二硫化钨超细粉末对高温复合锂基润滑脂性能的影响
二硫化钨超细粉末对高温复合锂基润滑脂
性能的影响
第38卷第3期
2O06年5月
四川大学(工程科学版)
JOURNALOFSICHUANUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)
Vn1.38No.3
May20O6
文章编号:1009.3087(2006)03.0119.05 二硫化钨超细粉末对高温复合锂基润滑脂性能的影响
俸颢,毛大恒,刘巧红,孙晓亚
(中南大学机电工程学院.湖南长沙410083)
摘要:研究新型润滑材料二硫化钨超细粉末(平均粒径小于500nm)作为添加剂对高温复合锂基润滑脂性能的影
响,并研制出一种二硫化钨高温润滑脂.经测试,该润滑脂具有高滴点,高油膜强度,低摩擦因数等良好性能,为充
分利用我国丰富的钨资源提供一条新的出路.同时对二硫化钨超细粉末作为高温润滑脂添加剂的抗摩减磨作用
机理进行分析,指出添加二硫化钨超细粉末的高温复合锂基润滑脂之所以具有这些优良的特性,是因为二硫化钨
超细粉末具有易剪切,滑移的片层状结构特征,能产生沿弱结合面的剪切效应和微油池效应,在高温下还能在摩擦
表面形成牢固的固体润滑转移膜和防止进一步氧化的致密氧化钨保护层. 关键词:二硫化钨;超细粉末;复合锂基润滑脂;高温摩擦磨损
中图分类号:TQ314文献标识码:A
EffectofSuperf'meWS2PowderonPerformancesofHighTemperature
LithiumComplexGrease
FENGHao,MAODa-heng,LIUQiao—hong,SUNXiao—ya
(CollegeofMechanicalandEl~ealEng.,CentralSouthUniv.,Changsha410083.China) Abstract:Usinganewlubricantwithsuperfinews2powder(grainsize<500nm),asadditive,anewtypeofws2hi曲
temperaturelithiumcomplexgreasewasstudied.Thisgreasehasfinefictionandwearcharacteristicssuchashighdrop
point,highoilfilmstrength,lowfrictionfactor.Itprovidedanewmethodfortakingfulladvantageofrichtungstenre—
sourceinChina.Inaddition,themechanismofresistancetowe2trandanti-attritionofsuperfinews2powderWasaria—
lyzed.Theresultsshowedthatsuperfinews2powderhasthelamellarstructure,whichcantakesshearingeffectalong
weak-bondedbedding-planeandoilmicro-pooleffect.Underhightemperature.solidtransferredfilms黜createdonworn
surface,andws2istransformedtoWO3whichcanpreventbeingfurtheroxidized. Keywords:ws2;superfinepowder;lithiumcomplexgrease;hightemperaturefrictionandwear
随着现代工业的迅速发展,高温,重负荷,高速
度设备的大量使用,工业生产部门对润滑脂的耐高
温,极压抗磨,抗水,防护,轴承寿命等多方面的性能
都提出了日益严格的要求.目前润滑脂发展的总趋
势是多效能和具有较宽的使用温度范围,以适应现
收稿日期;2005—10—24
基金项目:中南大学研究生教育创新工程20o4年学位论文创新
选题立项资助项目(040121)
作者简介:俸颢(1979一).男.博士生.研究方向:高性能润滑
剂.
代机械部件的润滑要求l_1I3J.润滑脂的生产和经营
与工业,农业,交通运输业密切相关,但高温润滑脂
发展速度相对较慢,高性能高质量的高温润滑脂产 品品种和产量较少,大部分关键设备使用的润滑脂 依赖从国外进E1,增加了成本;普通设备则常以低性 能润滑脂代替高性能产品,往往造成设备损坏或润 滑脂消耗量大,换脂频繁.因此加速高温润滑脂的 研究开发,以满足国内市场的需求具有重要的意 义[4-6J.二硫化钨超细粉末(平均粒径小于500nm) 作为一种新型润滑材料,具有优良润滑特性.但由
120四川大学(工程科学版)第38卷
于二硫化钨超细粉末价格昂贵,国外长期以来主要 将其应用于航天,航空,军事等领域,直接将其喷涂 在零件表面上,形成稳定的润滑膜,而将其作为工业 用高温润滑脂添加剂的研究则很少_7.9J,国内仅有 毛大恒,俸颢等人对此进行了一些研究Im-1?. 作者拟研究二硫化钨超细粉末作为添加剂对高 温复合锂基润滑脂性能的影响,并对其抗摩减磨机 理进行分析,在此基础上研制出一种二硫化钨润滑 脂.
