PTFE三层复合轴承材料摩擦温升与摩损机理的关联性研究肖帮;王智勇;丁亚;解挺【摘要】文章研究了聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)三层复合轴承材料在摩擦过程中产生的摩擦温度与其磨损机理的关联性.根据摩擦温度的变化特性可将摩擦过程分为磨合、摩擦平稳、PTFE软化黏着、稳定摩擦以及剧烈磨损5个阶段.研究结果表明:摩擦温升曲线的变化对应着摩擦系数的变化,与磨损机理有着密切的关联性;低温阶段对应磨合阶段;第1个温度转折点之后摩擦进入摩擦平稳阶段;第2个温度转折点之后摩擦进入PTFE软化黏着阶段;第3个温度转折点之后再次进入稳定摩擦阶段;第4个温度转折点之后,摩擦系数增大,进入剧烈磨损阶段.%In this paper ,the relation between frictional temperature and wear mechanism of polytet -rafluoroethylene(PTFE) three-layered composite bearing materials was investigated .According to the variation of frictional temperature ,the friction process could be divided into followingstages :run-ning-in stage ,stable friction stage ,PTFE softening and adhesion stage ,stable friction stage and se-vere wear stage .The results showed that the change of the frictional temperature curve was in keep-ing with the variation of friction coefficients ,and it was closely related to wear mechanisms .The low temperature stage corresponded to the running-in stage .After the first transition point at the friction-al temperature curve ,the friction process came into stable frictionstage .After the second transition point ,the friction turned into PTFE softening and adhesion .After the third transition point ,the fric-tion re-entered the stable friction stage .After the fourth transition point ,thefriction coefficient in-creased and the friction entered into the severe wear stage .【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)001【总页数】5页(P18-22)【关键词】聚四氟乙烯(PTFE)三层复合轴承材料;摩擦温度;磨损机理【作者】肖帮;王智勇;丁亚;解挺【作者单位】合肥工业大学机械工程学院 ,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械工程学院 ,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械工程学院 ,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械工程学院 ,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TH117.1聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)三层复合轴承材料具有工作稳定、低噪音、耐磨性能好等优点,适用于维护保养以及加注润滑油较为困难的运转部位。
然而聚合物复合轴承材料受温度的影响大,会影响其摩擦磨损性能和使用寿命,因此研究温度对聚合物摩擦学特性的影响[1-5]受到广泛的关注。
文献[6]对低温下PTFE基复合材料的摩擦磨损性能的研究表明,温度大于77 K时,PTFE基复合材料的摩擦系数随着温度的降低而逐渐减小,但当温度低于77 K时则不遵循这一规律。
文献[7]研究了PTFE编织复合材料摩擦温度与磨损特性,结果表明,在温度处于65～200 ℃范围内,PTFE编织复合材料具有良好的润滑性、耐磨性;温度低于65 ℃时,复合材料的摩擦系数和磨损量较大;当温度高于200 ℃时,PTFE编织复合材料的摩擦系数和磨损量随着温度的升高急剧增大,导致材料短时间内失效。
摩擦过程中摩擦温度的变化可以反映聚合物复合材料摩损机理的变化,由此可以间接监控聚合物复合材料的磨损状态,目前这方面还缺乏系统的研究。
为此,本文以PTFE三层复合轴承材料为研究对象,通过检测摩擦过程中产生的摩擦温度变化,发现磨损机理的变化以及对摩擦磨损性能的影响,旨在为选用和设计具有优异摩擦磨损性能的PTFE三层复合轴承材料提供一定的参考。
