二硫化鉬-油分散液可綜合固體與液體潤滑劑的優(yōu)點。本文簡單評述了有關于二硫化鉬濃度、粒度、二硫化鉬與其他添加劑的相容性及氣氛對分散液摩擦磨損性能的影響。同時還建議了幾個尚需進一步研究的題目。

作者：薛群基（中國科學院蘭州化學物理研究所）摘自《摩擦學學報》

前言

多數(shù)潤滑部件的擦傷失效發(fā)生在跑合階段。其原因是在表面突峰接觸部位缺乏潤滑油膜和其他表面膜。當潤滑劑為無添加劑的礦油時，擦傷失效時的表面溫度近似常量。Cameron等證實，在相對低的底材本體溫度下潤滑失效為接觸區(qū)表面溫度所決定，而在較高的本體溫度下表面膜的機械強度是決定因素。上述潤滑失效的溫度標準是歸因于薄油膜的熱解吸。如果油中含有微量的極壓添加劑，失效的溫度標準就不再成立。對每一種化學活性添加劑，只有在一定溫度下其形成表面膜的速率才能超過表面膜被磨掉的速率。添加劑起顯著作用的這個溫度一般不同于上述的油解吸溫度。因此在潤滑實踐中，潤滑油的失效溫度和添加劑作用溫度之間總是存在或大或小的差別。如何消除這個差別成為解決潤滑失效的課題之一。解決這個課題有若干可能的途徑。其中一個方法是在氧化氣氛中使?jié)櫥砻嬷饾u地跑合，這將能造成具有復雜表膜的表面，由于操作參數(shù)的漸變性，局部的表面破壞和復原都以微觀方式進行，從而避免了破壞性的擦傷失效。用固體潤滑劑作為油品添加劑也是一種有效的方法。使用固體潤滑劑的跑合過程具有和在氧化氣氛中增加跑合的漸變性同樣的效果。固體潤滑劑，尤其是二硫化鉬，作為油品添加劑較其他添加劑有獨到之處，也就是說，固體潤滑劑不僅是化學的，而且能機械的粘附在底材表面上。而機械的粘附并不完全取決于表面的溫度狀態(tài)。Braithwaite論述了二硫化鉬的潤滑機理。隨機取向的二硫化鉬聚集體被破壞后，在剪切力和正壓力的共同作用下，二硫化鉬微晶的基礎平面大致上平行于表面的滑動方向。由于二硫化鉬晶層覆蓋了表面，防止了突峰的接觸，真是接觸面積也有所增加。由于二硫化鉬晶層間的剪切強度低于二硫化鉬與金屬表面間的粘著強度，因而滑移zui終發(fā)生在二硫化鉬晶層的內(nèi)部。Gansheimer和Holinski對二硫化鉬-油分散體系的研究發(fā)現(xiàn)，在比較緩和的接觸條件下，二硫化鉬膜的形成是由于物理和機械作用，而在較苛刻的接觸條件下，二硫化鉬與鋼表面發(fā)生了化學反應生成的硫化鐵具有潤滑作用。作者認為，這個轉(zhuǎn)變溫度約700℃。在此溫度下，發(fā)生了下述化學反應：MoS2+2Fe=2FeS+Mo，反應產(chǎn)生鉬（Mo）也在此溫度下擴散進入底材的表面層。

用固-液分散體作為潤滑劑已有多年的歷史。近年來，主要由于節(jié)約能源，防止?jié)櫥У脑?，有關這類材料的研究十分活躍。其中二硫化鉬-油、脂分散體系是zui受注意的對象之一。本文將對有關二硫化鉬-油、脂分散體系的幾個問題做一簡單述評。

一、二硫化鉬在油中的濃度對分散體系性能的影響。

經(jīng)過四球機實驗，Bartz發(fā)現(xiàn)在邊界潤滑條件下要降低磨損，SAE90潤滑油中的二硫化鉬濃度不能低于3%。在低負荷下，基礎油的流體潤滑作用是決定性因素，因而添加二硫化鉬不能起到降低摩擦磨損的作用。在較高的負荷下，當二硫化鉬的濃度超過一定水平時，又一次出現(xiàn)磨損，隨二硫化鉬添加量提高而增大的趨勢。在四球機“一分鐘”標準試驗中，Stock也發(fā)現(xiàn)，當負荷為150kg時，磨痕隨二硫化鉬在油中濃度提高而變小。但在較低速度下存在一個zui佳濃度，高于或低于這個濃度都會造成較大的磨損。

