表面壓花的復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究

楊婷婷 ，解 挺 ，程 清 ,3，武 飛

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)對材料承載能力的要求越來越高，普通的單一材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的需求［1］。復(fù)合材料結(jié)合了金屬和工程塑料等材料的優(yōu)良特性，具有機械強度高，減摩、耐磨性和經(jīng)濟性良好等優(yōu)點［2-4］。精確表面工程學(xué)的發(fā)展可以更精確地控制摩擦表面的幾何形貌，表面紋理技術(shù)就是這種精確制造表面幾何形貌的技術(shù)［5-6］。通過表面紋理技術(shù)以及復(fù)合材料的綜合應(yīng)用，可以顯著提高材料的承載能力，降低材料的摩擦系數(shù)，因此，表面紋理技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前人們對具有凹坑的復(fù)合材料表面摩擦學(xué)性能方面的研究還很少，大多數(shù)企業(yè)在復(fù)合材料表面紋理的選用方面還是憑借著以往的經(jīng)驗［7-9］。為此，本文研究表面具有凹坑的復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，對機械工業(yè)生產(chǎn)和復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用有著重要的實踐意義。

1 實驗

本實驗所制備的復(fù)合材料包括PTFE基三層復(fù)合材料和銅鋼雙金屬復(fù)合材料兩種。制備PTFE基三層復(fù)合材料試樣主要步驟：（1）制作銅粉板和PTFE膠泥；（2）使用軋機將膠泥熱軋到銅粉板上；（3）經(jīng)過烘干、精軋和塑化燒結(jié)制成板材，即PTFE基三層復(fù)合材料試樣。制備好PTFE基三層復(fù)合材料后，再按照一定規(guī)律排布，通過軋制，在板材上制成相應(yīng)的圓形凹坑，即實驗所需要的表面壓花。試樣的大小為38 mm×38 mm，壓花的形狀和排布如圖1所示。材料的厚度為2.50 mm，凹坑的深度為0.20 mm，凹坑面積占比為9.2%。

雙金屬圓形凹坑復(fù)合材料是由金屬鋼板（基體）和銅板兩層金屬板燒結(jié)而成。通過軋制，在上層銅板上軋制出相應(yīng)的圓形凹坑，形成雙金屬圓形凹坑復(fù)合材料。試樣厚度為2.10 mm，凹坑深度為0.55 mm，凹坑面積占比為9.2%，如圖2所示。

圖1 PTFE基三層復(fù)合材料凹坑形貌

圖2 雙金屬材料凹坑形貌

摩擦磨損實驗在面接觸智能摩擦磨損實驗機上進行，對偶件為45號鋼制備的環(huán)形試樣（內(nèi)徑24 mm，外徑32 mm），硬度HRC56，表面粗糙度為0.15μm，摩擦副示意圖如圖3所示。實驗開始前用沾有丙酮的棉球擦拭上下試樣去除油污和其他臟物。環(huán)境溫度為25℃左右，實驗采用面接觸方式進行。

實驗采用逐級加載方式，開始載荷為1 308 N（0.4 MPa），工作 5 min 后，將載荷加至 2 616 N（0.8 MPa），然后中間每工作10 min，載荷增加0.4 MPa，一直到摩擦副不能穩(wěn)定運行、試樣摩擦表面的溫度突然大幅度升高或者達到實驗開始前設(shè)定的最高溫度（180℃）自行停止。實驗所選取的線速度分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m/s。實驗時，將復(fù)合材料表面浸入潤滑油（32#機械油），提高材料的潤滑性能。實驗的摩擦系數(shù)由實驗機自動記錄，磨損量由電子天平測得。實驗數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)實驗的平均值，試樣磨損表面微觀形貌用光學(xué)顯微鏡觀察。

圖3 摩擦副示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 表面具有圓形凹坑的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)分析與比較

