二硫化鉬-油分散液可綜合固體與液體潤(rùn)滑劑的優(yōu)點(diǎn)。本文簡(jiǎn)單評(píng)述了有關(guān)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(duì)分散液摩擦磨損性能的影響。同時(shí)還建議了幾個(gè)尚需進(jìn)一步研究的題目。

作者：薛群基（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）摘自《摩擦學(xué)學(xué)報(bào)》

前言

多數(shù)潤(rùn)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(rùn)滑油膜和其他表面膜。當(dāng)潤(rùn)滑劑為無(wú)添加劑的礦油時(shí)，擦傷失效時(shí)的表面溫度近似常量。Cameron等證實(shí)，在相對(duì)低的底材本體溫度下潤(rùn)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(jī)械強(qiáng)度是決定因素。上述潤(rùn)滑失效的溫度標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)就不再成立。對(duì)每一種化學(xué)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(guò)表面膜被磨掉的速率。添加劑起顯著作用的這個(gè)溫度一般不同于上述的油解吸溫度。因此在潤(rùn)滑實(shí)踐中，潤(rùn)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(gè)差別成為解決潤(rùn)滑失效的課題之一。解決這個(gè)課題有若干可能的途徑。其中一個(gè)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(fù)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(fù)原都以微觀方式進(jìn)行，從而避免了破壞性的擦傷失效。用固體潤(rùn)滑劑作為油品添加劑也是一種有效的方法。使用固體潤(rùn)滑劑的跑合過(guò)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(rùn)滑劑，尤其是二硫化鉬，作為油品添加劑較其他添加劑有獨(dú)到之處，也就是說(shuō)，固體潤(rùn)滑劑不僅是化學(xué)的，而且能機(jī)械的粘附在底材表面上。而機(jī)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(rùn)滑機(jī)理。隨機(jī)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(chǔ)平面大致上平行于表面的滑動(dòng)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(qiáng)度低于二硫化鉬與金屬表面間的粘著強(qiáng)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(duì)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(jī)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(xué)反應(yīng)生成的硫化鐵具有潤(rùn)滑作用。作者認(rèn)為，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度約700℃。在此溫度下，發(fā)生了下述化學(xué)反應(yīng)：MoS2+2Fe=2FeS+Mo，反應(yīng)產(chǎn)生鉬（Mo）也在此溫度下擴(kuò)散進(jìn)入底材的表面層。

用固-液分散體作為潤(rùn)滑劑已有多年的歷史。近年來(lái)，主要由于節(jié)約能源，防止?jié)櫥У脑颍嘘P(guān)這類(lèi)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(duì)象之一。本文將對(duì)有關(guān)二硫化鉬-油、脂分散體系的幾個(gè)問(wèn)題做一簡(jiǎn)單述評(píng)。

一、二硫化鉬在油中的濃度對(duì)分散體系性能的影響。

經(jīng)過(guò)四球機(jī)實(shí)驗(yàn)，Bartz發(fā)現(xiàn)在邊界潤(rùn)滑條件下要降低磨損，SAE90潤(rùn)滑油中的二硫化鉬濃度不能低于3%。在低負(fù)荷下，基礎(chǔ)油的流體潤(rùn)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(fù)荷下，當(dāng)二硫化鉬的濃度超過(guò)一定水平時(shí)，又一次出現(xiàn)磨損，隨二硫化鉬添加量提高而增大的趨勢(shì)。在四球機(jī)“一分鐘”標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中，Stock也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷為150kg時(shí)，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(gè)zui佳濃度，高于或低于這個(gè)濃度都會(huì)造成較大的磨損。

Ganshcimer和Holinski認(rèn)為，當(dāng)二硫化鉬的濃度為3%時(shí)磨損zui低，而在較高濃度時(shí)磨損增大。在低負(fù)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(fù)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(méi)有已知的關(guān)系。Barry等指出，標(biāo)準(zhǔn)的Timken、Falex和四球機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，添加二硫化鉬改善了SAE90油的性能。一般說(shuō)來(lái)，改善程度正比于二硫化鉬在油中的濃度。高速低負(fù)荷Timken實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在有其他添加劑存在時(shí)二硫化鉬有一zui佳濃度。看起來(lái)濃度的影響和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。顯然，要說(shuō)明這些關(guān)系尚需進(jìn)一步的工作。

用二硫化鉬-油分散液作發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸潤(rùn)滑劑時(shí)，從開(kāi)始發(fā)動(dòng)，氣缸壁上就形成一層膜，然后達(dá)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(bǔ)充。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間是二硫化鉬在油中濃度的函數(shù)。在上述實(shí)驗(yàn)中的zui佳濃度為0.7%。

