PTFE基固體潤(rùn)滑涂層的摩擦學(xué)和力學(xué)性能試驗(yàn)

錢菁，苗艷偉，錢亞明，方建飛，邱明

(1.新昌縣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)所，浙江 新昌 312500；2.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

固體潤(rùn)滑涂層技術(shù)是指將固體物質(zhì)涂或鍍于摩擦副界面，作為固體潤(rùn)滑材料或固體潤(rùn)滑劑，對(duì)摩擦副界面進(jìn)行潤(rùn)滑的方法，以降低摩擦因數(shù)或減小磨損[1]。由于粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層是一種經(jīng)濟(jì)、方便和性能優(yōu)異的減摩措施，在民用機(jī)械和空間技術(shù)等多方面得到了廣泛應(yīng)用[2-4]，目前有超過(guò)95%的潤(rùn)滑材料通過(guò)該工藝達(dá)到潤(rùn)滑的目的[5]。研究表明，常用的MoS2基、石墨基及聚四氟乙烯(PTFE)基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層均具有良好的摩擦學(xué)性能[6-8]。PTFE作為一種典型的固體潤(rùn)滑材料在耐熱性、耐磨性、自潤(rùn)滑性及低摩擦因數(shù)等方面表現(xiàn)出良好的性能， PTFE基固體潤(rùn)滑涂層的耐磨性比二硫化鉬和石墨類固體潤(rùn)滑涂層高出5～7倍[ 9]?；诖?，下文著重對(duì)不同配方PTFE基固體潤(rùn)滑涂層的摩擦學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期找到綜合性能較優(yōu)的PTFE基固體潤(rùn)滑涂層配方。

1 試樣制備

潤(rùn)滑涂層的制備：將PTFE乳液、MoS2粉末(600目)、環(huán)氧樹(shù)脂E-51、和石墨粉末(600目)按一定比例混合均勻，通過(guò)模壓法制成PTFE基固體潤(rùn)滑涂層，并將壓制好的涂層在100 ℃下烘干，保溫5 min，取出冷卻至室溫。將已制備好的3種PTFE基固體潤(rùn)滑涂層的配方分別命名為A，B和C。3種配方的區(qū)別在于乳液中PTFE的含量不同，分別為20%，40%和60%。把制備的A，B和C固體潤(rùn)滑涂層粘接到圓片和圓柱試樣上(材料均為GCr15軸承鋼)，其中圓片試樣做摩擦磨損試驗(yàn)和抗壓性能試驗(yàn)，圓柱試樣做粘結(jié)性能試驗(yàn)，試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓片試樣的基本參數(shù)為：直徑30 mm，厚8 mm(其中涂層厚度為2 mm)；圓柱試樣的基本參數(shù)為：直徑20 mm，高30 mm(其中涂層厚度為6 mm)。

(a)圓片 (b)圓柱

2 試驗(yàn)

2.1 摩擦學(xué)性能試驗(yàn)

在HSR-2M型高速往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定涂層的摩擦因數(shù)和磨損體積(圖2)。

圖2 摩擦磨損試驗(yàn)示意圖

在干摩擦條件下對(duì)涂層試樣進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。上試樣為GCr15鋼球，直徑為6 mm，硬度為63 HRC；下試樣為已粘接涂層的圓片，直徑30 mm，厚8 mm(其中涂層的厚度為2 mm)；往復(fù)頻率為3 Hz，往復(fù)移動(dòng)長(zhǎng)度10 mm，試驗(yàn)載荷為30 N，試驗(yàn)時(shí)間為5 min。試驗(yàn)時(shí)上試樣固定，下試樣做往復(fù)移動(dòng)。

2.1.1 摩擦因數(shù)

每種配方測(cè)試6次摩擦因數(shù)，取其平均值得到如圖3所示結(jié)果。3種配方涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖3 不同配方涂層的摩擦因數(shù)

由圖3可知，C涂層的摩擦因數(shù)最小且減摩性最好，是A涂層的3倍左右、是B涂層的2倍左右；B涂層的摩擦因數(shù)次之，其減摩性是A涂層的1.5倍左右；A涂層的摩擦因數(shù)最大且減摩效果最差。

由圖4可知，A涂層的摩擦因數(shù)隨往復(fù)移動(dòng)時(shí)間的波動(dòng)較大且不穩(wěn)定，上、下波動(dòng)的幅度在0.1范圍內(nèi)；B涂層的摩擦因數(shù)隨往復(fù)移動(dòng)時(shí)間的波動(dòng)較平緩，上、下波動(dòng)幅度基本在0.05范圍內(nèi)；C涂層的摩擦因數(shù)隨往復(fù)移動(dòng)時(shí)間的波動(dòng)最平緩，上、下波動(dòng)幅度基本在0.01范圍內(nèi)。

