活塞環中二硫化鎢顆粒的磨損性能研究

摘 要：以研究活塞環中二硫化鎢（WS2）納米顆粒的磨損性能為目標，對WS2顆粒作為潤滑油添加劑的摩擦學性能進行了實驗研究：以季戊四醇油酸酯為基礎油，配置了不同質量分數的潤滑油，在萬能往復摩擦磨損試驗機上進行測試，研究了添加量和載荷對WS2摩擦學性能的影響。結果表明，適當的添加量和載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%的樣品油摩擦學性能最佳。

關鍵詞：WS2納米顆粒；潤滑油；摩擦學性能

中圖分類號：TE626.3" " 文獻標志碼：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

隨著納米技術高速發展，納米材料在摩擦學領域的應用前景越來越廣闊[1]。其中，高性能納米潤滑油的相關研究，得到了國內外學者越來越多的關注，納米顆粒的添加明顯提高了傳統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出了較為優異的抗磨減摩性能[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穩定性，還能有效改善潤滑油的摩擦學性能[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的苛刻的工作環境中，在航天航空、國防、軍事工業、機械制造工業等領域有著重要的應用價值[6-7]。

1" " WS2納米顆粒作為潤滑添加劑的摩擦學試驗

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]。為進一步探討質量分數和載荷對WS2納米顆粒作為潤滑添加劑摩擦學性能的影響，制備質量分數為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，并對其潤滑機理進行分析，研究結果為WS2納米顆粒作為潤滑油添加劑的廣泛應用提供實驗或理論依據。

1.1" " 試驗材料及試樣的準備

本試驗采用粒徑為30～50 nm球形WS2納米顆粒，基礎油為季戊四醇油酸酯（PETO）潤滑油，對樣品油采用機械攪拌和強超聲波復合方式進行分散1 h，最終獲得質量分數分別為0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的潤滑油。

試驗摩擦副的接觸形式為銷盤接觸，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。試驗前用MP-1B金相試樣拋光機對鋼圓盤試樣表面進行鏡面拋光。

1.2" " 摩擦磨損試驗

試驗采用HRT-02A萬能往復摩擦磨損試驗機（濟南恒旭試驗機技術有限公司）評價不同質量分數（0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%）的潤滑油樣的摩擦磨損性能[9]，速度設定為20 mm/s，載荷為20 N和40 N，試驗時長20 min，溫度為室溫。摩擦試驗結束后使用Olympus金相顯微鏡觀察磨痕表面形貌。共設計了8組試驗，每組重復3次。

2" " 試驗結果與分析

2.1" " 不同WS2添加量和載荷對摩擦系數的影響

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。據圖可知，不同WS2添加量的樣品油在載荷20 N和40 N情況下表現出的摩擦系數曲線走勢均趨于平穩。當載荷為20 N時，樣品油的最低摩擦系數出現在WS2添加量為0.5wt%時，摩擦系數為0.049；當載荷為40 N時，樣品油的最低摩擦系數出現在WS2添加量為1.0wt%時，摩擦系數為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，摩擦系數最大。質量分數為0.5wt%和1.0wt%的顆粒在往復運動中起著滾珠作用，能減少摩擦副表面的摩擦磨損，0.5wt%減摩最佳。而質量分數為1.5wt%和2.0wt%的顆粒在往復運動中層與層剝落，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，摩擦系數最大。載荷增加，需要更多的WS2顆粒在往復運動中起滾珠作用，摩擦副表面容易形成凹坑甚至犁溝，WS2顆粒能進行填補從而減少摩擦副表面磨損。而質量分數為1.5wt%和2.0wt%的顆粒也是在運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，對應油潤滑系統的潤滑機理也不同。結果表明，當載荷為20 N時，WS2添加量為0.5wt%的潤滑油減摩性能最佳；當載荷為40 N時，WS2添加量為1.0wt%的潤滑油減摩性能最佳。且當載荷為20 N、WS2添加量為0.5wt%時表現出了最佳減摩性能。

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，對應的潤滑機理也不同。結果表明，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。且當載荷為20 N、WS2添加量為0.5wt%時表現出了最佳抗磨性能。

3" " 結論

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性能不同，對應油潤滑系統中的潤滑機理也不同，適當的添加量和載荷能夠提高潤滑油的抗磨減摩性能。分析結果表明，當載荷為20 N時，WS2添加量為0.5wt%的樣品油摩擦學性能最佳；當載荷為40 N時，WS2添加量為1.0wt%的樣品油摩擦學性能最佳。

[參考文獻]

[1] 吳帆，王丙旭，胡明，等.添加納米SnO2顆粒納米潤滑油的摩擦學性能[J].機械工程材料，2022，46（9）：52-56.

[2] 岳鵬，張玉娟，張平余，等.潤滑油納米添加劑的研究進展[J].表面技術，2020，49（9）：19-34.

[3] 徐繼旺.納米添加劑對活塞環-缸套摩擦學特性影響機理研究[D].武漢：華中科技大學，2020.

[4] 毛紀昕，胡建強，楊士釗，等.結構對納米二硫化鎢抗磨減摩性能影響研究[J].應用化工，2019，48（11）：2581-2584.

[5] 吳娜.不同形態微/納米二硫化鎢潤滑油添加劑的摩擦學性能研究[D].徐州：中國礦業大學，2018.

[6] 李桂平.WS2納米材料的制備及其在廢水處理中的應用[D].天津：天津大學，2020.

[7] 蔣正權.油溶性二硫化鎢及其復合納米微粒的制備與寬溫域摩擦學行為研究[D].開封：河南大學，2019.

[8] 雷文武.納米IF-WS2潤滑油添加劑摩擦學及減振特性研究[D].南寧：廣西大學，2022.

[9] 陳文婷.添加劑IF-WS2在基礎油PAO6中的摩擦學性能和分散穩定性的研究[D].南寧：廣西大學，2021.

收稿日期：2023-03-30

作者簡介：胡宏銀（2000—），女，湖北黃岡人，江蘇師范大學機電工程學院學生，研究方向：摩擦學。