1、50塑料工業CHINAPLASTICSINDUSTRY第37卷第6期2009年6月成分構成對復合自潤滑材料摩擦學性能的影響駱志高,龐朝利,陳保磊(江蘇大學機械工程學院,江蘇鎮江212013)摘要:在MPX 2000摩擦磨損試驗機上,用環盤式摩擦副測量了不同成分的金屬塑料復合自潤滑材料與45#鋼在干摩擦條件下的摩擦磨損特性。結果表明:在載荷為200N,滑動速度為200r/min時,摩擦因數隨聚四氟乙烯(PT FE)用量的增加而減小,當PTFE體積分數超過20%時,摩擦因數下降趨緩;金屬塑料復合自潤滑材料的磨損率,隨PTFE用量的增加,先減小后增加;當PTFE在PEEK/PTFE共混物中的體積分數

2、為10%20%時,摩擦學性能最佳。關鍵詞:自潤滑材料;聚四氟乙烯;聚醚醚酮;摩擦學;配比優化;滑動摩擦中圖分類號:TQ325 4 文獻標識碼:B 文章編號:1005-5770(2009)06-0050-03*EffectsofElementsConstitutiononTribologicalPropertiesofSelf lubricatiMaterialLUOZhi gao,PANGChao l,iCHENBao lei(SchoolofMechanicalEng.,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)Abstract:ByusingMPX-2

3、000testrig,frictionandwearcharacteristicsoftheself lubricationmetallic#plasticcompositeswithdifferentcomponentscontentand45steelunderdryslidingfrictionwereinvestigated.Theresultsshowedthatunderthegiventestconditions,thefrictioncoefficientdecreasedwiththeincreaseofthepolytetrafluoroethylene(PTFE)cont

4、entatthesameslidingvelocity(200r/min)andthesameload(200N)whenthecompositerubbedwithstee,landthefrictioncoefficientwasstabilizedwhenthePTFEcon tentwasover20%.WiththeincreaseofPTFEconten,tthewearrateofthecompositewasdecreasedfirs,tKeywords:Self lubricatiMateria;lPolytetrafluoroethylene;Polyetheretherk

5、etone;Tribology;tionOptimization;SlidingFriction金屬塑料復合自潤滑材料是由底層金屬承載、表層塑料自潤滑工作層和將金屬底層和塑料自潤滑工作層連接在一起的結合層構成的,其具有較高的工作比壓和許用工作溫度以及較好的減摩和耐磨特性等優點,特別適用于制作大型、超大型的重載機械設備等領域1Propor料復合自潤滑材料的不同成分配比材料在干摩擦下的摩擦學特性進行了探討,但今后還需對其在摩擦磨損機理等方面開展進一步的深入研究。1 實驗部分1 1 主要原材料聚四氟乙烯(PTFE):平均粒徑為30 m,東陽市天宇氟塑廠;聚醚醚酮(PEEK):平均粒徑為50 m,廣成

6、塑料有限公司;聚苯硫醚(PPS):平均粒徑為30 m,上海元吉化工有限公司;石墨(G):平均粒徑為20 m,市售;二硫化鉬(MoS2):平均粒徑為40 m,市售。1 2 試樣的制備金屬塑料復合自潤滑材料,其特征在于其自上而下由塑料工作層、塑料結合層和銑削有設定凹坑形貌。聚醚醚酮(PEEK)是一種具有優異力學性2能(如高韌性、高抗疲勞性能)的半結晶熱塑性塑料,常被用于高性能復合材料的基體。目前,盡管對構成金屬塑料自潤滑材料的PEEK、PEEK復合材料以及其他復合材料的摩擦磨損特性已做一定的研究工作3-6,但對金屬塑料復合材料的摩擦學特性的研究還不夠深入和系統。為更好地發揮上述復合材料良好的摩擦學

