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二硫化钼的润滑特性
摘要
二硫化钼不仅在常规环境，而且能在重载荷、高真空或低温、高速或低速、强辐射等恶劣环境里，充分发挥出低摩擦系数、高磨损寿命和润滑可靠等优点，而被广泛应用。
主题词：二硫化钼 润滑特性 抗报压 真空润滑
1. 二硫化钼的理化特性：
分子式：MoS2
分子量：16008
颜色：兰-灰到黑色
密度 α/cm3:4.8-5.0(或4.85 --5.0、4.8)
熔点 ℃：约1500℃（或大于1800℃、1185℃）
硬度：mosh1--1.5（或knnop12--60）
显微硬度：基础面3.136×102Mpa，棱面 8.82×103Mpa
表面能：基础面2.4×10-2J/M2，棱面7.0× 10-1J/M2
热胀系数：10-7×10-6/K
温度稳定性：空气中-184~400℃（或-180℃~400℃ 400℃、399℃、450℃）。真空或惰性气体中，大于1100℃（或1200℃、1800℃）
摩擦系数：约0.05--6.10（或0.04，没有气体吸附层时为0.03--0.06）
承载能力，大于2.8×103Mpa(或大于3.45×103Mpa)。
化学稳定性：
氧化：干燥空气中，从417℃（750F）（或370℃、400℃、399℃、350℃、450℃）开始氧化后。560℃后（或540℃）剧烈氧化。潮湿空气中，室温即发现有氧化，但很微弱，在湿度与酸值都很高时，氧化才变得明显。氧化产物为MoO3与So2，氧化系放热反应H=-266.7kcal/mol。
分解：真空或惰性气体里，1100℃（或1200℃、真空982~1093℃、氩气中1350~1472℃）后开始分解。分解产物为Mo与S。
能耐除王水，热而浓的盐酸、硫酸、硝酸外的任何酸，在氟、氯中可分解，但在无水HF中不分解，能与液氧相容。
能腐蚀碱金属（如Li、Na、K、Rb、Cs、Fe等）。
在水、石油制品和各种合成润滑剂中不溶解，能按任意比例混合使用。
2、 二硫化钼与载荷
工件表面微观是不平整的，一旦彼此间发生滑动，真是接触仅局限于一些很小的高点上。用电阻法或其他方法估测，真实接触面还不到表观面积的万分之一。因而，即使施以很小载荷，接触点局部压强也会很大，载荷加大，会因压强过大而升温，甚至熔化。润滑目的即在于防止工件间直接接触。
油脂润滑时，当载荷过大，润滑膜会被“压破”或温度上升润滑油流失，这将导致润滑膜破裂，工建直接接触而发生黏着（熔合）磨损。
用二硫化润滑，当载荷上升时，润滑效果非旦不下降，还会提高。即使超过了钢铁屈服压强的重载荷3.45×103Mpa下，润滑依旧。
2.1 二硫化钼良好抗报压润滑作用
Milne在多种条件下，对多种二硫化钼润滑膜作了深入研究，当载荷有0.09Mpa上升至4.3Mpa时，摩擦系数却由0.1~0.5下降至0.02~0.05或更低。Bielak等人测定，二硫化钼在2.4×103Mpa下，摩擦系数仅0.025。
Boyn和Rober等人在大气，室温里，对比多种润滑材料在2.8×103Mpa重载荷下的摩擦系数，发现二硫化钼比其他润滑材料摩擦系数都要低。
西村元在对比二硫化钼、铝、聚四氟乙烯等涂层的磨损过程后发现，无论在哪种气氛下，二硫化钼的磨损都非常少，摩擦系数也最低。
汉沽石油化学厂用四球机测定，当锂基脂中添加3%的MoS2后，PB值由40kg上升到66kg以上。
重载荷下，二硫化钼不仅具有很高的稳定性，极低的摩擦系数，还具有很高的磨损寿命。
