塑化烧结对无铅PTFE 3层复合材料减摩耐磨性能影响

焦明华，温丹丹，田 明，解 挺，尹延国，马少波

（合肥工业大学 摩擦学研究所，合肥 230009）

改性PTFE 3层复合材料作为一类典型的自润滑轴承材料，以其优越的减摩耐磨性能得到了越来越广泛的应用［1］。但一般在此类产品中含有大量的铅，给环境带来污染问题。作为一种直接危害人类健康的毒性元素，减少或停止含铅材料的使用是必然趋势［2］，因此研发新型无铅环保3层复合材料已成为发展方向之一。

影响无铅PTFE 3层复合材料摩擦学特性的因素主要是配方及制备工艺。通过配方改进探讨自润滑复合材料摩擦学特性变化，已经取得了很多的成果［3-5］。文中着重研究塑化烧结工艺参数变化对无铅PTFE 3层复合材料减摩耐磨性能的影响，以耐摩擦磨损性能提高为原则，指导烧结工艺参数的选择优化，以期为PTFE复合自润滑轴承材料生产技术的改进提供借鉴。

1 塑化烧结工艺

PTFE 3层复合材料的塑化烧结在自行研制的JHN-氮气保护烧结炉中进行，烧结过程采用程序控制、分段加热的方法以期达到良好的塑化烧结效果。对于PTFE树脂材料，一般当烧结温度升至355℃以上时，其结晶相才会完全消失呈无定型状态，并随着温度的上升颗粒间相互穿插渗透，消除空隙，逐渐熔结成一体［6］。由于PTFE流动性很差，PTFE 3层复合材料只能采用类似粉末冶金冷压烧结方法制造。为使PTFE能与铜粉层牢固结合，必须控制好烧结温度和时间参数，特别是烧结温度不能过低或过高。通过综合分析，设定了图1所示3层复合材料板材的多阶段烧结温度曲线，兼顾低温挥发物的柔顺逸出，塑化物品热能吸收和升温可控性多方面的需求。通过分段逐步升温，直至第8段达到最终烧结温度并保温塑化，最后将板材冷却到一定温度并出炉。

图1 烧结温度曲线示意图

试验选择了填充聚苯酯、MoS2和PI等改性材料的无铅PTFE 3层复合材料，按图1所示的烧结工艺，分别采用下述工艺参数进行板材试样制备。

（1）改变烧结温度。取第8段最终烧结温度分别为360，365，370，375，380和385℃保温，制备试样。

（2）改变保温时间。取第8段最终烧结温度为375℃，分别保温10，20，40和60 min，制备试样。

（3）改变冷却方式。分别采用3种冷却方式制备试样：保温结束后立即将板材从炉内取出；随炉降温到300℃时将板材从炉内取出；随炉降温到150℃时将板材从炉内取出。

2 摩擦磨损性能分析

不同塑化工艺参数条件下制备材料的摩擦磨损性能检测在HDM-20端面试验机上进行，通过摩擦系数和磨损量的变化探讨烧结参数选择的合适性，并以减摩耐磨性能的好坏作为烧结工艺参数的优化依据。

试验在干摩擦条件下进行，上试样为内径22 mm、外径30 mm的环形试样，材质45＃钢，表面粗糙度0.8μm。下试样为宽度38 mm的3层复合材料方形试样。同种条件下的试验做3次取平均值，试验报警温度设定为175℃，超过此温度试验自动停止。

2.1 塑化烧结温度对摩擦磨损性能的影响

将不同塑化温度烧结板材用逐级加载的方式进行摩擦磨损性能试验，图2所示为摩擦系数随载荷变化情况。结果表明，试验材料的摩擦系数随着载荷的增大而逐渐降低，其中最终烧结温度为360℃和385℃的烧结试样的摩擦系数相对较小。但360℃塑化烧结的材料在试验中每当载荷变化时，其摩擦系数都会先急剧增加再回落，使摩擦力矩出现一个很大的尖峰值；随着塑化温度的升高，这种突变幅度在大载荷时逐渐变小；但是当塑化温度达到385℃时，摩擦系数的峰值及其波动持续时间又重新变得明显。

