潤(rùn)滑條件對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

王文東 劉心橋 單 旸 杜鳴杰 張 超

(1.上海材料研究所, 上海200437;2.上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200437)

潤(rùn)滑條件對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

王文東1，2劉心橋1單 旸1杜鳴杰1張 超1

(1.上海材料研究所, 上海200437;2.上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200437)

對(duì)3種聚四氟乙烯復(fù)合材料與45#鋼和表面陽極氧化鋁合金配副進(jìn)行了摩擦性能測(cè)試，測(cè)定了不同潤(rùn)滑條件下聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。用掃描電子顯微鏡觀察了聚四氟乙烯復(fù)合材料與表面陽極氧化鋁合金摩擦磨損后的表面形貌。結(jié)果表明：在油潤(rùn)滑條件下，聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨痕寬度最小，在干摩擦條件下，聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦因數(shù)最大；在水潤(rùn)滑條件下，聚四氟乙烯復(fù)合材料磨痕寬度最大；在油潤(rùn)滑條件下，摩擦表面可形成均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑油膜，表面光滑，從而降低了磨損。

聚四氟乙烯；復(fù)合材料；摩擦因數(shù)；磨痕寬度；潤(rùn)滑

0 前言

聚四氟乙烯(PTFE)具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高低溫、摩擦因數(shù)低、自潤(rùn)滑等優(yōu)良性能, 因而它在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但它也有不足之處，因而需通過加入填充劑形成復(fù)合材料，使性能得到改善，使其耐磨性能大幅度提高[1-4]。PTFE復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛，可用于石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、航空航天、國防軍工、船舶制造、機(jī)械制造、汽車制造等行業(yè)，PTFE復(fù)合材料應(yīng)用的環(huán)境除干摩擦外，介質(zhì)有許多種，但是應(yīng)用最廣泛的介質(zhì)為油、水，本文針對(duì)PTFE復(fù)合材料干摩擦、水和液壓油潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并探討其磨損機(jī)制，為在不同潤(rùn)滑條件下選擇應(yīng)用PTFE復(fù)合材料作為減摩、耐磨產(chǎn)品提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚四氟乙烯(PTFE)細(xì)粉，F(xiàn)R104-2,優(yōu)級(jí)品，平均粒徑25 μm，上海三愛富新材料股份有限公司；聚苯酯(PHB)，牌號(hào)CGZ351-4,粒徑25～50 μm，中昊晨光化工研究院有限公司；碳纖維(CF)，單絲直徑7 μm，長(zhǎng)徑比10 ∶1，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司；錫青銅粉(Cu)，ZQSn6-6-3,平均粒徑25 μm，石家莊京元粉末材料有限責(zé)任公司；膠體二硫化鉬(MoS2)，牌號(hào)MF-1,平均粒徑5 μm，華誼集團(tuán)上海華原化工有限公司。

1.2 試樣制備

將PTFE、PHB、Cu、CF、MoS2干燥再冷卻至室溫后，分別按照配比稱量，采用高速混合機(jī)混料，然后過篩，經(jīng)過冷壓成型壓制坯料，PTFE復(fù)合材料壓制壓強(qiáng)為50 MPa，然后在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為375 ℃，隨爐冷卻后，二次加熱定型，經(jīng)機(jī)械加工成為試樣。

1.3 試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)參考GB 3960《塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法》，采用Amsler 135/105摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試樣的尺寸為30 mm×7 mm×6 mm，用磨床加工試樣工作面。摩擦對(duì)偶件為鋁合金表面陽極氧化圓環(huán)，45#鋼圓環(huán)。表面粗糙度Ra≤0.4 μm，其尺寸為Φ 40 mm×Φ 16 mm×10 mm，表面同樣用磨床加工。試樣和金屬圓環(huán)均用丙酮清洗，晾干后使用。試驗(yàn)條件為：載荷245 N，圓環(huán)轉(zhuǎn)速0.42 m/s，時(shí)間2 h，干摩擦指在空氣中試驗(yàn)，油潤(rùn)滑指將油滴在金屬圓環(huán)和試樣之間，使試樣和金屬圓環(huán)摩擦面上形成均勻的油膜，水潤(rùn)滑指在試驗(yàn)時(shí)將試樣完全浸入水中，試驗(yàn)環(huán)境溫度為23 ℃左右，相對(duì)濕度60%左右。

摩擦因數(shù)μ由每次試驗(yàn)所記錄的摩擦力矩計(jì)算得到。計(jì)算公式為：

μ=M/N×R

(1)

