金屬表面質(zhì)量對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響

王文東 張全成 薛 春

(1.上海材料研究所,上海200437;2.上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200437)

金屬表面質(zhì)量對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦性能的影響

王文東1,2張全成1,2薛 春1,2

(1.上海材料研究所,上海200437;2.上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200437)

采用冷壓-燒結(jié)成型工藝制備了3種聚四氟乙烯復(fù)合材料，制備了3種不同表面質(zhì)量的45#鋼、鋁合金及其表面陽(yáng)極氧化的摩擦對(duì)偶件,考察了聚四氟乙烯復(fù)合材料與對(duì)偶件配副的摩擦磨損性能，用掃描電子顯微鏡觀察了復(fù)合材料磨損后的表面形貌。結(jié)果表明：金屬表面粗糙度Ra、Ry較大，表面接觸區(qū)域Mr較小時(shí)，聚四氟乙烯復(fù)合材料干摩擦因數(shù)和磨痕寬度較大；金屬表面粗糙度Ra、Ry較小，表面接觸區(qū)域Mr較大時(shí)，聚四氟乙烯復(fù)合材料干摩擦因數(shù)和磨痕寬度較小。金屬表面粗糙度Ra、Ry較小，表面接觸區(qū)域Mr較大時(shí)，在干摩擦劇烈磨損階段，摩擦表面接觸區(qū)域產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形，形成微觀的赫茲應(yīng)力分布，導(dǎo)致了聚四氟乙烯復(fù)合材料微切削磨損、疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損。

聚四氟乙烯；復(fù)合材料；摩擦；粗糙度；表面質(zhì)量；赫茲應(yīng)力

0 前言

機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件的摩擦表面情況與金屬材料種類、加工工藝、表面處理等因素密切相關(guān)。最常用來(lái)描述表面特征的是表面粗糙度，表面粗糙度是反映零部件表面微觀幾何形狀的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，GB/T 1031-2009《表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》規(guī)定用Ra、Ry表示[1-3]。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差別，對(duì)于普通的機(jī)械運(yùn)動(dòng)表面，保證Ra、Ry即可滿足技術(shù)要求；但是對(duì)于需要密封的機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件表面，在保證Ra、Ry的基礎(chǔ)上，還應(yīng)密切關(guān)注材料接觸區(qū)域Mr，材料接觸區(qū)域Mr更能真實(shí)反應(yīng)表面情況。通過(guò)合理選擇加工工藝，控制Ra、Ry、Mr等技術(shù)參數(shù)，提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件的表面質(zhì)量，保證運(yùn)動(dòng)機(jī)械零部件具有更好的密封/配合表面比，減少赫茲接觸應(yīng)力導(dǎo)致金屬/聚合物摩擦性能的急劇下降[4]，改善密封系統(tǒng)的摩擦磨損性能，確保密封的可靠性，提高運(yùn)動(dòng)機(jī)械零部件的壽命[5]。嚴(yán)宏志等研究了金屬/金屬、金屬/塑料摩擦?xí)r表面點(diǎn)線局部接觸所致的赫茲應(yīng)力對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響[6-8]，代漢達(dá)等研究了水潤(rùn)滑下偶件表面粗糙度對(duì)PTFE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[9]，朱祖芳詳細(xì)闡述了鋁合金陽(yáng)極氧化與表面處理技術(shù)[10]，王承鶴、朱圣東、石淼森等系統(tǒng)闡述了聚合物、石墨、二硫化鉬等材料的摩擦磨損性能、潤(rùn)滑理論與應(yīng)用[11-13]。聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料作為密封用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件上，PTFE復(fù)合材料與金屬材料的摩擦磨損性能是密封的關(guān)鍵性能之一。作者針對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件金屬表面質(zhì)量對(duì)PTFE復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，并探討其摩擦磨損機(jī)制，為機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件用PTFE復(fù)合材料密封選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聚四氟乙烯(PTFE)，浙江巨圣氟化學(xué)有限公司，牌號(hào)JF-4TM，平均粒徑32 μm;聚苯酯(PHB)，中昊晨光化工研究院有限公司，牌號(hào)CGZ351-4,粒徑25～50 μm；膠體二硫化鉬(MoS2)，華誼集團(tuán)上海華原化工有限公司，牌號(hào)MF-1,平均粒徑5 μm；碳纖維(CF)，單絲直徑7 μm，長(zhǎng)徑比10∶1，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司；錫青銅粉(Cu)，牌號(hào)ZQSn6-6-3,平均粒徑25 μm，石家莊京元粉末材料有限責(zé)任公司。

