PTFE基固體潤滑涂層的摩擦學和力學性能試驗

錢菁，苗艷偉，錢亞明，方建飛，邱明

(1.新昌縣產品質量監督檢測所，浙江 新昌 312500；2.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

固體潤滑涂層技術是指將固體物質涂或鍍于摩擦副界面，作為固體潤滑材料或固體潤滑劑，對摩擦副界面進行潤滑的方法，以降低摩擦因數或減小磨損[1]。由于粘結固體潤滑涂層是一種經濟、方便和性能優異的減摩措施，在民用機械和空間技術等多方面得到了廣泛應用[2-4]，目前有超過95%的潤滑材料通過該工藝達到潤滑的目的[5]。研究表明，常用的MoS2基、石墨基及聚四氟乙烯(PTFE)基粘結固體潤滑涂層均具有良好的摩擦學性能[6-8]。PTFE作為一種典型的固體潤滑材料在耐熱性、耐磨性、自潤滑性及低摩擦因數等方面表現出良好的性能， PTFE基固體潤滑涂層的耐磨性比二硫化鉬和石墨類固體潤滑涂層高出5～7倍[ 9]。基于此，下文著重對不同配方PTFE基固體潤滑涂層的摩擦學和力學性能進行試驗研究，以期找到綜合性能較優的PTFE基固體潤滑涂層配方。

1 試樣制備

潤滑涂層的制備：將PTFE乳液、MoS2粉末(600目)、環氧樹脂E-51、和石墨粉末(600目)按一定比例混合均勻，通過模壓法制成PTFE基固體潤滑涂層，并將壓制好的涂層在100 ℃下烘干，保溫5 min，取出冷卻至室溫。將已制備好的3種PTFE基固體潤滑涂層的配方分別命名為A，B和C。3種配方的區別在于乳液中PTFE的含量不同，分別為20%，40%和60%。把制備的A，B和C固體潤滑涂層粘接到圓片和圓柱試樣上(材料均為GCr15軸承鋼)，其中圓片試樣做摩擦磨損試驗和抗壓性能試驗，圓柱試樣做粘結性能試驗，試樣結構如圖1所示。圓片試樣的基本參數為：直徑30 mm，厚8 mm(其中涂層厚度為2 mm)；圓柱試樣的基本參數為：直徑20 mm，高30 mm(其中涂層厚度為6 mm)。

(a)圓片 (b)圓柱

2 試驗

2.1 摩擦學性能試驗

在HSR-2M型高速往復式摩擦磨損試驗機上測定涂層的摩擦因數和磨損體積(圖2)。

圖2 摩擦磨損試驗示意圖

在干摩擦條件下對涂層試樣進行摩擦磨損測試。上試樣為GCr15鋼球，直徑為6 mm，硬度為63 HRC；下試樣為已粘接涂層的圓片，直徑30 mm，厚8 mm(其中涂層的厚度為2 mm)；往復頻率為3 Hz，往復移動長度10 mm，試驗載荷為30 N，試驗時間為5 min。試驗時上試樣固定，下試樣做往復移動。

2.1.1 摩擦因數

每種配方測試6次摩擦因數，取其平均值得到如圖3所示結果。3種配方涂層的摩擦因數隨時間的變化趨勢如圖4所示。

圖3 不同配方涂層的摩擦因數

由圖3可知，C涂層的摩擦因數最小且減摩性最好，是A涂層的3倍左右、是B涂層的2倍左右；B涂層的摩擦因數次之，其減摩性是A涂層的1.5倍左右；A涂層的摩擦因數最大且減摩效果最差。

由圖4可知，A涂層的摩擦因數隨往復移動時間的波動較大且不穩定，上、下波動的幅度在0.1范圍內；B涂層的摩擦因數隨往復移動時間的波動較平緩，上、下波動幅度基本在0.05范圍內；C涂層的摩擦因數隨往復移動時間的波動最平緩，上、下波動幅度基本在0.01范圍內。

