聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合保持架材料高低溫濕熱交變性能試驗(yàn)分析

王楓，孫小波，張蕾，馬小梅

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

聚四氟乙烯具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐熱性能及化學(xué)穩(wěn)定性，但易冷流蠕變、導(dǎo)熱性差、線脹系數(shù)及磨損量大等缺點(diǎn)限制了其在軸承保持架領(lǐng)域中的應(yīng)用。而聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料克服了聚四氟乙烯的缺點(diǎn)，有效阻止了聚四氟乙烯帶狀結(jié)構(gòu)的破壞，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)移膜與摩擦對(duì)偶表面間的黏附性，磨損量比未添加鉛粉的純聚四氟乙烯材料降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)填充的鉛粉還提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性[1]。聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料已在軸承保持架領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，它既能起到隔離滾動(dòng)體使其均衡承載的作用，又能在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中在對(duì)磨面形成轉(zhuǎn)移膜，從而對(duì)軸承起到潤(rùn)滑的作用。

隨著軸承應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，軸承工作環(huán)境也越來(lái)越苛刻，為了滿足軸承在高低溫交變濕熱條件下的正常使用，軸承保持架材料在高低溫交變濕熱條件下的性能變化研究也越來(lái)越重要。下文著重對(duì)3種不同鉛粉含量的聚四氟乙烯基復(fù)合材料進(jìn)行高低溫交變濕熱試驗(yàn)，通過(guò)模擬軸承實(shí)際工況，考察高低溫交變濕熱條件對(duì)不同鉛粉含量的聚四氟乙烯基復(fù)合材料力學(xué)性能及摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 材料

試驗(yàn)原料為：聚四氟乙烯模塑細(xì)顆粒(75 μm)，鉛粉(200目)和二硫化鉬(00﹟)。

分別配制鉛粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15%(配方1)，25%(配方2)和35%(配方3)的聚四氟乙烯基復(fù)合材料，剩余部分由聚四氟乙烯和少量二硫化鉬組成。按配比稱取重量，放入高速攪拌機(jī)內(nèi)混合均勻，將混合好的復(fù)合材料裝入模具內(nèi)，放置在壓力機(jī)上加壓，保壓結(jié)束后脫模，將毛坯放入燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，隨爐冷卻至室溫取出。3種復(fù)合材料均各制備35個(gè)環(huán)狀抗拉強(qiáng)度試環(huán)和各14個(gè)摩擦磨損試塊。用40倍顯微鏡對(duì)毛坯材料外觀進(jìn)行檢查，無(wú)裂紋，無(wú)氣孔，無(wú)明顯顆粒及夾雜等缺陷即為合格。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)采用EL-041KA型高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行高低溫交變及濕熱試驗(yàn)。

(2)采用DNS200型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試保持架毛坯材料(圖1)的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度。測(cè)試時(shí)拉伸速度為(20±0.2)mm/min。

圖1 抗拉強(qiáng)度測(cè)試

保持架毛坯材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為

δ=P(D2+d2)/[hd(D2-d2)]，

式中：P為拉力機(jī)讀數(shù)；D為測(cè)試環(huán)外徑；d為測(cè)試環(huán)內(nèi)徑；h為測(cè)試環(huán)寬度。

(3)采用Shore Scale D Durometer邵氏硬度計(jì)測(cè)量材料的硬度。

(4)采用鐵姆肯摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫、大氣及干磨條件下測(cè)試材料的摩擦因數(shù)和磨損量。試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm的長(zhǎng)方體，試樣與對(duì)磨件在試驗(yàn)前均經(jīng)過(guò)丙酮清洗。每個(gè)試樣取兩個(gè)對(duì)應(yīng)面作為摩擦測(cè)試面進(jìn)行摩擦因數(shù)及磨痕測(cè)試，共做2次試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速為200 r/min，對(duì)磨測(cè)環(huán)的表面粗糙度Ra為0.03 μm，載荷為7.58 N，每隔3 min測(cè)一次摩擦力，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。采用賽多利斯電子天平稱量測(cè)試前、后重量差得出磨損量。

1.3 試驗(yàn)方法

溫度循環(huán)在常壓下開(kāi)始由常溫先轉(zhuǎn)高溫，再由高溫轉(zhuǎn)常溫，由常溫再到低溫。循環(huán)次數(shù)為30次；升降溫速率<5 ℃/min；溫度范圍-50～+120 ℃；極限溫度允差：高溫端0～+2 ℃，低溫端0～-3 ℃；高低溫保持時(shí)間：高溫(120±3)℃時(shí)保持6 h，低溫(-40±3)℃時(shí)保持6 h，常溫20 ℃時(shí)保持6 h。

高低溫交變循環(huán)結(jié)束后，在溫度為(20±3)℃，濕度為(95±3)%下連續(xù)保持120 h。

高低溫交變濕熱循環(huán)試驗(yàn)前對(duì)各種配方試樣的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度、摩擦因數(shù)及磨損量進(jìn)行測(cè)試。高低溫交變循環(huán)10，15，20，25及30次時(shí)，分別對(duì)各配方試樣的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)量為5件；對(duì)各配方試樣的摩擦因數(shù)及磨損量進(jìn)行測(cè)試,檢測(cè)數(shù)量為2件。濕度循環(huán)結(jié)束后，對(duì)各配方試樣的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)量為5件,對(duì)各配方試樣的摩擦因數(shù)及磨損量進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)量為2件。

