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(qiáng)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(rùn)滑可靠等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。

主題詞：二硫化鉬   潤(rùn)滑特性   抗報(bào)壓   真空潤(rùn)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(diǎn) ℃：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(méi)有氣體吸附層時(shí)為0.⁰³--0.⁰⁶）

承載能力，大于2.8×10³Mpa(或大于3.45×10³Mpa)。

化學(xué)穩(wěn)定性：

氧化：干燥空氣中，從417℃（750F）（或370℃、400℃、399℃、350℃、450℃）開(kāi)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(shí)，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(kāi)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(wú)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(rùn)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(dòng)，真是接觸僅局限于一些很小的高點(diǎn)上。用電阻法或其他方法估測(cè)，真實(shí)接觸面還不到表觀面積的萬(wàn)分之一。因而，即使施以很小載荷，接觸點(diǎn)局部壓強(qiáng)也會(huì)很大，載荷加大，會(huì)因壓強(qiáng)過(guò)大而升溫，甚至熔化。潤(rùn)滑目的即在于防止工件間直接接觸。

油脂潤(rùn)滑時(shí)，當(dāng)載荷過(guò)大，潤(rùn)滑膜會(huì)被“壓破”或溫度上升潤(rùn)滑油流失，這將導(dǎo)致潤(rùn)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(rùn)滑，當(dāng)載荷上升時(shí)，潤(rùn)滑效果非旦不下降，還會(huì)提高。即使超過(guò)了鋼鐵屈服壓強(qiáng)的重載荷3.45×10³Mpa下，潤(rùn)滑依舊。

2.1 二硫化鉬良好抗報(bào)壓潤(rùn)滑作用

Milne在多種條件下，對(duì)多種二硫化鉬潤(rùn)滑膜作了深入研究，當(dāng)載荷有0.09Mpa上升至4.3Mpa時(shí)，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(cè)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(duì)比多種潤(rùn)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(rùn)滑材料摩擦系數(shù)都要低。

西村元在對(duì)比二硫化鉬、鋁、聚四氟乙烯等涂層的磨損過(guò)程后發(fā)現(xiàn)，無(wú)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(xué)廠用四球機(jī)測(cè)定，當(dāng)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(cè)定二硫化鉬在2.4×10²Mpa下，磨損壽命（往復(fù)周期）達(dá)13萬(wàn)次，二硫化鉬復(fù)合油脂可達(dá)159萬(wàn)次，二硫化鉬樹(shù)脂黏結(jié)膜可達(dá)986萬(wàn)次。Stupp亦對(duì)比了幾種常用固體潤(rùn)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(bào)壓”潤(rùn)滑材料。

2.2 二硫化鉬抗報(bào)壓機(jī)理探討

Barrg、Binkelman發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)環(huán)境中濕度較大時(shí)，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(shì)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(wú)吸附的最低點(diǎn)。

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(rùn)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(duì)真空潤(rùn)滑的局限性

潤(rùn)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(huì)因汽水逸失而變質(zhì)。而且，油蒸汽還會(huì)污染儀表和宇航器極有限的空間。

潤(rùn)滑油允許的極限蒸發(fā)率為10^-7g/cm²。

真空中，石墨雖無(wú)數(shù)蒸發(fā)之慮。但石墨的潤(rùn)滑，滑動(dòng)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(dòng)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(rùn)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(huì)蒸發(fā)，亦不會(huì)因失去蒸汽而潤(rùn)滑惡化。真空中二硫化鉬變質(zhì)的原因?yàn)椤盁岱纸狻薄?span>

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(dāng)穩(wěn)定的。

3.3 二硫化鉬良好的真空潤(rùn)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(rùn)滑特性對(duì)比表

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(shí)，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(kāi)始隨溫度升高而舉證，潤(rùn)滑開(kāi)始劣于石墨。

Brewel測(cè)出在10^-9Pa高真空里的二硫化鉬摩擦涂膜潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承，摩擦系數(shù)僅0.0016；而10^-6Pa、3000r/min、2kg負(fù)荷下，二硫化鉬濺射膜潤(rùn)滑的軸承，工作壽命已超過(guò)1500時(shí)。

3.4 二硫化鉬真空潤(rùn)滑機(jī)理探討

二硫化鉬的潤(rùn)滑與它顯微變化一致：Flom在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)到，二硫化鉬在真空中的劈開(kāi)面光滑，在大氣中的劈開(kāi)面不光滑，津合裕子用電鏡發(fā)現(xiàn)，摩擦都會(huì)使二硫化鉬晶體微觀晶化，而真空中微晶化程度遠(yuǎn)比大氣中低得多。不難理解，真空中二硫化鉬潤(rùn)滑比大氣中時(shí)好得多。

