潤滑條件對PTFE復合材料摩擦學性能的影響

王文東 劉心橋 單 旸 杜鳴杰 張 超

(1.上海材料研究所, 上海200437;2.上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海200437)

潤滑條件對PTFE復合材料摩擦學性能的影響

王文東1，2劉心橋1單 旸1杜鳴杰1張 超1

(1.上海材料研究所, 上海200437;2.上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海200437)

對3種聚四氟乙烯復合材料與45#鋼和表面陽極氧化鋁合金配副進行了摩擦性能測試，測定了不同潤滑條件下聚四氟乙烯復合材料的摩擦學性能。用掃描電子顯微鏡觀察了聚四氟乙烯復合材料與表面陽極氧化鋁合金摩擦磨損后的表面形貌。結果表明：在油潤滑條件下，聚四氟乙烯復合材料摩擦因數和磨痕寬度最小，在干摩擦條件下，聚四氟乙烯復合材料摩擦因數最大；在水潤滑條件下，聚四氟乙烯復合材料磨痕寬度最大；在油潤滑條件下，摩擦表面可形成均勻連續的轉移膜和潤滑油膜，表面光滑，從而降低了磨損。

聚四氟乙烯；復合材料；摩擦因數；磨痕寬度；潤滑

0 前言

聚四氟乙烯(PTFE)具有化學性能穩定、耐高低溫、摩擦因數低、自潤滑等優良性能, 因而它在各行各業中得到了廣泛應用。但它也有不足之處，因而需通過加入填充劑形成復合材料，使性能得到改善，使其耐磨性能大幅度提高[1-4]。PTFE復合材料應用領域日趨廣泛，可用于石油化工、醫藥衛生、航空航天、國防軍工、船舶制造、機械制造、汽車制造等行業，PTFE復合材料應用的環境除干摩擦外，介質有許多種，但是應用最廣泛的介質為油、水，本文針對PTFE復合材料干摩擦、水和液壓油潤滑條件下的摩擦學性能進行試驗研究，并探討其磨損機制，為在不同潤滑條件下選擇應用PTFE復合材料作為減摩、耐磨產品提供基礎依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚四氟乙烯(PTFE)細粉，FR104-2,優級品，平均粒徑25 μm，上海三愛富新材料股份有限公司；聚苯酯(PHB)，牌號CGZ351-4,粒徑25～50 μm，中昊晨光化工研究院有限公司；碳纖維(CF)，單絲直徑7 μm，長徑比10 ∶1，青島遠輝復合材料有限公司；錫青銅粉(Cu)，ZQSn6-6-3,平均粒徑25 μm，石家莊京元粉末材料有限責任公司；膠體二硫化鉬(MoS2)，牌號MF-1,平均粒徑5 μm，華誼集團上海華原化工有限公司。

1.2 試樣制備

將PTFE、PHB、Cu、CF、MoS2干燥再冷卻至室溫后，分別按照配比稱量，采用高速混合機混料，然后過篩，經過冷壓成型壓制坯料，PTFE復合材料壓制壓強為50 MPa，然后在高溫燒結爐中燒結，燒結溫度為375 ℃，隨爐冷卻后，二次加熱定型，經機械加工成為試樣。

1.3 試驗方法

摩擦磨損試驗參考GB 3960《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》，采用Amsler 135/105摩擦磨損試驗機進行試驗，試樣的尺寸為30 mm×7 mm×6 mm，用磨床加工試樣工作面。摩擦對偶件為鋁合金表面陽極氧化圓環，45#鋼圓環。表面粗糙度Ra≤0.4 μm，其尺寸為Φ 40 mm×Φ 16 mm×10 mm，表面同樣用磨床加工。試樣和金屬圓環均用丙酮清洗，晾干后使用。試驗條件為：載荷245 N，圓環轉速0.42 m/s，時間2 h，干摩擦指在空氣中試驗，油潤滑指將油滴在金屬圓環和試樣之間，使試樣和金屬圓環摩擦面上形成均勻的油膜，水潤滑指在試驗時將試樣完全浸入水中，試驗環境溫度為23 ℃左右，相對濕度60%左右。

