油润滑条件下聚四氟乙烯滑动磨损特性研究

丁明瑞，陈志雄

（201620 上海市 上海工程技术大学 航空运输学院）

0 引言

高分子聚合物材料因其具有的优良的耐磨性能、耐腐蚀性和良好的自润滑性能等优点，被作为结构材料广泛应用于关节轴承、航空轴承等领域[1-3]。

在现有的众多已经应用于轴承的聚合物材料中，聚四氟乙烯及其复合材料因其具有摩擦系数较低、化学稳定性等优良性能而引起广泛关注[4-7]。但是，由于PTFE 材料自身存在的耐冲击性较差等缺点，以及在与钢制材料组成摩擦副时，极易在接触过程中出现严重的磨损，降低了其使用性能[8]。现在国内外学者在聚四氟乙烯的摩擦学性能方面做了诸多研究。肖帮[9]等研究了PTFE 三层复合材料的磨损性能，发现摩擦过程中温度的变化与材料磨损机理的演变密切相关；裴高林[10]等研究了不同固体添加剂对聚四氟乙烯材料磨损性能的影响，发现固体添加剂的加入，使材料的磨损率大幅降低；Trabelsi[11]等研究了PTFE 基复合材料在油、无润滑条件下的摩擦学性能，发现润滑油的存在降低了聚四氟乙烯复合材料的磨损程度。Shen[12-13]等发现，磨损颗粒的大小是影响PTFE 磨损机理形成和演变的主要因素。材料在磨损过程中产生的磨粒随着试验中应力的增加逐渐在金属配副的表面形成稳定的转移膜，且极易被观察；Man[14]等以360L/PTFE 为摩擦配副，利用流体润滑摩擦系统研究了PTFE 的摩擦学性能，发现PTFE 的磨损程度与摩擦接触表面的粗糙度大小成正比。

三维显微成像系统的发展，使得表面形貌分析方法从二维拓展到三维。光度立体视觉技术是基于光度立体算法（Photometric Stereo）发展而来，并逐渐成熟的技术，是一种通过不同角度光源和不同光照条件下采集拍摄表面的二维图像，利用二维图像信息得到拍摄表面的法向量，然后对拍摄表面进行三维形貌重构的方法[15]。该技术的基本原理是：假设拍摄表面具有理想的漫反射现象，在已知的3个或3 个以上不同角度的入射光源给出观测点，通过对线性Lambert 方程进行求解，得到任意像素点的曲面法线，得到曲面法向量，最后实现对表面三维形貌的重构[16]。此外，光度立体视觉技术还可以对拍摄表面进行高精度重构表面微小特征。

在已有的研究中，光度立体视觉技术主要应用于金属与金属的摩擦配副中，在PTFE 等非金属材料的摩擦学研究中应用较少。本文选择球-盘滑动摩擦副，上试件为GCr15钢球，下试件为PTFE圆盘。在油润滑条件下，研究了PTFE 的滑动磨损特性，并且分析了磨损体积、磨损率、摩擦系数变化与磨损机理之间的关系。利用磨损表面三维形貌重构设备分析了PTFE 磨损形貌的变化。同时，探究了三维粗糙度混合参数Sdq表征磨损程度变化的可行性。

1 试验

1.1 试验材料

试验所用的主要材料为轴承钢(GCr15)球和聚四氟乙烯(PTFE)盘。聚四氟乙烯盘的尺寸为Φ85 mm×7 mm，GCr15 钢球的直径为6.35 mm。表1 为PTFE 和GCr15 具体的材料参数。本试验所用润滑油为L-HM46 抗磨润滑油，性能参数见表2。

表1 GCr15 和PTFE 的材料参数Tab.1 Material parameters of GCr15 and PTFE

表2 L-HM46 润滑油性能参数Tab.2 Performance parameters of L-HM46 lubricating oil

1.2 试验设备和方案

1.2.1 试验设备

本研究所涉及到的试验是在球-盘接触式试验机上进行的。试验机及其原理见图1。测试球固定在与主轴相连的夹具上，测试盘固定在升降电机上，试验通过力传感器提供载荷。试验开始时，主轴以一定的转速转动，测试球在载荷和主轴旋转的共同作用下与测试盘出现相对运动而实现摩擦。同时，传感器可以实时采集摩擦参数。摩擦系数可由式（1）得到：

