PTFE顆粒對脲基潤滑脂摩擦學特性的影響

曲建俊,周宏光,趙志強,劉志卓

(1.哈爾濱工業大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱 150001;2.杭州新港石油化工有限公司,浙江杭州 310016)

PTFE顆粒對脲基潤滑脂摩擦學特性的影響

曲建俊1,周宏光2,趙志強2,劉志卓1

(1.哈爾濱工業大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱 150001;2.杭州新港石油化工有限公司,浙江杭州 310016)

采用微納米聚四氟乙烯(PTFE)顆粒作為脲基潤滑脂的添加劑。利用四球摩擦磨損試驗機考察了微納米 PTFE顆粒添加劑的用量對潤滑脂的摩擦學性能和極壓性能的影響,用光學顯微鏡考察了磨痕表面的形貌,并測試了兩種含微納米 PTFE顆粒試樣的理化性能。結果表明,當微納米 PTFE顆粒添加量為 1%時,潤滑脂具有最佳的摩擦學性能。微納米 PTFE顆粒改善潤滑脂摩擦學性能主要與其本身潤滑性能較好有關。在摩擦中 PTFE顆粒隨潤滑脂一起進入摩擦表面,在摩擦表面上形成 PTFE顆粒與基體材料的復合層,阻止金屬與金屬的直接接觸,減小了摩擦,降低了磨損。

PTFE顆粒;脲基潤滑脂;摩擦學性能;理化性能

Abstract:The m icro-nano polytetrafluoroethylene(PTFE)particles w ere taken as urea grease additive.The effects of the dosage of m icro-nano PTFE particles on the tribological properties and EP perform ances of the grease w ere investigated w ith a four-ball friction&w ear tester.The w ear scarmorphology of steel ballw as observed using a scanning electron m icroscope.The physicochem icalproperties of tw o kinds of samples containing m icro-nano PTFE particles w ere tested. It w as concluded that,w hen the dosage ofm icro-nano PTFE particles is 1 w t%,the grease has the best tribologicalproperties.It ow es m uch to the excellent lubricating properties form icro-nano PTFE particles.During rubbing,m icro-nano PTFE particles go into frict ion surface together w ith the grease.A compound fi lm for m ed on the surface of steel balls prevents m etals from contacting each o ther and decreases friction and w ear of steel balls.

Key words:PTFE particles;urea grease;tribologicalproperties;physicochem icalproperties

0 前言

隨著現代工業的發展,許多機械運行在高溫、高速、重載等場合,對潤滑脂提出了更高的要求。眾所周知,潤滑脂的潤滑性能在很大程度上取決于添加劑的性能[1]。脲基潤滑脂是一種以有機化合物為稠化劑的非皂基潤滑脂,具有耐熱性好、抗氧化強等特性,已廣泛應用于鋼鐵、汽車等對潤滑脂要求十分苛刻的機械設備上。目前已經開發出多種聚脲潤滑脂[2-3],研究主要側重于潤滑脂的配方及工藝。納米技術發展為潤滑材料的改性帶來新的手段。將納米顆粒加入到潤滑油脂中可明顯改善其摩擦學性能和其他性能。

研究較多的是將微納米顆粒加入到潤滑油中,并已獲得了較好的改進效果[4-8],但是納米顆粒的懸浮穩定一直是研究的難題。潤滑脂是一類半流體物質,具有較好的托浮能力,有助于微納米顆粒的分散懸浮,近年來,逐漸開展了將微納米顆粒加入到潤滑脂中期望提升其潤滑性能的研究。已有研究表明[9-11],將金屬氧化物、氟化物以及一些天然礦物質加入到潤滑脂中可以改善其摩擦學性能,但所選潤滑脂主要局限于鋰基脂、皂基脂等,對非皂類脲基脂的研究相對較少。

PTFE是一種潤滑性能優異的固體潤滑填料,已實現顆粒的微納米化,在一些潤滑油脂中已進行了應用[12],在脲基脂中尚未見報道。本文將 PTFE顆粒加入到脲基潤滑脂中,探索其改進潤滑脂的減摩抗磨、極壓性以及噪音性能的效果,期望研究出性能優良含微納米顆粒的脲基脂,提升現有脲基潤滑脂的性能,擴展其應用領域。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

脲基潤滑脂成品 (杭州新港石油化工有限公司),鋼球為 GCr15軸承鋼,直徑 12.7 mm,硬度HRC61～63。MS-800A型四球摩擦試驗機,SG50型三輥研磨機。

1.2 潤滑脂樣品制備

選一種成品的脲基潤滑脂作為基礎脂,以質量分數設計了 0.5%、1%、3%和 5%4種比例,將微納米 PTFE顆粒加入到脲基脂中,制成 5種試樣。PTFE顆粒粒徑為 200～400 nm,呈微灰色,為上海艾迪德納米材料有限公司出品。

1.3 摩擦學及噪音性能的評定

圖1 PTFE摩擦系數隨含量變化對比曲線

利用四球試驗機評定微納米 PTFE顆粒作為潤滑脂添加劑的抗磨性和承載能力。采用 BVT-1型軸承振動測量儀評定潤滑脂的噪音性能,使用軸承為 6203-2RZ,精度等級為 P5,振動等級 Z3,徑向游隙為 C0。評定條件如表 1所示。

表1 試驗條件及方法

2 試驗結果及討論

2.1 減摩和抗磨試驗

圖 1和圖 2是填充 PTFE顆粒的脲基脂的摩擦系數和磨斑直徑隨 PTFE含量的變化。由圖1可見,隨著 PTFE顆粒含量的增加,脲基潤滑脂的摩擦系數呈下降趨勢,當含量為 3%時摩擦系數達到最低點,當 PTFE顆粒含量從3%增大到5%時,摩擦系數突然變大。據此可以推斷,當 PTFE含量為 3%時,配方具有較好的減摩性能。

