劉小華, 劉利國(guó), 丁詩(shī)泳, 周洪梅, 唐 揚(yáng), 王澤宇

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)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(dòng)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(duì)金屬表面產(chǎn)生很強(qiáng)的黏附作用，形成很牢固的膜，使得其潤(rùn)滑性能優(yōu)于石墨[1-2].因此，二硫化鉬成為目前最熱門(mén)的潤(rùn)滑油添加劑之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛對(duì)此展開(kāi)了研究，多家科研單位和機(jī)構(gòu)研制出了納米級(jí)二硫化鉬作添加劑的潤(rùn)滑油，并已投入使用[3-4].納米級(jí)二硫化鉬與微米級(jí)二硫化鉬相比具有活性高、選擇性好的優(yōu)勢(shì)[5]，且微米級(jí)二硫化鉬做添加劑更易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,所以目前對(duì)二硫化鉬的研究集中在納米級(jí)水平.但是微米級(jí)二硫化鉬低廉的價(jià)格使得其相對(duì)于納米級(jí)二硫化鉬具有更廣闊的市場(chǎng)前景，因此本文考察微米級(jí)二硫化鉬作為添加劑的潤(rùn)滑油的極壓性能和抗磨減摩特性.

1 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)所用的基礎(chǔ)油為18#雙曲線車(chē)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(duì)二硫化鉬作表面處理.然后，準(zhǔn)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(rùn)滑油.將配置的潤(rùn)滑油常溫下放置2個(gè)月，不發(fā)生團(tuán)聚者即為合格的試驗(yàn)用油.

1.2 方法與內(nèi)容

(1)極壓性能測(cè)試：MRS-10W型四球機(jī)工作示意圖如圖1所示，參照GB/T 12583-1998的要求逐級(jí)加負(fù)荷，每個(gè)試驗(yàn)做10s，試驗(yàn)后測(cè)量3個(gè)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(rùn)滑劑承載能力的最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值)和燒結(jié)負(fù)荷(PD值).分別對(duì)不同濃度的油樣重復(fù)上述操作，確定各油樣的最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值)和燒結(jié)負(fù)荷(PD值).每次試驗(yàn)前，用石油醚仔細(xì)清洗各工件并吹干，磨斑沿劃線方向與垂直方向測(cè)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(duì)稱(chēng)問(wèn)題.將整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程重復(fù)3次.

圖1 四球機(jī)示意圖

(2)減磨性能測(cè)試：頂球在1 200r/min的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)30min.此組試驗(yàn)選擇基礎(chǔ)油和MoS2含量為1.5%的潤(rùn)滑油作為研究對(duì)象，試驗(yàn)載荷選擇100N、200N、300N、400N和500N.經(jīng)過(guò)3次重復(fù)試驗(yàn)后，測(cè)量3個(gè)鋼球的磨斑直徑取平均值，通過(guò)磨斑直徑平均值來(lái)評(píng)價(jià)減磨性能.

(3)摩擦磨損試驗(yàn)：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(yàn)機(jī)上進(jìn)行滑動(dòng)試驗(yàn).在低速(200r/min)情況下，進(jìn)行摩擦試驗(yàn)30min.試驗(yàn)使用二硫化鉬含量為1.5%的潤(rùn)滑油和基礎(chǔ)油作為潤(rùn)滑劑；每種潤(rùn)滑工況下所加載荷依次為100N、150N、200N、250N、300N.在M-2000型試驗(yàn)機(jī)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(yàn)結(jié)束后，用無(wú)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(cè)量45#鋼的磨損量.磨損量計(jì)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(yàn)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微米級(jí)二硫化鉬對(duì)潤(rùn)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(rùn)滑油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷值(PB)和燒結(jié)負(fù)荷值(PD值)，從圖中可知，微米級(jí)二硫化鉬的加入，使得潤(rùn)滑油的承載能力有了一定提高，主要表現(xiàn)在PB值.因?yàn)榧尤胛⒚准?jí)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(guò)2.0%后，PB值幾乎不再增加，因?yàn)橐欢康奈⒚锥蚧f就足以形成有效的表面膜，添加量增加，其耐受強(qiáng)度變化不大.

圖3 不同MoS2含量下的潤(rùn)滑油的最大無(wú)卡咬載荷

圖4 不同MoS2含量下的潤(rùn)滑油的燒結(jié)負(fù)荷

2.2 微米級(jí)二硫化鉬對(duì)潤(rùn)滑油抗磨減摩特性的影響

從微米級(jí)二硫化鉬含量對(duì)潤(rùn)滑油極壓性能的影響來(lái)看，含1.5%MoS2的潤(rùn)滑油性能相對(duì)較好，為此，再用四球機(jī)做一組試驗(yàn)，以測(cè)定含1.5%MoS2的潤(rùn)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(rùn)滑油的抗磨減摩特性從總體趨勢(shì)來(lái)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(rùn)滑油中所加的二硫化鉬微粒尺寸較大(約50μm)，遠(yuǎn)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(rùn)滑油分子，而該潤(rùn)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(rùn)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(duì)磨擦副造成機(jī)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(yàn)機(jī)做試驗(yàn).

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(yàn)機(jī)做的摩擦磨損試驗(yàn)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(rùn)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(yàn)機(jī)上，此時(shí)的摩擦環(huán)與摩擦塊之間滿足形成“流體動(dòng)力潤(rùn)滑”的條件，即兩物體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)、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(jìn)入摩擦副間.根據(jù)“微軸承”效應(yīng)，均勻分散在潤(rùn)滑油中的MoS2微?？梢宰兡Σ粮敝g的滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，同時(shí)起到支撐作用，在一定程度上隔開(kāi)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(yǔ)

基礎(chǔ)油中添加含量為1.5%的微米級(jí)二硫化鉬后，潤(rùn)滑油的最大無(wú)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(jí)二硫化鉬作為添加劑有比較好的效果，并且相對(duì)納米添加劑而言，其價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)顯得更加明顯.因此在性能良好和價(jià)格低廉的雙重優(yōu)勢(shì)下，選擇微米級(jí)二硫化鉬作為潤(rùn)滑油添加劑有較大的效益.通過(guò)四球機(jī)的試驗(yàn)表明，研究含較大粒徑固體添加劑的潤(rùn)滑劑的抗磨減摩特性時(shí)，選用四球機(jī)可能是不合適的，很可能得出誤導(dǎo)性結(jié)論，應(yīng)通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)研究其抗磨減摩特性.

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