PTFE颗粒对脲基润滑脂摩擦学特性的影响

曲建俊,周宏光,赵志强,刘志卓

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150001;2.杭州新港石油化工有限公司,浙江杭州 310016)

PTFE颗粒对脲基润滑脂摩擦学特性的影响

曲建俊1,周宏光2,赵志强2,刘志卓1

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150001;2.杭州新港石油化工有限公司,浙江杭州 310016)

采用微纳米聚四氟乙烯(PTFE)颗粒作为脲基润滑脂的添加剂。利用四球摩擦磨损试验机考察了微纳米 PTFE颗粒添加剂的用量对润滑脂的摩擦学性能和极压性能的影响,用光学显微镜考察了磨痕表面的形貌,并测试了两种含微纳米 PTFE颗粒试样的理化性能。结果表明,当微纳米 PTFE颗粒添加量为 1%时,润滑脂具有最佳的摩擦学性能。微纳米 PTFE颗粒改善润滑脂摩擦学性能主要与其本身润滑性能较好有关。在摩擦中 PTFE颗粒随润滑脂一起进入摩擦表面,在摩擦表面上形成 PTFE颗粒与基体材料的复合层,阻止金属与金属的直接接触,减小了摩擦,降低了磨损。

PTFE颗粒;脲基润滑脂;摩擦学性能;理化性能

Abstract:The m icro-nano polytetrafluoroethylene(PTFE)particles w ere taken as urea grease additive.The effects of the dosage of m icro-nano PTFE particles on the tribological properties and EP perform ances of the grease w ere investigated w ith a four-ball friction&w ear tester.The w ear scarmorphology of steel ballw as observed using a scanning electron m icroscope.The physicochem icalproperties of tw o kinds of samples containing m icro-nano PTFE particles w ere tested. It w as concluded that,w hen the dosage ofm icro-nano PTFE particles is 1 w t%,the grease has the best tribologicalproperties.It ow es m uch to the excellent lubricating properties form icro-nano PTFE particles.During rubbing,m icro-nano PTFE particles go into frict ion surface together w ith the grease.A compound fi lm for m ed on the surface of steel balls prevents m etals from contacting each o ther and decreases friction and w ear of steel balls.

Key words:PTFE particles;urea grease;tribologicalproperties;physicochem icalproperties

0 前言

随着现代工业的发展,许多机械运行在高温、高速、重载等场合,对润滑脂提出了更高的要求。众所周知,润滑脂的润滑性能在很大程度上取决于添加剂的性能[1]。脲基润滑脂是一种以有机化合物为稠化剂的非皂基润滑脂,具有耐热性好、抗氧化强等特性,已广泛应用于钢铁、汽车等对润滑脂要求十分苛刻的机械设备上。目前已经开发出多种聚脲润滑脂[2-3],研究主要侧重于润滑脂的配方及工艺。纳米技术发展为润滑材料的改性带来新的手段。将纳米颗粒加入到润滑油脂中可明显改善其摩擦学性能和其他性能。

研究较多的是将微纳米颗粒加入到润滑油中,并已获得了较好的改进效果[4-8],但是纳米颗粒的悬浮稳定一直是研究的难题。润滑脂是一类半流体物质,具有较好的托浮能力,有助于微纳米颗粒的分散悬浮,近年来,逐渐开展了将微纳米颗粒加入到润滑脂中期望提升其润滑性能的研究。已有研究表明[9-11],将金属氧化物、氟化物以及一些天然矿物质加入到润滑脂中可以改善其摩擦学性能,但所选润滑脂主要局限于锂基脂、皂基脂等,对非皂类脲基脂的研究相对较少。

PTFE是一种润滑性能优异的固体润滑填料,已实现颗粒的微纳米化,在一些润滑油脂中已进行了应用[12],在脲基脂中尚未见报道。本文将 PTFE颗粒加入到脲基润滑脂中,探索其改进润滑脂的减摩抗磨、极压性以及噪音性能的效果,期望研究出性能优良含微纳米颗粒的脲基脂,提升现有脲基润滑脂的性能,扩展其应用领域。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

脲基润滑脂成品 (杭州新港石油化工有限公司),钢球为 GCr15轴承钢,直径 12.7 mm,硬度HRC61～63。MS-800A型四球摩擦试验机,SG50型三辊研磨机。

1.2 润滑脂样品制备

选一种成品的脲基润滑脂作为基础脂,以质量分数设计了 0.5%、1%、3%和 5%4种比例,将微纳米 PTFE颗粒加入到脲基脂中,制成 5种试样。PTFE颗粒粒径为 200～400 nm,呈微灰色,为上海艾迪德纳米材料有限公司出品。

1.3 摩擦学及噪音性能的评定

图1 PTFE摩擦系数随含量变化对比曲线

利用四球试验机评定微纳米 PTFE颗粒作为润滑脂添加剂的抗磨性和承载能力。采用 BVT-1型轴承振动测量仪评定润滑脂的噪音性能,使用轴承为 6203-2RZ,精度等级为 P5,振动等级 Z3,径向游隙为 C0。评定条件如表 1所示。

表1 试验条件及方法

2 试验结果及讨论

2.1 减摩和抗磨试验

图 1和图 2是填充 PTFE颗粒的脲基脂的摩擦系数和磨斑直径随 PTFE含量的变化。由图1可见,随着 PTFE颗粒含量的增加,脲基润滑脂的摩擦系数呈下降趋势,当含量为 3%时摩擦系数达到最低点,当 PTFE颗粒含量从3%增大到5%时,摩擦系数突然变大。据此可以推断,当 PTFE含量为 3%时,配方具有较好的减摩性能。