圖2 鋼球磨斑直徑隨PTFE顆粒含量變化曲線

從圖 2填充 PTFE顆粒的脲基脂的磨斑直徑隨含量的變化可見,當 PTFE顆粒的含量逐漸增大時,鋼球的磨斑直徑逐漸減小,到 1%時到最小值,當含量超過 1%時,磨斑直徑呈略微上升趨勢。與對摩擦的影響相比,PTFE顆粒也有一定的防磨損能力,但是出現在含量較低水平。

PTFE是一種減摩性能較好的固體潤滑材料,將其加入脲基脂中可以改善其摩擦性能,當添加量為3%時,既不破壞潤滑脂的連續性,又可以在摩擦中隨潤滑脂進入摩擦表面,協助潤滑脂潤滑,PTFE顆粒在摩擦表面形成具有較低剪切強度的油膜,使摩擦系數下降。然而,當 PTFE顆粒用量較大時,割裂了潤滑脂的連續性,不僅不能協助潤滑,而且還削弱了脲基脂的潤滑效果,導致摩擦系數增大,磨損增加。

另外,利用光學顯微鏡對長磨后的鋼球磨斑形貌進行了觀測,如圖 3所示。

由圖 3可見,添加 PTFE顆粒后,鋼球磨斑的磨痕明顯有變淺的跡象,但當含量超過 3%時,不僅磨斑直徑有所增大,磨痕也逐漸變深。表明,當添加量為 3%時,含有 PTFE顆粒的脲基潤滑脂形成具有較低的剪切值的油膜效果較好,摩擦系數較低。當PTFE顆粒含量從 1%到 3%時,形成的油膜的抗壓強度沒有明顯的變化,磨斑直徑也沒有太大的變化。但是當 PTFE含量繼續增加時,一方面在潤滑脂配制過程當中,PTFE顆粒微小,密度較小,因此體積較大,增加了潤滑脂和顆粒界面;另一方面,當添加量增加時,影響了潤滑脂本身的連續特性,使潤滑脂向摩擦面的供應不充分,導致磨斑直徑有所增大。

圖3 鋼球磨斑光學圖片

2.2 極壓、理化和噪音性能

根據減摩與抗磨試驗結果,PTFE顆粒含量為1%和 3%時具有較好的添加效果,繼續對這兩種配方的極壓性能和理化性能進行測試,結果表明兩種配方均具有較好的極壓性能。另外,還測試了在較高載荷下的鋼球磨斑直徑,如表 2所示。

由表 2試驗結果分析,PTFE顆粒本身具有較好的潤滑性能和較好的韌性,其改善潤滑作用主要是PTFE超細粒子隨潤滑脂一起進入摩擦表面,填平磨損的凹處或陷入基體材料產生的結構缺陷,在摩擦表面上形成 PTFE顆粒與基體材料的復合層,減少了金屬與金屬的直接接觸,從而使摩擦表面呈現出一定的抗磨性能。

表2 含 PTFE顆粒的脲基脂極壓性能

進一步對上述兩種配方的理化性能和噪音性能進行測定,結果如表 3所示。

表3 含 PTFE顆粒的脲基脂理化和噪音性能

由表3可見,在理化性能方面,含3%PTFE顆粒的脲基脂的性能略微優于含 1%的配方,與純脲基脂相比,含 3%PTFE的潤滑脂滴點變化不大,而錐入度增大,可使潤滑脂變軟,但水淋流失量明顯減小,表明添加 PTFE顆粒可以改善脲基脂的抗水淋性能,這可能是改善潤滑效果的原因之一。另外,從噪音性能的測試結果可知,在脲基脂中加入微納米PTFE顆粒,有望改善其噪音性能,當加入 3%PTFE顆粒時,脲基脂的噪音指標均有一定的改善,這不僅與 PTFE的潤滑作用有關,而且還與其自身的粘彈性材料屬性有關,其詳細機理有待進一步研究。

3 結論

將微納米聚四氟乙烯 (PTFE)顆粒加入到脲基潤滑脂中可以改善其潤滑性能。結果表明,當加入量為 3%時,脲基脂的摩擦系數約降低了 24%,抗極壓性能 PB值約提高了 21%,而加入量為 1%時可較好地改善脲基脂的抗磨損性能,其磨斑直徑減小至原來的 78%左右。加入微納米 PTFE顆粒之所以可改進脲基脂的潤滑性能,主要與 PTFE具有低剪切易滑動特性有關,在摩擦中微細的 PTFE顆粒隨潤滑脂進入滑動表面,減小了金屬的直接接觸,降低了摩擦磨損。此外,從本文的實驗結果,在脲基脂中加入微納米 PTFE顆粒,有望改善其噪音性能,需要進一步研究。

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Effec ts of PTFE Pa rtic les on Tribolog ica l Prop e rties of U rea G rease

QU J ian-jun1,ZHOU Hong-guang2,ZHAO Zhi-qiang2,L IU Zhi-zhuo1
(1.Schoo lofM echatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China; 2.Hangzhou Xin′gang Petrochem icalLtd.,Hangzhou 310016,China)

TE624.83

A

2009-08-11。

浙江省科技攻關計劃項目資助課題(編號 2006C21SA1E0005, 2006C21096),國家重點基礎研究發展計劃 973計劃資助項目(2007CB607602)。

曲建俊(1962-),男,博士,教授,博士生導師,1998年畢業于哈爾濱工業大學理學院材料學專業,主要研究方向為摩擦學與智能結構設計,環境友好潤滑材料與技術,發表論文70余篇。

1002-3119(2010)03-0034-04