不同纖維增強和不同固體潤滑劑改性PTFE復合材料的摩擦磨損性能

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(1.上海愛德夏機械有限公司，上海 200434；2.上海材料研究所，上海 200437)

0 引 言

汽車門鉸鏈是影響汽車車門開合性能的重要零件，要求具有較高的可靠性、良好的平穩性與較長的使用壽命等。汽車門鉸鏈主要由軸支座、聚四氟乙烯(PTFE)自潤滑襯套和軸組成，PTFE自潤滑襯套安裝于軸支座與軸之間，避免軸支座與軸的直接接觸，保護軸支座與軸不被磨損，進而確保車門的平穩開合。因此，作為影響門鉸鏈性能的關鍵部件，PTFE自潤滑襯套的減摩耐磨性能顯得至關重要[1-2]；但目前，用于汽車門鉸鏈的國產PTFE自潤滑襯套的耐磨性能不能滿足中高檔汽車門鉸鏈的使用要求，車門長期開合后會出現異響、不順暢等問題。PTFE自潤滑襯套主要有金屬網/PTFE基復合材料、鋼基/PTFE基復合材料、鋼基/銅網/PTFE基復合材料、鋼基/銅粉/PTFE基復合材料等4種類型，其耐磨性能取決于表層PTFE基復合材料的摩擦磨損性能。PTFE基復合材料配方中的增強材料一般選用碳纖維、玻璃纖維、錫青銅粉、聚苯酯、聚酰亞胺等，固體潤滑劑則選用石墨、二硫化鉬(MoS2)等[3-6]。國外大品牌襯套廠家生產的PTFE基復合材料中增強纖維(玻璃纖維、碳纖維)的填充量均在25%(質量分數，下同)左右，固體潤滑劑(MoS2、石墨)的填充量在2.5%左右。目前，同時添加增強纖維和固體潤滑劑來提高PTFE摩擦磨損性能的研究較少[4-7]。因此，作者同時添加25%碳纖維/玻璃纖維和2.5% MoS2/石墨，制備了不同纖維增強及不同固體潤滑劑改性的PTFE復合材料，并在干摩擦和油潤滑兩種條件下進行了摩擦磨損試驗，研究了不同配方復合材料的磨損磨損性能，為國產PTFE自潤滑襯套耐磨性能達到中高檔汽車門鉸鏈的使用要求提供試驗基礎。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料包括4TM聚四氟乙烯(平均粒徑32 μm，浙江巨化股份有限公司生產)、YHP-CD-I磨碎碳纖維(直徑7～15 μm，長徑比10∶1，青島遠輝復合材料有限公司生產)、EMX250磨碎玻璃纖維(平均直徑10 μm，長徑比4∶1，南京智寧新型材料有限公司生產)、MF-1 MoS2(平均粒徑4 μm，上海膠體化工廠生產)、0#石墨(粒徑不大于4 μm，上海膠體化工廠生產)。復合材料的配方見表1。

表1 復合材料的配方(質量分數)Tab.1 Formulats of composites (mass) %

按表1中的配方稱取原料，放入SHR-50A型高速混合機中，依次在750 r·min-1轉速下混合24 s，1 500 r·min-1轉速下混合24 s，750 r·min-1轉速下混合10 s；再在ZY41-25型液壓壓力機上進行冷壓成型，保壓時間為12 min，壓力為55 MPa；將坯體置于GS-151型高溫燒結爐中進行燒結，燒結工藝見圖1，冷卻后即得到復合材料。

圖1 復合材料燒結工藝示意Fig.1 Diagram of sintering process of composite

1.2 試驗方法

按照GB/T 3960-2016，使用315/305型環塊式摩擦磨損試驗機分別在干摩擦和油潤滑條件下進行摩擦磨損試驗，試樣尺寸為6 mm×7 mm×30 mm，載荷為245 N，轉速為200 r·min-1，試驗時間為120 min，摩擦行程為3 024 m，對磨環材料為45鋼，尺寸為φ16 mm×40 mm，硬度為40～45 HRC，外圓表面粗糙度Ra為0.4 μm。油潤滑條件下的摩擦磨損試驗采用滴油潤滑方式，即試驗前用滴管在試樣摩擦表面滴3～4滴46#抗磨液壓油。

摩擦因數μ由試驗過程中所記錄的摩擦力矩計算得到,計算公式為

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·mm；P為載荷，N；r為對磨環半徑，取20 mm。

試驗結束后，采用游標卡尺(精度0.02 mm)測磨痕寬度；用Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌。

按照GB/T 2411-2008測復合材料的邵氏硬度(D型)，試樣尺寸為φ50 mm×4 mm，每個試樣測5個點取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數和磨痕寬度

圖2 干摩擦和油潤滑條件下石墨改性不同纖維增強復合材料的磨損形貌Fig.2 Wear morphology of PTFE composites reinforced by different fibers and modified by graphite under dry friction (a-b) and oil lubrication (c-d) condition: (a, c) carbon fiber and (b, d) glass fiber

