MoS2對(duì)PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層摩擦學(xué)和附著性能的影響

郭培銳，邱 明，李迎春，李慶林

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，洛陽471003）

0 引 言

粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層是將一種固體潤(rùn)滑劑分散于有機(jī)或無機(jī)粘結(jié)劑體系中，再用類似于油漆的涂裝工藝使其在摩擦部件表面成膜，以達(dá)到降低摩擦與磨損的目的。該涂層因具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能、耐候性、耐老化性和防銹防腐性能而得到了廣泛應(yīng)用，是目前品種最多、應(yīng)用最廣的一類新型固體潤(rùn)滑材料［1-2］。粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層在解決特殊工況條件下機(jī)械的磨損、潤(rùn)滑、粘著冷焊等摩擦學(xué)問題中發(fā)揮著重要作用［3］。在工業(yè)領(lǐng)域，二硫化鉬（MoS2）基、石墨基、聚四氟乙烯（PTFE）基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層各具特點(diǎn)［4-7］。其中，PTFE作為一種典型的固體潤(rùn)滑材料，具有耐寒、耐熱、耐溶劑特性以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、表面不粘、獨(dú)特的摩擦學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)［8-9］。PTFE獨(dú)特的摩擦學(xué)性能歸因于其非結(jié)晶薄片與片晶交替排列的帶狀結(jié)構(gòu)，非結(jié)晶薄片容易向?qū)ε济孓D(zhuǎn)移形成低剪切力的轉(zhuǎn)移膜，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)較低；而片晶在摩擦力作用下容易產(chǎn)生帶狀剝離，這會(huì)造成磨損率較大，從而使得耐磨性能差［10-11］，這一缺陷極大地限制了PTFE的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，利用金屬粉體、陶瓷顆粒等硬質(zhì)填料對(duì)PTFE進(jìn)行填充改性的研究報(bào)道甚多，然而，將MoS2作為填料用于粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層改性的研究報(bào)道較少。為了找到綜合性能較優(yōu)的PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層配方以及較優(yōu)的固化溫度，作者將MoS2作為填料制備了PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層，對(duì)比了不同配方（PTFE含量不同）和不同固化溫度下PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層的摩擦學(xué)性能和附著性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

主要原料包括環(huán)氧樹脂（E-20）、聚酰胺（650）、MoS2粉（粒徑15μm）、PTFE粉（粒徑0.2μm）、鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ-311（分析純）、二甲苯（分析純）、正丁醇（分析純）等。

基體材料為φ30mm×10mm的GCr15鋼，依次采用400＃、600＃和800＃金相砂紙將其打磨至表面粗糙度約為0.2μm，再用丙酮清洗以除去其表面的油污。

PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂料的配制：首先配制溶劑（溶劑為正丁醇和二甲苯體積比為3…7～2…3的混合溶液），再用電子天平按表1所示配方稱量MoS2粉和PTFE粉，然后將偶聯(lián)劑NDZ-311溶解在少量溶劑中，加入稱量好的MoS2粉，用ZLD-300型分散攪拌機(jī)快速攪拌均勻，使每個(gè)填料顆粒表面都能包覆一層偶聯(lián)劑，以增加無機(jī)填料與有機(jī)聚合物之間的親和力。將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑和聚酰胺固化劑（粘結(jié)劑與固化劑的質(zhì)量比為1…1）分別加入稱量好的兩份相同質(zhì)量的溶劑（正丁醇和二甲苯的混合溶液）中，充分?jǐn)嚢柚钡江h(huán)氧樹脂和聚酰胺均被完全稀釋，制得粘結(jié)劑和固化劑乳液，將上述稱量好的PTFE粉加入到稀釋好的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑中，并充分?jǐn)嚢杈鶆颍髮⑻幚砗玫腗oS2粉加入樹脂中，并加入稀釋好的固化劑乳液進(jìn)行高速攪拌，攪拌均勻后靜置一段時(shí)間，目的是使其中的空氣充分逸出，過濾后即可制得3種配方的PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂料。這三種配方涂料的區(qū)別在于PTFE的含量不同，MoS2、NDZ-311、E-20和聚酰胺（650）的質(zhì)量比為2…1…3…3。

PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層的噴涂：噴涂前將基體試樣放入BPG-9030AH型箱式電爐中進(jìn)行烘干，加熱溫度為80℃，保溫時(shí)間為5min，以除去其表面殘存的有機(jī)溶劑和微量水，從而提高涂層與基體的附著強(qiáng)度，并保證涂層的均勻性。利用H-2000型噴槍在空氣壓力為0.2MPa下將配制好的涂料均勻地噴涂到基體表面，噴涂距離為300～400mm；噴完后待其自然晾干，然后放入箱式電爐中，分別在80，120，160℃下進(jìn)行固化，固化時(shí)間為20min，最終得到PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層，涂層厚度為25～35μm。

