二硫化鉬的潤滑特性
摘要
二硫化鉬不僅在常規(guī)環(huán)境,而且能在重載荷、高真空或低溫、高速或低速、強輻射等惡劣環(huán)境里,充分發(fā)揮出低摩擦系數(shù)、高磨損壽命和潤滑可靠等優(yōu)點,而被廣泛應(yīng)用。
主題詞:二硫化鉬 潤滑特性 抗報壓 真空潤滑
1.二硫化鉬的理化特性:
分子式:MoS2
分子量:16008
顏色:蘭-灰到黑色
密度 α/cm3:4.8-5.0(或4.85 --5.0、4.8)
熔點 ℃:約1500℃(或大于1800℃、1185℃)
硬度:mosh1--1.5(或knnop12--60)
顯微硬度:基礎(chǔ)面3.136×102Mpa,棱面 8.82×103Mpa
表面能:基礎(chǔ)面2.4×10-2J/M2,棱面7.0× 10-1J/M2
熱脹系數(shù):10-7×10-6/K
溫度穩(wěn)定性:空氣中-184~400℃(或-180℃~400℃ 400℃、399℃、450℃)。真空或惰性氣體中,大于1100℃(或1200℃、1800℃)
摩擦系數(shù):約0.05--6.10(或0.04,沒有氣體吸附層時為0.03--0.06)
承載能力,大于2.8×103Mpa(或大于3.45×103Mpa)。
化學穩(wěn)定性:
氧化:干燥空氣中,從417℃(750F)(或370℃、400℃、399℃、350℃、450℃)開始氧化后。560℃后(或540℃)劇烈氧化。潮濕空氣中,室溫即發(fā)現(xiàn)有氧化,但很微弱,在濕度與酸值都很高時,氧化才變得明顯。氧化產(chǎn)物為MoO3與So2,氧化系放熱反應(yīng)H=-266.7kcal/mol。
分解:真空或惰性氣體里,1100℃(或1200℃、真空982~1093℃、氬氣中1350~1472℃)后開始分解。分解產(chǎn)物為Mo與S。
能耐除王水,熱而濃的鹽酸、硫酸、硝酸外的任何酸,在氟、氯中可分解,但在無水HF中不分解,能與液氧相容。
能腐蝕堿金屬(如Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等)。
在水、石油制品和各種合成潤滑劑中不溶解,能按任意比例混合使用。
2、二硫化鉬與載荷
工件表面微觀是不平整的,一旦彼此間發(fā)生滑動,真是接觸僅局限于一些很小的高點上。用電阻法或其他方法估測,真實接觸面還不到表觀面積的萬分之一。因而,即使施以很小載荷,接觸點局部壓強也會很大,載荷加大,會因壓強過大而升溫,甚至熔化。潤滑目的即在于防止工件間直接接觸。
油脂潤滑時,當載荷過大,潤滑膜會被“壓破”或溫度上升潤滑油流失,這將導致潤滑膜破裂,工建直接接觸而發(fā)生黏著(熔合)磨損。
用二硫化潤滑,當載荷上升時,潤滑效果非旦不下降,還會提高。即使超過了鋼鐵屈服壓強的重載荷3.45×103Mpa下,潤滑依舊。
2.1 二硫化鉬良好抗報壓潤滑作用
Milne在多種條件下,對多種二硫化鉬潤滑膜作了深入研究,當載荷有0.09Mpa上升至4.3Mpa時,摩擦系數(shù)卻由0.1~0.5下降至0.02~0.05或更低。Bielak等人測定,二硫化鉬在2.4×103Mpa下,摩擦系數(shù)僅0.025。
Boyn和Rober等人在大氣,室溫里,對比多種潤滑材料在2.8×103Mpa重載荷下的摩擦系數(shù),發(fā)現(xiàn)二硫化鉬比其他潤滑材料摩擦系數(shù)都要低。
西村元在對比二硫化鉬、鋁、聚四氟乙烯等涂層的磨損過程后發(fā)現(xiàn),無論在哪種氣氛下,二硫化鉬的磨損都非常少,摩擦系數(shù)也最低。
漢沽石油化學廠用四球機測定,當鋰基脂中添加3%的MoS2后,PB值由40kg上升到66kg以上。
重載荷下,二硫化鉬不僅具有很高的穩(wěn)定性,極低的摩擦系數(shù),還具有很高的磨損壽命。
Magie測定二硫化鉬在2.4×102Mpa下,磨損壽命(往復周期)達13萬次,二硫化鉬復合油脂可達159萬次,二硫化鉬樹脂黏結(jié)膜可達986萬次。Stupp亦對比了幾種常用固體潤滑材料的磨損壽命,氮化硼360次。磨損壽命依然數(shù)二硫化鉬最高。
高穩(wěn)定性,低摩擦系數(shù),高磨損壽命,使二硫化鉬成為最佳“抗報壓”潤滑材料。
