ZrO2填充PI/EP–PTFE固體潤滑涂層的制備及其摩擦學(xué)性能

滕葉平，曹均,2，黃海波，崔烺，姚松龍，文靜波

ZrO2填充PI/EP–PTFE固體潤滑涂層的制備及其摩擦學(xué)性能

滕葉平1，曹均1,2，黃海波1，崔烺3，姚松龍4，文靜波5

（1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.寧波環(huán)甬潤保涂層科技有限公司，浙江 寧波 315202；3.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103；4.湖南邵陽學(xué)院 車輛工程，湖南 邵陽 422099；5.蕪湖美達(dá)機(jī)電實業(yè)有限公司，安徽 蕪湖 241199）

提高發(fā)動機(jī)鋁合金軸瓦在溫升的油潤滑甚至干摩擦工況下的摩擦磨損性能。設(shè)計4種不同添加量的ZrO2填充PI/EP–PTFE涂層材料，采用液體噴涂工藝在A370鋁合金基體表面制備涂層。通過摩擦磨損試驗、納米壓痕試驗、形貌特征及元素分布等測試試驗，研究涂層在不同溫度及不同潤滑方式下的摩擦磨損性能。涂層的硬度隨ZrO2添加量的增加呈先增后減的趨勢。在室溫干摩擦工況下，涂層磨損率隨ZrO2添加量的增加呈先減后增的趨勢。當(dāng)ZrO2添加量超過8%時，涂層進(jìn)入動態(tài)平衡階段的時間變長。4%ZrO2添加量的涂層性能最佳，室溫干摩擦因數(shù)和磨損率分別為0.09和1.01×10?6mm3/(N·m)。隨著溫度增加，摩擦因數(shù)呈先增后減的趨勢，磨損率呈逐漸上升趨勢。當(dāng)ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時，室溫工況下涂層以黏著磨損為主；當(dāng)添加量高于8%時，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。隨著溫度增加，涂層犁溝和磨損坑道更加明顯。在油潤滑工況下，摩擦因數(shù)和磨損量進(jìn)一步減小。8 h油潤滑和30 min干摩擦試驗后，涂層出現(xiàn)磨痕深度高度相近，寬度不同現(xiàn)象。在溫升和不同摩擦接觸狀態(tài)下，涂層中高分子材料和ZrO2軟化程度不均勻、大顆粒材料團(tuán)聚、潤滑油黏溫特性是導(dǎo)致上述摩擦磨損變化的主要原因。

復(fù)合涂層；磨損機(jī)理；干摩擦；油潤滑；溫升工況

汽車發(fā)動機(jī)在啟停工作時，由于軸瓦與軸之間難以形成動壓潤滑油膜，使得軸瓦出現(xiàn)邊界潤滑甚至惡劣的干摩擦失效[1-3]。鋁合金是內(nèi)燃機(jī)軸瓦常用的材料之一。羅恒等[4]研究表明7A09鋁合金在速度為6～24 mm/s、載荷為10～210 N的工況下，鋁合金在室溫下的干摩擦因數(shù)為0.47。李斯旭等[5]研究表明6061鋁合金在載荷為2 N、溫度為200 ℃的干摩擦工況下，其摩擦因數(shù)約為0.95。Shrivastava等[6]研究表明7075鋁合金在載荷為10 N、滑動速度為3.14 m/s的油潤滑工況下，其摩擦因數(shù)為0.214。為提高鋁合金軸瓦摩擦性能，國內(nèi)主要采用的是電鍍技術(shù)制備功能鍍層。張夢瑤等[7]研究表明在5083鋁合金基體上電鍍Ni–SiC復(fù)合鍍層，在載荷為1 N、轉(zhuǎn)速為150 r/min的室溫干摩擦工況下，其摩擦因數(shù)為0.34。高輝等[8]研究表明2A12鋁合金表面電鍍Ni/Co涂層，在載荷為1 N、滑動行程為5 mm的室溫干摩擦工況下，其磨損率相比未電鍍的鋁合金基體下降了40.6%。

