油潤滑條件下聚四氟乙烯滑動磨損特性研究

丁明瑞，陳志雄

（201620 上海市 上海工程技術大學 航空運輸學院）

0 引言

高分子聚合物材料因其具有的優(yōu)良的耐磨性能、耐腐蝕性和良好的自潤滑性能等優(yōu)點，被作為結構材料廣泛應用于關節(jié)軸承、航空軸承等領域[1-3]。

在現(xiàn)有的眾多已經(jīng)應用于軸承的聚合物材料中，聚四氟乙烯及其復合材料因其具有摩擦系數(shù)較低、化學穩(wěn)定性等優(yōu)良性能而引起廣泛關注[4-7]。但是，由于PTFE 材料自身存在的耐沖擊性較差等缺點，以及在與鋼制材料組成摩擦副時，極易在接觸過程中出現(xiàn)嚴重的磨損，降低了其使用性能[8]?，F(xiàn)在國內(nèi)外學者在聚四氟乙烯的摩擦學性能方面做了諸多研究。肖幫[9]等研究了PTFE 三層復合材料的磨損性能，發(fā)現(xiàn)摩擦過程中溫度的變化與材料磨損機理的演變密切相關；裴高林[10]等研究了不同固體添加劑對聚四氟乙烯材料磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)固體添加劑的加入，使材料的磨損率大幅降低；Trabelsi[11]等研究了PTFE 基復合材料在油、無潤滑條件下的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)潤滑油的存在降低了聚四氟乙烯復合材料的磨損程度。Shen[12-13]等發(fā)現(xiàn)，磨損顆粒的大小是影響PTFE 磨損機理形成和演變的主要因素。材料在磨損過程中產(chǎn)生的磨粒隨著試驗中應力的增加逐漸在金屬配副的表面形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，且極易被觀察；Man[14]等以360L/PTFE 為摩擦配副，利用流體潤滑摩擦系統(tǒng)研究了PTFE 的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)PTFE 的磨損程度與摩擦接觸表面的粗糙度大小成正比。

三維顯微成像系統(tǒng)的發(fā)展，使得表面形貌分析方法從二維拓展到三維。光度立體視覺技術是基于光度立體算法（Photometric Stereo）發(fā)展而來，并逐漸成熟的技術，是一種通過不同角度光源和不同光照條件下采集拍攝表面的二維圖像，利用二維圖像信息得到拍攝表面的法向量，然后對拍攝表面進行三維形貌重構的方法[15]。該技術的基本原理是：假設拍攝表面具有理想的漫反射現(xiàn)象，在已知的3個或3 個以上不同角度的入射光源給出觀測點，通過對線性Lambert 方程進行求解，得到任意像素點的曲面法線，得到曲面法向量，最后實現(xiàn)對表面三維形貌的重構[16]。此外，光度立體視覺技術還可以對拍攝表面進行高精度重構表面微小特征。

在已有的研究中，光度立體視覺技術主要應用于金屬與金屬的摩擦配副中，在PTFE 等非金屬材料的摩擦學研究中應用較少。本文選擇球-盤滑動摩擦副，上試件為GCr15鋼球，下試件為PTFE圓盤。在油潤滑條件下，研究了PTFE 的滑動磨損特性，并且分析了磨損體積、磨損率、摩擦系數(shù)變化與磨損機理之間的關系。利用磨損表面三維形貌重構設備分析了PTFE 磨損形貌的變化。同時，探究了三維粗糙度混合參數(shù)Sdq表征磨損程度變化的可行性。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用的主要材料為軸承鋼(GCr15)球和聚四氟乙烯(PTFE)盤。聚四氟乙烯盤的尺寸為Φ85 mm×7 mm，GCr15 鋼球的直徑為6.35 mm。表1 為PTFE 和GCr15 具體的材料參數(shù)。本試驗所用潤滑油為L-HM46 抗磨潤滑油，性能參數(shù)見表2。

表1 GCr15 和PTFE 的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of GCr15 and PTFE

表2 L-HM46 潤滑油性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of L-HM46 lubricating oil

1.2 試驗設備和方案

1.2.1 試驗設備

本研究所涉及到的試驗是在球-盤接觸式試驗機上進行的。試驗機及其原理見圖1。測試球固定在與主軸相連的夾具上，測試盤固定在升降電機上，試驗通過力傳感器提供載荷。試驗開始時，主軸以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，測試球在載荷和主軸旋轉(zhuǎn)的共同作用下與測試盤出現(xiàn)相對運動而實現(xiàn)摩擦。同時，傳感器可以實時采集摩擦參數(shù)。摩擦系數(shù)可由式（1）得到：

