二硫化钨润滑添加剂摩擦学性能研究现状

施凯烽 谢 凤

(空军勤务学院，江苏 徐州 221000)

二硫化钨颗粒是一种新型的润滑材料，具有优良的抗磨减摩性能，是科学界公认的摩擦润滑效果最好的原材料之一。二硫化钨在大气中的分解温度为510℃，在539℃时氧化迅速，可在425℃下长期润滑，在真空中的分解温度高达1150℃，其抗极压强度可达到21MPa，且其抗辐射性能要比二硫化钼、石墨、富勒烯等材料优良，不仅能适应一般的润滑条件，更是能用于高温、高压、高负荷、高真空、腐蚀及辐射性介质等苛刻的工作环境，因此，二硫化钨一直作为一种高性能固体润滑材料应用于航空航天、军事等高科技领域[1,2]。

近年来，国内已有很多科研人员将二硫化钨颗粒应用于润滑脂中制备高温极压润滑脂，并取得了极好的效果[3]。与二硫化钨结构性质相近的二硫化钼在国外已经广泛应用于润滑油中，如美国PetrolMoly公司开发的含二硫化钼颗粒的节能环保发动机油已被联合国指定为向成员国推荐的125项新产品、新技术之一，而二硫化钨的性能要优于二硫化钼却少有应用于润滑油，所以针对其在润滑油中应用的研究也在逐渐展开[4,5]。本文主要概述了二硫化钨在润滑脂及润滑油中的摩擦学性能研究。

1 二硫化钨在润滑脂中的摩擦学性能研究

王勐[6]采用三种粒径的二硫化钨颗粒(0.35、0.8、1.5 μm)，分别以三种添加量(1%wt、2%wt、3%wt)加入到复合钛基润滑脂中去，搅拌均匀并用三辊研磨机研磨6次制得润滑脂样。使用四球磨机测试其摩擦学性能，在392N负载下运转1 h，记录拉力值，并通过SEM表征小球磨斑。结果表明，二硫化钨粒子在高温情况下能充分体现抗磨效果，且添加量在3%的时候能达到最佳效能。二硫化钨粒子在润滑过程中充当了磨粒，在常温、高转速、低载荷的情况下，削弱了润滑脂的粘性，使得形成的油膜不均匀，易被破坏，润滑效果反而不如纯脂，摩擦效果的好坏主要由接触面间的摩擦状态决定。若不考虑二硫化钨粒子对润滑效果的负面影响，则粒径越小，润滑效果越好。

熊文[7]采用新型的一步法制备工艺，添加了多种添加剂，制备出了一种高滴点、良好极压性和稳定性的高温二硫化钨锂基润滑脂。通过研究分析得出，添加3%的粒径为0.3μm的二硫化钨超细粉末的润滑脂具有最佳的高温摩擦学性能，并通过对高温状态分析得出其在800℃高温下仍具有良好稳定性和润滑性。研究表明，高温下二硫化钨的良好润滑性是由于其在高温下缓慢氧化形成三氧化钨，能抑制二硫化钨的进一步氧化，但会因此影响其抗剪切能力；在一定的范围内，粒径越小，抗磨性能越好，但减摩效果会受影响，实验得出最佳粒径为0.3μm。

俸颢等[8]以二硫化钨超细粉末作为添加剂，通过正交实验，以粒径为0.5μm，添加量为1.5%研制出一种二硫化钨高温润滑脂。通过相关测试，这种润滑脂具有高滴点、低摩擦系数、高油膜强度等良好的摩擦学性能。通过扫描电镜观察可发现，二硫化钨超细粉末微观结构呈片层状，层面十分光滑，层间易发生滑移，表现出低摩擦系数；同时二硫化钨晶体在400℃高温下仍十分稳定，通过缓慢形成致密的氧化钨保护层，抑制进一步氧化，同时氧化钨也具有较低的摩擦系数，有效地保护了金属表面并能阻止发生胶合，表现出良好的润滑性能。

