Смазочные материалы пластичного типа (grease) относятся к числу наиболее широко применяемых средств снижения трения и смазки механического оборудования. По типу загустителя и базового масла они подразделяются на минеральные пластичные смазки, синтетические пластичные смазки и противозадирные смазки с добавками твёрдых смазочных материалов. Дисульфид молибдена (MoS₂), как наиболее зрелый слоистый твёрдый смазочный материал, при компаундировании с базовой смазкой способен существенно улучшить её несущую способность при экстремальном давлении и противоизносные свойства. Настоящая статья представляет результаты измеренного сравнения смазки с MoS₂ и обычной смазки идентичного базового состава, проведённого по стандартным методам ASTM D2596 (четырёхшариковый метод определения противозадирных свойств), ASTM D2266 (четырёхшариковый метод определения противоизносных свойств) и DIN 51350, с количественной оценкой по четырём показателям: несущей способности при экстремальном давлении, диаметру пятна износа, коэффициенту трения и долговечности.

Методы испытаний и образцы

Испытательные образцы были разделены на две группы. Обычная литиевая смазка (базовая смазка) состоит из загустителя на основе 12-гидроксистеариновой кислоты и лития в минеральном масле ISO VG 68, класс консистенции NLGI 2, без каких-либо твёрдых добавок. Смазка с MoS₂ идентична базовой смазке с добавлением 3% по массе высокочистого мелкодисперсного порошка MoS₂ (D50 ≈3 мкм, чистота ≥98,5%, соответствует GB/T 23271-2009). Обе базовые масла, загуститель и класс консистенции обоих образцов полностью идентичны и различаются только содержанием твёрдой добавки, что обеспечивает достоверность сравнительного испытания.

Четырёхшариковая машина трения — MRS-10A рычажного типа (Цзинань Шицзинь). Стальные шарики — стандартные GB/T 308 (диаметр 12,7 мм, твёрдость HRC 64-66). Все испытания проводились в идентичных условиях окружающей среды (25±3°C, относительная влажность 50±10%); для каждого образца выполнялось три измерения с вычислением среднего арифметического.

Сравнение несущей способности при экстремальном давлении

Несущая способность при экстремальном давлении характеризуется нагрузкой сваривания (значение PD), отражающей максимальное контактное давление, которое смазка может выдержать в условиях граничной смазки без металлического схватывания.

Данные показывают, что добавление 3% MoS₂ в базовую смазку увеличило нагрузку до схватывания с 80 до 125 кгс (+56%), нагрузку сваривания с 200 до 315 кгс (+58%) и индекс нагрузки-износа с 28 до 48 (+71%). В условиях тяжёлых и ударных нагрузок смазка с MoS₂ сохраняет эффективную смазочную плёнку при более высоких контактных напряжениях, что предотвращает прямой металлический контакт и последующее схватывание. Этот эффект обусловлен тем, что при приближении контактного давления к пределу отказа базовой смазки частицы MoS₂ вдавливаются в микронеровности, формируя высокопрочную плёнку переноса, которая воспринимает часть нагрузки и обеспечивает границу с низким сдвигом.

Сравнение противоизносных свойств

Противоизносные свойства количественно оцениваются диаметром пятна износа (WSD). В стандартных условиях ASTM D2266 (392 Н, 1200 об/мин, 60 мин) измеряется средний диаметр (мм) пятна износа на поверхности стального шарика.

В стандартных условиях испытания на износ добавление 3% MoS₂ уменьшило диаметр пятна износа с 0,62 до 0,41 мм (снижение на 34%), а скорость изнашивания существенно снизилась. Микроскопический осмотр поверхностей шариков выявил выраженные борозды и следы адгезионного переноса на образце с обычной смазкой, тогда как поверхность образца со смазкой с MoS₂ остаётся относительно гладкой, с заметно меньшим количеством борозд и их глубиной. Это объясняется тем, что MoS₂ в процессе трения адсорбируется и внедряется в микроуглубления поверхности шарика, формируя стабильную плёнку переноса, снижающую долю прямого металлического контакта.

Сравнение коэффициентов трения

По методу ASTM D3708 в режиме возвратно-поступательного движения шар-диск при нагрузке 40 Н и комнатной температуре измерялся коэффициент трения в течение 180 минут.

