高速條件下PTFE編織復(fù)合材料的摩擦磨損性能

張智源，杜三明，張永振，康克家

（河南科技大學(xué)河南省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng) 471003）

0 引 言

聚四氟乙烯（PTFE）是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛的一種工程塑料，有“塑料王”之稱，它具有寬的溫度使用范圍和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、表面不粘性，以及良好的耐大氣老化、電絕緣性、自潤(rùn)滑性，并且它的摩擦因數(shù)是已知實(shí)用滑動(dòng)材料中最小的。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為航空航天、石油化工、機(jī)械等工業(yè)中不可缺少的重要材料之一。但PTFE自身的磨損率高、承載能力差［1］、線膨脹系數(shù)較大、彈性模量小、耐蠕變性能差、易冷流，特別是耐磨損性能差等缺點(diǎn)，極大地限制了它的適用范圍［2－4］。為了提高PTFE的綜合性能，研究人員對(duì)其進(jìn)行改性研究［5－6］，改性后PTFE復(fù)合材料在航天航空、汽車、儀表、機(jī)械等行業(yè)中都獲得了廣泛應(yīng)用。

改性PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損過(guò)程比較復(fù)雜，關(guān)于填料對(duì)PTFE改性機(jī)理及對(duì)減磨的作用，目前還存在著幾種不同的觀點(diǎn)，這些觀點(diǎn)分別從不同角度解釋了填料改性PTFE復(fù)合材料的減磨機(jī)理。但是，不同的條件下影響摩擦磨損的主導(dǎo)因素會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致了磨損機(jī)理發(fā)生變化。

目前，航空自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承分為低速擺動(dòng)和高速擺動(dòng)兩個(gè)系列，根據(jù)美國(guó)頒布的AS81820和AS81819兩個(gè)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可知：擺動(dòng)頻率為10次·min－1，擺動(dòng)次數(shù)為103～104的為低速擺動(dòng)試驗(yàn)；擺動(dòng)頻率在200～1 300次·min－1，擺動(dòng)次數(shù)在106次以上為高速擺動(dòng)試驗(yàn)［7］。Unal等［8］研究了滑動(dòng)速度為0.32，0.64，0.96，1.28m·s－1，載荷分別為5，10，20，30N 條件下以25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）青銅粉、35%石墨和17%GF填充的PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能。李如琰［9］在徑向載荷123kN，擺動(dòng)頻率12次·min－1，擺動(dòng)角度±25°，試驗(yàn)溫度20℃條件下對(duì)比研究了用PU銅網(wǎng)和PTFE纖維為潤(rùn)滑材料的兩種軸承的摩擦磨損性能。定向漢等［10］利用自行研制的重載摩擦試驗(yàn)機(jī)，在轉(zhuǎn)速為2.5r·min－1下，測(cè)試了PTFE編織復(fù)合材料關(guān)節(jié)軸承的摩擦因數(shù)。大部分關(guān)于PTFE材料摩擦磨損性能的研究都是在低速條件下進(jìn)行的，而高速條件下的研究鮮有報(bào)道。

因此，作者將PTFE編織復(fù)合材料與9Cr18Mo鋼組成摩擦副，采用高速壓擺摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在載荷為35kN、頻率12Hz（720次·min－1）、擺角為3°的條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究循環(huán)次數(shù)、摩擦溫度對(duì)復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響，以及摩擦不同階段磨屑的形貌，并分析了PTFE復(fù)合材料的磨損機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為PTFE編織復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱PTFE復(fù)合材料），其編織物為PTFE/Kevlar，編織方式為纖維混紡，改性用填充物為SiO2，其在PTFE復(fù)合材料中的含量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。將尺寸為（53±0.05）mm×（40±0.05）mm×（0.38±0.02）mm 的PTFE復(fù)合材料粘貼于曲率半徑為（50±0.05）mm、弧度為59.5°～60.5°的試樣托（材料為9Cr18Mo鋼）上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)（如圖1所示）；對(duì)偶件采用直徑為50mm、表面粗糙度為0.16μm的環(huán)試樣，其材料為9Cr18Mo鋼，符合GB/T 3086高碳鉻不銹軸承鋼技術(shù)條件（冷處理溫度－55℃以下，保溫時(shí)間不少于1h），試驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行去脂處理。摩擦磨損試驗(yàn)溫度為25℃，相對(duì)濕度為60%，加載載荷為35kN，摩擦頻率為12Hz，擺角為3°；試驗(yàn)前先靜止加載20kN的額定載荷，并持續(xù)30min，待變形量穩(wěn)定后正式開始試驗(yàn)，并用試驗(yàn)機(jī)上配有的熱電偶在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料表面的溫度；試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)托靜止不動(dòng)，對(duì)偶環(huán)以一定的角度往復(fù)擺動(dòng)，往復(fù)擺動(dòng)一個(gè)周期為一個(gè)循環(huán)次數(shù)。采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損不同階段磨屑的微觀形貌。

