PTFE/芳纶纤维编织衬垫自润滑关节轴承的黏接性能及摩擦学性能

李迎春　邱　明　苗艳伟

1.河南科技大学,洛阳,471003　2.机械装备先进制造河南省协同创新中心，洛阳，471003



PTFE/芳纶纤维编织衬垫自润滑关节轴承的黏接性能及摩擦学性能

李迎春1,2邱明1,2苗艳伟1

1.河南科技大学,洛阳,4710032.机械装备先进制造河南省协同创新中心，洛阳，471003

摘要：对PTFE/Kevlar纤维混合编织衬垫分别进行超声波处理、稀土CeO2处理后，制备了自润滑关节轴承，利用Instron5944型电子万能材料试验机和自制的高频摆动摩擦磨损试验机对关节轴承进行了剥离强度测试和摩擦磨损性能试验，考察了前处理工艺对关节轴承的黏接性能和摩擦学性能的影响，并采用扫描电镜(SEM)观察分析了衬垫表面的微观形貌变化，以探究轴承的摩擦学性能与衬垫形成PTFE转移膜的成膜性能之间的关系。结果表明，衬垫经改性前处理后，不仅提高了衬垫与基体的黏接性能,而且提高了轴承的摩擦学性能；轴承的摩擦学性能与其在摩擦磨损过程中形成PTFE转移膜的成膜性能之间存在一定的对应关系，即PTFE转移膜的形成越快,耐磨性、均匀连续性越好，在摩擦磨损过程中表现出较优的摩擦诱导成膜性能，其摩擦学性能也越优。

关键词:关节轴承;摩擦;磨损;衬垫;PTFE转移膜;黏接

0引言

纤维编织衬垫自润滑关节轴承具有低噪声、低摩擦因数、无油污染、环保等特点,已被广泛应用于工程机械以及航空飞行器等领域[1-3],其结构特点是轴承外圈内球面粘有一层纤维编织衬垫，其自润滑功能通过衬垫与内圈摩擦过程中产生的转移膜实现。在使用过程中，此类轴承的主要失效形式是衬垫的磨损，也会出现衬垫因黏接不牢而脱落导致轴承丧失自润滑功能的现象。衬垫与内圈在摩擦过程中转移膜的形成状况(厚度、连续性、致密性、均匀性等)将直接影响其运行特性、摩擦学性能及使用寿命,而衬垫的纤维材料、编织纹路以及与外圈的黏接质量也直接影响此类关节轴承的摩擦学性能[4-5]。因此，如何提高衬垫的黏接质量以及深入研究轴承的摩擦学性能与转移膜的成膜性能之间的关系对提高轴承服役性能和使用寿命具有重要意义。本文以PTFE/Kevlar纤维混合编织衬垫自润滑关节轴承为研究对象，对经不同改性前处理工艺制备的关节轴承进行剥离强度测试和摩擦学性能试验,考察前处理工艺对关节轴承的黏接性能和摩擦学性能的影响，研究衬垫黏接性能及摩擦学性能与成膜性能之间的关系。

1试验部分

1.1试样制备

试验选用PTFE/Kevlar纤维混合编织、内径为40mm的自润滑关节轴承，其中富含PTFE的一面为摩擦面,另一面作为黏接面，其结构如图1所示。衬垫黏接前，分别对其进行超声波处理及稀土CeO2溶液处理,上述过程称为改性前处理。超声波处理的具体工艺如下：将衬垫浸到装有N、N-二甲基乙酰胺溶液的超声清洗槽中处理10～30min,然后将经过超声刻蚀的纤维衬垫用80～100 ℃的蒸馏水淋洗5～10min,最后在温度为80～100 ℃的烘箱中烘干10～30min。稀土CeO2溶液处理是将衬垫在常温下浸入含有CeO2的稀土溶液中浸泡1～2h(浸泡液的其他成分为质量分数为0.5%～2%的HNO3、0.01%～0.05%的CO(NH2)2、1%～3%的NH4Cl以及90%～97%的去离子水按一定比例配制)，在温度为80～100 ℃的烘箱中烘干2～3h后,再放在空气中平衡12～24h。