式中：M——试验摩擦力矩，N·m；P——施加载荷，N；R——测试球的旋转半径，mm。

试验完成后，利用磨损表面三维形貌重建设备（如图2 所示）对测试样品的磨损表面进行观察，重建磨损表面的表面形貌。

1.2.2 试验方案

在测试样品的加工过程中，客观因素的存在使其不能直接用来做试验，需要进行预处理直至达到试验的要求，因此需要对两种测试样品进行抛光、清洗、干燥等操作，直至符合试验要求。在试验时，按要求固定样品，并注入润滑油。试验结束后，磨损表面通过图2 所示的设备观察。表3 为本试验的测试程序。

表3 测试程序Tab.3 Test procedures

2 结果与分析

2.1 摩擦系数分析

图3 显示了摩擦副在试验中的摩擦系数变化。根据图3 所示曲线可以得到如下结论：在试验范围内，当滑动摩擦转速保持恒定不变时，试验加载的载荷越大，摩擦系数越小；当载荷恒定不变时，试验加载的滑动摩擦转速越大，摩擦系数越大；当载荷和滑动摩擦速度同时增大时，摩擦系数增大。这是因为聚四氟乙烯为高分子聚合材料，因其具有的粘弹特性，在试验加载载荷的作用下出现了明显的粘弹性变形，且随着载荷增大，摩擦系数逐渐降低。同时，外加载荷增大，使摩擦接触表面润滑情况发生了改变，由流体润滑转向混合润滑。随着滑动摩擦转速的增加，摩擦表面的温升就越明显，使PTFE 基体软化现象加重，磨损体积增加，在摩擦副表面产生了更多磨粒，磨粒的积累对GCr15 球的运动具有阻碍作用，导致了摩擦系数的增大。综上所述，在油润滑条件下，摩擦副的摩擦系数与载荷变化呈负相关，与滑动转速变化呈正相关。然而，在停机对试验材料表面进行测量之后同时增大载荷和滑动转速时，滑动转速对摩擦系数的影响更大。

2.2 PTFE 盘的磨损分析

图4 为整个测试过程中PTFE 片的磨损体积和磨损率的变化过程。PTFE 的磨损体积和磨损率分别由式(2)和式(3)计算[17]。

式中：D ——PTFE 磨损凹槽的平均直径，mm；A——PTFE 磨损槽的平均横截面积，mm2。

式中：L——摩擦滑动距离，mm；F——载荷，N。

图4 所示是在试验过程中磨损体积和体积磨损率的变化情况。如图4 所示，在试验中，PTFE 盘试样的磨损体积和体积磨损率的变化趋势相同，且均随载荷和转速的变化而波动，分析如下：当载荷减小和滑动摩擦转速增加时，磨损体积和磨损率增大，转速对磨损体积和体积磨损率的影响更为显著；当载荷和转速同时增大时，传递膜和油膜的摩擦表面厚度减小，摩擦接触面积增大。同时，摩擦接触温度的升高也降低了润滑油的运动粘度，PTFE 基体表面软化现象严重，表面材料脱离基体的概率增大，最终导致更严重的粘着磨损。在初始试验形成稳定转移膜的基础上，载荷的增大破坏了已经形成的稳定的PTFE 转移膜，增强了钢钢球的犁沟效应；但由于部分稳定的转移膜附着在摩擦接触表面上，使得PTFE 材料的磨损体积和磨损率降低。滑动摩擦接触转速的增加使磨损表面的剪切应力和温度升高，在基体软化的基础上形成了更多的磨粒，使得GCr15 球的犁沟效应更加严重，增大了磨损体积和磨损率。当二者同时增大时，PTFE 基体表面的软化增加了基体材料脱落成更多磨料碎片的可能性，摩擦副积累的摩擦热增加，降低了润滑油的粘度和油膜厚度，导致基体出现严重的粘着磨损，使磨损体积和磨损率增大。

综上所述，在油润滑条件下，PTFE 的磨损体积和磨损率的变化与载荷的变化呈负相关，与转速的变化呈正相关。然而，在停机对试验材料表面进行测量之后同时增大载荷和转速时，转速对磨损体积和磨损率的影响更为显著。摩擦接触温度的升高降低了润滑油粘度，使PTFE 基体表面软化现象严重，材料脱落的概率增大，导致更严重的粘着磨损。

