聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合保持架材料高低溫濕熱交變性能試驗(yàn)分析

王楓，孫小波，張蕾，馬小梅

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

聚四氟乙烯具有優(yōu)異的自潤滑、耐腐蝕、耐熱性能及化學(xué)穩(wěn)定性，但易冷流蠕變、導(dǎo)熱性差、線脹系數(shù)及磨損量大等缺點(diǎn)限制了其在軸承保持架領(lǐng)域中的應(yīng)用。而聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料克服了聚四氟乙烯的缺點(diǎn)，有效阻止了聚四氟乙烯帶狀結(jié)構(gòu)的破壞，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)移膜與摩擦對(duì)偶表面間的黏附性，磨損量比未添加鉛粉的純聚四氟乙烯材料降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)填充的鉛粉還提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性[1]。聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料已在軸承保持架領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，它既能起到隔離滾動(dòng)體使其均衡承載的作用，又能在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中在對(duì)磨面形成轉(zhuǎn)移膜，從而對(duì)軸承起到潤滑的作用。

隨著軸承應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，軸承工作環(huán)境也越來越苛刻，為了滿足軸承在高低溫交變濕熱條件下的正常使用，軸承保持架材料在高低溫交變濕熱條件下的性能變化研究也越來越重要。下文著重對(duì)3種不同鉛粉含量的聚四氟乙烯基復(fù)合材料進(jìn)行高低溫交變濕熱試驗(yàn)，通過模擬軸承實(shí)際工況，考察高低溫交變濕熱條件對(duì)不同鉛粉含量的聚四氟乙烯基復(fù)合材料力學(xué)性能及摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 材料

試驗(yàn)原料為：聚四氟乙烯模塑細(xì)顆粒(75 μm)，鉛粉(200目)和二硫化鉬(00﹟)。

分別配制鉛粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15%(配方1)，25%(配方2)和35%(配方3)的聚四氟乙烯基復(fù)合材料，剩余部分由聚四氟乙烯和少量二硫化鉬組成。按配比稱取重量，放入高速攪拌機(jī)內(nèi)混合均勻，將混合好的復(fù)合材料裝入模具內(nèi)，放置在壓力機(jī)上加壓，保壓結(jié)束后脫模，將毛坯放入燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，隨爐冷卻至室溫取出。3種復(fù)合材料均各制備35個(gè)環(huán)狀抗拉強(qiáng)度試環(huán)和各14個(gè)摩擦磨損試塊。用40倍顯微鏡對(duì)毛坯材料外觀進(jìn)行檢查，無裂紋，無氣孔，無明顯顆粒及夾雜等缺陷即為合格。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)采用EL-041KA型高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行高低溫交變及濕熱試驗(yàn)。

(2)采用DNS200型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試保持架毛坯材料(圖1)的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度。測(cè)試時(shí)拉伸速度為(20±0.2)mm/min。

圖1 抗拉強(qiáng)度測(cè)試

保持架毛坯材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為

δ=P(D2+d2)/[hd(D2-d2)]，

式中：P為拉力機(jī)讀數(shù)；D為測(cè)試環(huán)外徑；d為測(cè)試環(huán)內(nèi)徑；h為測(cè)試環(huán)寬度。

(3)采用Shore Scale D Durometer邵氏硬度計(jì)測(cè)量材料的硬度。

(4)采用鐵姆肯摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫、大氣及干磨條件下測(cè)試材料的摩擦因數(shù)和磨損量。試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm的長方體，試樣與對(duì)磨件在試驗(yàn)前均經(jīng)過丙酮清洗。每個(gè)試樣取兩個(gè)對(duì)應(yīng)面作為摩擦測(cè)試面進(jìn)行摩擦因數(shù)及磨痕測(cè)試，共做2次試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速為200 r/min，對(duì)磨測(cè)環(huán)的表面粗糙度Ra為0.03 μm，載荷為7.58 N，每隔3 min測(cè)一次摩擦力，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。采用賽多利斯電子天平稱量測(cè)試前、后重量差得出磨損量。

1.3 試驗(yàn)方法

溫度循環(huán)在常壓下開始由常溫先轉(zhuǎn)高溫，再由高溫轉(zhuǎn)常溫，由常溫再到低溫。循環(huán)次數(shù)為30次；升降溫速率<5 ℃/min；溫度范圍-50～+120 ℃；極限溫度允差：高溫端0～+2 ℃，低溫端0～-3 ℃；高低溫保持時(shí)間：高溫(120±3)℃時(shí)保持6 h，低溫(-40±3)℃時(shí)保持6 h，常溫20 ℃時(shí)保持6 h。

高低溫交變循環(huán)結(jié)束后，在溫度為(20±3)℃，濕度為(95±3)%下連續(xù)保持120 h。

高低溫交變濕熱循環(huán)試驗(yàn)前對(duì)各種配方試樣的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度、摩擦因數(shù)及磨損量進(jìn)行測(cè)試。高低溫交變循環(huán)10，15，20，25及30次時(shí)，分別對(duì)各配方試樣的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)量為5件；對(duì)各配方試樣的摩擦因數(shù)及磨損量進(jìn)行測(cè)試,檢測(cè)數(shù)量為2件。濕度循環(huán)結(jié)束后，對(duì)各配方試樣的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)量為5件,對(duì)各配方試樣的摩擦因數(shù)及磨損量進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)量為2件。

