施凱烽 謝 鳳

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

二硫化鎢顆粒是一種新型的潤(rùn)滑材料，具有優(yōu)良的抗磨減摩性能，是科學(xué)界公認(rèn)的摩擦潤(rùn)滑效果最好的原材料之一。二硫化鎢在大氣中的分解溫度為510℃，在539℃時(shí)氧化迅速，可在425℃下長(zhǎng)期潤(rùn)滑，在真空中的分解溫度高達(dá)1150℃，其抗極壓強(qiáng)度可達(dá)到21MPa，且其抗輻射性能要比二硫化鉬、石墨、富勒烯等材料優(yōu)良，不僅能適應(yīng)一般的潤(rùn)滑條件，更是能用于高溫、高壓、高負(fù)荷、高真空、腐蝕及輻射性介質(zhì)等苛刻的工作環(huán)境，因此，二硫化鎢一直作為一種高性能固體潤(rùn)滑材料應(yīng)用于航空航天、軍事等高科技領(lǐng)域[1,2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有很多科研人員將二硫化鎢顆粒應(yīng)用于潤(rùn)滑脂中制備高溫極壓潤(rùn)滑脂，并取得了極好的效果[3]。與二硫化鎢結(jié)構(gòu)性質(zhì)相近的二硫化鉬在國(guó)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于潤(rùn)滑油中，如美國(guó)PetrolMoly公司開(kāi)發(fā)的含二硫化鉬顆粒的節(jié)能環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)油已被聯(lián)合國(guó)指定為向成員國(guó)推薦的125項(xiàng)新產(chǎn)品、新技術(shù)之一，而二硫化鎢的性能要優(yōu)于二硫化鉬卻少有應(yīng)用于潤(rùn)滑油，所以針對(duì)其在潤(rùn)滑油中應(yīng)用的研究也在逐漸展開(kāi)[4,5]。本文主要概述了二硫化鎢在潤(rùn)滑脂及潤(rùn)滑油中的摩擦學(xué)性能研究。

1 二硫化鎢在潤(rùn)滑脂中的摩擦學(xué)性能研究

王勐[6]采用三種粒徑的二硫化鎢顆粒(0.35、0.8、1.5 μm)，分別以三種添加量(1%wt、2%wt、3%wt)加入到復(fù)合鈦基潤(rùn)滑脂中去，攪拌均勻并用三輥研磨機(jī)研磨6次制得潤(rùn)滑脂樣。使用四球磨機(jī)測(cè)試其摩擦學(xué)性能，在392N負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，記錄拉力值，并通過(guò)SEM表征小球磨斑。結(jié)果表明，二硫化鎢粒子在高溫情況下能充分體現(xiàn)抗磨效果，且添加量在3%的時(shí)候能達(dá)到最佳效能。二硫化鎢粒子在潤(rùn)滑過(guò)程中充當(dāng)了磨粒，在常溫、高轉(zhuǎn)速、低載荷的情況下，削弱了潤(rùn)滑脂的粘性，使得形成的油膜不均勻，易被破壞，潤(rùn)滑效果反而不如純脂，摩擦效果的好壞主要由接觸面間的摩擦狀態(tài)決定。若不考慮二硫化鎢粒子對(duì)潤(rùn)滑效果的負(fù)面影響，則粒徑越小，潤(rùn)滑效果越好。

熊文[7]采用新型的一步法制備工藝，添加了多種添加劑，制備出了一種高滴點(diǎn)、良好極壓性和穩(wěn)定性的高溫二硫化鎢鋰基潤(rùn)滑脂。通過(guò)研究分析得出，添加3%的粒徑為0.3μm的二硫化鎢超細(xì)粉末的潤(rùn)滑脂具有最佳的高溫摩擦學(xué)性能，并通過(guò)對(duì)高溫狀態(tài)分析得出其在800℃高溫下仍具有良好穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性。研究表明，高溫下二硫化鎢的良好潤(rùn)滑性是由于其在高溫下緩慢氧化形成三氧化鎢，能抑制二硫化鎢的進(jìn)一步氧化，但會(huì)因此影響其抗剪切能力；在一定的范圍內(nèi)，粒徑越小，抗磨性能越好，但減摩效果會(huì)受影響，實(shí)驗(yàn)得出最佳粒徑為0.3μm。