1.2试验方法

1.2.1剥离试验

剥离强度是衡量衬垫黏接性能的重要指标,图2为剥离强度测试示意图。利用自制的关节轴承剥离夹具将试样夹持在Instron5944型电子万能材料试验机上,两夹具以一定的速度远离,将纤维衬垫从自润滑关节轴承外圈内球面上剥离下来。参照美国航空标准SAE-AS81820[6],制定本试验的剥离角度为140±40°,剥离速度为19mm/min,采集间隔为2ms。剥离前进行衬垫黏附度检验,保证其90%紧紧黏附；剥离后进行牢靠性检验,不允许有外接圆直径相当于外圈宽度的25%或6.35mm(取两者较小者)的未黏牢区域。

利用Origin软件对剥离曲线进行求积处理来计算剥离强度(每个试验点重复3次，最后取平均值)，其具体计算公式为

(1)

式中,C为剥离曲线图上单位高度所代表的载荷,N/mm；S为剥离曲线求积的面积,mm2;L为衬垫剥离的长度,mm;D为剥离试样的宽度,mm。

1.2.2摩擦磨损试验

摩擦磨损试验在自制的关节轴承性能试验机上进行,其结构如图3所示。

经多次试验比较，最终确定的摩擦磨损试验方案如下：旋转摆动频率为2.5Hz，摆动角度为±10°,加载到关节轴承外圈上的载荷为30MPa。整个试验过程中加载载荷保持恒定不变,旋转摆动时间t分别为50、100、150、200、250、300、350min,达到规定的摆动时间后停止试验,每个试验点重复测两次,取其平均值。试验前先静压20min,待变形量稳定后开始试验。摩擦因数由扭矩传感器测得的扭矩值经过换算获得;磨损量为关节轴承磨损后的径向线位移量，采用机械式测微杠杆百分表测量。摩擦温度采用接触式测温方法，将热电偶插入距关节轴承摩擦表面一定距离的φ1.2mm小孔内,实时记录试验过程中摩擦温度的变化，摩擦温度取试验过程中测得的最大值。

1.2.3微观分析

利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜和EDAX能谱仪综合分析自润滑关节轴承磨损后衬垫的微观形貌和元素组成。

2结果与分析

2.1关节轴承的黏接性能

图4所示为衬垫经不同改性前处理后测得的关节轴承的剥离强度。可以看出，衬垫经超声波及稀土CeO2处理后,轴承的剥离强度均有所提高，其中衬垫经超声波处理后，关节轴承的剥离强度提高幅度最大，与未处理的剥离强度相比提高了约30%；经稀土CeO2处理的剥离强度次之，与未处理的剥离强度相比提高了22%。

分析后发现，衬垫经超声波处理后剥离强度提高的主要原因是衬垫经超声处理后，有效清除了衬垫表面的附着物，并且超声产生的空化效应还起到了刻蚀芳纶纤维表面的作用[7],增加了纤维的表面粗糙度,改善了纤维与胶黏剂之间的浸润性[8-9],这大大提高了衬垫的黏接性能。而经稀土处理后衬垫剥离强度提高的主要原因是稀土元素具有突出的化学活性[10-11],可将改性剂中的羧基基团(-COOH)、羟基基团(-OH)等引入纤维衬垫表面[12],增加了芳纶纤维表面含氧活性基团的浓度,改善了纤维与胶黏剂之间的浸润性，从而提高了衬垫与外圈的界面结合力[13-15],提高了衬垫的黏接性能。

图5～图7所示为衬垫改性前后的剥离曲线。可以看出，衬垫在剥离过程中剥离载荷随剥离长度的变化曲线呈锯齿状波动，衬垫经超声波及稀土CeO2处理后,剥离载荷整体有所提高，其中经超声波处理后的剥离载荷提高显著，平均剥离载荷达到7N,而未经改性处理的仅为3.8N,提高了近1倍,并且剥离曲线波动幅度不大,曲线较为平滑(图6),表现为衬垫黏接质量较高,黏接性能较好;衬垫经稀土CeO2处理后剥离载荷的提高次之,且剥离曲线波动也不大，较为平滑(图7),表现为黏接质量平均水平较高,黏接性能较好。