2.2 二硫化鉬抗報壓機理探討
Barrg、Binkelman發(fā)現(xiàn),只有當環(huán)境中濕度較大時,才出現(xiàn)載荷加大,二硫化鉬摩擦系數(shù)下降的現(xiàn)象。濕度較低,起始摩擦系數(shù)就很低,隨著載荷上升而下降的趨勢就變得不甚明顯。
Karpe、Gansheimer、Solomon等人指出:隨載荷加大,二硫化鉬吸附水蒸氣層減少甚至消失,其摩擦系數(shù)亦下降,更接近無吸附的最低點。
3、二硫化鉬與真空
真空,尤其真空高溫環(huán)境中,二硫化鉬顯示出比它在大氣中更優(yōu)良的潤滑效果,使它在六十年代勃起的宇宙航行中嶄露頭角。
3.1 油脂和石墨對真空潤滑的局限性
潤滑油脂的基礎(chǔ)油是用減壓升溫蒸餾法生產(chǎn)的。所以,它在真空,尤其真空高溫環(huán)境下,它會因汽水逸失而變質(zhì)。而且,油蒸汽還會污染儀表和宇航器極有限的空間。
潤滑油允許的極限蒸發(fā)率為10-7g/cm2。
真空中,石墨雖無數(shù)蒸發(fā)之慮。但石墨的潤滑,滑動主要發(fā)生在晶體間的蒸汽吸附層內(nèi),真空使它失去了賴以滑動的蒸汽,摩擦系數(shù)也猛升到0.80。
顯然,油脂或石墨都不適宜真空潤滑。
3.2 二硫化鉬良好的真空穩(wěn)定性
真空中,二硫化鉬既不會蒸發(fā),亦不會因失去蒸汽而潤滑惡化。真空中二硫化鉬變質(zhì)的原因為“熱分解”。
能使二硫化鉬熱分解的溫度很高,真空里為982~1093℃,惰性氣體中為1350~1470℃。低于該溫度,二硫化鉬是相當穩(wěn)定的。
3.3 二硫化鉬良好的真空潤滑性
與石墨相反,真空中的二硫化鉬,其摩擦系數(shù)明顯下降。
表一 石墨與二硫化鉬潤滑特性對比表
潤滑材料 |
摩擦系數(shù) |
熱穩(wěn)定溫度℃ |
||||
大氣內(nèi) |
惰性氣體中 |
真空中 |
大氣中 |
真空中 |
||
濕度高 |
濕度低 |
|||||
石墨 |
0.15~0.25 |
0.5 |
0.50 |
0.45 |
1000 |
72000 |
MoS2 |
0.10~0.25 |
0.10~0.04 |
0.02~0.11 |
0.05~0.05 |
750 |
2000 |
顯然,真空里的二硫化鉬不僅溫度適應(yīng)范圍大,而且很穩(wěn)定,低于800℃時,摩擦系數(shù)不隨溫度升高而提高,高于1000℃后,摩擦系數(shù)才開始隨溫度升高而舉證,潤滑開始劣于石墨。
Brewel測出在10-9Pa高真空里的二硫化鉬摩擦涂膜潤滑的滾動軸承,摩擦系數(shù)僅0.0016;而10-6Pa、3000r/min、2kg負荷下,二硫化鉬濺射膜潤滑的軸承,工作壽命已超過1500時。
3.4 二硫化鉬真空潤滑機理探討
二硫化鉬的潤滑與它顯微變化一致:Flom在光學顯微鏡下觀測到,二硫化鉬在真空中的劈開面光滑,在大氣中的劈開面不光滑,津合裕子用電鏡發(fā)現(xiàn),摩擦都會使二硫化鉬晶體微觀晶化,而真空中微晶化程度遠比大氣中低得多。不難理解,真空中二硫化鉬潤滑比大氣中時好得多。
再深入探討,許多學者將這些現(xiàn)象又歸結(jié)到濕度的影響,氣壓境地,二硫化鉬表面水蒸氣吸附層減少甚至消失,水蒸氣對潤滑干擾隨之降低或消失,真空潤滑效果自然會提高。
4. 二硫化鉬與環(huán)境溫度
環(huán)境溫度對潤滑劑穩(wěn)定性和潤滑效果影響很大。真空中溫度影響前已做了闡述,下邊主要講大氣中溫度的影響。
4.1 油脂對潤滑溫度的局限性
太低的溫度會使油脂凍結(jié)。而高溫下潤滑油會因蒸發(fā)、氧化、極性變化而變質(zhì),潤滑脂亦會因凝縮分油而變質(zhì)。
事實上,在遠高于凍結(jié)溫度或遠低于變質(zhì)溫度之前,溫度已通過粘度變化干擾到油脂的潤滑效果。溫度下降,油脂黏度上升而變得粘稠;溫度上升,油脂黏度下降而變得稀薄。
當溫度升高到稀薄的油脂無法保持完整的潤滑膜;或者,當溫度下降到粘稠的油脂無法形成連續(xù)的潤滑膜時,都將使?jié)櫥 ?span>