表1 PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂料的配方Tab.1 Formulas of the PTFE base bonded solid lubrication pain

1.2 試驗(yàn)方法

在HSR-2M型高速往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定涂層的摩擦因數(shù)和體積磨損量，試驗(yàn)時(shí)上試樣固定，下試樣做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；上試樣為GCr15鋼球，直徑為6mm，硬度為63HRC，下試樣為涂層試樣；往復(fù)頻率為3Hz，往復(fù)長(zhǎng)度為5mm，試驗(yàn)載荷為10N，試驗(yàn)時(shí)間為20min。

采用WS-2005型涂層附著力自動(dòng)劃痕儀測(cè)定涂層的附著強(qiáng)度，即用具有光滑圓錐頂尖的標(biāo)準(zhǔn)金剛石劃針，在逐漸增加的載荷下刻劃涂層表面，直至涂層破壞，涂層破壞時(shí)所加的載荷稱為臨界載荷，并以此作為涂層與基體的附著強(qiáng)度。試驗(yàn)選用摩擦力和聲發(fā)射相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)量，即達(dá)到臨界載荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，與此同時(shí)摩擦力出現(xiàn)拐點(diǎn)。試驗(yàn)中加載載荷為30N，加載速度為30N·min-1，劃痕長(zhǎng)度為3mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

2.1.1 對(duì)摩擦因數(shù)的影響

由圖1可知，在同一溫度下固化得到的三種配方涂層的平均摩擦因數(shù)相差不大，固化溫度為80℃時(shí)，三種配方涂層的摩擦因數(shù)均在0.14左右，固化溫度為120℃時(shí)，基本都處于0.12～0.13之間，固化溫度為160℃時(shí)，均約為0.15；隨著固化溫度升高，三種配方涂層的平均摩擦因數(shù)均先降后升；在不同溫度下固化得到的同一配方涂層的平均摩擦因數(shù)相差很大，這表明固化溫度對(duì)涂層摩擦因數(shù)的影響較為顯著。

圖1 三種配方涂層的平均摩擦因數(shù)隨固化溫度的變化曲線Fig.1 Average friction coefficient vs curing temperature for three kinds formula coatings

由圖2可以看出，在不同溫度下固化得到的三種配方涂層的摩擦因數(shù)都具有一定的波動(dòng)性；A配方涂料在120℃固化得到的涂層的摩擦因數(shù)最小，其次為160℃的，再次為80℃的，這表明A配方涂料在120℃固化得到的涂層的減摩效果最好；B配方涂料在80，120℃固化得到的涂層的摩擦因數(shù)的波動(dòng)均較為平緩，而且相差不大，在160℃固化得到涂層的摩擦因數(shù)最大且波動(dòng)較大，這表明B配方涂料在160℃固化得到涂層的減摩性能較差；對(duì)于C配方涂料，其在80，120，160℃固化得到涂層的摩擦因數(shù)波動(dòng)均不大，比較穩(wěn)定，在120℃固化得到涂層的摩擦因數(shù)最小，在80℃和160℃固化得到涂層的摩擦因數(shù)基本重合，這說明C配方涂料在120℃固化得到涂層的自潤(rùn)滑效果較好。

圖2 在不同溫度下固化得到的三種配方涂層的摩擦因數(shù)曲線Fig.2 Friction coefficient curves of three kinds of formula coatings obtained at different curing temperatures：（a）A formula coating；（b）B formula coating and（c）C formula coating

綜上分析可知，三種配方涂料都是在120℃固化得到的涂層的摩擦因數(shù)最小，且波動(dòng)也較小，故較優(yōu)的固化溫度為120℃。配方對(duì)摩擦因數(shù)的影響不大。

2.1.2 對(duì)磨損量的影響

由圖3可以看出，隨固化溫度升高，三種配方涂層磨損量的變化趨勢(shì)不盡相同，B配方涂層的磨損率先減小后增大，C配方涂層的變化不大，A配方涂層的則是先增大后減小；B配方涂層的磨損量大于A配方涂層和C配方涂層的。此外，A配方涂料在160℃固化得到涂層的磨損量最小，在120℃固化得到涂層的磨損量最大，說明A配方涂料在120℃固化得到涂層的耐磨性能不佳；B配方涂料和C配方涂料在120℃固化得到涂層的磨損量最小，這表明固化溫度對(duì)磨損量的影響較大。當(dāng)固化溫度為120℃時(shí)，C配方涂層的磨損量最小，約為0.008 3mm3，此時(shí)涂層的耐磨效果最好。

圖3 三種配方涂層磨損量隨固化溫度的變化曲線Fig.3 Wear loss vs curing temperature for three kinds of formula coatings