2.2关节轴承的摩擦磨损性能

在摆动频率为2.5Hz、载荷为30MPa的条件下,衬垫改性前后轴承的摩擦学性能随旋转摆动时间的变化曲线如图8～图10所示。可以看出，衬垫经超声波及稀土CeO2处理后,关节轴承的摩擦因数、磨损量及摩擦温度均有所减小，表明衬垫经改性处理后轴承的摩擦学性能有较大改善，其中,衬垫经稀土CeO2处理后的轴承摩擦学性能最优。对比不同摆动时间下的三个测量参数，在摆动时间小于100min(初始阶段)时，三个测量参数快速增大，在100～300min之间逐渐趋于稳定，此阶段可视为成膜阶段，最后在摆动时间超过300min(最终阶段)时测量参数再次增大。

从图8可以看出,与改性前相比，衬垫经超声波及稀土CeO2处理后轴承的摩擦性能均得到改善,轴承经稀土CeO2处理后的摩擦性能优于经超声波处理后的摩擦性能。

从图9可以看出,与改性前相比,衬垫经超声波及稀土CeO2处理后轴承的磨损量均有所减小。在摆动至350min时,未处理轴承的磨损量为45.5μm,衬垫经超声波处理的轴承磨损量为38.5μm,耐磨性提高约15%;衬垫经稀土CeO2处理的轴承摩损量为22.5μm,耐磨性提高50%，耐磨效果最好。

由图10可知,与改性前相比,衬垫经超声波及稀土CeO2处理后的轴承摩擦面的温升均得到了抑制,其中轴承经稀土CeO2处理后的降温效果优于经超声波处理后的降温效果。在整个试验阶段，未处理的轴承摩擦温度为66℃，经超声波处理的轴承摩擦温度为56℃，降低了约15%;经稀土CeO2处理的轴承摩擦温度为43℃,降低了35%,降温效果明显。

由试验结果可以看出，衬垫经超声波及稀土CeO2处理后,衬垫与基体的黏接性能及轴承的摩擦学性能均有所提高,衬垫经超声波处理后轴承的黏接性能虽好，但其摩擦学性能却不及经稀土CeO2处理的摩擦学性能，其原因在于，衬垫经超声波处理后虽然可以起到刻蚀芳纶纤维表面、增加纤维表面粗糙度的效果，改善了作为黏接面的芳纶纤维的性能，从而提高了衬垫与轴承外圈内表面的黏接性能，但对作为摩擦面的PTFE纤维的性能改善不大，仅起到了清洁其表面杂质、油污的作用。而稀土溶液因其化学活性强，衬垫经稀土溶液处理后不仅增加了黏接面芳纶纤维表面活性官能团的浓度，而且增加了摩擦面PTFE纤维表面活性官能团的浓度，从而显著增大了其在摩擦磨损过程中的表面附着力，阻止已形成的片层状PTFE转移膜大面积破坏，增强了转移膜与衬垫表面的结合力。

2.3关节轴承的摩擦学性能与其成膜性能的关系分析

图11～图22为衬垫改性处理前后轴承在摆动频率为2.5Hz、接触压力为30MPa及摆动时间分别为50、100、250、350min磨损后的SEM照片。轴承的摩擦学性能与转移膜的形成状况密切相关,分析轴承磨损后的SEM照片发现,初始阶段(摆动时间小于100min),当旋转摆动时间达50min时,未处理的轴承衬垫表面的PTFE纤维刚开始产生塑性变形,织物表面组织结构清晰可辨(图11)；摩擦学性能与未处理的相比较优的经超声波处理的轴承,其磨损后衬垫表面的PTFE纤维此时产生了大面积的塑性变形,但其表面尚未有PTFE转移膜形成(图12)；而摩擦学性能与超声波处理相比较优的稀土CeO2处理的轴承，其磨损后衬垫表面的PTFE纤维不仅发生了明显的塑性变形，而且在摩擦剪切力和法向载荷共同作用下出现了“冷流”现象[16]，开始对织物表面间隙进行铺展填充，织物表面变得较为平整(图13)。