Ganshcimer和Holinski認為，當二硫化鉬的濃度為3%時磨損zui低，而在較高濃度時磨損增大。在低負荷下，3%的二硫化鉬懸浮液只能在鋼表面上形成少量的二硫化鉬沉積。隨著負荷的增加，沉積膜厚增加直到2微米的zui大厚度。然而在二硫化鉬濃度和穩(wěn)定膜厚之間并沒有已知的關系。Barry等指出，標準的Timken、Falex和四球機實驗證明，添加二硫化鉬改善了SAE90油的性能。一般說來，改善程度正比于二硫化鉬在油中的濃度。高速低負荷Timken實驗結(jié)果說明，在有其他添加劑存在時二硫化鉬有一zui佳濃度?？雌饋頋舛鹊挠绊懞蛯嶒灄l件有關。顯然，要說明這些關系尚需進一步的工作。

用二硫化鉬-油分散液作發(fā)動機氣缸潤滑劑時，從開始發(fā)動，氣缸壁上就形成一層膜，然后達到一穩(wěn)定的狀態(tài)，在此狀態(tài)下二硫化鉬膜不斷地得到補充。達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間是二硫化鉬在油中濃度的函數(shù)。在上述實驗中的zui佳濃度為0.7%。

Thorp用四球機“一分鐘”標準實驗檢驗了用礦油基潤滑油（有或無二烷基二硫代磷酸鋅添加劑）添加二硫化鉬潤滑硬質(zhì)鋼的效果。他發(fā)現(xiàn)增加二硫化鉬含量使磨損大大降低并使燒結(jié)負荷顯著提高?？上?，他只實驗了三個二硫化鉬濃度。

在研究某些無極氧化物的極壓性能時，Palacios指出，用四球機“十分鐘”標準實驗，磨損率隨潤滑脂中的PbO濃度的增加而變小，但當PbO含量高到一定程度之后，這種效應就不明顯。對含CaO的脂來說，增加CaO的濃度總是有好的影響。

由上述工作可見，固體潤滑劑在油或脂中的濃度是影響這些分散體系性能的一個重要因素。但是如何確定一個分散體系的zui佳固相含量或濃度仍然有許多問題需要研究。例如二硫化鉬的濃度和穩(wěn)定狀態(tài)膜厚的關系、濃度對磨損性能和咬合或擦傷性能的不同影響，不同的操作參數(shù)對固相濃度的要求等。

二、二硫化鉬與其他添加劑的相容性

Bartz研究了其他添加劑對二硫化鉬-油分散液性能的影響。內(nèi)燃機油中的堿性清凈劑阻止了二硫化鉬在摩擦面上的沉積并能從表面上取代二硫化鉬。在四球、球-柱及柱-塊接觸裝置上的實驗表明，添加1%的二硫化鉬改善了精制礦油基潤滑油的抗磨性和臨界負荷。二硫化鉬提高了含某些添加劑（如三甲笨基磷酸酯TCP和二芐基二硫DBD）的礦油基潤滑油的抗磨性，但當添加劑（例如二異丙基二流代磷酸鋅）本身具有高的化學活性時，二硫化鉬的添加會產(chǎn)生不明顯的是對抗性的結(jié)果。添加二硫化鉬到含二辛基二硫代磷酸鋅的潤滑油中提高了負荷承載能力，但在某些情況下這種提高伴隨著磨痕的增大。在較高的油溫和較低的速度下，二硫化鉬顯著的降低了磨痕區(qū)的接觸壓力，但在較低的油溫和較高的速度下二硫化鉬又顯著的提高了接觸壓力。這說明操作參數(shù)能影響到二硫化鉬和某些抗磨或極壓添加劑之間的相互作用。

Thorp指出，二硫化鉬能提高臨界負荷，但對燒結(jié)負荷的影響不大，其原因就是二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）和二硫化鉬同金屬表面的作用有對抗性。在較低負荷下，二硫化鉬可以粘附在由選擇吸附的ZDDpP分子形成的多孔表面層上。但在較高負荷下，由于添加劑的化學反應膜在起主導作用，添加二硫化鉬幾乎沒有什么效果。

Bartz的工作證明，在實驗室標準實驗及滿負荷實驗中，二硫化鉬改善了添加有硫化物、氯化物、磷化物及脂肪酸的潤滑油性能。然而，性能zui好的二硫化鉬-油-添加劑體系不能靠簡單的將二硫化鉬添加到現(xiàn)有的潤滑油配方中獲得。