從圖4可知，在同樣的磨損條件和固化溫度下，B配方涂層的磨痕深且寬，C配方涂層的磨痕最淺、最窄，A配方涂層介于這兩者之間。故可知C配方涂料在160℃固化得到涂層的耐磨性最好，A配方涂料的次之，B配方涂料的最差。

圖4 在160℃固化得到三種配方涂層的磨痕形貌Fig.4 Grinding crack morphology of three kinds formula coatings obtained at curing temperature of 160℃：（a）A formula coating；（b）B formula coating and（c）C formula coating

三種配方涂料在80℃和120℃固化得到的涂層的磨損形貌與160℃固化的具有相同的規(guī)律，即C配方涂料在三種不同溫度下固化得到涂層的耐磨性最好，其次為A配方涂料的，B配方涂料的最差。

綜上可知，在120℃固化得到涂層的摩擦學(xué)性能較優(yōu)，C配方涂層的摩擦磨損性能優(yōu)于其它兩種配方的。因此，綜合考慮摩擦因數(shù)和磨損量這兩個(gè)參數(shù)，制備PTFE基固體潤(rùn)滑涂層時(shí)應(yīng)選擇C配方和120℃的固化溫度。

2.2 對(duì)附著性能的影響

從表2中可以看出，對(duì)于相同配方的涂層，當(dāng)固化溫度為120℃時(shí)，涂層的附著力均大于另外兩種固化溫度下的；在相同的固化溫度下，C配方涂層的附著力最大，A配方涂層和B配方涂層的附著力基本相同。這說明當(dāng)選用C配方涂料，并在120℃固化時(shí)，PTFE基固體潤(rùn)滑涂層的附著性能最好。

表2 在不同溫度下固化得到三種配方涂層的附著力Tab.2 Adhesion of three kinds of formulas coatings obtained at different curing temperatures N

2.3 討 論

PTFE分子為具有完全對(duì)稱直鏈的C—F化合物，它在與磨光鑄鐵、鋼等材料對(duì)磨時(shí)，由于其晶片的滑動(dòng)和斷裂生成磨屑，并在對(duì)磨面上生成牢固的沿滑動(dòng)方向高度取向的轉(zhuǎn)移膜。轉(zhuǎn)移膜把對(duì)偶面之間的摩擦副變成聚四氟乙烯之間的摩擦，因此摩擦因數(shù)降低［10-11］。涂層的摩擦學(xué)性能不但與粘結(jié)劑的固化程度直接相關(guān)，還與填料與潤(rùn)滑劑之間的協(xié)同效應(yīng)密切相關(guān)。A配方涂料和B配方涂料中PTFE的含量較少，表層的PTFE在涂層表面和對(duì)磨件表面不足以形成完整的轉(zhuǎn)移膜，而轉(zhuǎn)移膜在涂層摩擦磨損過程中起著重要作用，因此，這兩種配方涂層的摩擦因數(shù)較大，磨損量也較大；隨著PTFE含量增加，MoS2填料與潤(rùn)滑劑的配比協(xié)同達(dá)到最優(yōu)，轉(zhuǎn)移膜趨于完整，摩擦因數(shù)和磨損量都降低，因而C配方涂層的摩擦因數(shù)低、耐磨性好。對(duì)于相同的粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑而言，潤(rùn)滑劑與粘結(jié)劑的比例是影響涂層與基體粘結(jié)強(qiáng)度的重要因素，一般情況下，粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑之比存在一個(gè)最佳值［8］（臨界值）。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知C配方涂層的附著力明顯大于A、B配方涂層的，這說明C配方的潤(rùn)滑劑與粘結(jié)劑之比更接近或剛好處于臨界值。

綜上分析可知，C配方涂層的附著力最大，潤(rùn)滑劑顆粒足夠多，粘結(jié)劑能包裹在每個(gè)MoS2填料顆粒周圍，將這些顆粒粘接在一起，潤(rùn)滑劑和粘結(jié)劑可充分發(fā)揮各自的作用，故C配方涂層的綜合性能較優(yōu)。

3 結(jié) 論

（1）以PTFE作為潤(rùn)滑劑，以MoS2作為填料，采用噴涂法在GCr15鋼表面制備的PTFE基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層因配方不同而表現(xiàn)出不同的性能。

（2）在試驗(yàn)條件下，當(dāng)PTFE和MoS2的質(zhì)量比為5…2時(shí)，填料與潤(rùn)滑劑的協(xié)同達(dá)到最優(yōu)，且當(dāng)固化溫度為120℃時(shí)，該配方涂層的摩擦學(xué)性能和附著性能最優(yōu)，摩擦因數(shù)為0.125，磨損量約為0.008 3 mm3，附著力為16.73N。

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