圖1 摩擦副示意Fig.1 Sketch of the friction pair

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)次數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)的影響

由圖2可知，在摩擦初期，PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷下降，之后穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，摩擦進(jìn)入穩(wěn)定階段；當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)760 000次（圖2中A點(diǎn)）左右，摩擦因數(shù)顯著增大，波動(dòng)明顯，最終直線上升。這說(shuō)明PTFE復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重磨損，摩擦副的狀態(tài)發(fā)生了突變。由圖3可知，磨損前PTFE復(fù)合材料表面光滑平整，磨損后其表面出現(xiàn)局部磨穿現(xiàn)象（圖3中B處），試樣托與對(duì)偶件直接接觸（金屬/金屬摩擦）。因此，可將摩擦因數(shù)的急劇上升作為復(fù)合材料磨損失效的重要判斷依據(jù)之一。

2.2 摩擦溫度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖2 循環(huán)次數(shù)對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響Fig.2 Friction coefficient vs cycle number for PTFE composites

圖3 PTFE復(fù)合材料磨損前后的表面形貌Fig.3 Surface morphology of PTFE composites before（a）and after（b）wear

圖4 PTFE復(fù)合材料摩擦溫度隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.4 Friction temperature vs cycle number for PTFE composites

由圖4可知，在摩擦初期，摩擦溫度迅速升高；之后（摩擦中期），摩擦溫度的變化漸漸趨于平緩；當(dāng)摩擦進(jìn)入劇烈磨損階段（摩擦后期）后，對(duì)應(yīng)的摩擦溫度又出現(xiàn)劇烈上升，直至試驗(yàn)結(jié)束。當(dāng)摩擦處于相對(duì)平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，對(duì)應(yīng)的摩擦溫度穩(wěn)定在175～230℃，該溫度超過(guò)了PTFE復(fù)合材料的玻璃化溫度（117℃），此時(shí)復(fù)合材料中的高分子鏈具有較高的活力，彼此之間容易發(fā)生移動(dòng)，有利于在對(duì)偶件表面形成對(duì)摩擦有利的轉(zhuǎn)移膜。當(dāng)摩擦進(jìn)入劇烈磨損階段后，摩擦溫度最高達(dá)到370℃以上，超過(guò)了PTFE復(fù)合材料的熔點(diǎn)（327℃），破壞了其原有的纖維束狀態(tài)，阻礙摩擦的進(jìn)行，并加劇了自身的磨損。

對(duì)比圖2和圖4可知，摩擦溫度的變化趨勢(shì)在一定程度上對(duì)應(yīng)了摩擦因數(shù)的變化。

2.3 磨損機(jī)理

PTFE屬于碳氟化合物（C2F4）n，易在對(duì)偶件表面形成轉(zhuǎn)移膜。其原因有兩個(gè)方面：其一，碳氟化合物（C2F4）n分子沒有支鏈，僅靠范德華力結(jié)合，較易沿滑動(dòng)方向取向，從而易于轉(zhuǎn)移；其二，碳氟化合物（C2F4）n分子具有與金屬絡(luò)合傾向，對(duì)偶件金屬表面存在金屬氟化物和有機(jī)金屬絡(luò)合物。