Scott和Jamieson實驗了二硫化鉬和其他添加劑的相容性，用四球機測定了產(chǎn)生點蝕的時間。結(jié)果證明，酸性表面活性劑，例如油酸阻止了二硫化鉬在金屬表面上的粘附，而三乙醇胺等堿性添加劑促進了二硫化鉬的粘附。也就是說，其他堿性添加劑提高了二硫化鉬-油分散液的抗點蝕性能。

關于二硫化鉬對含其他添加劑的潤滑油性能的影響到今沒有普遍性的結(jié)論。多數(shù)情況下，添加二硫化鉬能改善油品的性能，但也有產(chǎn)生對抗作用的情況。實驗條件又可能影響不同添加劑的作用機理。因此，只有在很寬的實驗條件下研究二硫化鉬與各類添加劑的相互作用才能得出實際意義的結(jié)論 。

三、二硫化鉬粒度對分散體系性能的影響

通過四球機實驗，Bartz提出，在增加負荷的條件下較大的二硫化鉬顆粒（平均粒徑15微米）使球的磨損率增加，而在提高滑動速度的條件下。較細的二硫化鉬（平均粒徑2微米）改善了油的潤滑性。作者認為，在一定的二硫化鉬濃度下，由于有更多的粒子可以利用，使用較細顆粒的二硫化鉬時能較容易的形成表面膜。但FZG齒輪試驗機的結(jié)果相反。作者認為，在一定的二硫化鉬濃度下，由于有更多的粒子可以利用，使用較細顆粒的二硫化鉬時能較容易的形成表面膜。但FZG齒輪試驗機的結(jié)果相反。作者認為這是由于不同的表面粗糙所造成的。對較粗糙的表面，較大的二硫化鉬顆?？梢蕴畹奖砻鏈虾壑行纬奢^大的承載表面，因而咬合負荷和抗磨能力都有所提高。

Barry和Binkelman實驗了鋰基脂中二硫化鉬粒度對磨損率和咬合性能的影響。二硫化鉬的粒徑是由0.7微米-7微米。就Timken OK負荷和Falex承載能力來說較小的二硫化鉬粒子產(chǎn)生好的結(jié)果，然而四球機和振動試驗機得出了相反的結(jié)論。盡管作者認為這是由于較小的粒子在較低的速度下有好的作用，但又不符合四球機和Falex試驗機的結(jié)果?？磥碜髡叩慕忉屖遣荒芰钊诵欧?。

Risdon和Sargent也用四球機研究了含二硫化鉬潤滑脂的性能。他們發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)情況下較細的二硫化鉬有較高的承載能力，但也經(jīng)常伴隨著較大的磨損。Stock的四球試驗結(jié)果是含較細粒子（平均粒徑0.7-1.5微米）二硫化鉬分散液比含粒徑為5微米二硫化鉬分散液的抗磨性好，負荷越高這種趨勢越明顯。

Barry和Binkelman在面接觸條件下的實驗結(jié)果說明含粒徑7微米的二硫化鉬分散液比含粒徑為0.7微米的分散液具有更高的抗咬合能力。

表1給出了上述一些工作結(jié)果的摘要。

顯然，結(jié)果是很分散的。不同的試驗機產(chǎn)生不同的結(jié)論。較好的抗磨能力并不意味著較好的抗咬合性能，原因現(xiàn)在還不清楚。一種意見認為可以利用的固體粒子數(shù)目是關鍵因素，另一種考慮是表面形貌的影響。Salomon等使用栓-環(huán)試驗機發(fā)現(xiàn)，濕法噴砂的實驗環(huán)表面（0.3-0.4微米CLA，CLA即中線平均值相當于算術平均值R）上擦涂二硫化鉬膜可以持續(xù)13小時，而當?shù)撞谋砻鏋?.004微米CLA時，擦涂二硫化鉬膜只能工作幾分鐘。表面織構(gòu)也影響二硫化鉬的潤滑性能，當滑動方向平行于底材表面打磨痕時摩擦系數(shù)低，而當滑動方向垂直于打磨痕時摩擦系數(shù)就比較高。磨損率坑你具有相反的趨勢。不同的實驗機、不同的工作條件會產(chǎn)生不同的潤滑狀態(tài)，從而影響二硫化鉬的測試性能。如何選擇實驗條件以求獲得可比性的結(jié)果也是一項必須進行而又非常復雜的任務 。

二硫化鉬粒子尺寸影響到現(xiàn)在仍處于爭論之中。一派學者認為對偶面的表面粗糙度是決定因素。較粗的表面需要較粗的粒子才能起防護作用。過細的顆?？赡苌⒙湓跍虾壑卸鸩坏椒雷o作用。持相反觀點的人認為，除非顆粒足夠細并有窄的粒度分布，否則就會出現(xiàn)潤滑系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。尤其是帶有很細的油路和有效的濾清器的汽車發(fā)動系統(tǒng)，較粗的二硫化鉬會造成運轉(zhuǎn)上的不穩(wěn)定狀態(tài)。

