二硫化钼/碳纳米管对聚脲润滑脂的摩擦学性能影响研究

夏延秋，王远慧，冯欣，杨洪涛

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.湖北润德西科技有限公司，湖北 襄阳 441000)

0 引言

摩擦是最常见的耗能物理现象之一，摩擦引起的磨损是机械装置失效的主要原因。为了降低摩擦引起的机械故障，通常使用添加剂来提高摩擦副的减摩和抗磨能力[1-2]。万向节轴承是汽车轴承的一个重要部件。其中汽车等速万向节广泛用于汽车底盘传动装置中，用于连接汽车变速箱和车轮动力传送机构，采用润滑脂进行润滑。润滑脂要求具有良好的高低温性能、良好的抗氧化性能和耐高温性能，好的泵送性、长寿命、低的摩擦因数以及橡胶相容性等性能。

目前汽车等速万向节润滑脂主要有复合锂基脂和聚脲润滑脂两大类。研究发现，聚脲基润滑脂(PUG)由于具有比复合锂基脂更好的氧化稳定性、高/低温性、机械稳定性、防锈性能和胶体稳定性等优点[3-5]，在高端润滑脂市场占有很大比例。张兰英，严飞等人[6-7]发现，聚脲润滑脂优异的耐高温性能、长寿命以及极压性能适宜汽车万向节的润滑。杜郑珊等人[8-10]发现，聚脲脂润滑的万向节轴承寿命远大于复合锂基脂和锂基脂。Yang Kang等人研究MoS2和碳纳米管在复合材料方面的摩擦学性能，发现MoS2和碳纳米管复合材料能够展现出更好的摩擦学性能，优于单个固体润滑剂的效果[11-13]。

本文尝试将MoS2/CNTs添加到聚脲润滑脂中，来提高商用万向节脂的摩擦磨损和承载能力，探讨MoS2/CNTs复配添加剂在聚脲润滑脂中的润滑机理。

1 试验部分

1.1 试验材料

二硫化钼粉末(金堆城钼业集团有限公司，粒径约为10 μm)；碳纳米管和聚脲润滑脂(湖北润德西科技有限公司)。

1.2 试验仪器

MS-10J型四球摩擦磨损试验机(厦门天机自动化有限公司),尼康ECLIPSE LV150N正置金相显微镜。

1.3 润滑脂的理化性质测试

依据国家标准 GB/T 3498-2008和GB/T 7326-1987对聚脲润滑脂的滴点和防腐性进行了测试。

1.4 摩擦磨损试验条件

采用四球摩擦磨损试验机考察不同二硫化钼(MoS2)和碳纳米管(CNTs)复配(1∶10)添加量与聚脲润滑脂减摩抗磨性能的关系。试验温度为室温(25 ℃)、时间30 min、转速1450 r/min；钢球为厦门天机自动化有限公司提供的GCr15标准钢球，硬度6.37～6.86 GPa，直径12.7 mm，试验前用石油醚清洗，热风吹干。计算机记录平均摩擦系数，光学显微镜读取3个钢球平均磨斑直径，同时记录烧结负荷值。

2 结果与讨论

2.1 润滑脂基本理化性能

表1示出了制备的聚脲润滑脂的滴点和防腐蚀性能。

表1 润滑脂的基本性质

2.2 摩擦磨损性能

为了确定聚脲润滑脂中的MoS2和CNTs最佳复配含量，图1示出了载荷392 N、转速1450 r/min、时间30 min、温度室温(25 ℃)条件下，分别添加0.5%、1%、1.5%、2%的MoS2/CNTs添加剂对聚脲润滑脂减摩和抗磨性能的影响。