1.2 試樣制備

將聚四氟乙烯、錫青銅粉、碳纖維、聚苯酯、二硫化鉬干燥后冷卻至室溫，分別按照配比稱量，采用高速混合機(jī)混料，然后過(guò)篩，經(jīng)過(guò)冷壓成型壓制坯料，然后在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為375 ℃，隨爐冷卻后，二次加熱定型，經(jīng)機(jī)加工成為試樣。制備了聚四氟乙烯/錫青銅粉復(fù)合材料(Cu/PTFE)、聚四氟乙烯/碳纖維復(fù)合材料(CF/PTFE)、聚四氟乙烯/聚苯酯復(fù)合材料(PHB/MoS2/PTFE)3種試樣。

1.3 試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)參考GB 3960《塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法》，采用Amsler135/105摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試樣的尺寸為30 mm×7 mm×6 mm，用磨床加工試樣工作面。摩擦對(duì)偶件為45#鋼圓環(huán)、鋁合金及其表面陽(yáng)極氧化圓環(huán)，表面粗糙度見(jiàn)表1，其尺寸為Φ40 mm×Φ16 mm×10 mm，表面同樣用磨床加工。試樣和圓環(huán)均用丙酮清洗，晾干后使用。試驗(yàn)條件為：載荷245 N(25 kg)，圓環(huán)轉(zhuǎn)速0.42 m/s，時(shí)間2 h。試驗(yàn)環(huán)境溫度為23 ℃左右，相對(duì)濕度60%左右。摩擦因數(shù)μ由每次試驗(yàn)所記錄的摩擦力矩計(jì)算得到。試驗(yàn)結(jié)束后，采用讀數(shù)顯微鏡測(cè)定磨痕寬度b， 每個(gè)試樣測(cè)試3組樣品，計(jì)算平均值。用Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損表面形貌。

2 結(jié)果討論

2.1 金屬表面質(zhì)量

金屬表面質(zhì)量指加工表面的微觀輪廓情況的優(yōu)劣，微觀輪廓如圖1所示。在金屬加工過(guò)程中，刀具與零件表面間的摩擦、切屑分離時(shí)表面層金屬的塑性變形以及工藝系統(tǒng)中的高頻振動(dòng)導(dǎo)致表面留下深淺、疏密、形狀和紋理各異的痕跡。普通車削加工的金屬表面微凸峰和凹谷參差不齊，表面粗糙度Ra、Ry較大[1-2]，與理想的平面接觸區(qū)域Mr較小，如圖1(b)所示。經(jīng)過(guò)精磨加工的表面微凸峰和凹谷部分趨于平滑，表面粗糙度Ra、Ry較小，與理想的平面接觸區(qū)域Mr較大，其金屬表面質(zhì)量好，如圖1(a)所示。針對(duì)不同的金屬材料， 通過(guò)選擇合理的機(jī)械加工工藝，如精車、粗磨、精磨、精細(xì)拋光，配合合理的表面處理工藝，合理控制表面粗糙度Ra、Rz、Ry， 比值Rz/Ra達(dá)到合適的范圍，材料接觸區(qū)域Mr取得較大值，獲得良好的金屬表面質(zhì)量。

