網(wǎng)帶爐燒結(jié)工藝對(duì)PTFE基三層復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

楊兆方，鄭合靜，丁曉龍，章然，馬少波

(合肥波林新材料股份有限公司，合肥 230088)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的耐腐蝕性、自潤滑性、耐熱性以及極低的摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工防腐材料、機(jī)械摩擦材料和電工行業(yè)絕緣材料等，是具有豐富應(yīng)用前景的特種工程塑料[1-4]。由于其優(yōu)異的自潤滑性，人們深入研究了以PTFE為基礎(chǔ)的復(fù)合材料，使其在摩擦學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用[5-10]。目前，PTFE基三層復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備多采用傳統(tǒng)的箱式爐，箱式爐為通保護(hù)氣氛的密閉燒結(jié)設(shè)備，關(guān)閉爐門后等待升溫、燒結(jié)和冷卻需要花費(fèi)大量時(shí)間，且其爐膛空間有限，因而采用箱式爐燒結(jié)效率低下。為了提高生產(chǎn)效率，企業(yè)開始逐步采用更能適應(yīng)流水線的網(wǎng)帶爐。網(wǎng)帶爐具有控溫精度高、氣氛均勻性好以及成本低的優(yōu)點(diǎn)[11]。網(wǎng)帶爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由加熱爐體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、溫度及頻率控制箱組成。網(wǎng)帶爐進(jìn)出料口較小且處于常開狀態(tài)，通過保護(hù)氣氛填充避免燒結(jié)氧化。上一工序結(jié)束后樣品經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入爐體燒結(jié)，通過耐熱鋼網(wǎng)帶傳送至出料口后立刻進(jìn)入下一工序，極大地節(jié)約了等待時(shí)間。

圖1 氣氛保護(hù)網(wǎng)帶式電阻爐

目前有關(guān)網(wǎng)帶爐介紹的論述較多，但研究利用網(wǎng)帶爐燒結(jié)復(fù)合材料的文獻(xiàn)較少。筆者采用氣氛保護(hù)網(wǎng)帶式電阻爐，通過改變燒結(jié)工藝參數(shù)獲得不同燒結(jié)溫度和燒結(jié)頻率(即傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行頻率，用于控制試樣在爐內(nèi)的時(shí)間)下的PTFE基三層復(fù)合材料試樣，通過摩擦學(xué)性能的對(duì)比，確定合適的燒結(jié)工藝參數(shù)，希求提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PTFE乳液：FR303A，固體含量58%～62%，上海華誼三愛富新材料股份有限公司；

二硫化鉬(MoS2)粉：325目(約45 μm)，天津高科新材料科技有限公司；

芳綸粉：目數(shù)≥300目(約48 μm)，深圳市特力新材料科技有限公司；

無水乙醇：分析純，西安天茂化工有限公司；

球粉板：9006型，球形銅粉粒度140目(約109 μm)～160目(約96 μm)，合肥波林新材料股份有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

分析天平：JY102型，精度0.01 g，上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司；

立輥軋機(jī)：SP-50-17型，合肥鼎聚精密制造有限責(zé)任公司；

網(wǎng)帶爐：RSH-60-6型，長興嘉誠爐業(yè)有限公司；

端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：HDM-20型，合肥工業(yè)大學(xué)；

表面輪廓儀：SP2201S型，陜西威爾機(jī)電科技有限公司；

立式金相顯微鏡：XJL-02A型，國營江南儀器廠。

1.3 PTFE基三層復(fù)合材料試樣制備

PTFE基三層復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)如圖2所示，以鋼板為下層，中間層為在鋼板上燒結(jié)的球形銅粉(鋼板與其上燒結(jié)的球形銅粉共同組成球粉板)，最上層為PTFE基改性材料(含MoS2和芳綸)。

圖2 PTFE基三層復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)

