裁切方向对PTFE织物自润滑衬垫剥离强度及摩擦磨损性能的影响

庄彩虹

(1.福建龙溪轴承(集团) 股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省关节轴承企业重点实验室，福建漳州 363000)

目前自润滑关节轴承用自润滑衬垫主要有铜网背衬的PTFE复合材料衬垫、PTFE织物自润滑衬垫、模塑衬垫(工程塑料衬垫)、干膜润滑层衬垫等[1-4]。其中PTFE织物自润滑衬垫以其可承受的动载荷能力最高、摩擦因数最低、使用温度范围最宽、寿命长、可靠性高等优点成为自润滑关节轴承高端领域的“明珠”[5-6]。PTFE织物自润滑衬垫是由PTFE纤维与芳纶、玻璃纤维、聚酯纤维等通过不同编织方式编织，并在酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺等树脂中浸渍，通过不同加工方式形成的一种结构致密的复合材料[7-8]。

PTFE织物自润滑衬垫是自润滑关节轴承的关键组成，其性能直接影响自润滑关节轴承的使用寿命和工作可靠性。迄今为止，国内还没有与PTFE织物自润滑衬垫相关的标准，主要依据仍是SAE AS 81820D—2014 Bearings,Plain,Self-Aligning,Self-Lubricating,Low Speed Oscillation和SAE AS 81819A—2010 Bearings, Plain, Self-Aligning, Self-Lubricating,High Speed Oscillation -65 to +160 °F General Specification For自润滑关节轴承规范要求，考察的关键指标是衬垫剥离强度及摩擦磨损性能。目前对该类衬垫的研究大多集中在对织物的表面处理(改善树脂与胶黏剂的界面结合力)[9-10]、树脂改性及填料添加(改善衬垫力学性能、摩擦磨损性能及耐温性等)[11- 12]、衬垫适用的工况性能研究[8, 13-15]等，关于裁切方向对衬垫性能影响的文献几乎没有。织物组织结构固定，但一般织物采用的经纬纱线材料不同、经纬密度不同，织物性能会存在各向异性。因此对制成的衬垫而言，不同裁切方向决定织物纤维方向与轴承内圈相对运动方向不同，进而影响衬垫剥离强度及摩擦磨损性能等。现通过试验研究裁切方向对PTFE/芳纶织物自润滑衬垫剥离强度及在不同工况下摩擦磨损性能的影响。

1 试验

1.1 原料及样品制备

采用自行研制的某PTFE织物自润滑衬垫进行试验。衬垫是由PTFE纤维和Kevlar纤维编织而成的织物通过浸渍树脂制成，再与金属基体粘贴，衬垫固化需要加温加压。衬垫裁切方向说明如图1所示，左图分别为裁切方向与经向呈0°，45°，90°和135°，右图均为对应纤维方向。裁切后衬垫的长度方向为摩擦试样的圆周方向或剥离强度试验的剥离方向。

图1 衬垫裁切方向说明

平板材料选用GCr15轴承钢，热处理硬度为54～60 HRC，平板尺寸为160 mm×20 mm，衬垫尺寸为120 mm×20 mm。将衬垫粘贴于平板上，平板表面经粗化处理，平板固化在恒温恒压设备中进行。平板剥离强度试验样品结构如图2所示。

图2 平板剥离强度试验样品

选用GE30ET-2RS关节轴承作为轴承圆周摆动摩擦磨损性能试验样品，其结构如图3所示。内、外圈材料均为GCr15(参照GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》)，外圈热处理硬度为54～60 HRC，内圈热处理硬度为58～64 HRC。

图3 GE30ET-2RS关节轴承

选用GE16DEM1T/K关节轴承作为轴承倾斜摆动摩擦磨损性能试验样品，其结构如图4所示。外圈材料为0Cr17Ni4Cu4Nb(参照GJB 2294A—2014《航空用不锈钢及耐热钢棒规范》)，热处理硬度为28～37 HRC；内圈材料为G102Cr18Mo(参照GB/T 3086—2008《高碳铬不锈轴承钢》)，热处理硬度为55～62 HRC。

图4 GE16DEM1T/K关节轴承

1.2 性能试验

平板剥离强度试验采用UTM5505型电子万能试验机参照SAE AS 81820D—2014进行，剥离角度为140°～180°，剥离速度为0.317 mm/s，有效剥离长度≥40 mm，剥离方式如图5所示。每组试验至少制作6个试样，结果取平均值。

图5 平板剥离强度试验

轴承圆周摆动摩擦磨损性能试验采用SPB-5A型恒载寿命试验机，动载荷为53.5 kN(90 MPa)，内圈圆周摆动，角度为±30°，频率为70次/min。运动方式如图6所示，试验机示意图如图7所示。每组试验至少制作3个试样，试验周期为全寿命，结果取平均值。