圖1 金屬表面微觀輪廓示意圖

2.2 復(fù)合材料摩擦學(xué)性能

2.2.1 45#鋼表面質(zhì)量對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

摩擦副表面質(zhì)量對(duì)于干摩擦狀態(tài)下的摩擦磨損性能起著決定性的作用，任何摩擦表面都有許多不同形狀的微凸峰和凹谷。當(dāng)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)，實(shí)際接觸只發(fā)生在表觀面積的極小部分上，實(shí)際接觸面積的大小與分布決定了材料的摩擦學(xué)性能[2-4]。

PTFE復(fù)合材料與45#鋼配副對(duì)磨，其摩擦磨損性能如表1所示。Cu/PTFE與表面粗糙度Ra 0.8的45#鋼干磨時(shí)，接觸區(qū)域Mr較小，其摩擦因數(shù)較大，磨痕寬度最大，實(shí)物照片見(jiàn)圖2左側(cè)兩個(gè)試樣；Cu/PTFE與表面粗糙度Ra 0.17的45#鋼干磨時(shí)，接觸區(qū)域Mr較大，摩擦因數(shù)較小，磨痕寬度較小，表面粗糙度Ra 0.17的45#鋼表面粗糙度測(cè)試如圖3所示；Cu/PTFE與表面粗糙度Ra 0.4的45#鋼干磨時(shí)，摩擦因數(shù)和磨痕寬度居中，實(shí)物照片見(jiàn)圖2右側(cè)試樣。在干摩擦條件下，表面粗糙度越高，Mr較小，摩擦因數(shù)較大，磨痕寬度較大[9]。在油潤(rùn)滑條件下，45#鋼表面質(zhì)量對(duì)Cu/PTFE的磨痕寬度和摩擦因數(shù)影響不大。

CF/PTFE與表面粗糙度Ra 0.8的45#鋼干磨時(shí)，Mr較小，摩擦因數(shù)較大，磨痕寬度較大； CF/PTFE與表面粗糙度Ra 0.17的45#鋼干磨時(shí)，Mr較大，摩擦因數(shù)較小，磨痕寬度較??；CF/PTFE與表面粗糙度Ra 0.4的45#鋼干磨時(shí)，摩擦因數(shù)和磨痕寬度居中。在油潤(rùn)滑條件下，45#鋼表面質(zhì)量對(duì)CF/PTFE的磨痕寬度和摩擦因數(shù)影響不大。

表1 PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能

注：配方1) PTFE+40%錫青銅粉+5%MoS2；2) PTFE+20%碳纖維； 3) PTFE+20%聚苯酯+5%MoS2。 配方1、2對(duì)磨件為45#鋼；3A對(duì)磨件為鋁合金；3B、3C 對(duì)磨件為表面陽(yáng)極氧化鋁合金。

圖2 干摩擦(45#鋼-Cu/PTFE)實(shí)物圖

圖3 45#鋼摩擦前表面粗糙度測(cè)試記錄

2.2.2 鋁合金表面質(zhì)量對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

鋁合金的陽(yáng)極氧化工藝決定了其表面的氧化膜的成分與結(jié)構(gòu)、輪廓形貌、硬度、耐磨性能等。陽(yáng)極氧化工藝不同，氧化膜的成分α-Al2O3和γ-Al2O3結(jié)晶態(tài)的比例有所不同，氧化膜的過(guò)渡層、工作層、表面層的分布不盡相同，氧化膜的輪廓形貌也具有較大差異。合理工藝生成的氧化膜的輪廓形貌均勻，表面致密，硬度較高[10]。圖4為鋁合金及其陽(yáng)極氧化表面實(shí)物圖。從圖4可見(jiàn)，左側(cè)第1個(gè)鋁合金陽(yáng)極氧化表面局部有較深的工藝痕跡，左側(cè)第3個(gè)鋁合金陽(yáng)極氧化表面局部有較淺的工藝痕跡；右側(cè)第1個(gè)和第2個(gè)鋁合金陽(yáng)極氧化表面光滑，其表面粗糙度分別為Ra 0.40、Ra 0.15；左側(cè)第2個(gè)鋁合金輪表面光滑，右側(cè)第3個(gè)鋁合金輪表面有車削痕跡，其表面粗糙度為Ra 1.0。