雖然電鍍鍍層能夠明顯地提高軸瓦鋁合金的摩擦性能，但電鍍廢液屬于高污染產(chǎn)物[9-10]。隨著“十四五”綠色生活生產(chǎn)政策出臺，內(nèi)燃機(jī)軸瓦電鍍產(chǎn)業(yè)需要轉(zhuǎn)型和升級。為適應(yīng)高性能、低污染的發(fā)展要求，國內(nèi)外采用多聚物涂層技術(shù)提高軸瓦摩擦性能。劉高尚等[11]制備了以水性聚酰胺酰亞胺作為基體的環(huán)保型自潤滑復(fù)合涂層，添加20%的碳纖維和80%MoS2后的摩擦因數(shù)和磨損量分別降低了22.4%和73%，不僅提高了摩擦性能，而且減少了VOC排放。于湘等[12]研究表明，在碳鋼上制備的15%玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂涂層的干摩擦因數(shù)小于0.1。填充潤滑劑和耐磨材料是調(diào)控聚合物涂層摩擦性能主要方法之一。Lee等[13]研究在聚四氟乙烯（PTFE）薄膜中添加納米金剛石顆粒，在載荷和滑動速度分別為0.8 N和1 cm/s的工況下，摩擦因數(shù)在室溫和150 ℃分別下降23.8%和33.3%，且薄膜的耐磨性和熱穩(wěn)定性得到了提高。Bu等[14]研究了利用碳納米填料制備了CNC/EP納米復(fù)合涂層，相比于純環(huán)氧樹脂，優(yōu)化的CNC/EP納米復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率分別降低55.6%和51.9%。楊浩等[15]研究表明填充5%Al2O3的聚四氟乙烯復(fù)合涂層，其磨損體積下降了24.3%，磨痕深度減小了2 μm。Song等[16]研究添加納米SiC和ZrO2對聚氟蠟/聚氨酯涂層的摩擦學(xué)性能影響，結(jié)果顯示，在420 N、2.56 m/s的干摩擦條件下，添加5%ZrO2比添加5%SiC的復(fù)合涂層的磨損壽命更長。

發(fā)動機(jī)軸瓦啟動后工作溫度將從室溫逐漸上升，甚至達(dá)到150 ℃[17]。王建吉等[18]研究表明在載荷為200 N、線速度為2 m/s的室溫干摩擦工況下，添加PI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的PI–石墨/PTFE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.18。雖然添加PTFE和石墨多聚物涂層材料具有良好的潤滑性能，但環(huán)氧樹脂、PTFE、石墨等材料在溫升工況下的耐磨性能降低，不能滿足發(fā)動機(jī)軸瓦使用要求[19]。為此，本文基于PI/EP–PTFE涂層材料，設(shè)計不同添加量的ZrO2，調(diào)控多聚物涂層物理機(jī)械性能，通過涂層摩擦磨損參數(shù)、磨痕形貌、硬度等試驗篩選最優(yōu)涂層，并分析其摩擦機(jī)理和力學(xué)性能，以期提高鋁合金軸瓦涂層的耐熱性和耐磨性。

1 試驗

1.1 涂層材料和制備

新設(shè)計的涂層成分主要為：聚酰亞胺（PI），東莞市雙富塑膠有限公司；環(huán)氧樹脂（E44），廣州市共贏化工有限公司；聚四氟乙烯（PTFE），東莞市展陽高分子材料有限公司；石墨（5000目）和ZrO2（單斜相，平均粒徑1 μm），中邁金屬材料有限公司；N,N–二甲基甲酰胺（分析純），無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司。制備黏結(jié)固體潤滑涂層的溶劑為丙酮和二甲基甲酰胺的混合溶劑，其中PI、E44作為黏結(jié)劑起黏結(jié)作用，PTFE和石墨作為潤滑相起潤滑作用，ZrO2作為增強(qiáng)相起耐磨作用，以此期望涂層具有良好的附著力和摩擦學(xué)性能。

涂料制備步驟：首先，將聚酰亞胺（PI）、環(huán)氧樹脂（E44）、丙酮和二甲基甲酰胺放入球磨機(jī)中球磨8 h；然后，添加ZrO2、石墨和PTFE繼續(xù)球磨20 h，制得ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、4%、8%、12%的涂料，具體成分如表1所示。

表1 涂料的成分及添加量

Tab.1 Composition and content of coating

A370鋁合金基體通過丙酮進(jìn)行除油清洗，然后將干燥的基體進(jìn)行噴砂預(yù)處理，噴砂后的表面粗糙度為(0.9±0.1) μm，再次對基體進(jìn)行超聲震蕩清洗以去除表面砂礫；隨后將鋁合金基體預(yù)熱至90 ℃，再將制備好的涂料利用巖田阿奈斯特（RG–3L）噴槍進(jìn)行噴涂。其中，噴槍壓力為0.3 MPa，噴涂距離為(230±20) mm，噴涂角度為(80±5)°。最后，將噴涂試樣進(jìn)行220 ℃固化，固化時間為2 h。將制備得到的不同涂層按照表1分別命名為T0、T1、T2、T3。