式中：M——試驗摩擦力矩，N·m；P——施加載荷，N；R——測試球的旋轉(zhuǎn)半徑，mm。

試驗完成后，利用磨損表面三維形貌重建設備（如圖2 所示）對測試樣品的磨損表面進行觀察，重建磨損表面的表面形貌。

1.2.2 試驗方案

在測試樣品的加工過程中，客觀因素的存在使其不能直接用來做試驗，需要進行預處理直至達到試驗的要求，因此需要對兩種測試樣品進行拋光、清洗、干燥等操作，直至符合試驗要求。在試驗時，按要求固定樣品，并注入潤滑油。試驗結束后，磨損表面通過圖2 所示的設備觀察。表3 為本試驗的測試程序。

表3 測試程序Tab.3 Test procedures

2 結果與分析

2.1 摩擦系數(shù)分析

圖3 顯示了摩擦副在試驗中的摩擦系數(shù)變化。根據(jù)圖3 所示曲線可以得到如下結論：在試驗范圍內(nèi)，當滑動摩擦轉(zhuǎn)速保持恒定不變時，試驗加載的載荷越大，摩擦系數(shù)越?。划斴d荷恒定不變時，試驗加載的滑動摩擦轉(zhuǎn)速越大，摩擦系數(shù)越大；當載荷和滑動摩擦速度同時增大時，摩擦系數(shù)增大。這是因為聚四氟乙烯為高分子聚合材料，因其具有的粘彈特性，在試驗加載載荷的作用下出現(xiàn)了明顯的粘彈性變形，且隨著載荷增大，摩擦系數(shù)逐漸降低。同時，外加載荷增大，使摩擦接觸表面潤滑情況發(fā)生了改變，由流體潤滑轉(zhuǎn)向混合潤滑。隨著滑動摩擦轉(zhuǎn)速的增加，摩擦表面的溫升就越明顯，使PTFE 基體軟化現(xiàn)象加重，磨損體積增加，在摩擦副表面產(chǎn)生了更多磨粒，磨粒的積累對GCr15 球的運動具有阻礙作用，導致了摩擦系數(shù)的增大。綜上所述，在油潤滑條件下，摩擦副的摩擦系數(shù)與載荷變化呈負相關，與滑動轉(zhuǎn)速變化呈正相關。然而，在停機對試驗材料表面進行測量之后同時增大載荷和滑動轉(zhuǎn)速時，滑動轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)的影響更大。

2.2 PTFE 盤的磨損分析

圖4 為整個測試過程中PTFE 片的磨損體積和磨損率的變化過程。PTFE 的磨損體積和磨損率分別由式(2)和式(3)計算[17]。

式中：D ——PTFE 磨損凹槽的平均直徑，mm；A——PTFE 磨損槽的平均橫截面積，mm2。

式中：L——摩擦滑動距離，mm；F——載荷，N。

圖4 所示是在試驗過程中磨損體積和體積磨損率的變化情況。如圖4 所示，在試驗中，PTFE 盤試樣的磨損體積和體積磨損率的變化趨勢相同，且均隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化而波動，分析如下：當載荷減小和滑動摩擦轉(zhuǎn)速增加時，磨損體積和磨損率增大，轉(zhuǎn)速對磨損體積和體積磨損率的影響更為顯著；當載荷和轉(zhuǎn)速同時增大時，傳遞膜和油膜的摩擦表面厚度減小，摩擦接觸面積增大。同時，摩擦接觸溫度的升高也降低了潤滑油的運動粘度，PTFE 基體表面軟化現(xiàn)象嚴重，表面材料脫離基體的概率增大，最終導致更嚴重的粘著磨損。在初始試驗形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)移膜的基礎上，載荷的增大破壞了已經(jīng)形成的穩(wěn)定的PTFE 轉(zhuǎn)移膜，增強了鋼鋼球的犁溝效應；但由于部分穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜附著在摩擦接觸表面上，使得PTFE 材料的磨損體積和磨損率降低?；瑒幽Σ两佑|轉(zhuǎn)速的增加使磨損表面的剪切應力和溫度升高，在基體軟化的基礎上形成了更多的磨粒，使得GCr15 球的犁溝效應更加嚴重，增大了磨損體積和磨損率。當二者同時增大時，PTFE 基體表面的軟化增加了基體材料脫落成更多磨料碎片的可能性，摩擦副積累的摩擦熱增加，降低了潤滑油的粘度和油膜厚度，導致基體出現(xiàn)嚴重的粘著磨損，使磨損體積和磨損率增大。

綜上所述，在油潤滑條件下，PTFE 的磨損體積和磨損率的變化與載荷的變化呈負相關，與轉(zhuǎn)速的變化呈正相關。然而，在停機對試驗材料表面進行測量之后同時增大載荷和轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速對磨損體積和磨損率的影響更為顯著。摩擦接觸溫度的升高降低了潤滑油粘度，使PTFE 基體表面軟化現(xiàn)象嚴重，材料脫落的概率增大，導致更嚴重的粘著磨損。