在摩擦初期，PTFE復(fù)合材料并未在對(duì)偶件表面形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，摩擦行為表現(xiàn)為金屬與復(fù)合材料之間的干摩擦，摩擦副之間發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)使原子結(jié)合力較弱的復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生切變與斷裂，結(jié)果使復(fù)合材料不斷轉(zhuǎn)移到與之配對(duì)的對(duì)偶件表面。隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦熱不斷在摩擦表面積聚，導(dǎo)致復(fù)合材料表面局部軟化，PTFE大分子被拉出結(jié)晶區(qū)，在庫(kù)侖力和范德華力的作用下在對(duì)偶件表面形成轉(zhuǎn)移膜，如圖5（a）所示。由圖5（b）可知，轉(zhuǎn)移膜中出現(xiàn)碳和氟元素，進(jìn)一步證明此轉(zhuǎn)移膜為PEFE復(fù)合材料轉(zhuǎn)移形成的。此時(shí)，摩擦行為轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)移膜與PTFE復(fù)合材料之間的摩擦，接觸面的剪切應(yīng)力減小、摩擦因數(shù)降低、且趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)移膜的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，轉(zhuǎn)移膜與金屬之間的粘著力很小，屬于物理結(jié)合。隨著摩擦的進(jìn)行，在切向力的作用下，舊膜會(huì)不斷地脫落而新膜不斷地重新生成，轉(zhuǎn)移膜隨著摩擦的進(jìn)行不斷被擠向兩邊，自潤(rùn)滑層不斷減少。另外，隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，當(dāng)局部剪切應(yīng)力超過(guò)PTFE復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)，復(fù)合材料表面就會(huì)引發(fā)裂紋，如圖6（a）所示，裂紋逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致PTFE復(fù)合材料斷裂剝落，如圖6（b）所示，發(fā)生疲勞磨損。

圖5 對(duì)偶件表面轉(zhuǎn)移膜的SEM形貌及EDS譜Fig.5 SEMmorphology（a）and EDS spectrum（b）of transfer film on mating plate surface

PTFE復(fù)合材料的導(dǎo)熱性差，摩擦熱隨著循環(huán)次數(shù)的增加在摩擦表面不斷積累，使復(fù)合材料發(fā)生熔融流變，同時(shí)復(fù)合材料表面與試樣托之間的較大溫差也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料表面形成亞表面裂紋，如圖6（c）所示，從而使PTFE復(fù)合材料的耐磨損性能下降。當(dāng)摩擦進(jìn)入劇烈磨損階段后，對(duì)偶件表面不再形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，PTFE復(fù)合材料表面局部損壞嚴(yán)重，磨損急劇惡化，最終導(dǎo)致復(fù)合材料局部被磨穿，使試樣托（金屬）與對(duì)偶件直接接觸，發(fā)生金屬間的摩擦磨損，此時(shí)，摩擦因數(shù)和摩擦溫度均會(huì)急劇增加，最終導(dǎo)致磨損失效。這與圖1和圖3的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖6 PTFE復(fù)合材料摩擦表面的SEM形貌Fig.6 SEMmorphology of friction surface of PTFE composites：（a）mild wear area；（b）moderate wear area and（c）severe wear area

2.4 磨屑形貌

從圖7可以看出，磨擦前期，磨屑主要為微小型的薄片狀，PTFE復(fù)合材料的磨損較輕；摩擦中期，磨損狀況發(fā)生了明顯變化，主要表現(xiàn)為磨屑變大，且磨屑量增多，出現(xiàn)了大量片狀磨屑，可以判斷，此時(shí)磨損機(jī)理將發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變；摩擦后期，磨損表面嚴(yán)重惡化，PTFE復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)纖維破壞嚴(yán)重，大量剝落的磨屑發(fā)生嚴(yán)重的交互纏結(jié)現(xiàn)象，復(fù)合材料有加速磨穿的趨勢(shì)。由此可知，隨著摩擦的進(jìn)行，磨屑會(huì)發(fā)生明顯的惡化趨勢(shì)，磨損機(jī)理以疲勞磨損為主。因此，對(duì)摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑進(jìn)行分析，有助于磨損狀態(tài)的確定，以及磨損機(jī)理的探討。

圖7 摩擦過(guò)程中不同階段磨屑的SEM形貌Fig.7 SEMmorphology of wear debris in different stages during friction（a）friction prophase；（b）friction mid-stage and（c）friction late-stage

3 結(jié) 論

（1）PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加先迅速降低，之后在一定范圍內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；隨著摩擦的繼續(xù)進(jìn)行，摩擦因數(shù)急劇上升，PT-FE復(fù)合材料發(fā)生磨損失效。

（2）摩擦溫度是影響PTFE復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)理一個(gè)重要因素，摩擦溫度的急劇升高將加劇PTFE復(fù)合材料的磨損。

（3）隨著磨損的加劇，磨屑也表現(xiàn)為相應(yīng)的惡化趨勢(shì)，磨損機(jī)理以疲勞磨損為主。

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