纤维织物型自润滑材料摩擦学性能试验

蔡盛宗，段宏瑜，王文

（1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2.上海市轴承技术研究所，上海 201801）

织物型自润滑材料又称织物衬垫，由各种纤维编织并通过固化粘接等工艺制成，其工作面以摩擦因数很低的PTFE纤维为主，粘接面则以强度 高、易于粘接的其他纤维为主［1］。因其有良好的 摩擦磨损性能，同时具有耐冲击及优异的尺寸适 应性，作为关节轴承及衬套的固体润滑材料广泛应用于工程机械和航天航空等领域。

目前国内外针对织物型自润滑材料的研究主要集中在轴承成品的台架试验上［2-3］。一些学者研究了基于模拟工况下，粘贴有织物衬垫的关节轴承寿命。也有学者针对衬垫本身开展了摩擦磨损性能试验［4］，研究了不同载荷下衬垫的摩擦因数及磨损率变化。然而，由于衬垫本身纤维结构的独特性，磨损过程中不同阶段衬垫展现的摩擦学性能是不同的，故需在单一条件下对衬垫进行加速磨损试验，研究其摩擦磨损机理。另外，不同对磨材料对衬垫摩擦学性能的影响各异，选用不同材料与衬垫组成摩擦副进行试验，验证何种材料与衬垫组成的摩擦副其摩擦学性能最佳具有现实的工程意义。

1 试验

1.1 试样制备

试验采用国产纤维织物型自润滑衬垫作为研究对象，该织物为斜纹结构，由PTFE纤维和芳纶纤维编织而成。将衬垫剪成φ50 mm规格粘结在φ50 mm×5 mm轴承钢基体上，并采用标准固化工艺制备如图1（左侧）所示试样5件，标记编号1＃～5＃。根据试件尺寸和一次试验磨痕宽度，1个试件上最多可完成不同工况下的8次试验。

采用G95Cr18钢球、WC球和Al2O3陶瓷球3种不同材料的对磨试球进行试验，3种试球直径均为6 mm，G10精度（图1右侧）。其中G95Cr18钢球准备15粒，其余球各准备5粒。

图1 衬垫试样和3种材料试球

1.2 试验装置

试验采用西班牙MT4003标准球盘往复式摩擦磨损试验机。试验机使用杠杆砝码加载，加载头采用螺纹结构可替换放入不同对磨试球；将衬垫试样固定于往复盘上，加载头与衬垫表面接触，通过往复台带动衬垫做周期往复运动，使加载球面与衬垫间产生往复摩擦；安装于杠杆上的力传感器可以测得往复摩擦力及摩擦因数。随着衬垫磨损，加载杆下降，固定于加载杆上的传感器可以测得加载杆的位移变化，即磨损量。

1.3 理论计算

1.3.1 接触应力

在砝码施加载荷的作用下，衬垫与加载球面间存在接触应力，摩擦过程中接触应力分布最大点对衬垫的影响最大。由于自润滑衬垫材料的弹性模量远小于金属材料，故当金属材料承载挤压衬垫材料时，变形主要集中在自润滑衬垫上。将衬垫看作由无限个理论弹性体组成，变形分布服从于接触刚体的外形。通过球面与平面间的几何接触关系，以及球面上任意一点变形所产生的接触应力在整个球面上的积分和载荷的等式关系，可以推导出接触应力最大点为几何中心，且最大接触应力计算式为

式中：E为衬垫的弹性模量，GPa；F为砝码载荷，N；R为对磨试球半径，mm；L为衬垫厚度，mm。经测试，国产衬垫弹性模量为2 GPa。

1.3.2 磨损率

试验机可测得衬垫材料的相对磨损量，试验定义磨损率为单位小时的相对磨损量，其计算式为

式中：l0为位移传感器初值均值；ln为第n个时刻位移传感器记录值的均值；ln-l0为相对磨损量，mm；t为试验时间，h。

1.4 试验方案

试验分为2部分：（1）摩擦磨损机理试验。通过让衬垫加速磨损，观察试验过程中衬垫的摩擦学性能。对磨材料为G95Cr18，通过砝码施加载荷（20 N），根据（1）式换算成最大接触应力为105 MPa、往复摆动频率2 Hz，对衬垫进行4 h磨损试验，每0.5 h记录摩擦因数及磨损深度，并在1＃～5＃试件上完成5次重复性试验。（2）不同对磨材料的对比试验。通过替换3种不同材料的对磨试球，按上述相同的试验条件和记录方法，分别在1＃～5＃试件上完成5次重复性试验，以验证不同摩擦副材料对衬垫摩擦学性能的影响。

