塑化燒結對無鉛PTFE 3層復合材料減摩耐磨性能影響

焦明華，溫丹丹，田 明，解 挺，尹延國，馬少波

（合肥工業大學 摩擦學研究所，合肥 230009）

改性PTFE 3層復合材料作為一類典型的自潤滑軸承材料，以其優越的減摩耐磨性能得到了越來越廣泛的應用［1］。但一般在此類產品中含有大量的鉛，給環境帶來污染問題。作為一種直接危害人類健康的毒性元素，減少或停止含鉛材料的使用是必然趨勢［2］，因此研發新型無鉛環保3層復合材料已成為發展方向之一。

影響無鉛PTFE 3層復合材料摩擦學特性的因素主要是配方及制備工藝。通過配方改進探討自潤滑復合材料摩擦學特性變化，已經取得了很多的成果［3-5］。文中著重研究塑化燒結工藝參數變化對無鉛PTFE 3層復合材料減摩耐磨性能的影響，以耐摩擦磨損性能提高為原則，指導燒結工藝參數的選擇優化，以期為PTFE復合自潤滑軸承材料生產技術的改進提供借鑒。

1 塑化燒結工藝

PTFE 3層復合材料的塑化燒結在自行研制的JHN-氮氣保護燒結爐中進行，燒結過程采用程序控制、分段加熱的方法以期達到良好的塑化燒結效果。對于PTFE樹脂材料，一般當燒結溫度升至355℃以上時，其結晶相才會完全消失呈無定型狀態，并隨著溫度的上升顆粒間相互穿插滲透，消除空隙，逐漸熔結成一體［6］。由于PTFE流動性很差，PTFE 3層復合材料只能采用類似粉末冶金冷壓燒結方法制造。為使PTFE能與銅粉層牢固結合，必須控制好燒結溫度和時間參數，特別是燒結溫度不能過低或過高。通過綜合分析，設定了圖1所示3層復合材料板材的多階段燒結溫度曲線，兼顧低溫揮發物的柔順逸出，塑化物品熱能吸收和升溫可控性多方面的需求。通過分段逐步升溫，直至第8段達到最終燒結溫度并保溫塑化，最后將板材冷卻到一定溫度并出爐。

圖1 燒結溫度曲線示意圖

試驗選擇了填充聚苯酯、MoS2和PI等改性材料的無鉛PTFE 3層復合材料，按圖1所示的燒結工藝，分別采用下述工藝參數進行板材試樣制備。

（1）改變燒結溫度。取第8段最終燒結溫度分別為360，365，370，375，380和385℃保溫，制備試樣。

（2）改變保溫時間。取第8段最終燒結溫度為375℃，分別保溫10，20，40和60 min，制備試樣。

（3）改變冷卻方式。分別采用3種冷卻方式制備試樣：保溫結束后立即將板材從爐內取出；隨爐降溫到300℃時將板材從爐內取出；隨爐降溫到150℃時將板材從爐內取出。

2 摩擦磨損性能分析

不同塑化工藝參數條件下制備材料的摩擦磨損性能檢測在HDM-20端面試驗機上進行，通過摩擦系數和磨損量的變化探討燒結參數選擇的合適性，并以減摩耐磨性能的好壞作為燒結工藝參數的優化依據。

試驗在干摩擦條件下進行，上試樣為內徑22 mm、外徑30 mm的環形試樣，材質45＃鋼，表面粗糙度0.8μm。下試樣為寬度38 mm的3層復合材料方形試樣。同種條件下的試驗做3次取平均值，試驗報警溫度設定為175℃，超過此溫度試驗自動停止。

2.1 塑化燒結溫度對摩擦磨損性能的影響

將不同塑化溫度燒結板材用逐級加載的方式進行摩擦磨損性能試驗，圖2所示為摩擦系數隨載荷變化情況。結果表明，試驗材料的摩擦系數隨著載荷的增大而逐漸降低，其中最終燒結溫度為360℃和385℃的燒結試樣的摩擦系數相對較小。但360℃塑化燒結的材料在試驗中每當載荷變化時，其摩擦系數都會先急劇增加再回落，使摩擦力矩出現一個很大的尖峰值；隨著塑化溫度的升高，這種突變幅度在大載荷時逐漸變小；但是當塑化溫度達到385℃時，摩擦系數的峰值及其波動持續時間又重新變得明顯。

