自潤滑材料摩擦磨損性能探究范文

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摘要：研究了不同基體的自潤滑材料在無油和含油環(huán)境下的摩擦磨損性能，通過對端面試驗和圓環(huán)試驗的摩擦因數(shù)、磨損量或磨痕寬度的變化闡述，分析了不同基體的減磨層的摩擦磨損過程及機理。結果表明，在干摩擦環(huán)境下，PTFE基減磨層表現(xiàn)出了更低的滑動摩擦因數(shù)，且端面磨損量低于BMI基材料，而圓環(huán)試驗中的磨痕寬度兩者相反，BMI交聯(lián)反應形成的剛性骨架增大了摩擦初期的磨損量。3種材料的油潤滑端面磨損量均比較小，但BMI和PTFE基減磨層在油潤滑圓環(huán)試驗中的磨痕寬度與無油環(huán)境下的相比，分別減少了99.5%和22.6%，PTFE和POM基的油潤滑磨痕寬度和摩擦因數(shù)相近，BMI交聯(lián)反應后形成的交聯(lián)結構骨架及POM線性分子的高結晶度使減磨層強度較高，在油潤滑膜的隔離下，有利于提高其摩擦性能。

關鍵詞：自潤滑；摩擦；磨損；摩擦系數(shù)

在機械設備運轉的過程中，各部件在作用力傳遞過程中往往存在著相互摩擦與磨損。據(jù)統(tǒng)計，摩擦損失了世界一次性能源的1/3以上。為了延長機械部件的壽命，節(jié)約材料與能源，研發(fā)新的潤滑材料勢在必行[1]。潤滑材料基本可以分為氣體潤滑材料、液態(tài)潤滑材料、半固體潤滑材料和固體潤滑材料。液體潤滑材料一般為油潤滑，是使用最為廣泛的一種材料，但在滑動摩擦過程中無法保證充分的潤滑油儲備，潤滑油缺失則會導致材料嚴重磨損，而固體潤滑材料則可在無油狀態(tài)下實現(xiàn)固體潤滑效果[2-3]。固體潤滑材料是充分利用材料的層狀結構，或者分子間低的結合力，當對磨材料間受到剪切力時，實現(xiàn)分子間的低能量滑移，在相互摩擦介質(zhì)之間形成一薄層的固體潤滑膜，從而降低對偶材料間的摩擦因數(shù)，減輕其磨損程度。自潤滑固體復合材料是將固體潤滑材料通過軋制或其他物理、化學的方法黏附在背板上，使背板在無油狀態(tài)下?lián)碛辛己玫淖詽櫥匦訹4-5]。自潤滑材料可由摩擦因數(shù)較低的有機物或無機物組成，比如二硫化鉬、石墨、氮化硼、聚四氟乙烯、尼龍等。單一的材料體系一般無法實現(xiàn)自潤滑結構功能，而是要將多種材料配伍組合，綜合利用各材料的特性，實現(xiàn)自潤滑與結構的統(tǒng)一，這樣做，既保證了低的摩擦因數(shù)，又具有良好的強度、韌性、熱傳導等功能[6]。本文研究了改性聚四氟乙烯減磨層、改性聚甲醛減磨層和改性雙馬樹脂減磨層材料的減摩、耐磨性能，分析了各體系材料的減磨特性。

1材料和試驗過程

1.1試驗材料

改性聚四氟乙烯自潤滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號為FQ-PTFE，材料主要由聚四氟乙烯、二硫化鉬、玻璃纖維等組成。改性聚甲醛自潤滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號為FQ-POM，材料主要由聚甲醛、聚四氟乙烯、二硫化鉬等組成。改性雙馬樹脂自潤滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號為FQ-BMI，材料主要由雙馬來酰亞胺樹脂、聚四氟乙烯、二硫化鉬等組成。測試試樣由表面有自潤滑材料減磨層、中間銅球粉燒結層和鋼背三層材料復合組成，如圖1所示。將青銅銅球粉均勻地鋪在鋼板上，在還原性氣氛保護的環(huán)境下，高溫燒結制成青銅銅球粉多孔結構的銅鋼復合背板，然后將自潤滑材料鋪放在青銅銅粉多孔結構的銅鋼復合背板上，通過軋機軋制使得自潤滑材料均勻、分散地軋入銅粉多孔結構中，然后再經(jīng)過燒結制成試驗板。

1.2試驗方法

摩擦和磨損性能按照GB/T27553.1—2011測試，端面試驗機測試摩擦因數(shù)和磨損量，圓環(huán)試驗機測試摩擦因數(shù)和磨痕寬度。摩擦磨損試驗條件分2種，即干摩擦和油潤滑。

2結果與分析

2.1干摩擦試驗結果分析

自潤滑材料板材的端面試驗可以更直接地評價在規(guī)定轉速和時間下材料的耐磨性能，因改性POM復合材料在干摩擦時的摩擦因數(shù)和磨損量比較大，這類材料在干摩擦條件下并無應用價值。因此，干摩擦試驗僅對照改性PTFE和改性BMI兩類材料。

