活塞環(huán)中二硫化鎢顆粒的磨損性能研究

摘 要：以研究活塞環(huán)中二硫化鎢（WS2）納米顆粒的磨損性能為目標(biāo)，對WS2顆粒作為潤滑油添加劑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：以季戊四醇油酸酯為基礎(chǔ)油，配置了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的潤滑油，在萬能往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，研究了添加量和載荷對WS2摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)奶砑恿亢洼d荷能夠提高潤滑油的抗磨減摩性能。在載荷為20 N的情況下，WS2添加量為0.5wt%的樣品油摩擦學(xué)性能最佳；在載荷為40 N的情況下，WS2添加量為1.0wt%的樣品油摩擦學(xué)性能最佳。

關(guān)鍵詞：WS2納米顆粒；潤滑油；摩擦學(xué)性能

中圖分類號：TE626.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.008

0" " 引言

隨著納米技術(shù)高速發(fā)展，納米材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣闊[1]。其中，高性能納米潤滑油的相關(guān)研究，得到了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注，納米顆粒的添加明顯提高了傳統(tǒng)潤滑油的抗磨減摩性能和承載能力[2-3]。

研究表明，某些典型的納米顆粒展現(xiàn)出了較為優(yōu)異的抗磨減摩性能[4]。特別是納米金屬化合物WS2，作為一種新型的潤滑油添加劑，其不僅具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性，還能有效改善潤滑油的摩擦學(xué)性能[5]，可用于重載、高溫、高壓、高輻射、高真空條件下或有腐蝕介質(zhì)的苛刻的工作環(huán)境中，在航天航空、國防、軍事工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值[6-7]。

1" " WS2納米顆粒作為潤滑添加劑的摩擦學(xué)試驗(yàn)

WS2納米顆粒的含量變化、施加載荷的大小均是影響潤滑油抗磨減摩性能的重要因素[8]。為進(jìn)一步探討質(zhì)量分?jǐn)?shù)和載荷對WS2納米顆粒作為潤滑添加劑摩擦學(xué)性能的影響，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的潤滑油，研究載荷分別為20 N和40 N時潤滑油的潤滑性能，并對其潤滑機(jī)理進(jìn)行分析，研究結(jié)果為WS2納米顆粒作為潤滑油添加劑的廣泛應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)或理論依據(jù)。

1.1" " 試驗(yàn)材料及試樣的準(zhǔn)備

本試驗(yàn)采用粒徑為30～50 nm球形WS2納米顆粒，基礎(chǔ)油為季戊四醇油酸酯（PETO）潤滑油，對樣品油采用機(jī)械攪拌和強(qiáng)超聲波復(fù)合方式進(jìn)行分散1 h，最終獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的潤滑油。

試驗(yàn)?zāi)Σ粮钡慕佑|形式為銷盤接觸，銷和盤均為45#鋼，銷直徑為4.7 mm，高度為8 mm；下摩擦圓盤的直徑為25 mm，高度為8 mm。試驗(yàn)前用MP-1B金相試樣拋光機(jī)對鋼圓盤試樣表面進(jìn)行鏡面拋光。

1.2" " 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)采用HRT-02A萬能往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南恒旭試驗(yàn)機(jī)技術(shù)有限公司）評價不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%）的潤滑油樣的摩擦磨損性能[9]，速度設(shè)定為20 mm/s，載荷為20 N和40 N，試驗(yàn)時長20 min，溫度為室溫。摩擦試驗(yàn)結(jié)束后使用Olympus金相顯微鏡觀察磨痕表面形貌。共設(shè)計(jì)了8組試驗(yàn)，每組重復(fù)3次。

2" " 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" " 不同WS2添加量和載荷對摩擦系數(shù)的影響

圖1和圖2分別是載荷為20 N和40 N情況下樣品油摩擦系數(shù)。據(jù)圖可知，不同WS2添加量的樣品油在載荷20 N和40 N情況下表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)曲線走勢均趨于平穩(wěn)。當(dāng)載荷為20 N時，樣品油的最低摩擦系數(shù)出現(xiàn)在WS2添加量為0.5wt%時，摩擦系數(shù)為0.049；當(dāng)載荷為40 N時，樣品油的最低摩擦系數(shù)出現(xiàn)在WS2添加量為1.0wt%時，摩擦系數(shù)為0.058。