1.2 結(jié)構(gòu)與形貌表征

首先將所有試樣在F–VD600拋光機(jī)上進(jìn)行同一工況拋光試驗，然后對同一批次的試樣采用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）表征涂層的截面形貌和元素分布情況。采用3D光學(xué)輪廓儀（UP–Lambda）對涂層磨痕截面進(jìn)行二維形貌分析。利用光學(xué)顯微鏡（SU500）對涂層磨痕形貌進(jìn)行觀察分析。采用納米壓痕儀（Hysitron Ti Premier）測試涂層硬度和彈性模量，試驗施加載荷1 000 μN(yùn)，保壓10 s，測試6個數(shù)據(jù)點(diǎn)取平均值。參照GB/T 9286—1998《色漆和清漆劃格法附著力試驗》，測試涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

1.3 摩擦學(xué)性能表征

利用CSM–01型高頻摩擦磨損試驗機(jī)測試涂層在不同溫度和工況下的摩擦磨損性能。本文以BS170F發(fā)動機(jī)為例，其軸瓦負(fù)載為49 MPa。采用球面接觸的摩擦方式進(jìn)行往復(fù)摩擦運(yùn)動試驗，并設(shè)定試驗負(fù)載為2 N，通過赫茲接觸應(yīng)力計算摩擦副負(fù)載接近于發(fā)動機(jī)軸瓦工況。摩擦磨損試驗條件為干摩擦和油潤滑，溫度設(shè)定為室溫（23 ℃）、50、100、150 ℃，模擬發(fā)動機(jī)溫升過程中4個階段的環(huán)境溫度。采用殼牌10w–40潤滑油進(jìn)行油潤滑摩擦磨損試驗，試驗過程中潤滑油浸潤沒過試樣2 mm。摩擦方式為直線往復(fù)式滑動，環(huán)境相對濕度為(50±5)%。選用直徑為6 mm的304不銹鋼球作為摩擦副?；瑒宇l率為50 Hz，滑動距離為1 mm，干摩擦?xí)r間為30 min，油潤滑時間為8 h。摩擦因數(shù)通過力傳感器自動記錄，采用3D光學(xué)輪廓儀（UP–Lambda）對磨痕輪廓進(jìn)行表征，磨損率由公式（1）進(jìn)行計算。

=/() （1）

式中：為磨損體積，mm3；為施加的載荷，N；為摩擦距離，m。在相同的預(yù)設(shè)測試條件下進(jìn)行3次摩擦磨損測試，并取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層截面的微觀形貌

圖1為復(fù)合涂層的橫截面SEM形貌，制備的涂層厚度為(25±2) μm。固體潤滑劑石墨和ZrO2粉末主要以顆粒的形式均勻分布于涂層中。圖1a中發(fā)現(xiàn)T0涂層與基體的結(jié)合界面有少量的裂紋和孔隙。這表明涂層與基體結(jié)合不緊密，涂層也呈現(xiàn)松散的狀態(tài)。Ameer等[20]認(rèn)為粒子載量隨ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，從而形成強(qiáng)大的聚合物網(wǎng)絡(luò)，提高涂層界面的力學(xué)性能；另一方面，均勻分散的ZrO2可以提高材料的吸能能力，限制環(huán)氧鏈的遷移率，縮短交聯(lián)點(diǎn)之間的距離，從而提高了復(fù)合涂層的結(jié)合性能[20]。因此，如圖1b—d可以看出，添加了4%、8%、12%ZrO2添加量的涂層的結(jié)合界面緊密無缺陷。

為進(jìn)一步探索ZrO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂層材料分散規(guī)律的影響，對涂層元素分布進(jìn)行了表征。圖2a顯示涂層中的C、F元素均勻彌散分布。雖然圖2b中石墨和PTFE的添加量要低于圖2a中的添加量，但圖2b顯示涂層的C、F元素分布出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，說明增加ZrO2添加量是材料發(fā)生團(tuán)聚的原因之一。圖2c顯示在T3涂層中的Zr元素比T1涂層中的Zr元素出現(xiàn)了更嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。這是因為與PTFE的鍵能（171.38 kJ/mol）和表面能（15 mJ/m2）相比，ZrO2具有更強(qiáng)的鍵能（760.8 kJ/mol）和表面能（2 327 mJ/m2）[21-22]。T2和T3涂層的ZrO2添加量分別是T1涂層的2倍和3倍。T1、T2和T3涂層中，ZrO2顆粒的平均粒徑分別為1.5、1.75、4.5 μm。因此，在更強(qiáng)的鍵能和表面能作用下，ZrO2添加量越高，其團(tuán)聚效應(yīng)越明顯。