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

3種不同鉛粉含量改性聚四氟乙烯復(fù)合材料在高低溫交變濕熱條件下的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(35次循環(huán)指30次高低溫循環(huán)后進(jìn)行的濕度試驗(yàn))及分析如下。圖2和圖3分別是不同配方復(fù)合材料環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度與高低溫濕熱交變循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。圖中任一點(diǎn)為5次檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，由圖可知，未經(jīng)高低溫濕熱交變循環(huán)處理的復(fù)合材料中配方1的抗拉強(qiáng)度及邵氏硬度最大，配方3的抗拉強(qiáng)度最小，配方2的邵氏硬度最小。經(jīng)過30次高低溫交變及濕熱循環(huán)后，3種配方的復(fù)合材料環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度均隨循環(huán)次數(shù)先降低后升高，均能保持未經(jīng)過處理的原始值的89%以上，尤其是配方2和配方3經(jīng)過30次高低溫交變及濕熱循環(huán)后的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度保持率均達(dá)到了97%以上，配方2保持率最高，達(dá)到97.94%。而配方1的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度降幅最大。

圖2 不同配方復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖3 不同配方復(fù)合材料邵氏硬度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4和圖5分別是不同配方復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損量與高低溫濕熱交變循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。圖中任一點(diǎn)為2次檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，未經(jīng)循環(huán)處理的復(fù)合材料中配方2的摩擦因數(shù)最小，配方3的磨損量最小。配方1復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度最大，摩擦因數(shù)較小，但其磨損量較大，硬度最低(強(qiáng)度高但不耐磨)；配方3復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度最小，摩擦因數(shù)最大，但其磨損量較小，硬度最高(強(qiáng)度低,但耐磨不減摩)；配方2復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度比配方1略小，但比配方3大，且經(jīng)過30次高低溫交變及濕熱循環(huán)試驗(yàn)后，其環(huán)狀抗拉強(qiáng)度保持量與配方1接近，磨損量與配方3接近，綜合性能的保持率較高。

圖4 不同配方復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化情況

圖5 不同配方復(fù)合材料磨損量隨循環(huán)次數(shù)的變化情況

根據(jù)以上圖示和分析可看出，配方2復(fù)合材料在上述溫度與濕度條件下進(jìn)行高低溫濕熱交變循環(huán)后，其力學(xué)性能保持率達(dá)到97%，摩擦因數(shù)與磨損量均未發(fā)生明顯變化。表明配方2復(fù)合材料在此溫、濕度條件下具有優(yōu)異的耐濕熱能力。

2.2 數(shù)據(jù)偏差分析

由于經(jīng)歷30次高低溫交變及濕熱循環(huán)前后7個(gè)批次3種復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)呈不規(guī)則變化。為了驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)偏差值是否由系統(tǒng)誤差引起，對(duì)這3種復(fù)合材料循環(huán)前后7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(表1)與7批次試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差(表2)進(jìn)行對(duì)比。其中7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差是指每次高低溫循環(huán)后同一水平測(cè)試的5個(gè)樣品，根據(jù)GB 3360—1982計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差；而7批次試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差，是對(duì)每種樣品經(jīng)30次高低溫交變及濕熱循環(huán)前后進(jìn)行測(cè)試得到的7個(gè)平均數(shù)值根據(jù)GB 3360—1982計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 3種保持架材料7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差

表2 3種保持架材料7批次試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差

由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，雖然3種復(fù)合材料力學(xué)性能在經(jīng)歷30次高低溫及濕熱循環(huán)后測(cè)試數(shù)據(jù)有所偏差。但7批次試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于7個(gè)批次單次測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值，系統(tǒng)誤差在試驗(yàn)要求可接受的范圍內(nèi)[2]。從表2看出，采用配方2制成的復(fù)合材料環(huán)狀抗拉強(qiáng)度和邵氏硬度試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在3種復(fù)合材料中最小，表明其試驗(yàn)波動(dòng)范圍小，重復(fù)性最好，再次證明該復(fù)合材料性能是可靠的。

對(duì)3種配方復(fù)合材料經(jīng)30次高低溫及濕熱循環(huán)前后進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，摩擦因數(shù)重復(fù)性較好，波動(dòng)值為0.01，其中配方2的波動(dòng)值最小，為0.008；配方2的磨損量波動(dòng)范圍較小，而且最終磨損量數(shù)值也較小；而配方1的摩擦因數(shù)較小，但磨損量較大，表明該復(fù)合材料耐磨性較差；配方3的摩擦因數(shù)較大，磨損量與配方2相當(dāng)。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過30次高低溫及濕熱循環(huán)試驗(yàn)，3種不同配方的聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料的環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度及摩擦性能無明顯下降趨勢(shì)，其中環(huán)狀抗拉強(qiáng)度、邵氏硬度仍能保持原始值的89%以上。充分表明這3種聚四氟乙烯/鉛粉復(fù)合材料在上述溫、濕度試驗(yàn)條件下具有優(yōu)異的耐濕熱能力。

(2)根據(jù)3種不同配方的聚四氟乙烯/鉛粉保持架材料高低溫濕熱交變循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合其力學(xué)性能和摩擦性能可知，配方2制成的復(fù)合材料綜合性能優(yōu)良。