在本實驗中，準(zhǔn)備了兩種具有相同凹坑形狀，不同構(gòu)成材料的復(fù)合材料樣品。一種是PTFE基三層復(fù)合材料，一種是雙金屬圓形凹坑材料，圖4是兩種材料在實驗速度為0.2、0.6和1.0 m/s時的摩擦系數(shù)變化圖。由圖4可以看出，盡管表面形貌以及其他實驗條件均近似相同，但兩種材料的摩擦學(xué)性能差異非常大。由于PTFE基三層復(fù)合材料在一定的載荷作用下會出現(xiàn)自潤滑現(xiàn)象，性能較好，其摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙金屬圓形凹坑材料。PTFE材料的耐磨機理與其化學(xué)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和鏈段結(jié)構(gòu)有關(guān)，熱是影響PTFE摩擦性能的重要因素。一方面，PTFE材料具有較高的表面能，容易產(chǎn)生摩擦熱；另一方面，PTFE材料對摩擦熱非常敏感，即絕大多數(shù)聚合物均為低耐熱性材料，在熱的條件下會變軟、變黏。PTFE材料具有光滑的分子輪廓，在滑動過程中它們能轉(zhuǎn)移到對偶表面上并形成一層薄的轉(zhuǎn)移膜。PTFE材料分子柔順性較好，內(nèi)聚能較高，可以有效降低摩擦系數(shù)［3］。

圖4 不同實驗速度下摩擦系數(shù)隨時間的變化圖

2.2 表面具有圓形凹坑的復(fù)合材料的磨損量分析與比較

圖5 材料在不同速度下的磨損量變化圖

圖5 是兩種復(fù)合材料磨損量的變化圖。為了排除磨損時間的干擾，取實驗開始10 min時的磨損量進行對比。從圖5可以看出，三層復(fù)合材料由于減摩性能較好，磨損量一直處于一個比較低的水平。對于雙金屬材料而言，當(dāng)實驗速度比較低的時候，磨損量也較低；隨著實驗速度的增加，磨損量也慢慢上升；當(dāng)速度大于0.8 m/s時，磨損量又開始下降。這是由于隨著摩擦速度的上升，摩擦熱引起溫度升高，銅這種金屬材質(zhì)會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致真實接觸面增加，磨損率增大；隨著速度的進一步提高，應(yīng)變率增加，硬度增加，磨損量逐漸下降。

2.3 表面具有圓形凹坑的復(fù)合材料的表面磨痕分析與比較

圖6是表面具有圓形凹坑的復(fù)合材料在不同實驗速度下的磨痕圖。由圖6可以看出，隨著實驗速度的增加，兩種復(fù)合材料的表面形貌都越來越平整，越來越光滑，這說明隨著實驗速度的增加，復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能不斷提高。由圖6a和圖6d、圖6b和圖6e、圖6c和圖6f對比可以看出，在同樣的實驗條件下，表面具有圓形凹坑的雙金屬材料的磨痕要更明顯，當(dāng)速度為1.0 m/s時，其表面出現(xiàn)明顯咬合現(xiàn)象。咬合的出現(xiàn)，說明上下試樣在進行摩擦?xí)r，摩擦副的溫度過高，超過了材料的熔點，從而使上下試樣粘貼在一起；隨著摩擦副的工作，上試樣的高速旋轉(zhuǎn)會使粘貼在一起的部位被撕扯開來，形成咬合現(xiàn)象；當(dāng)上下試樣咬合的部位再次接觸時，它們會再次被粘貼成一體，形成咬合，然后再次被撕裂；隨著時間的延長，下試樣表面出現(xiàn)明顯咬合痕跡，摩擦磨損實驗機也會出現(xiàn)明顯的振動和噪聲。這樣，上下試樣的摩擦系數(shù)會突然增加，從而嚴(yán)重影響試樣的摩擦學(xué)性能。因此，咬合在實際生產(chǎn)中是必須避免的。

圖6 圓形凹坑試樣的表面磨痕形貌

3 結(jié)論

根據(jù)實驗結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：（1）在一定實驗速度、載荷范圍內(nèi)，表面壓花的三層復(fù)合材料由于其自身優(yōu)越的自潤滑特性，它的摩擦學(xué)性能要好于雙金屬材料，其摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙金屬材料；（2）在一定實驗速度范圍內(nèi)，隨著實驗速度的增加，表面壓花的復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能都變得越來越好，摩擦系數(shù)不斷降低；（3）表面壓花的復(fù)合材料的表面凹坑可以適當(dāng)儲存潤滑油，改善潤滑狀況，對材料的摩擦學(xué)性能有著重要的影響。

參考文獻：

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