2.2 涂層的硬度和黏附力

PI/EP–PTFE涂層的硬度和彈性模量隨ZrO2添加量的變化規(guī)律如圖3所示。圖3表明，復(fù)合涂層的硬度和彈性模量先隨ZrO2添加量的增加而增加。當(dāng)ZrO2添加量為8%時，涂層的硬度和彈性模量最高，即硬度=0.394 GPa，彈性模量=5.74 GPa。與沒有添加ZrO2的涂層對比，其硬度和彈性模量分別提高185%和79.2%。復(fù)合涂層的力學(xué)性能受填料的類型、添加量以及填料與黏結(jié)劑界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。由于ZrO2具有很強(qiáng)的原子間鍵合，使其具有理想的材料特性硬度和強(qiáng)度[23]，均勻分散的ZrO2能夠減少涂層內(nèi)部的孔洞和抑制微裂紋的形成，增強(qiáng)涂層的承載能力，從而提升復(fù)合涂層的力學(xué)性能[24]。當(dāng)ZrO2添加量超過8%時，復(fù)合涂層的硬度開始下降。圖1d和圖2c所示，當(dāng)ZrO2的添加量達(dá)到12%時，造成硬質(zhì)顆粒大量團(tuán)聚。Law等[25]和Wan等[26]研究認(rèn)為涂層的硬度與陶瓷顆粒的大小有關(guān)，涂層的硬度隨顆粒的增大而下降。此外，ZrO2添加量過高時，產(chǎn)生嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，會削弱填料與涂層樹脂基質(zhì)之間的界面黏結(jié)力，導(dǎo)致涂層增強(qiáng)效果變差，因此ZrO2添加量超過8%時，涂層的硬度下降[27]。

圖1 復(fù)合涂層的截面微觀形貌

Fig.1 Morphology of composite coatings: a) T0 coating; b) T1 coating; c) T2 coating; d) T3 coating

圖2 復(fù)合涂層的元素分布

圖3 涂層硬度和彈性模量

復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果如圖4a所示，從圖4a可以看出，復(fù)合涂層劃痕交叉處沒有發(fā)生涂層脫落現(xiàn)象。根據(jù)如圖4b所示的GB/T 9286—1998中結(jié)合強(qiáng)度等級，本涂層黏附力測試結(jié)果達(dá)到了最優(yōu)的0級。而采用相同工藝制備的石墨烯改性PU/Al復(fù)合物涂層的黏附力只有1級[28]。由此，此次設(shè)計的復(fù)合涂層對A370鋁合金基體具有優(yōu)異的黏附性能。

2.3 涂層在室溫下的摩擦學(xué)性能

在室溫干摩擦工況下，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨ZrO2添加量的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5a可以看出，ZrO2添加量低于4%的涂層能夠迅速進(jìn)入動態(tài)平衡階段。當(dāng)ZrO2的添加量超過8%時，隨著添加量增加，進(jìn)入動態(tài)平衡階段的時間增長。填充4%ZrO2的涂層的室溫干摩擦因數(shù)僅為0.09，與未添加ZrO2的涂層相比，摩擦因數(shù)降低了35.7%。盡管室溫工況下ZrO2的干摩擦因數(shù)高達(dá)0.3～0.8[29]，但添加適量的ZrO2顆粒仍然能夠降低涂層的摩擦因數(shù)。這說明添加適量的ZrO2硬質(zhì)顆粒，一方面起到增強(qiáng)作用，提高了石墨、PTFE在偶面形成轉(zhuǎn)移膜的承載能力與黏著強(qiáng)度，并保護(hù)轉(zhuǎn)移膜的形成，從而降低涂層的摩擦因數(shù)[30]；另一方面，相對于硬度較低的樹脂和PTFE等材料，在磨損過程中凸出的ZrO2硬質(zhì)顆粒能夠有效地支撐對磨副的接觸應(yīng)力，并減小對磨球與涂層的接觸面積，使得摩擦因數(shù)下降[31]。當(dāng)ZrO2添加量超過8%時，涂層的摩擦因數(shù)超過0.21，相比于T1涂層增長了133.3%。主要是因為ZrO2自身的干摩擦因數(shù)比復(fù)合涂層要高。其次，添加量超過8%的ZrO2容易發(fā)生團(tuán)聚，造成ZrO2顆粒分布不均勻，摩擦副在團(tuán)聚的大顆粒ZrO2和硬度偏軟的樹脂上高頻往復(fù)摩擦運(yùn)動，延長了涂層進(jìn)入動態(tài)平衡階段時間，并增加了摩擦因數(shù)。此外，大的硬質(zhì)顆粒與摩擦副接觸面積變大，也阻止了磨屑的碾平和壓入，延緩了自潤滑膜形成，從而增加摩擦阻力[32]。圖5b為涂層隨ZrO2添加量變化的磨損率曲線。隨著ZrO2添加量的增加，復(fù)合涂層的磨損率呈現(xiàn)先減后增的趨勢。當(dāng)ZrO2添加量為4%時，磨損率急劇下降至1.01× 10?6mm3/(N·m)。而當(dāng)ZrO2填充量升高到8%和12%時，復(fù)合涂層的磨損量分別上升到1.06×10?6mm3/(N·m)和2.10×10?6mm3/(N·m)。試驗結(jié)果顯示，添加ZrO2陶瓷顆粒能夠有效降低涂層的磨損，但涂層的耐磨性與ZrO2添加量及其粒徑大小有關(guān)。當(dāng)ZrO2填充量達(dá)到12%時，團(tuán)聚的ZrO2顆粒不能均勻分散在涂層中，使得增強(qiáng)效果較差，涂層硬度下降，從而導(dǎo)致復(fù)合涂層的耐磨性降低。