綜上可知，A涂層的摩擦性能最差，并且其涂層的摩擦因數隨往復移動時間的波動也較大且不穩定；B涂層的摩擦性能介于A和C之間；C涂層的摩擦性能優于A和B，并且C涂層的摩擦因數隨往復移動時間的波動也最平穩。

2.1.2 磨損量

對每種配方涂層的磨損量測量6次，取其平均值，結果如圖5所示。

圖5 不同配方涂層的磨損量

由圖中數據可知，C涂層的磨損量最小，耐磨性最好，其耐磨性是A涂層的8倍左右、B涂層的20倍左右；A涂層的磨損量次之，其耐磨性是B涂層的2.5倍左右；B涂層的磨損量最大，耐磨性最差。

綜合考慮涂層的摩擦因數和磨損量，C涂層的摩擦學性能優于其他兩種配方；A涂層的磨損性能優于B。

2.2 力學性能試驗

2.2.1 粘結性能試驗

利用INSTRON5944拉壓試驗機，參照GB/T 5210—2006進行PTFE基固體潤滑涂層的粘結性能試驗。試驗條件：拉伸應力速率為0.05 MPa/s，拉伸位移為2 mm。每種配方做3組試驗，取其平均值，試驗結果見表1。

表1 不同配方涂層的粘結強度

從表中數據可以看出：在相同的試驗條件下，A涂層與基體的粘結強度最高，其粘結強度是B和C涂層的4倍左右，并且A涂層在做拉伸試驗時是從涂層中間斷開，表明A涂層的膠黏劑與基體的粘結性能最好；B與C涂層的粘結強度大致相當，涂層均是從結合面處斷開，但C涂層與基體斷開時，基體上粘有部分涂層，而B涂層則完整地從基體上斷開。 并且B涂層在做抗壓性能試驗時，涂層出現了從基體上脫落的情況，而其他2種配方均未出現。

綜上可知，A涂層的黏結強度最高；B與C涂層的粘結強度大致相當，但C涂層膠黏劑與基體的粘結性能優于B。

2.2.2抗壓性能試驗

采用DDL-300電子萬能試驗機，參照GB/T 7314《金屬材料室溫壓縮方法》進行涂層的抗壓性能試驗。試驗條件：加載速度為0.5 mm/min，壓縮面積S0為7.069 mm2，施加最大載荷F為300 t。每種配方做3組抗壓性能試驗，取其平均值。涂層的壓縮強度和壓縮量見表2。壓縮載荷隨時間的變化趨勢如圖6所示。

表2 不同涂層的壓縮強度與壓縮量

圖6 不同涂層的壓縮載荷隨時間的變化趨勢

圖6a中A涂層的壓縮載荷隨壓縮時間的變化趨勢在140 s左右時涂層材料產生屈服，其壓縮強度為200.65 MPa，此時的壓縮量為1.460 mm。圖6b中B涂層的壓縮載荷隨壓縮時間的變化趨勢在180 s左右時涂層材料產生屈服，其壓縮強度為218 MPa，此時的壓縮量為1.496 mm。圖6c中C涂層的壓縮載荷隨壓縮時間的變化趨勢在280 s左右時涂層材料產生屈服，其壓縮強度最高，為457.18 MPa，約為A和B涂層的2倍；C涂層的壓縮量為2.336 mm， 約為A和B涂層的1.5倍。

3 結論

(1) 3種配方中C涂層的減摩性和耐磨性最好；B涂層的摩擦性能優于A，減摩性約為A的1.5倍，但磨損性能比A差；A涂層的摩擦性能最差，但其磨損性能優于B，是B涂層的2.5倍左右。

(2) 3種配方中B涂層的力學性能最差；A涂層的粘結性能最好，其粘結強度是B和C涂層的4倍左右，但A涂層的抗壓性能不如C，C涂層的壓縮強度約為A的2倍，并且其韌性也較好。