粘结性涂层的摩擦磨损特性

马 纲，赵永武，唐海霞

(1.江苏城市职业学院，江苏无锡 214011;2.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122)

粘结性涂层的摩擦磨损特性

马 纲1，赵永武2，唐海霞2

(1.江苏城市职业学院，江苏无锡 214011;2.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122)

采用球-盘式摩擦磨损试验机，研究了粘结性钢-聚四氟乙烯涂层在不同速度和载荷条件下的摩擦磨损特性。采用扫描电子显微镜观测了磨损后涂层的表面形貌，探讨了涂层的摩擦磨损机理。研究发现:随载荷的增加，涂层的摩擦系数和磨损率降低;随速度的增加，涂层摩擦系数趋于恒值，而磨损率增加。扫描电子显微镜分析表明:这是由于高速条件下，涂层与滚球表面转移膜的形成引起的。

钢;聚四氟乙烯;摩擦磨损;转移膜

引 言

合金镀层由于具有优良的物理化学性能，在工程应用中越来越受到人们的重视［1-2］。近来，为了进一步提高合金镀层的耐磨性能，常添加各种粒子如石墨、MoS2或聚四氟乙烯(PTFE)等与基材共沉积，产生良好的自润滑效果［3-4］。但存在镀液稳定性差、镀液成分和工艺参数对镀层质量的影响敏感和复合镀工艺复杂的缺点。为此，采用气相沉积、粘结固体润滑膜等方法制备PTFE固体自润滑涂层成为研究者探索的另一热点问题［5-6］。粘结固体润滑膜可替代许多机械设备传统的油、脂润滑材料，改善摩擦副的润滑性能，同时适用于无油润滑的干摩擦场。然而，对钢-PTFE 涂层的摩擦磨损性有待系统的研究，特别是对磨损机理的探讨甚少。

1 实验

1.1 实验材料

样品为69 mm ×7 mm的45#钢，经过化学、机械抛光等前处理。将PTFE与树脂粘结剂喷涂在气相沉积PTFE薄膜的涂层上，然后在280℃下固化烧结40min。一般固体润滑膜的后处理可采用常温固化或者高温固化，在280℃下固化得到的粘结固体润滑膜的综合性能优于常温固化。

1.2 聚四氟乙烯气相沉积工艺

抛光试样先经水洗、烘干及超声波清洗除油，用无水酒精擦洗后，快速烘干再放入磁控设备真空腔，在JZCK2420B高真空多功能磁控溅射设备上进行磁控溅射。其参数设置为:负偏压5 kV，射频功率160 W，频率200 Hz，气压 0.1 Pa，溅射时间为 4 h，涂层厚度为2μm。

1.3 实验测试方法

1.3.1 涂层硬度的测量

运用MH-3型维氏显微硬度计测量基体硬度和涂层的硬度，为了保证不受在制膜过程中可能出现的微小气泡等的影响，对每块试样均进行了多次取点进行测量，取其均值来表示涂层的硬度，设备打点采用的载荷为2.00N，涂层硬度约为200HV。

1.3.2 涂层的摩擦磨损试验

摩擦磨损试验在清华大学研制的球－盘摩擦磨损试验机上进行，采取点接触的方式。摩擦副为GCr15的滚珠，其硬度在950HV左右。通过不同时间条件下，记录切向力与摩擦力的方法，获取摩擦系数随时间变化的关系曲线。摩擦力采样频率:1Hz，摩擦状态为干摩擦滑动摩擦磨损。磨损质量用感量万分之一的奥豪斯Adventurer的光电分析天平进行测量。利用Quaunta-200扫描电子显微镜观察磨损后的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 载荷与速度对摩擦系数的影响

如图1所示，在40、60和80N载荷下，对涂层进行了摩擦磨损试验。

图1 不同载荷和速度下摩擦系数随时间变化关系

图1(a)～(c)，转速为100r/min的情况下，摩擦系数随着载荷增加有略下降的趋势，摩擦系数稳定在0.18～0.25 之间。图1(d)～(f)，在 150r/min 转速下，摩擦系数随着载荷增加呈略微下降趋势，摩擦系数稳定在0.19～0.27之间。图 1(g)～(i)，在 250 r/min转速下，摩擦系数基本稳定在0.25～0.27之间。可以看出，在速度和载荷较小的条件下，涂层的摩擦系数较稳定。

这是由涂层本身性质所决定的，与摩擦过程中真实的接触面积有关。随着载荷的增加，涂层发生的弹塑性变形增加，和摩擦副相比涂层硬度较低，且具有相对较好的塑性;在承受较大的载荷后，在涂层表面的压入深度变大，名义接触面积同时增大;从微观角度来说，涂层对摩擦副有着类似“包裹”的作用，从而造成摩擦系数降低的现象。摩擦系数与载荷和实际接触面积具有如下关系:μ=(S×A)/P［7］，其中S为材料的剪切强度，A为实际接触面积，P为载荷，剪切强度为定值。可以看出:一方面，载荷增加，摩擦系数减小;而另一方面，实际接触面积的增加提高了摩擦系数。但是A增大的趋势与P增大的趋势相比相对缓慢，因此摩擦系数随载荷增大呈现略微下降的趋势。这与文献［8］相似.从摩擦性能来说，PTFE复合涂层拥有较稳定的摩擦系数。