圖4 涂層的附著力測試結(jié)果和參照圖

圖5 復(fù)合涂層在室溫下的摩擦因數(shù)曲線和磨損率

2.4 涂層在溫升工況下的摩擦學(xué)性能

T0、T1與T3復(fù)合涂層在50、100、150 ℃下的摩擦因數(shù)變化如圖6所示，未添加ZrO2的涂層T0在50、100、150 ℃時的摩擦因數(shù)分別為0.17、0.10和0.08。隨著溫度的升高，摩擦因數(shù)逐漸下降。其中，涂層T1和T3的變化趨勢相同，即隨溫度的升高，涂層摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先升高后下降的變化。T1和T3在150 ℃時摩擦因數(shù)最小，分別為0.07和0.13。因為E44和PTFE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為90～120 ℃和125 ℃，在150 ℃和摩擦熱的共同作用下，聚合物涂層發(fā)生了由玻璃態(tài)向高彈態(tài)、黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，在涂層表面形成了低黏度的黏流層，涂層抗剪切強(qiáng)度下降，在高頻往復(fù)摩擦作用下摩擦因數(shù)降低[33-35]。涂層T1中因添加的ZrO2顆粒能有效提高涂層的承載能力，降低涂層因溫升軟化造成的接觸面積增大的影響，因此摩擦因數(shù)最低。而涂層T3添加了過量的ZrO2，發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致其體積變大，團(tuán)聚的ZrO2顆粒增大了摩擦接觸面積。另一方面，溫升導(dǎo)致的軟化樹脂材料與高硬度ZrO2顆粒形成硬度不均勻的摩擦表面，摩擦副在硬度不均勻的表面高頻往復(fù)運(yùn)動，導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損量增大。由圖6b中涂層T0、T1與T3在不同溫度下磨損率的變化可知，沒有添加ZrO2的涂層和添加12%ZrO2的涂層的磨損率隨溫度的升高均呈現(xiàn)增加的趨勢，當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃時磨損率最大，T0和T3的磨損率分別為6.45×10?6mm3/(N·m)和7.90× 10?6mm3/(N·m)。這是因為溫度升高導(dǎo)致T0涂層軟化，使得涂層與對磨球的接觸面積增加，導(dǎo)致磨損加劇，磨損率升高。而T3涂層因涂層軟硬不均，在摩擦過程中硬質(zhì)顆粒更易脫落產(chǎn)生明顯的犁溝和磨粒磨損，因此磨損量增大[36]。T1涂層的磨損率也隨溫度的升高而增加，且在150 ℃時磨損率達(dá)到最大值3.75× 10?6mm3/(N·m)，但與涂層T0和T3相比，其磨損率最低。從圖1b和圖2c中可以看出，T1涂層中各材料分布均勻，且未出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，因此，涂層T1的磨損率比T0和T3的低。

圖7為T0和T1涂層在不同溫度下的磨痕輪廓曲線。由圖7a可知，涂層T0的磨痕深度隨著溫度的升高呈現(xiàn)增加的趨勢，在150 ℃時磨痕深度達(dá)到最大值16.08 μm，且磨痕寬度明顯比50 ℃和100 ℃時更寬。這是因為150 ℃超過涂層中環(huán)氧樹脂和PTFE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使得涂層軟化程度增加，在高頻往復(fù)的摩擦作用下涂層更易被剪切形成較大的磨痕寬度。另外，沒有ZrO2顆粒的加入，涂層的耐溫性差、硬度低，所以抗剪切能力差。由圖7b可知，當(dāng)加入ZrO2顆粒后，涂層T1的磨痕深度明顯變淺，在50 ℃時磨痕深度最小，為6.53 μm；在150 ℃時磨痕深度達(dá)到最大值12.45 μm。磨痕寬度的變化與T0近似，但在50、100、150 ℃下的磨痕深度比T0分別降低了46.12%、27.9%和22.6%。由試驗結(jié)果可知，加入硬質(zhì)顆粒可改善涂層的耐磨性能。根據(jù)圖7的分析結(jié)果可知，磨痕截面輪廓深度的變化規(guī)律與圖6b磨損率的變化相同。結(jié)合圖5b和圖6b結(jié)果，證實了添加4%ZrO2的涂層的摩擦性能最佳。