圖4 鋁合金及其陽(yáng)極氧化表面實(shí)物圖

聚四氟乙烯復(fù)合材料與鋁合金及其陽(yáng)極氧化表面配副對(duì)磨，其摩擦磨損性能見(jiàn)表1。PHB/MoS2/PTFE與表面粗糙度Ra 1.0的鋁合金干磨時(shí)，接觸區(qū)域Mr較小，導(dǎo)致很高的赫茲接觸應(yīng)力，其摩擦因數(shù)較大， 磨痕寬度最大； PHB/MoS2/PTFE與表面粗糙度為Ra 0.15的鋁合金陽(yáng)極氧化表面干磨時(shí)，鋁合金陽(yáng)極氧化表面光滑，減少了局部點(diǎn)或線接觸，接觸區(qū)域Mr較大，降低了摩擦接觸應(yīng)力[6-8]，復(fù)合材料摩擦因數(shù)較小， 磨痕寬度較??； PHB/MoS2/PTFE與表面粗糙度Ra 0.4的鋁合金陽(yáng)極氧化表面干磨時(shí)，摩擦因數(shù)和磨痕寬度居中。在油潤(rùn)滑條件下鋁合金及其陽(yáng)極氧化表面質(zhì)量對(duì)PHB/MoS2/PTFE的磨痕寬度和摩擦因數(shù)影響不大。

2.3 復(fù)合材料摩擦面形貌分析

2.3.1 對(duì)偶件為45#鋼時(shí)復(fù)合材料摩擦面形貌分析

Cu/PTFE與45#鋼對(duì)磨后的表面形貌SEM照片如圖5所示。干摩擦?xí)r， Cu/PTFE表面有明顯的微細(xì)犁溝，錫青銅微粒被擠壓磨合平滑，其周圍伴有微細(xì)片狀聚四氟乙烯，錫青銅微粒邊緣可見(jiàn)明顯的疲勞應(yīng)力裂紋，如圖5(a)所示。在磨損過(guò)程中劇烈摩擦階段，摩擦面受到周期性的交變載荷，在表層上部分微凸峰互相作用，使接觸區(qū)域產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形，形成微觀的赫茲應(yīng)力分布[2-4]，[6-8]，在表層和亞表層錫青銅粉與PTFE基體界面處形成應(yīng)力裂紋，少量錫青銅微粒從基體脫落，形成了磨粒磨損。錫青銅粉在磨損過(guò)程中優(yōu)先承受了載荷，減小了PTFE基體承受的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，阻止了疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展[11-13]。磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為疲勞磨損、磨粒磨損。如圖5(b)所示，油潤(rùn)滑時(shí)，Cu/PTFE表面錫青銅粉均勻分布，與基體結(jié)合緊密，表面只有少量微細(xì)的PTFE磨屑，表面光滑。

圖5 Cu/PTFE(對(duì)磨件為45#鋼)磨損表面形貌SEM照片

圖6(a)所示為干摩擦?xí)r，45#鋼-CF/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片。CF/PTFE表面富集微細(xì)片狀PTFE磨屑，伴有各個(gè)方向的碳纖維分布，少量碳纖維有與基體分離的趨勢(shì)。在PTFE復(fù)合材料中，碳纖維具有優(yōu)先承受載荷作用，阻止金屬凸峰深入PTFE內(nèi)部，還可以阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，有效地減弱了CF/PTFE延性斷裂，防止了PTFE轉(zhuǎn)移膜的大片破壞、脫落[11-13]。磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為微切削磨損、疲勞磨損和磨粒磨損。圖6(b)所示為油潤(rùn)滑時(shí)，45#鋼-CF/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面只有少量微細(xì)的PTFE磨屑，少量碳纖維分布于摩擦表面，并且碳纖維與基體緊密結(jié)合，表面光滑。

