自润滑材料摩擦磨损性能探究范文

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摘要：研究了不同基体的自润滑材料在无油和含油环境下的摩擦磨损性能，通过对端面试验和圆环试验的摩擦因数、磨损量或磨痕宽度的变化阐述，分析了不同基体的减磨层的摩擦磨损过程及机理。结果表明，在干摩擦环境下，PTFE基减磨层表现出了更低的滑动摩擦因数，且端面磨损量低于BMI基材料，而圆环试验中的磨痕宽度两者相反，BMI交联反应形成的刚性骨架增大了摩擦初期的磨损量。3种材料的油润滑端面磨损量均比较小，但BMI和PTFE基减磨层在油润滑圆环试验中的磨痕宽度与无油环境下的相比，分别减少了99.5%和22.6%，PTFE和POM基的油润滑磨痕宽度和摩擦因数相近，BMI交联反应后形成的交联结构骨架及POM线性分子的高结晶度使减磨层强度较高，在油润滑膜的隔离下，有利于提高其摩擦性能。

关键词：自润滑；摩擦；磨损；摩擦系数

在机械设备运转的过程中，各部件在作用力传递过程中往往存在着相互摩擦与磨损。据统计，摩擦损失了世界一次性能源的1/3以上。为了延长机械部件的寿命，节约材料与能源，研发新的润滑材料势在必行[1]。润滑材料基本可以分为气体润滑材料、液态润滑材料、半固体润滑材料和固体润滑材料。液体润滑材料一般为油润滑，是使用最为广泛的一种材料，但在滑动摩擦过程中无法保证充分的润滑油储备，润滑油缺失则会导致材料严重磨损，而固体润滑材料则可在无油状态下实现固体润滑效果[2-3]。固体润滑材料是充分利用材料的层状结构，或者分子间低的结合力，当对磨材料间受到剪切力时，实现分子间的低能量滑移，在相互摩擦介质之间形成一薄层的固体润滑膜，从而降低对偶材料间的摩擦因数，减轻其磨损程度。自润滑固体复合材料是将固体润滑材料通过轧制或其他物理、化学的方法黏附在背板上，使背板在无油状态下拥有良好的自润滑特性[4-5]。自润滑材料可由摩擦因数较低的有机物或无机物组成，比如二硫化钼、石墨、氮化硼、聚四氟乙烯、尼龙等。单一的材料体系一般无法实现自润滑结构功能，而是要将多种材料配伍组合，综合利用各材料的特性，实现自润滑与结构的统一，这样做，既保证了低的摩擦因数，又具有良好的强度、韧性、热传导等功能[6]。本文研究了改性聚四氟乙烯减磨层、改性聚甲醛减磨层和改性双马树脂减磨层材料的减摩、耐磨性能，分析了各体系材料的减磨特性。

1材料和试验过程

1.1试验材料

改性聚四氟乙烯自润滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型号为FQ-PTFE，材料主要由聚四氟乙烯、二硫化钼、玻璃纤维等组成。改性聚甲醛自润滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型号为FQ-POM，材料主要由聚甲醛、聚四氟乙烯、二硫化钼等组成。改性双马树脂自润滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型号为FQ-BMI，材料主要由双马来酰亚胺树脂、聚四氟乙烯、二硫化钼等组成。测试试样由表面有自润滑材料减磨层、中间铜球粉烧结层和钢背三层材料复合组成，如图1所示。将青铜铜球粉均匀地铺在钢板上，在还原性气氛保护的环境下，高温烧结制成青铜铜球粉多孔结构的铜钢复合背板，然后将自润滑材料铺放在青铜铜粉多孔结构的铜钢复合背板上，通过轧机轧制使得自润滑材料均匀、分散地轧入铜粉多孔结构中，然后再经过烧结制成试验板。

1.2试验方法

摩擦和磨损性能按照GB/T27553.1—2011测试，端面试验机测试摩擦因数和磨损量，圆环试验机测试摩擦因数和磨痕宽度。摩擦磨损试验条件分2种，即干摩擦和油润滑。

2结果与分析

2.1干摩擦试验结果分析

自润滑材料板材的端面试验可以更直接地评价在规定转速和时间下材料的耐磨性能，因改性POM复合材料在干摩擦时的摩擦因数和磨损量比较大，这类材料在干摩擦条件下并无应用价值。因此，干摩擦试验仅对照改性PTFE和改性BMI两类材料。

