MoS2對PTFE基粘結固體潤滑涂層摩擦學和附著性能的影響

郭培銳，邱 明，李迎春，李慶林

（河南科技大學機電工程學院，洛陽471003）

0 引 言

粘結固體潤滑涂層是將一種固體潤滑劑分散于有機或無機粘結劑體系中，再用類似于油漆的涂裝工藝使其在摩擦部件表面成膜，以達到降低摩擦與磨損的目的。該涂層因具有優異的摩擦學性能、耐候性、耐老化性和防銹防腐性能而得到了廣泛應用，是目前品種最多、應用最廣的一類新型固體潤滑材料［1-2］。粘結固體潤滑涂層在解決特殊工況條件下機械的磨損、潤滑、粘著冷焊等摩擦學問題中發揮著重要作用［3］。在工業領域，二硫化鉬（MoS2）基、石墨基、聚四氟乙烯（PTFE）基粘結固體潤滑涂層各具特點［4-7］。其中，PTFE作為一種典型的固體潤滑材料，具有耐寒、耐熱、耐溶劑特性以及化學性質穩定、表面不粘、獨特的摩擦學性能等優點［8-9］。PTFE獨特的摩擦學性能歸因于其非結晶薄片與片晶交替排列的帶狀結構，非結晶薄片容易向對偶面轉移形成低剪切力的轉移膜，從而導致摩擦因數較低；而片晶在摩擦力作用下容易產生帶狀剝離，這會造成磨損率較大，從而使得耐磨性能差［10-11］，這一缺陷極大地限制了PTFE的應用領域。目前，利用金屬粉體、陶瓷顆粒等硬質填料對PTFE進行填充改性的研究報道甚多，然而，將MoS2作為填料用于粘結固體潤滑涂層改性的研究報道較少。為了找到綜合性能較優的PTFE基粘結固體潤滑涂層配方以及較優的固化溫度，作者將MoS2作為填料制備了PTFE基粘結固體潤滑涂層，對比了不同配方（PTFE含量不同）和不同固化溫度下PTFE基粘結固體潤滑涂層的摩擦學性能和附著性能。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

主要原料包括環氧樹脂（E-20）、聚酰胺（650）、MoS2粉（粒徑15μm）、PTFE粉（粒徑0.2μm）、鈦酸酯偶聯劑NDZ-311（分析純）、二甲苯（分析純）、正丁醇（分析純）等。

基體材料為φ30mm×10mm的GCr15鋼，依次采用400＃、600＃和800＃金相砂紙將其打磨至表面粗糙度約為0.2μm，再用丙酮清洗以除去其表面的油污。

PTFE基粘結固體潤滑涂料的配制：首先配制溶劑（溶劑為正丁醇和二甲苯體積比為3…7～2…3的混合溶液），再用電子天平按表1所示配方稱量MoS2粉和PTFE粉，然后將偶聯劑NDZ-311溶解在少量溶劑中，加入稱量好的MoS2粉，用ZLD-300型分散攪拌機快速攪拌均勻，使每個填料顆粒表面都能包覆一層偶聯劑，以增加無機填料與有機聚合物之間的親和力。將環氧樹脂粘結劑和聚酰胺固化劑（粘結劑與固化劑的質量比為1…1）分別加入稱量好的兩份相同質量的溶劑（正丁醇和二甲苯的混合溶液）中，充分攪拌直到環氧樹脂和聚酰胺均被完全稀釋，制得粘結劑和固化劑乳液，將上述稱量好的PTFE粉加入到稀釋好的環氧樹脂粘結劑中，并充分攪拌均勻，之后將處理好的MoS2粉加入樹脂中，并加入稀釋好的固化劑乳液進行高速攪拌，攪拌均勻后靜置一段時間，目的是使其中的空氣充分逸出，過濾后即可制得3種配方的PTFE基粘結固體潤滑涂料。這三種配方涂料的區別在于PTFE的含量不同，MoS2、NDZ-311、E-20和聚酰胺（650）的質量比為2…1…3…3。

PTFE基粘結固體潤滑涂層的噴涂：噴涂前將基體試樣放入BPG-9030AH型箱式電爐中進行烘干，加熱溫度為80℃，保溫時間為5min，以除去其表面殘存的有機溶劑和微量水，從而提高涂層與基體的附著強度，并保證涂層的均勻性。利用H-2000型噴槍在空氣壓力為0.2MPa下將配制好的涂料均勻地噴涂到基體表面，噴涂距離為300～400mm；噴完后待其自然晾干，然后放入箱式電爐中，分別在80，120，160℃下進行固化，固化時間為20min，最終得到PTFE基粘結固體潤滑涂層，涂層厚度為25～35μm。

