不同纖維增強(qiáng)和不同固體潤滑劑改性PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能

，，

(1.上海愛德夏機(jī)械有限公司，上海 200434；2.上海材料研究所，上海 200437)

0 引 言

汽車門鉸鏈?zhǔn)怯绊懫囓囬T開合性能的重要零件，要求具有較高的可靠性、良好的平穩(wěn)性與較長的使用壽命等。汽車門鉸鏈主要由軸支座、聚四氟乙烯(PTFE)自潤滑襯套和軸組成，PTFE自潤滑襯套安裝于軸支座與軸之間，避免軸支座與軸的直接接觸，保護(hù)軸支座與軸不被磨損，進(jìn)而確保車門的平穩(wěn)開合。因此，作為影響門鉸鏈性能的關(guān)鍵部件，PTFE自潤滑襯套的減摩耐磨性能顯得至關(guān)重要[1-2]；但目前，用于汽車門鉸鏈的國產(chǎn)PTFE自潤滑襯套的耐磨性能不能滿足中高檔汽車門鉸鏈的使用要求，車門長期開合后會(huì)出現(xiàn)異響、不順暢等問題。PTFE自潤滑襯套主要有金屬網(wǎng)/PTFE基復(fù)合材料、鋼基/PTFE基復(fù)合材料、鋼基/銅網(wǎng)/PTFE基復(fù)合材料、鋼基/銅粉/PTFE基復(fù)合材料等4種類型，其耐磨性能取決于表層PTFE基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。PTFE基復(fù)合材料配方中的增強(qiáng)材料一般選用碳纖維、玻璃纖維、錫青銅粉、聚苯酯、聚酰亞胺等，固體潤滑劑則選用石墨、二硫化鉬(MoS2)等[3-6]。國外大品牌襯套廠家生產(chǎn)的PTFE基復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維(玻璃纖維、碳纖維)的填充量均在25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)左右，固體潤滑劑(MoS2、石墨)的填充量在2.5%左右。目前，同時(shí)添加增強(qiáng)纖維和固體潤滑劑來提高PTFE摩擦磨損性能的研究較少[4-7]。因此，作者同時(shí)添加25%碳纖維/玻璃纖維和2.5% MoS2/石墨，制備了不同纖維增強(qiáng)及不同固體潤滑劑改性的PTFE復(fù)合材料，并在干摩擦和油潤滑兩種條件下進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，研究了不同配方復(fù)合材料的磨損磨損性能，為國產(chǎn)PTFE自潤滑襯套耐磨性能達(dá)到中高檔汽車門鉸鏈的使用要求提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料包括4TM聚四氟乙烯(平均粒徑32 μm，浙江巨化股份有限公司生產(chǎn))、YHP-CD-I磨碎碳纖維(直徑7～15 μm，長徑比10∶1，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司生產(chǎn))、EMX250磨碎玻璃纖維(平均直徑10 μm，長徑比4∶1，南京智寧新型材料有限公司生產(chǎn))、MF-1 MoS2(平均粒徑4 μm，上海膠體化工廠生產(chǎn))、0#石墨(粒徑不大于4 μm，上海膠體化工廠生產(chǎn))。復(fù)合材料的配方見表1。

表1 復(fù)合材料的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Formulats of composites (mass) %

按表1中的配方稱取原料，放入SHR-50A型高速混合機(jī)中，依次在750 r·min-1轉(zhuǎn)速下混合24 s，1 500 r·min-1轉(zhuǎn)速下混合24 s，750 r·min-1轉(zhuǎn)速下混合10 s；再在ZY41-25型液壓壓力機(jī)上進(jìn)行冷壓成型，保壓時(shí)間為12 min，壓力為55 MPa；將坯體置于GS-151型高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝見圖1，冷卻后即得到復(fù)合材料。

圖1 復(fù)合材料燒結(jié)工藝示意Fig.1 Diagram of sintering process of composite

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 3960-2016，使用315/305型環(huán)塊式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別在干摩擦和油潤滑條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為6 mm×7 mm×30 mm，載荷為245 N，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，試驗(yàn)時(shí)間為120 min，摩擦行程為3 024 m，對磨環(huán)材料為45鋼，尺寸為φ16 mm×40 mm，硬度為40～45 HRC，外圓表面粗糙度Ra為0.4 μm。油潤滑條件下的摩擦磨損試驗(yàn)采用滴油潤滑方式，即試驗(yàn)前用滴管在試樣摩擦表面滴3～4滴46#抗磨液壓油。

摩擦因數(shù)μ由試驗(yàn)過程中所記錄的摩擦力矩計(jì)算得到,計(jì)算公式為

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·mm；P為載荷，N；r為對磨環(huán)半徑，取20 mm。

試驗(yàn)結(jié)束后，采用游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)測磨痕寬度；用Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌。

按照GB/T 2411-2008測復(fù)合材料的邵氏硬度(D型)，試樣尺寸為φ50 mm×4 mm，每個(gè)試樣測5個(gè)點(diǎn)取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)和磨痕寬度

圖2 干摩擦和油潤滑條件下石墨改性不同纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的磨損形貌Fig.2 Wear morphology of PTFE composites reinforced by different fibers and modified by graphite under dry friction (a-b) and oil lubrication (c-d) condition: (a, c) carbon fiber and (b, d) glass fiber