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2 结果与分析

2.1 摩擦磨损机理

在接触应力105 MPa、往复摆动频率2 Hz、对磨材料G95Cr18下对衬垫进行了5次4 h磨损试验，获得的相关数据见表1、表2。

表1 位移传感器记录数据ln mm

表2 摩擦因数数据

衬垫磨损是一个非常复杂的过程，测值受诸多随机因素的影响。当测值呈现微小差异时，必须通过统计方法来判断测值均值之间是显著差异，还是因随机误差导致的测试数据波动。选择使用方差分析方法［5］，并通过检验样本P值来判断样本均值间的差异性。首先，进行统计分析的前提是确保测试数据属于随机样本，对每一时间点的5组重复性数据进行Minitab正态性检验，发现均服从正态分布；然后，观察表1数据，发现不同时段数据变化比较明显，呈现随试验时间增大的趋势，均值之间的差异很明显，故直接对每组重复性数据求均值；根据（2）式计算相对磨损量以及磨损率，并绘制出如图2所示的曲线图。

图2 磨损量及磨损率变化曲线

由图2可知，随着试验时间的延长，磨损量相应增加，表明衬垫材料一直处于磨损状态；试验初期磨损率增幅很大，随后放缓；当试验进行至2.5 h左右磨损率开始下降，表明衬垫磨损程度开始降低，整个过程中衬垫的磨损情况一直在变化。

由表2数据可知，初期摩擦因数很大，达到0.12以上，在0～0.5 h之间摩擦因数骤降，随后1～1.5 h摩擦因数有小幅增加，而2～4 h时数据差异很小，很难判断其均值之间是否存在差异。由于该组数据符合正态分布，故通过方差分析可以判断2～4 h摩擦因数数据的差异性。通过Minitab得到显著性水平为0.05下的摩擦因数方差分析结果见表3，其中P值近似等于零且小于0.05，由此统计意义上能断定在显著性水平为0.05下，2～4 h摩擦因数呈现显著差异；此外，观察图3所示的摩擦因数95%置信区间，2.5，3，3.5 h置信区间边界不重合，有明显区别，3 h处摩擦因数均值最大。

表3 2～4 h摩擦因数数据方差分析结果

图3 2～4 h摩擦因数95%置信区间

因0 h摩擦因数均值为0.123 6，而文中更关注磨损后期摩擦因数的变化情况，另外为作图方便，取0.5～4 h数据对比摩擦因数均值与磨损率的变化（图4）。由图可知，初期摩擦因数和磨损率均随试验时间而增大，2.5 h后磨损率急剧下降，3 h后摩擦因数趋于平稳，略有下降，表明该时段衬垫材料表面形貌发生了变化。

图4 摩擦因数均值与磨损率对比曲线

用NanoFocus扫描透射式电子显微镜观测衬垫在试验0.5，2和4 h时的表面形貌（图5）。衬垫在磨损前，织物表面覆盖了一层固化的树脂。摩擦初期对磨钢球与树脂接触，摩擦因数很大。0.5 h后织物表面树脂被磨去（图5a），织物纤维暴露并与对磨钢球接触，其中的PTFE纤维起到了降低摩擦因数的作用。

图5 不同时段的织物表面形貌

在较高法向应力以及摩擦剪应力作用下，0.5～2 h时织物表面持续磨损，形成较多磨屑，其中PTFE织物纤维也发生部分断裂，织物表面形貌持续变差（图5b），摩擦因数逐渐增大。

