PTFE粉末顆粒流潤(rùn)滑方式下的潤(rùn)滑性能*

王志爽 李頌華,2 孫 健 隋陽宏 馬 超 張馨藝

(1.沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽 110168；2.沈陽建筑大學(xué)高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 遼寧沈陽 110168)

隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展，以軸承為首的接觸類零件因惡劣的使用環(huán)境(超高溫或超低溫、真空、輻射和腐蝕等)，導(dǎo)致其油、脂潤(rùn)滑失效，磨損嚴(yán)重，大大降低了工作壽命。固體潤(rùn)滑劑可能是這種情況下減少摩擦和磨損的唯一選擇[1]。被譽(yù)為“塑料王”的聚四氟乙烯(PTFE)是一種以單體聚合制得的高分子聚合物，其分子結(jié)構(gòu)呈鏈條狀，聚合后呈網(wǎng)狀，層次分明，如圖1所示。這種獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)使其有良好的自潤(rùn)滑性能，同時(shí)還具有優(yōu)異的耐高、低溫和耐腐蝕等性能，因此被廣泛用作固體潤(rùn)滑材料[2-4]。

圖1 PTFE的分子結(jié)構(gòu)

近年來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)PTFE進(jìn)行了大量的研究。邱明等人[5]采用PTFE和聚苯硫醚制備了關(guān)節(jié)軸承自潤(rùn)滑襯墊，結(jié)果表明其具有良好的摩擦學(xué)性能，耐磨性也得到大幅度提高。YANG等[6]研究了PTFE在室溫、100 ℃和200 ℃下與AISI 316不銹鋼對(duì)摩時(shí)PTFE的轉(zhuǎn)移情況，發(fā)現(xiàn)PTFE的轉(zhuǎn)移隨著溫度和載荷的增加而增加。劉建等人[7]研究了PTFE編織復(fù)合材料的摩擦溫度與磨損特性之間的關(guān)系，結(jié)果表明，在65～200 ℃的溫度范圍內(nèi)，PTFE編織復(fù)合材料具有良好的潤(rùn)滑性、耐磨性；溫度低于65 ℃時(shí)，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損量較大；當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損量隨著溫度的升高急劇增大，導(dǎo)致材料短時(shí)間內(nèi)失效。楊生榮等[8]和賈均紅等[9]分別研究了金屬纖維和炭纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能,發(fā)現(xiàn)金屬纖維和炭纖維均可有效降低復(fù)合材料的磨損率。路琴等人[10]和陳濤等人[11]分別在PTFE基體中添加了納米碳化硅和稀土化合物，研究發(fā)現(xiàn)這些添加劑均能抑制PTFE表面的龜裂，提高基體耐磨性。WANG和YAN[12]分別制備了含15%體積分?jǐn)?shù)二硫化鉬、石墨、鋁和青銅粉末的PTFE基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)所有這些填料都提高了復(fù)合材料的耐磨性能，且載荷增加會(huì)縮短這些復(fù)合材料形成的轉(zhuǎn)移膜的壽命。YE等[13]使用間斷顯微測(cè)量法研究了超低磨損PTFE納米復(fù)合材料轉(zhuǎn)移膜的發(fā)展情況，結(jié)果表明，在高磨損磨合期間，轉(zhuǎn)移膜包含大的板狀碎片；在過渡時(shí)期，轉(zhuǎn)移膜非常薄，沒有松散黏附碎片的跡象；在低磨損穩(wěn)態(tài)期間，轉(zhuǎn)移膜具有島嶼形態(tài)，隨著時(shí)間的推移，相鄰島嶼相遇、合并，并形成一個(gè)連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜。

縱觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PTFE的研究，可大致可分為三類：摩擦條件(載荷、速度、溫度、配對(duì)副等)對(duì)PTFE及其復(fù)合材料摩擦磨損特性的影響；添加劑對(duì)PTFE性能的影響；PTFE及其復(fù)合材料的潤(rùn)滑機(jī)制。不難發(fā)現(xiàn)，很少有學(xué)者對(duì)PTFE成型之前的粉末進(jìn)行深入探討。