7、特性的優點,應對金屬塑料復合材料的摩擦學特性進行深入的分析和研究。本研究對金屬塑*聯系人pchl1984163 com作者簡介:駱志高,男,1953年生,工學博士,教授,主要從事自潤滑復合材料成型、模具設計與制造、旋轉機械第37卷第6期駱志高等:成分構成對復合自潤滑材料摩擦學性能的影響51的鋼板組成,金屬塑料復合自潤滑材料的各層具體分布見圖1。實驗使用的金屬塑料復合自潤滑材料的表層(工作層)為以PEEK為基體的塑料,復合材料的制造流程為:(1)金屬板表面設定凹坑形貌的銑削;(2)金屬板已銑削面的表面處理;(3)塑料結合層各材料的混和與烘干,塑料工作層各材料的混和與烘干;(4)金屬板銑削面塑料結

8、合層的靜電噴涂;(5)金屬板銑削面的塑料工作層的模壓與燒結成型。其中流程(2)的具體操作步驟為:除油 水洗 除銹 水洗 中和 水洗 表調 磷化 水洗 自干或烘干。流程(3)中各試件塑料層工作層材料的成分配比見表1。流程(5)模壓成型工藝為:先將已完成流程(4)中的金屬板放入壓縮模具作為嵌件 將塑料工作層混合料放入模具 加壓至35MPa,以10!/min的速率升溫到320350!,恒溫1020min,加壓至510MPa,然后升溫至350380!,保溫保壓1030min后自然冷卻至100!卸壓開模,得到復合材料模壓件。N,時間60min。由數據采集系統采集摩擦力矩進而計算出摩擦因數;用讀數顯微鏡測

9、量試樣磨痕寬度并換算成磨損率。1 4 磨損表面的觀察與分析將摩擦磨損試驗后的樣品表面進行清洗、烘干并噴金后在S 570型掃描電鏡上進行SEM分析。2 結果與討論2 1 PTFE用量與復合材料摩擦和磨損特性的關系圖2是PTFE用量對金屬塑料復合材料的摩擦因數和磨損率的影響,圖2中PTFE體積分數是PTFE相對于PEEK的數值,并且(PEEK+PTFE)#(G+MoS2)=92#8。從圖2可見,加入7%的石墨(G)、1%的二硫化鉬(MoS2)和5%的聚四氟乙烯(PT FE)的復合材料,其摩擦因數比純PEEK的摩擦因數(0 41)下降約46%,說明上述成分的加入,能顯著降低材料的摩擦因數,提高其摩擦

10、性能。而且,隨著PTFE用量的增加,材料的摩擦因數呈現下降趨勢,最低時比純PEEK降低了70%左右,說明PTFE能與G起協同作用,降低材料的摩擦因數。其原因在于PTFE具有獨特的分子和分子結構,摩擦因數最小可達0 04,PTFE大分子容易被拉出結晶區在對磨金屬鋼表面形成轉移膜。G的層片狀結構在滑動摩擦時,由于剪切力使石墨的層與層間容易發生晶間滑動,因而在摩擦之初就向對磨面轉移。由于石墨層具有強韌性,因此其轉移膜與PTFE轉移膜相比亦表現出很強的韌性。隨著PTFE用量的增大,摩擦因數下降,但當PTFE體積分數超過0 15時,摩擦因數下降速度趨緩。7圖1 金屬塑料復合自潤滑材料結構Fig1 The

11、structureofself lubricationmetallicplasticcomposite1-塑料工作層;2-塑料結合層;3-金屬層圖2 復合材料摩擦因數和磨損率與PTFE用量的關系Fig2 Variationsinfrictioncoefficientandwearrateofcomposites1 3 摩擦磨損實驗實驗在MPX 2000型摩擦磨損實驗機上進行,摩擦副為盤-環型。試樣表面干磨削時采用強風冷卻,表面粗糙度Ra<1 5 m。試環材料為45鋼,硬度為HRC4855,原始表面積平均粗糙度Ra約為1 60 8 m,尺寸 34mm 8mm5mm。實驗條件為,in,#wi

