖2 不同潤滑劑下鋼球表面磨斑形貌

2.4 燒結(jié)負荷的對比試驗

為了驗證MoS2/CNTs添加劑對潤滑脂承載能力的影響，本文在聚脲潤滑脂樣品中依次添加0.5%和1.0%的MoS2/CNTs并進行燒結(jié)負荷的測試，并選用了市售的NKG814萬向節(jié)潤滑脂(天津協(xié)同)；NKG509萬向節(jié)潤滑脂(天津協(xié)同)；甘綠萬向節(jié)潤滑脂(韓國長巖)進行了燒結(jié)負荷測試對比，結(jié)果如表2所示，添加MoS2/CNTs添加劑，可以有效提高聚脲潤滑脂的燒結(jié)負荷，在MoS2/CNTs含量為1.0%時達到6080 N，對比其他商用萬向節(jié)軸承脂，均提升了2～4個等級，由此可見二硫化鉬/碳納米管可以有效提高聚脲潤滑脂的承載能力[14]。

表2 不同潤滑脂樣本的燒結(jié)負荷

3 討論

3.1 二硫化鉬和碳納米管結(jié)構分析

MoS2是密排六方晶系層狀化合物，典型的“三明治夾心”結(jié)構，兩層硫原子層夾著一層金屬鉬原子層。MoS2和CNTs的結(jié)構如圖3所示。

圖3 MoS2和CNTs結(jié)構

3.2 機理分析

具有層片狀晶體結(jié)構的物質(zhì)能作為減摩抗磨添加劑使用的重要原因是，它在外力作用下易于沿層面滑動。其典型代表就是二硫化鉬，已有大量研究證明它們能大大提高潤滑脂的減摩抗磨性能[15]。

本次試驗中，MoS2和CNTs是通過物理混合進行復配，圖4給出了其潤滑機理示意圖，圖4(c)推測的結(jié)構是兩種添加劑的相互穿插。在摩擦過程初期，MoS2/CNTs復合添加劑通過沉積和吸附作用進入摩擦副之間，填充修復基底表面的微裂紋或缺陷區(qū)域；然后在上、下摩擦副相互運動的作用下，復合添加劑與基底發(fā)生摩擦化學反應，進而在基底表面形成含有無機氧化物及含碳材料的潤滑膜，防止摩擦副的直接接觸，從而起到減摩抗磨作用[16-17]。

圖4 MoS2/CNTs作為添加劑的潤滑機理示意

基于上述對MoS2/CNTs添加劑潤滑機理的分析，在摩擦過程中，通過摩擦化學反應和物理吸附作用，在摩擦表面產(chǎn)生含MoS2為主、MoO3為輔和硫酸鹽為主、磷酸鹽為輔的內(nèi)層化學反應膜[18-19]，以及外層物理吸附膜。同時，在內(nèi)層化學反應膜里面，存在碳納米管沉積膜層，協(xié)同二硫化鉬起到“微軸承”的作用，二硫化鉬層起到剪切作用。

4 結(jié)論

在聚脲潤滑脂中加入1.0%的MoS2和CNTs，提高了聚脲潤滑脂的減摩、抗磨和極壓性能；并發(fā)現(xiàn)加入添加劑后承載能力高于進口萬向節(jié)潤滑脂的承載能力；并示意了二硫化鉬和碳納米管在潤滑過程中的作用機理。