馬 綱，趙永武，唐海霞

(1.江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇無錫 214011;2.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

粘結(jié)性涂層的摩擦磨損特性

馬 綱1，趙永武2，唐海霞2

(1.江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇無錫 214011;2.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

采用球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究了粘結(jié)性鋼-聚四氟乙烯涂層在不同速度和載荷條件下的摩擦磨損特性。采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)了磨損后涂層的表面形貌，探討了涂層的摩擦磨損機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn):隨載荷的增加，涂層的摩擦系數(shù)和磨損率降低;隨速度的增加，涂層摩擦系數(shù)趨于恒值，而磨損率增加。掃描電子顯微鏡分析表明:這是由于高速條件下，涂層與滾球表面轉(zhuǎn)移膜的形成引起的。

鋼;聚四氟乙烯;摩擦磨損;轉(zhuǎn)移膜

引 言

合金鍍層由于具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，在工程應(yīng)用中越來越受到人們的重視［1-2］。近來，為了進(jìn)一步提高合金鍍層的耐磨性能，常添加各種粒子如石墨、MoS2或聚四氟乙烯(PTFE)等與基材共沉積，產(chǎn)生良好的自潤滑效果［3-4］。但存在鍍液穩(wěn)定性差、鍍液成分和工藝參數(shù)對(duì)鍍層質(zhì)量的影響敏感和復(fù)合鍍工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。為此，采用氣相沉積、粘結(jié)固體潤滑膜等方法制備PTFE固體自潤滑涂層成為研究者探索的另一熱點(diǎn)問題［5-6］。粘結(jié)固體潤滑膜可替代許多機(jī)械設(shè)備傳統(tǒng)的油、脂潤滑材料，改善摩擦副的潤滑性能，同時(shí)適用于無油潤滑的干摩擦場(chǎng)。然而，對(duì)鋼-PTFE 涂層的摩擦磨損性有待系統(tǒng)的研究，特別是對(duì)磨損機(jī)理的探討甚少。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

樣品為69 mm ×7 mm的45#鋼，經(jīng)過化學(xué)、機(jī)械拋光等前處理。將PTFE與樹脂粘結(jié)劑噴涂在氣相沉積PTFE薄膜的涂層上，然后在280℃下固化燒結(jié)40min。一般固體潤滑膜的后處理可采用常溫固化或者高溫固化，在280℃下固化得到的粘結(jié)固體潤滑膜的綜合性能優(yōu)于常溫固化。

1.2 聚四氟乙烯氣相沉積工藝

拋光試樣先經(jīng)水洗、烘干及超聲波清洗除油，用無水酒精擦洗后，快速烘干再放入磁控設(shè)備真空腔，在JZCK2420B高真空多功能磁控濺射設(shè)備上進(jìn)行磁控濺射。其參數(shù)設(shè)置為:負(fù)偏壓5 kV，射頻功率160 W，頻率200 Hz，氣壓 0.1 Pa，濺射時(shí)間為 4 h，涂層厚度為2μm。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

1.3.1 涂層硬度的測(cè)量

運(yùn)用MH-3型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量基體硬度和涂層的硬度，為了保證不受在制膜過程中可能出現(xiàn)的微小氣泡等的影響，對(duì)每塊試樣均進(jìn)行了多次取點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取其均值來表示涂層的硬度，設(shè)備打點(diǎn)采用的載荷為2.00N，涂層硬度約為200HV。

1.3.2 涂層的摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)在清華大學(xué)研制的球－盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采取點(diǎn)接觸的方式。摩擦副為GCr15的滾珠，其硬度在950HV左右。通過不同時(shí)間條件下，記錄切向力與摩擦力的方法，獲取摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。摩擦力采樣頻率:1Hz，摩擦狀態(tài)為干摩擦滑動(dòng)摩擦磨損。磨損質(zhì)量用感量萬分之一的奧豪斯Adventurer的光電分析天平進(jìn)行測(cè)量。利用Quaunta-200掃描電子顯微鏡觀察磨損后的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷與速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

如圖1所示，在40、60和80N載荷下，對(duì)涂層進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)。

圖1 不同載荷和速度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系

圖1(a)～(c)，轉(zhuǎn)速為100r/min的情況下，摩擦系數(shù)隨著載荷增加有略下降的趨勢(shì)，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.18～0.25 之間。圖1(d)～(f)，在 150r/min 轉(zhuǎn)速下，摩擦系數(shù)隨著載荷增加呈略微下降趨勢(shì)，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.19～0.27之間。圖 1(g)～(i)，在 250 r/min轉(zhuǎn)速下，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.25～0.27之間?？梢钥闯?，在速度和載荷較小的條件下，涂層的摩擦系數(shù)較穩(wěn)定。

這是由涂層本身性質(zhì)所決定的，與摩擦過程中真實(shí)的接觸面積有關(guān)。隨著載荷的增加，涂層發(fā)生的彈塑性變形增加，和摩擦副相比涂層硬度較低，且具有相對(duì)較好的塑性;在承受較大的載荷后，在涂層表面的壓入深度變大，名義接觸面積同時(shí)增大;從微觀角度來說，涂層對(duì)摩擦副有著類似“包裹”的作用，從而造成摩擦系數(shù)降低的現(xiàn)象。摩擦系數(shù)與載荷和實(shí)際接觸面積具有如下關(guān)系:μ=(S×A)/P［7］，其中S為材料的剪切強(qiáng)度，A為實(shí)際接觸面積，P為載荷，剪切強(qiáng)度為定值?？梢钥闯?一方面，載荷增加，摩擦系數(shù)減小;而另一方面，實(shí)際接觸面積的增加提高了摩擦系數(shù)。但是A增大的趨勢(shì)與P增大的趨勢(shì)相比相對(duì)緩慢，因此摩擦系數(shù)隨載荷增大呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。這與文獻(xiàn)［8］相似.從摩擦性能來說，PTFE復(fù)合涂層擁有較穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