杨俊等[9]将二硫化钨固体颗粒(0.3～0.5μm)添加入复合锂钙基润滑脂中，并探讨了二硫化钨与其他添加剂的配合使用。实验表明，随着二硫化钨的增加，润滑脂的滴点会略有上升，稠度小幅降低，分油量略有上升，这说明了二硫化钨的加入能提高润滑脂的热安定性，但会影响润滑脂的胶体安定性。随着二硫化钨的增加，PB、PD明显增大，加入量为3%时，效果最好，PB达1186N，PD达4903N，有效提高了润滑脂的极压抗磨性能。此外，通过对比分析发现，与单独使用T321相比，二硫化钨、二硫化钼配合使用制得的润滑脂极压抗磨性能更加优异；T352与T361配伍再与二硫化钼、二硫化钨配合使用也可以制得极压抗磨性能极为优异的润滑脂。

石琛等[10]以二硫化钨亚微粒作为高温润滑脂的添加剂，对其在润滑脂中的摩擦学性能进行亚久，并用电子探针显微镜和俄歇电子能谱仪对摩擦表面进行了表征分析。研究表明，添加1.5%二硫化钨后，润滑脂的烧结载荷由2 500N上升到4 000N，提高了60%，磨痕直径由0.86 mm降低到0.56 mm，下降了34.9%。二硫化钨粒子能有效提高润滑脂的油膜强度和烧结负荷，磨斑直径明显明显减小，但锥入度略有下降。此外，还对油膜强度PB值进行了测试，结果表明，在高温尤其是温度大于150 ℃时，二硫化钨的添加能显著提高有膜强度，添加量为1.5%情况下，150 ℃时，油膜强度由基础脂的696N提高到921N，提高了32.3%，200 ℃时，由649N提高到980N，提高了51.0%。研究人员认为，二硫化钨加入后，在金属表面形成一层致密的吸附膜，能有效防止金属表面的氧化和碳化，并且与摩擦副表面产生摩擦化学反应，生产化学反应膜，从而有效提高了润滑脂的抗磨减摩和极压性能。

以上文献表明，二硫化钨作为润滑脂的添加剂加入后，能显著改善润滑脂的摩擦学性能，尤其是在高温下效能更加优异。低温低负荷时，主要在金属表面形成吸附膜，使金属表面更平滑，并能保护金属表面，而其自身的结构特点能明显提高润滑脂润滑性能；高温高负荷下，能生成化学反应膜，配合吸附膜，能有效提高润滑脂的抗磨减摩和极压性能。

2 二硫化钨在润滑油中的摩擦学性能研究

不同于润滑脂，至今为止，很少有研究人员将二硫化钨颗粒应用于润滑油中，主要是因为二硫化钨颗粒密度较高、尺寸较小、比表面积大、比表面能高且颗粒表面活性高，极易发生很强的团聚现象，限制了其在润滑油中的应用。但由于其优良的摩擦学性能，针对其在润滑油中的应用研究也在逐步开展。

国外在此方面的研究起步较早，1966年，Warren等[11]在其专利中发表了合成含有W和S的润滑剂，此润滑剂中含有二芳烃钨化合物WX6-n(OR)6，含量为0.005%-5%，其中 R为含6-18个碳原子的芳基集团，X是Br或Cl，n为1-6，化合物中S以硫醇、硫化钨、二硫化物等形式存在，含量约为0.05%-5%，受压力和温度影响，含有W和S的物质沉积在摩擦副表面。

Powers等[12]也发表了一系列含有钨的润滑油添加剂的制备方法。将仲钨酸铵与水以1∶3-1∶4比例形成饱和固浆，与叔烷基胺有机相接触，有机相分散于水中，以水溶液为桥梁，将仲钨酸铵溶解于有机相。温度为85～100 ℃，接触时间为3～6 h，有机相与仲钨酸铵质量比例为3∶1，采用蒸馏去除水相，制得润滑油添加剂，最终钨质量分数超过19%，含水量低于1%。此发明合成的产品具有优良的抗磨性和极压性。

Gregory等[13]通过研究发现：在常温下，WS2具有极低的摩擦因数，约为0.08,。Baranov等[14]对WS2固体润滑材料进行深入探讨研究，在铜粉中掺入10%的WS2粉末，有效提高了铜粉在高速摩擦条件下的粘附能力并使其得到了稳定的摩擦因数。Murugan等[15]研究发现，无磁性的WS2簇由于其内部的排列顺序，能产生一定的磁性，在润滑过程中更好地吸附在金属表面。此外，研究还发现了WS2能在金属表面形成一层纳米膜，在摩擦时保护金属表面。

