高速擺動條件下PTFE編織復合材料干摩擦熱行為研究

康克家，杜三明，張永振，趙 飛

（河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽471003）

高速擺動條件下PTFE編織復合材料干摩擦熱行為研究

康克家，杜三明，張永振，趙 飛

（河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽471003）

利用自制高速摩擦實驗機，以聚四氟乙烯（PTFE）編織復合材料為研究對象，與不銹鋼9Cr18Mo配副，進行高速擺動下的干摩擦實驗，研究摩擦熱的影響因素及變化規律；利用掃描電子顯微鏡對摩擦表面進行觀察，分析其磨損機制。結果表明：摩擦溫度隨載荷增加而升高，在摩擦初期摩擦溫度隨頻率增加而降低，之后又隨頻率增加而升高，并最終達到動態平衡；摩擦因數隨時間的增加先急劇降低后小范圍緩慢回升，最終保持相對穩定，且與摩擦溫度有一定的對應關系；磨損機制以剝落與黏著磨損為主，溫度是影響摩擦過程與磨損機制的重要因素。

PTFE；編織復合材料；干摩擦；摩擦熱

Abstract：The dry friction test of polytetrafluoroethene（PTFE）braided composites under high-speed Oscillating conditions has been carried out on the special high-speed tribo machine and 9Cr18Mo as counterpart，the influences and the variation rules of friction heat has been studied.Results show that friction temperature increases with the increasing of load；and the temperature decreases with increases in frequency of short duration in the initial friction stage，later increases with increased frequency，and finally reach temperature dynamic balance；the friction coefficient rises slowly in small range before a sharply reduces with the increase in time，ultimately，it maintains a relatively stable state，and has certain corresponding relationship with friction temperature；The main abrasion mechanism of friction pair is adhesive wear，and temperature is an important factor that influences friction process and the wear mechanism.

Key words：PTFE；braided composites；dry friction；friction heat

摩擦過程中［1］，由于摩擦功大部分轉變成熱能，從而導致表面溫度的升高，即為摩擦熱。由于摩擦生熱，接觸區的溫度升高會導致黏著磨損現象的發生，嚴重影響摩擦副的正常工作，研究認為，摩擦熱是影響摩擦磨損機理的重要作用因素［2］。國內外研究摩擦熱對機構零件產生影響的比較多，CHEN［3］用有限元法分析剎車過程中輪軌溫度場分布和鋼軌波磨對輪軌熱接觸的影響，V Abouei等［4］人利用熱電偶測量表面的摩擦溫度，研究低速低載的條件下摩擦熱對表面的影響，徐建生等［5］利用ANSYS有限元軟件分析摩擦副表面滑動接觸過程中，在摩擦熱和力場的耦合作用下，接觸區表現出的局部溫度變化、應力變化等特性。但是對實際工況下產生摩擦熱的影響因素及變化規律卻很少涉及。因此，開展高速條件下摩擦表面摩擦熱的研究，探討摩擦熱的一些變化規律、摩擦熱對摩擦表面摩擦因數和摩擦機制的影響，具有十分重要的實際意義和理論價值［6］。

聚四氟乙烯（PTFE）纖維織物襯墊早在20世紀50年代中期因關節軸承自潤滑功能的需求應運而生［7］。織物襯墊作為自潤滑關節軸承的重要組成部分，通常粘接在關節軸承外圈內表面，因其性能直接影響著自潤滑關節軸承的壽命，受到了國內外學者的廣泛關注［8－13］。本工作在自制的高速摩擦實驗機上對PTFE編織材料進行干摩擦實驗，模擬工況條件下，對產生摩擦熱的影響因素及變化規律進行研究。

1 實驗

實驗在自制高速摩擦實驗機上進行，采用自制PTFE編織材料，試樣厚度為（0.38±0.02）mm，試樣寬度為（40±0.05）mm，長度約為53mm。粘貼于曲率半徑為（50±0.05）mm、弧度為60°±0.5°的試樣臺上。配副材料采用不銹鋼（9Cr18Mo），符合GB／T3086高碳鉻不銹軸承鋼技術條件。進行冷處理，處理溫度控制在－55℃以下，保溫時間不少于1h。尺寸為φ50mm ×50mm，表面粗糙度Ra＝0.16μm。試樣托采用不銹鋼（9Cr18Mo）。實驗前用丙酮對試樣環進行去油處理，晾干后裝機，然后靜止加載15min后開始實驗，并用實驗機上配有的熱電偶對試樣表面溫度進行跟蹤測定。實驗室環境為室溫25℃，相對濕度60%。實驗參數水平如表1所示。

表1 實驗參數水平表Table 1 Factors and levels of experiments

2 結果與分析

2.1 載荷、頻率對摩擦熱溫度的影響

圖1（a）為不同載荷條件下溫度隨摩擦循環次數的變化曲線。從圖中可以看出，不同載荷條件下，摩擦溫度均在摩擦初期急劇升高，且其隨著摩擦時間的增加，變化漸緩，最終達到動態平衡。同時比較三條曲線可以看出，在頻率和擺動角度一定時，摩擦溫度隨載荷的增大而升高，載荷為40kN時摩擦溫度在60℃左右達到動態平衡（在一定范圍內波動）。80，120kN條件下摩擦溫度可達到更高，且達到平衡階段所需時間更長。圖1（b）為不同頻率條件下溫度隨摩擦循環次數的變化曲線，從圖中可以看出，不同頻率條件下，摩擦循環約2000次前，摩擦溫度急劇升高，之后隨著摩擦時間的延長，其變化漸緩，且頻率為5Hz時最先達到動態平衡，而15，25Hz條件下，溫度仍在升高。同時比較三條曲線可以看出，在載荷和擺動角度一定時，摩擦溫度在摩擦循環約2000次前，頻率越小溫度上升越快，出現低頻溫升高于高頻的瞬間，之后隨著摩擦時間的延長，低頻的溫度變化率變緩，高頻的摩擦溫度又超過低頻，最終呈現頻率越大溫度越高的規律。圖1（b）中出現交點A，這可用熱力學理論中摩擦熱在摩擦副間的分配情況不同來進行解釋，公式（1）：

