聚四氟乙烯/鉛粉復合保持架材料高低溫濕熱交變性能試驗分析

王楓，孫小波，張蕾，馬小梅

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

聚四氟乙烯具有優異的自潤滑、耐腐蝕、耐熱性能及化學穩定性，但易冷流蠕變、導熱性差、線脹系數及磨損量大等缺點限制了其在軸承保持架領域中的應用。而聚四氟乙烯/鉛粉復合材料克服了聚四氟乙烯的缺點，有效阻止了聚四氟乙烯帶狀結構的破壞，增強了轉移膜與摩擦對偶表面間的黏附性，磨損量比未添加鉛粉的純聚四氟乙烯材料降低了一個數量級，同時填充的鉛粉還提高了復合材料的導熱性[1]。聚四氟乙烯/鉛粉復合材料已在軸承保持架領域得到成功應用，它既能起到隔離滾動體使其均衡承載的作用，又能在運轉過程中在對磨面形成轉移膜，從而對軸承起到潤滑的作用。

隨著軸承應用范圍的擴展，軸承工作環境也越來越苛刻，為了滿足軸承在高低溫交變濕熱條件下的正常使用，軸承保持架材料在高低溫交變濕熱條件下的性能變化研究也越來越重要。下文著重對3種不同鉛粉含量的聚四氟乙烯基復合材料進行高低溫交變濕熱試驗，通過模擬軸承實際工況，考察高低溫交變濕熱條件對不同鉛粉含量的聚四氟乙烯基復合材料力學性能及摩擦磨損性能的影響。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 材料

試驗原料為：聚四氟乙烯模塑細顆粒(75 μm)，鉛粉(200目)和二硫化鉬(00﹟)。

分別配制鉛粉含量(質量分數)為15%(配方1)，25%(配方2)和35%(配方3)的聚四氟乙烯基復合材料，剩余部分由聚四氟乙烯和少量二硫化鉬組成。按配比稱取重量，放入高速攪拌機內混合均勻，將混合好的復合材料裝入模具內，放置在壓力機上加壓，保壓結束后脫模，將毛坯放入燒結爐內進行高溫燒結，隨爐冷卻至室溫取出。3種復合材料均各制備35個環狀抗拉強度試環和各14個摩擦磨損試塊。用40倍顯微鏡對毛坯材料外觀進行檢查，無裂紋，無氣孔，無明顯顆粒及夾雜等缺陷即為合格。

1.2 試驗設備

(1)采用EL-041KA型高低溫交變濕熱試驗箱進行高低溫交變及濕熱試驗。

(2)采用DNS200型電子萬能拉伸試驗機測試保持架毛坯材料(圖1)的環狀抗拉強度。測試時拉伸速度為(20±0.2)mm/min。

圖1 抗拉強度測試

保持架毛坯材料的環狀抗拉強度計算公式為

δ=P(D2+d2)/[hd(D2-d2)]，

式中：P為拉力機讀數；D為測試環外徑；d為測試環內徑；h為測試環寬度。

(3)采用Shore Scale D Durometer邵氏硬度計測量材料的硬度。

(4)采用鐵姆肯摩擦磨損試驗機在室溫、大氣及干磨條件下測試材料的摩擦因數和磨損量。試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm的長方體，試樣與對磨件在試驗前均經過丙酮清洗。每個試樣取兩個對應面作為摩擦測試面進行摩擦因數及磨痕測試，共做2次試驗。轉速為200 r/min，對磨測環的表面粗糙度Ra為0.03 μm，載荷為7.58 N，每隔3 min測一次摩擦力，試驗時間為30 min。采用賽多利斯電子天平稱量測試前、后重量差得出磨損量。

1.3 試驗方法

溫度循環在常壓下開始由常溫先轉高溫，再由高溫轉常溫，由常溫再到低溫。循環次數為30次；升降溫速率<5 ℃/min；溫度范圍-50～+120 ℃；極限溫度允差：高溫端0～+2 ℃，低溫端0～-3 ℃；高低溫保持時間：高溫(120±3)℃時保持6 h，低溫(-40±3)℃時保持6 h，常溫20 ℃時保持6 h。

高低溫交變循環結束后，在溫度為(20±3)℃，濕度為(95±3)%下連續保持120 h。

高低溫交變濕熱循環試驗前對各種配方試樣的環狀抗拉強度、邵氏硬度、摩擦因數及磨損量進行測試。高低溫交變循環10，15，20，25及30次時，分別對各配方試樣的環狀抗拉強度、邵氏硬度進行測試，檢測數量為5件；對各配方試樣的摩擦因數及磨損量進行測試,檢測數量為2件。濕度循環結束后，對各配方試樣的環狀抗拉強度、邵氏硬度進行測試，檢測數量為5件,對各配方試樣的摩擦因數及磨損量進行測試，檢測數量為2件。

