对偶件表面微结构取向对PTFE基自润滑轴承材料摩擦性能的影响

丁亚，何超，肖帮，解挺

(合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009)

自润滑轴承材料是目前摩擦学领域的研究热点。聚合物基自润滑轴承材料因其重量轻、成形性好等优点受到极大关注。聚四氟乙烯(PTFE)常作为非金属滑动轴承材料[1]，通过添加填料进行改性，可以使其强度、刚度、抗蠕变性、耐磨损性明显提高[2]。PTFE在与金属滑动接触时，会在对偶件表面上生成转移膜，使聚合物与金属接触面转变成聚合物与聚合物接触面，降低摩擦因数，增大材料耐磨性[3]。所以转移膜的生成及特性对聚合物材料摩擦学特性有着重要的影响[4]。

摩擦表面特征是摩擦学设计的重要参数之一。长期以来，在工业工程、学术研究中，主要关注于表面粗糙度方面的影响，研究表明表面粗糙度对摩擦因数、转移膜生成等方面有很大影响[5-6]。然而，近年来的研究表明，即使在相同表面粗糙度下，表面微结构不同，也会对摩擦副的摩擦学性能产生重要影响[7-10]，主要体现在对于摩擦副接触区的形状、实际接触面等方面的微观影响，进而对宏观摩擦学性能产生影响。目前，关于对偶件表面微结构对摩擦副摩擦学性能的影响主要是探讨其对润滑状态的影响[11-12]，关于对干摩擦下的自润滑复合材料的摩擦学性能影响的研究尚显不足。

为此，现以PTFE基自润滑轴承材料为例，采用往复摩擦磨损的方式，考察对偶件45#钢表面上不同微结构取向对摩擦副摩擦学性能的影响，分析其摩擦磨损机理，以期对于机械零件表面的摩擦学设计提供参考。

1 试验方法

1.1 试样

PTFE基复合材料是以PTFE为基体，添加铜、石墨对其进行改性以提高综合性能。试验所用摩擦副：上试样为PTFE复合材料，主要成分15%含8-3铜粉，5%石墨，其余为PTFE。制备原料按比例混合搅拌均匀，经粉末压片机(60 MPa)压制，得到尺寸约为φ10 mm×25 mm的小圆柱体，最后将其在JHN-1氮气保护烧结炉中进行烧结。下试样为69 mm×25 mm×12 mm的45#钢块。摩擦表面采用定向磨削加工形成具有一定取向的直线型纹理结构，如图1所示，微结构取向与往复运动方向夹角分别为0°，45°，90°，表面粗糙度Ra均为0.2～0.3 μm。

图1 3种下试样

1.2 试验设备及方法

试验在多功能摩擦磨损试验机上进行，试验机的摩擦接触形式为面与面接触，如图2所示，上试样在45#钢表面做往复直线运动。摩擦方式采用干摩擦。试验条件：室温，平均线速度0.265 4 m/s，试验轴向载荷4 MPa,试验机转速200 r/min，时间40 min。摩擦因数由试验机自动记录，磨损量通过电子天平称量磨损前后上试样重量变化所得，并通过游标卡尺测量磨损前后上试样纵向长度变化来验证称量的准确性(长度测量与重量测量所得磨损量变化趋势一致)。同种试验条件下，均进行3次重复试验，取其平均值作为试验结果。试验后用扫描电子显微镜(HITACHI S-4800)观察对偶件表面微观形貌。

图2 试验运动方式示意图

2 结果与分析

2.1 PTFE基复合材料摩擦磨损

3种表面微结构取向下对偶件的摩擦磨损试验结果如图3～图4所示。由图3可知，随着摩擦时间延长，趋于稳态下，0°方向的摩擦因数稳定在0.158左右，而45°与90°方向的摩擦因数逐渐增加，20 min以后增加幅度变大，其中0°与90°方向时的摩擦因数相对较低，45°方向时的摩擦因数最大。由图4可知，与45°方向对偶件对摩，复合材料试样的磨损量最大，其次是90°方向，0°方向最小。磨损量的变化也进一步体现了3种摩擦因数变化，45°方向的摩擦因数最大，导致磨损量最大，0°方向的摩擦因数相对稳定且较小，导致其磨损量较小。这是因为在摩擦初始阶段，聚合物的转移是由机械作用引起的，即由对偶件表面的微凸体切削聚合物，被切削的聚合物颗粒粘附在对偶件表面的凹谷中。在0°方向时，这种切削作用最小，因此产生的磨损最小，其他2种微结构的切削作用较大，磨损量也相对较大。

图3 不同取向下的摩擦因数

图4 不同取向下的磨损量

2.2 转移膜

3种不同微结构取向下对偶件表面形成的转移膜微观形貌如图5所示。由图可知，相同试验条件和参数下，表面形成的转移膜形貌明显不同。0°方向转移膜相对均匀，对犁沟填充较好(图5a)；而45°，90°方向表面转移膜厚薄不一(图5b和图5c)，且刮擦严重，尤其是45°方向，部分转移膜已剥去，这一现象也可能是造成磨损量增大的原因之一。

图5 不同取向45#钢表面形成的转移膜微观形貌

2.3 磨屑形貌

3种不同取向对偶件对摩后复合材料的磨屑形貌如图6所示。由图6a和图6c 可知，取向为0°和90°时磨屑均呈较大的平整的片状，这是PTFE复合材料正常滑动疲劳磨损的片状磨屑，这些磨屑部分会粘附于自身表面或转移到对偶件表面，且容易滞留在摩擦界面；由图6b可知，取向为45°时磨屑为大薄片，且呈卷曲状，表明其为条带形片状磨屑，且容易排出摩擦界面，从而造成磨损增大。由此可见，对偶件表面不同微结构取向对磨屑形成的机理不同，是导致摩擦磨损不同的原因。

图6 不同取向45#钢与复合材料对摩后磨屑SEM照片

3 结论

对偶件表面微结构对PTFE基自润滑轴承材料的干摩擦磨损性能有较大影响，主要体现在对于转移膜成膜质量的微观影响，进而影响材料的宏观摩擦磨损性能。

0°方向45#钢表面转移膜较为均匀完整，磨屑呈较大的平整片状，稳态时的摩擦因数较小且相对稳定，磨损量最小；45°方向转移膜刮擦严重、大面积脱落，磨屑严重卷曲，稳态时的摩擦因数最大且增幅明显，磨损量最大；90°方向转移膜出现部分脱落，磨屑仍较为平整，摩擦因数较小但增幅较大。