圖6 CF/PTFE(對(duì)磨件為45#鋼) 磨損表面形貌SEM照片

2.3.2 對(duì)偶件為表面陽(yáng)極氧化的鋁合金時(shí)復(fù)合材料摩擦面形貌分析

圖7(a)所示為干摩擦?xí)r，表面陽(yáng)極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，PHB/MoS2/PTFE表面可見(jiàn)片狀磨削浮屑，磨屑片狀尺寸較小，磨屑數(shù)量較少。聚苯酯填充聚四氟乙烯在增強(qiáng)機(jī)理上屬于彌散增強(qiáng)和粒子增強(qiáng)，硬質(zhì)的聚苯酯的加入提高了基體的承載能力, 鋁合金陽(yáng)極氧化表面光滑,接觸區(qū)域Mr較大，二硫化鉬的加入使得材料在摩擦?xí)r能夠形成穩(wěn)定連續(xù)的固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜[11-13]，摩擦表面光滑。磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為疲勞磨損、黏著磨損。圖7(b)所示為在油潤(rùn)滑條件下，表面陽(yáng)極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對(duì)磨后復(fù)合材料表面形貌SEM照片，PHB/MoS2/PTFE表面幾乎看不見(jiàn)磨削浮屑，磨屑與基體相連，表面光滑。

圖7 PHB/MoS2/PTFE(對(duì)磨件為表面陽(yáng)極氧化的鋁合金)

3 結(jié)論

1)金屬表面粗糙度Ra、Ry與接觸區(qū)域Mr共同決定了金屬表面質(zhì)量的好壞，摩擦副金屬表面質(zhì)量是材料摩擦磨損性能的重要影響因素。摩擦副金屬表面質(zhì)量對(duì)聚四氟乙烯復(fù)合材料的干摩擦磨損性能影響較大,表面粗糙度Ra、 Ry大時(shí)，接觸區(qū)域Mr較小，Cu/PTFE、CF/PTFE、PHB/MoS2/PTFE摩擦因數(shù)較大，磨痕寬度最大；表面粗糙度Ra、Ry小時(shí)，接觸區(qū)域Mr較大，Cu/PTFE、CF/PTFE、PHB/MoS2/PTFE摩擦因數(shù)較小，磨痕寬度最小。

2)油潤(rùn)滑條件下摩擦副金屬表面質(zhì)量對(duì)聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能影響不大。

3)通過(guò)SEM照片分析得出：Cu/PTFE、CF/PTFE、PHB/MoS2/PTFE干摩擦機(jī)制以微切削磨損、疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損為主。

[1]GB/T 1031-200 表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值[S].

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Effect of the Surface Quality of Matching Metal on Tribological Properties of PTFE Composites

Wang Wendong1,2, Zhang Quancheng1,2, Xue Chun1,2

(1.Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China2.Shanghai Research Key Laboratory for Engineering Materials Evaluation, Shanghai 200437, China)

Three kinds of polytetrafluoroethylene(PTFE)composites were prepared by molding-sintering method. The friction pairs of 45#steel, aluminum alloy and its surface anodized of three kinds of different surface quality were prepared. The tribological properties of the friction pairs were measured. The worn surface of PTFE composites was investigated by SEM . The results showed that the surface roughness(Ra、Ry) of metal is higher, the surface contact region (Mr )is smaller ,the friction coefficient and scar width of PTFE composites are the highest. The surface roughness(Ra、Ry) of metal is lower, the surface contact region (Mr ) is bigger ,the friction coefficient and scar width of PTFE composites are lower. In the dry friction and severe wear stage, the friction surface contact region produces a lot of stress and deformation, forming the micro Hertz stress distribution because Ra & Ry of metal is higher and Mr is smaller;The micro cutting wear, fatigue wear, abrasive wear and adhesive wear of PTFE composites were caused.

polytetrafluoroethylene； composites； friction； roughness； surface quality； Hertz stress

上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)上海市軍民結(jié)合專項(xiàng)2014年度第二批(JM20146201202)。

王文東(1966—),男，高級(jí)工程師，主要從事高分子復(fù)合材料及密封材料的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。