2.2 载荷与速度对涂层磨损量的影响

在与钢球组成的摩擦副中，复合涂层表现为主要磨损方。在摩擦磨损过程中，初期有不少磨屑形成，随着摩擦磨损时间的增加，300s后基本稳定，产生的磨屑减少。图2描述了不同速度和载荷条件下，涂层磨损率随载荷的变化关系。

图2 在不同速度下磨损率与载荷的关系

从图2中可以看出，在不同的速率下，涂层的磨损质量随着载荷的增加而减少。在速度较低的情况下，其磨损质量减小的趋势比较平缓，而在速度较高的情况下，减少趋势明显。但是随着速度的增加，涂层的磨损质量增加较为明显，可能是因为在速度变大的情况下摩擦热效应加强，材料在外加载荷方向和摩擦力方向产生变形甚至塑性流动，粘合在摩擦副表面，这样的粘合对摩擦系数没有影响甚至会使其变小，但是由于相对滑动速度的增加，粘附在摩擦副上的转移膜又被高速滑动带走，导致磨损质量的增加。同等载荷下，400 r/min的转速下的磨损量是100r/min转速下的2倍。

2.3 摩擦磨损机理

图3是摩擦磨损试验后的表面形貌。

图3 涂层在摩擦磨损后的表面形貌照片

图3(a)～(c)为在100r/min情况下不同载荷下的形貌，呈较完整的状态，表面较为平整，略有微凸。图3(c)的形貌相对图3(a)～(b)较平，在较小的速度和较大的载荷下，涂层的表面微凸被磨平，与摩擦副的接触面积增大.由于速度较低，能形成一层光滑且稳定的转移薄膜，而保持平稳且较低的摩擦系数，且进入平稳摩擦系数后，磨损质量随时间增加的速率降低;图3(d)～(f)为在400r/min下不同载荷下的磨损形貌，几乎都能看到有微粒状凸起，并且有快要被从涂层表面撕脱的趋势，图3(e)表现得尤其明显，在较高速度的摩擦磨损试验中伴随着磨屑的形成，复合粘结膜的硬度远低于摩擦副钢球，在高速的情况下，聚四氟乙烯以及制成涂层的填料、粘结剂等形成的微凸被摩擦副刮下，并以薄膜的方式附着在摩擦副的表面上;但是由于速度较高，摩擦过程中，这层转移膜很容易脱落，露出的新鲜表面继续粘附到表面上形成转移膜来降低摩擦系数，从而表现出较大的磨损率。然而，受到实验条件的限制，该转移膜机理有待进一步深入研究。

3 结论

1)随着载荷的增大，涂层摩擦系数降低;而随着速度的增加，涂层摩擦系数变化较小;

2)随着载荷的增大，涂层磨损率降低;而随着速度的增加，涂层磨损率增加;

3)在高速条件下，涂层和滚球之间形成的转移膜降低了摩擦系数，但增大了磨损率。

［1］王涛，安茂忠，张探.碱性锌-镍合金电镀白钝化工艺的研究［J］.电镀与涂饰，2002，21(4):14-19.

［2］韦春贝，巩春志，田修波，等.Cu-Zn掺杂对TiN复合膜层组织性能的调制［J］.无机材料学报，2009，(6):1231-1235.

［3］Ming D，Hou K，Wang L，et al.The friction and wear of Ni-P-PTFE composite deposits under water lubrication［J］.Materials Chemistry and Physics，2003，77(3):755-764.

［4］王利捷，杨军胜.钛合金表面MoS2/TiN复合涂层的摩擦性能研究［J］.表面技术，2010，39(2):11-13.

［5］唐海霞，赵永武.聚四氟乙烯复合薄膜的摩擦磨损性能［J］.江南大学学报(自然科学版).2008，7(3):335-338.

［6］Chen J，Ye Y，Dang H.Developing situation and application of bonded solid lubricant films［J］.Tribology，1994，14(2):180-189.

［7］唐海霞.钢丝圈表面耐磨耐蚀涂层的理论与试验研究［D］.无锡:2008:14-15.

［8］张欣涛，廖功熊，冯学斌，等.新型PPESK/聚四氟乙烯共混物的力学和摩擦磨损性能研究［J］.摩擦学学报，2007，27(4):330-334.

Friction and Wear Characteristics of the Cohesive PTFE Coatings

MA Gang1，ZHAO Yong-wu2，TANG Hai-xia2
(1.Jiangsu City Vocational College，Wuxi 214011，China;2.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi214122，China)

The friction and wear characteristics of cohesive PTFE coating on steel were investigated under variable loadings with different velocities by a ball-on-disc friction and wear tester.The surface morphology of the coatings after wear test were observed by SEM and the frictional and wear mechanism were also discussed.The results show that frictional coefficient and wear rate will decrease with the increase in the loading.It can also be found that the wear rate will increase while the frictional coefficient is almost unchanged with the increase in velocity.Further analysis reveals that the experimental data above are caused by the formation of a transfer film between the coatings and ball under the high velocity.

steel;PTFE;friction-wear;transfer film

TG174.4

A

1001-3849(2010)12-0018-04

2010-07-07

2010-08-20