顆粒流潤(rùn)滑是根據(jù)顆粒物質(zhì)系統(tǒng)理論提出的一種新型的固體潤(rùn)滑方式，是將固體材料以顆粒或粉末狀態(tài)直接導(dǎo)入摩擦副中[14-15]。SAWYER等[16]通過低速氮?dú)鈿饬鲗㈧F化后的硼酸粉末導(dǎo)入到銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的滑動(dòng)接觸摩擦副間隙中，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)能維持在0.1以下，磨損量降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)。孟凡凈等[17]為了研究顆粒流潤(rùn)滑狀態(tài)下的力鏈演變及動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，建立了剪切平行板間顆粒流潤(rùn)滑的分析模型，發(fā)現(xiàn)顆粒流潤(rùn)滑系統(tǒng)的承載和動(dòng)力學(xué)特性主要受法向接觸力的影響。本文作者以PTFE粉末為研究對(duì)象，探究PTFE粉末顆粒流潤(rùn)滑的摩擦學(xué)特性，以及法向載荷對(duì)其潤(rùn)滑和減磨性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所采用的潤(rùn)滑劑為PTFE粉末，產(chǎn)自南京天詩(shī)新材料科技有限公司，型號(hào)為PTFE-0146，粒度為5～7 μm；摩擦副的上試樣為氮化硅(Si3N4)圓柱銷(見圖2(a))，試樣尺寸為φ5 mm×10 mm；下試樣為Si3N4塊(見圖2(b))，試樣尺寸為30 mm×10 mm×5 mm。上、下試樣表面都經(jīng)過拋光處理，表面粗糙度Ra≤0.2 μm。潤(rùn)滑劑及上下試樣的物理性能見表1。

圖2 Si3N4上試樣和下試樣

表1 PTFE和Si3N4的物理性能參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MFT-5000)進(jìn)行氮化硅銷-盤滑動(dòng)摩擦測(cè)試，下試樣固定夾緊在往復(fù)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上試樣固定夾緊在加載器上，實(shí)現(xiàn)豎直方向的加載，試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)及原理如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

文中采取干摩擦和PTFE粉末潤(rùn)滑的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。PTFE粉末潤(rùn)滑時(shí)對(duì)PTFE粉末進(jìn)行一次性添加，將其均勻地涂抹在下試樣表面，厚度1～2 mm。實(shí)驗(yàn)分別在50、60、70、80和90 N載荷條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)接觸滑動(dòng)速度為0.2 m/s，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為40 min。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，空氣相對(duì)濕度為45%～50%。每次實(shí)驗(yàn)前用丙酮將上、下試樣超聲清洗5 min，然后用吹風(fēng)機(jī)干燥，以保證樣品表面潔凈度。

1.3 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)過程中通過摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄摩擦因數(shù)的變化情況，分析PTFE粉末和載荷對(duì)試樣摩擦學(xué)特性的影響；實(shí)驗(yàn)后通過掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線能譜儀(EDS)對(duì)摩擦后試樣進(jìn)行觀測(cè)，分析試樣在不同潤(rùn)滑條件下的磨損及潤(rùn)滑機(jī)制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)特性

將PTFE粉末潤(rùn)滑和干摩擦2種潤(rùn)滑方式的摩擦因數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。可以看出,PTFE粉末潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)明顯小于干摩擦條件下的摩擦因數(shù)，且在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)持續(xù)保持低且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)。這表明PTFE粉末具有良好的潤(rùn)滑效果，且在一次性添加的前提下，顆粒流潤(rùn)滑方式的穩(wěn)定性也很好，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

另外，通過圖4還可以發(fā)現(xiàn)2種摩擦條件下摩擦因數(shù)曲線存在著較大差異。干摩擦條件下，摩擦因數(shù)曲線先迅速升高，持續(xù)一段時(shí)間后，摩擦因數(shù)曲線保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)；在PTFE粉末潤(rùn)滑條件下，初始摩擦階段的摩擦因數(shù)曲線有一定的波動(dòng)，隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦因數(shù)迅速降低至0.1左右，波動(dòng)的幅度也大大減小，趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的主要原因是，在干摩擦條件下2個(gè)表面在剛接觸時(shí)由于表面存在較多的微凸體，會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，隨著接觸表面微凸體被磨平，磨損趨于穩(wěn)定[18]；在PTFE粉末潤(rùn)滑的起始階段，并未形成有效潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，此時(shí)還處于磨合階段[19]，與干摩擦類似，當(dāng)接觸面平滑后，PTFE轉(zhuǎn)移膜逐漸生成，從而起到良好的潤(rùn)滑作用，使摩擦因數(shù)迅速降低并趨于穩(wěn)定。