在我国，钨系列润滑油添加剂的发展较为缓慢，主要是对WS2纳米材料进行结构修饰及在有机钼基础上进行研究。

张金刚等[16]在1993年合成了胺基二异丙基二硫代膦酸钨，在基础油中考察其摩擦学性能，并对其表面组成和形貌进行了分析。结果表明，此种添加剂能在摩擦副表面形成化学反应膜，提高润滑油的摩擦学性能。

熊仁根[17]在1996年用三氧化钨和3,4-二巯基甲苯合钨二硫酚合钨，用四球磨机对极压性能和抗磨性能进行了研究，结果表明，二硫酚合钨具有优良的极压抗磨性能。其机理同样是化学吸附膜起润滑作用，在催化条件下，发生一系列化学反应，生成WO3和FeS，起极压抗磨作用，这与二硫化钨的抗磨减摩机理相近。

俸梦德[18]将0.3%wt的二硫化钨颗粒添加入基础油中制得低含量二硫化钨润滑油，并使用四球磨机测试其摩擦学性能。实验结果表明，在常温时，二硫化钨润滑油的油膜强度比基础油提升了37.5%；随着温度的上升，摩擦因数降低，在100 ℃，372.4N负荷下，二硫化钨润滑油的摩擦因数为0.042，比基础油的0.072降低了43.8%，抗磨减摩效果显著。

石琛等[19]通过表面化学修饰和吸附修饰表面改性超细二硫化钨颗粒，将其添加入半合成机油基础油，并加入适量的功能添加剂，制得二硫化钨发动机油。通过四球磨机测试其摩擦学性能，并与国内外发动机油进行对比研究发现，该发动机油油膜强度分别为国外发动机油和国内发动机油的1.06倍和1.38倍，烧结负荷分别为1.75和2.33倍。进行长磨实验发现，摩擦系数随时间的增长而减小，磨斑直径明显减小，且磨斑表面较为光滑，无明显犁沟。说明制得的二硫化钨机油具有优秀的抗磨减摩和极压性能。

李登伶等[20]通过表面化学修饰的自制纳米二硫化钨粉末以1%wt的比例加入汽油机油中制得含二硫化钨的汽油机油，并进行了发动机模拟台架试验，考察了二硫化钨在发动机内部的表现。研究结果表明，二硫化钨机油比普通机油的油膜强度提高了21.6%，烧结负荷提高了100%，磨斑直径减小了11.8%，发动机活塞环的磨损量降低了27.6%。这说明了二硫化钨机油能显著延长发动机油的使用寿命和换油周期，此外，在台架试验中还发现二硫化钨机油能有效降低燃油消耗，平均节油13-28%，性能优异。

张俐丽[21]将自制的平均直径10-15nm，长度0.1-2μm的二硫化钨纳米棒用质量分数为1%的Span-80超声分散20min到基础油中，制得不同浓度的二硫化钨润滑油，并通过立式万能摩擦磨损仪考察其摩擦学性能。实验结果表明，与基础油相比，添加了二硫化钨纳米棒的润滑油能显著提升抗磨性能，降低摩擦因数；添加2%wt二硫化钨纳米棒的润滑油的磨斑直径降低了50%，且磨斑平整光滑，无撕裂或者是犁沟现象。二硫化钨纳米棒在摩擦前期起到了“微轴承”的作用，随着摩擦进行，纳米棒被压平，在摩擦副表面形成保护膜，阻止了摩擦副之间的直接接触，提高润滑性能。

由于二硫化钨的特殊物理性质，其在润滑油中的应用发展是一个较漫长的过程，国外起步较早，已初步实现了在润滑油应用，而我国虽起步晚近三十年，但在理论研究上已迅速追赶。二硫化钨颗粒的加入能明显延长润滑油使用寿命，且对节能减排有非常积极的意义。二硫化钨在润滑油中起效的机理与在润滑脂中相似，但必须解决其易团聚的特殊物理性质，现我国采取的表面修饰技术已能初步解决这一问题，但距离实际应用还有一段距离。

