聚四氟乙烯墊片磨損研究

甘泉源 李測(cè)測(cè)

摘 要：聚四氟乙烯具有很低的摩擦系數(shù)，是優(yōu)異的固體潤(rùn)滑材料。通過(guò)添加不同體積比的銅粉，經(jīng)過(guò)粉末冶金工藝制得改性聚四氟乙烯墊片，在不同擺角、固定擺動(dòng)頻率、常溫干摩擦條件下對(duì)試件進(jìn)行擺動(dòng)磨損試驗(yàn)。研究填充銅粉聚四氟乙烯試件的磨損量以及磨損量與壓強(qiáng)的關(guān)系。結(jié)果表明，其添加銅粉體積比為20%時(shí)表現(xiàn)出良好的耐磨損性能，5MPa時(shí)為擺動(dòng)磨損試驗(yàn)的最低磨損量，最高承載達(dá)到7.5MPa，在此載荷條件下形成很好的表面轉(zhuǎn)移膜，對(duì)試件的磨損量很小。

關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯 擺動(dòng)磨損 壓強(qiáng) 磨損量

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（a）-0088-02

聚四氟乙烯是一種良好的固體潤(rùn)滑材料，低摩擦系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是聚四氟乙烯的耐磨性較差、硬度低、磨損率高、導(dǎo)熱性差等[1]，限制了聚四氟乙烯在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用。在聚四氟乙烯中加入填料使其成為復(fù)合材料可以明顯降低磨損量[2-3]。通過(guò)不同方法和不同種類對(duì)聚四氟乙烯進(jìn)行改性處理，在聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能方面進(jìn)行了大量的研究[4-5]，其研究成果能為材料的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)聚四氟乙烯作為潤(rùn)滑劑的添加劑、涂層、基體填充在摩擦磨損方面做了大量研究[6-7]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油中添加聚四氟乙烯，提高了潤(rùn)滑效果；聚四氟乙烯當(dāng)作涂層材料，降低摩擦因素，減少基體材料的磨損；航空、航天、核電、電子、軍工等高新技術(shù)的快速發(fā)展，固體潤(rùn)滑在固體潤(rùn)滑材料與技術(shù)中已成為不可缺少的組成部分[8]。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：其功能為垂直和水平雙向加載擺動(dòng)磨損，考核載荷區(qū)間均為0～3000kg，擺動(dòng)角度為5°和15°，擺動(dòng)頻率約為1.59Hz，對(duì)擺動(dòng)次數(shù)有計(jì)數(shù)功能的磨損試驗(yàn)機(jī)，主要考核一定厚度墊片常溫干摩擦條件下承載擺轉(zhuǎn)摩擦磨損性能和材料的疲勞特性。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用面接觸方式，試件內(nèi)徑17mm，外徑27mm；對(duì)偶件為45#鋼調(diào)質(zhì)處理軸套端面，接觸面內(nèi)徑17mm，外徑38mm。載荷為2.5～10MPa，擺動(dòng)角度為15°，每擺動(dòng)0.5萬(wàn)次作為一個(gè)計(jì)數(shù)，每個(gè)試件試驗(yàn)次數(shù)為10萬(wàn)次。試件開始試驗(yàn)之前需用砂子打磨試件摩擦面和對(duì)磨面，并用乙醇清洗打磨表面，進(jìn)入磨損試驗(yàn)周期后避免對(duì)磨損表面造成污染和打磨，造成試驗(yàn)誤差；每個(gè)磨損周期結(jié)束后，取下試件稱重，依此計(jì)算磨損量，在同一點(diǎn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)內(nèi)徑值、外徑值、4個(gè)高度值，考察變形量，注意觀察每個(gè)試件各周期磨損表面的磨損狀況，在試件磨損結(jié)束后對(duì)比觀察磨損表面的磨損情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磨損量分析

圖1為不同壓強(qiáng)擺動(dòng)磨損曲線圖，圖中CuV20表示銅粉的填充體積比為20%，P××表示磨損壓強(qiáng)值，磨損曲線表示磨損量隨擺動(dòng)磨損次數(shù)的變化關(guān)系。