綜上可知，A涂層的摩擦性能最差，并且其涂層的摩擦因數(shù)隨往復(fù)移動(dòng)時(shí)間的波動(dòng)也較大且不穩(wěn)定；B涂層的摩擦性能介于A和C之間；C涂層的摩擦性能優(yōu)于A和B，并且C涂層的摩擦因數(shù)隨往復(fù)移動(dòng)時(shí)間的波動(dòng)也最平穩(wěn)。

2.1.2 磨損量

對(duì)每種配方涂層的磨損量測(cè)量6次，取其平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同配方涂層的磨損量

由圖中數(shù)據(jù)可知，C涂層的磨損量最小，耐磨性最好，其耐磨性是A涂層的8倍左右、B涂層的20倍左右；A涂層的磨損量次之，其耐磨性是B涂層的2.5倍左右；B涂層的磨損量最大，耐磨性最差。

綜合考慮涂層的摩擦因數(shù)和磨損量，C涂層的摩擦學(xué)性能優(yōu)于其他兩種配方；A涂層的磨損性能優(yōu)于B。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.2.1 粘結(jié)性能試驗(yàn)

利用INSTRON5944拉壓試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 5210—2006進(jìn)行PTFE基固體潤(rùn)滑涂層的粘結(jié)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：拉伸應(yīng)力速率為0.05 MPa/s，拉伸位移為2 mm。每種配方做3組試驗(yàn)，取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同配方涂層的粘結(jié)強(qiáng)度

從表中數(shù)據(jù)可以看出：在相同的試驗(yàn)條件下，A涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度最高，其粘結(jié)強(qiáng)度是B和C涂層的4倍左右，并且A涂層在做拉伸試驗(yàn)時(shí)是從涂層中間斷開(kāi)，表明A涂層的膠黏劑與基體的粘結(jié)性能最好；B與C涂層的粘結(jié)強(qiáng)度大致相當(dāng)，涂層均是從結(jié)合面處斷開(kāi)，但C涂層與基體斷開(kāi)時(shí)，基體上粘有部分涂層，而B(niǎo)涂層則完整地從基體上斷開(kāi)。 并且B涂層在做抗壓性能試驗(yàn)時(shí)，涂層出現(xiàn)了從基體上脫落的情況，而其他2種配方均未出現(xiàn)。

綜上可知，A涂層的黏結(jié)強(qiáng)度最高；B與C涂層的粘結(jié)強(qiáng)度大致相當(dāng)，但C涂層膠黏劑與基體的粘結(jié)性能優(yōu)于B。

2.2.2抗壓性能試驗(yàn)

采用DDL-300電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 7314《金屬材料室溫壓縮方法》進(jìn)行涂層的抗壓性能試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：加載速度為0.5 mm/min，壓縮面積S0為7.069 mm2，施加最大載荷F為300 t。每種配方做3組抗壓性能試驗(yàn)，取其平均值。涂層的壓縮強(qiáng)度和壓縮量見(jiàn)表2。壓縮載荷隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖6所示。

表2 不同涂層的壓縮強(qiáng)度與壓縮量

圖6 不同涂層的壓縮載荷隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖6a中A涂層的壓縮載荷隨壓縮時(shí)間的變化趨勢(shì)在140 s左右時(shí)涂層材料產(chǎn)生屈服，其壓縮強(qiáng)度為200.65 MPa，此時(shí)的壓縮量為1.460 mm。圖6b中B涂層的壓縮載荷隨壓縮時(shí)間的變化趨勢(shì)在180 s左右時(shí)涂層材料產(chǎn)生屈服，其壓縮強(qiáng)度為218 MPa，此時(shí)的壓縮量為1.496 mm。圖6c中C涂層的壓縮載荷隨壓縮時(shí)間的變化趨勢(shì)在280 s左右時(shí)涂層材料產(chǎn)生屈服，其壓縮強(qiáng)度最高，為457.18 MPa，約為A和B涂層的2倍；C涂層的壓縮量為2.336 mm， 約為A和B涂層的1.5倍。

3 結(jié)論

(1) 3種配方中C涂層的減摩性和耐磨性最好；B涂層的摩擦性能優(yōu)于A，減摩性約為A的1.5倍，但磨損性能比A差；A涂層的摩擦性能最差，但其磨損性能優(yōu)于B，是B涂層的2.5倍左右。

(2) 3種配方中B涂層的力學(xué)性能最差；A涂層的粘結(jié)性能最好，其粘結(jié)強(qiáng)度是B和C涂層的4倍左右，但A涂層的抗壓性能不如C，C涂層的壓縮強(qiáng)度約為A的2倍，并且其韌性也較好。