1 试验试样以冷轧钢板作为三层复合轴承材料的基体,然后将铜粉铺在钢板表面进行烧结,并将其作为复合轴承材料的中间层,最后在烧结铜粉表面压制一层PTFE复合材料制成三层复合轴承材料,试样尺寸为38 mm×38 mm×2 mm。
其对偶件选取45钢制环件(HRC48),其内径与外径分别为22 mm和30 mm。
试验选用合肥工业大学摩擦学研究所自行研制的HDM-20端面摩擦磨损试验机,试验条件为室温、面接触、干摩擦,摩擦示意图如图1所示。
试验前用砂纸将试样打磨干净,再用丙酮将试样和45钢表面擦洗干净,风干待用。
试验中摩擦系数是通过实时测量出的摩擦力矩和载荷用计算机软件自行计算得出;摩擦温度则由试样下部放置的温度传感器(温度传感器置于试样下表面的中部)自动检测得出,本研究团队之前的试验和模拟研究表明[8],温度传感器测得的温度虽然不是摩擦表面温度,但是与摩擦表面温度高度正相关,因此本文以测得的温度变化趋势代表摩擦面温度变化趋势;试样的磨损量是通过在磨痕内周向均分的4点测试磨痕深度取平均值来表征;试样微观表面形貌利用光学数字显微镜观察分析。
在相同的试验条件下每组试验进行3次,取每次试验的算术平均值作为试验的最终结果。
图1 摩擦副示意图2 结果与分析2.1 摩擦磨损试验结果试验条件如下:滑动速度为0.8 m/s;试验时间为110 min;试验载荷采用逐级加载的方式,初始载荷为600 N,待试验机运转平稳后按每5 min增大400 N载荷的方式进行加载，直到试验结束。
摩擦系数和摩擦温度在加载过程中随摩擦时间的变化如图2所示。
图2 摩擦系数和摩擦温度在加载过程中随时间的变化曲线由图2可知,PTFE三层复合轴承材料的摩擦温度随载荷的增大而逐渐增大,摩擦系数则随着载荷的增大逐渐减小;但摩擦系数变化曲线在不同温度下存在拐点,这些拐点也对应摩擦温度曲线上相应的拐点,可见摩擦温度的变化体现了摩擦过程中磨损机理的变化。
根据摩擦系数和摩擦温度变化曲线上的拐点可将摩擦过程分为磨合、摩擦平稳、PTFE软化黏着、稳定摩擦和剧烈磨损5个阶段,分别用竖虚线a、b、c、d隔开。
2.2 各阶段磨损机理分析(1) 磨合阶段(虚线a之前)。
由图2可知,此阶段复合轴承材料摩擦系数初始突变至很高。
这是由于在磨合阶段摩擦表面存在微凸体的变形和断裂,使得初始摩擦系数较高,且波动较大,随着载荷的增大摩擦系数逐渐降低进入平稳阶段,这是典型的磨合特征。
试样在磨合阶段时的宏观和微观形貌如图3所示。
由图3a宏观形貌图可以看出,试样表面磨痕较浅且摩屑较少;由图3b微观形貌图可以看出,试样表面依旧存在微凸体。
这说明此时正处于微凸体被磨平和发生形变的过程,因而造成磨合阶段较高的摩擦系数。
图3 磨合阶段试样宏观和微观表面形貌(2) 摩擦平稳阶段(虚线a、b之间段)。
由图2可知,此阶段摩擦表面间的摩擦系数逐渐降低,且波动较小、较为稳定。
这是由于在摩擦平稳阶段摩擦表面间微凸体被磨平,进入平稳磨损阶段,此时的磨损形式主要是疲劳磨损,磨损量较小。
摩擦平稳阶段试样的宏观和微观表面形貌如图4所示。
图4 摩擦平稳阶段试样宏观和微观表面形貌由图4a宏观形貌图可以看出,试样表面磨痕较为明显,磨痕表面较为光滑、边缘平整,说明摩擦温度还未使PTFE发生软化;由图4b微观形貌图可以看出,PTFE表面较为平整,且没有出现磨损破坏的痕迹,说明在此阶段摩擦较为平稳。
(3) PTFE软化黏着阶段(虚线b、c之间段)。
由图2可知,此阶段摩擦系数随着温度的增加而突然略有增大,且出现明显波动。
此时的摩擦温度已超过170 ℃,应处于PTFE的玻璃化温度区域,因此随着摩擦温度的升高,表层PTFE发生软化,使其与对偶件发生黏着磨损,从而使得摩擦系数升高和波动。
PTFE软化黏着阶段试样宏观和微观表面形貌如图5所示。
由图5a宏观形貌图可以看出,试样表面磨痕加深,磨痕边缘有软化现象且磨屑较多;由图5b微观形貌图可以看出,摩擦面上出现明显的黏着磨损痕迹,表面凹凸不平。
图5 PTFE软化黏着阶段试样宏观和微观表面形貌(4) 稳定摩擦阶段(虚线c、d之间段)。
由图2可知,此阶段随着摩擦温度的持续增加,摩擦系数再度出现微小的下降趋势,且其数值处于最小状态。
这是由于随着温度的增大,表层PTFE磨损深度加大接近至铜粉层,此时对偶件表面形成范围较大的PTFE转移膜[9-11],使得摩擦表面间摩擦系数较低,此外,铜粉层的露出使得试样在摩擦过程中的承载能力增强,这进一步促进了摩擦过程的稳定。
稳定摩擦阶段试样宏观和微观形貌如图6所示。
由图6a宏观形貌图可以看出,试样表面磨痕较深,磨损量较大,且在磨痕表面隐约可见铜粉层;由图6b微观形貌图可以看出,摩擦表面较为完整,铜粉层已参与摩擦,没有明显的塑形变形的痕迹,说明在此阶段摩擦较为稳定。
(5) 剧烈磨损阶段(虚线d之后)。
由图2可知,在虚线d处,复合轴承材料的摩擦系数发生突变,并迅速上升。
这是由于PTFE三层复合轴承材料此时表面温度超过270 ℃,已达到PTFE分解破坏的温度,使得上试样表面的转移膜遭到破坏,从而使上试样与铜粉层直接接触,发生金属间的滑动摩擦。
图6 稳定摩擦阶段试样宏观和微观表面形貌图剧烈磨损阶段试样摩擦表面的宏观和微观形貌如图7所示。
由图7a宏观形貌图可以看出,试样表面磨痕内清晰可见裸露的铜粉层,试样磨损量较大,说明在此阶段对偶试样已开始与铜粉层进行直接摩擦;由图7b微观形貌图可以看出,磨痕表面出现较深犁沟状的磨痕,且残余的PTFE层发生剥落现象,这说明PTFE层发生剧烈的磨损。