图6 轴承圆周摆动摩擦磨损性能试验运动方式

图7 轴承圆周摆动摩擦磨损试验机示意图

轴承倾斜摆动摩擦磨损性能试验采用SDZ-50/20/1K/1K型组合加载运动关节轴承寿命试验机，动载荷为16 kN(33 MPa)，内圈倾斜摆动角度为±15°，频率为70次/min。运动方式如图8所示，试验机示意图如图9所示。每组至少制作3个试样，试验周期为1.6×106次，结果取平均值。

图8 轴承倾斜摆动摩擦磨损性能试验运动方式

2 结果与分析

不同裁切方向PTFE织物衬垫最直观的体现就是衬垫表面纹路看起来不同(具体纹路受织物织造方式影响)，其次是手感也不同(经向手感最软，纬向手感最硬，左斜向、右斜向居中)，这均是由于经向、纬向采用不同纤维织造，且裁切方向与经向、纬向纤维呈不同角度所致。衬垫裁切方向不同的最终体现是对衬垫性能的影响，纤维方向与摩擦副运动方向不同直接影响衬垫性能。

图9 轴承倾斜摆动摩擦磨损试验机示意图

2.1 裁切方向对PTFE织物衬垫剥离强度的影响

不同裁切方向衬垫的平板剥离强度试验结果见表1。4种裁切方向衬垫的粘贴完整性均达到100%，但剥离强度差异较大，经向裁切衬垫的剥离强度最高，明显优于其他方向；其次是左斜向和右斜向裁切衬垫；纬向裁切衬垫的剥离强度最差。这是因为Kevlar纤维刚性大、模量高，而PTFE纤维相对刚性小、模量低，两者刚性相差较大，因此在剥离强度试验中Kevlar纤维产生的反弯曲刚性力对剥离强度起主导作用。经向裁切衬垫剥离时，Kevlar纤维与剥离力呈90°，Kevlar纤维未产生反弯曲刚性力，因此对剥离力没有影响；纬向裁切衬垫剥离时，Kevlar纤维方向与剥离方向平行，Kevlar纤维产生的反弯曲刚性力与剥离力方向相反，抵消大部分剥离力，导致衬垫剥离强度差；左斜向及右斜向裁切衬垫剥离时，Kevlar纤维产生的反弯曲刚性力与剥离力呈一定角度，抵消部分剥离力，降低了衬垫剥离强度。因此经向裁切衬垫的剥离性能最佳。

表1 平板剥离强度试验结果

2.2 裁切方向对轴承圆周摆动摩擦磨损性能的影响

不同裁切方向PTFE织物衬垫的摩擦磨损寿命及摩擦因数试验结果见表2。经向裁切衬垫的平均摩擦磨损寿命最长，其次是左斜向、右斜向裁切衬垫，最差的是纬向裁切衬垫。平均摩擦因数则是经向裁切衬垫最小，纬向裁切衬垫最大，左斜向、右斜向裁切衬垫居中。在摩擦磨损过程中起主要润滑作用的是PTFE纤维，经向裁切时PTFE纤维与轴承内圈运动方向平行，此时润滑效果最好，摩擦因数最低，使轴承寿命大大提升。纬向裁切时PTFE纤维与轴承内圈运动方向垂直，而Kevlar与其平行，此时润滑效果最差，摩擦因数最高，更重要的是，该方向衬垫剥离强度非常差，轴承寿命最低。因此采用经向裁切衬垫的轴承圆周摆动摩擦磨损性能最佳。

表2 轴承圆周摆动摩擦磨损性能试验结果

2.3 裁切方向对轴承倾斜摆动摩擦磨损性能的影响

经向与纬向裁切衬垫的性能差异巨大，经向裁切衬垫表现出优异性能。考虑到轴承在应用过程中不只存在圆周摆动情况，也存在倾斜摆动情况，一旦轴承内圈运动方向转变为倾斜摆动，则经向裁切衬垫的PTFE纤维与内圈运动方向将呈90°，这与轴承圆周摆动时纬向裁切衬垫与内圈运动方向所呈角度一样。为考证运动方向转变对衬垫性能的影响，采用经向和左斜向裁切衬垫的轴承进行倾斜摆动摩擦磨损性能试验，结果见表3。

表3 轴承倾斜摆动摩擦磨损性能试验结果

由表3可知，虽然运动方向改变，但是经向裁切衬垫仍保持优异的摩擦磨损性能。一方面是由于经向裁切衬垫剥离强度最高，良好的粘贴强度为衬垫良好的倾斜摆动摩擦磨损奠定了基础；另一方面是由于经向裁切衬垫倾斜摆动方向Kevlar纤维比纬向裁切衬垫圆周摆动方向Kevlar纤维短得多，运动方向虽相同，但实际摩擦磨损情况却不相同。

3 结论

1)经向裁切PTFE织物衬垫的剥离强度最好，达1.49 N/mm，其次是左斜向、右斜向裁切，纬向裁切衬垫剥离强度最差。

2)采用经向裁切衬垫的轴承圆周摆动平均摩擦磨损寿命最长，达1 626 h，平均摩擦因数最低，为0.04，远优于其他裁切方向衬垫。

3)经向裁切衬垫优异的剥离强度使其在轴承倾斜摆动时也保持了良好的摩擦磨损性能。