图2 摩擦系数随载荷变化曲线

与摩擦系数变化规律相对应，图3给出的磨损量与烧结温度的变化关系也表明，低的塑化烧结温度下3层复合材料的磨损量较大，重复试验时磨损量实测值的离散性也较大；随着烧结温度的逐渐提高，复合材料的耐磨性逐渐好转，并在375℃时磨损量趋于最小，达到了最好的耐磨效果。此后，当烧结温度再提高时，磨损性能又逐渐劣化。说明在360℃和385℃塑化，存在欠烧和过烧的情况。

图3 磨损量与烧结温度的关系（3种颜色分别对应重复试验测量值）

摩擦磨损试验结果表明，3层复合材料的塑化烧结有一个最佳温度范围，在375℃左右时，PTFE环保型3层复合材料的摩擦系数随载荷变化的波动性最小，并表现出最佳的耐磨效果。

2.2 保温时间对摩擦磨损性能的影响

图4和图5分别为不同保温时间下烧结材料的摩擦系数随载荷变化曲线及磨损量的变化。图4中，当载荷较低时，保温时间为10 min烧结的材料摩擦系数最小。而大载荷下，保温时间为60 min时塑化烧结材料的摩擦系数明显比保温时间为10，20，40 min的塑化烧结材料的小；这表明在重载荷下保温60 min塑化烧结的材料减摩性能最好。由图5可知，当保温时间小于40 min时，随着保温时间的缩短，材料的磨损量急剧增加。这主要是由于保温时间太短，材料不能得到充分的塑化，难以承受较高的载荷，从而导致了材料磨损量的增加；当保温时间大于40 min时，磨损量的减小趋缓，材料耐磨性能的提高不太明显。

图4 不同保温时间下摩擦系数与载荷关系

图5 磨损量随保温时间的变化

综合摩擦磨损性能，环保型PTFE 3层复合材料板材塑化烧结的保温时间应控制在40 min以上，既保证材料的耐摩擦磨损性能最好，又能照顾到生产效率。

2.3 冷却方式对摩擦磨损性能的影响

与烧结温度和保温时间相比，冷却方式对摩擦磨损性能的影响较小。由图6可见，在低载荷下缓冷至150℃的材料摩擦系数相对最小；而载荷较高时，冷却至300℃在PTFE结晶温度下立即取出的材料摩擦特性最好，150℃时取出的材料摩擦系数最大。整体来看，冷却至300℃取出材料的减摩性能最好。图7的磨损量对比也表明，随炉冷却至300℃取出的材料最耐磨；而保温结束后立即开炉取出在空气中急冷的材料磨损特性最差。

图6 不同冷却温度下摩擦系数与载荷关系

图7 磨损量随冷却温度的变化

2.4 综合评判

聚四氟乙烯的加热熔融和冷却结晶均需要一个温度范围和时间区间来完成，当烧结温度较低及保温时间较短时，会导致表层材料塑化重整不充分；烧结温度过高，又会加剧材料的氧化和降解，并由此影响到产品的使用性能。

在欠烧和过烧的情况下，环保型PTFE 3层复合材料的摩擦系数较低，但摩擦系数随载荷变化的波动性较大，运行稳定性较低，磨损量也显著加大，导致轴承产品的使用性能劣化。因此，控制好PTFE 3层复合材料塑化烧结的各工艺参数，对于提高产品性能及其一致性具有重要的意义。

3 结论

（1）3层复合材料板材塑化烧结过程中的烧结温度、保温时间及冷却方式对材料的摩擦磨损性能有着重要的影响。合理地优化板材塑化烧结工艺参数，可进一步提高3层复合材料的耐摩擦磨损性能。

（2）研究表明，在375℃保温塑化烧结60 min，并随炉冷却至300℃时

取出，可以保证环保型PTFE 3层复合材料的综合摩擦磨损性能达到最好。