用分析天平稱取定量的固體原料(MoS2和芳綸)并充分混合后，倒入稱量的PTFE乳液中并持續(xù)攪拌，待固液混合體均勻后加入無水乙醇破乳得到PTFE復(fù)合泥料。將泥料攪拌打碎后均勻撒在球粉板上，通過調(diào)整好間隙的立輥軋機(jī)，軋制出合適厚度的三層復(fù)合材料板材。

1.4 燒結(jié)工藝

PTFE熔融溫度為320～345℃，但在該溫度區(qū)間下，PTFE熔體流動(dòng)性極差，顆粒間無法有效滲透融合，所以一般實(shí)際燒結(jié)溫度要更高[12-14]。為了達(dá)到良好的燒結(jié)效果，需要確定合適的網(wǎng)帶爐燒結(jié)溫度及燒結(jié)頻率。圖3是網(wǎng)帶爐在20 Hz時(shí)全區(qū)設(shè)定值均為380℃時(shí)的溫度分布圖，可以看到，實(shí)際的內(nèi)部溫度分布與箱式爐差異很大，并非是在設(shè)定溫度附近上下略微波動(dòng)的直線，而是類似于箱式爐燒結(jié)的分段逐步升溫曲線[8]。由于網(wǎng)帶爐進(jìn)出口均為開口設(shè)計(jì)，臨近進(jìn)出口附近的溫度較低，至網(wǎng)帶爐中間部位時(shí)溫度才逐漸上升，處于設(shè)定溫度的區(qū)域要比全區(qū)小。燒結(jié)溫度及燒結(jié)頻率的選擇需要綜合考量這方面的影響。

圖3 網(wǎng)帶爐在20 Hz時(shí)運(yùn)行時(shí)間下的溫度分布圖

燒結(jié)工藝確定：經(jīng)過前期的試驗(yàn)，取網(wǎng)帶爐燒結(jié)頻率為25 Hz，選擇燒結(jié)溫度分別為360，365，370，375℃；取燒結(jié)溫度為365℃，改變網(wǎng)帶爐燒結(jié)頻率分別為 15，20，25，30 Hz。

1.5 測(cè)試與表征

試樣摩擦磨損試驗(yàn)分別采用油循環(huán)和干摩擦的方式進(jìn)行。油循環(huán)摩擦試驗(yàn)用于評(píng)判不同燒結(jié)條件下試樣在接近實(shí)際工況條件下的摩擦系數(shù)和最大承載能力，干摩擦試驗(yàn)用于評(píng)判不同燒結(jié)條件下試樣的磨損量以及相應(yīng)的摩擦系數(shù)。

油循環(huán)摩擦試驗(yàn)：試樣制成38 mm×38 mm的正方形下試樣，對(duì)磨件采用內(nèi)徑22 mm、外徑30 mm、材質(zhì)為Cr12的環(huán)形上試樣；試驗(yàn)采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行，加載方案如圖4所示，線速度2.5 m／s，停機(jī)條件為摩擦力矩達(dá)到5 N·m或下試樣溫度達(dá)到200℃。

圖4 油循環(huán)摩擦試驗(yàn)方案

干摩擦試驗(yàn)：采用定速定載方式進(jìn)行試驗(yàn)，條件為線速度0.4 m／s，載荷12 MPa，持續(xù)60 min。

摩擦系數(shù)由端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)程序自動(dòng)獲得。

磨損量大小用磨痕深度表示，將干摩擦試驗(yàn)結(jié)束后的試樣放在輪廓儀上，選取試樣的四邊分別測(cè)量，結(jié)果取平均值。試驗(yàn)前需用帶有丙酮的棉球?qū)⒃嚇颖砻媲謇砀蓛簟?/p>

磨痕形貌觀察：取干摩擦試驗(yàn)結(jié)束后的試樣在金相顯微鏡上對(duì)磨痕形貌進(jìn)行觀察。試驗(yàn)前需用帶有丙酮的棉球?qū)⒃嚇颖砻媲謇砀蓛簟?/p>