Thorp用四球機(jī)“一分鐘”標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了用礦油基潤(rùn)滑油（有或無(wú)二烷基二硫代磷酸鋅添加劑）添加二硫化鉬潤(rùn)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(fù)荷顯著提高。可惜，他只實(shí)驗(yàn)了三個(gè)二硫化鉬濃度。

在研究某些無(wú)極氧化物的極壓性能時(shí)，Palacios指出，用四球機(jī)“十分鐘”標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，磨損率隨潤(rùn)滑脂中的PbO濃度的增加而變小，但當(dāng)PbO含量高到一定程度之后，這種效應(yīng)就不明顯。對(duì)含CaO的脂來(lái)說(shuō)，增加CaO的濃度總是有好的影響。

由上述工作可見(jiàn)，固體潤(rùn)滑劑在油或脂中的濃度是影響這些分散體系性能的一個(gè)重要因素。但是如何確定一個(gè)分散體系的zui佳固相含量或濃度仍然有許多問(wèn)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(guān)系、濃度對(duì)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(duì)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(duì)二硫化鉬-油分散液性能的影響。內(nèi)燃機(jī)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(shí)驗(yàn)表明，添加1%的二硫化鉬改善了精制礦油基潤(rùn)滑油的抗磨性和臨界負(fù)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(rùn)滑油的抗磨性，但當(dāng)添加劑（例如二異丙基二流代磷酸鋅）本身具有高的化學(xué)活性時(shí)，二硫化鉬的添加會(huì)產(chǎn)生不明顯的是對(duì)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(rùn)滑油中提高了負(fù)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(shuō)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(fù)荷，但對(duì)燒結(jié)負(fù)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(duì)抗性。在較低負(fù)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(fù)荷下，由于添加劑的化學(xué)反應(yīng)膜在起主導(dǎo)作用，添加二硫化鉬幾乎沒(méi)有什么效果。

Bartz的工作證明，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及滿負(fù)荷實(shí)驗(yàn)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(rùn)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(jiǎn)單的將二硫化鉬添加到現(xiàn)有的潤(rùn)滑油配方中獲得。

Scott和Jamieson實(shí)驗(yàn)了二硫化鉬和其他添加劑的相容性，用四球機(jī)測(cè)定了產(chǎn)生點(diǎn)蝕的時(shí)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(jìn)了二硫化鉬的粘附。也就是說(shuō)，其他堿性添加劑提高了二硫化鉬-油分散液的抗點(diǎn)蝕性能。

關(guān)于二硫化鉬對(duì)含其他添加劑的潤(rùn)滑油性能的影響到今沒(méi)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(duì)抗作用的情況。實(shí)驗(yàn)條件又可能影響不同添加劑的作用機(jī)理。因此，只有在很寬的實(shí)驗(yàn)條件下研究二硫化鉬與各類(lèi)添加劑的相互作用才能得出實(shí)際意義的結(jié)論 。

三、二硫化鉬粒度對(duì)分散體系性能的影響

通過(guò)四球機(jī)實(shí)驗(yàn)，Bartz提出，在增加負(fù)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(dòng)速度的條件下。較細(xì)的二硫化鉬（平均粒徑2微米）改善了油的潤(rùn)滑性。作者認(rèn)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(xì)顆粒的二硫化鉬時(shí)能較容易的形成表面膜。但FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)的結(jié)果相反。作者認(rèn)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(xì)顆粒的二硫化鉬時(shí)能較容易的形成表面膜。但FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)的結(jié)果相反。作者認(rèn)為這是由于不同的表面粗糙所造成的。對(duì)較粗糙的表面，較大的二硫化鉬顆粒可以填到表面溝痕中形成較大的承載表面，因而咬合負(fù)荷和抗磨能力都有所提高。

Barry和Binkelman實(shí)驗(yàn)了鋰基脂中二硫化鉬粒度對(duì)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(fù)荷和Falex承載能力來(lái)說(shuō)較小的二硫化鉬粒子產(chǎn)生好的結(jié)果，然而四球機(jī)和振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)得出了相反的結(jié)論。盡管作者認(rèn)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(jī)和Falex試驗(yàn)機(jī)的結(jié)果。看來(lái)作者的解釋是不能令人信服的。

Risdon和Sargent也用四球機(jī)研究了含二硫化鉬潤(rùn)滑脂的性能。他們發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)情況下較細(xì)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(yàn)結(jié)果是含較細(xì)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(fù)荷越高這種趨勢(shì)越明顯。

