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《中南大学》 2007年
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WS_2亚微米粒子摩擦学机理研究及高性能高温润滑脂研制

俸颢  
【摘要】: 研究开发高性能高温润滑脂,对满足设备的高温润滑要求具有重要意义。本文以新型润滑材料WS_2亚微米粒子作为高性能高温润滑脂的添加剂,对其在润滑脂中所起的抗磨、减摩、抗极压等作用进行了实验研究和高温轴承台架试验,并用电子探针显微镜和俄歇电子能谱仪等对摩擦表面进行了分析。针对润滑脂中亚微米粒子的微观分散问题,引入了超声波分散技术。根据试验结果对WS_2亚微米粒子在高温润滑脂中的润滑机理和超声波对润滑脂中亚微米粒子的分散作用机理进行了分析,并研制出两种达到国际先进水平的高性能WS_2高温润滑脂。 本文的主要研究结果有: 1.通过实验发现WS_2亚微米粒子能大大提高两种主要高温润滑脂:复合锂基润滑脂和复合磺酸钙基润滑脂的抗磨、减摩、抗极压等摩擦学性能。在滚动轴承用润滑脂中添加适量WS_2亚微米粒子,能有效降低轴承在高温环境下工作时的摩擦因数,降低能耗,并能减少润滑脂消耗,延长润滑脂的工作寿命。并发现WS_2亚微米粒子的润滑性能大大优于石墨和MoS_2。 2.发现亚微米粒子的最佳添加量与润滑脂的皂纤维结构有关。在复合锂基润滑脂中,由于部分WS_2亚微米粒子被封锁在皂纤维所组成的网状结构中,没有发挥润滑作用,故最佳添加量较大,为1.5%左右;在复合磺酸钙基润滑脂中,由于WS_2亚微米粒子主要是和团状皂纤维混合,大部分发挥了润滑作用,故最佳添加量较小,为1%左右。 3.发现在较低的温度下,润滑脂中所含的WS_2亚微米粒子除了依靠晶体内部层间滑移减少摩擦外,主要依靠在金属摩擦表面形成WS_2吸附膜,以起到润滑作用。吸附膜的覆盖比例和厚度是影响润滑效果的关键,由于WS_2吸附膜比同等条件下MoS_2生成的吸附膜覆盖比例大,且更厚,故在比MoS_2具有更好抗磨、减摩和抗极压性能。 4.发现在较高的温度下,润滑脂中所含的WS_2亚微米粒子主要依靠在摩擦副表面发生摩擦化学反应,生成化学反应膜,以降低摩擦,减少磨损。在钢-钢摩擦中,这层化学反应膜的形成过程为:在摩擦热作用下,WS_2分解生成W和S负离子(S~(2-)),然后W扩散沉积在金属表面,同时S与基体金属Fe作用生成FeS等抗磨、减摩的成分。这层化学反应膜不仅阻止了摩擦表面之间的直接接触,而且拥有很高的承载能力,使得由剪切应力引起的弹性变形和塑性变形局限于润滑膜区域,因而有效地抑制了摩擦表面的粘着磨损和接触疲劳,起到保护摩擦表面的作用。化学膜的厚度是影响润滑效果的关键,由于这种化学膜的厚度远大于同等条件下MoS_2生成的反应膜,故比MoS_2具有更好抗磨、减摩和极压性能。同时给出了反应膜厚度与工作温度的关系,指出反应膜厚度随工作温度的升高首先增加,当达到一定极限时,开始下降。 5.发现WS_2亚微米粒子在轴承润滑脂中高温工作下产生的少量氧化生成物WO_3为粒径小于100nm的球状微粒,能在润滑过程中产生“滚珠轴承”效应,具有良好的摩擦学性能。 6.首次将超声波分散技术引入对润滑脂中亚微米固体添加剂的分散中来,证实采用超声波能够产生声流搅拌并引起润滑脂中空化泡崩溃而产生瞬时高压,实现亚微米固体添加剂在润滑脂中微观上的均匀分布,提高了润滑脂的润滑性能。 7.以WS_2亚微米粒子为主要添加剂,并引入超声波均化技术,研制出高性能WS_2复合锂基润滑脂和高性能WS_2复合磺酸钙基润滑脂,其性能基本达到国外同类先进高性能高温润滑脂产品的水平,部分指标甚至要优于国外产品。在工厂的实际应用情况表明,自行研制的高性能WS_2润滑脂在高温下工作情况良好,能够满足生产实践的需要,已部分取代进口同类产品,并出口到多个国家和地区,取得了较大的经济效益,值得在高温工作场合下推广运用。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH117

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