片状超细WS2粉末的制备及其润滑性能研究

片状超细WS2粉末的制备及其润滑性能研究
唐宜;欧耀辉;喻姣;陈鹏;凌晨
【摘要】When the base planes of WS2 particles are parallel to the surface of metal, the tribological performance will be the best. Therefore,2D sheet-like nanostructures can greatly improve its tribological properties. To obtain such microstructures, a mixture of analytically pure WO3 and S powder was energetically ball-milled in Ar atmosphere, the ball-milled mixture was sulfurized in sulfur vapor. XRD phase detection and SEM morphology observation shows that sheet-like and fine WS2 powder with edge length between 250 ～ 500 nm and thickness less than 100 nm is obtained through the route of ballmilling to sulfuration. The obtained product was added into liquid paraffin to investigate its tribological behavior using standard four-ball test method. The result shows that the powder can increase the maximum non-seizure load of liquid paraffin and decrease the average wear scar diameter of the below balls obviously. The maximum non-seizure load value increases 118 N when adding 1.3％ WS2 powder and the average wear diameter decreases 0. 33 mm when adding 1.5％ WS2 powder.%当WS2粉末的基面与材料表面平行时,润滑效果最好,因此纳米片状形貌能极大地改善WS2粉末的润滑效果.为制备纳米片状WS2粉末,将分析纯WO3和S粉末在氩气保护下进行球磨,将球磨后的混合粉末在硫蒸气气氛中进行硫化得到WS2粉末.基于XRD和SEM的成分和形貌分析表明,通过球磨加硫化的方法成功制备出边缘长度在250～500 nm,厚度小于100 nm的片状超细WS2粉末.将片状超细WS2粉末添加到石蜡油中进行标准四球摩擦试验,结果表明:
该粉末可显著提高石蜡油最大无卡咬负荷值,同时有效减小磨斑直径,其中质量分数1.3%的片状超细WS2粉末可使石蜡油的最大无卡咬负荷值增加118 N,质量分数1.5%的片状超细WS2粉末可使试样的平均磨斑直径减小0.33mm.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2011(036)004
【总页数】3页(P102-104)
【关键词】WS2粉末;摩擦性能;硫化
【作者】唐宜;欧耀辉;喻姣;陈鹏;凌晨
【作者单位】三一重工股份有限公司,湖南长沙,410100;三一重工股份有限公司,湖南长沙,410100;三一重工股份有限公司,湖南长沙,410100;三一重工股份有限公司,湖南长沙,410100;三一重工股份有限公司,湖南长沙,410100
【正文语种】中文
【中图分类】O614.613;TH117.1
二硫化钨 (WS2)粉末,特别是纳米尺寸级别的WS2粉末,作为添加剂能显著改善润滑油脂的润滑性能,因而受到研究者的广泛关注,国内外对超细 WS2粉末的制备及其润滑性能进行了大量理论和实验研究[1-5]。

对于2H-WS2粉末,一般认为当摩擦力克服了分子层之间较小的范德华力之后,分子层之间产生剪切作用并发生相对运动,从而产生了较好的润滑效果,故当 WS2粉末的基面与材料表面平行时,润滑效果最好。

因此,纳米片状形貌能极大地改善 WS2粉末的润滑效果,但是关于这种形貌 WS2粉末制备的相关文献报道还很少,因为这
种在一个方向上的尺寸受限制的二维结晶方式是不稳定的,极易发生卷曲而生成更紧致的球状或管状结构[6]。

本文作者通过一种新的微区反应法制备出了二维片状且厚度在纳米级别的 WS2粉末,并研究了该粉末添加到基础油后所表现出的润滑性能,这不仅为超细润滑粉末的微观结构设计提供了新思路,也为其他超细粉末的固相合成提供了新的途径。

1 实验部分
将5 g分析纯WO3粉末和10 g分析纯S粉末在氩气保护下以400 r/min的速度在球磨机中用不锈钢球球磨 23 h,取1 g球磨后的混合粉末在管式炉中退火 2 h,退火温度为600℃,管式炉内腔处于硫蒸气气氛中以保证硫化过程的充分进行,退火后粉末随炉冷却至室温,最终得到黑色的粉末产物。

利用X射线衍射(D/max-2500 CuKα)分析粉末的相组成,利用场发射扫描电子显微镜 (FEI Sirion200)观察所制得粉末的微观组织形貌。

采用质量分数1.0%的Span-80作为分散剂,将制得的 WS2粉末均匀分散于石蜡油中,并在超声波发生器中超声分散15 min,配制出含WS2质量分数分别为0、0.5%、1%、1.3%、1.5%、2.0%的石蜡油,在MRS-10A四球摩擦磨损试验机上进行摩擦实验,考察含 WS2粉末石蜡油的润滑性能。

在转速为1 450 r/min下摩擦10 s,测量石蜡油的最大无卡咬负荷值(pB值);在转速为1 450 r/min下加载250 N 摩擦 30 min,测量 3个下试样球的平均磨斑直径(±0.01mm)。