表1 PTFE基粘結固體潤滑涂料的配方Tab.1 Formulas of the PTFE base bonded solid lubrication pain

1.2 試驗方法

在HSR-2M型高速往復式摩擦磨損試驗機上測定涂層的摩擦因數和體積磨損量，試驗時上試樣固定，下試樣做往復運動；上試樣為GCr15鋼球，直徑為6mm，硬度為63HRC，下試樣為涂層試樣；往復頻率為3Hz，往復長度為5mm，試驗載荷為10N，試驗時間為20min。

采用WS-2005型涂層附著力自動劃痕儀測定涂層的附著強度，即用具有光滑圓錐頂尖的標準金剛石劃針，在逐漸增加的載荷下刻劃涂層表面，直至涂層破壞，涂層破壞時所加的載荷稱為臨界載荷，并以此作為涂層與基體的附著強度。試驗選用摩擦力和聲發射相結合的方式進行測量，即達到臨界載荷時會出現聲發射信號，與此同時摩擦力出現拐點。試驗中加載載荷為30N，加載速度為30N·min-1，劃痕長度為3mm。

2 試驗結果與討論

2.1 對摩擦學性能的影響

2.1.1 對摩擦因數的影響

由圖1可知，在同一溫度下固化得到的三種配方涂層的平均摩擦因數相差不大，固化溫度為80℃時，三種配方涂層的摩擦因數均在0.14左右，固化溫度為120℃時，基本都處于0.12～0.13之間，固化溫度為160℃時，均約為0.15；隨著固化溫度升高，三種配方涂層的平均摩擦因數均先降后升；在不同溫度下固化得到的同一配方涂層的平均摩擦因數相差很大，這表明固化溫度對涂層摩擦因數的影響較為顯著。

圖1 三種配方涂層的平均摩擦因數隨固化溫度的變化曲線Fig.1 Average friction coefficient vs curing temperature for three kinds formula coatings

由圖2可以看出，在不同溫度下固化得到的三種配方涂層的摩擦因數都具有一定的波動性；A配方涂料在120℃固化得到的涂層的摩擦因數最小，其次為160℃的，再次為80℃的，這表明A配方涂料在120℃固化得到的涂層的減摩效果最好；B配方涂料在80，120℃固化得到的涂層的摩擦因數的波動均較為平緩，而且相差不大，在160℃固化得到涂層的摩擦因數最大且波動較大，這表明B配方涂料在160℃固化得到涂層的減摩性能較差；對于C配方涂料，其在80，120，160℃固化得到涂層的摩擦因數波動均不大，比較穩定，在120℃固化得到涂層的摩擦因數最小，在80℃和160℃固化得到涂層的摩擦因數基本重合，這說明C配方涂料在120℃固化得到涂層的自潤滑效果較好。

圖2 在不同溫度下固化得到的三種配方涂層的摩擦因數曲線Fig.2 Friction coefficient curves of three kinds of formula coatings obtained at different curing temperatures：（a）A formula coating；（b）B formula coating and（c）C formula coating

綜上分析可知，三種配方涂料都是在120℃固化得到的涂層的摩擦因數最小，且波動也較小，故較優的固化溫度為120℃。配方對摩擦因數的影響不大。

2.1.2 對磨損量的影響

由圖3可以看出，隨固化溫度升高，三種配方涂層磨損量的變化趨勢不盡相同，B配方涂層的磨損率先減小后增大，C配方涂層的變化不大，A配方涂層的則是先增大后減小；B配方涂層的磨損量大于A配方涂層和C配方涂層的。此外，A配方涂料在160℃固化得到涂層的磨損量最小，在120℃固化得到涂層的磨損量最大，說明A配方涂料在120℃固化得到涂層的耐磨性能不佳；B配方涂料和C配方涂料在120℃固化得到涂層的磨損量最小，這表明固化溫度對磨損量的影響較大。當固化溫度為120℃時，C配方涂層的磨損量最小，約為0.008 3mm3，此時涂層的耐磨效果最好。

圖3 三種配方涂層磨損量隨固化溫度的變化曲線Fig.3 Wear loss vs curing temperature for three kinds of formula coatings

從圖4可知，在同樣的磨損條件和固化溫度下，B配方涂層的磨痕深且寬，C配方涂層的磨痕最淺、最窄，A配方涂層介于這兩者之間。故可知C配方涂料在160℃固化得到涂層的耐磨性最好，A配方涂料的次之，B配方涂料的最差。

圖4 在160℃固化得到三種配方涂層的磨痕形貌Fig.4 Grinding crack morphology of three kinds formula coatings obtained at curing temperature of 160℃：（a）A formula coating；（b）B formula coating and（c）C formula coating

三種配方涂料在80℃和120℃固化得到的涂層的磨損形貌與160℃固化的具有相同的規律，即C配方涂料在三種不同溫度下固化得到涂層的耐磨性最好，其次為A配方涂料的，B配方涂料的最差。

綜上可知，在120℃固化得到涂層的摩擦學性能較優，C配方涂層的摩擦磨損性能優于其它兩種配方的。因此，綜合考慮摩擦因數和磨損量這兩個參數，制備PTFE基固體潤滑涂層時應選擇C配方和120℃的固化溫度。

