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：基礎面3.136×10²Mpa，棱面 8.82×10³Mpa

表面能：基礎面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

顯然，真空里的二硫化鉬不僅溫度適應范圍大，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。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，應低于他閃點20-30℃，溫度下限應高于它凝點約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

在很低速度或設備啟動時，潤滑油脂出現(xiàn)“黏滑”與“冷焊”。Stribeck曲線和相應方程看出：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，適應性很強。各種二硫化鉬膜對應速度變化，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。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

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高溫球床核反應堆。美國高溫氣核反應堆的轉(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”而被普遍應用。