2.3 PTFE 盤磨損表面三維形貌重構分析

圖5 顯示了通過表面三維形貌重建設備得到的PTFE 磨損表面微觀形貌的變化情況。從0～800 s 的形貌中發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)的波峰形成了一個凸起的平臺，并出現(xiàn)了大面積的溝槽或凹坑，有些波峰磨損后形成凸臺。這是因為在試驗初期，摩擦接觸表面的粗糙度較大，摩擦接觸點破裂消失，發(fā)生了微切削磨損，在微觀層面波峰斷裂，形成平峰；從800～1 600 s 的形貌結果可知，磨損區(qū)域變得相對光滑，磨損區(qū)域的凹槽更加明顯，磨損表面的凹槽深度增加。當轉(zhuǎn)速一定，載荷增大時，磨損接觸面積增大，造成磨粒磨損。在轉(zhuǎn)速的作用下，磨粒在接觸PTFE 基體材料時發(fā)生變形，基體摩擦面變得相對光滑，材料表面的磨損程度減弱，摩擦系數(shù)和磨損率降低；從1 600～2 400 s 的表面形貌變化可以看出，圓盤表面的波峰形成凸臺，高度差減小。隨著施加載荷的增加，摩擦接觸面積增大，接觸面溫度明顯升高，聚四氟乙烯盤的粘著磨損現(xiàn)象更加嚴重。磨損顆粒附著在基體表面，在GCr15 球的作用下，增大了磨損體積和摩擦系數(shù)；從2 400～3 200 s的變化可以看出，磨損位置在之前試驗的基礎上變得更加光滑，圓盤表面的波峰變得更加均勻。表面粗糙度較低。在載荷和轉(zhuǎn)速同時增大的試驗中，摩擦表面溫度升高更加迅速，接觸面積迅速增大，導致聚四氟乙烯盤表面的粘著磨損和磨粒磨損更加嚴重，磨損更加嚴重。但是隨著時間的推移，劇烈磨損之后的PTFE 表面變得更加光滑。

綜合上述分析可知，PTFE 材料在油潤滑中的磨損機理是動態(tài)變化的，且由微切削磨損逐漸演變?yōu)閲乐氐哪チＤp和粘著磨損，磨損體積和摩擦系數(shù)等參數(shù)也隨之波動。

2.4 混合參數(shù)Sdq 分析

三維粗糙度混合參數(shù)Sdq定義為采樣區(qū)域均方根梯度，可以表征采樣區(qū)域法向振動幅值。Sdq由式（4）計算[18]。

式中：A ——采樣曲面的采樣面積；x ——采樣面積的橫向長度；y ——采樣面積的縱向長度。

圖6 為PTFE 圓在試驗中三維表面粗糙度混合參數(shù)Sdq的變化情況。結合圖5 分析，由于PTFE盤的硬度遠低于GCr15 鋼球，當載荷增加時，PTFE 圓盤表面的波峰逐漸變平。同時，在載荷的作用下，犁溝效應增強，磨痕深度增大，Sdq值增大。當轉(zhuǎn)速增加時，聚四氟乙烯盤的磨損更加劇烈，表面波峰更加光滑。同時，試驗產(chǎn)生的磨粒粘附在部分磨痕的表面，降低了Sdq值；當載荷和轉(zhuǎn)速同時增大時，摩擦副磨損嚴重。經(jīng)過嚴重磨損后，聚四氟乙烯盤表面變得更加均勻，表面高度差減小，Sdq的值降低。綜上所述，混合參數(shù)Sdq可以反映PTFE 材料在磨損過程中的磨損表面微觀形貌變化情況，可以反映材料表面的磨損程度。PTFE 表面越光滑，Sdq值越小。

3 結論

通過摩擦磨損試驗，研究了PTFE 在油潤滑條件下的磨損特性和磨損機理，并分析了摩擦系數(shù)、磨損體積、磨損率對磨損性能的影響。利用表面三維形貌重建設備，研究了表面形貌對PTFE 磨損機理的影響。引入三維表面粗糙度混合參數(shù)Sdq，探究了Sdq與表面形貌的關系。得出如下結論：

（1）油潤滑介質(zhì)中，摩擦副的摩擦系數(shù)與載荷變化呈負相關，與轉(zhuǎn)速變化呈正相關。當兩者同時增大時，摩擦系數(shù)增大。且在試驗范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)與磨損體積、磨損率的變化趨勢保持一致。

（2）油潤滑介質(zhì)中，PTFE 材料的磨損機理是動態(tài)變化的，磨損機理由微切削磨損逐漸演變?yōu)閲乐氐哪チＤp和粘著磨損。

（3）Sdq與PTFE 磨損表面的三維形貌變化密切相關。Sdq值可以反映材料磨損過程中的表面變化情況。材料表面越光滑，Sdq值越小。