式(1)中，M為摩擦力矩，單位為N·cm；

N為負(fù)載，為245 N；

R為圓環(huán)半徑，為2 cm。

將摩擦試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行表面噴金，用Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 PTFE復(fù)合材料干摩擦磨損性能

聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能見表1。在干摩擦條件下，對(duì)磨件為45#鋼時(shí)，CF/PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨痕寬度均小于Cu/PTFE復(fù)合材料，這是因?yàn)樘祭w維的綜合摩擦學(xué)性能優(yōu)良；對(duì)磨件為表面陽極氧化的鋁合金時(shí)，CF/PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)與PHB/MoS2/PTFE復(fù)合材料相近,后者磨損量小，因?yàn)榫郾锦橛袡C(jī)材料，結(jié)合性能良好，硬度比碳纖維低，摩擦?xí)r不損傷表面陽極氧化的鋁合金。

注：配方1 PTFE+20%碳纖維;2 PTFE+40%青銅粉+5%MoS2;3 PTFE+20%聚苯酯+5%MoS2。1A，2摩擦對(duì)磨件為45#鋼;1B，3摩擦對(duì)磨件為件鋁合金。

圖1所示為干摩擦?xí)r45#鋼-CF/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面富集微細(xì)片狀PTFE磨屑，伴有各個(gè)方向的碳纖維分布，少量碳纖維有與基體分離的趨勢(shì)。在PTFE復(fù)合材料中，碳纖維具有優(yōu)先承受載荷作用，阻止金屬凸峰深入PTFE內(nèi)部，還可以阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，有效地減弱了CF/PTFE延性斷裂，防止了PTFE轉(zhuǎn)移膜的大片破壞、脫落[2-5]。磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為微切削磨損、疲勞磨損和磨粒磨損。

圖1 干摩擦(45#鋼-CF/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖2所示為干摩擦?xí)r45#鋼-Cu/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，Cu/PTFE表面有明顯的微細(xì)犁溝，錫青銅微粒被磨合平滑，其周圍伴有微細(xì)片狀PTFE，錫青銅微粒邊緣顯示明顯的疲勞應(yīng)力裂紋。在磨損過程中，摩擦面受到周期性的交變載荷，在表層上部分微凸體互相作用，使接觸區(qū)域產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形，在表層和亞表層錫青銅粉與PTFE基體界面處形成應(yīng)力裂紋，少量錫青銅微粒從基體脫落，形成了磨粒磨損[2-4]。錫青銅粉在磨損過程中優(yōu)先承擔(dān)了載荷，減小了PTFE基體承受的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，阻止了疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展[7-8]，磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為疲勞磨損和磨粒磨損。

圖2 干摩擦(45#鋼-Cu/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖3所示為干摩擦?xí)r表面陽極氧化的鋁合金-CF/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面的碳纖維即將脫落，周圍伴有微細(xì)片狀PTFE浮屑，磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為疲勞磨損和磨粒磨損，伴有黏著磨損。

圖3 干摩擦(鋁-CF/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖4所示為干摩擦?xí)r表面陽極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，PHB/MoS2/PTFE表面可見片狀磨削浮屑，磨屑片狀尺寸較小，磨屑數(shù)量較少。鋁合金陽極氧化后，其表面氧化膜的成分主要為結(jié)晶態(tài)的α-Al2O3和γ-Al2O3，氧化膜由過渡層、工作層、表面層復(fù)合而成，合理工藝生成的氧化膜的輪廓形貌均勻，表面致密，硬度較高[9]；聚苯酯填充聚四氟乙烯在增強(qiáng)機(jī)理上屬于彌散增強(qiáng)和粒子增強(qiáng)，硬質(zhì)的聚苯酯的加入提高了基體的承載能力, 二硫化鉬的加入使得材料在摩擦?xí)r能夠形成一個(gè)穩(wěn)定的固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜[6-7]，固體潤(rùn)滑膜的形成能夠使材料的摩擦因數(shù)下降，進(jìn)而摩擦生熱減小，復(fù)合材料的蠕變減小，磨痕寬度降低。磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為疲勞磨損和黏著磨損。

圖4 干摩擦(鋁- PHB/MoS2/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖5所示為干摩擦?xí)r表面陽極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對(duì)磨后鋁合金表面形貌SEM照片，鋁合金的表面比較光滑、無凹坑。鋁合金表面陽極氧化后，其表面氧化膜的α-Al2O3與γ-Al2O3及其本身晶界處存在微孔、微凹凸，PHB/MoS2/PTFE復(fù)合材料在壓應(yīng)力作用下，嵌入鋁合金微孔、微凹凸處，含有二硫化鉬時(shí)，二硫化鉬伴隨材料轉(zhuǎn)移至鋁合金表面，猶如大小粒徑的沙石瀝青馬路上附

