粘結性涂層的摩擦磨損特性

馬 綱，趙永武，唐海霞

(1.江蘇城市職業學院，江蘇無錫 214011;2.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122)

粘結性涂層的摩擦磨損特性

馬 綱1，趙永武2，唐海霞2

(1.江蘇城市職業學院，江蘇無錫 214011;2.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122)

采用球-盤式摩擦磨損試驗機，研究了粘結性鋼-聚四氟乙烯涂層在不同速度和載荷條件下的摩擦磨損特性。采用掃描電子顯微鏡觀測了磨損后涂層的表面形貌，探討了涂層的摩擦磨損機理。研究發現:隨載荷的增加，涂層的摩擦系數和磨損率降低;隨速度的增加，涂層摩擦系數趨于恒值，而磨損率增加。掃描電子顯微鏡分析表明:這是由于高速條件下，涂層與滾球表面轉移膜的形成引起的。

鋼;聚四氟乙烯;摩擦磨損;轉移膜

引 言

合金鍍層由于具有優良的物理化學性能，在工程應用中越來越受到人們的重視［1-2］。近來，為了進一步提高合金鍍層的耐磨性能，常添加各種粒子如石墨、MoS2或聚四氟乙烯(PTFE)等與基材共沉積，產生良好的自潤滑效果［3-4］。但存在鍍液穩定性差、鍍液成分和工藝參數對鍍層質量的影響敏感和復合鍍工藝復雜的缺點。為此，采用氣相沉積、粘結固體潤滑膜等方法制備PTFE固體自潤滑涂層成為研究者探索的另一熱點問題［5-6］。粘結固體潤滑膜可替代許多機械設備傳統的油、脂潤滑材料，改善摩擦副的潤滑性能，同時適用于無油潤滑的干摩擦場。然而，對鋼-PTFE 涂層的摩擦磨損性有待系統的研究，特別是對磨損機理的探討甚少。

1 實驗

1.1 實驗材料

樣品為69 mm ×7 mm的45#鋼，經過化學、機械拋光等前處理。將PTFE與樹脂粘結劑噴涂在氣相沉積PTFE薄膜的涂層上，然后在280℃下固化燒結40min。一般固體潤滑膜的后處理可采用常溫固化或者高溫固化，在280℃下固化得到的粘結固體潤滑膜的綜合性能優于常溫固化。

1.2 聚四氟乙烯氣相沉積工藝

拋光試樣先經水洗、烘干及超聲波清洗除油，用無水酒精擦洗后，快速烘干再放入磁控設備真空腔，在JZCK2420B高真空多功能磁控濺射設備上進行磁控濺射。其參數設置為:負偏壓5 kV，射頻功率160 W，頻率200 Hz，氣壓 0.1 Pa，濺射時間為 4 h，涂層厚度為2μm。

1.3 實驗測試方法

1.3.1 涂層硬度的測量

運用MH-3型維氏顯微硬度計測量基體硬度和涂層的硬度，為了保證不受在制膜過程中可能出現的微小氣泡等的影響，對每塊試樣均進行了多次取點進行測量，取其均值來表示涂層的硬度，設備打點采用的載荷為2.00N，涂層硬度約為200HV。

1.3.2 涂層的摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在清華大學研制的球－盤摩擦磨損試驗機上進行，采取點接觸的方式。摩擦副為GCr15的滾珠，其硬度在950HV左右。通過不同時間條件下，記錄切向力與摩擦力的方法，獲取摩擦系數隨時間變化的關系曲線。摩擦力采樣頻率:1Hz，摩擦狀態為干摩擦滑動摩擦磨損。磨損質量用感量萬分之一的奧豪斯Adventurer的光電分析天平進行測量。利用Quaunta-200掃描電子顯微鏡觀察磨損后的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 載荷與速度對摩擦系數的影響

如圖1所示，在40、60和80N載荷下，對涂層進行了摩擦磨損試驗。

圖1 不同載荷和速度下摩擦系數隨時間變化關系

圖1(a)～(c)，轉速為100r/min的情況下，摩擦系數隨著載荷增加有略下降的趨勢，摩擦系數穩定在0.18～0.25 之間。圖1(d)～(f)，在 150r/min 轉速下，摩擦系數隨著載荷增加呈略微下降趨勢，摩擦系數穩定在0.19～0.27之間。圖 1(g)～(i)，在 250 r/min轉速下，摩擦系數基本穩定在0.25～0.27之間。可以看出，在速度和載荷較小的條件下，涂層的摩擦系數較穩定。

這是由涂層本身性質所決定的，與摩擦過程中真實的接觸面積有關。隨著載荷的增加，涂層發生的彈塑性變形增加，和摩擦副相比涂層硬度較低，且具有相對較好的塑性;在承受較大的載荷后，在涂層表面的壓入深度變大，名義接觸面積同時增大;從微觀角度來說，涂層對摩擦副有著類似“包裹”的作用，從而造成摩擦系數降低的現象。摩擦系數與載荷和實際接觸面積具有如下關系:μ=(S×A)/P［7］，其中S為材料的剪切強度，A為實際接觸面積，P為載荷，剪切強度為定值。可以看出:一方面，載荷增加，摩擦系數減小;而另一方面，實際接觸面積的增加提高了摩擦系數。但是A增大的趨勢與P增大的趨勢相比相對緩慢，因此摩擦系數隨載荷增大呈現略微下降的趨勢。這與文獻［8］相似.從摩擦性能來說，PTFE復合涂層擁有較穩定的摩擦系數。