图1 基础脂随MoS2/CNTs含量的变化曲线

试验发现，MoS2/CNTs作为添加剂，4种浓度的 MoS2/CNTs均改善了聚脲润滑脂的减摩性能，而且摩擦系数随添加剂含量的增加而降低(图1a)。当 MoS2/CNTs质量分数为1.0%时，其平均摩擦系数为0.056，相比聚脲润滑脂降低了22.22%，提高了万向节脂的减摩性能。同时发现MoS2/CNTs添加剂质量分数为1.0% 时，磨斑直径最小，相比基础脂降低了20%，抗磨性能最优(图1b)。因此，当 MoS2/CNTs 添加剂质量分数为1.0%时，聚脲润滑脂具有更好的减摩抗磨性能。

2.3 磨损表面分析

为了分析摩擦磨损试验后钢球表面的磨斑变化，采用光学显微镜对摩擦磨损试验后的钢球表面进行了观察和分析。钢球在不同润滑条件下进行摩擦磨损试验后的表面形貌如图2所示。图2(a)是聚脲润滑脂润滑下的磨斑表面形貌图，磨斑表面相对粗糙，伴随着较为明显的黏着磨损; 图2(b、c)是加入0.5% MoS2/CNTs和1.0% MoS2/CNTs后磨斑表面形貌图，可以看出黏着磨损相对减弱。

图2 不同润滑剂下钢球表面磨斑形貌

2.4 烧结负荷的对比试验

为了验证MoS2/CNTs添加剂对润滑脂承载能力的影响，本文在聚脲润滑脂样品中依次添加0.5%和1.0%的MoS2/CNTs并进行烧结负荷的测试，并选用了市售的NKG814万向节润滑脂(天津协同)；NKG509万向节润滑脂(天津协同)；甘绿万向节润滑脂(韩国长岩)进行了烧结负荷测试对比，结果如表2所示，添加MoS2/CNTs添加剂，可以有效提高聚脲润滑脂的烧结负荷，在MoS2/CNTs含量为1.0%时达到6080 N，对比其他商用万向节轴承脂，均提升了2～4个等级，由此可见二硫化钼/碳纳米管可以有效提高聚脲润滑脂的承载能力[14]。

表2 不同润滑脂样本的烧结负荷

3 讨论

3.1 二硫化钼和碳纳米管结构分析

MoS2是密排六方晶系层状化合物，典型的“三明治夹心”结构，两层硫原子层夹着一层金属钼原子层。MoS2和CNTs的结构如图3所示。

图3 MoS2和CNTs结构

3.2 机理分析

具有层片状晶体结构的物质能作为减摩抗磨添加剂使用的重要原因是，它在外力作用下易于沿层面滑动。其典型代表就是二硫化钼，已有大量研究证明它们能大大提高润滑脂的减摩抗磨性能[15]。

本次试验中，MoS2和CNTs是通过物理混合进行复配，图4给出了其润滑机理示意图，图4(c)推测的结构是两种添加剂的相互穿插。在摩擦过程初期，MoS2/CNTs复合添加剂通过沉积和吸附作用进入摩擦副之间，填充修复基底表面的微裂纹或缺陷区域；然后在上、下摩擦副相互运动的作用下，复合添加剂与基底发生摩擦化学反应，进而在基底表面形成含有无机氧化物及含碳材料的润滑膜，防止摩擦副的直接接触，从而起到减摩抗磨作用[16-17]。

图4 MoS2/CNTs作为添加剂的润滑机理示意

基于上述对MoS2/CNTs添加剂润滑机理的分析，在摩擦过程中，通过摩擦化学反应和物理吸附作用，在摩擦表面产生含MoS2为主、MoO3为辅和硫酸盐为主、磷酸盐为辅的内层化学反应膜[18-19]，以及外层物理吸附膜。同时，在内层化学反应膜里面，存在碳纳米管沉积膜层，协同二硫化钼起到“微轴承”的作用，二硫化钼层起到剪切作用。

4 结论

在聚脲润滑脂中加入1.0%的MoS2和CNTs，提高了聚脲润滑脂的减摩、抗磨和极压性能；并发现加入添加剂后承载能力高于进口万向节润滑脂的承载能力；并示意了二硫化钼和碳纳米管在润滑过程中的作用机理。