Magie测定二硫化钼在2.4×102Mpa下，磨损寿命（往复周期）达13万次，二硫化钼复合油脂可达159万次，二硫化钼树脂黏结膜可达986万次。Stupp亦对比了几种常用固体润滑材料的磨损寿命，氮化硼360次。磨损寿命依然数二硫化钼最高。
高稳定性，低摩擦系数，高磨损寿命，使二硫化钼成为最佳“抗报压”润滑材料。
2.2 二硫化钼抗报压机理探讨
Barrg、Binkelman发现，只有当环境中湿度较大时，才出现载荷加大，二硫化钼摩擦系数下降的现象。湿度较低，起始摩擦系数就很低，随着载荷上升而下降的趋势就变得不甚明显。
Karpe、Gansheimer、Solomon等人指出：随载荷加大，二硫化钼吸附水蒸气层减少甚至消失，其摩擦系数亦下降，更接近无吸附的最低点。
3、 二硫化钼与真空
真空，尤其真空高温环境中，二硫化钼显示出比它在大气中更优良的润滑效果，使它在六十年代勃起的宇宙航行中崭露头角。
3.1 油脂和石墨对真空润滑的局限性
润滑油脂的基础油是用减压升温蒸馏法生产的。所以，它在真空，尤其真空高温环境下，它会因汽水逸失而变质。而且，油蒸汽还会污染仪表和宇航器极有限的空间。
润滑油允许的极限蒸发率为10-7g/cm2。
真空中，石墨虽无数蒸发之虑。但石墨的润滑，滑动主要发生在晶体间的蒸汽吸附层内，真空使它失去了赖以滑动的蒸汽，摩擦系数也猛升到0.80。
显然，油脂或石墨都不适宜真空润滑。
3.2 二硫化钼良好的真空稳定性
真空中，二硫化钼既不会蒸发，亦不会因失去蒸汽而润滑恶化。真空中二硫化钼变质的原因为“热分解”。
能使二硫化钼热分解的温度很高，真空里为982~1093℃，惰性气体中为1350~1470℃。低于该温度，二硫化钼是相当稳定的。
3.3 二硫化钼良好的真空润滑性
与石墨相反，真空中的二硫化钼，其摩擦系数明显下降。
表一 石墨与二硫化钼润滑特性对比表
润滑材料
摩擦系数
热稳定温度℃
大气内
惰性气体中
真空中
大气中
真空中
湿度高
湿度低
石墨
0.15~0.25
0.5
0.50
0.45
1000
72000
MoS2
0.10~0.25
0.10~0.04
0.02~0.11
0.05~0.05
750
2000
显然，真空里的二硫化钼不仅温度适应范围大，而且很稳定，低于800℃时，摩擦系数不随温度升高而提高，高于1000℃后，摩擦系数才开始随温度升高而举证，润滑开始劣于石墨。
Brewel测出在10-9Pa高真空里的二硫化钼摩擦涂膜润滑的滚动轴承，摩擦系数仅0.0016；而10-6Pa、3000r/min、2kg负荷下，二硫化钼溅射膜润滑的轴承，工作寿命已超过1500时。
3.4 二硫化钼真空润滑机理探讨
二硫化钼的润滑与它显微变化一致：Flom在光学显微镜下观测到，二硫化钼在真空中的劈开面光滑，在大气中的劈开面不光滑，津合裕子用电镜发现，摩擦都会使二硫化钼晶体微观晶化，而真空中微晶化程度远比大气中低得多。不难理解，真空中二硫化钼润滑比大气中时好得多。
再深入探讨，许多学者将这些现象又归结到湿度的影响，气压境地，二硫化钼表面水蒸气吸附层减少甚至消失，水蒸气对润滑干扰随之降低或消失，真空润滑效果自然会提高。
4. 二硫化钼与环境温度
环境温度对润滑剂稳定性和润滑效果影响很大。真空中温度影响前已做了阐述，下边主要讲大气中温度的影响。
4.1 油脂对润滑温度的局限性
太低的温度会使油脂冻结。而高温下润滑油会因蒸发、氧化、极性变化而变质，润滑脂亦会因凝缩分油而变质。
事实上，在远高于冻结温度或远低于变质温度之前，温度已通过粘度变化干扰到油脂的润滑效果。温度下降，油脂黏度上升而变得粘稠；温度上升，油脂黏度下降而变得稀薄。
当温度升高到稀薄的油脂无法保持完整的润滑膜；或者，当温度下降到粘稠的油脂无法形成连续的润滑膜时，都将使润滑失败。