2.2 對附著性能的影響

從表2中可以看出，對于相同配方的涂層，當固化溫度為120℃時，涂層的附著力均大于另外兩種固化溫度下的；在相同的固化溫度下，C配方涂層的附著力最大，A配方涂層和B配方涂層的附著力基本相同。這說明當選用C配方涂料，并在120℃固化時，PTFE基固體潤滑涂層的附著性能最好。

表2 在不同溫度下固化得到三種配方涂層的附著力Tab.2 Adhesion of three kinds of formulas coatings obtained at different curing temperatures N

2.3 討 論

PTFE分子為具有完全對稱直鏈的C—F化合物，它在與磨光鑄鐵、鋼等材料對磨時，由于其晶片的滑動和斷裂生成磨屑，并在對磨面上生成牢固的沿滑動方向高度取向的轉移膜。轉移膜把對偶面之間的摩擦副變成聚四氟乙烯之間的摩擦，因此摩擦因數降低［10-11］。涂層的摩擦學性能不但與粘結劑的固化程度直接相關，還與填料與潤滑劑之間的協同效應密切相關。A配方涂料和B配方涂料中PTFE的含量較少，表層的PTFE在涂層表面和對磨件表面不足以形成完整的轉移膜，而轉移膜在涂層摩擦磨損過程中起著重要作用，因此，這兩種配方涂層的摩擦因數較大，磨損量也較大；隨著PTFE含量增加，MoS2填料與潤滑劑的配比協同達到最優，轉移膜趨于完整，摩擦因數和磨損量都降低，因而C配方涂層的摩擦因數低、耐磨性好。對于相同的粘結劑和潤滑劑而言，潤滑劑與粘結劑的比例是影響涂層與基體粘結強度的重要因素，一般情況下，粘結劑和潤滑劑之比存在一個最佳值［8］（臨界值）。由試驗數據可知C配方涂層的附著力明顯大于A、B配方涂層的，這說明C配方的潤滑劑與粘結劑之比更接近或剛好處于臨界值。

綜上分析可知，C配方涂層的附著力最大，潤滑劑顆粒足夠多，粘結劑能包裹在每個MoS2填料顆粒周圍，將這些顆粒粘接在一起，潤滑劑和粘結劑可充分發揮各自的作用，故C配方涂層的綜合性能較優。

3 結 論

（1）以PTFE作為潤滑劑，以MoS2作為填料，采用噴涂法在GCr15鋼表面制備的PTFE基粘結固體潤滑涂層因配方不同而表現出不同的性能。

（2）在試驗條件下，當PTFE和MoS2的質量比為5…2時，填料與潤滑劑的協同達到最優，且當固化溫度為120℃時，該配方涂層的摩擦學性能和附著性能最優，摩擦因數為0.125，磨損量約為0.008 3 mm3，附著力為16.73N。

［1］竺士偉.固體干膜潤滑劑技術及其應用［J］.航天工藝，2001（5）：20-25.

［2］喬紅斌，郭強.高分子固體潤滑耐磨涂層研究進展［J］.機械工程材料，2004，28（2）：1-3，23.

［3］薛群基，陳建敏.粘結固體潤滑涂層的研究及其應用［C］／／1999年第二屆表面工程國際會議論文集.武漢：中國機械工程學會，1999：13-18.

［4］XU J，ZHOU Z R，ZHANG C H，et al.An investigation of fretting wear behaviors of bonded solid lubricant coatings［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，182（1／3）：146-151.

［5］SONG Hao-jie，ZHANG Zhao-zhu.Investigation of the tribological properties of polyfluowax／polyurethane composite coatings filled with several micro-particulates［J］.Materials Science and Engineering，2006，424（1／2）：340-346.

［6］喬紅斌，古緒鵬，楊建國，等.填料對粘結固體潤滑涂層摩擦磨損性能的影響［J］.機械工程材料，2013，37（11）：64-67.

［7］吳彥芬，邱祖民，全水清，等.石墨-二硫化鉬-三氧化二銻改性環氧樹脂復合涂層的制備與性能［J］.材料保護，2013，46（9）：51-53，65.

［8］張智源，杜三明，張永振，等.高速條件下PTFE編織復合材料的摩擦磨損性能［J］.機械工程材料，2014，38（4）：46-49，54.

［9］陳建敏，冶銀平，周惠娣，等.聚四氟乙烯基粘結固體潤滑涂層及其應用［C］／／第9屆氟硅涂料行業年會論文集.北京：涂料工業編輯部，2008：181-184.

［10］TANAKA K， UCHIYAMA Y， TOYOOKA S.The mechanism of wear of polytetrafluoroethylene［J］.Wear，1973，23（2）：153-173.

［11］GAO J，MAO S，LIU J，et al.Tribochemical effects of some polymers／stainless steel［J］.Wear，1997，212（2）：238-243.