12、ththecontentofPTFEunderdrysliding從圖2還可看出,當PTFE體積分數小于5%時,隨著PTFE用量的增加,PEEK/PTFE復合材料的磨損率急劇下降純PEEK的磨損率達17 3103mm/(N m);當PTFE體積分數在5%15%時,-6下52塑 料 工 業2009年降;當PTFE體積分數在15%左右時,復合材料的磨損率達到最低值;當PTFE體積分數高于15%時;復合材料的磨損率隨PTFE用量的增加而上升;可見金屬塑料復合自潤滑材料的磨損率隨著PTFE用量的增加而先減小后增加。原因在于加入PTFE后,PTFE易于在對磨面上形成轉移膜,降低了摩擦因數;偶聯劑的加入,

13、增加了PTFE與基體PEEK的相容性,提高了界面強度,使PTFE質點在磨損中不易從基體中脫落;此外,固體潤滑劑G及MoS2的加入,能在對磨面上形成轉移膜,起潤滑效應,對復合材料的磨損起保護作用8數MoS2的加入提升了復合材料的硬度和抗蠕變性能,最終使抗磨損性能顯著提升。但隨著PTFE、MoS2和石墨用量的增加,復合材料中脆性相增加,為疲勞磨損的發生創造了條件4。#3 結論1)金屬塑料復合自潤滑材料與45鋼對磨時,摩擦因數隨PTFE用量的增加而減小,當PTFE體積分數超過15%時,摩擦因數下降趨緩。隨PTFE用量的增加,金屬塑料復合自潤滑材料的磨損率,先減小后增加。2)G、MoS2的加入可顯著地

14、提升復合材料的摩擦學性能。當PTFE在PEEK/PTFE共混物中體積分數為10%20%時,摩擦學性能最好。參 考 文 獻dependentviscousincompressibleflowoffluidwithfreesur faceJ.2ZHANGZ,PhyFluids,1965,BREIDTC,18:2182-2192.CHANGL,。上述因素的綜合作用使復合材料的耐磨性比PEEK有較大幅度的提高。綜合考慮復合材料的摩擦因數和磨損率,PEEK/PTFE復合材料中PTFE的最佳用量應為15%左右。2 2復合材料磨損表面的觀察與分析compositesrelatedtotheirmechani

15、calperformancesJ.Tribology,2004,37:271-277.2007,32(2):117的摩擦學研究J.潤滑與密封,-122.研究J.高分子材料科學與工程,a-試件 b-試件%圖3 試件的磨損形貌Fig3 Surfaceofspecimen184-187.5ZHANGG,LIWY,CHERIGUIM,tribologicalperformancesofPEEK(poly ether ether ketone)-basedcoatingsdesignedfortribologicalapplicationJ.ProgOrgCoat,2007,60:39-44.Evalu

16、ationoftri6SUMERM,UNALH,MIMAROGLUA.2006,22(4):圖3是試件和%金屬塑料復合自潤滑材料的磨損表面的SEM照片。圖3a除可以看到一些較深的犁溝外,還存在撕裂現象,說明其磨損機制是微切削加黏著磨損。圖3b中犁溝深度明顯變淺,撕裂現象明顯減少。與圖3a相比,圖3b磨損表面光滑平整,說明試件%的耐磨性能比試件要好得多。原因在于隨著PTFE、MoS2和石墨用量的增加,材料的硬度、壓縮屈服極限、壓縮強度相應提高,其抗黏著能力、抗塑性變形能力增強。因此在對磨過程中不易被微凸體所切削,也不容易發生黏著和撕裂。同時填料PTFE、G和MoS2內部潤滑劑的加入也使得PEEK基復合材料的磨損機理變得更加復雜。盡管PTFE和G減少了復合材料與對磨面的黏附力并由此原因降低了摩擦因bologicalbehaviourofPEEKandglassfibrereinforcedPEEKcompositeunderdryslidingandwaterlubricatedconditionsJ.Wear,2008,1475-89.8YULaigu,iYANGShengrong,