1实验部分
1.1原料
1)基础油:
基础油选用耐高温的合成油,与普通矿物油相 比,热安定性好,热分解温度高,闪点及自燃点高,挥 发性较低,因此具有较高的使用温度.其主要性能 参数见表1.
表1基础油的主要性能参数
Tab.1Mainparametersofbaseoll
项目质量指标
运动粘度(40?)/(I?s)
运动牯度(100?)/(I?s) 粘度指数
闲点(开口)/?
倾点/~C
残碳/%
灰分/%
薄层蒸发损失(230?,2h)/% 130—140
l6一l8
不小于140
不低于320
不高于一33
不大于0.1
不大于0.OO7
不大于2.3
2)l2一羟基硬脂酸:
CH3(CH2)sCH(OH)(cn2)1oC02H;
3)壬二酸iHOOC(CH2)8COOH; 4)氢氧化锂:LiOH;
5)--2硫化钨超细粉末;
6)抗氧剂tB1加B2;
7)抗磨极压剂:cl加C2;
8)增粘剂:D.
1.2制备过程
按高温复合锂基润滑脂制备工艺制得基础脂, 编号RS一0l.
在冷却过程中加入其它添加剂的同时加入适当 含量的二硫化钨超细粉末,均化研磨,即可制得新型
二硫化钨高温复合锂基润滑脂成品,编号RS一02. 1.3性能测试
在SYD一4929型润滑脂滴点试验器,SYD一269 型润滑脂锥人度试验仪,wFY一301润滑脂抗水淋 性能测定仪,wFY一112润滑油和润滑油脂蒸发损 失测定仪,一311润滑脂钢网分油测定仪,硼 一
306润滑脂防腐蚀测定仪,一314润滑脂滚筒 安定性测定仪,MRS一10A型四球极压实验机和RS 一
70A梯姆肯试验机上对RS一0l和RS一02进行系 列测试.
2结果与讨论
2.1主要性能测试结果
RS一0l和RS一02的性能测试结果示于表2. 表2润滑脂的主要性能
Tab.2Testingresultsofthemainproperties
项目.苎笙里
RS—O1Rs一02
外观深褐色软膏黑色软膏
滴点/?308332
工作锥人度/10mill292285 延长工作锥人度(1次)/10I1mm308296 水淋流失量(38?,lh)/%O.59O.57 蒸发量(180?.22h)/~o1.211.16 钢网分油(100?,24h)/%O.40O.38 腐蚀(铜片,100?,24h)1级1级
滚筒试验(滚前)/10Into5465 滚筒试验(加水10%),(8o?,4h,5871
1/4锥入度)/10him
滚筒试验(差值)/loInto46
四球机试验,PB值/N11861186 四球机试验,PD值/N44105880 磨径(392N,lh)Anrn0,37029 梯姆肯试验OK值/N289333
2.2油膜强度和摩擦因数的测试结果和分析 2.2.1RS一01与RS—O2油膜强度和摩擦因数 测试在MRS一10A型四球极压实验机上进行. 实验用球为国家?级标准GCrl5轴承钢球,直径为 12.7mm,硬度为HRc64,66.主要测试润滑脂在不 同温度下的油膜强度尸,及在不同载荷下的摩擦因 数,以此来对比润滑脂在添加了二硫化钨超细粉 末后在摩擦学性能上的变化.在其它条件相同的条 件下,实验温度分别为20cc,50cc,100cc,150cc,
200?,250cc,由于四球极压实验机加热装置的限 制,不能进行更高温度下的测试.所得到的结果示 于图l和图2.
