自潤滑材料摩擦磨損性能研究

崔海超，邰同波，羅光華

（1.中航工業復合材料技術中心，北京 101300；2.山東高密潤達機油泵有限公司，山東 濰坊 261500；3.中電科第11研究所，北京100016）

在機械設備運轉的過程中，各部件在作用力傳遞過程中往往存在著相互摩擦與磨損。據統計，摩擦損失了世界一次性能源的1/3以上。為了延長機械部件的壽命，節約材料與能源，研發新的潤滑材料勢在必行[1]。潤滑材料基本可以分為氣體潤滑材料、液態潤滑材料、半固體潤滑材料和固體潤滑材料。液體潤滑材料一般為油潤滑，是使用最為廣泛的一種材料，但在滑動摩擦過程中無法保證充分的潤滑油儲備，潤滑油缺失則會導致材料嚴重磨損，而固體潤滑材料則可在無油狀態下實現固體潤滑效果[2-3]。固體潤滑材料是充分利用材料的層狀結構，或者分子間低的結合力，當對磨材料間受到剪切力時，實現分子間的低能量滑移，在相互摩擦介質之間形成一薄層的固體潤滑膜，從而降低對偶材料間的摩擦因數，減輕其磨損程度。自潤滑固體復合材料是將固體潤滑材料通過軋制或其他物理、化學的方法黏附在背板上，使背板在無油狀態下擁有良好的自潤滑特性[4-5]。

自潤滑材料可由摩擦因數較低的有機物或無機物組成，比如二硫化鉬、石墨、氮化硼、聚四氟乙烯、尼龍等。單一的材料體系一般無法實現自潤滑結構功能，而是要將多種材料配伍組合，綜合利用各材料的特性，實現自潤滑與結構的統一，這樣做，既保證了低的摩擦因數，又具有良好的強度、韌性、熱傳導等功能[6]。本文研究了改性聚四氟乙烯減磨層、改性聚甲醛減磨層和改性雙馬樹脂減磨層材料的減摩、耐磨性能，分析了各體系材料的減磨特性。

1 材料和試驗過程

1.1 試驗材料

改性聚四氟乙烯自潤滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號為FQ-PTFE，材料主要由聚四氟乙烯、二硫化鉬、玻璃纖維等組成。

改性聚甲醛自潤滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號為FQ-POM，材料主要由聚甲醛、聚四氟乙烯、二硫化鉬等組成。

改性雙馬樹脂自潤滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號為FQ-BMI，材料主要由雙馬來酰亞胺樹脂、聚四氟乙烯、二硫化鉬等組成。

測試試樣由表面有自潤滑材料減磨層、中間銅球粉燒結層和鋼背三層材料復合組成，如圖1所示。將青銅銅球粉均勻地鋪在鋼板上，在還原性氣氛保護的環境下，高溫燒結制成青銅銅球粉多孔結構的銅鋼復合背板，然后將自潤滑材料鋪放在青銅銅粉多孔結構的銅鋼復合背板上，通過軋機軋制使得自潤滑材料均勻、分散地軋入銅粉多孔結構中，然后再經過燒結制成試驗板。

圖1 試樣截面示意圖

1.2 試驗方法

摩擦和磨損性能按照GB/T 27553.1—2011測試，端面試驗機測試摩擦因數和磨損量，圓環試驗機測試摩擦因數和磨痕寬度。摩擦磨損試驗條件分2種，即干摩擦和油潤滑，測試項目、試樣尺寸和試驗參數如表1所示，端面摩擦磨損性能測試試驗原理如圖2所示，圓環摩擦磨損性能測試試驗原理如圖3所示。

表1 測試項目、試樣尺寸和試驗參數

圖2 端面試驗原理圖

圖3 圓環試驗原理圖

2 結果與分析

2.1 干摩擦試驗結果分析

自潤滑材料板材的端面試驗可以更直接地評價在規定轉速和時間下材料的耐磨性能，因改性POM復合材料在干摩擦時的摩擦因數和磨損量比較大，這類材料在干摩擦條件下并無應用價值。因此，干摩擦試驗僅對照改性PTFE和改性BMI兩類材料。兩類材料在無油環境下的端面試驗機摩擦磨損的測試結果如表2所示。