2.5 涂層磨損機(jī)理

為探討復(fù)合涂層的磨損機(jī)理，對復(fù)合涂層磨損表面微觀形貌進(jìn)行了表征和分析。圖8是室溫工況下的涂層磨痕形貌。圖8a為未填充ZrO2的涂層磨痕，其磨痕寬度達(dá)到0.25 mm，并呈現(xiàn)黏著磨損現(xiàn)象。這是因為涂層中的PTFE和樹脂材料硬度低，耐磨性差[37-38]。當(dāng)涂層材料被高頻往復(fù)的摩擦副剪切時，剝離的磨屑在瞬時溫升和球磨碾壓作用下又與樹脂黏連，形成了黏著磨損[39]。圖8b所示，添加4%ZrO2顆粒的涂層磨痕寬度明顯變窄。塑性變形減弱，仍呈現(xiàn)黏著磨損現(xiàn)象。這是因為均勻分布的ZrO2顆粒的加入能夠起到良好的支撐作用，從而提高復(fù)合涂層的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。如圖8c所示，當(dāng)ZrO2顆粒的添加量達(dá)到8%時，復(fù)合涂層出現(xiàn)犁溝和裂紋，此時的磨損機(jī)制主要為黏著磨損和磨粒磨損。當(dāng)ZrO2顆粒的添加量為12%時，涂層表面磨損形貌的主要特征為犁溝和一些剝落坑，磨損程度明顯增大。這是因為隨著ZrO2顆粒添加量的增加，涂層材料發(fā)生了團(tuán)聚，且涂層硬度下降。在高頻往復(fù)摩擦運(yùn)動過程中，大顆粒的ZrO2更容易受到剪切力而被剝落，使得表面粗糙度變得惡劣，涂層在剝落的ZrO2作用下，形成了三體磨損，導(dǎo)致犁溝和磨痕坑道[40]。

圖6 T0、T1與T3涂層摩擦因數(shù)和磨損率隨溫度的變化

圖7 復(fù)合涂層在不同溫度下的磨痕截面輪廓曲線

圖9為T0、T1和T3涂層在不同溫度下的磨損形貌。圖9中T0涂層在不同溫度下主要發(fā)生黏著磨損，且磨痕寬度隨溫度的升高而增大。涂層填充ZrO2后，其磨痕寬度變窄。在50 ℃時，涂層T1的磨痕寬度比T0小109.28 μm，且塑性變形程度變小，這是因為添加的ZrO2顆粒對涂層耐磨性能的增強(qiáng)作用。T1涂層在50 ℃和100 ℃主要發(fā)生黏著磨損，當(dāng)溫度上升到150 ℃時，超過環(huán)氧樹脂和PTFE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使得涂層的抵抗熱變形能力下降，ZrO2硬質(zhì)顆粒在軟化的涂層中容易剝落，并在對磨副高頻往復(fù)作用下，形成磨粒磨損。當(dāng)涂層中的ZrO2添加量達(dá)到12%時，如圖9中T3涂層所示磨痕隨著溫度的增加，犁溝現(xiàn)象和坑道更加明顯，特別是在150 ℃下，涂層出現(xiàn)大面積的剝落坑甚至磨穿現(xiàn)象。結(jié)合圖1d、圖2c及圖3的表征可知，12%ZrO2填充量的涂層中出現(xiàn)了大顆粒團(tuán)聚形態(tài)的ZrO2，使得硬度和彈性模量降低。另外在溫升工況作用下，涂層材料和顆粒軟化程度不均，涂層表面粗糙度發(fā)生變化，且在摩擦過程中ZrO2顆粒更易脫落，繼而造成明顯的犁溝和大面積剝落。