載荷為20 N情況下，不同WS2添加量的樣品油的摩擦系數(shù)平均值從小到大分別為0.051、0.085、0.112、0.142，含量為1.0wt%時，摩擦系數(shù)最大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5wt%和1.0wt%的顆粒在往復(fù)運(yùn)動中起著滾珠作用，能減少摩擦副表面的摩擦磨損，0.5wt%減摩最佳。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5wt%和2.0wt%的顆粒在往復(fù)運(yùn)動中層與層剝落，在摩擦副表面附著覆蓋，形成了物理吸附膜，起到了減摩作用。

載荷為40 N情況下，不同WS2添加量的樣品油的摩擦系數(shù)平均值從小到大分別為0.063、0.079、0.085、0.093，含量為0.5wt%時，摩擦系數(shù)最大。載荷增加，需要更多的WS2顆粒在往復(fù)運(yùn)動中起滾珠作用，摩擦副表面容易形成凹坑甚至犁溝，WS2顆粒能進(jìn)行填補(bǔ)從而減少摩擦副表面磨損。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5wt%和2.0wt%的顆粒也是在運(yùn)動過程中形成了物理吸附膜，起到了減摩作用。

不同添加量和載荷下WS2納米顆粒的減摩性能不同，對應(yīng)油潤滑系統(tǒng)的潤滑機(jī)理也不同。結(jié)果表明，當(dāng)載荷為20 N時，WS2添加量為0.5wt%的潤滑油減摩性能最佳；當(dāng)載荷為40 N時，WS2添加量為1.0wt%的潤滑油減摩性能最佳。且當(dāng)載荷為20 N、WS2添加量為0.5wt%時表現(xiàn)出了最佳減摩性能。

2.2" " 不同WS2添加量和載荷對磨痕微觀形貌的影響

WS2納米顆粒作為潤滑添加劑的抗磨性能可通過鋼圓盤表面的磨痕微觀形貌反映，磨痕形貌隨著添加劑濃度的變化而變化，鋼表面劃痕越窄，磨痕深度越淺，則說明樣品油的抗磨性能越好。

圖3是鋼圓盤表面磨痕的金相電鏡圖，放大倍率為500x，圖（a）～（d）分別對應(yīng)在載荷為20 N，WS2添加量為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%、2.0wt%時磨痕的電鏡掃描圖；圖（a1）～（d1）分別對應(yīng)在載荷為40 N，WS2添加量為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%、2.0wt%時磨痕的電鏡掃描圖。

當(dāng)載荷為20 N時，WS2添加量為0.5wt%的磨痕深度較淺，說明此濃度下樣品油抗磨性能較好；當(dāng)載荷為40 N時，WS2添加量為1.0wt%的磨痕深度較淺，說明此濃度下樣品油抗磨性能較好。

通過對樣品油磨痕的微觀形貌分析可知，不同添加量和載荷下WS2納米顆粒的抗磨性能不同，對應(yīng)的潤滑機(jī)理也不同。結(jié)果表明，載荷為20 N時，WS2添加量為0.5wt%的樣品油抗磨性能最佳；載荷為40 N時，WS2添加量為1.0wt%的樣品油抗磨性能最佳。且當(dāng)載荷為20 N、WS2添加量為0.5wt%時表現(xiàn)出了最佳抗磨性能。

3" " 結(jié)論

綜上所述，WS2納米顆粒作為潤滑油添加劑的抗磨減摩性能受添加量和載荷影響，不同添加量和載荷下其摩擦學(xué)性能不同，對應(yīng)油潤滑系統(tǒng)中的潤滑機(jī)理也不同，適當(dāng)?shù)奶砑恿亢洼d荷能夠提高潤滑油的抗磨減摩性能。分析結(jié)果表明，當(dāng)載荷為20 N時，WS2添加量為0.5wt%的樣品油摩擦學(xué)性能最佳；當(dāng)載荷為40 N時，WS2添加量為1.0wt%的樣品油摩擦學(xué)性能最佳。

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收稿日期：2023-03-30

作者簡介：胡宏銀（2000—），女，湖北黃岡人，江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：摩擦學(xué)。