2 結(jié)果及討論

2.1 燒結(jié)溫度對(duì)試樣摩擦磨損性能的影響

圖5是試樣在網(wǎng)帶爐中以不同溫度燒結(jié)后進(jìn)行端面油循環(huán)逐級(jí)加載摩擦試驗(yàn)的摩擦系數(shù)曲線圖。

圖5 油循環(huán)條件下不同溫度燒結(jié)試樣摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線

由圖5看出，在365～375℃的燒結(jié)溫度區(qū)間內(nèi)，試樣的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而逐漸降低，一般來說，PTFE基復(fù)合材料具有這樣的特性[15-16]，但燒結(jié)溫度為360℃時(shí)試樣的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)，摩擦系數(shù)波動(dòng)很大，這可能與燒結(jié)溫度過低，試樣“欠燒”有關(guān)[16]。隨著燒結(jié)溫度的升高，365，370，375℃燒結(jié)的三個(gè)試樣摩擦系數(shù)均較360℃小，其中，燒結(jié)溫度為375℃時(shí)試樣摩擦系數(shù)最大，且承載能力最低，試樣可能“過燒”導(dǎo)致性能下降[17]。370℃時(shí)試樣摩擦系數(shù)隨載荷增大而降低，但承載能力稍弱。只有365℃燒結(jié)的試樣具有相對(duì)較低的摩擦系數(shù)和最高的承載能力，365℃燒結(jié)試樣在低載荷下顯示出較低的摩擦系數(shù)，但在載荷逐漸增大后又有所回升，然后趨于平穩(wěn)，最終結(jié)束載荷達(dá)到52 MPa。

圖6是干摩擦條件下不同溫度燒結(jié)試樣的磨痕深度和摩擦系數(shù)曲線。由圖6可以看到，磨痕最深的是360℃燒結(jié)試樣，最淺的是365℃燒結(jié)試樣，370℃和375℃燒結(jié)試樣的磨痕深度依次增加。此外，干摩擦條件下的摩擦系數(shù)在不同燒結(jié)溫度下的變化情況與磨痕深度保持一致。在端面定時(shí)定載試驗(yàn)條件下，摩擦系數(shù)越高，摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生更高的熱量，一般樹脂材料在高溫下的耐磨性也會(huì)隨之減弱，表現(xiàn)出更大的磨損量。

圖6 干摩擦條件下試樣磨痕深度及摩擦系數(shù)隨燒結(jié)溫度變化趨勢(shì)

圖7是干摩擦條件下不同溫度燒結(jié)試樣的磨痕表面形貌。從圖7a可以看到，燒結(jié)溫度為360℃時(shí)磨痕表面主要有些許銅粉裸露，存在少量表層材料剝落的情況，此外相較于其它燒結(jié)溫度，圖7a中磨痕表面還存在著貫通的犁溝痕跡，可能是試樣“欠燒”導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高，該試樣在進(jìn)行定速定載干摩擦試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的熱量很大，使PTFE基體軟化，被剝落的顆?；?qū)δゼ挠操|(zhì)凸峰刮傷形成犁溝。從圖7b～圖7d可以看到，燒結(jié)溫度為365℃時(shí)磨痕表面有少量剝落現(xiàn)象，銅粉裸露較少；燒結(jié)溫度繼續(xù)升高到370℃，此時(shí)磨痕表面露銅增多，當(dāng)燒結(jié)溫度升到375℃時(shí)，磨損量繼續(xù)加大，更多銅粉裸露，磨損較大。

