夏延秋，王遠(yuǎn)慧，馮欣，楊洪濤

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.湖北潤(rùn)德西科技有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441000)

0 引言

摩擦是最常見(jiàn)的耗能物理現(xiàn)象之一，摩擦引起的磨損是機(jī)械裝置失效的主要原因。為了降低摩擦引起的機(jī)械故障，通常使用添加劑來(lái)提高摩擦副的減摩和抗磨能力[1-2]。萬(wàn)向節(jié)軸承是汽車軸承的一個(gè)重要部件。其中汽車等速萬(wàn)向節(jié)廣泛用于汽車底盤傳動(dòng)裝置中，用于連接汽車變速箱和車輪動(dòng)力傳送機(jī)構(gòu)，采用潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)滑脂要求具有良好的高低溫性能、良好的抗氧化性能和耐高溫性能，好的泵送性、長(zhǎng)壽命、低的摩擦因數(shù)以及橡膠相容性等性能。

目前汽車等速萬(wàn)向節(jié)潤(rùn)滑脂主要有復(fù)合鋰基脂和聚脲潤(rùn)滑脂兩大類。研究發(fā)現(xiàn)，聚脲基潤(rùn)滑脂(PUG)由于具有比復(fù)合鋰基脂更好的氧化穩(wěn)定性、高/低溫性、機(jī)械穩(wěn)定性、防銹性能和膠體穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，在高端潤(rùn)滑脂市場(chǎng)占有很大比例。張?zhí)m英，嚴(yán)飛等人[6-7]發(fā)現(xiàn)，聚脲潤(rùn)滑脂優(yōu)異的耐高溫性能、長(zhǎng)壽命以及極壓性能適宜汽車萬(wàn)向節(jié)的潤(rùn)滑。杜鄭珊等人[8-10]發(fā)現(xiàn)，聚脲脂潤(rùn)滑的萬(wàn)向節(jié)軸承壽命遠(yuǎn)大于復(fù)合鋰基脂和鋰基脂。Yang Kang等人研究MoS2和碳納米管在復(fù)合材料方面的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)MoS2和碳納米管復(fù)合材料能夠展現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能，優(yōu)于單個(gè)固體潤(rùn)滑劑的效果[11-13]。

本文嘗試將MoS2/CNTs添加到聚脲潤(rùn)滑脂中，來(lái)提高商用萬(wàn)向節(jié)脂的摩擦磨損和承載能力，探討MoS2/CNTs復(fù)配添加劑在聚脲潤(rùn)滑脂中的潤(rùn)滑機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

二硫化鉬粉末(金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司，粒徑約為10 μm)；碳納米管和聚脲潤(rùn)滑脂(湖北潤(rùn)德西科技有限公司)。

1.2 試驗(yàn)儀器

MS-10J型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(廈門天機(jī)自動(dòng)化有限公司),尼康ECLIPSE LV150N正置金相顯微鏡。

1.3 潤(rùn)滑脂的理化性質(zhì)測(cè)試

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3498-2008和GB/T 7326-1987對(duì)聚脲潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)和防腐性進(jìn)行了測(cè)試。

1.4 摩擦磨損試驗(yàn)條件

采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察不同二硫化鉬(MoS2)和碳納米管(CNTs)復(fù)配(1∶10)添加量與聚脲潤(rùn)滑脂減摩抗磨性能的關(guān)系。試驗(yàn)溫度為室溫(25 ℃)、時(shí)間30 min、轉(zhuǎn)速1450 r/min；鋼球?yàn)閺B門天機(jī)自動(dòng)化有限公司提供的GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，硬度6.37～6.86 GPa，直徑12.7 mm，試驗(yàn)前用石油醚清洗，熱風(fēng)吹干。計(jì)算機(jī)記錄平均摩擦系數(shù)，光學(xué)顯微鏡讀取3個(gè)鋼球平均磨斑直徑，同時(shí)記錄燒結(jié)負(fù)荷值。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤(rùn)滑脂基本理化性能

表1示出了制備的聚脲潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)和防腐蝕性能。

表1 潤(rùn)滑脂的基本性質(zhì)

2.2 摩擦磨損性能

為了確定聚脲潤(rùn)滑脂中的MoS2和CNTs最佳復(fù)配含量，圖1示出了載荷392 N、轉(zhuǎn)速1450 r/min、時(shí)間30 min、溫度室溫(25 ℃)條件下，分別添加0.5%、1%、1.5%、2%的MoS2/CNTs添加劑對(duì)聚脲潤(rùn)滑脂減摩和抗磨性能的影響。

圖1 基礎(chǔ)脂隨MoS2/CNTs含量的變化曲線

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MoS2/CNTs作為添加劑，4種濃度的 MoS2/CNTs均改善了聚脲潤(rùn)滑脂的減摩性能，而且摩擦系數(shù)隨添加劑含量的增加而降低(圖1a)。當(dāng) MoS2/CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，其平均摩擦系數(shù)為0.056，相比聚脲潤(rùn)滑脂降低了22.22%，提高了萬(wàn)向節(jié)脂的減摩性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)MoS2/CNTs添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0% 時(shí)，磨斑直徑最小，相比基礎(chǔ)脂降低了20%，抗磨性能最優(yōu)(圖1b)。因此，當(dāng) MoS2/CNTs 添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，聚脲潤(rùn)滑脂具有更好的減摩抗磨性能。

