纖維織物型自潤滑材料摩擦學性能試驗

蔡盛宗，段宏瑜，王文

（1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072；2.上海市軸承技術研究所，上海 201801）

織物型自潤滑材料又稱織物襯墊，由各種纖維編織并通過固化粘接等工藝制成，其工作面以摩擦因數很低的PTFE纖維為主，粘接面則以強度 高、易于粘接的其他纖維為主［1］。因其有良好的 摩擦磨損性能，同時具有耐沖擊及優異的尺寸適 應性，作為關節軸承及襯套的固體潤滑材料廣泛應用于工程機械和航天航空等領域。

目前國內外針對織物型自潤滑材料的研究主要集中在軸承成品的臺架試驗上［2-3］。一些學者研究了基于模擬工況下，粘貼有織物襯墊的關節軸承壽命。也有學者針對襯墊本身開展了摩擦磨損性能試驗［4］，研究了不同載荷下襯墊的摩擦因數及磨損率變化。然而，由于襯墊本身纖維結構的獨特性，磨損過程中不同階段襯墊展現的摩擦學性能是不同的，故需在單一條件下對襯墊進行加速磨損試驗，研究其摩擦磨損機理。另外，不同對磨材料對襯墊摩擦學性能的影響各異，選用不同材料與襯墊組成摩擦副進行試驗，驗證何種材料與襯墊組成的摩擦副其摩擦學性能最佳具有現實的工程意義。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗采用國產纖維織物型自潤滑襯墊作為研究對象，該織物為斜紋結構，由PTFE纖維和芳綸纖維編織而成。將襯墊剪成φ50 mm規格粘結在φ50 mm×5 mm軸承鋼基體上，并采用標準固化工藝制備如圖1（左側）所示試樣5件，標記編號1＃～5＃。根據試件尺寸和一次試驗磨痕寬度，1個試件上最多可完成不同工況下的8次試驗。

采用G95Cr18鋼球、WC球和Al2O3陶瓷球3種不同材料的對磨試球進行試驗，3種試球直徑均為6 mm，G10精度（圖1右側）。其中G95Cr18鋼球準備15粒，其余球各準備5粒。

圖1 襯墊試樣和3種材料試球

1.2 試驗裝置

試驗采用西班牙MT4003標準球盤往復式摩擦磨損試驗機。試驗機使用杠桿砝碼加載，加載頭采用螺紋結構可替換放入不同對磨試球；將襯墊試樣固定于往復盤上，加載頭與襯墊表面接觸，通過往復臺帶動襯墊做周期往復運動，使加載球面與襯墊間產生往復摩擦；安裝于杠桿上的力傳感器可以測得往復摩擦力及摩擦因數。隨著襯墊磨損，加載桿下降，固定于加載桿上的傳感器可以測得加載桿的位移變化，即磨損量。

1.3 理論計算

1.3.1 接觸應力

在砝碼施加載荷的作用下，襯墊與加載球面間存在接觸應力，摩擦過程中接觸應力分布最大點對襯墊的影響最大。由于自潤滑襯墊材料的彈性模量遠小于金屬材料，故當金屬材料承載擠壓襯墊材料時，變形主要集中在自潤滑襯墊上。將襯墊看作由無限個理論彈性體組成，變形分布服從于接觸剛體的外形。通過球面與平面間的幾何接觸關系，以及球面上任意一點變形所產生的接觸應力在整個球面上的積分和載荷的等式關系，可以推導出接觸應力最大點為幾何中心，且最大接觸應力計算式為

式中：E為襯墊的彈性模量，GPa；F為砝碼載荷，N；R為對磨試球半徑，mm；L為襯墊厚度，mm。經測試，國產襯墊彈性模量為2 GPa。

1.3.2 磨損率

試驗機可測得襯墊材料的相對磨損量，試驗定義磨損率為單位小時的相對磨損量，其計算式為

式中：l0為位移傳感器初值均值；ln為第n個時刻位移傳感器記錄值的均值；ln-l0為相對磨損量，mm；t為試驗時間，h。

1.4 試驗方案

試驗分為2部分：（1）摩擦磨損機理試驗。通過讓襯墊加速磨損，觀察試驗過程中襯墊的摩擦學性能。對磨材料為G95Cr18，通過砝碼施加載荷（20 N），根據（1）式換算成最大接觸應力為105 MPa、往復擺動頻率2 Hz，對襯墊進行4 h磨損試驗，每0.5 h記錄摩擦因數及磨損深度，并在1＃～5＃試件上完成5次重復性試驗。（2）不同對磨材料的對比試驗。通過替換3種不同材料的對磨試球，按上述相同的試驗條件和記錄方法，分別在1＃～5＃試件上完成5次重復性試驗，以驗證不同摩擦副材料對襯墊摩擦學性能的影響。