圖8 室溫工況不同ZrO2添加量復(fù)合涂層的磨損表面

圖9 T0、T1和T3涂層在50、100、150 ℃下的磨損表面形貌

2.6 4%ZrO2添加量復(fù)合涂層油潤滑工況下的摩擦性能

通過上述試驗和分析結(jié)果可知填充4%ZrO2時，復(fù)合涂層的摩擦磨損性能最佳。為研究涂層能否適用于發(fā)動機(jī)油潤滑工況，進(jìn)行室溫（23 ℃）和150 ℃條件下油潤滑工況的摩擦磨損試驗。圖10為試驗測試得到的油潤滑摩擦因數(shù)及對比的干摩擦因數(shù)。2個溫度下的干摩擦因數(shù)分別為0.090和0.070，在油潤滑條件下的摩擦因數(shù)分別為0.061和0.058。摩擦因數(shù)下降是因為在油潤滑作用下，對偶面形成了均勻連續(xù)的油膜，涂層的潤滑方式從干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔鐫櫥琜26]。由于油潤滑降低了涂層的摩擦磨損，因此進(jìn)行8 h更長時間的摩擦測試，如圖10b所示，油潤滑工況下，涂層在23 ℃和150 ℃時的磨損率分別為9.6×10?7mm3/ (N·m)和1.58×10?6mm3/(N·m)，比干摩擦30 min后的磨損率分別降低4.9%和37.8%。結(jié)果顯示，溫度升高會導(dǎo)致復(fù)合涂層的磨損率顯著增加。一是因為溫度達(dá)到150 ℃時會造成涂層軟化，并進(jìn)一步降低其耐磨性[41]；二是溫升降低了PTFE的力學(xué)性能和耐磨性[42]。另外，在油潤滑條件下，溫升會導(dǎo)致潤滑油黏度下降，使得油膜的承載能力降低，從而加劇了涂層表面的磨損。相比于干摩擦，由于在油潤滑下形成了油膜防止了摩擦面之間的直接接觸，所以油潤滑下磨損率更低[43-44]。圖11為23 ℃和150 ℃下2種不同摩擦潤滑狀態(tài)下的磨損輪廓曲線。從圖11中可以看出，8 h的油潤滑涂層與30 min干摩擦涂層相比，其磨痕寬度在室溫中相差13.7%，但深度僅相差0.36%；在150 ℃時其寬度和深度變化分別為39.3%和26.8%。室溫工況中，摩擦試驗時間和高頻往復(fù)的油潤滑沖刷行為是主要原因。在50 Hz的高頻球磨往復(fù)作用下，涂層產(chǎn)生的磨屑會被潤滑油迅速地沖刷帶走，對磨球的半圓弧面與涂層形成近似于楔形結(jié)構(gòu)，相對于球底部潤滑油壓力更大且更容易帶走磨屑，從而導(dǎo)致油潤滑磨痕寬度變大。當(dāng)溫度升高后，涂層軟化是涂層摩擦損失的主要原因之一，抗剪切強(qiáng)度下降的涂層在油潤滑沖刷作用下，出現(xiàn)了寬度和深度均不一致的現(xiàn)象。

圖10 添加4% ZrO2復(fù)合涂層在23 ℃和150 ℃時的摩擦因數(shù)和磨損率

圖11 添加4% ZrO2復(fù)合涂層在23 ℃和150 ℃時的磨痕輪廓曲線

3 結(jié)論

1）PI/EP–PTFE涂層的硬度、彈性模量、黏接強(qiáng)度等受到ZrO2添加量的影響，增加ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以增強(qiáng)聚合物網(wǎng)絡(luò)，限制環(huán)氧鏈的遷移率，縮短交聯(lián)點(diǎn)之間的距離，提高涂層界面的力學(xué)性能，當(dāng)ZrO2添加量超過8%時，涂層發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致涂層的機(jī)械性能和摩擦性能下降。

2）當(dāng)ZrO2添加量為4%時，涂層摩擦磨損性能最佳，在室溫干摩擦工況下，涂層磨損率隨ZrO2添加量的增加呈先減后增的趨勢。當(dāng)ZrO2添加量超過8%時，涂層進(jìn)入動態(tài)平衡階段的時間變長。在高頻往復(fù)摩擦運(yùn)動中，ZrO2顆粒的支撐作用和團(tuán)聚不均勻顆粒是影響室溫工況摩擦變化的主要原因。

3）在高頻往復(fù)摩擦過程中，隨著溫度增加，摩擦因數(shù)呈先增后減的趨勢，磨損率呈逐漸上升的趨勢。當(dāng)ZrO2添加量小于4%時，其室溫工況下涂層以黏著磨損為主；當(dāng)添加量高于8%時，磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。隨著溫度增加，涂層犁溝和磨損坑道更加明顯。溫升工況樹脂等高分子材料與ZrO2軟化不均是主要原因。

4）8 h的油潤滑摩擦與30 min干摩擦相比，涂層磨痕寬度在室溫中相差13.7%，但深度僅相差0.36%；在150 ℃時涂層寬度和深度的變化分別為39.3%和26.8%。室溫工況高頻往復(fù)摩擦引起的潤滑油沖刷是主要原因；涂層軟化和潤滑狀態(tài)不同是150 ℃下涂層磨痕變化的主要原因。

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Preparation and Tribological Properties of PI/EP-PTFE Solid Lubrication Coating Filled with ZrO2

1,1,2,1,3,4,5

(1. School of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Zhejiang Ningbo 315211, China; 2. Ningbo Huanyong Runbao Coating Technology, Zhejiang Ningbo 315202, China; 3. Ningbo Branch of Chinese Academy of Ordnance Science, Zhejiang Ningbo 315103, China; 4. Vehicle Engineering, Hunan Shaoyang University, Hunan Shaoyang 422099, China; 5. Wuhu Meida Electromechanical Industrial Co., Ltd, Anhui Wuhu 241199, China)