对比图1和图2可以看到,添加了二硫化钨超 细粉末的高温润滑脂Rs一02比未添加二硫化钨的 基础脂RS一0l的摩擦因数有明显降低.这种减磨 效果在工作温度150cc以上时表现尤为明显.RS一 02的摩擦因数均约比RS一01的摩擦因数低25%左
第3期俸颢,等:二硫化钨超细粉末对高温复合锂基润滑脂性能的影响121
望
照
登
载衙P/N
囤1不同温度下Rs—Ol的油膜强度和摩擦因数 F.1Oilfilms;Illandfriction晰ofRS一01
atdifferenttemperatures 鞋
墅
戡荷P/N
图2不同温度下l坞一02的油膜强度和摩擦因数 ?.2O11filmsh唧andfrictionfactorofRS,o2 atdifferenttemperatures 右.测试结果表明,在载荷为980N,150oC时,RS一 02的摩擦因数为0.0295,RS一01的摩擦因数为 0.0365;在载荷为980N,200oC时,RS—o2的摩擦 因数为0.0275,RS—O1的摩擦因数为0.0335. 测试结果还表明,添加了二硫化钨超细粉末的 高温润滑脂RS—o2的油膜强度比未添加二硫化钨 的基础脂RS—Ol的油膜强度有较大提高.例如,在 200oC时.测得RS一02的油膜强度为ll17N,RS— O1的油膜强度为980N.即使在250oC时,Rs—o2 的油膜强度仍能达到980N,而RS—O1的油膜强度 仅为862N.
从图l和图2还可以看出随着载荷的增加,RS 一
02的摩擦因数曲线明显比RS—O1的摩擦因数曲 线平滑,说明RS一02的性能稳定,摩擦因数随温度 升高的变化较小.
2.2.2RS一02与其他高温润滑脂的比较
为了进一步了解RS—O2的性能,选择脲基脂, 高温锂基脂,进口高温脂(NCH美国安治化工PRE— MALUBE润滑脂)各一种,在150oC,200oC和220oC
下进行油膜强度和摩擦因数的测试,由于高温锂基 脂在220oC下无法使用,所以只测到200cc.测试 结果如图3—5所示.
区
赡
蛰
载倘P/N
图3150oC时4种高温润滑脂油膜强度和摩擦因数 F.3Comparisonof珊flhnstrengthandfrictionbe?
tweenfourgreasesat150C 0.045
0O40
爨0_035
蛰0
.030
0025
0020
70080090010001100l200 载荷P/N
图4200?时4种高温润滑脂油膜强度和摩擦因数 F.4C(粕paris帆ofoilfilmstrengthandfrictionbe-
tweenfourgreasesat200?
700800900i0001l00I200 戡荷P/N
图5220oC时3种高温润滑脂油膜强度和摩擦因数 F.5c'粕胂?of硼filmstrengthandfrletlonbe-
tweenthreegreasesat220?
测试结果说明,当工作温度在150oC以上时,二 硫化钨高温润滑脂RS一02在油膜强度和摩擦因数
上优于脲基脂,高温锂基脂和进口高温脂.尤其是 工作温度在200oC以上时,摩擦因数仅为其他高温 润滑脂的2/3左右.
四球极压试验机的试验结果证实,二硫化钨高 温润滑脂RS一02在高温下具有良好的抗摩减磨能 力.
5050l^0啪
O0OOc;n
丑蜷姑
122四川大学(工程科学版)第38卷
2.3其它性能试验
试验结果表明,Rs一02高温润滑脂可在250? 以下的温度环境中长期稳定使用,在重载荷条件下 使用中未出现润滑脂流失,滴油,结焦现象,抗微动 磨损性能好,基本无磨屑混入;在按时更换润滑脂的 情况下,可以在280,300?高温下稳定工作;当温 度达到350?以上时,尽管基础油已全部蒸发,但在 摩擦副金属表面生成的二硫化钨膜仍能起到良好的 润滑作用,可以保护金属表面在短时间内不会发生 胶合.