圖2 摩擦系數隨載荷變化曲線

與摩擦系數變化規律相對應，圖3給出的磨損量與燒結溫度的變化關系也表明，低的塑化燒結溫度下3層復合材料的磨損量較大，重復試驗時磨損量實測值的離散性也較大；隨著燒結溫度的逐漸提高，復合材料的耐磨性逐漸好轉，并在375℃時磨損量趨于最小，達到了最好的耐磨效果。此后，當燒結溫度再提高時，磨損性能又逐漸劣化。說明在360℃和385℃塑化，存在欠燒和過燒的情況。

圖3 磨損量與燒結溫度的關系（3種顏色分別對應重復試驗測量值）

摩擦磨損試驗結果表明，3層復合材料的塑化燒結有一個最佳溫度范圍，在375℃左右時，PTFE環保型3層復合材料的摩擦系數隨載荷變化的波動性最小，并表現出最佳的耐磨效果。

2.2 保溫時間對摩擦磨損性能的影響

圖4和圖5分別為不同保溫時間下燒結材料的摩擦系數隨載荷變化曲線及磨損量的變化。圖4中，當載荷較低時，保溫時間為10 min燒結的材料摩擦系數最小。而大載荷下，保溫時間為60 min時塑化燒結材料的摩擦系數明顯比保溫時間為10，20，40 min的塑化燒結材料的小；這表明在重載荷下保溫60 min塑化燒結的材料減摩性能最好。由圖5可知，當保溫時間小于40 min時，隨著保溫時間的縮短，材料的磨損量急劇增加。這主要是由于保溫時間太短，材料不能得到充分的塑化，難以承受較高的載荷，從而導致了材料磨損量的增加；當保溫時間大于40 min時，磨損量的減小趨緩，材料耐磨性能的提高不太明顯。

圖4 不同保溫時間下摩擦系數與載荷關系

圖5 磨損量隨保溫時間的變化

綜合摩擦磨損性能，環保型PTFE 3層復合材料板材塑化燒結的保溫時間應控制在40 min以上，既保證材料的耐摩擦磨損性能最好，又能照顧到生產效率。

2.3 冷卻方式對摩擦磨損性能的影響

與燒結溫度和保溫時間相比，冷卻方式對摩擦磨損性能的影響較小。由圖6可見，在低載荷下緩冷至150℃的材料摩擦系數相對最小；而載荷較高時，冷卻至300℃在PTFE結晶溫度下立即取出的材料摩擦特性最好，150℃時取出的材料摩擦系數最大。整體來看，冷卻至300℃取出材料的減摩性能最好。圖7的磨損量對比也表明，隨爐冷卻至300℃取出的材料最耐磨；而保溫結束后立即開爐取出在空氣中急冷的材料磨損特性最差。

圖6 不同冷卻溫度下摩擦系數與載荷關系

圖7 磨損量隨冷卻溫度的變化

2.4 綜合評判

聚四氟乙烯的加熱熔融和冷卻結晶均需要一個溫度范圍和時間區間來完成，當燒結溫度較低及保溫時間較短時，會導致表層材料塑化重整不充分；燒結溫度過高，又會加劇材料的氧化和降解，并由此影響到產品的使用性能。

在欠燒和過燒的情況下，環保型PTFE 3層復合材料的摩擦系數較低，但摩擦系數隨載荷變化的波動性較大，運行穩定性較低，磨損量也顯著加大，導致軸承產品的使用性能劣化。因此，控制好PTFE 3層復合材料塑化燒結的各工藝參數，對于提高產品性能及其一致性具有重要的意義。

3 結論

（1）3層復合材料板材塑化燒結過程中的燒結溫度、保溫時間及冷卻方式對材料的摩擦磨損性能有著重要的影響。合理地優化板材塑化燒結工藝參數，可進一步提高3層復合材料的耐摩擦磨損性能。

（2）研究表明，在375℃保溫塑化燒結60 min，并隨爐冷卻至300℃時

取出，可以保證環保型PTFE 3層復合材料的綜合摩擦磨損性能達到最好。