2.2 載荷與速度對涂層磨損量的影響

在與鋼球組成的摩擦副中，復合涂層表現為主要磨損方。在摩擦磨損過程中，初期有不少磨屑形成，隨著摩擦磨損時間的增加，300s后基本穩定，產生的磨屑減少。圖2描述了不同速度和載荷條件下，涂層磨損率隨載荷的變化關系。

圖2 在不同速度下磨損率與載荷的關系

從圖2中可以看出，在不同的速率下，涂層的磨損質量隨著載荷的增加而減少。在速度較低的情況下，其磨損質量減小的趨勢比較平緩，而在速度較高的情況下，減少趨勢明顯。但是隨著速度的增加，涂層的磨損質量增加較為明顯，可能是因為在速度變大的情況下摩擦熱效應加強，材料在外加載荷方向和摩擦力方向產生變形甚至塑性流動，粘合在摩擦副表面，這樣的粘合對摩擦系數沒有影響甚至會使其變小，但是由于相對滑動速度的增加，粘附在摩擦副上的轉移膜又被高速滑動帶走，導致磨損質量的增加。同等載荷下，400 r/min的轉速下的磨損量是100r/min轉速下的2倍。

2.3 摩擦磨損機理

圖3是摩擦磨損試驗后的表面形貌。

圖3 涂層在摩擦磨損后的表面形貌照片

圖3(a)～(c)為在100r/min情況下不同載荷下的形貌，呈較完整的狀態，表面較為平整，略有微凸。圖3(c)的形貌相對圖3(a)～(b)較平，在較小的速度和較大的載荷下，涂層的表面微凸被磨平，與摩擦副的接觸面積增大.由于速度較低，能形成一層光滑且穩定的轉移薄膜，而保持平穩且較低的摩擦系數，且進入平穩摩擦系數后，磨損質量隨時間增加的速率降低;圖3(d)～(f)為在400r/min下不同載荷下的磨損形貌，幾乎都能看到有微粒狀凸起，并且有快要被從涂層表面撕脫的趨勢，圖3(e)表現得尤其明顯，在較高速度的摩擦磨損試驗中伴隨著磨屑的形成，復合粘結膜的硬度遠低于摩擦副鋼球，在高速的情況下，聚四氟乙烯以及制成涂層的填料、粘結劑等形成的微凸被摩擦副刮下，并以薄膜的方式附著在摩擦副的表面上;但是由于速度較高，摩擦過程中，這層轉移膜很容易脫落，露出的新鮮表面繼續粘附到表面上形成轉移膜來降低摩擦系數，從而表現出較大的磨損率。然而，受到實驗條件的限制，該轉移膜機理有待進一步深入研究。

3 結論

1)隨著載荷的增大，涂層摩擦系數降低;而隨著速度的增加，涂層摩擦系數變化較小;

2)隨著載荷的增大，涂層磨損率降低;而隨著速度的增加，涂層磨損率增加;

3)在高速條件下，涂層和滾球之間形成的轉移膜降低了摩擦系數，但增大了磨損率。

［1］王濤，安茂忠，張探.堿性鋅-鎳合金電鍍白鈍化工藝的研究［J］.電鍍與涂飾，2002，21(4):14-19.

［2］韋春貝，鞏春志，田修波，等.Cu-Zn摻雜對TiN復合膜層組織性能的調制［J］.無機材料學報，2009，(6):1231-1235.

［3］Ming D，Hou K，Wang L，et al.The friction and wear of Ni-P-PTFE composite deposits under water lubrication［J］.Materials Chemistry and Physics，2003，77(3):755-764.

［4］王利捷，楊軍勝.鈦合金表面MoS2/TiN復合涂層的摩擦性能研究［J］.表面技術，2010，39(2):11-13.

［5］唐海霞，趙永武.聚四氟乙烯復合薄膜的摩擦磨損性能［J］.江南大學學報(自然科學版).2008，7(3):335-338.

［6］Chen J，Ye Y，Dang H.Developing situation and application of bonded solid lubricant films［J］.Tribology，1994，14(2):180-189.

［7］唐海霞.鋼絲圈表面耐磨耐蝕涂層的理論與試驗研究［D］.無錫:2008:14-15.

［8］張欣濤，廖功熊，馮學斌，等.新型PPESK/聚四氟乙烯共混物的力學和摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學學報，2007，27(4):330-334.

Friction and Wear Characteristics of the Cohesive PTFE Coatings

MA Gang1，ZHAO Yong-wu2，TANG Hai-xia2
(1.Jiangsu City Vocational College，Wuxi 214011，China;2.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi214122，China)

The friction and wear characteristics of cohesive PTFE coating on steel were investigated under variable loadings with different velocities by a ball-on-disc friction and wear tester.The surface morphology of the coatings after wear test were observed by SEM and the frictional and wear mechanism were also discussed.The results show that frictional coefficient and wear rate will decrease with the increase in the loading.It can also be found that the wear rate will increase while the frictional coefficient is almost unchanged with the increase in velocity.Further analysis reveals that the experimental data above are caused by the formation of a transfer film between the coatings and ball under the high velocity.

steel;PTFE;friction-wear;transfer film

TG174.4

A

1001-3849(2010)12-0018-04

2010-07-07

2010-08-20