2.4润滑机理探讨
在润滑过程中,二硫化钨超细粉末能在摩擦表 面上能形成牢固的固体润滑转移膜,这层转移膜能 充分发挥固体润滑剂的选择性转移效应,有效避免 金属之间的相互接触,润滑状况大为改善【2.15]. 同时固体膜的存在增强了润滑油对摩擦面的粘附 性,并发生固体润滑剂与油的固体一油复合效 应[16],使油膜不易在外力的作用下破裂,提高了润
滑脂的极压性能,实现零件的低摩擦磨损及长期良 好润滑.即使在高温条件(?200?)下,也可避免 金属与金属的直接接触.
在JsM一5600LV型扫描电子显微镜(SEM)下可 以清楚地看到,二硫化钨超细粉末的微观结构呈片 层状,层面十分光滑,长宽尺寸远大于厚度尺寸,如 图6,层与层之间容易产生滑移,表现为低摩擦因 数
图6二硫化钨微观结构的扫描电镜照片 Fig.6锄phahofwszmleamaa'uetm'e
在润滑脂中这些二硫化钨片层状微粒在摩擦表 面可形成大量局部密封的微小油池.沿弱结合面的 剪切效应和微油池效应相结合,大大提高了润滑性 能,如图7.因此,二硫化钨超细粉末在润滑过程中 微观上是一个性能稳定,优质低耗的润滑体系. 添加二硫化钨超细粉末后,复合锂基润滑脂的 微汕池
二硫化钨片层
表面
图7二硫化钨润滑脂的润滑模型
.71.,ubrleaangmodel0fw 皂纤维与二硫化钨超细粉末协同作用,能够更好的 将基础油"封锁"在纤维网格中,故滴点也较基础脂 有了明显提高,如图8.同时,因为Rs一02高温润 滑脂中含有较高的皂纤维密度,并采用了高效增粘 剂,使润滑脂对摩擦面有较好的粘附性,在摩擦中不 易挤出,有利于提高润滑脂的极压性能. 图8RS一02润滑脂的皂纤维
.
8SoapframeworkofRS一02grease 3结论
1)Rs一02高温润滑脂在摩擦,润滑过程中是一 个性能稳定,优质低能耗的润滑体系.当工作温度 高于150?时,该润滑脂具有极低的摩擦因数和良 好的抗高温极压性能,值得在高温工作场合下推广 运用;
2)高温下添加二硫化钨超细粉末的复合锂基润 滑脂表现出良好的润滑性能,其机理1是由于二硫 化钨超细粉末在摩擦表面上能形成牢固的固体润滑 转移膜,能充分发挥固体润滑剂的选择性转移效应 和固体润滑剂与油的固体一油复合效应,有效地避 免金属之间的相互接触,提高了润滑脂的极压性能, 实现零件的低摩擦磨损及长期良好润滑;机理2是 在润滑脂中这些二硫化钨片层状微粒在摩擦表面可
第3期俸颢,等:二硫化钨超细粉末对高温复合锂基润滑脂性能的影响123
形成大量局部密封的微小油池.微油池效应与沿弱 结合面的剪切效应相结合,大大提高了润滑性能;机 理3是添加二硫化钨超细粉末后,复合锂基润滑脂 的皂纤维与二硫化钨超细粉末协同作用,能够更好 的将基础油"封锁"在皇维网格中,故滴点也较基础 脂有了明显提高;机理4是二硫化钨超细粉末本身 具有极低的磨擦因素,即使在工作温度高于400oC, 润滑脂中的皂化纤维开始被破坏的恶劣环境下,二 硫化钨也能通过缓慢氧化形成致密的氧化钨(WO3) 保护层,来抑制二硫化钨的进一步氧化,并且由于氧 化钨同样具有很低的摩擦因数,仍可以起到保护金 属表面不发生胶合的作用;
3)将二硫化钨超细粉末作为一种新型高温润滑
脂添加剂为有效利用我国丰富的钨资源开辟了,条
新的道路,值得进一步的研究.
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(编辑张津徐)
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