2.3 PTFE 盘磨损表面三维形貌重构分析

图5 显示了通过表面三维形貌重建设备得到的PTFE 磨损表面微观形貌的变化情况。从0～800 s 的形貌中发现，初始状态的波峰形成了一个凸起的平台，并出现了大面积的沟槽或凹坑，有些波峰磨损后形成凸台。这是因为在试验初期，摩擦接触表面的粗糙度较大，摩擦接触点破裂消失，发生了微切削磨损，在微观层面波峰断裂，形成平峰；从800～1 600 s 的形貌结果可知，磨损区域变得相对光滑，磨损区域的凹槽更加明显，磨损表面的凹槽深度增加。当转速一定，载荷增大时，磨损接触面积增大，造成磨粒磨损。在转速的作用下，磨粒在接触PTFE 基体材料时发生变形，基体摩擦面变得相对光滑，材料表面的磨损程度减弱，摩擦系数和磨损率降低；从1 600～2 400 s 的表面形貌变化可以看出，圆盘表面的波峰形成凸台，高度差减小。随着施加载荷的增加，摩擦接触面积增大，接触面温度明显升高，聚四氟乙烯盘的粘着磨损现象更加严重。磨损颗粒附着在基体表面，在GCr15 球的作用下，增大了磨损体积和摩擦系数；从2 400～3 200 s的变化可以看出，磨损位置在之前试验的基础上变得更加光滑，圆盘表面的波峰变得更加均匀。表面粗糙度较低。在载荷和转速同时增大的试验中，摩擦表面温度升高更加迅速，接触面积迅速增大，导致聚四氟乙烯盘表面的粘着磨损和磨粒磨损更加严重，磨损更加严重。但是随着时间的推移，剧烈磨损之后的PTFE 表面变得更加光滑。

综合上述分析可知，PTFE 材料在油润滑中的磨损机理是动态变化的，且由微切削磨损逐渐演变为严重的磨粒磨损和粘着磨损，磨损体积和摩擦系数等参数也随之波动。

2.4 混合参数Sdq 分析

三维粗糙度混合参数Sdq定义为采样区域均方根梯度，可以表征采样区域法向振动幅值。Sdq由式（4）计算[18]。

式中：A ——采样曲面的采样面积；x ——采样面积的横向长度；y ——采样面积的纵向长度。

图6 为PTFE 圆在试验中三维表面粗糙度混合参数Sdq的变化情况。结合图5 分析，由于PTFE盘的硬度远低于GCr15 钢球，当载荷增加时，PTFE 圆盘表面的波峰逐渐变平。同时，在载荷的作用下，犁沟效应增强，磨痕深度增大，Sdq值增大。当转速增加时，聚四氟乙烯盘的磨损更加剧烈，表面波峰更加光滑。同时，试验产生的磨粒粘附在部分磨痕的表面，降低了Sdq值；当载荷和转速同时增大时，摩擦副磨损严重。经过严重磨损后，聚四氟乙烯盘表面变得更加均匀，表面高度差减小，Sdq的值降低。综上所述，混合参数Sdq可以反映PTFE 材料在磨损过程中的磨损表面微观形貌变化情况，可以反映材料表面的磨损程度。PTFE 表面越光滑，Sdq值越小。

3 结论

通过摩擦磨损试验，研究了PTFE 在油润滑条件下的磨损特性和磨损机理，并分析了摩擦系数、磨损体积、磨损率对磨损性能的影响。利用表面三维形貌重建设备，研究了表面形貌对PTFE 磨损机理的影响。引入三维表面粗糙度混合参数Sdq，探究了Sdq与表面形貌的关系。得出如下结论：

（1）油润滑介质中，摩擦副的摩擦系数与载荷变化呈负相关，与转速变化呈正相关。当两者同时增大时，摩擦系数增大。且在试验范围内，摩擦系数与磨损体积、磨损率的变化趋势保持一致。

（2）油润滑介质中，PTFE 材料的磨损机理是动态变化的，磨损机理由微切削磨损逐渐演变为严重的磨粒磨损和粘着磨损。

（3）Sdq与PTFE 磨损表面的三维形貌变化密切相关。Sdq值可以反映材料磨损过程中的表面变化情况。材料表面越光滑，Sdq值越小。