3 结 语

二硫化钨微粒作为一种新型的固体润滑添加剂具有优异的摩擦学性能，特别在高温和高负荷情况下能显著提升润滑剂的润滑性能。目前，二硫化钨在润滑脂中的应用已较为成熟，能有效改善润滑脂的抗磨减摩以及极压性能；在润滑油中应用时，虽然机理相似，但由于其在润滑油特殊的物理性质，极大提高了其在润滑油中的应用难度，找到合适的加工工艺、最佳的表面修饰以及分散方式是目前最迫切的攻关难题。

[1] Prasad S V, Mcdevitt N T, Zabinski J S. Tribology of tungsten disulfide-nanocrystalline zinc oxide adaptive lubricant films from ambient to 500 ℃[J]. Wear, 2000, 237(2): 186～196.

[2] Masanori I, Shuichiro W, Junichi N, et al.Superlow friction of WS2 coatings in ultrahigh vacuum at low temperature[C]//2005 World Tribology Congress III. Proceedings of the World Tribology Congress III 2005. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2005: 931～932.

[3] 熊文, 毛大恒, 吴尔京. 二硫化钨在高温锂基润滑脂中摩擦性能的研究[J]. 润滑与密封, 2005, 1313(2): 107～109.

[4] Cornitius T. Solid lubricants-solid hold in global industry[J]. Lubricants World, 2003, 13(9): 28～31.

[5] Gaskell A. Molybdenum disulfide: New life for old technology[J]. Lubricants World, 2003, 13(1): 40～43.

[6] 王勐. 复合钛基润滑脂的高温摩擦性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[7] 熊文. WS2高温锂基润滑脂的研制及其摩擦学性能的研究[D]. 长沙：中南大学，2004.

[8] 俸颢，毛大恒. 一种二硫化钨高温润滑脂的研制与性能研究[J]. 重庆师范大学学报，2004,21 (3):50～54.

[9] 杨俊,蒋明俊,郭小川,等. 几种极压添加剂对复合锂钙基润滑脂性能的影响[R]. 北京:全国第十五届润滑脂技术交流会，2009.

[10] 石琛,毛大恒,俸颢．二硫化钨发动机油的摩擦学性能研究[J]，润滑与密封,2007,32(3):83～87.

[11] WARREN L，PERILSTEIN O L. Lubrieating composition:US,3234 129 [P]. 1966.

[12] Powers L. Proeess of preparing lubricating oil additive containing tungsten：US，4 298 468 [P].1981.

[13] SAWYER W G,BLANCHET T A. Lubrication of Mo,W,and their alloys with H2S Gas admixtures to room temperature air [J]. Wear,1999,225(226):581～586.

[14] BARANOV N G, AGEEVA V S, AITSKAYA A I., et al. Structure and tribological characteristics of copper-tungsten disulfide powder composite material [J]. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics,1991,29(10):832～835.

[15] Murugan P,Kumar V,Kawazoe Y,et al. Atomic structures and magnetismin small MoS2and WS2clusters [J]. Physical Review Atomic Molecular and Optical Physics,2005,71(6):1～6.

[16] 张金刚.胺基硫代磷酸钨在之类油中摩擦学特性的研究[J]. 摩擦学学报，1993,13(3):238～243.

[17] Xiong R G,Dong J X. The synthesis and anti-wear aetion of tungsten dithiolate [J]. Lubrication Seienee,1996,(8):389～395.

[18] 俸梦德. 纳米材料WS2对润滑油摩擦磨损性能的影响的发动机台架实验研究[J]. 润润滑与密封, 2009,34(9):57～60.

[19] 石琛,毛大恒,俸颢. 二硫化钨发动机油的研制及摩擦学性能研究[J]. 石油炼制与化工, 2007,38(4):1～5.

[20] 李登伶,毛大恒,石琛. WS2对汽油机油性能影响的发动机台架实验研究[J]. 润滑与密封，2009, 34(9):57～60.

[21] 张俐丽．WS2纳米棒的制备及作为润滑添加剂的摩擦学性能[D]. 杭州:浙江大学,2006.