圖7 干摩擦條件下不同溫度燒結(jié)試樣磨痕表面形貌

2.2 燒結(jié)頻率對(duì)試樣摩擦磨損性能的影響

圖8是試樣在網(wǎng)帶爐中以不同頻率燒結(jié)后進(jìn)行端面油循環(huán)逐級(jí)加載摩擦試驗(yàn)的摩擦系數(shù)曲線圖。由圖8可以看出，燒結(jié)頻率為30 Hz時(shí)試樣具有最高的摩擦系數(shù)，同時(shí)承載能力也較低。從圖3網(wǎng)帶爐內(nèi)部溫度分布圖中可以推測(cè)，燒結(jié)頻率為30 Hz時(shí)，試樣在最適溫度365℃下時(shí)間太短，因而未能充分燒熟，從而出現(xiàn)與2.1節(jié)中360℃燒結(jié)試樣相似的摩擦系數(shù)。當(dāng)燒結(jié)頻率為15 Hz時(shí)，試樣具有最低的摩擦系數(shù)，但承載能力不夠。燒結(jié)頻率為20～25 Hz比較合適，該工藝下的試樣摩擦系數(shù)較低，且具有一定的承載能力。其中，頻率為20 Hz時(shí)，試樣總體摩擦系數(shù)較低，逐級(jí)變化幅度較為穩(wěn)定。頻率為25 Hz時(shí)，試樣在20 MPa前摩擦系數(shù)一直隨載荷增加而降低，然后略有上升并趨于穩(wěn)定，該頻率下試樣總體摩擦系數(shù)比低頻率時(shí)高，但其擁有最高的承載能力。

圖8 油循環(huán)條件下不同頻率燒結(jié)試樣摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線

圖9是干摩擦條件下不同頻率燒結(jié)試樣的磨痕深度和摩擦系數(shù)曲線。由圖9可以看到，燒結(jié)頻率為30 Hz時(shí)試樣磨痕最深，磨痕深度幾乎是2.1節(jié)360℃燒結(jié)試樣的2倍。磨痕最淺的是25 Hz燒結(jié)試樣，之后隨著燒結(jié)頻率的降低，試樣的磨痕有所加深，但低于30 Hz燒結(jié)的試樣。干摩擦條件下不同燒結(jié)頻率對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)規(guī)律也和磨痕深度保持一致。

圖9 干摩擦條件下試樣磨痕深度及摩擦系數(shù)隨燒結(jié)頻率變化趨勢(shì)

圖10 干摩擦條件下不同頻率燒結(jié)試樣磨痕表面形貌

圖10是干摩擦條件下不同頻率燒結(jié)試樣的磨痕表面形貌。從圖10a可以看到，燒結(jié)頻率為15 Hz時(shí)磨痕表面主要有明顯的微犁溝，存在些許銅粉裸露、少量表層材料剝落的情況。隨著頻率升高，情況有所改善，裸露的銅粉數(shù)有所減少，燒結(jié)頻率到達(dá)20 Hz時(shí)，已基本無裸露的大顆粒銅粉，主要存在一些剝落現(xiàn)象。燒結(jié)頻率為25 Hz時(shí)，試樣剝落進(jìn)一步減少，試樣具有良好的耐磨性。而當(dāng)燒結(jié)頻率到達(dá)30 Hz時(shí)，大顆粒銅粉裸露增加，而且犁溝非常明顯，與2.1節(jié)360℃燒結(jié)試樣相比，銅粉裸露明顯增多，因而具有最高的磨損量。

3 結(jié)論

(1)油循環(huán)條件下，隨著網(wǎng)帶爐燒結(jié)溫度和燒結(jié)頻率的增加，PTFE基三層復(fù)合材料試樣的承載能力和減摩性先增加后減小。

(2)干摩擦條件下，隨著網(wǎng)帶爐燒結(jié)溫度和燒結(jié)頻率的增加，PTFE基三層復(fù)合材料試樣的耐磨性先增加后減小，試樣露銅及剝落程度則先減小后增大。

(3)當(dāng)燒結(jié)溫度為365℃，燒結(jié)頻率為25 Hz時(shí)，PTFE基三層復(fù)合材料的綜合摩擦學(xué)性能最佳。