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2 結果與分析

2.1 摩擦磨損機理

在接觸應力105 MPa、往復擺動頻率2 Hz、對磨材料G95Cr18下對襯墊進行了5次4 h磨損試驗，獲得的相關數據見表1、表2。

表1 位移傳感器記錄數據ln mm

表2 摩擦因數數據

襯墊磨損是一個非常復雜的過程，測值受諸多隨機因素的影響。當測值呈現微小差異時，必須通過統計方法來判斷測值均值之間是顯著差異，還是因隨機誤差導致的測試數據波動。選擇使用方差分析方法［5］，并通過檢驗樣本P值來判斷樣本均值間的差異性。首先，進行統計分析的前提是確保測試數據屬于隨機樣本，對每一時間點的5組重復性數據進行Minitab正態性檢驗，發現均服從正態分布；然后，觀察表1數據，發現不同時段數據變化比較明顯，呈現隨試驗時間增大的趨勢，均值之間的差異很明顯，故直接對每組重復性數據求均值；根據（2）式計算相對磨損量以及磨損率，并繪制出如圖2所示的曲線圖。

圖2 磨損量及磨損率變化曲線

由圖2可知，隨著試驗時間的延長，磨損量相應增加，表明襯墊材料一直處于磨損狀態；試驗初期磨損率增幅很大，隨后放緩；當試驗進行至2.5 h左右磨損率開始下降，表明襯墊磨損程度開始降低，整個過程中襯墊的磨損情況一直在變化。

由表2數據可知，初期摩擦因數很大，達到0.12以上，在0～0.5 h之間摩擦因數驟降，隨后1～1.5 h摩擦因數有小幅增加，而2～4 h時數據差異很小，很難判斷其均值之間是否存在差異。由于該組數據符合正態分布，故通過方差分析可以判斷2～4 h摩擦因數數據的差異性。通過Minitab得到顯著性水平為0.05下的摩擦因數方差分析結果見表3，其中P值近似等于零且小于0.05，由此統計意義上能斷定在顯著性水平為0.05下，2～4 h摩擦因數呈現顯著差異；此外，觀察圖3所示的摩擦因數95%置信區間，2.5，3，3.5 h置信區間邊界不重合，有明顯區別，3 h處摩擦因數均值最大。

表3 2～4 h摩擦因數數據方差分析結果

圖3 2～4 h摩擦因數95%置信區間

因0 h摩擦因數均值為0.123 6，而文中更關注磨損后期摩擦因數的變化情況，另外為作圖方便，取0.5～4 h數據對比摩擦因數均值與磨損率的變化（圖4）。由圖可知，初期摩擦因數和磨損率均隨試驗時間而增大，2.5 h后磨損率急劇下降，3 h后摩擦因數趨于平穩，略有下降，表明該時段襯墊材料表面形貌發生了變化。

圖4 摩擦因數均值與磨損率對比曲線

用NanoFocus掃描透射式電子顯微鏡觀測襯墊在試驗0.5，2和4 h時的表面形貌（圖5）。襯墊在磨損前，織物表面覆蓋了一層固化的樹脂。摩擦初期對磨鋼球與樹脂接觸，摩擦因數很大。0.5 h后織物表面樹脂被磨去（圖5a），織物纖維暴露并與對磨鋼球接觸，其中的PTFE纖維起到了降低摩擦因數的作用。

圖5 不同時段的織物表面形貌

在較高法向應力以及摩擦剪應力作用下，0.5～2 h時織物表面持續磨損，形成較多磨屑，其中PTFE織物纖維也發生部分斷裂，織物表面形貌持續變差（圖5b），摩擦因數逐漸增大。