2.2油潤滑試驗結果分析

潤滑油對于各類型自潤滑材料的影響不一，尤其針對聚合物基自潤滑涂層，油膜的形成改變了對偶面的摩擦介質(zhì)。

3結論

雖然PTFE基的干摩擦因數(shù)高于BMI基材料，但磨損量優(yōu)于后者，F(xiàn)Q-PTFE試樣磨損后在對偶面快速形成轉移潤滑膜，而FQ-BMI試樣的剛性骨架使材料在初期磨損量比較大。BMI基材料在端面干摩擦試驗中的磨損量高于PTFE基材料，而BMI基材料在圓環(huán)試驗中的磨痕寬度卻遠遠小于PTFE基材料。改性BMI在減磨層內(nèi)交聯(lián)反應形成的剛性骨架起到了支撐作用，在對偶面形成潤滑膜后，可減小對減磨層基體的磨損程度。3種類型的材料在油潤滑條件下均具有較小的磨損量，3種類型材料圓環(huán)試驗機在油潤滑環(huán)境中，磨損量由大到小依次為FQ-PTFE＞FQ-POM＞FQ-BMI，POM和BMI基減磨層由于樹脂的高結晶度或者高交聯(lián)度影響，使主要磨損僅發(fā)生在油潤滑膜形成前的摩擦初期階段，當兩摩擦基面間形成轉移潤滑膜之后，磨損迅速減少。在摩擦初期階段，PTFE基減磨層的磨損由自身材料來減磨、潤滑，而油膜形成后，破壞了PTFE基減磨層轉移膜的形成條件，則轉變?yōu)橛蜐櫥櫥MI基減磨層在油潤滑環(huán)境下的圓環(huán)試驗中，磨痕寬度僅為無油狀態(tài)的0.5%，油膜隔離了2對磨結構，BMI基形接觸壓力，表5為3種材料在油潤滑環(huán)境下的圓環(huán)試驗機摩擦磨損試驗結果。3種類型材料的圓環(huán)試驗機在油潤滑環(huán)境下，滑動摩擦因數(shù)由大到小依次為FQ-POM＞FQ-PTFE＞FQ-BMI，F(xiàn)Q-PTFE、FQ-BMI相對于無油潤滑摩擦因數(shù)分別降低80.6%和86.5%.與端面摩擦不同，F(xiàn)Q-POM試樣的摩擦因數(shù)是三者最大的，這表明，POM基試樣在小的接觸面積摩擦過程中，以油為主的對偶面潤滑膜發(fā)生了破裂，但破裂過程是極為短暫的，破裂后隨即再生，這種短暫的破裂增加了油潤滑摩擦因數(shù)，但耐磨性骨架在一定程度上限制了材料磨損寬度。油潤滑條件下的FQ-PTFE的磨痕寬度比無油潤滑時的磨痕寬度降低了22.6%，磨痕寬度與FQ-POM相當，而FQ-BMI試樣的磨痕寬度降低了99.5%，磨痕寬度僅為0.01mm或更小（幾乎看不出來已摩擦過的痕跡）。BMI基的交聯(lián)骨架的高強度和分子高鍵能，大幅度增加了材料耐磨性能，在油潤滑條件下，這類材料對圓環(huán)摩擦并不敏感。雖然FQ-PTFE試樣擁有較低的摩擦因數(shù)，但基于PTFE基的改性材料剛性不足，在圓環(huán)壓力下，自潤滑材料減磨層易向對磨結構轉移，使磨痕寬度遠遠高于FQ-BMI。

參考文獻：

［1］喬紅斌，田雪梅，吳芳.高分子自潤滑材料研究進展［J］.材料導報，2007（10）：24-26.

［2］劉超鋒.國內(nèi)自潤滑軸承用材料的研究和開發(fā)［J］.鑄造技術，2006（04）：416-420.

［3］張招柱，沈維長，趙家政.幾種PTFE基自潤滑復合材料軸承在油潤滑條件下的摩擦學特性［J］.摩擦學學報，1993（03）：228-237.

［4］劉超鋒，楊振如.聚合物基自潤滑軸承材料［J］.橡塑資源利用，2007（01）：26-28，31.

［5］竇強，馮新，陸小華.聚甲醛自潤滑復合材料的開發(fā)與應用［J］.高分子材料科學與工程，2003（01）：36-40.

［6］丁華東，傅蘇黎，朱有利，等.自潤滑滑動摩擦系數(shù)研究［J］.兵器材料科學與工程，2001（04）：31-33.

作者：崔海超1；邰同波2；羅光華3 單位：1.中航工業(yè)復合材料技術中心，2.山東高密潤達機油泵有限公司，3.中電科第11研究所