塑化燒結(jié)對(duì)無鉛PTFE 3層復(fù)合材料減摩耐磨性能影響

焦明華，溫丹丹，田 明，解 挺，尹延國，馬少波

（合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥 230009）

改性PTFE 3層復(fù)合材料作為一類典型的自潤滑軸承材料，以其優(yōu)越的減摩耐磨性能得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1］。但一般在此類產(chǎn)品中含有大量的鉛，給環(huán)境帶來污染問題。作為一種直接危害人類健康的毒性元素，減少或停止含鉛材料的使用是必然趨勢［2］，因此研發(fā)新型無鉛環(huán)保3層復(fù)合材料已成為發(fā)展方向之一。

影響無鉛PTFE 3層復(fù)合材料摩擦學(xué)特性的因素主要是配方及制備工藝。通過配方改進(jìn)探討自潤滑復(fù)合材料摩擦學(xué)特性變化，已經(jīng)取得了很多的成果［3-5］。文中著重研究塑化燒結(jié)工藝參數(shù)變化對(duì)無鉛PTFE 3層復(fù)合材料減摩耐磨性能的影響，以耐摩擦磨損性能提高為原則，指導(dǎo)燒結(jié)工藝參數(shù)的選擇優(yōu)化，以期為PTFE復(fù)合自潤滑軸承材料生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)提供借鑒。

1 塑化燒結(jié)工藝

PTFE 3層復(fù)合材料的塑化燒結(jié)在自行研制的JHN-氮?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)爐中進(jìn)行，燒結(jié)過程采用程序控制、分段加熱的方法以期達(dá)到良好的塑化燒結(jié)效果。對(duì)于PTFE樹脂材料，一般當(dāng)燒結(jié)溫度升至355℃以上時(shí)，其結(jié)晶相才會(huì)完全消失呈無定型狀態(tài)，并隨著溫度的上升顆粒間相互穿插滲透，消除空隙，逐漸熔結(jié)成一體［6］。由于PTFE流動(dòng)性很差，PTFE 3層復(fù)合材料只能采用類似粉末冶金冷壓燒結(jié)方法制造。為使PTFE能與銅粉層牢固結(jié)合，必須控制好燒結(jié)溫度和時(shí)間參數(shù)，特別是燒結(jié)溫度不能過低或過高。通過綜合分析，設(shè)定了圖1所示3層復(fù)合材料板材的多階段燒結(jié)溫度曲線，兼顧低溫?fù)]發(fā)物的柔順逸出，塑化物品熱能吸收和升溫可控性多方面的需求。通過分段逐步升溫，直至第8段達(dá)到最終燒結(jié)溫度并保溫塑化，最后將板材冷卻到一定溫度并出爐。

圖1 燒結(jié)溫度曲線示意圖

試驗(yàn)選擇了填充聚苯酯、MoS2和PI等改性材料的無鉛PTFE 3層復(fù)合材料，按圖1所示的燒結(jié)工藝，分別采用下述工藝參數(shù)進(jìn)行板材試樣制備。

（1）改變燒結(jié)溫度。取第8段最終燒結(jié)溫度分別為360，365，370，375，380和385℃保溫，制備試樣。

（2）改變保溫時(shí)間。取第8段最終燒結(jié)溫度為375℃，分別保溫10，20，40和60 min，制備試樣。

（3）改變冷卻方式。分別采用3種冷卻方式制備試樣：保溫結(jié)束后立即將板材從爐內(nèi)取出；隨爐降溫到300℃時(shí)將板材從爐內(nèi)取出；隨爐降溫到150℃時(shí)將板材從爐內(nèi)取出。

2 摩擦磨損性能分析

不同塑化工藝參數(shù)條件下制備材料的摩擦磨損性能檢測在HDM-20端面試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過摩擦系數(shù)和磨損量的變化探討燒結(jié)參數(shù)選擇的合適性，并以減摩耐磨性能的好壞作為燒結(jié)工藝參數(shù)的優(yōu)化依據(jù)。

試驗(yàn)在干摩擦條件下進(jìn)行，上試樣為內(nèi)徑22 mm、外徑30 mm的環(huán)形試樣，材質(zhì)45＃鋼，表面粗糙度0.8μm。下試樣為寬度38 mm的3層復(fù)合材料方形試樣。同種條件下的試驗(yàn)做3次取平均值，試驗(yàn)報(bào)警溫度設(shè)定為175℃，超過此溫度試驗(yàn)自動(dòng)停止。

2.1 塑化燒結(jié)溫度對(duì)摩擦磨損性能的影響

將不同塑化溫度燒結(jié)板材用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)，圖2所示為摩擦系數(shù)隨載荷變化情況。結(jié)果表明，試驗(yàn)材料的摩擦系數(shù)隨著載荷的增大而逐漸降低，其中最終燒結(jié)溫度為360℃和385℃的燒結(jié)試樣的摩擦系數(shù)相對(duì)較小。但360℃塑化燒結(jié)的材料在試驗(yàn)中每當(dāng)載荷變化時(shí)，其摩擦系數(shù)都會(huì)先急劇增加再回落，使摩擦力矩出現(xiàn)一個(gè)很大的尖峰值；隨著塑化溫度的升高，這種突變幅度在大載荷時(shí)逐漸變小；但是當(dāng)塑化溫度達(dá)到385℃時(shí)，摩擦系數(shù)的峰值及其波動(dòng)持續(xù)時(shí)間又重新變得明顯。