式中：c，ρ，λ分別表示比熱容、密度、導熱系數。金屬摩擦副熱擴散率大，熱量在物體中傳播快，受熱影響的區域大。一般認為，兩物性相差不大及其幾何形狀相近的摩擦副，可使二者形成的摩擦熱均勻分布在摩擦副內［14］。當摩擦副材料的物理化學性能差別較大時，從式（1）可以看出，摩擦過程產生的熱會較多地傳入導熱性能好的配副材料中去。在本實驗中因摩擦配副材料為不銹鋼（9Cr18Mo）與PTFE編織復合材料，很明顯較多熱量會傳入不銹鋼（9Cr18Mo）中去。由于摩擦副在相對滑動過程中熱量產生的同時伴隨熱量的散失，同時頻率越高熱量散失越快（實驗中PTFE編織材料試樣固定，不銹鋼做高速擺動，擺動頻率越高散熱越快），可以認為圖1（b）所示中，摩擦開始階段熱量傳導處于不平衡狀態，低頻率情況下由于此時產生的熱量雖然小于高頻率，但其熱量散失也小于高頻率時，當其產生熱量與散失熱量的差值大于高頻率時，便出現A點以前低頻率摩擦溫度升高大于高頻率時的情況。又因高頻率擺動下產生熱量多，更易達到熱傳導平衡，從而積聚較多熱量，摩擦溫度又很快超過低頻率時，表現出頻率越高溫度越高的現象。

圖1 不同載荷（a）和頻率（b）下溫度隨摩擦循環次數的變化曲線Fig.1 Temperature-circle curves under different load（a）and frequency（b）conditions

2.2 摩擦因數與摩擦熱的關系

圖2為摩擦因數與摩擦溫度隨時間變化曲線。從圖2中可以看出，摩擦因數在實驗初期有一個由較高值迅速回落的過程，這一過程與實驗前靜載15min，實驗開始時由靜摩擦因數轉變為動摩擦因數相對應。圖2中的摩擦因數與摩擦溫度也呈現出一定對應關系。

圖2 摩擦因數與摩擦溫度隨摩擦循環次數變化曲線（40kN-5Hz-2°）Fig.2 Friction coefficient-circle and temperature-circle curves

圖3 對偶環表面轉移膜的SEM 照片（40kN-5Hz-2°）Fig.3 SEM micrographs of transferred film

從圖2中可以看出，實驗初期摩擦因數在摩擦溫度轉變較大的B段前，出現不穩定現象，摩擦因數先急劇降低，又在較小范圍內緩步回升，最后達到動態平衡，這是在摩擦初期摩擦過程與磨損機制變化的磨合現象。在實驗裝卸過程中發現不銹鋼9Cr18Mo摩擦副上有轉移膜的生成（見圖3）。摩擦過程中摩擦熱的不斷積聚，導致編織材料表面局部軟化，減少了接觸面的剪切應力，在摩擦配副表面形成的PTFE轉移膜，使得此時摩擦副之間的接觸表現為轉移膜與編織材料之間的接觸，這種接觸大大減輕了摩擦阻力，顯著降低摩擦因數，與此同時，實驗中轉移膜不斷地被擠向兩邊，出現轉移膜的破裂與生成共同作用，因此在磨損中出現摩擦因數緩慢增加而又最終達到基本穩定的過程［8，9］。

2.3 摩擦熱對磨損機制的影響

圖4為PTFE編織材料磨損SEM照片。在高速擺動情況下，摩擦副表面間因相對滑動而發生摩擦，摩擦生熱致使材料表面軟化，PTFE編織材料在摩擦過程中產生疲勞與黏著損傷，隨著材料整體溫升，引發黏著磨損與剝落（見圖4）。研究認為，高速條件下的PTFE編織材料磨損狀況，溫度起著非常重要的作用。

圖4 PTFE編織材料磨損SEM 形貌（40kN-25Hz-2°）Fig.4 SEM wearing morphology of PTFE braided composites

3 結論

（1）高速擺動條件下產生大量摩擦熱，因PTFE編織材料導熱性能差，摩擦表面溫度急劇升高，且其隨載荷和頻率的增加而升高，并最終達到平穩狀態。

（2）摩擦因數與摩擦溫度呈現一定的對應關系。

（3）磨損機制以剝層與黏著磨損為主，且溫度是影響摩擦過程與磨損機制的重要因素。

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Study on Friction Thermal Behavior of PTFE Braided Composites Under High-speed Oscillating Conditions

KANG Ke-jia，DU San-ming，ZHANG Yong-zhen，ZHAO Fei
（School of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，Henan，China）

TH117

A

1001-4381（2011）11-0015-03

國家自然科學基金（50975078）；973計劃前期研究專項（2010CB635113）；國家重點聯合基金（U1034002）

2011-03-03；

2011-07-01

康克家（1986－），男，碩士研究生，目前主要從事材料干摩擦學研究，聯系地址：河南省洛陽市澗西區西苑路48號（471003），E-mail：kangkejia5＠163.com