由表2可以看出：在干摩擦和油潤滑條件下，當(dāng)固體潤滑劑相同時(shí)，碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)較玻璃纖維增強(qiáng)的高，磨痕寬度較小，這主要是由于碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的硬度比玻璃纖維增強(qiáng)的高[8]，因此其磨痕寬度較??；在干摩擦條件下，當(dāng)增強(qiáng)纖維相同時(shí)，MoS2改性PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)比石墨改性的大，磨痕寬度則比石墨改性的小，這說明在干摩擦條件下，MoS2改性PTFE復(fù)合材料的耐磨性能比石墨改性的更好。這是由于在同種纖維增強(qiáng)條件下，PTFE復(fù)合材料的磨痕寬度主要取決于固體潤滑劑的改性效果。MoS2在PTFE結(jié)晶性樹脂中可作為晶核而提高復(fù)合材料的結(jié)晶度[9]，從而提高復(fù)合材料的尺寸和性能穩(wěn)定性；MoS2中的硫元素屬于活性元素，與金屬原子的吸附性能較好，在對磨環(huán)表面的黏著強(qiáng)度比石墨的高，在摩擦磨損過程中MoS2不易被破壞，阻止了復(fù)合材料表面的大面積破壞：因此MoS2改性碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的磨痕寬度比石墨改性的小。

表2 不同PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果及硬度Tab.2 Results of friction and wear tests and hardness ofdifferent PTFE composites

由表2還可以看出：在油潤滑條件下，當(dāng)增強(qiáng)纖維相同時(shí)，MoS2改性PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)比石墨改性的大，磨痕寬度比石墨改性的小，但降低幅度不大，這說明在油潤滑條件下MoS2改性復(fù)合材料的耐磨性能略低于石墨改性的。

2.2 磨損形貌

由圖2(a)～(b)可以看出：當(dāng)固體潤滑劑均為石墨時(shí)，干摩擦磨損試驗(yàn)后，碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的磨損表面光滑，碳纖維均勻地分布在磨損表面上，碳纖維在磨損過程中均勻承擔(dān)了磨損載荷，從而能降低了復(fù)合材料的磨損程度，而玻璃纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料中的部分玻璃纖維從復(fù)合材料基體中脫離，導(dǎo)致磨損表面產(chǎn)生較多孔隙，脫離的玻璃纖維在磨損過程中成為磨粒，加劇了復(fù)合材料的磨損程度，因此其磨痕寬度比碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的大；與碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料相比，玻璃纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料在磨損過程中，其玻璃纖維已脫離基體形成孔隙，導(dǎo)致復(fù)合材料與對磨環(huán)的摩擦接觸面積較小，因此其摩擦因數(shù)較低。由圖2(c)～(d)可以看出，與干摩擦相比，在油潤滑條件下，PTFE復(fù)合材料的磨損表面較為光滑，未出現(xiàn)纖維脫落的現(xiàn)象。這主要是由于在油潤滑條件下，復(fù)合材料和對磨環(huán)之間形成了一層油膜，該層油膜阻礙了摩擦副的直接接觸，起到了較好的潤滑和耐磨作用[6]。MoS2改性兩種纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能與石墨改性的基本類似。

對比圖2(a)和圖3(a)可以看出，在干摩擦條件下，石墨改性碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的磨損面上有部分碳纖維裸露，而MoS2改性碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料磨損面上則無纖維裸露，這說明石墨改性復(fù)合材料的磨損程度比MoS2改性的大。

對比圖2(c)和圖3(b)可以看出，在油潤滑條件下，石墨或MoS2改性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的磨損面均比較光滑。在油潤滑條件下，PTFE復(fù)合材料表面形成一層連續(xù)穩(wěn)定的油膜，該油膜防止了摩擦副的直接接觸，從而降低其磨損程度，同時(shí)MoS2改性PTFE復(fù)合材料的硬度比石墨改性的高，壓縮變形程度較小，對磨環(huán)對MoS2改性復(fù)合材料的摩擦力切向分量較小[10]，其磨損程度降低，因此MoS2改性PTFE復(fù)合材料的磨痕寬度比石墨改性的略低。

3 結(jié) 論

(1) 在干摩擦條件下，當(dāng)固體潤滑劑相同時(shí)，玻璃纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料中部分纖維從基體中脫落，在磨損過程中成為磨粒，加劇了復(fù)合材料的磨損，其磨痕寬度比碳纖維增強(qiáng)的大，其摩擦因數(shù)比碳纖維增強(qiáng)的小；當(dāng)增強(qiáng)纖維相同時(shí)， MoS2改性PTFE復(fù)合材料的磨痕寬度比石墨改性的小，摩擦因數(shù)比石墨改性的大。

(2) 當(dāng)固體潤滑劑相同時(shí)，碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的磨痕寬度比玻璃纖維增強(qiáng)的小，摩擦因數(shù)比玻璃纖維增強(qiáng)的大；當(dāng)增強(qiáng)纖維相同時(shí)，MoS2改性PTFE復(fù)合材料的磨痕寬度比石墨改性的略低，摩擦因數(shù)比石墨改性的大。