圖2 摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線

與摩擦系數(shù)變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)，圖3給出的磨損量與燒結(jié)溫度的變化關(guān)系也表明，低的塑化燒結(jié)溫度下3層復(fù)合材料的磨損量較大，重復(fù)試驗(yàn)時(shí)磨損量實(shí)測值的離散性也較大；隨著燒結(jié)溫度的逐漸提高，復(fù)合材料的耐磨性逐漸好轉(zhuǎn)，并在375℃時(shí)磨損量趨于最小，達(dá)到了最好的耐磨效果。此后，當(dāng)燒結(jié)溫度再提高時(shí)，磨損性能又逐漸劣化。說明在360℃和385℃塑化，存在欠燒和過燒的情況。

圖3 磨損量與燒結(jié)溫度的關(guān)系（3種顏色分別對(duì)應(yīng)重復(fù)試驗(yàn)測量值）

摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，3層復(fù)合材料的塑化燒結(jié)有一個(gè)最佳溫度范圍，在375℃左右時(shí)，PTFE環(huán)保型3層復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨載荷變化的波動(dòng)性最小，并表現(xiàn)出最佳的耐磨效果。

2.2 保溫時(shí)間對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖4和圖5分別為不同保溫時(shí)間下燒結(jié)材料的摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線及磨損量的變化。圖4中，當(dāng)載荷較低時(shí)，保溫時(shí)間為10 min燒結(jié)的材料摩擦系數(shù)最小。而大載荷下，保溫時(shí)間為60 min時(shí)塑化燒結(jié)材料的摩擦系數(shù)明顯比保溫時(shí)間為10，20，40 min的塑化燒結(jié)材料的小；這表明在重載荷下保溫60 min塑化燒結(jié)的材料減摩性能最好。由圖5可知，當(dāng)保溫時(shí)間小于40 min時(shí)，隨著保溫時(shí)間的縮短，材料的磨損量急劇增加。這主要是由于保溫時(shí)間太短，材料不能得到充分的塑化，難以承受較高的載荷，從而導(dǎo)致了材料磨損量的增加；當(dāng)保溫時(shí)間大于40 min時(shí)，磨損量的減小趨緩，材料耐磨性能的提高不太明顯。

圖4 不同保溫時(shí)間下摩擦系數(shù)與載荷關(guān)系

圖5 磨損量隨保溫時(shí)間的變化

綜合摩擦磨損性能，環(huán)保型PTFE 3層復(fù)合材料板材塑化燒結(jié)的保溫時(shí)間應(yīng)控制在40 min以上，既保證材料的耐摩擦磨損性能最好，又能照顧到生產(chǎn)效率。

2.3 冷卻方式對(duì)摩擦磨損性能的影響

與燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間相比，冷卻方式對(duì)摩擦磨損性能的影響較小。由圖6可見，在低載荷下緩冷至150℃的材料摩擦系數(shù)相對(duì)最小；而載荷較高時(shí)，冷卻至300℃在PTFE結(jié)晶溫度下立即取出的材料摩擦特性最好，150℃時(shí)取出的材料摩擦系數(shù)最大。整體來看，冷卻至300℃取出材料的減摩性能最好。圖7的磨損量對(duì)比也表明，隨爐冷卻至300℃取出的材料最耐磨；而保溫結(jié)束后立即開爐取出在空氣中急冷的材料磨損特性最差。

圖6 不同冷卻溫度下摩擦系數(shù)與載荷關(guān)系

圖7 磨損量隨冷卻溫度的變化

2.4 綜合評(píng)判

聚四氟乙烯的加熱熔融和冷卻結(jié)晶均需要一個(gè)溫度范圍和時(shí)間區(qū)間來完成，當(dāng)燒結(jié)溫度較低及保溫時(shí)間較短時(shí)，會(huì)導(dǎo)致表層材料塑化重整不充分；燒結(jié)溫度過高，又會(huì)加劇材料的氧化和降解，并由此影響到產(chǎn)品的使用性能。

在欠燒和過燒的情況下，環(huán)保型PTFE 3層復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較低，但摩擦系數(shù)隨載荷變化的波動(dòng)性較大，運(yùn)行穩(wěn)定性較低，磨損量也顯著加大，導(dǎo)致軸承產(chǎn)品的使用性能劣化。因此，控制好PTFE 3層復(fù)合材料塑化燒結(jié)的各工藝參數(shù)，對(duì)于提高產(chǎn)品性能及其一致性具有重要的意義。

3 結(jié)論

（1）3層復(fù)合材料板材塑化燒結(jié)過程中的燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間及冷卻方式對(duì)材料的摩擦磨損性能有著重要的影響。合理地優(yōu)化板材塑化燒結(jié)工藝參數(shù)，可進(jìn)一步提高3層復(fù)合材料的耐摩擦磨損性能。

（2）研究表明，在375℃保溫塑化燒結(jié)60 min，并隨爐冷卻至300℃時(shí)

取出，可以保證環(huán)保型PTFE 3層復(fù)合材料的綜合摩擦磨損性能達(dá)到最好。