俸顥等[8]以二硫化鎢超細(xì)粉末作為添加劑，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，以粒徑為0.5μm，添加量為1.5%研制出一種二硫化鎢高溫潤(rùn)滑脂。通過(guò)相關(guān)測(cè)試，這種潤(rùn)滑脂具有高滴點(diǎn)、低摩擦系數(shù)、高油膜強(qiáng)度等良好的摩擦學(xué)性能。通過(guò)掃描電鏡觀察可發(fā)現(xiàn)，二硫化鎢超細(xì)粉末微觀結(jié)構(gòu)呈片層狀，層面十分光滑，層間易發(fā)生滑移，表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)；同時(shí)二硫化鎢晶體在400℃高溫下仍十分穩(wěn)定，通過(guò)緩慢形成致密的氧化鎢保護(hù)層，抑制進(jìn)一步氧化，同時(shí)氧化鎢也具有較低的摩擦系數(shù)，有效地保護(hù)了金屬表面并能阻止發(fā)生膠合，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能。

楊俊等[9]將二硫化鎢固體顆粒(0.3～0.5μm)添加入復(fù)合鋰鈣基潤(rùn)滑脂中，并探討了二硫化鎢與其他添加劑的配合使用。實(shí)驗(yàn)表明，隨著二硫化鎢的增加，潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)會(huì)略有上升，稠度小幅降低，分油量略有上升，這說(shuō)明了二硫化鎢的加入能提高潤(rùn)滑脂的熱安定性，但會(huì)影響潤(rùn)滑脂的膠體安定性。隨著二硫化鎢的增加，PB、PD明顯增大，加入量為3%時(shí)，效果最好，PB達(dá)1186N，PD達(dá)4903N，有效提高了潤(rùn)滑脂的極壓抗磨性能。此外，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)使用T321相比，二硫化鎢、二硫化鉬配合使用制得的潤(rùn)滑脂極壓抗磨性能更加優(yōu)異；T352與T361配伍再與二硫化鉬、二硫化鎢配合使用也可以制得極壓抗磨性能極為優(yōu)異的潤(rùn)滑脂。

石琛等[10]以二硫化鎢亞微粒作為高溫潤(rùn)滑脂的添加劑，對(duì)其在潤(rùn)滑脂中的摩擦學(xué)性能進(jìn)行亞久，并用電子探針顯微鏡和俄歇電子能譜儀對(duì)摩擦表面進(jìn)行了表征分析。研究表明，添加1.5%二硫化鎢后，潤(rùn)滑脂的燒結(jié)載荷由2 500N上升到4 000N，提高了60%，磨痕直徑由0.86 mm降低到0.56 mm，下降了34.9%。二硫化鎢粒子能有效提高潤(rùn)滑脂的油膜強(qiáng)度和燒結(jié)負(fù)荷，磨斑直徑明顯明顯減小，但錐入度略有下降。此外，還對(duì)油膜強(qiáng)度PB值進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，在高溫尤其是溫度大于150 ℃時(shí)，二硫化鎢的添加能顯著提高有膜強(qiáng)度，添加量為1.5%情況下，150 ℃時(shí)，油膜強(qiáng)度由基礎(chǔ)脂的696N提高到921N，提高了32.3%，200 ℃時(shí)，由649N提高到980N，提高了51.0%。研究人員認(rèn)為，二硫化鎢加入后，在金屬表面形成一層致密的吸附膜，能有效防止金屬表面的氧化和碳化，并且與摩擦副表面產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)膜，從而有效提高了潤(rùn)滑脂的抗磨減摩和極壓性能。

以上文獻(xiàn)表明，二硫化鎢作為潤(rùn)滑脂的添加劑加入后，能顯著改善潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能，尤其是在高溫下效能更加優(yōu)異。低溫低負(fù)荷時(shí)，主要在金屬表面形成吸附膜，使金屬表面更平滑，并能保護(hù)金屬表面，而其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能明顯提高潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑性能；高溫高負(fù)荷下，能生成化學(xué)反應(yīng)膜，配合吸附膜，能有效提高潤(rùn)滑脂的抗磨減摩和極壓性能。