Self-lubricating polymer composite coating has excellent frictional and mechanical properties, which improves the surface properties of engine bearing without changing the original properties of the substrate. Due to heavy environment pollution from the electroplate, the plating technology for engine bearing is taking place by polymer coating. The functional filler added into the single polymer coating would improve the mechanical properties such as low friction, wear resistance, high temperature resistance and so on. The tribological properties of PI/EP-PTFE composite coating filled by ZrO2on the surface of A370 aluminum alloy are studied in this paper.

The A370 aluminum alloys were cut into 20 mm×20 mm×3 mm cubes, and they were used as the base material for sand blasting, cleaning and preheating. Firstly, polyimide (PI), epoxy resin (E44), acetone and dimethylformamide were put into a ball milling. Then, different proportions of ZrO2(mass fractions of 0%, 4%, 8% and 12%) were added and mixed. The uniformly mixed materials were sprayed on the surface of the preheated A370 aluminum alloy surface. The pressure of spray was 0.3 MPa, the distance of spray was (230±20) mm, and the angle of spray was (80±5)°. The sample was obtained after high temperature curing. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) were used to characterize the cross-sectional morphology and element distribution of the coating. Then, the two-dimensional morphology and wear volume of the coating wear mark section were analyzed by a three-dimensional optical profiled analyzer (UP-Lambda). The wear trace morphology of the coating was observed and analyzed by optical microscope (SU500). The hardness and elastic modulus of the coating were tested with a nano indentation instrument (Hysitron Ti premier). The frictional tests were carried out on CSM-01 high frequency friction and wear tester. The wear rate of the sample was calculated, and the wear morphology after friction test was observed.

With the increase of ZrO2content, the agglomeration phenomenon becomes worse. The hardness of the coating increases firstly, and then decreases with the increase of ZrO2content. The wear rate decreases firstly, and then increases with the increase of ZrO2content under dry frictional conditions at room temperature. When ZrO2content exceeds 8wt.%, the time of entering the dynamic equilibrium stage becomes longer. The addition of 4wt.% ZrO2is the best, and the dry frictional coefficient and wear rate at room temperature are 0.09 and 1.01×10?6mm3/(N·m), respectively. With the increase of temperature, the frictional coefficient increases firstly, and then decreases. However, the wear rate increases gradually. As ZrO2content is less than 4wt.%, the coating is mainly adhesive wear at room temperature. When ZrO2content is more than 8wt.%, the coating is mainly abrasive wear. As temperature increases, furrows and worn tunnels become more pronounced. Under the condition of oil lubrication, the frictional coefficient and wear amount decrease further. After 8 h oil lubrication and 30 min dry friction test, the wear depth of the coating is approximately similar, and the width is different. The non-uniformly softened of polymer materials and ZrO2, agglomeration of large particle materials, viscosity characteristics of lubricating oil under temperature rise, and different friction and contact states are the main reasons, that leads to the above variations of friction and wear.

composite coating; wear mechanism; dry friction; oil lubrication; temperature rise condition

2021-08-18；

2021-12-07

TENG Ye-ping (1998-), Male,Postgraduate, Research focus: coating, tribology.

曹均（1987-），男，博士，講師，主要研究方向為涂層、摩擦學(xué)。

CAO Jun (1987-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: coating, tribology.

滕葉平, 曹均, 黃海波, 等. ZrO2填充PI/EP–PTFE固體潤滑涂層的制備及其摩擦學(xué)性能[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 102-112.

TG174.4；TH117.1

A

1001-3660(2022)09-0102-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–08–18；

2021–12–07

國家自然科學(xué)基金（52005273）；浙江省自然科學(xué)基金項目（LQ20E050007）；浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)試驗室開放基金/中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)試驗室開放基金（2020Z01）；寧波市自然科學(xué)基金（2019A610170）；寧波市科協(xié)項目（Z2021–3）

Fund：National Natural Science Foundation of China (52005273); Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LQ20E050007); Open Fund of Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and Protection Technology/Open Fund of Key Laboratory of Marine New Materials and Application Technology of Chinese Academy of Sciences (2020Z01); Ningbo Natural Science Foundation (2019A610170); Ningbo Science and Technology Association Project (Z2021-3)

滕葉平（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向為涂層、摩擦學(xué)。

TENG Ye-ping, CAO Jun, HUANG Hai-bo, et al. Preparation and Tribological Properties of PI/EP-PTFE Solid Lubrication Coating Filled with ZrO2[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 102-112.

責(zé)任編輯：萬長清