成膜阶段(摆动时间在100～300min之间),当旋转摆动至100min时,未处理的轴承衬垫表面只是产生了较为明显的塑性变形(图14),并未在凸起部分形成PTFE转移膜;而此时经超声波处理后的轴承衬垫表面已开始在凸起部分形成PTFE转移膜(图15)，这也是其摩擦学性能优于未处理的主要原因；经稀土CeO2处理的轴承此时也在衬垫表面覆盖了较大面积的PTFE转移膜，形成的PTFE转移膜较连续且平整光滑(图16)。

当摆动时间增至250min时,未处理的轴承磨损后衬垫表面也形成了较大面积的PTFE转移膜,但也出现了部分PTFE转移膜脱落的现象(图17)，试验后用脱脂棉对轴承衬垫表面未脱落的PTFE转移膜进行擦拭，可以将其擦去，表明轴承磨损后衬垫表面形成的PTFE转移膜与基体的附着性差，表现为摩擦学性能较差。而此时经超声波处理的衬垫表面形成的PTFE转移膜已连接成片，形成了大面积连续的PTFE转移膜(图18)，并未出现PTFE转移膜脱落的现象；经稀土CeO2处理的衬垫表面形成的PTFE转移膜的均匀性和连续性更好，形成的PTFE转移膜完整且厚薄均匀(图19)。用脱脂棉对试验后经超声波及稀土CeO2处理的轴承磨损后衬垫表面的PTFE转移膜进行擦拭，不能将其擦去，表明经超声波及经稀土CeO2处理的轴承磨损后衬垫表面形成的PTFE转移膜黏附性较好，从而使转移膜能在较长时间内保持其自润滑功能。

最终阶段(摆动时间大于300min),当摆动时间增至350min时,未处理的轴承衬垫表面有大量的转移膜脱落(图20),这些脱落的PTFE转移膜转变成磨屑，进而加剧了轴承的磨损，导致其摩擦学性能下降；而经超声波及稀土CeO2处理的轴承磨损后衬垫表面形成的PTFE转移膜仍保存得较完整(图21、图22)，仅有少部分PTFE转移膜脱落，使芳纶纤维裸露出来，表明经超声波处理及稀土CeO2处理的轴承磨损后衬垫表面形成的PTFE转移膜耐磨性较好，表现为衬垫经改性处理后的轴承摩擦学性能优于未处理的轴承的摩擦学性能。

相同试验条件下,改性前后衬垫磨损表面化学元素C、F的含量随摆动时间的变化曲线如图23、图24所示。可以看出，在初始阶段，C元素的质量分数升高，而F元素的质量分数却下降；与未处理相比，改性后衬垫表面C元素的质量分数明显降低，由于F元素包在聚四氟乙烯C-C主链的外部，其表面的C元素很难被检测，因此，EDS分析中C元素主要来自芳纶纤维，而在此阶段，由于衬垫表面的PTFE纤维在摩擦剪切力和法向载荷共同作用下发生“冷流”，导致衬垫表面单位面积内F元素的含量下降。与未处理相比,改性后衬垫表面F元素的质量分数 (其中EDS分析中F元素的质量分数主要来自PTFE纤维中的氟) 有所升高，说明改性处理后的轴承磨损后衬垫表面裸露的芳纶纤维较少，织物表面大多被发生塑性变形的PTFE纤维所覆盖，尤其是经稀土CeO2处理后的衬垫磨损后表面裸露的芳纶纤维与超声波处理后的芳纶纤维相比较少。

