聚四氟乙烯墊片磨損研究

甘泉源 李測測

摘 要：聚四氟乙烯具有很低的摩擦系數，是優異的固體潤滑材料。通過添加不同體積比的銅粉，經過粉末冶金工藝制得改性聚四氟乙烯墊片，在不同擺角、固定擺動頻率、常溫干摩擦條件下對試件進行擺動磨損試驗。研究填充銅粉聚四氟乙烯試件的磨損量以及磨損量與壓強的關系。結果表明，其添加銅粉體積比為20%時表現出良好的耐磨損性能，5MPa時為擺動磨損試驗的最低磨損量，最高承載達到7.5MPa，在此載荷條件下形成很好的表面轉移膜，對試件的磨損量很小。

關鍵詞：聚四氟乙烯 擺動磨損 壓強 磨損量

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0088-02

聚四氟乙烯是一種良好的固體潤滑材料，低摩擦系數和良好的化學穩定性，缺點是聚四氟乙烯的耐磨性較差、硬度低、磨損率高、導熱性差等[1]，限制了聚四氟乙烯在機械領域中的應用。在聚四氟乙烯中加入填料使其成為復合材料可以明顯降低磨損量[2-3]。通過不同方法和不同種類對聚四氟乙烯進行改性處理，在聚四氟乙烯復合材料的摩擦磨損性能方面進行了大量的研究[4-5]，其研究成果能為材料的結構和性能優化及應用提供理論依據。

近年來，國內外對聚四氟乙烯作為潤滑劑的添加劑、涂層、基體填充在摩擦磨損方面做了大量研究[6-7]。在航空發動機的潤滑油中添加聚四氟乙烯，提高了潤滑效果；聚四氟乙烯當作涂層材料，降低摩擦因素，減少基體材料的磨損；航空、航天、核電、電子、軍工等高新技術的快速發展，固體潤滑在固體潤滑材料與技術中已成為不可缺少的組成部分[8]。

1 實驗內容

1.1 實驗儀器

摩擦磨損試驗機：其功能為垂直和水平雙向加載擺動磨損，考核載荷區間均為0～3000kg，擺動角度為5°和15°，擺動頻率約為1.59Hz，對擺動次數有計數功能的磨損試驗機，主要考核一定厚度墊片常溫干摩擦條件下承載擺轉摩擦磨損性能和材料的疲勞特性。

1.2 實驗方法

試驗采用面接觸方式，試件內徑17mm，外徑27mm；對偶件為45#鋼調質處理軸套端面，接觸面內徑17mm，外徑38mm。載荷為2.5～10MPa，擺動角度為15°，每擺動0.5萬次作為一個計數，每個試件試驗次數為10萬次。試件開始試驗之前需用砂子打磨試件摩擦面和對磨面，并用乙醇清洗打磨表面，進入磨損試驗周期后避免對磨損表面造成污染和打磨，造成試驗誤差；每個磨損周期結束后，取下試件稱重，依此計算磨損量，在同一點測量兩個內徑值、外徑值、4個高度值，考察變形量，注意觀察每個試件各周期磨損表面的磨損狀況，在試件磨損結束后對比觀察磨損表面的磨損情況。

2 實驗結果及分析

2.1 磨損量分析

圖1為不同壓強擺動磨損曲線圖，圖中CuV20表示銅粉的填充體積比為20%，P××表示磨損壓強值，磨損曲線表示磨損量隨擺動磨損次數的變化關系。

磨損壓強為2.5MPa時，磨損曲線變化類似于直線，磨損比較均勻，沒有出現平穩磨損現象，由于處于小載荷磨損條件，磨損量相對較低。表面未形成完整的表面潤滑滑膜，表面有部分擺動磨損痕跡，磨損表面完整。

磨損壓強為7.5MPa時，開始磨損時磨損量過大，處于磨合期和表面潤滑膜的生成期，到達一定磨損次數后進入穩定磨損階段。摩擦表面形成良好的潤滑膜，表面質量很好，試件沒有出現任何可見磨損缺陷，形成的潤滑膜有效的降低材料的磨損量。

磨損壓強為10MPa時，曲線磨損量一直處于穩定增長形式，磨損后期基本為直線增長，試件劇烈磨損。其磨損表面質量很差，因載荷過高無法形成潤滑膜，試件形變量較大。

2.2 壓強對擺動磨損影響分析

圖2為CuV20試件壓強和磨損量關系曲線圖，試件在2.5MPa時的磨損量大于5MPa，在區間5～7.5MPa時磨損量都處于平穩階段，到達8MPa后磨損量增大，10MPa是出現劇烈磨損。試件在一定的壓力作用下擺動磨損，摩擦過程中試件材料轉移到與之對磨的45#鋼材料表面，形成轉移膜。摩擦發生在轉移膜和潤滑膜之間，有效地減小試件的摩擦系數和磨損。磨損壓強為2.5MPa時，試件對材料與對磨面有部分區域處于無潤滑干磨損狀態，5MPa時試件表面形成一層完整的潤滑膜，對磨面也形成一層轉移膜，故5MPa時磨損量小于2.5MPa。5～7.5MPa這個壓強區間，磨損試件表面形成良好的潤滑膜，磨損量都很小。壓強在8MPa時表面沒有形成固體潤滑膜，磨損量變大，10MPa時試件表面出現大量磨痕，而且表面質量變差，磨損劇烈。CuV20材料在7.5MPa時擺動磨損為實驗的最佳值，磨損表面形成良好的潤滑膜并且磨損率很低。通過CuV20材料7.5MPa和10MPa的磨損量和磨損表面質量的對比，7.5MPa時形成完整潤滑膜的磨損與10MPa磨損面因載荷過大無法形成表面潤滑膜的磨損量對比，其結果相差不止一個數量級，由此可以證明，表面潤滑膜的形成對磨損量的影響非常大。

3 結語

CuV20/聚四氟乙烯復合材料試件在變載磨損實驗時會出現3個典型磨損現象：（1）壓力過小，未形成完整潤滑膜；（2）在一定壓力區間，形成良好的潤滑膜，表面質量變得很好，膜的形成能夠降低試件的摩擦系數和磨損量；（3）不能形成潤滑膜，摩擦表面質量很差，試件劇烈磨損。CuV20/聚四氟乙烯在7.5MPa形成良好的潤滑膜和10MPa因載荷過大無法形成磨損潤滑膜作磨損量對比，其結果相差一個級以上。

參考文獻

[1] 卓昌明.塑料應用技術手冊[M].北京：機械工業出版社， 2013.

[2] Friedrich K.Friction and Wear of Polymer Composites[J].Elsevier，1986（12）：434-443.

[3] 王家序，陳戰，秦大同.聚四氟乙烯復合材料的摩擦磨損性能研究[J].農業機械學報，2002，33（4）：99-101.

[4] Hu Hanjun，Zhou Hui，Zheng Yugang，et al. Effects of Duration on Wear Rate of a PTFE Composite[J].Materials Science Forum，2015（809）：451-458.

[5] 張招柱，薛群基，劉維民，等.幾種金屬氧化物填充聚四氟乙烯復合材料在干摩擦條件下的摩擦磨損性能[J].摩擦學學報，1997，17（1）： 45-52.

[6] Patrick Y Chiu，Jennifer R Vail，Peter R Barry，et al.Design of Low Wear Polymer Composites[J].Tribology Letters，2012，45（1）：79-87.

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[8] 袁興棟，劉勇，楊德莊，等.聚四氟乙烯涂層在真空中的摩擦磨損性能研究[A].中國機械工程學會摩擦分會[C].2006.