2～4 h期间，由于法向应力的作用，不断产生的织物磨屑被压实并填充到织物经纬向的空隙之中，形成片层状的填充物，使衬垫磨痕处微观上变得相对平整（图5c），改善了织物表面状态。此外，从图中黑色竖直的磨屑纹理可以看出，钢球和织物表面间有一层流动的转移润滑膜，起到了持续润滑的作用，所以此时间段摩擦因数趋于平稳并略有下降；同时，磨损的趋势也随之放缓，磨损率下降。之后很长的一段时间，衬垫都将保持这种稳定的摩擦状态。

2.2 不同对磨材料时衬垫摩擦学性能

试验在原G95Cr18试球基础上，增加WC和Al2O3对磨试球，并按照相同工况、相同试验方法分别在1＃～5＃试件上完成5次4 h重复性试验，记录摩擦因数和磨损量数据。采用相同数据处理及分析方法，求得摩擦因数均值和磨损率均值。

3种对磨试球的衬垫摩擦因数均值对比曲线如图6所示。衬垫摩擦因数变化趋势一致，均经历先增长，在3 h处达到峰值，随后趋于平稳并呈小幅下降的过程。Al2O3和WC试球时衬垫摩擦因数均小于G95Cr18球时，初期Al2O3球时衬垫摩擦因数最小。

图6 不同试球时衬垫摩擦因数均值曲线

3种对磨试球的衬垫磨损率均值对比曲线如图7所示，磨损率变化趋势也保持一致，均经历先增长后下降的过程。初期WC球使衬垫磨损率最低，Al2O3最高，但WC球达到稳定磨损所经历的时间最长，需3 h左右，其余2种试球均在2 h后使衬垫磨损率开始下降。

Al2O3和WC多用于PTFE改性材料，通过在PTFE中加入一定配比的Al2O3或者WC，可以使其获得更好的摩擦磨损性能［6-7］。由图6、图7可知，另2种对磨材料的摩擦因数均比G95Cr18低，与衬垫材料配合润滑效果也更好；但Al2O3试球时衬垫材料的磨损率偏大。

图7 不同试球时衬垫磨损率均值曲线

试验后用扫描透射式电子显微镜测得的Al2O3和WC试球表面形貌如图8所示。WC球表面残留了很多横条状的磨屑转移物，与图5中衬垫上的条纹状磨屑相匹配。采用丙酮清洗后发现有条纹状磨痕，表明磨损过程中，除了有衬垫材料磨屑转移到金属表面，也有金属磨屑转移到衬垫上。对磨屑转移物取样并进行EDS分析（表4），发现了PTFE材料的特征元素F和WC材料的特征元素W。可见转移膜中有PTFE，并起到了润滑减磨的作用，同时部分WC磨屑也嵌入到PTFE中，对转移膜中的PTFE起到了改性作用，增强了耐磨性能，所以WC与衬垫组成的摩擦副磨损率低。Al2O3陶瓷球表面残留的磨屑很少，说明其吸附磨屑的能力弱。此外，经过清洗发现Al2O3陶瓷球表面完好，这是由于陶瓷球硬度很高，衬垫磨屑不足以对陶瓷球表面造成伤害，故不存在物质转移。由图8b可知，Al2O3试球表面有部分明显的不规则凹坑，摩擦过程中会对较软的PTFE纤维产生剪切作用，但剪切下的磨屑又很难维持在球表面形成润滑膜，所以磨损率较大。综合分析，WC材料对衬垫的摩擦学性能最佳。

图8 试球试验后表面形貌

表4 磨屑转移物EDS分析

3 结论

（1）织物最初的摩擦因数由表面的固化树脂决定，当树脂被磨去，纤维暴露并与试球表面接触。随着摩擦过程的进行，将产生磨屑，摩擦因数会逐步增大，最终在法向正应力的作用下，破损织物表面纤维被压实，一部分磨屑被填入织物经纬向间隙中，使磨损织物表面变得相对平整，改善了织物的表面状态；另一部分磨屑会转移到对磨面上形成一层转移润滑膜，此时摩擦因数会趋于平稳并稍有降低，磨损率也会降低，进入一个稳定的磨损阶段。

（2）不同对磨材料的对比试验表明，Al2O3和WC对磨材料时衬垫的摩擦因数均比G95Cr18低，但是Al2O3并不能降低磨损率，因此WC材料对织物衬垫的综合摩擦学性能最好。