Barry和Binkelman在面接觸條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(yàn)機(jī)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(jiàn)認(rèn)為可以利用的固體粒子數(shù)目是關(guān)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(yàn)機(jī)發(fā)現(xiàn)，濕法噴砂的實(shí)驗(yàn)環(huán)表面（0.3-0.4微米CLA，CLA即中線平均值相當(dāng)于算術(shù)平均值R）上擦涂二硫化鉬膜可以持續(xù)13小時(shí)，而當(dāng)?shù)撞谋砻鏋?.004微米CLA時(shí)，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(rùn)滑性能，當(dāng)滑動(dòng)方向平行于底材表面打磨痕時(shí)摩擦系數(shù)低，而當(dāng)滑動(dòng)方向垂直于打磨痕時(shí)摩擦系數(shù)就比較高。磨損率坑你具有相反的趨勢(shì)。不同的實(shí)驗(yàn)機(jī)、不同的工作條件會(huì)產(chǎn)生不同的潤(rùn)滑狀態(tài)，從而影響二硫化鉬的測(cè)試性能。如何選擇實(shí)驗(yàn)條件以求獲得可比性的結(jié)果也是一項(xiàng)必須進(jìn)行而又非常復(fù)雜的任務(wù) 。

二硫化鉬粒子尺寸影響到現(xiàn)在仍處于爭(zhēng)論之中。一派學(xué)者認(rèn)為對(duì)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(hù)作用。過(guò)細(xì)的顆粒可能散落在溝痕中而起不到防護(hù)作用。持相反觀點(diǎn)的人認(rèn)為，除非顆粒足夠細(xì)并有窄的粒度分布，否則就會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題。尤其是帶有很細(xì)的油路和有效的濾清器的汽車(chē)發(fā)動(dòng)系統(tǒng)，較粗的二硫化鉬會(huì)造成運(yùn)轉(zhuǎn)上的不穩(wěn)定狀態(tài)。

看來(lái)，到今尚缺乏關(guān)于表面粗糙度，表面織構(gòu)與二硫化鉬顆粒對(duì)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(méi)有二硫化鉬存在的彈性流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑中有重要影響。當(dāng)加入二硫化鉬之后，這種影響不僅在理論上，而且在實(shí)踐上也是十分重要的 。

四、水汽和氧氣對(duì)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，二硫化鉬粉末的摩擦和底材的磨損率隨相對(duì)濕度增加（由6%-65%）而增加，但在較高的相對(duì)濕度下（＞70%），摩擦下降而磨損率繼續(xù)升高，也就是說(shuō)，在相對(duì)濕度為70%時(shí)摩擦有一zui大值。作者認(rèn)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(méi)有討論。粘結(jié)二硫化鉬膜的摩擦系數(shù)隨相對(duì)濕度的增加而升高。在低的相對(duì)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(duì)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(rùn)滑效應(yīng)。結(jié)果表明，在干燥空氣中，摩擦并不隨負(fù)荷與速度而變化，而在濕空氣中，摩擦隨速度和負(fù)荷的增加而降低。作者認(rèn)為，摩擦熱導(dǎo)致了表面濕度的降低，從而對(duì)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?dú)庵卸蚧f擦涂膜可以持續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。而在相對(duì)濕度為95%的氬氣或氮?dú)庵校瑢?shí)驗(yàn)一開(kāi)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?shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)，耐磨壽命隨水汽濃度而變化，且有一zui大值。即在相對(duì)濕度為7%時(shí)擦涂膜的耐磨壽命zui長(zhǎng)。

不久前，Tanaka（田中九一郎）等考察了二硫化鉬壓片與45號(hào)鋼在空氣中的滑動(dòng)摩擦行為。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)隨接觸壓力和滑動(dòng)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(fù)荷和速度）的概念來(lái)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)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(xì)的機(jī)理還有待明確，但水汽和氧氣對(duì)二硫化鉬粉末及粘結(jié)膜的摩擦磨損性能的影響是無(wú)疑的。與此相比，關(guān)于氣氛對(duì)二硫化鉬-油分散體系摩擦學(xué)性能的影響到今報(bào)道甚少。Scott在四球?qū)嶒?yàn)中發(fā)現(xiàn)，二硫化鉬-油分散液的點(diǎn)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(méi)有見(jiàn)到關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的更多的工作。

已經(jīng)知道，完全無(wú)水或無(wú)氧條件可能會(huì)造成有效潤(rùn)滑的立即失效，而過(guò)多的濕氣或氧氣會(huì)對(duì)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(rùn)滑體系在高溫下缺乏水汽或氧氣而失效的問(wèn)題提供一個(gè)補(bǔ)償?shù)霓k法。

五、結(jié)束語(yǔ)

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

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