由表2可以看出：在干摩擦和油潤滑條件下，當固體潤滑劑相同時，碳纖維增強PTFE復合材料的摩擦因數較玻璃纖維增強的高，磨痕寬度較小，這主要是由于碳纖維增強PTFE復合材料的硬度比玻璃纖維增強的高[8]，因此其磨痕寬度較小；在干摩擦條件下，當增強纖維相同時，MoS2改性PTFE復合材料的摩擦因數比石墨改性的大，磨痕寬度則比石墨改性的小，這說明在干摩擦條件下，MoS2改性PTFE復合材料的耐磨性能比石墨改性的更好。這是由于在同種纖維增強條件下，PTFE復合材料的磨痕寬度主要取決于固體潤滑劑的改性效果。MoS2在PTFE結晶性樹脂中可作為晶核而提高復合材料的結晶度[9]，從而提高復合材料的尺寸和性能穩定性；MoS2中的硫元素屬于活性元素，與金屬原子的吸附性能較好，在對磨環表面的黏著強度比石墨的高，在摩擦磨損過程中MoS2不易被破壞，阻止了復合材料表面的大面積破壞：因此MoS2改性碳纖維或玻璃纖維增強PTFE復合材料的磨痕寬度比石墨改性的小。

表2 不同PTFE復合材料的摩擦磨損試驗結果及硬度Tab.2 Results of friction and wear tests and hardness ofdifferent PTFE composites

由表2還可以看出：在油潤滑條件下，當增強纖維相同時，MoS2改性PTFE復合材料的摩擦因數比石墨改性的大，磨痕寬度比石墨改性的小，但降低幅度不大，這說明在油潤滑條件下MoS2改性復合材料的耐磨性能略低于石墨改性的。

2.2 磨損形貌

由圖2(a)～(b)可以看出：當固體潤滑劑均為石墨時，干摩擦磨損試驗后，碳纖維增強PTFE復合材料的磨損表面光滑，碳纖維均勻地分布在磨損表面上，碳纖維在磨損過程中均勻承擔了磨損載荷，從而能降低了復合材料的磨損程度，而玻璃纖維增強PTFE復合材料中的部分玻璃纖維從復合材料基體中脫離，導致磨損表面產生較多孔隙，脫離的玻璃纖維在磨損過程中成為磨粒，加劇了復合材料的磨損程度，因此其磨痕寬度比碳纖維增強PTFE復合材料的大；與碳纖維增強PTFE復合材料相比，玻璃纖維增強PTFE復合材料在磨損過程中，其玻璃纖維已脫離基體形成孔隙，導致復合材料與對磨環的摩擦接觸面積較小，因此其摩擦因數較低。由圖2(c)～(d)可以看出，與干摩擦相比，在油潤滑條件下，PTFE復合材料的磨損表面較為光滑，未出現纖維脫落的現象。這主要是由于在油潤滑條件下，復合材料和對磨環之間形成了一層油膜，該層油膜阻礙了摩擦副的直接接觸，起到了較好的潤滑和耐磨作用[6]。MoS2改性兩種纖維增強PTFE復合材料的摩擦磨損性能與石墨改性的基本類似。

對比圖2(a)和圖3(a)可以看出，在干摩擦條件下，石墨改性碳纖維增強PTFE復合材料的磨損面上有部分碳纖維裸露，而MoS2改性碳纖維增強PTFE復合材料磨損面上則無纖維裸露，這說明石墨改性復合材料的磨損程度比MoS2改性的大。

對比圖2(c)和圖3(b)可以看出，在油潤滑條件下，石墨或MoS2改性碳纖維增強復合材料的磨損面均比較光滑。在油潤滑條件下，PTFE復合材料表面形成一層連續穩定的油膜，該油膜防止了摩擦副的直接接觸，從而降低其磨損程度，同時MoS2改性PTFE復合材料的硬度比石墨改性的高，壓縮變形程度較小，對磨環對MoS2改性復合材料的摩擦力切向分量較小[10]，其磨損程度降低，因此MoS2改性PTFE復合材料的磨痕寬度比石墨改性的略低。

3 結 論

(1) 在干摩擦條件下，當固體潤滑劑相同時，玻璃纖維增強PTFE復合材料中部分纖維從基體中脫落，在磨損過程中成為磨粒，加劇了復合材料的磨損，其磨痕寬度比碳纖維增強的大，其摩擦因數比碳纖維增強的小；當增強纖維相同時， MoS2改性PTFE復合材料的磨痕寬度比石墨改性的小，摩擦因數比石墨改性的大。

(2) 當固體潤滑劑相同時，碳纖維增強PTFE復合材料的磨痕寬度比玻璃纖維增強的小，摩擦因數比玻璃纖維增強的大；當增強纖維相同時，MoS2改性PTFE復合材料的磨痕寬度比石墨改性的略低，摩擦因數比石墨改性的大。