再深入探討，許多學(xué)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(duì)潤(rùn)滑干擾隨之降低或消失，真空潤(rùn)滑效果自然會(huì)提高。

4. 二硫化鉬與環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對(duì)潤(rùn)滑劑穩(wěn)定性和潤(rùn)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(duì)潤(rùn)滑溫度的局限性

太低的溫度會(huì)使油脂凍結(jié)。而高溫下潤(rùn)滑油會(huì)因蒸發(fā)、氧化、極性變化而變質(zhì)，潤(rùn)滑脂亦會(huì)因凝縮分油而變質(zhì)。

事實(shí)上，在遠(yuǎn)高于凍結(jié)溫度或遠(yuǎn)低于變質(zhì)溫度之前，溫度已通過(guò)粘度變化干擾到油脂的潤(rùn)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(dāng)溫度升高到稀薄的油脂無(wú)法保持完整的潤(rùn)滑膜；或者，當(dāng)溫度下降到粘稠的油脂無(wú)法形成連續(xù)的潤(rùn)滑膜時(shí)，都將使?jié)櫥　?span>

常規(guī)里，潤(rùn)滑油允許使用的溫度上限，應(yīng)低于他閃點(diǎn)20-30℃，溫度下限應(yīng)高于它凝點(diǎn)約5-10℃。實(shí)用中，用于-45℃（高級(jí)冷凍機(jī)油）到250℃（高級(jí)航空硅油）間。潤(rùn)滑脂低溫范圍很嚴(yán)，更易凝固，溫度上限應(yīng)低于其滴點(diǎn)20-30℃。實(shí)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(wú)法正常潤(rùn)滑。

4.2 二硫化鉬良好的溫度穩(wěn)定性

二硫化鉬無(wú)汽水、黏度之慮。溫度對(duì)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(rùn)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(kāi)始氧化，540℃后氧化加劇。對(duì)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(duì)二硫化鉬潤(rùn)滑的影響并不大。

4.3 二硫化鉬良好高溫潤(rùn)滑作用

大氣中，二硫化鉬的摩擦系數(shù)與溫度，摩擦?xí)r間的關(guān)系。顯然，實(shí)踐證明，加二硫化鉬后的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)比沒(méi)潤(rùn)滑劑的干摩擦好得多。當(dāng)溫度低于350℃時(shí)，二硫化鉬的摩擦系數(shù)隨溫度升溫而下降，或隨摩擦?xí)r間延長(zhǎng)而下降，潤(rùn)滑更有效。當(dāng)溫度高于350℃后，摩擦系數(shù)隨溫升和時(shí)間延長(zhǎng)而上升，潤(rùn)滑開(kāi)始惡化；溫度高于400℃，該變化明顯；溫度高于540℃后，變化顯著，潤(rùn)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(shí)，潤(rùn)滑幾乎不隨摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而變化。

5、 二硫化鉬與速度

在很低速度或設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油脂出現(xiàn)“黏滑”與“冷焊”。Stribeck曲線和相應(yīng)方程看出：當(dāng)滑動(dòng)速度ω→0時(shí)，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(guò)高，摩擦系數(shù)也開(kāi)始上升，直至超出工作范圍上限。

二硫化鉬對(duì)超低或特別高速干擾不明顯，適應(yīng)性很強(qiáng)。各種二硫化鉬膜對(duì)應(yīng)速度變化，摩擦系數(shù)互不同，但低速（ω→0）時(shí)的值不太高，而高速（30~40m/s）時(shí)值很低，使二硫化鉬對(duì)速度適應(yīng)范圍大大拓展開(kāi)來(lái)。

另外，已形成的二硫化鉬膜，其磨損壽命很高，對(duì)低速和高速環(huán)境工作的可靠性良好。這是油脂潤(rùn)滑無(wú)法比擬的。

6 二硫化鉬與幅照

幅照之下，潤(rùn)滑油脂會(huì)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(cè)定了不同機(jī)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(qiáng)幅照下，二硫化鉬表現(xiàn)出遠(yuǎn)比潤(rùn)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(wú)明顯變化。

表二 幅照對(duì)MoS2潤(rùn)滑的影響

甚至摩擦系數(shù)遠(yuǎn)比幅照前低。

對(duì)于照輻射狀態(tài)的原子反應(yīng)堆，要求維修周期長(zhǎng)、潤(rùn)滑可靠。因而常選用二硫化鉬作潤(rùn)滑。比如：英國(guó)“龍”高溫氣冷核反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guó)高溫氣核反應(yīng)堆的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械也都采用二硫化鉬對(duì)軸承進(jìn)行可靠的潤(rùn)滑。

二硫化鉬以其良好的潤(rùn)滑特性，從六十年代以來(lái)，發(fā)展迅猛，一直雄踞“固體潤(rùn)滑之王”而被普遍應(yīng)用。