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

3種不同鉛粉含量改性聚四氟乙烯復(fù)合材料在高低溫交變濕熱條件下的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(35次循環(huán)指30次高低溫循環(huán)后進(jìn)行的濕度試驗(yàn))及分析如下。圖2和圖3分別是不同配方復(fù)合材料環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度與高低溫濕熱交變循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。圖中任一點(diǎn)為5次檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，由圖可知，未經(jīng)高低溫濕熱交變循環(huán)處理的復(fù)合材料中配方1的抗拉強(qiáng)度及邵氏硬度最大，配方3的抗拉強(qiáng)度最小，配方2的邵氏硬度最小。經(jīng)過(guò)30次高低溫交變及濕熱循環(huán)后，3種配方的復(fù)合材料環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度均隨循環(huán)次數(shù)先降低后升高，均能保持未經(jīng)過(guò)處理的原始值的89%以上，尤其是配方2和配方3經(jīng)過(guò)30次高低溫交變及濕熱循環(huán)后的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度保持率均達(dá)到了97%以上，配方2保持率最高，達(dá)到97.94%。而配方1的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度降幅最大。

圖2 不同配方復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖3 不同配方復(fù)合材料邵氏硬度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4和圖5分別是不同配方復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損量與高低溫濕熱交變循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。圖中任一點(diǎn)為2次檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，未經(jīng)循環(huán)處理的復(fù)合材料中配方2的摩擦因數(shù)最小，配方3的磨損量最小。配方1復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度最大，摩擦因數(shù)較小，但其磨損量較大，硬度最低(強(qiáng)度高但不耐磨)；配方3復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度最小，摩擦因數(shù)最大，但其磨損量較小，硬度最高(強(qiáng)度低,但耐磨不減摩)；配方2復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度比配方1略小，但比配方3大，且經(jīng)過(guò)30次高低溫交變及濕熱循環(huán)試驗(yàn)后，其環(huán)狀抗拉強(qiáng)度保持量與配方1接近，磨損量與配方3接近，綜合性能的保持率較高。

圖4 不同配方復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化情況

圖5 不同配方復(fù)合材料磨損量隨循環(huán)次數(shù)的變化情況

根據(jù)以上圖示和分析可看出，配方2復(fù)合材料在上述溫度與濕度條件下進(jìn)行高低溫濕熱交變循環(huán)后，其力學(xué)性能保持率達(dá)到97%，摩擦因數(shù)與磨損量均未發(fā)生明顯變化。表明配方2復(fù)合材料在此溫、濕度條件下具有優(yōu)異的耐濕熱能力。

2.2 數(shù)據(jù)偏差分析

由于經(jīng)歷30次高低溫交變及濕熱循環(huán)前后7個(gè)批次3種復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)呈不規(guī)則變化。為了驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)偏差值是否由系統(tǒng)誤差引起，對(duì)這3種復(fù)合材料循環(huán)前后7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(表1)與7批次試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差(表2)進(jìn)行對(duì)比。其中7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差是指每次高低溫循環(huán)后同一水平測(cè)試的5個(gè)樣品，根據(jù)GB 3360—1982計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差；而7批次試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差，是對(duì)每種樣品經(jīng)30次高低溫交變及濕熱循環(huán)前后進(jìn)行測(cè)試得到的7個(gè)平均數(shù)值根據(jù)GB 3360—1982計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 3種保持架材料7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差

表2 3種保持架材料7批次試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差

由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，雖然3種復(fù)合材料力學(xué)性能在經(jīng)歷30次高低溫及濕熱循環(huán)后測(cè)試數(shù)據(jù)有所偏差。但7批次試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值，系統(tǒng)誤差在試驗(yàn)要求可接受的范圍內(nèi)[2]。從表2看出，采用配方2制成的復(fù)合材料環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在3種復(fù)合材料中最小，表明其試驗(yàn)波動(dòng)范圍小，重復(fù)性最好，再次證明該復(fù)合材料性能是可靠的。

對(duì)3種配方復(fù)合材料經(jīng)30次高低溫及濕熱循環(huán)前后進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，摩擦因數(shù)重復(fù)性較好，波動(dòng)值為0.01，其中配方2的波動(dòng)值最小，為0.008；配方2的磨損量波動(dòng)范圍較小，而且最終磨損量數(shù)值也較?。欢浞?的摩擦因數(shù)較小，但磨損量較大，表明該復(fù)合材料耐磨性較差；配方3的摩擦因數(shù)較大，磨損量與配方2相當(dāng)。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)30次高低溫及濕熱循環(huán)試驗(yàn)，3種不同配方的聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度及摩擦性能無(wú)明顯下降趨勢(shì)，其中環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度仍能保持原始值的89%以上。充分表明這3種聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料在上述溫、濕度試驗(yàn)條件下具有優(yōu)異的耐濕熱能力。

(2)根據(jù)3種不同配方的聚四氟乙烯/鉛粉保持架材料高低溫濕熱交變循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合其力學(xué)性能和摩擦性能可知，配方2制成的復(fù)合材料綜合性能優(yōu)良。