摩擦因數μ由每次試驗所記錄的摩擦力矩計算得到。計算公式為：

μ=M/N×R

(1)

式(1)中，M為摩擦力矩，單位為N·cm；

N為負載，為245 N；

R為圓環半徑，為2 cm。

將摩擦試驗后的試樣進行表面噴金，用Quanta 400型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面形貌。

2 結果與討論

2.1 PTFE復合材料干摩擦磨損性能

聚四氟乙烯復合材料的摩擦磨損性能見表1。在干摩擦條件下，對磨件為45#鋼時，CF/PTFE復合材料摩擦因數和磨痕寬度均小于Cu/PTFE復合材料，這是因為碳纖維的綜合摩擦學性能優良；對磨件為表面陽極氧化的鋁合金時，CF/PTFE復合材料摩擦因數與PHB/MoS2/PTFE復合材料相近,后者磨損量小，因為聚苯酯為有機材料，結合性能良好，硬度比碳纖維低，摩擦時不損傷表面陽極氧化的鋁合金。

注：配方1 PTFE+20%碳纖維;2 PTFE+40%青銅粉+5%MoS2;3 PTFE+20%聚苯酯+5%MoS2。1A，2摩擦對磨件為45#鋼;1B，3摩擦對磨件為件鋁合金。

圖1所示為干摩擦時45#鋼-CF/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面富集微細片狀PTFE磨屑，伴有各個方向的碳纖維分布，少量碳纖維有與基體分離的趨勢。在PTFE復合材料中，碳纖維具有優先承受載荷作用，阻止金屬凸峰深入PTFE內部，還可以阻止疲勞裂紋的擴展，有效地減弱了CF/PTFE延性斷裂，防止了PTFE轉移膜的大片破壞、脫落[2-5]。磨損機制主要表現為微切削磨損、疲勞磨損和磨粒磨損。

圖1 干摩擦(45#鋼-CF/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖2所示為干摩擦時45#鋼-Cu/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，Cu/PTFE表面有明顯的微細犁溝，錫青銅微粒被磨合平滑，其周圍伴有微細片狀PTFE，錫青銅微粒邊緣顯示明顯的疲勞應力裂紋。在磨損過程中，摩擦面受到周期性的交變載荷，在表層上部分微凸體互相作用，使接觸區域產生很大的應力和變形，在表層和亞表層錫青銅粉與PTFE基體界面處形成應力裂紋，少量錫青銅微粒從基體脫落，形成了磨粒磨損[2-4]。錫青銅粉在磨損過程中優先承擔了載荷，減小了PTFE基體承受的壓應力和剪切應力，阻止了疲勞裂紋的進一步擴展[7-8]，磨損機制主要表現為疲勞磨損和磨粒磨損。

圖2 干摩擦(45#鋼-Cu/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖3所示為干摩擦時表面陽極氧化的鋁合金-CF/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面的碳纖維即將脫落，周圍伴有微細片狀PTFE浮屑，磨損機制主要表現為疲勞磨損和磨粒磨損，伴有黏著磨損。

圖3 干摩擦(鋁-CF/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖4所示為干摩擦時表面陽極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，PHB/MoS2/PTFE表面可見片狀磨削浮屑，磨屑片狀尺寸較小，磨屑數量較少。鋁合金陽極氧化后，其表面氧化膜的成分主要為結晶態的α-Al2O3和γ-Al2O3，氧化膜由過渡層、工作層、表面層復合而成，合理工藝生成的氧化膜的輪廓形貌均勻，表面致密，硬度較高[9]；聚苯酯填充聚四氟乙烯在增強機理上屬于彌散增強和粒子增強，硬質的聚苯酯的加入提高了基體的承載能力, 二硫化鉬的加入使得材料在摩擦時能夠形成一個穩定的固體潤滑轉移膜[6-7]，固體潤滑膜的形成能夠使材料的摩擦因數下降，進而摩擦生熱減小，復合材料的蠕變減小，磨痕寬度降低。磨損機制主要表現為疲勞磨損和黏著磨損。