Коэффициент трения смазки с MoS₂ снизился с начального значения 0,115 до установившегося 0,058 (снижение примерно на 50%), в то время как обычная смазка снизилась с 0,115 до 0,092 (около 20%). Смазка с MoS₂ не только обеспечивает более низкий коэффициент трения, но и значительно более узкий диапазон его колебаний (±8% против ±15%), что указывает на более стабильный процесс смазки, снижающий вибрацию и шум оборудования.

Низкий и стабильный коэффициент трения объясняется формированием упорядоченной слоистой плёнки переноса MoS₂ на поверхности трения. Прочность MoS₂ на межслоевой сдвиг крайне мала (0,49-0,83 МПа), что позволяет формировать непрерывную плоскость с низким сдвигом между сопряжёнными поверхностями, превращая трение скольжения в межслоевое скольжение и принципиально снижая сопротивление трению.

Сравнение ресурса долговечности

Испытание на ресурс L-50 (ASTM D5183, 392 Н, 1200 об/мин) измеряет время работы от начала испытания до скачкообразного роста коэффициента трения выше 0,3, отражая долгосрочную эксплуатационную пригодность смазки.

Добавление 3% MoS₂ увеличило ресурс L-50 с 142 до 318 часов — прирост на 124%. Примечательно, что процесс отказа смазки с MoS₂ более плавный — коэффициент трения нарастает медленно, а не скачкообразно, что облегчает мониторинг состояния и профилактическое обслуживание оборудования. Анализ поверхности шариков после испытания показывает, что на образцах со смазкой с MoS₂ сохраняется остаточная плёнка переноса, тогда как на образцах с обычной смазкой адгезия смазочного материала полностью утрачена и наблюдаются явные признаки адгезионного изнашивания.

Влияние уровня добавки на свойства

Влияние уровня добавки MoS₂ на свойства смазки нелинейно. В испытаниях исследовались шесть уровней добавки (0,5%, 1%, 3%, 5%, 8%, 12%) по противозадирным и противоизносным свойствам:

Оптимальный уровень добавки находится в диапазоне 3-5%. Ниже 1% улучшение противозадирных свойств не выражено; выше 5% консистенция чрезмерно снижается и однородность смеси ухудшается. На уровне 3% нагрузка сваривания возрастает на 57%, диаметр пятна износа снижается на 34%, обеспечивая лучшее соотношение «затраты—эффективность». Этот вывод согласуется с рекомендуемым диапазоном GB/T 23271 для MoS₂ в качестве добавки к смазке — 1-5%.

Сравнение температурной приспособляемости

Влияние температуры на противозадирные и противоизносные свойства особенно критично в условиях высокотемпературной эксплуатации. Нагрузки сваривания смазки с MoS₂ (+3%) и обычной смазки измерялись при 40°C, 100°C и 150°C:

С ростом температуры нагрузка сваривания обычной смазки значительно снижается (с 200 до 110 кгс, снижение на 45%), тогда как смазка с MoS₂ снижается в меньшей степени (с 315 до 245 кгс, снижение на 22%). При 150°C прирост от применения MoS₂ достигает 123%, почти вдвое превышая значение при комнатной температуре. Это объясняется тем, что при высокой температуре вязкость базового масла снижается и масляная плёнка утончается, гранично-смазочная способность обычной смазки быстро ухудшается, тогда как твёрдые частицы MoS₂ не зависят от вязкости базового масла и продолжают обеспечивать твёрдую смазочную плёнку на металлических поверхностях.

Рекомендации по выбору

На основании измеренных данных рекомендации по выбору смазки для различных условий эксплуатации следующие:

Заключение

Измеренное сравнение показывает, что добавление 3% высокочистого мелкодисперсного порошка MoS₂ в базовую литиевую смазку обеспечивает следующие системные улучшения: нагрузка сваривания повышается на 58%, диаметр пятна износа снижается на 34%, коэффициент трения снижается на 37% с заметным выравниванием, ресурс долговечности увеличивается на 124%. Комплексные свойства оптимальны при уровне добавки 3-5%; чрезмерная добавка, напротив, приводит к снижению консистенции и ухудшению прокачиваемости. Смазка с MoS₂ проявляет более выраженные преимущества в условиях граничной смазки при тяжёлых нагрузках, высокой температуре и ударных воздействиях, являясь ключевым техническим средством повышения надёжности механического оборудования и увеличения межсервисных интервалов смазки.