2.3 磨損表面分析

為了分析摩擦磨損試驗(yàn)后鋼球表面的磨斑變化，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)后的鋼球表面進(jìn)行了觀察和分析。鋼球在不同潤(rùn)滑條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)后的表面形貌如圖2所示。圖2(a)是聚脲潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的磨斑表面形貌圖，磨斑表面相對(duì)粗糙，伴隨著較為明顯的黏著磨損; 圖2(b、c)是加入0.5% MoS2/CNTs和1.0% MoS2/CNTs后磨斑表面形貌圖，可以看出黏著磨損相對(duì)減弱。

圖2 不同潤(rùn)滑劑下鋼球表面磨斑形貌

2.4 燒結(jié)負(fù)荷的對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證MoS2/CNTs添加劑對(duì)潤(rùn)滑脂承載能力的影響，本文在聚脲潤(rùn)滑脂樣品中依次添加0.5%和1.0%的MoS2/CNTs并進(jìn)行燒結(jié)負(fù)荷的測(cè)試，并選用了市售的NKG814萬(wàn)向節(jié)潤(rùn)滑脂(天津協(xié)同)；NKG509萬(wàn)向節(jié)潤(rùn)滑脂(天津協(xié)同)；甘綠萬(wàn)向節(jié)潤(rùn)滑脂(韓國(guó)長(zhǎng)巖)進(jìn)行了燒結(jié)負(fù)荷測(cè)試對(duì)比，結(jié)果如表2所示，添加MoS2/CNTs添加劑，可以有效提高聚脲潤(rùn)滑脂的燒結(jié)負(fù)荷，在MoS2/CNTs含量為1.0%時(shí)達(dá)到6080 N，對(duì)比其他商用萬(wàn)向節(jié)軸承脂，均提升了2～4個(gè)等級(jí)，由此可見(jiàn)二硫化鉬/碳納米管可以有效提高聚脲潤(rùn)滑脂的承載能力[14]。

表2 不同潤(rùn)滑脂樣本的燒結(jié)負(fù)荷

3 討論

3.1 二硫化鉬和碳納米管結(jié)構(gòu)分析

MoS2是密排六方晶系層狀化合物，典型的“三明治夾心”結(jié)構(gòu)，兩層硫原子層夾著一層金屬鉬原子層。MoS2和CNTs的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MoS2和CNTs結(jié)構(gòu)

3.2 機(jī)理分析

具有層片狀晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)能作為減摩抗磨添加劑使用的重要原因是，它在外力作用下易于沿層面滑動(dòng)。其典型代表就是二硫化鉬，已有大量研究證明它們能大大提高潤(rùn)滑脂的減摩抗磨性能[15]。

本次試驗(yàn)中，MoS2和CNTs是通過(guò)物理混合進(jìn)行復(fù)配，圖4給出了其潤(rùn)滑機(jī)理示意圖，圖4(c)推測(cè)的結(jié)構(gòu)是兩種添加劑的相互穿插。在摩擦過(guò)程初期，MoS2/CNTs復(fù)合添加劑通過(guò)沉積和吸附作用進(jìn)入摩擦副之間，填充修復(fù)基底表面的微裂紋或缺陷區(qū)域；然后在上、下摩擦副相互運(yùn)動(dòng)的作用下，復(fù)合添加劑與基底發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在基底表面形成含有無(wú)機(jī)氧化物及含碳材料的潤(rùn)滑膜，防止摩擦副的直接接觸，從而起到減摩抗磨作用[16-17]。

圖4 MoS2/CNTs作為添加劑的潤(rùn)滑機(jī)理示意

基于上述對(duì)MoS2/CNTs添加劑潤(rùn)滑機(jī)理的分析，在摩擦過(guò)程中，通過(guò)摩擦化學(xué)反應(yīng)和物理吸附作用，在摩擦表面產(chǎn)生含MoS2為主、MoO3為輔和硫酸鹽為主、磷酸鹽為輔的內(nèi)層化學(xué)反應(yīng)膜[18-19]，以及外層物理吸附膜。同時(shí)，在內(nèi)層化學(xué)反應(yīng)膜里面，存在碳納米管沉積膜層，協(xié)同二硫化鉬起到“微軸承”的作用，二硫化鉬層起到剪切作用。

4 結(jié)論

在聚脲潤(rùn)滑脂中加入1.0%的MoS2和CNTs，提高了聚脲潤(rùn)滑脂的減摩、抗磨和極壓性能；并發(fā)現(xiàn)加入添加劑后承載能力高于進(jìn)口萬(wàn)向節(jié)潤(rùn)滑脂的承載能力；并示意了二硫化鉬和碳納米管在潤(rùn)滑過(guò)程中的作用機(jī)理。