2 二硫化鎢在潤(rùn)滑油中的摩擦學(xué)性能研究

不同于潤(rùn)滑脂，至今為止，很少有研究人員將二硫化鎢顆粒應(yīng)用于潤(rùn)滑油中，主要是因?yàn)槎蚧u顆粒密度較高、尺寸較小、比表面積大、比表面能高且顆粒表面活性高，極易發(fā)生很強(qiáng)的團(tuán)聚現(xiàn)象，限制了其在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用。但由于其優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，針對(duì)其在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用研究也在逐步開(kāi)展。

國(guó)外在此方面的研究起步較早，1966年，Warren等[11]在其專(zhuān)利中發(fā)表了合成含有W和S的潤(rùn)滑劑，此潤(rùn)滑劑中含有二芳烴鎢化合物WX6-n(OR)6，含量為0.005%-5%，其中 R為含6-18個(gè)碳原子的芳基集團(tuán)，X是Br或Cl，n為1-6，化合物中S以硫醇、硫化鎢、二硫化物等形式存在，含量約為0.05%-5%，受壓力和溫度影響，含有W和S的物質(zhì)沉積在摩擦副表面。

Powers等[12]也發(fā)表了一系列含有鎢的潤(rùn)滑油添加劑的制備方法。將仲鎢酸銨與水以1∶3-1∶4比例形成飽和固漿，與叔烷基胺有機(jī)相接觸，有機(jī)相分散于水中，以水溶液為橋梁，將仲鎢酸銨溶解于有機(jī)相。溫度為85～100 ℃，接觸時(shí)間為3～6 h，有機(jī)相與仲鎢酸銨質(zhì)量比例為3∶1，采用蒸餾去除水相，制得潤(rùn)滑油添加劑，最終鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)19%，含水量低于1%。此發(fā)明合成的產(chǎn)品具有優(yōu)良的抗磨性和極壓性。

Gregory等[13]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：在常溫下，WS2具有極低的摩擦因數(shù)，約為0.08,。Baranov等[14]對(duì)WS2固體潤(rùn)滑材料進(jìn)行深入探討研究，在銅粉中摻入10%的WS2粉末，有效提高了銅粉在高速摩擦條件下的粘附能力并使其得到了穩(wěn)定的摩擦因數(shù)。Murugan等[15]研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)磁性的WS2簇由于其內(nèi)部的排列順序，能產(chǎn)生一定的磁性，在潤(rùn)滑過(guò)程中更好地吸附在金屬表面。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了WS2能在金屬表面形成一層納米膜，在摩擦?xí)r保護(hù)金屬表面。

在我國(guó)，鎢系列潤(rùn)滑油添加劑的發(fā)展較為緩慢，主要是對(duì)WS2納米材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾及在有機(jī)鉬基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

張金剛等[16]在1993年合成了胺基二異丙基二硫代膦酸鎢，在基礎(chǔ)油中考察其摩擦學(xué)性能，并對(duì)其表面組成和形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，此種添加劑能在摩擦副表面形成化學(xué)反應(yīng)膜，提高潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能。

熊仁根[17]在1996年用三氧化鎢和3,4-二巰基甲苯合鎢二硫酚合鎢，用四球磨機(jī)對(duì)極壓性能和抗磨性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，二硫酚合鎢具有優(yōu)良的極壓抗磨性能。其機(jī)理同樣是化學(xué)吸附膜起潤(rùn)滑作用，在催化條件下，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成WO3和FeS，起極壓抗磨作用，這與二硫化鎢的抗磨減摩機(jī)理相近。

俸夢(mèng)德[18]將0.3%wt的二硫化鎢顆粒添加入基礎(chǔ)油中制得低含量二硫化鎢潤(rùn)滑油，并使用四球磨機(jī)測(cè)試其摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在常溫時(shí)，二硫化鎢潤(rùn)滑油的油膜強(qiáng)度比基礎(chǔ)油提升了37.5%；隨著溫度的上升，摩擦因數(shù)降低，在100 ℃，372.4N負(fù)荷下，二硫化鎢潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)為0.042，比基礎(chǔ)油的0.072降低了43.8%，抗磨減摩效果顯著。

