微米级二硫化钼作为添加剂的润滑油性能研究

刘小华, 刘利国, 丁诗泳, 周洪梅, 唐 扬, 王泽宇

(江南大学 机械工程学院， 江苏 无锡 214122)

二硫化钼(MoS2)是灰钼矿的主要成分，是一种灰黑色带有金属光泽的固体粉末，具有和石墨相似的层状结构，层与层之间的硫原子结合力(范德华力)较弱，易于滑动而表现出很好的减磨作用；此外，暴露在晶体表面的硫原子对金属表面产生很强的黏附作用，形成很牢固的膜，使得其润滑性能优于石墨[1-2].因此，二硫化钼成为目前最热门的润滑油添加剂之一，国内外学者纷纷对此展开了研究，多家科研单位和机构研制出了纳米级二硫化钼作添加剂的润滑油，并已投入使用[3-4].纳米级二硫化钼与微米级二硫化钼相比具有活性高、选择性好的优势[5]，且微米级二硫化钼做添加剂更易发生团聚现象,所以目前对二硫化钼的研究集中在纳米级水平.但是微米级二硫化钼低廉的价格使得其相对于纳米级二硫化钼具有更广阔的市场前景，因此本文考察微米级二硫化钼作为添加剂的润滑油的极压性能和抗磨减摩特性.

1 试验方法与内容

1.1 试验前期准备

实验所用的基础油为18#双曲线车辆齿轮油，所用二硫化钼由天津市巴斯夫化工有限公司生产，粒度在20～80μm.首先用硬脂酸与硅烷偶联剂作改性剂(二者均占二硫化钼质量的0.25%)，采用湿法改性法对二硫化钼作表面处理.然后，准确配置二硫化钼与基础油质量比分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的复合润滑油.将配置的润滑油常温下放置2个月，不发生团聚者即为合格的试验用油.

1.2 方法与内容

(1)极压性能测试：MRS-10W型四球机工作示意图如图1所示，参照GB/T 12583-1998的要求逐级加负荷，每个试验做10s，试验后测量3个钢球的磨斑直径取平均值，然后按规定方法确定出代表润滑剂承载能力的最大无卡咬负荷(PB值)和烧结负荷(PD值).分别对不同浓度的油样重复上述操作，确定各油样的最大无卡咬负荷(PB值)和烧结负荷(PD值).每次试验前，用石油醚仔细清洗各工件并吹干，磨斑沿划线方向与垂直方向测量，任一磨斑直径与平均值之差不能大于0.04mm，否则检查上球与油环的轴对称问题.将整个试验过程重复3次.

图1 四球机示意图

(2)减磨性能测试：顶球在1 200r/min的转速下旋转30min.此组试验选择基础油和MoS2含量为1.5%的润滑油作为研究对象，试验载荷选择100N、200N、300N、400N和500N.经过3次重复试验后，测量3个钢球的磨斑直径取平均值，通过磨斑直径平均值来评价减磨性能.

(3)摩擦磨损试验：加工成块的45#钢作为上试样，45#钢作为下试样，在M-2000型试验机上进行滑动试验.在低速(200r/min)情况下，进行摩擦试验30min.试验使用二硫化钼含量为1.5%的润滑油和基础油作为润滑剂；每种润滑工况下所加载荷依次为100N、150N、200N、250N、300N.在M-2000型试验机上读出摩擦力矩M后，换算出摩擦系数μ=M/RP，式中R为摩擦环半径且R=20mm，P为所加载荷.试验结束后，用无水乙醇浸泡，放在超声波振荡仪中清洗，取出放入干燥箱中干燥，再放在0.01mg感量的电子分析天平测量45#钢的磨损量.磨损量计算公式为：△m=m—mi，其中△m为磨损量，m为试样的初始质量，mi为试验结束后试样的质量.摩擦磨损示意图如图2所示.

图2 摩擦磨损示意图

2 试验结果与讨论

2.1 微米级二硫化钼对润滑油极压性能的影响

图3和图4分别为不同MoS2含量下的润滑油的最大无卡咬负荷值(PB)和烧结负荷值(PD值)，从图中可知，微米级二硫化钼的加入，使得润滑油的承载能力有了一定提高，主要表现在PB值.因为加入微米级二硫化钼添加剂以后，微粒形成的表面膜阻止了微凸体的直接接触，故承载能力大大改善.但是当添加量超过2.0%后，PB值几乎不再增加，因为一定量的微米二硫化钼就足以形成有效的表面膜，添加量增加，其耐受强度变化不大.

图3 不同MoS2含量下的润滑油的最大无卡咬载荷

图4 不同MoS2含量下的润滑油的烧结负荷

2.2 微米级二硫化钼对润滑油抗磨减摩特性的影响

从微米级二硫化钼含量对润滑油极压性能的影响来看，含1.5%MoS2的润滑油性能相对较好，为此，再用四球机做一组试验，以测定含1.5%MoS2的润滑油的减磨特性，结果如图5所示.

图5 不同载荷下的磨斑直径

图5中数据显示，含1.5%MoS2的润滑油的抗磨减摩特性从总体趋势来看不如基础油，似乎出现了比较反常的现象，其原因在于润滑油中所加的二硫化钼微粒尺寸较大(约50μm)，远大于四球摩擦副间的油膜厚度，因此摩擦副间吸附的主要是润滑油分子，而该润滑剂所表现的摩擦特性更多是受这些大尺寸的二硫化钼颗粒影响所致，很难形成稳定的减磨润滑层，甚至这些颗粒游离在油中，造成所谓的流体磨粒磨损，对磨擦副造成机械磨损，所以相比基础油抗磨减摩特性有变差的假象[6-9].为此，改用摩擦磨损试验机做试验.

图6 不同载荷下摩擦副之间的摩擦系数

图7 不同载荷下的磨损量

图6、图7分别是用M-2000型摩擦磨损试验机做的摩擦磨损试验所得到的摩擦副间的摩擦系数和磨损量的结果.同空白组的基础油相比，含1.5%MoS2的润滑油有效地减小了摩擦副之间的摩擦系数，同样，也减小了摩擦副之间的磨损量.由于在摩擦磨损试验机上，此时的摩擦环与摩擦块之间满足形成“流体动力润滑”的条件，即两物体存在相对运动、摩擦面是楔形的、液体具有一定的粘度，所以二硫化钼颗粒得以进入摩擦副间.根据“微轴承”效应，均匀分散在润滑油中的MoS2微粒可以变摩擦副之间的滑动摩擦为滚动摩擦，同时起到支撑作用，在一定程度上隔开两摩擦面，阻止金属表面大面积接触，从而表现出了良好的抗摩减磨特性[10-11].

3 结束语

基础油中添加含量为1.5%的微米级二硫化钼后，润滑油的最大无卡咬载荷提高了15.5%，摩擦副之间的摩擦系数降低了33.1%，磨损量减少了43.5%.微米级二硫化钼作为添加剂有比较好的效果，并且相对纳米添加剂而言，其价廉的优势显得更加明显.因此在性能良好和价格低廉的双重优势下，选择微米级二硫化钼作为润滑油添加剂有较大的效益.通过四球机的试验表明，研究含较大粒径固体添加剂的润滑剂的抗磨减摩特性时，选用四球机可能是不合适的，很可能得出误导性结论，应通过摩擦磨损试验机来研究其抗磨减摩特性.

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