常規(guī)里,潤滑油允許使用的溫度上限,應(yīng)低于他閃點20-30℃,溫度下限應(yīng)高于它凝點約5-10℃。實用中,用于-45℃(高級冷凍機油)到250℃(高級航空硅油)間。潤滑脂低溫范圍很嚴,更易凝固,溫度上限應(yīng)低于其滴點20-30℃。實用中,鈣基脂≤80℃、鋇基脂≤120℃、鋰基脂≤120℃。在高于上限或低于下限的溫度范圍里,油脂將無法正常潤滑。
4.2 二硫化鉬良好的溫度穩(wěn)定性
二硫化鉬無汽水、黏度之慮。溫度對它的干擾僅體現(xiàn)在熱分解與氧化上。熱分解溫度比氧化溫度高。大氣中,不待熱分解已氧化完了。所以,大氣中以氧化為主,真空中也以熱分解為主。
低溫只能延緩二硫化鉬的氧氣,所以,它的低溫穩(wěn)定性很好。即使 -184℃仍潤滑自如。
大氣中,二硫化鉬隨溫度上升,氧化加劇,它受溫度和空氣流量變化影響很大。
干燥空氣中,二硫化鉬在400℃以下是比較穩(wěn)定的。400℃開始氧化,540℃后氧化加劇。對濕度、酸度較高的環(huán)境,起始氧化溫度要低的多。但是,輕微的氧化對二硫化鉬潤滑的影響并不大。
4.3 二硫化鉬良好高溫潤滑作用
大氣中,二硫化鉬的摩擦系數(shù)與溫度,摩擦時間的關(guān)系。顯然,實踐證明,加二硫化鉬后的摩擦系數(shù)遠比沒潤滑劑的干摩擦好得多。當溫度低于350℃時,二硫化鉬的摩擦系數(shù)隨溫度升溫而下降,或隨摩擦時間延長而下降,潤滑更有效。當溫度高于350℃后,摩擦系數(shù)隨溫升和時間延長而上升,潤滑開始惡化;溫度高于400℃,該變化明顯;溫度高于540℃后,變化顯著,潤滑明顯惡化。
Lancaster也指出,二硫化鉬與石墨不同,在溫度不太高時,潤滑幾乎不隨摩擦時間的延長而變化。
5、 二硫化鉬與速度
在很低速度或設(shè)備啟動時,潤滑油脂出現(xiàn)“黏滑”與“冷焊”。Stribeck曲線和相應(yīng)方程看出:當滑動速度ω→0時,摩擦系數(shù)μ顯著升高。(k-軸承參數(shù),n-黏度,p-載荷),軸承處于混合摩擦狀態(tài)出現(xiàn)磨損。速度ω過高,摩擦系數(shù)也開始上升,直至超出工作范圍上限。
二硫化鉬對超低或特別高速干擾不明顯,適應(yīng)性很強。各種二硫化鉬膜對應(yīng)速度變化,摩擦系數(shù)互不同,但低速(ω→0)時的值不太高,而高速(30~40m/s)時值很低,使二硫化鉬對速度適應(yīng)范圍大大拓展開來。
另外,已形成的二硫化鉬膜,其磨損壽命很高,對低速和高速環(huán)境工作的可靠性良好。這是油脂潤滑無法比擬的。
6 二硫化鉬與幅照
幅照之下,潤滑油脂會變質(zhì),粘度指數(shù)和酸值也將發(fā)生變化。這與放射線使其不飽和鍵或極性鍵交聯(lián)、氧化有關(guān)。岡野測定了不同機油耐幅照能力。使其黏度或酸值變化25%所需的放射量分別為:聚苯5000×106rad,礦油或甲苯硅油100×106rad,烷基雙酯油50×106rad,烷基硅油或烯烴5×106rad。他發(fā)現(xiàn),隨輻射量的增加,磨損也明顯增加。
強幅照下,二硫化鉬表現(xiàn)出遠比潤滑油高得多的穩(wěn)定性。在7×108R(1.8×105c/kg)照輻射前后,二硫化鉬的摩擦與磨損并無明顯變化。
表二 幅照對MoS2潤滑的影響
|
靜摩擦系數(shù) |
動摩擦系數(shù) |
磨損量×10-3cm3 |
幅照前 |
0.13~0.14 |
0.11~0.12 |
306.1 |
幅照后 |
0.13 |
0.11 |
382.3 |
甚至摩擦系數(shù)遠比幅照前低。
對于照輻射狀態(tài)的原子反應(yīng)堆,要求維修周期長、潤滑可靠。因而常選用二硫化鉬作潤滑。比如:英國“龍”高溫氣冷核反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)動密閉在充氮干套管中,其軸承噴繪二硫化鉬后,摩擦系數(shù)保持唉0.0013,磨損也很小,西德AVR高溫球床核反應(yīng)堆。美國高溫氣核反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)動機械也都采用二硫化鉬對軸承進行可靠的潤滑。
二硫化鉬以其良好的潤滑特性,從六十年代以來,發(fā)展迅猛,一直雄踞“固體潤滑之王”而被普遍應(yīng)用。