图2 钢球磨斑直径随PTFE颗粒含量变化曲线

从图 2填充 PTFE颗粒的脲基脂的磨斑直径随含量的变化可见,当 PTFE颗粒的含量逐渐增大时,钢球的磨斑直径逐渐减小,到 1%时到最小值,当含量超过 1%时,磨斑直径呈略微上升趋势。与对摩擦的影响相比,PTFE颗粒也有一定的防磨损能力,但是出现在含量较低水平。

PTFE是一种减摩性能较好的固体润滑材料,将其加入脲基脂中可以改善其摩擦性能,当添加量为3%时,既不破坏润滑脂的连续性,又可以在摩擦中随润滑脂进入摩擦表面,协助润滑脂润滑,PTFE颗粒在摩擦表面形成具有较低剪切强度的油膜,使摩擦系数下降。然而,当 PTFE颗粒用量较大时,割裂了润滑脂的连续性,不仅不能协助润滑,而且还削弱了脲基脂的润滑效果,导致摩擦系数增大,磨损增加。

另外,利用光学显微镜对长磨后的钢球磨斑形貌进行了观测,如图 3所示。

由图 3可见,添加 PTFE颗粒后,钢球磨斑的磨痕明显有变浅的迹象,但当含量超过 3%时,不仅磨斑直径有所增大,磨痕也逐渐变深。表明,当添加量为 3%时,含有 PTFE颗粒的脲基润滑脂形成具有较低的剪切值的油膜效果较好,摩擦系数较低。当PTFE颗粒含量从 1%到 3%时,形成的油膜的抗压强度没有明显的变化,磨斑直径也没有太大的变化。但是当 PTFE含量继续增加时,一方面在润滑脂配制过程当中,PTFE颗粒微小,密度较小,因此体积较大,增加了润滑脂和颗粒界面;另一方面,当添加量增加时,影响了润滑脂本身的连续特性,使润滑脂向摩擦面的供应不充分,导致磨斑直径有所增大。

图3 钢球磨斑光学图片

2.2 极压、理化和噪音性能

根据减摩与抗磨试验结果,PTFE颗粒含量为1%和 3%时具有较好的添加效果,继续对这两种配方的极压性能和理化性能进行测试,结果表明两种配方均具有较好的极压性能。另外,还测试了在较高载荷下的钢球磨斑直径,如表 2所示。

由表 2试验结果分析,PTFE颗粒本身具有较好的润滑性能和较好的韧性,其改善润滑作用主要是PTFE超细粒子随润滑脂一起进入摩擦表面,填平磨损的凹处或陷入基体材料产生的结构缺陷,在摩擦表面上形成 PTFE颗粒与基体材料的复合层,减少了金属与金属的直接接触,从而使摩擦表面呈现出一定的抗磨性能。

表2 含 PTFE颗粒的脲基脂极压性能

进一步对上述两种配方的理化性能和噪音性能进行测定,结果如表 3所示。

表3 含 PTFE颗粒的脲基脂理化和噪音性能

由表3可见,在理化性能方面,含3%PTFE颗粒的脲基脂的性能略微优于含 1%的配方,与纯脲基脂相比,含 3%PTFE的润滑脂滴点变化不大,而锥入度增大,可使润滑脂变软,但水淋流失量明显减小,表明添加 PTFE颗粒可以改善脲基脂的抗水淋性能,这可能是改善润滑效果的原因之一。另外,从噪音性能的测试结果可知,在脲基脂中加入微纳米PTFE颗粒,有望改善其噪音性能,当加入 3%PTFE颗粒时,脲基脂的噪音指标均有一定的改善,这不仅与 PTFE的润滑作用有关,而且还与其自身的粘弹性材料属性有关,其详细机理有待进一步研究。

3 结论

将微纳米聚四氟乙烯 (PTFE)颗粒加入到脲基润滑脂中可以改善其润滑性能。结果表明,当加入量为 3%时,脲基脂的摩擦系数约降低了 24%,抗极压性能 PB值约提高了 21%,而加入量为 1%时可较好地改善脲基脂的抗磨损性能,其磨斑直径减小至原来的 78%左右。加入微纳米 PTFE颗粒之所以可改进脲基脂的润滑性能,主要与 PTFE具有低剪切易滑动特性有关,在摩擦中微细的 PTFE颗粒随润滑脂进入滑动表面,减小了金属的直接接触,降低了摩擦磨损。此外,从本文的实验结果,在脲基脂中加入微纳米 PTFE颗粒,有望改善其噪音性能,需要进一步研究。

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Effec ts of PTFE Pa rtic les on Tribolog ica l Prop e rties of U rea G rease

QU J ian-jun1,ZHOU Hong-guang2,ZHAO Zhi-qiang2,L IU Zhi-zhuo1
(1.Schoo lofM echatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China; 2.Hangzhou Xin′gang Petrochem icalLtd.,Hangzhou 310016,China)

TE624.83

A

2009-08-11。

浙江省科技攻关计划项目资助课题(编号 2006C21SA1E0005, 2006C21096),国家重点基础研究发展计划 973计划资助项目(2007CB607602)。

曲建俊(1962-),男,博士,教授,博士生导师,1998年毕业于哈尔滨工业大学理学院材料学专业,主要研究方向为摩擦学与智能结构设计,环境友好润滑材料与技术,发表论文70余篇。

1002-3119(2010)03-0034-04