聚四氟乙烯垫片磨损研究

甘泉源 李测测

摘 要：聚四氟乙烯具有很低的摩擦系数，是优异的固体润滑材料。通过添加不同体积比的铜粉，经过粉末冶金工艺制得改性聚四氟乙烯垫片，在不同摆角、固定摆动频率、常温干摩擦条件下对试件进行摆动磨损试验。研究填充铜粉聚四氟乙烯试件的磨损量以及磨损量与压强的关系。结果表明，其添加铜粉体积比为20%时表现出良好的耐磨损性能，5MPa时为摆动磨损试验的最低磨损量，最高承载达到7.5MPa，在此载荷条件下形成很好的表面转移膜，对试件的磨损量很小。

关键词：聚四氟乙烯 摆动磨损 压强 磨损量

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0088-02

聚四氟乙烯是一种良好的固体润滑材料，低摩擦系数和良好的化学稳定性，缺点是聚四氟乙烯的耐磨性较差、硬度低、磨损率高、导热性差等[1]，限制了聚四氟乙烯在机械领域中的应用。在聚四氟乙烯中加入填料使其成为复合材料可以明显降低磨损量[2-3]。通过不同方法和不同种类对聚四氟乙烯进行改性处理，在聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能方面进行了大量的研究[4-5]，其研究成果能为材料的结构和性能优化及应用提供理论依据。

近年来，国内外对聚四氟乙烯作为润滑剂的添加剂、涂层、基体填充在摩擦磨损方面做了大量研究[6-7]。在航空发动机的润滑油中添加聚四氟乙烯，提高了润滑效果；聚四氟乙烯当作涂层材料，降低摩擦因素，减少基体材料的磨损；航空、航天、核电、电子、军工等高新技术的快速发展，固体润滑在固体润滑材料与技术中已成为不可缺少的组成部分[8]。

1 实验内容

1.1 实验仪器

摩擦磨损试验机：其功能为垂直和水平双向加载摆动磨损，考核载荷区间均为0～3000kg，摆动角度为5°和15°，摆动频率约为1.59Hz，对摆动次数有计数功能的磨损试验机，主要考核一定厚度垫片常温干摩擦条件下承载摆转摩擦磨损性能和材料的疲劳特性。

1.2 实验方法

试验采用面接触方式，试件内径17mm，外径27mm；对偶件为45#钢调质处理轴套端面，接触面内径17mm，外径38mm。载荷为2.5～10MPa，摆动角度为15°，每摆动0.5万次作为一个计数，每个试件试验次数为10万次。试件开始试验之前需用砂子打磨试件摩擦面和对磨面，并用乙醇清洗打磨表面，进入磨损试验周期后避免对磨损表面造成污染和打磨，造成试验误差；每个磨损周期结束后，取下试件称重，依此计算磨损量，在同一点测量两个内径值、外径值、4个高度值，考察变形量，注意观察每个试件各周期磨损表面的磨損状况，在试件磨损结束后对比观察磨损表面的磨损情况。

2 实验结果及分析

2.1 磨损量分析

图1为不同压强摆动磨损曲线图，图中CuV20表示铜粉的填充体积比为20%，P××表示磨损压强值，磨损曲线表示磨损量随摆动磨损次数的变化关系。

磨损压强为2.5MPa时，磨损曲线变化类似于直线，磨损比较均匀，没有出现平稳磨损现象，由于处于小载荷磨损条件，磨损量相对较低。表面未形成完整的表面润滑滑膜，表面有部分摆动磨损痕迹，磨损表面完整。

磨损压强为7.5MPa时，开始磨损时磨损量过大，处于磨合期和表面润滑膜的生成期，到达一定磨损次数后进入稳定磨损阶段。摩擦表面形成良好的润滑膜，表面质量很好，试件没有出现任何可见磨损缺陷，形成的润滑膜有效的降低材料的磨损量。

磨损压强为10MPa时，曲线磨损量一直处于稳定增长形式，磨损后期基本为直线增长，试件剧烈磨损。其磨损表面质量很差，因载荷过高无法形成润滑膜，试件形变量较大。

2.2 压强对摆动磨损影响分析

图2为CuV20试件压强和磨损量关系曲线图，试件在2.5MPa时的磨损量大于5MPa，在区间5～7.5MPa时磨损量都处于平稳阶段，到达8MPa后磨损量增大，10MPa是出现剧烈磨损。试件在一定的压力作用下摆动磨损，摩擦过程中试件材料转移到与之对磨的45#钢材料表面，形成转移膜。摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，有效地减小试件的摩擦系数和磨损。磨损压强为2.5MPa时，试件对材料与对磨面有部分区域处于无润滑干磨损状态，5MPa时试件表面形成一层完整的润滑膜，对磨面也形成一层转移膜，故5MPa时磨损量小于2.5MPa。5～7.5MPa这个压强区间，磨损试件表面形成良好的润滑膜，磨损量都很小。压强在8MPa时表面没有形成固体润滑膜，磨损量变大，10MPa时试件表面出现大量磨痕，而且表面质量变差，磨损剧烈。CuV20材料在7.5MPa时摆动磨损为实验的最佳值，磨损表面形成良好的润滑膜并且磨损率很低。通过CuV20材料7.5MPa和10MPa的磨损量和磨损表面质量的对比，7.5MPa时形成完整润滑膜的磨损与10MPa磨损面因载荷过大无法形成表面润滑膜的磨损量对比，其结果相差不止一个数量级，由此可以证明，表面润滑膜的形成对磨损量的影响非常大。

3 结语

CuV20/聚四氟乙烯复合材料试件在变载磨损实验时会出现3个典型磨损现象：（1）压力过小，未形成完整润滑膜；（2）在一定压力区间，形成良好的润滑膜，表面质量变得很好，膜的形成能够降低试件的摩擦系数和磨损量；（3）不能形成润滑膜，摩擦表面质量很差，试件剧烈磨损。CuV20/聚四氟乙烯在7.5MPa形成良好的润滑膜和10MPa因载荷过大无法形成磨损润滑膜作磨损量对比，其结果相差一个级以上。

参考文献

[1] 卓昌明.塑料应用技术手册[M].北京：机械工业出版社， 2013.

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

[3] 王家序，陈战，秦大同.聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究[J].农业机械学报，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] 张招柱，薛群基，刘维民，等.几种金属氧化物填充聚四氟乙烯复合材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能[J].摩擦学学报，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.

[7] Lorena Deleanu，Constantin Georgescu.Water lubrication of PTFE composites[J].Industrial Lubrication & Tribology，2015，67（1）：1-8.

[8] 袁兴栋，刘勇，杨德庄，等.聚四氟乙烯涂层在真空中的摩擦磨损性能研究[A].中国机械工程学会摩擦分会[C].2006.