表2 無油環境下端面試驗機摩擦磨損試驗結果

FQ-PTFE試樣的摩擦因數相對于FQ-BMI材料高0.026，兩類試樣的磨損量均比較小，FQ-PTFE試樣的磨損量為FQ-BMI的50%.相對于FQ-BMI試樣，FQ-PTFE試樣中的潤滑材料主要為聚四氟乙烯，占據材料體系的60%以上，是保證試樣自潤滑性能的主要基體材料，而該材料體系中加入了玻璃纖維等剛性材料，使材料的摩擦因數高于FQ-BMI，但聚四氟乙烯材料在初始磨損后，在對磨材料之間形成了轉移膜性潤滑層，使得FQ-PTFE摩擦因數和磨損量極小。

而FQ-BMI試樣材料的體系以改性BMI樹脂為主，改性BMI高分子鏈剛性較大，在耐磨層相互交聯形成連續性剛性骨架，填充其中的PTFE等添加物材料則較為柔軟。在材料磨損過程中，隨著剛性骨架的磨損，柔軟的添加物脫落在對偶面之間，形成轉移膜性潤滑層。交聯的BMI骨架具有較高的機械和耐磨性能，對結構形成了一定的支撐作用，與柔韌的添加物在對偶面間協同作用下，會降低試驗中的摩擦因數。同時BMI高分子本身具有一定的韌性和化學穩定性，其芳雜環結構使材料有較高的耐溫性和機械性能，在摩擦初期磨損較快，這也是磨損量高于FQ-PTFE試樣的原因。

FQ-PTFE和FQ-BMI兩類試樣在無油環境下圓環試驗機摩擦磨損的試驗結果如表3所示。FQ-PTFE摩擦因數比FQ-BMI高6.5%，兩者相對接近，而磨痕寬度與端面摩擦不同，FQ-PTFE的磨痕寬度高于FQ-BMI，BMI基自潤滑層更耐磨。這種結果歸結于FQ-BMI擁有強度更高的骨架，試樣在初始摩擦時形成薄層潤滑膜后，剛性骨架起到了較強的支撐作用，骨架具有的耐壓、耐磨性表現得更加明顯。而FQ-PTFE試樣的自潤滑層的潤滑機理是依賴層狀化無機物和部分結晶的PTFE的滑移減小摩擦，當負載比較大時，材料易發生脫落，呈現出更大的磨損率。

表3 無油環境下圓環試驗機摩擦磨損試驗結果

2.2 油潤滑試驗結果分析

潤滑油對于各類型自潤滑材料的影響不一，尤其針對聚合物基自潤滑涂層，油膜的形成改變了對偶面的摩擦介質，表4為油潤滑環境下的端面試驗機摩擦磨損的試驗結果。

表4 油潤滑環境下端面試驗機摩擦磨損試驗結果

從表4中可以看出，油摩擦相對于干摩擦，FQ-PTFE、FQ-BMI的摩擦因數和磨損量均明顯降低，相對于無油潤滑分別降低59.4%和65.8%，磨損量分別降低60.0%和80.0%.FQ-POM試樣在油潤滑環境下的摩擦因數僅為0.022，是3種類型結構中最低的一類，而FQ-BMI與FQ-PTFE相比，FQ-BMI的摩擦因數和磨損量均比較低。3種類型材料端面試驗機的油潤滑摩擦因數由大到小依次為FQ-PTFE＞FQ-BMI＞FQ-POM，油在摩擦負介質之間形成了油膜，將兩介質隔離，油膜在摩擦過程中起主要作用。FQ-BMI和FQ-POM試樣結構都是由高聚物骨架和柔性自潤滑填充物組成的，FQ-BMI中的改性BMI聚合物為交聯結構，而FQ-POM中POM為線性高結晶聚合物，POM聚合物的高結晶度、高鍵能和分子內聚能及BMI的高交聯度均使其骨架材料不易向對磨面轉移，僅在摩擦的初始階段對骨架對偶區表面形成了破壞。當油潤滑膜形成后，這種破壞即停止，而耐磨的剛性骨架在油潤滑膜的隔離下難以被繼續破壞。