2～4 h期間，由于法向應力的作用，不斷產生的織物磨屑被壓實并填充到織物經緯向的空隙之中，形成片層狀的填充物，使襯墊磨痕處微觀上變得相對平整（圖5c），改善了織物表面狀態。此外，從圖中黑色豎直的磨屑紋理可以看出，鋼球和織物表面間有一層流動的轉移潤滑膜，起到了持續潤滑的作用，所以此時間段摩擦因數趨于平穩并略有下降；同時，磨損的趨勢也隨之放緩，磨損率下降。之后很長的一段時間，襯墊都將保持這種穩定的摩擦狀態。

2.2 不同對磨材料時襯墊摩擦學性能

試驗在原G95Cr18試球基礎上，增加WC和Al2O3對磨試球，并按照相同工況、相同試驗方法分別在1＃～5＃試件上完成5次4 h重復性試驗，記錄摩擦因數和磨損量數據。采用相同數據處理及分析方法，求得摩擦因數均值和磨損率均值。

3種對磨試球的襯墊摩擦因數均值對比曲線如圖6所示。襯墊摩擦因數變化趨勢一致，均經歷先增長，在3 h處達到峰值，隨后趨于平穩并呈小幅下降的過程。Al2O3和WC試球時襯墊摩擦因數均小于G95Cr18球時，初期Al2O3球時襯墊摩擦因數最小。

圖6 不同試球時襯墊摩擦因數均值曲線

3種對磨試球的襯墊磨損率均值對比曲線如圖7所示，磨損率變化趨勢也保持一致，均經歷先增長后下降的過程。初期WC球使襯墊磨損率最低，Al2O3最高，但WC球達到穩定磨損所經歷的時間最長，需3 h左右，其余2種試球均在2 h后使襯墊磨損率開始下降。

Al2O3和WC多用于PTFE改性材料，通過在PTFE中加入一定配比的Al2O3或者WC，可以使其獲得更好的摩擦磨損性能［6-7］。由圖6、圖7可知，另2種對磨材料的摩擦因數均比G95Cr18低，與襯墊材料配合潤滑效果也更好；但Al2O3試球時襯墊材料的磨損率偏大。

圖7 不同試球時襯墊磨損率均值曲線

試驗后用掃描透射式電子顯微鏡測得的Al2O3和WC試球表面形貌如圖8所示。WC球表面殘留了很多橫條狀的磨屑轉移物，與圖5中襯墊上的條紋狀磨屑相匹配。采用丙酮清洗后發現有條紋狀磨痕，表明磨損過程中，除了有襯墊材料磨屑轉移到金屬表面，也有金屬磨屑轉移到襯墊上。對磨屑轉移物取樣并進行EDS分析（表4），發現了PTFE材料的特征元素F和WC材料的特征元素W。可見轉移膜中有PTFE，并起到了潤滑減磨的作用，同時部分WC磨屑也嵌入到PTFE中，對轉移膜中的PTFE起到了改性作用，增強了耐磨性能，所以WC與襯墊組成的摩擦副磨損率低。Al2O3陶瓷球表面殘留的磨屑很少，說明其吸附磨屑的能力弱。此外，經過清洗發現Al2O3陶瓷球表面完好，這是由于陶瓷球硬度很高，襯墊磨屑不足以對陶瓷球表面造成傷害，故不存在物質轉移。由圖8b可知，Al2O3試球表面有部分明顯的不規則凹坑，摩擦過程中會對較軟的PTFE纖維產生剪切作用，但剪切下的磨屑又很難維持在球表面形成潤滑膜，所以磨損率較大。綜合分析，WC材料對襯墊的摩擦學性能最佳。

圖8 試球試驗后表面形貌

表4 磨屑轉移物EDS分析

3 結論

（1）織物最初的摩擦因數由表面的固化樹脂決定，當樹脂被磨去，纖維暴露并與試球表面接觸。隨著摩擦過程的進行，將產生磨屑，摩擦因數會逐步增大，最終在法向正應力的作用下，破損織物表面纖維被壓實，一部分磨屑被填入織物經緯向間隙中，使磨損織物表面變得相對平整，改善了織物的表面狀態；另一部分磨屑會轉移到對磨面上形成一層轉移潤滑膜，此時摩擦因數會趨于平穩并稍有降低，磨損率也會降低，進入一個穩定的磨損階段。

（2）不同對磨材料的對比試驗表明，Al2O3和WC對磨材料時襯墊的摩擦因數均比G95Cr18低，但是Al2O3并不能降低磨損率，因此WC材料對織物襯墊的綜合摩擦學性能最好。