常规里，润滑油允许使用的温度上限，应低于他闪点20-30℃，温度下限应高于它凝点约5-10℃。实用中，用于-45℃（高级冷冻机油）到250℃（高级航空硅油）间。润滑脂低温范围很严，更易凝固，温度上限应低于其滴点20-30℃。实用中，钙基脂≤80℃、钡基脂≤120℃、锂基脂≤120℃。在高于上限或低于下限的温度范围里，油脂将无法正常润滑。
4.2 二硫化钼良好的温度稳定性
二硫化钼无汽水、黏度之虑。温度对它的干扰仅体现在热分解与氧化上。热分解温度比氧化温度高。大气中，不待热分解已氧化完了。所以，大气中以氧化为主，真空中也以热分解为主。
低温只能延缓二硫化钼的氧气，所以，它的低温稳定性很好。即使 -184℃仍润滑自如。
大气中，二硫化钼随温度上升，氧化加剧，它受温度和空气流量变化影响很大。
干燥空气中，二硫化钼在400℃以下是比较稳定的。400℃开始氧化，540℃后氧化加剧。对湿度、酸度较高的环境，起始氧化温度要低的多。但是，轻微的氧化对二硫化钼润滑的影响并不大。
4.3 二硫化钼良好高温润滑作用
大气中，二硫化钼的摩擦系数与温度，摩擦时间的关系。显然，实践证明，加二硫化钼后的摩擦系数远比没润滑剂的干摩擦好得多。当温度低于350℃时，二硫化钼的摩擦系数随温度升温而下降，或随摩擦时间延长而下降，润滑更有效。当温度高于350℃后，摩擦系数随温升和时间延长而上升，润滑开始恶化；温度高于400℃，该变化明显；温度高于540℃后，变化显著，润滑明显恶化。
Lancaster也指出，二硫化钼与石墨不同，在温度不太高时，润滑几乎不随摩擦时间的延长而变化。
5、 二硫化钼与速度
在很低速度或设备启动时，润滑油脂出现“黏滑”与“冷焊”。Stribeck曲线和相应方程看出：当滑动速度ω→0时，摩擦系数μ显著升高。（k－轴承参数，n－黏度，p－载荷），轴承处于混合摩擦状态出现磨损。速度ω过高，摩擦系数也开始上升，直至超出工作范围上限。
二硫化钼对超低或特别高速干扰不明显，适应性很强。各种二硫化钼膜对应速度变化，摩擦系数互不同，但低速（ω→0）时的值不太高，而高速（30~40m/s）时值很低，使二硫化钼对速度适应范围大大拓展开来。
另外，已形成的二硫化钼膜，其磨损寿命很高，对低速和高速环境工作的可靠性良好。这是油脂润滑无法比拟的。
6 二硫化钼与幅照
幅照之下，润滑油脂会变质，粘度指数和酸值也将发生变化。这与放射线使其不饱和键或极性键交联、氧化有关。冈野测定了不同机油耐幅照能力。使其黏度或酸值变化25%所需的放射量分别为：聚苯5000×106rad，矿油或甲苯硅油100×106rad，烷基双酯油50×106rad，烷基硅油或烯烃5×106rad。他发现，随辐射量的增加，磨损也明显增加。
强幅照下，二硫化钼表现出远比润滑油高得多的稳定性。在7×108R（1.8×105c/kg）照辐射前后，二硫化钼的摩擦与磨损并无明显变化。
表二 幅照对MoS2润滑的影响

静摩擦系数
动摩擦系数
磨损量×10-3cm³
幅照前
0.13~0.14
0.11~0.12
306.1
幅照后
0.13
0.11
382.³
甚至摩擦系数远比幅照前低。
对于照辐射状态的原子反应堆，要求维修周期长、润滑可靠。因而常选用二硫化钼作润滑。比如：英国“龙”高温气冷核反应堆的转动密闭在充氮干套管中，其轴承喷绘二硫化钼后，摩擦系数保持唉0.0013，磨损也很小，西德AVR高温球床核反应堆。美国高温气核反应堆的转动机械也都采用二硫化钼对轴承进行可靠的润滑。
二硫化钼以其良好的润滑特性，从六十年代以来，发展迅猛，一直雄踞“固体润滑之王”而被普遍应用。