基于PTFE基體的FQ-PTFE試樣在油潤滑條件下的潤滑機理與其他兩類不同，材料內含大量的PTFE材料，在摩擦的初始階段，表面接觸的PTFE即轉移形成潤滑膜。而PTFE的摩擦因數遠小于POM和BMI材料，隨著摩擦磨損試驗的進行，油潤滑膜在對偶面形成，轉變為以油潤滑膜為主的潤滑形式。端面摩擦試驗過程中一般不會出現潤滑膜的長時間破裂過程，因此，在油潤滑條件下，FQ-PTFE試樣的潤滑膜主要為油膜，其他材料起協同作用。

圓環試驗機摩擦磨損試驗在對偶接觸面形成了更大的接觸壓力，表5為3種材料在油潤滑環境下的圓環試驗機摩擦磨損試驗結果。3種類型材料的圓環試驗機在油潤滑環境下，滑動摩擦因數由大到小依次為FQ-POM＞FQ-PTFE＞FQ-BMI，FQ-PTFE、FQ-BMI相對于無油潤滑摩擦因數分別降低80.6%和86.5%.與端面摩擦不同，FQ-POM試樣的摩擦因數是三者最大的，這表明，POM基試樣在小的接觸面積摩擦過程中，以油為主的對偶面潤滑膜發生了破裂，但破裂過程是極為短暫的，破裂后隨即再生，這種短暫的破裂增加了油潤滑摩擦因數，但耐磨性骨架在一定程度上限制了材料磨損寬度。

油潤滑條件下的FQ-PTFE的磨痕寬度比無油潤滑時的磨痕寬度降低了22.6%，磨痕寬度與FQ-POM相當，而FQ-BMI試樣的磨痕寬度降低了99.5%，磨痕寬度僅為0.01 mm或更?。◣缀蹩床怀鰜硪涯Σ吝^的痕跡）。BMI基的交聯骨架的高強度和分子高鍵能，大幅度增加了材料耐磨性能，在油潤滑條件下，這類材料對圓環摩擦并不敏感。雖然FQ-PTFE試樣擁有較低的摩擦因數，但基于PTFE基的改性材料剛性不足，在圓環壓力下，自潤滑材料減磨層易向對磨結構轉移，使磨痕寬度遠遠高于FQ-BMI。

表5 油潤滑環境下圓環試驗機摩擦磨損試驗結果

3 結論

雖然PTFE基的干摩擦因數高于BMI基材料，但磨損量優于后者，FQ-PTFE試樣磨損后在對偶面快速形成轉移潤滑膜，而FQ-BMI試樣的剛性骨架使材料在初期磨損量比較大。BMI基材料在端面干摩擦試驗中的磨損量高于PTFE基材料，而BMI基材料在圓環試驗中的磨痕寬度卻遠遠小于PTFE基材料。改性BMI在減磨層內交聯反應形成的剛性骨架起到了支撐作用，在對偶面形成潤滑膜后，可減小對減磨層基體的磨損程度。

3種類型的材料在油潤滑條件下均具有較小的磨損量，3種類型材料圓環試驗機在油潤滑環境中，磨損量由大到小依次為FQ-PTFE＞FQ-POM＞FQ-BMI，POM和BMI基減磨層由于樹脂的高結晶度或者高交聯度影響，使主要磨損僅發生在油潤滑膜形成前的摩擦初期階段，當兩摩擦基面間形成轉移潤滑膜之后，磨損迅速減少。在摩擦初期階段，PTFE基減磨層的磨損由自身材料來減磨、潤滑，而油膜形成后，破壞了PTFE基減磨層轉移膜的形成條件，則轉變為油潤滑膜潤滑。

BMI基減磨層在油潤滑環境下的圓環試驗中，磨痕寬度僅為無油狀態的0.5%，油膜隔離了2對磨結構，BMI基形成的高強度骨架限制了減磨層材料向對磨結構的轉移，增加了其耐磨性能。