2 結果及分析

2.1 試驗結果分析

3種不同鉛粉含量改性聚四氟乙烯復合材料在高低溫交變濕熱條件下的性能試驗數據(35次循環指30次高低溫循環后進行的濕度試驗)及分析如下。圖2和圖3分別是不同配方復合材料環狀抗拉強度和邵氏硬度與高低溫濕熱交變循環次數的關系。圖中任一點為5次檢測數據的平均值，由圖可知，未經高低溫濕熱交變循環處理的復合材料中配方1的抗拉強度及邵氏硬度最大，配方3的抗拉強度最小，配方2的邵氏硬度最小。經過30次高低溫交變及濕熱循環后，3種配方的復合材料環狀抗拉強度和邵氏硬度均隨循環次數先降低后升高，均能保持未經過處理的原始值的89%以上，尤其是配方2和配方3經過30次高低溫交變及濕熱循環后的環狀抗拉強度保持率均達到了97%以上，配方2保持率最高，達到97.94%。而配方1的環狀抗拉強度和邵氏硬度降幅最大。

圖2 不同配方復合材料抗拉強度與循環次數的關系

圖3 不同配方復合材料邵氏硬度與循環次數的關系

圖4和圖5分別是不同配方復合材料摩擦因數和磨損量與高低溫濕熱交變循環次數的關系。圖中任一點為2次檢測數據的平均值，未經循環處理的復合材料中配方2的摩擦因數最小，配方3的磨損量最小。配方1復合材料的環狀抗拉強度最大，摩擦因數較小，但其磨損量較大，硬度最低(強度高但不耐磨)；配方3復合材料的環狀抗拉強度最小，摩擦因數最大，但其磨損量較小，硬度最高(強度低,但耐磨不減摩)；配方2復合材料的環狀抗拉強度比配方1略小，但比配方3大，且經過30次高低溫交變及濕熱循環試驗后，其環狀抗拉強度保持量與配方1接近，磨損量與配方3接近，綜合性能的保持率較高。

圖4 不同配方復合材料摩擦因數隨循環次數的變化情況

圖5 不同配方復合材料磨損量隨循環次數的變化情況

根據以上圖示和分析可看出，配方2復合材料在上述溫度與濕度條件下進行高低溫濕熱交變循環后，其力學性能保持率達到97%，摩擦因數與磨損量均未發生明顯變化。表明配方2復合材料在此溫、濕度條件下具有優異的耐濕熱能力。

2.2 數據偏差分析

由于經歷30次高低溫交變及濕熱循環前后7個批次3種復合材料的力學性能測試數據呈不規則變化。為了驗證測試數據偏差值是否由系統誤差引起，對這3種復合材料循環前后7個批次單次測試數據標準偏差(表1)與7批次試驗結果標準偏差(表2)進行對比。其中7個批次單次測試數據標準偏差是指每次高低溫循環后同一水平測試的5個樣品，根據GB 3360—1982計算得到的標準偏差；而7批次試驗結果標準偏差，是對每種樣品經30次高低溫交變及濕熱循環前后進行測試得到的7個平均數值根據GB 3360—1982計算得到的標準偏差。

表1 3種保持架材料7個批次單次測試數據標準偏差

表2 3種保持架材料7批次試驗結果標準偏差

由數據分析結果可以看出，雖然3種復合材料力學性能在經歷30次高低溫及濕熱循環后測試數據有所偏差。但7批次試驗結果的標準偏差小于7個批次單次測試數據標準偏差最大值，系統誤差在試驗要求可接受的范圍內[2]。從表2看出，采用配方2制成的復合材料環狀抗拉強度和邵氏硬度試驗結果標準偏差在3種復合材料中最小，表明其試驗波動范圍小，重復性最好，再次證明該復合材料性能是可靠的。

對3種配方復合材料經30次高低溫及濕熱循環前后進行摩擦磨損試驗，結果表明，摩擦因數重復性較好，波動值為0.01，其中配方2的波動值最小，為0.008；配方2的磨損量波動范圍較小，而且最終磨損量數值也較小；而配方1的摩擦因數較小，但磨損量較大，表明該復合材料耐磨性較差；配方3的摩擦因數較大，磨損量與配方2相當。

3 結論

(1)經過30次高低溫及濕熱循環試驗，3種不同配方的聚四氟乙烯/鉛粉復合材料的環狀抗拉強度、邵氏硬度及摩擦性能無明顯下降趨勢，其中環狀抗拉強度、邵氏硬度仍能保持原始值的89%以上。充分表明這3種聚四氟乙烯/鉛粉復合材料在上述溫、濕度試驗條件下具有優異的耐濕熱能力。

(2)根據3種不同配方的聚四氟乙烯/鉛粉保持架材料高低溫濕熱交變循環試驗數據，綜合其力學性能和摩擦性能可知，配方2制成的復合材料綜合性能優良。