圖4 不同載荷下潤(rùn)滑條件對(duì)摩擦因數(shù)的影響

2.2 載荷對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

圖5所示為不同潤(rùn)滑條件下穩(wěn)定摩擦階段的摩擦因數(shù)的平均值隨載荷的變化。

圖5 不同潤(rùn)滑條件下的平均摩擦因數(shù)隨載荷的變化

在干摩擦條件下，摩擦因數(shù)隨著載荷的增加呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢(shì)；在PTFE粉末潤(rùn)滑時(shí)，摩擦因數(shù)隨載荷增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，當(dāng)載荷為70 N時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到最小，為0.07。分析原因，是因?yàn)樵诟赡Σ習(xí)r，增加載荷使氮化硅表面微凸體接觸數(shù)量增多，微接觸面積增大，產(chǎn)生的摩擦力也較大[18,20]。隨著載荷進(jìn)一步增加，摩擦界面的閃點(diǎn)溫度急劇升高，使表面微凸體發(fā)生軟化，在載荷的作用下發(fā)生黏著[21]，黏著層的出現(xiàn)使摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。在粉末潤(rùn)滑時(shí)，隨著載荷增加，轉(zhuǎn)移膜的厚度增加，使摩擦因數(shù)降低，但同時(shí)也導(dǎo)致磨損量增加[6,12,22]，當(dāng)載荷增加到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)移膜的磨損量大于它的生成量，也就導(dǎo)致摩擦因數(shù)又呈上升趨勢(shì)。

2.3 磨損機(jī)制與潤(rùn)滑機(jī)制

圖6(a)(b)所示為70 N時(shí)2種不同潤(rùn)滑條件下試樣的SEM圖。干摩擦?xí)rSi3N4表面存在明顯的塊狀剝落以及大量的游離磨屑；PTFE粉末潤(rùn)滑時(shí)，Si3N4表面幾乎沒有損傷，表面被一層薄膜所覆蓋。為了確認(rèn)該薄膜的成分，對(duì)其進(jìn)行了EDS掃描分析，如圖6(c)所示。掃描結(jié)果表明，F(xiàn)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)40.35%，位列第一，C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅次于N元素，位列第三。而PTFE的主要成分為C元素和F元素，因此，該薄膜是PTFE粉末在載荷作用下擠壓轉(zhuǎn)移形成的。綜上所述，干摩擦?xí)r的磨損機(jī)制是以磨粒磨損為主；PTFE粉末潤(rùn)滑時(shí)發(fā)生了材料的轉(zhuǎn)移，粉末以轉(zhuǎn)移膜的形式粘附在摩擦表面，該轉(zhuǎn)移膜具有低剪切應(yīng)力[23]，起到了固體潤(rùn)滑的作用。

圖6 不同潤(rùn)滑條件下Si3N4上試樣的表面形貌及轉(zhuǎn)移膜的EDS圖

圖7所示為PTFE粉末潤(rùn)滑時(shí)不同載荷條件下上試樣的SEM圖。當(dāng)載荷較低時(shí)，PTFE轉(zhuǎn)移膜在Si3N4表面分布不連續(xù)，但是明顯可以看出載荷為60 N時(shí)表面轉(zhuǎn)移膜的覆蓋面積要大于載荷為50 N時(shí)；隨著載荷增大到70 N，Si3N4表面轉(zhuǎn)移膜變得相對(duì)連續(xù)，呈現(xiàn)較為完整的大面積塊狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)載荷超過70 N時(shí)，表面轉(zhuǎn)移膜的質(zhì)量開始下降，如圖7(d)、(e)所示。轉(zhuǎn)移膜的覆蓋比和連續(xù)情況與2.2節(jié)中的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)相一致，這也再次說明轉(zhuǎn)移膜的生成情況直接影響摩擦副的摩擦學(xué)特性。

圖7 PTFE粉末潤(rùn)滑時(shí)不同載荷下的Si3N4上試樣表面形貌

3 結(jié)論

(1)添加PTFE粉末的顆粒流潤(rùn)滑方式使得氮化硅摩擦副的摩擦因數(shù)降低且穩(wěn)定，該潤(rùn)滑方式具有很好應(yīng)用前景。

(2)在摩擦滑動(dòng)過程中，PTFE粉末在摩擦副間隙中形成轉(zhuǎn)移膜并粘附在摩擦表面，從而改變摩擦接觸狀態(tài)，起到潤(rùn)滑和保護(hù)表面的作用。

(3)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著載荷增加，轉(zhuǎn)移膜的覆蓋面積和連續(xù)性先變好再變差。這一變化也直接導(dǎo)致摩擦因數(shù)發(fā)生了相同的變化趨勢(shì)。

(4)干摩擦條件下的試樣磨損機(jī)制主要為磨粒磨損；PTFE粉末潤(rùn)滑的機(jī)制為PTFE粉末受壓形成低剪切應(yīng)力的轉(zhuǎn)移膜，起到潤(rùn)滑作用。