圖4 干摩擦(鋁- PHB/MoS2/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖5所示為干摩擦時表面陽極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對磨后鋁合金表面形貌SEM照片，鋁合金的表面比較光滑、無凹坑。鋁合金表面陽極氧化后，其表面氧化膜的α-Al2O3與γ-Al2O3及其本身晶界處存在微孔、微凹凸，PHB/MoS2/PTFE復合材料在壓應力作用下，嵌入鋁合金微孔、微凹凸處，含有二硫化鉬時，二硫化鉬伴隨材料轉移至鋁合金表面，猶如大小粒徑的沙石瀝青馬路上附

圖5 干摩擦(鋁-PHB/MoS2/PTFE)對磨后鋁合金表面形貌SEM照片

著了一層薄冰，摩擦表面形成了穩定、均勻的固體轉移膜，摩擦副的摩擦因數下降，摩擦性能提高。

2.2 PTFE復合材料油潤滑條件下摩擦磨損性能

在油潤滑條件下,由于油膜的存在，3種PTFE復合材料的摩擦因數、磨痕寬度較小，并且差異不大。

圖6所示為油潤滑時45#鋼-CF/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面只有少量微細的PTFE磨屑，少量碳纖維分布于摩擦表面，并且碳纖維與基體緊密結合，表面光滑。

圖6 油潤滑(45#鋼-CF/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖7所示為油潤滑時45#鋼-Cu/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，Cu/PTFE表面錫青銅粉均勻分布，與基體結合緊密，表面只有少量微細的PTFE磨屑，表面光滑。

圖7 油潤滑(45#鋼-Cu/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖8所示為油潤滑時表面陽極氧化的鋁合金-CF/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，CF/PTFE表面有星星點點的微細PTFE磨屑，碳纖維隱藏于基體內部，只有碳纖維部分頭部暴露于摩擦表面，并且碳纖維與基體結合牢固，表面光滑。

圖8 油潤滑(鋁-CF/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖9所示為在油潤滑條件下表面陽極氧化的鋁合金-PHB/MoS2/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，PHB/MoS2/PTFE基體中的微觀裂紋兩端不尖銳，并伴有被填充材料阻隔的傾向，周圍幾乎看不見磨削浮屑，磨屑與基體相連，表面光滑。

圖9 油潤滑(鋁-PHB/MoS2/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖6、圖7、圖8、圖9所示的復合材料摩擦表面形貌SEM照片表明：3種PTFE復合材料在油潤滑條件下，一方面在摩擦表面形成了穩定連續的潤滑油膜，另一方面潤滑油及時將摩擦熱傳導出摩擦接觸區域，阻止了PTFE復合材料黏著磨損的產生，減弱了其疲勞磨損的程度, 摩擦表面平滑，因此在油潤滑時，聚四氟乙烯復合材料的摩擦因數低，磨痕寬度小。

2.3 PTFE復合材料水潤滑條件下摩擦磨損性能

在水潤滑條件下，對磨件為45#鋼時，CF/PTFE復合材料摩擦因數和磨痕寬度均小于Cu/PTFE復合材料，這是因為錫青銅微粒與45#鋼直接接觸摩擦；對磨件為表面陽極氧化的鋁合金時，CF/PTFE復合材料摩擦因數與PHB/MoS2/PTFE復合材料相近,前者磨損量較小，因為碳纖維有效阻止了水對轉移膜的沖刷作用。

圖10所示為水潤滑時45#鋼-CF/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，碳纖維暴露于CF/PTFE摩擦表面 ，直接與45#鋼摩擦，表面只有零星的微細PTFE磨屑，因為碳纖維在復合材料基體內沿不同方向分布，猶如河流河床中草類植被一樣，有效阻礙了水對固體轉移膜的沖刷作用，磨損機制主要表現為沖刷磨損和磨粒磨損，伴有疲勞磨損。