圖5 干摩擦(鋁-PHB/MoS2/PTFE)對(duì)磨后鋁合金表面形貌SEM照片

著了一層薄冰，摩擦表面形成了穩(wěn)定、均勻的固體轉(zhuǎn)移膜，摩擦副的摩擦因數(shù)下降，摩擦性能提高。

2.2 PTFE復(fù)合材料油潤(rùn)滑條件下摩擦磨損性能

在油潤(rùn)滑條件下,由于油膜的存在，3種PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)、磨痕寬度較小，并且差異不大。

圖6所示為油潤(rùn)滑時(shí)45#鋼-CF/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面只有少量微細(xì)的PTFE磨屑，少量碳纖維分布于摩擦表面，并且碳纖維與基體緊密結(jié)合，表面光滑。

圖6 油潤(rùn)滑(45#鋼-CF/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖7所示為油潤(rùn)滑時(shí)45#鋼-Cu/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，Cu/PTFE表面錫青銅粉均勻分布，與基體結(jié)合緊密，表面只有少量微細(xì)的PTFE磨屑，表面光滑。

圖7 油潤(rùn)滑(45#鋼-Cu/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖8所示為油潤(rùn)滑時(shí)表面陽極氧化的鋁合金-CF/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面有星星點(diǎn)點(diǎn)的微細(xì)PTFE磨屑，碳纖維隱藏于基體內(nèi)部，只有碳纖維部分頭部暴露于摩擦表面，并且碳纖維與基體結(jié)合牢固，表面光滑。

圖8 油潤(rùn)滑(鋁-CF/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖9所示為在油潤(rùn)滑條件下表面陽極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，PHB/MoS2/PTFE基體中的微觀裂紋兩端不尖銳，并伴有被填充材料阻隔的傾向，周圍幾乎看不見磨削浮屑，磨屑與基體相連，表面光滑。

圖9 油潤(rùn)滑(鋁-PHB/MoS2/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖6、圖7、圖8、圖9所示的復(fù)合材料摩擦表面形貌SEM照片表明：3種PTFE復(fù)合材料在油潤(rùn)滑條件下，一方面在摩擦表面形成了穩(wěn)定連續(xù)的潤(rùn)滑油膜，另一方面潤(rùn)滑油及時(shí)將摩擦熱傳導(dǎo)出摩擦接觸區(qū)域，阻止了PTFE復(fù)合材料黏著磨損的產(chǎn)生，減弱了其疲勞磨損的程度, 摩擦表面平滑，因此在油潤(rùn)滑時(shí)，聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦因數(shù)低，磨痕寬度小。

2.3 PTFE復(fù)合材料水潤(rùn)滑條件下摩擦磨損性能

在水潤(rùn)滑條件下，對(duì)磨件為45#鋼時(shí)，CF/PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨痕寬度均小于Cu/PTFE復(fù)合材料，這是因?yàn)殄a青銅微粒與45#鋼直接接觸摩擦；對(duì)磨件為表面陽極氧化的鋁合金時(shí)，CF/PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)與PHB/MoS2/PTFE復(fù)合材料相近,前者磨損量較小，因?yàn)樘祭w維有效阻止了水對(duì)轉(zhuǎn)移膜的沖刷作用。

圖10所示為水潤(rùn)滑時(shí)45#鋼-CF/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，碳纖維暴露于CF/PTFE摩擦表面 ，直接與45#鋼摩擦，表面只有零星的微細(xì)PTFE磨屑，因?yàn)樘祭w維在復(fù)合材料基體內(nèi)沿不同方向分布，猶如河流河床中草類植被一樣，有效阻礙了水對(duì)固體轉(zhuǎn)移膜的沖刷作用，磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為沖刷磨損和磨粒磨損，伴有疲勞磨損。