随着摆动时间的增加，在成膜阶段，C元素的质量分数逐渐下降，而F元素的质量分数却逐渐升高，表明其表面裸露的芳纶纤维逐渐减少，逐渐被PTFE转移膜覆盖，并且PTFE转移膜的厚度也逐渐增加，出现了F元素含量逐渐上升的趋势。与未处理相比，在此阶段，衬垫经超声波及稀土CeO2处理的轴承磨损后衬垫表面的F元素含量增加，说明改性处理后的轴承磨损后衬垫表面覆盖有较多的PTFE转移膜。

随着摆动时间的继续增加，在最终阶段，F元素的含量下降，这是由于随着摆动时间的持续增加，衬垫表面形成的PTFE转移膜逐渐变薄，导致F元素的含量有所下降，而此时，经改性处理后衬垫表面F元素的含量仍大于未处理的衬垫表面F元素的含量,表明改性处理后的衬垫磨损后在其表面仍然覆盖有较多的PTFE转移膜，尤其是经稀土CeO2处理的轴承磨损后衬垫表面形成的PTFE转移膜较致密且耐磨性较优。

综上所述，衬垫经超声波及稀土CeO2处理后不仅提高了轴承的摩擦学性能，而且提高了轴承在摩擦磨损过程中的成膜性能，其摩擦学性能与成膜性能之间具有较好的对应关系，即PTFE转移膜的形成越快,耐磨性、均匀连续性越好，在摩擦磨损过程中表现出较优的摩擦诱导成膜性能，其摩擦学性能就越好，这也是经稀土CeO2处理的轴承在整个试验过程中摩擦学性能较优的原因。

3结论

(1)衬垫经超声波及稀土CeO2处理后，不仅提高了衬垫与基体的黏接性能，而且提高了轴承的摩擦学性能。这一改性方法已用于生产，取得了良好的效果。

(2)轴承的摩擦学性能与其在摩擦磨损过程中形成PTFE转移膜的成膜性能之间存在一定的对应关系，即PTFE转移膜的形成越快,耐磨性、均匀连续性越好，在摩擦磨损过程中表现出较优的摩擦诱导成膜性能，其摩擦学性能也较优。

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(编辑陈勇)

BondingBehaviorandTribologicalPropertyforSelf-lubricatingSphericalPlainBearingswithPTFE/KevlarWovenLiners

LiYingchun1,2QiuMing1,2MiaoYanwei1

1.HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang,Henan,4710032.MechatronicsEngineeringCollaborativeInnovationCenterofMachineryEquipmentAdvancedManufacturing,Luoyang,Henan,471003

Keywords:sphericalplainbearing；friction；wear;liner；PTFEtransferfilm;bonding

Abstract:ThelinersofhybridPTFE/Kevlarfabricsweremodifiedwithtwodifferentmethods(ultrasonicwavetreatedandrareearthCeO2treated).ThepeelingstrengthwasmeasuredusingInstron5944electronicuniversalmaterialtestingmachineandhignfrequencypendularfrictionweartestingmachine,thetribologicalpropertywasinvestigatedusingthesphericalplainbearingtesterwithhighswayingfrequency,andwornsurfacesobservedbyscanningelectronmicroscope(SEM).Theeffectsofpretreatmentmethodsonthebondingpropertyandtribologicalpropertyofsphericalplainbearingsandtherelationofthetribologicalpropertyandfilm-formingbehaviorwouldbeinvestigated.Theresultsshowthatthebondingbehaviorofthemodifiedbearingsisimproved,anditstribologicalpropertyisimprovedaswell.Thereisacorrelationbetweenthetribologicalpropertyandfilm-formingbehavior.WhenmoresmoothandcontinuousPTFEtransferfilmisformedinshorttime,itstribologicalpropertyisalsobetter.

收稿日期：2015-04-07

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275155);河南省高校科技创新团队支持计划资助项目(13IRTSTHN025)

作者简介：李迎春,女,1969年生。河南科技大学机电工程学院副教授。主要研究方向为摩擦学及表面工程。邱明，女，1969年生。河南科技大学机电工程学院教授、博士研究生导师。苗艳伟，男，1987年生。河南科技大学机电工程学院博士研究生。

中图分类号：TH117.1

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.013