圖10 水潤滑(45#鋼-CF/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖11所示為水潤滑時45#鋼-Cu/PTFE對磨后復合材料表面形貌SEM照片，Cu/PTFE摩擦表面未見明顯的PTFE磨屑，錫青銅粉微粒裸露于Cu/PTFE表面，錫青銅粉微粒的分布與基體PTFE復合材料產生了垂直于摩擦表面的高度差，猶如河流河床中被水沖刷后的鵝卵石地質形貌，摩擦轉化為45#鋼對錫青銅粉微粒的直接接觸摩擦，摩擦有效接觸面積減小，錫青銅粉微粒承擔的壓應力加大，加上水的沖刷作用，加劇了錫青銅粉微粒脫離基體，脫落的錫青銅粉攜帶PTFE被水流沖刷，導致PTFE轉移膜處于形成-破壞的動態劇變過程中[7-8]。磨損機制主要表現為：沖刷磨損和磨粒磨損，伴有疲勞磨損。

圖11 水潤滑(45#鋼- Cu/PTFE)對磨后復合材料表面形貌SEM照片

圖10、圖11所示的復合材料摩擦表面形貌SEM照片表明：兩種PTFE復合材料在水潤滑條件下，一方面水具有邊界潤滑作用，另一方面水具有冷卻作用，抑制了摩擦熱導致的復合材料塑性變形，其次水分子具有隔離作用，水分子的滲透降低了填料和基體的界面黏接強度，填料容易從基體脫落變成磨粒，水分子阻止了轉移膜的形成，導致PTFE復合材料梨削和磨粒磨損加劇，因此在水潤滑條件下，聚四氟乙烯復合材料的摩擦因數較小，但是磨痕寬度比干摩擦、油潤滑條件下大一些，水的沖刷對材料的磨損有較大影響；水潤滑時，摩擦面上轉移膜耐水沖洗穩定性能對PTFE復合材料摩擦磨損性能影響較大。

3 結論

1) 聚四氟乙烯復合材料的摩擦磨損性能相對于干摩擦，在油潤滑條件下，聚四氟乙烯復合材料摩擦因數、磨痕寬度??；干摩擦條件下，錫青銅粉/聚四氟乙烯復合材料摩擦因數大、磨痕寬度較大；在水潤滑條件下，碳纖維/聚四氟乙烯復合材料摩擦因數較小、磨痕寬度較小。碳纖維/聚四氟乙烯復合材料在水潤滑條件下的綜合摩擦性能優于其他PTFE復合材料。

2) 摩擦對偶件為45#鋼時，碳纖維/聚四氟乙烯復合材料在干摩擦、水潤滑條件下的綜合摩擦性能好；摩擦對偶件為表面陽極氧化的鋁合金時，聚苯酯/二硫化鉬/聚四氟乙烯復合材料在干摩擦、水潤滑條件下的綜合摩擦性能好。

3) 干摩擦條件下，聚四氟乙烯復合材料磨損機制主要表現為微切削磨損、疲勞磨損、磨粒磨損，伴有粘著磨損。在水潤滑條件下，聚四氟乙烯復合材料磨損機制主要表現為沖刷磨損和磨粒磨損，伴有疲勞磨損，水具有邊界潤滑作用、冷卻作用和隔離作用，摩擦面上轉移膜耐水沖洗穩定性能對PTFE復合材料摩擦磨損性能影響較大。在油潤滑條件下，油具有潤滑作用和冷卻作用，穩定連續的潤滑油膜保證了聚四氟乙烯復合材料優異的摩擦磨損性能。

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Influences of Lubrication Conditions on Tribological Properties of PTFE Composites

Wang Wendong1,2, Liu Xinqiao1, Shan Yang1, Du Mingjie1, Zhang Chao1

(1.Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China;2.Shanghai Research Key Laboratory for Engineering Materials Evaluation, Shanghai 200437, China)

The tribological properties were measured under different lubrication condition for three kinds of PTFE composites against 45#steel and aluminum alloy anodized.The worn surface of PTFE composites and aluminum alloy anodized were investigated by SEM. The results showed that the friction coefficient and scar width of PTFE composites is the lowest under oil lubrication. The dry friction coefficient of PTFE composites is the highest, the scar width of PTFE composites is the highest under water lubrication. The uniform and continuous trasfer film and oil film can be formed on the friction surface under oil lubrication,the friction surface is smooth to reduce the wear.

polytetrafluoroethylene; composites; friction coefficient; scar width; lubrication

王文東(1966—),男，高級工程師，主要從事高分子復合材料及密封材料研究和產品開發工作。