圖10 水潤(rùn)滑(45#鋼-CF/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖11所示為水潤(rùn)滑時(shí)45#鋼-Cu/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，Cu/PTFE摩擦表面未見明顯的PTFE磨屑，錫青銅粉微粒裸露于Cu/PTFE表面，錫青銅粉微粒的分布與基體PTFE復(fù)合材料產(chǎn)生了垂直于摩擦表面的高度差，猶如河流河床中被水沖刷后的鵝卵石地質(zhì)形貌，摩擦轉(zhuǎn)化為45#鋼對(duì)錫青銅粉微粒的直接接觸摩擦，摩擦有效接觸面積減小，錫青銅粉微粒承擔(dān)的壓應(yīng)力加大，加上水的沖刷作用，加劇了錫青銅粉微粒脫離基體，脫落的錫青銅粉攜帶PTFE被水流沖刷，導(dǎo)致PTFE轉(zhuǎn)移膜處于形成-破壞的動(dòng)態(tài)劇變過程中[7-8]。磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為：沖刷磨損和磨粒磨損，伴有疲勞磨損。

圖11 水潤(rùn)滑(45#鋼- Cu/PTFE)對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片

圖10、圖11所示的復(fù)合材料摩擦表面形貌SEM照片表明：兩種PTFE復(fù)合材料在水潤(rùn)滑條件下，一方面水具有邊界潤(rùn)滑作用，另一方面水具有冷卻作用，抑制了摩擦熱導(dǎo)致的復(fù)合材料塑性變形，其次水分子具有隔離作用，水分子的滲透降低了填料和基體的界面黏接強(qiáng)度，填料容易從基體脫落變成磨粒，水分子阻止了轉(zhuǎn)移膜的形成，導(dǎo)致PTFE復(fù)合材料梨削和磨粒磨損加劇，因此在水潤(rùn)滑條件下，聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦因數(shù)較小，但是磨痕寬度比干摩擦、油潤(rùn)滑條件下大一些，水的沖刷對(duì)材料的磨損有較大影響；水潤(rùn)滑時(shí)，摩擦面上轉(zhuǎn)移膜耐水沖洗穩(wěn)定性能對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能影響較大。

3 結(jié)論

1) 聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能相對(duì)于干摩擦，在油潤(rùn)滑條件下，聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦因數(shù)、磨痕寬度?。桓赡Σ翖l件下，錫青銅粉/聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦因數(shù)大、磨痕寬度較大；在水潤(rùn)滑條件下，碳纖維/聚四氟乙烯復(fù)合材料摩擦因數(shù)較小、磨痕寬度較小。碳纖維/聚四氟乙烯復(fù)合材料在水潤(rùn)滑條件下的綜合摩擦性能優(yōu)于其他PTFE復(fù)合材料。

2) 摩擦對(duì)偶件為45#鋼時(shí)，碳纖維/聚四氟乙烯復(fù)合材料在干摩擦、水潤(rùn)滑條件下的綜合摩擦性能好；摩擦對(duì)偶件為表面陽極氧化的鋁合金時(shí)，聚苯酯/二硫化鉬/聚四氟乙烯復(fù)合材料在干摩擦、水潤(rùn)滑條件下的綜合摩擦性能好。

3) 干摩擦條件下，聚四氟乙烯復(fù)合材料磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為微切削磨損、疲勞磨損、磨粒磨損，伴有粘著磨損。在水潤(rùn)滑條件下，聚四氟乙烯復(fù)合材料磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為沖刷磨損和磨粒磨損，伴有疲勞磨損，水具有邊界潤(rùn)滑作用、冷卻作用和隔離作用，摩擦面上轉(zhuǎn)移膜耐水沖洗穩(wěn)定性能對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能影響較大。在油潤(rùn)滑條件下，油具有潤(rùn)滑作用和冷卻作用，穩(wěn)定連續(xù)的潤(rùn)滑油膜保證了聚四氟乙烯復(fù)合材料優(yōu)異的摩擦磨損性能。

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Influences of Lubrication Conditions on Tribological Properties of PTFE Composites

Wang Wendong1,2, Liu Xinqiao1, Shan Yang1, Du Mingjie1, Zhang Chao1

(1.Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China;2.Shanghai Research Key Laboratory for Engineering Materials Evaluation, Shanghai 200437, China)

The tribological properties were measured under different lubrication condition for three kinds of PTFE composites against 45#steel and aluminum alloy anodized.The worn surface of PTFE composites and aluminum alloy anodized were investigated by SEM. The results showed that the friction coefficient and scar width of PTFE composites is the lowest under oil lubrication. The dry friction coefficient of PTFE composites is the highest, the scar width of PTFE composites is the highest under water lubrication. The uniform and continuous trasfer film and oil film can be formed on the friction surface under oil lubrication,the friction surface is smooth to reduce the wear.

polytetrafluoroethylene; composites; friction coefficient; scar width; lubrication

王文東(1966—),男，高級(jí)工程師，主要從事高分子復(fù)合材料及密封材料研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。