2.2油润滑试验结果分析

润滑油对于各类型自润滑材料的影响不一，尤其针对聚合物基自润滑涂层，油膜的形成改变了对偶面的摩擦介质。

3结论

虽然PTFE基的干摩擦因数高于BMI基材料，但磨损量优于后者，FQ-PTFE试样磨损后在对偶面快速形成转移润滑膜，而FQ-BMI试样的刚性骨架使材料在初期磨损量比较大。BMI基材料在端面干摩擦试验中的磨损量高于PTFE基材料，而BMI基材料在圆环试验中的磨痕宽度却远远小于PTFE基材料。改性BMI在减磨层内交联反应形成的刚性骨架起到了支撑作用，在对偶面形成润滑膜后，可减小对减磨层基体的磨损程度。3种类型的材料在油润滑条件下均具有较小的磨损量，3种类型材料圆环试验机在油润滑环境中，磨损量由大到小依次为FQ-PTFE＞FQ-POM＞FQ-BMI，POM和BMI基减磨层由于树脂的高结晶度或者高交联度影响，使主要磨损仅发生在油润滑膜形成前的摩擦初期阶段，当两摩擦基面间形成转移润滑膜之后，磨损迅速减少。在摩擦初期阶段，PTFE基减磨层的磨损由自身材料来减磨、润滑，而油膜形成后，破坏了PTFE基减磨层转移膜的形成条件，则转变为油润滑膜润滑。BMI基减磨层在油润滑环境下的圆环试验中，磨痕宽度仅为无油状态的0.5%，油膜隔离了2对磨结构，BMI基形接触压力，表5为3种材料在油润滑环境下的圆环试验机摩擦磨损试验结果。3种类型材料的圆环试验机在油润滑环境下，滑动摩擦因数由大到小依次为FQ-POM＞FQ-PTFE＞FQ-BMI，FQ-PTFE、FQ-BMI相对于无油润滑摩擦因数分别降低80.6%和86.5%.与端面摩擦不同，FQ-POM试样的摩擦因数是三者最大的，这表明，POM基试样在小的接触面积摩擦过程中，以油为主的对偶面润滑膜发生了破裂，但破裂过程是极为短暂的，破裂后随即再生，这种短暂的破裂增加了油润滑摩擦因数，但耐磨性骨架在一定程度上限制了材料磨损宽度。油润滑条件下的FQ-PTFE的磨痕宽度比无油润滑时的磨痕宽度降低了22.6%，磨痕宽度与FQ-POM相当，而FQ-BMI试样的磨痕宽度降低了99.5%，磨痕宽度仅为0.01mm或更小（几乎看不出来已摩擦过的痕迹）。BMI基的交联骨架的高强度和分子高键能，大幅度增加了材料耐磨性能，在油润滑条件下，这类材料对圆环摩擦并不敏感。虽然FQ-PTFE试样拥有较低的摩擦因数，但基于PTFE基的改性材料刚性不足，在圆环压力下，自润滑材料减磨层易向对磨结构转移，使磨痕宽度远远高于FQ-BMI。

参考文献：

［1］乔红斌，田雪梅，吴芳.高分子自润滑材料研究进展［J］.材料导报，2007（10）：24-26.

［2］刘超锋.国内自润滑轴承用材料的研究和开发［J］.铸造技术，2006（04）：416-420.

［3］张招柱，沈维长，赵家政.几种PTFE基自润滑复合材料轴承在油润滑条件下的摩擦学特性［J］.摩擦学学报，1993（03）：228-237.

［4］刘超锋，杨振如.聚合物基自润滑轴承材料［J］.橡塑资源利用，2007（01）：26-28，31.

［5］窦强，冯新，陆小华.聚甲醛自润滑复合材料的开发与应用［J］.高分子材料科学与工程，2003（01）：36-40.

［6］丁华东，傅苏黎，朱有利，等.自润滑滑动摩擦系数研究［J］.兵器材料科学与工程，2001（04）：31-33.

作者：崔海超1；邰同波2；罗光华3 单位：1.中航工业复合材料技术中心，2.山东高密润达机油泵有限公司，3.中电科第11研究所