磨損壓強(qiáng)為2.5MPa時(shí)，磨損曲線變化類似于直線，磨損比較均勻，沒有出現(xiàn)平穩(wěn)磨損現(xiàn)象，由于處于小載荷磨損條件，磨損量相對(duì)較低。表面未形成完整的表面潤(rùn)滑滑膜，表面有部分?jǐn)[動(dòng)磨損痕跡，磨損表面完整。

磨損壓強(qiáng)為7.5MPa時(shí)，開始磨損時(shí)磨損量過(guò)大，處于磨合期和表面潤(rùn)滑膜的生成期，到達(dá)一定磨損次數(shù)后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。摩擦表面形成良好的潤(rùn)滑膜，表面質(zhì)量很好，試件沒有出現(xiàn)任何可見磨損缺陷，形成的潤(rùn)滑膜有效的降低材料的磨損量。

磨損壓強(qiáng)為10MPa時(shí)，曲線磨損量一直處于穩(wěn)定增長(zhǎng)形式，磨損后期基本為直線增長(zhǎng)，試件劇烈磨損。其磨損表面質(zhì)量很差，因載荷過(guò)高無(wú)法形成潤(rùn)滑膜，試件形變量較大。

2.2 壓強(qiáng)對(duì)擺動(dòng)磨損影響分析

圖2為CuV20試件壓強(qiáng)和磨損量關(guān)系曲線圖，試件在2.5MPa時(shí)的磨損量大于5MPa，在區(qū)間5～7.5MPa時(shí)磨損量都處于平穩(wěn)階段，到達(dá)8MPa后磨損量增大，10MPa是出現(xiàn)劇烈磨損。試件在一定的壓力作用下擺動(dòng)磨損，摩擦過(guò)程中試件材料轉(zhuǎn)移到與之對(duì)磨的45#鋼材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜。摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑膜之間，有效地減小試件的摩擦系數(shù)和磨損。磨損壓強(qiáng)為2.5MPa時(shí)，試件對(duì)材料與對(duì)磨面有部分區(qū)域處于無(wú)潤(rùn)滑干磨損狀態(tài)，5MPa時(shí)試件表面形成一層完整的潤(rùn)滑膜，對(duì)磨面也形成一層轉(zhuǎn)移膜，故5MPa時(shí)磨損量小于2.5MPa。5～7.5MPa這個(gè)壓強(qiáng)區(qū)間，磨損試件表面形成良好的潤(rùn)滑膜，磨損量都很小。壓強(qiáng)在8MPa時(shí)表面沒有形成固體潤(rùn)滑膜，磨損量變大，10MPa時(shí)試件表面出現(xiàn)大量磨痕，而且表面質(zhì)量變差，磨損劇烈。CuV20材料在7.5MPa時(shí)擺動(dòng)磨損為實(shí)驗(yàn)的最佳值，磨損表面形成良好的潤(rùn)滑膜并且磨損率很低。通過(guò)CuV20材料7.5MPa和10MPa的磨損量和磨損表面質(zhì)量的對(duì)比，7.5MPa時(shí)形成完整潤(rùn)滑膜的磨損與10MPa磨損面因載荷過(guò)大無(wú)法形成表面潤(rùn)滑膜的磨損量對(duì)比，其結(jié)果相差不止一個(gè)數(shù)量級(jí)，由此可以證明，表面潤(rùn)滑膜的形成對(duì)磨損量的影響非常大。

3 結(jié)語(yǔ)

CuV20/聚四氟乙烯復(fù)合材料試件在變載磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)3個(gè)典型磨損現(xiàn)象：（1）壓力過(guò)小，未形成完整潤(rùn)滑膜；（2）在一定壓力區(qū)間，形成良好的潤(rùn)滑膜，表面質(zhì)量變得很好，膜的形成能夠降低試件的摩擦系數(shù)和磨損量；（3）不能形成潤(rùn)滑膜，摩擦表面質(zhì)量很差，試件劇烈磨損。CuV20/聚四氟乙烯在7.5MPa形成良好的潤(rùn)滑膜和10MPa因載荷過(guò)大無(wú)法形成磨損潤(rùn)滑膜作磨損量對(duì)比，其結(jié)果相差一個(gè)級(jí)以上。

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