看來，到今尚缺乏關于表面粗糙度，表面織構(gòu)與二硫化鉬顆粒對二硫化鉬分散液性能的綜合影響的牙就。眾所周知，表面集合形貌在沒有二硫化鉬存在的彈性流體潤滑和邊界潤滑中有重要影響。當加入二硫化鉬之后，這種影響不僅在理論上，而且在實踐上也是十分重要的 。

四、水汽和氧氣對二硫化鉬分散液性能的影響

眾所周知，二硫化鉬的摩擦性能受其中水汽含量的影響。Peterson和Johnson在低速面接觸實驗中發(fā)現(xiàn)，二硫化鉬粉末的摩擦和底材的磨損率隨相對濕度增加（由6%-65%）而增加，但在較高的相對濕度下（＞70%），摩擦下降而磨損率繼續(xù)升高，也就是說，在相對濕度為70%時摩擦有一zui大值。作者認為在高濕度下的高磨損是由于腐蝕而引起的，而在更高濕度下的摩擦降低原因沒有討論。粘結(jié)二硫化鉬膜的摩擦系數(shù)隨相對濕度的增加而升高。在低的相對濕度條件下（6-15%），二硫化鉬轉(zhuǎn)移到滑塊上形成連續(xù)而光滑的膜，但在較高的相對濕度條件下，粘結(jié)膜出現(xiàn)裂紋，僅有痕跡量的二硫化鉬留在滑塊表面上。

Barry和Binkelman在不同氣氛條件下研究了在不同金屬上二硫化鉬擦涂膜的潤滑效應。結(jié)果表明，在干燥空氣中，摩擦并不隨負荷與速度而變化，而在濕空氣中，摩擦隨速度和負荷的增加而降低。作者認為，摩擦熱導致了表面濕度的降低，從而對摩擦行為本身又產(chǎn)生了影響。

Salomn等發(fā)現(xiàn)，在干燥氬氣和氮氣中二硫化鉬擦涂膜可以持續(xù)工作幾個小時。而在相對濕度為95%的氬氣或氮氣中，實驗一開始即發(fā)現(xiàn)有硫化氫氣體逸出，摩擦系數(shù)上升到0.8，然后降低到0.15，硫化物也轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸铩Ｔ诳諝鈱嶒灂r，只有痕跡量的硫化氫氣體，但摩擦系數(shù)增加很多，耐磨壽命隨氧氣含量的增加而降低。有水汽存在時，耐磨壽命隨水汽濃度而變化，且有一zui大值。即在相對濕度為7%時擦涂膜的耐磨壽命zui長。

不久前，Tanaka（田中九一郎）等考察了二硫化鉬壓片與45號鋼在空氣中的滑動摩擦行為。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)隨接觸壓力和滑動速度的提高而降低。作者用摩擦熱,μWV（其中，μ，W，V分別為摩擦系數(shù)、負荷和速度）的概念來說明實驗結(jié)果。摩擦熱改變了表面膜的環(huán)境條件，從而影響到膜的摩擦、磨損性能。

盡管詳細的機理還有待明確，但水汽和氧氣對二硫化鉬粉末及粘結(jié)膜的摩擦磨損性能的影響是無疑的。與此相比，關于氣氛對二硫化鉬-油分散體系摩擦學性能的影響到今報道甚少。Scott在四球?qū)嶒炛邪l(fā)現(xiàn)，二硫化鉬-油分散液的點蝕壽命受油中水分的影響。含5%二硫化鉬的分散液經(jīng)金屬鈉干燥后壽命提高20%，可惜，除此之外到今沒有見到關于這個問題的更多的工作。

已經(jīng)知道，完全無水或無氧條件可能會造成有效潤滑的立即失效，而過多的濕氣或氧氣會對表面產(chǎn)生腐蝕，造成所謂的腐蝕擦傷。添加二硫化鉬有可能為潤滑體系在高溫下缺乏水汽或氧氣而失效的問題提供一個補償?shù)霓k法。

五、結(jié)束語

二硫化鉬-油或脂分散體系有可能結(jié)合固體潤滑與流體潤滑的有點，成為潤滑材料之一。關于這個課題的研究已經(jīng)取得了不少的進展，但是許多問題還未解決，因此需要更深入的研究工作。本文僅僅簡單的評述了部分值得注意的問題。

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