2 结果与讨论
2.1 粉末的物相和形貌分析
图1为随炉冷却后得到的黑色WS2粉末的XRD谱,通过Jade 5软件检索,图中的衍射峰与PDF卡片号为 35-0651的 WS2标准衍射谱中各个峰完全吻合,且没有检测到其他杂质的峰,说明所制得的粉末为纯度较高的 WS2粉末,该衍射谱中各峰的强度较高,说明粉末的结晶度很好。

图1 所制得黑色粉末的X射线衍射谱Fig 1 XRD pattern of the obtained black powder
图2为WS2粉末的扫描电镜照片,从图 (a)中可以看出,粉末呈现出较为规则的片状外形,没有生成球状或其他形状,从图 (b)中可以看出,片的边缘有轻微的弯曲,但没有成卷或管,尺寸较为均匀,边缘长度在 200～500 nm之间不等,厚度小于 100 nm,达到纳米尺寸级别。

这些片状 WS2粉末的分散性很好,没有沉聚,这意味着摩擦过程
中能提供较大的接触表面积,添加到润滑油后有利于吸附在摩擦材料的表面,从而起
到较好的润滑作用。

图2 WS2粉末的SEM照片Fig 2 SEM images of WS2 powder
2.2 粉末的摩擦性能
最大无卡咬负荷值代表润滑油的抗极压性能。

图3示出了所制得的WS2粉末在石蜡油中的添加量与石蜡油的最大无卡咬负荷值 (pB值)之间的关系,可以看出,石蜡油添加WS2粉末后,其pB值显著增加,在添加质量分数为1.3%时增加量达到118 N,但添加质量分数超过 1.3%时,pB值反而随着添加量的增加而减少,较优的添加质量分数为 1.3%。

图3 石蜡油最大无卡咬负荷值与粉末添加量之间的关系Fig 3 Effectof content of powder on pB value of liquid paraffin
3个下试样球的平均磨斑直径是润滑油润滑性能的一种表征。

图 4示出了 WS2粉末添加量与下试样球平均磨斑直径之间的关系,可以看出,添加少量的WS2就可以
使下试样球平均磨斑直径显著减小,在添加质量分数为1.5%时磨斑直径减小最多,
达到0.33 mm。

综合图3,4的结果,粉末的较优添加质量分数在1.3%～1.5%之间。

图4 下试样球平均磨斑直径与粉末添加量之间的关系Fig 4 Effect of content of powder on average wear scar diameter of below ball
2.3 讨论
超细的XS2(X为W、Mo)粉末一般通过气相或液相反应法来合成,在固相状态下,因为反应物的尺寸较大,很难得到纳米级别的产物。

Pol等[7]以微米级的W和S作为反应物,用一种称为RAPET的方法合成了 WS2纳米板,但最终的反应产物分散性差甚至聚集成团,因为这种方法从外至内对微米级的W颗粒进行硫化,事先没有对 W 颗粒进行细化,且硫化过程需要在750℃下进行 3 h,并不能得到非常纯的 WS2产物。

因此,采用固态反应合成纳米级的颗粒,反应物的尺寸必须很好地控制,而且反应需在极微小的区域进行,以抑制晶粒的生长。

在本研究中,WO3和S的混合物在400 r/min的速度下球磨 24 h,使粉末之间均匀而且紧密地接触,粉末尺寸也得到有效细化,然后迅速地对混合粉末进行硫化,与已有报道不同[7-8],因为反应物化学活性很高,硫化过程迅速完成且没有任何中间过程的干扰。

在整个制备过程中,球磨起到提高反应物活性、使粉末均匀弥散混合和细化粉末尺寸的作用,最终得到了分散性好、纯度高的纳米级片状 WS2粉末。

对于层状结构的2H-XS2(X为Wo、S)粉末,其良好的润滑性能与分子层之间因剪切作用而产生的相对滑动密不可分,均匀分散于基础油中的粉末吸附到材料表面,摩擦过程中在材料表面形成一层易被剪切的薄膜,起到润滑的作用。

相对于普通的粉末颗粒,片状 WS2粉末的比表面积非常大,化学活性高,更容易而且更牢固地吸附在材料表面,有效减少摩擦面之间的直接接触[9],而且尺寸超细的粉末更容易对摩擦表面进行填充和修补[10],使对磨件之间的摩擦因数和磨损量都得到降低。

3 结论
(1)通过球磨WO3和S粉末23 h,再在600℃下退火 3 h,制备出了分散性好,长度在 250～500 nm之间,厚度不超过100 nm的片状超细 WS2粉末,该方法步骤简单、过程快速、容易控制。

(2)所制得的 WS2粉末能明显改善石蜡油的抗极压性能和减摩抗磨性能,添加质量分数为1.3%时石蜡油的pB值增加118 N,添加质量分数为1.5%时3个下试样的
平均磨斑直径减小 0.3 mm,较优的添加质量分数范围为1.3%～1.5%。

参考文献
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