對偶件表面微結構取向對PTFE基自潤滑軸承材料摩擦性能的影響

丁亞，何超，肖幫，解挺

(合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009)

自潤滑軸承材料是目前摩擦學領域的研究熱點。聚合物基自潤滑軸承材料因其重量輕、成形性好等優點受到極大關注。聚四氟乙烯(PTFE)常作為非金屬滑動軸承材料[1]，通過添加填料進行改性，可以使其強度、剛度、抗蠕變性、耐磨損性明顯提高[2]。PTFE在與金屬滑動接觸時，會在對偶件表面上生成轉移膜，使聚合物與金屬接觸面轉變成聚合物與聚合物接觸面，降低摩擦因數，增大材料耐磨性[3]。所以轉移膜的生成及特性對聚合物材料摩擦學特性有著重要的影響[4]。

摩擦表面特征是摩擦學設計的重要參數之一。長期以來，在工業工程、學術研究中，主要關注于表面粗糙度方面的影響，研究表明表面粗糙度對摩擦因數、轉移膜生成等方面有很大影響[5-6]。然而，近年來的研究表明，即使在相同表面粗糙度下，表面微結構不同，也會對摩擦副的摩擦學性能產生重要影響[7-10]，主要體現在對于摩擦副接觸區的形狀、實際接觸面等方面的微觀影響，進而對宏觀摩擦學性能產生影響。目前，關于對偶件表面微結構對摩擦副摩擦學性能的影響主要是探討其對潤滑狀態的影響[11-12]，關于對干摩擦下的自潤滑復合材料的摩擦學性能影響的研究尚顯不足。

為此，現以PTFE基自潤滑軸承材料為例，采用往復摩擦磨損的方式，考察對偶件45#鋼表面上不同微結構取向對摩擦副摩擦學性能的影響，分析其摩擦磨損機理，以期對于機械零件表面的摩擦學設計提供參考。

1 試驗方法

1.1 試樣

PTFE基復合材料是以PTFE為基體，添加銅、石墨對其進行改性以提高綜合性能。試驗所用摩擦副：上試樣為PTFE復合材料，主要成分15%含8-3銅粉，5%石墨，其余為PTFE。制備原料按比例混合攪拌均勻，經粉末壓片機(60 MPa)壓制，得到尺寸約為φ10 mm×25 mm的小圓柱體，最后將其在JHN-1氮氣保護燒結爐中進行燒結。下試樣為69 mm×25 mm×12 mm的45#鋼塊。摩擦表面采用定向磨削加工形成具有一定取向的直線型紋理結構，如圖1所示，微結構取向與往復運動方向夾角分別為0°，45°，90°，表面粗糙度Ra均為0.2～0.3 μm。

圖1 3種下試樣

1.2 試驗設備及方法

試驗在多功能摩擦磨損試驗機上進行，試驗機的摩擦接觸形式為面與面接觸，如圖2所示，上試樣在45#鋼表面做往復直線運動。摩擦方式采用干摩擦。試驗條件：室溫，平均線速度0.265 4 m/s，試驗軸向載荷4 MPa,試驗機轉速200 r/min，時間40 min。摩擦因數由試驗機自動記錄，磨損量通過電子天平稱量磨損前后上試樣重量變化所得，并通過游標卡尺測量磨損前后上試樣縱向長度變化來驗證稱量的準確性(長度測量與重量測量所得磨損量變化趨勢一致)。同種試驗條件下，均進行3次重復試驗，取其平均值作為試驗結果。試驗后用掃描電子顯微鏡(HITACHI S-4800)觀察對偶件表面微觀形貌。

圖2 試驗運動方式示意圖

2 結果與分析

2.1 PTFE基復合材料摩擦磨損

3種表面微結構取向下對偶件的摩擦磨損試驗結果如圖3～圖4所示。由圖3可知，隨著摩擦時間延長，趨于穩態下，0°方向的摩擦因數穩定在0.158左右，而45°與90°方向的摩擦因數逐漸增加，20 min以后增加幅度變大，其中0°與90°方向時的摩擦因數相對較低，45°方向時的摩擦因數最大。由圖4可知，與45°方向對偶件對摩，復合材料試樣的磨損量最大，其次是90°方向，0°方向最小。磨損量的變化也進一步體現了3種摩擦因數變化，45°方向的摩擦因數最大，導致磨損量最大，0°方向的摩擦因數相對穩定且較小，導致其磨損量較小。這是因為在摩擦初始階段，聚合物的轉移是由機械作用引起的，即由對偶件表面的微凸體切削聚合物，被切削的聚合物顆粒粘附在對偶件表面的凹谷中。在0°方向時，這種切削作用最小，因此產生的磨損最小，其他2種微結構的切削作用較大，磨損量也相對較大。

圖3 不同取向下的摩擦因數

圖4 不同取向下的磨損量

2.2 轉移膜

3種不同微結構取向下對偶件表面形成的轉移膜微觀形貌如圖5所示。由圖可知，相同試驗條件和參數下，表面形成的轉移膜形貌明顯不同。0°方向轉移膜相對均勻，對犁溝填充較好(圖5a)；而45°，90°方向表面轉移膜厚薄不一(圖5b和圖5c)，且刮擦嚴重，尤其是45°方向，部分轉移膜已剝去，這一現象也可能是造成磨損量增大的原因之一。

圖5 不同取向45#鋼表面形成的轉移膜微觀形貌

2.3 磨屑形貌

3種不同取向對偶件對摩后復合材料的磨屑形貌如圖6所示。由圖6a和圖6c 可知，取向為0°和90°時磨屑均呈較大的平整的片狀，這是PTFE復合材料正常滑動疲勞磨損的片狀磨屑，這些磨屑部分會粘附于自身表面或轉移到對偶件表面，且容易滯留在摩擦界面；由圖6b可知，取向為45°時磨屑為大薄片，且呈卷曲狀，表明其為條帶形片狀磨屑，且容易排出摩擦界面，從而造成磨損增大。由此可見，對偶件表面不同微結構取向對磨屑形成的機理不同，是導致摩擦磨損不同的原因。

圖6 不同取向45#鋼與復合材料對摩后磨屑SEM照片

3 結論

對偶件表面微結構對PTFE基自潤滑軸承材料的干摩擦磨損性能有較大影響，主要體現在對于轉移膜成膜質量的微觀影響，進而影響材料的宏觀摩擦磨損性能。

0°方向45#鋼表面轉移膜較為均勻完整，磨屑呈較大的平整片狀，穩態時的摩擦因數較小且相對穩定，磨損量最小；45°方向轉移膜刮擦嚴重、大面積脫落，磨屑嚴重卷曲，穩態時的摩擦因數最大且增幅明顯，磨損量最大；90°方向轉移膜出現部分脫落，磨屑仍較為平整，摩擦因數較小但增幅較大。