石琛等[19]通過(guò)表面化學(xué)修飾和吸附修飾表面改性超細(xì)二硫化鎢顆粒，將其添加入半合成機(jī)油基礎(chǔ)油，并加入適量的功能添加劑，制得二硫化鎢發(fā)動(dòng)機(jī)油。通過(guò)四球磨機(jī)測(cè)試其摩擦學(xué)性能，并與國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)油油膜強(qiáng)度分別為國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)油和國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)油的1.06倍和1.38倍，燒結(jié)負(fù)荷分別為1.75和2.33倍。進(jìn)行長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，磨斑直徑明顯減小，且磨斑表面較為光滑，無(wú)明顯犁溝。說(shuō)明制得的二硫化鎢機(jī)油具有優(yōu)秀的抗磨減摩和極壓性能。

李登伶等[20]通過(guò)表面化學(xué)修飾的自制納米二硫化鎢粉末以1%wt的比例加入汽油機(jī)油中制得含二硫化鎢的汽油機(jī)油，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)模擬臺(tái)架試驗(yàn)，考察了二硫化鎢在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，二硫化鎢機(jī)油比普通機(jī)油的油膜強(qiáng)度提高了21.6%，燒結(jié)負(fù)荷提高了100%，磨斑直徑減小了11.8%，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的磨損量降低了27.6%。這說(shuō)明了二硫化鎢機(jī)油能顯著延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)油的使用壽命和換油周期，此外，在臺(tái)架試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)二硫化鎢機(jī)油能有效降低燃油消耗，平均節(jié)油13-28%，性能優(yōu)異。

張俐麗[21]將自制的平均直徑10-15nm，長(zhǎng)度0.1-2μm的二硫化鎢納米棒用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Span-80超聲分散20min到基礎(chǔ)油中，制得不同濃度的二硫化鎢潤(rùn)滑油，并通過(guò)立式萬(wàn)能摩擦磨損儀考察其摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與基礎(chǔ)油相比，添加了二硫化鎢納米棒的潤(rùn)滑油能顯著提升抗磨性能，降低摩擦因數(shù)；添加2%wt二硫化鎢納米棒的潤(rùn)滑油的磨斑直徑降低了50%，且磨斑平整光滑，無(wú)撕裂或者是犁溝現(xiàn)象。二硫化鎢納米棒在摩擦前期起到了“微軸承”的作用，隨著摩擦進(jìn)行，納米棒被壓平，在摩擦副表面形成保護(hù)膜，阻止了摩擦副之間的直接接觸，提高潤(rùn)滑性能。

由于二硫化鎢的特殊物理性質(zhì)，其在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用發(fā)展是一個(gè)較漫長(zhǎng)的過(guò)程，國(guó)外起步較早，已初步實(shí)現(xiàn)了在潤(rùn)滑油應(yīng)用，而我國(guó)雖起步晚近三十年，但在理論研究上已迅速追趕。二硫化鎢顆粒的加入能明顯延長(zhǎng)潤(rùn)滑油使用壽命，且對(duì)節(jié)能減排有非常積極的意義。二硫化鎢在潤(rùn)滑油中起效的機(jī)理與在潤(rùn)滑脂中相似，但必須解決其易團(tuán)聚的特殊物理性質(zhì)，現(xiàn)我國(guó)采取的表面修飾技術(shù)已能初步解決這一問(wèn)題，但距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。

3 結(jié) 語(yǔ)

二硫化鎢微粒作為一種新型的固體潤(rùn)滑添加劑具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，特別在高溫和高負(fù)荷情況下能顯著提升潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能。目前，二硫化鎢在潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用已較為成熟，能有效改善潤(rùn)滑脂的抗磨減摩以及極壓性能；在潤(rùn)滑油中應(yīng)用時(shí)，雖然機(jī)理相似，但由于其在潤(rùn)滑油特殊的物理性質(zhì)，極大提高了其在潤(rùn)滑油中的應(yīng)用難度，找到合適的加工工藝、最佳的表面修飾以及分散方式是目前最迫切的攻關(guān)難題。

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