2.2 載荷與速度對(duì)涂層磨損量的影響

在與鋼球組成的摩擦副中，復(fù)合涂層表現(xiàn)為主要磨損方。在摩擦磨損過程中，初期有不少磨屑形成，隨著摩擦磨損時(shí)間的增加，300s后基本穩(wěn)定，產(chǎn)生的磨屑減少。圖2描述了不同速度和載荷條件下，涂層磨損率隨載荷的變化關(guān)系。

圖2 在不同速度下磨損率與載荷的關(guān)系

從圖2中可以看出，在不同的速率下，涂層的磨損質(zhì)量隨著載荷的增加而減少。在速度較低的情況下，其磨損質(zhì)量減小的趨勢(shì)比較平緩，而在速度較高的情況下，減少趨勢(shì)明顯。但是隨著速度的增加，涂層的磨損質(zhì)量增加較為明顯，可能是因?yàn)樵谒俣茸兇蟮那闆r下摩擦熱效應(yīng)加強(qiáng)，材料在外加載荷方向和摩擦力方向產(chǎn)生變形甚至塑性流動(dòng)，粘合在摩擦副表面，這樣的粘合對(duì)摩擦系數(shù)沒有影響甚至?xí)蛊渥冃。怯捎谙鄬?duì)滑動(dòng)速度的增加，粘附在摩擦副上的轉(zhuǎn)移膜又被高速滑動(dòng)帶走，導(dǎo)致磨損質(zhì)量的增加。同等載荷下，400 r/min的轉(zhuǎn)速下的磨損量是100r/min轉(zhuǎn)速下的2倍。

2.3 摩擦磨損機(jī)理

圖3是摩擦磨損試驗(yàn)后的表面形貌。

圖3 涂層在摩擦磨損后的表面形貌照片

圖3(a)～(c)為在100r/min情況下不同載荷下的形貌，呈較完整的狀態(tài)，表面較為平整，略有微凸。圖3(c)的形貌相對(duì)圖3(a)～(b)較平，在較小的速度和較大的載荷下，涂層的表面微凸被磨平，與摩擦副的接觸面積增大.由于速度較低，能形成一層光滑且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移薄膜，而保持平穩(wěn)且較低的摩擦系數(shù)，且進(jìn)入平穩(wěn)摩擦系數(shù)后，磨損質(zhì)量隨時(shí)間增加的速率降低;圖3(d)～(f)為在400r/min下不同載荷下的磨損形貌，幾乎都能看到有微粒狀凸起，并且有快要被從涂層表面撕脫的趨勢(shì)，圖3(e)表現(xiàn)得尤其明顯，在較高速度的摩擦磨損試驗(yàn)中伴隨著磨屑的形成，復(fù)合粘結(jié)膜的硬度遠(yuǎn)低于摩擦副鋼球，在高速的情況下，聚四氟乙烯以及制成涂層的填料、粘結(jié)劑等形成的微凸被摩擦副刮下，并以薄膜的方式附著在摩擦副的表面上;但是由于速度較高，摩擦過程中，這層轉(zhuǎn)移膜很容易脫落，露出的新鮮表面繼續(xù)粘附到表面上形成轉(zhuǎn)移膜來降低摩擦系數(shù)，從而表現(xiàn)出較大的磨損率。然而，受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，該轉(zhuǎn)移膜機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié)論

1)隨著載荷的增大，涂層摩擦系數(shù)降低;而隨著速度的增加，涂層摩擦系數(shù)變化較小;

2)隨著載荷的增大，涂層磨損率降低;而隨著速度的增加，涂層磨損率增加;

3)在高速條件下，涂層和滾球之間形成的轉(zhuǎn)移膜降低了摩擦系數(shù)，但增大了磨損率。

［1］王濤，安茂忠，張?zhí)?堿性鋅-鎳合金電鍍白鈍化工藝的研究［J］.電鍍與涂飾，2002，21(4):14-19.

［2］韋春貝，鞏春志，田修波，等.Cu-Zn摻雜對(duì)TiN復(fù)合膜層組織性能的調(diào)制［J］.無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2009，(6):1231-1235.

［3］Ming D，Hou K，Wang L，et al.The friction and wear of Ni-P-PTFE composite deposits under water lubrication［J］.Materials Chemistry and Physics，2003，77(3):755-764.

［4］王利捷，楊軍勝.鈦合金表面MoS2/TiN復(fù)合涂層的摩擦性能研究［J］.表面技術(shù)，2010，39(2):11-13.

［5］唐海霞，趙永武.聚四氟乙烯復(fù)合薄膜的摩擦磨損性能［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008，7(3):335-338.

［6］Chen J，Ye Y，Dang H.Developing situation and application of bonded solid lubricant films［J］.Tribology，1994，14(2):180-189.

［7］唐海霞.鋼絲圈表面耐磨耐蝕涂層的理論與試驗(yàn)研究［D］.無錫:2008:14-15.

［8］張欣濤，廖功熊，馮學(xué)斌，等.新型PPESK/聚四氟乙烯共混物的力學(xué)和摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(4):330-334.

Friction and Wear Characteristics of the Cohesive PTFE Coatings

MA Gang1，ZHAO Yong-wu2，TANG Hai-xia2
(1.Jiangsu City Vocational College，Wuxi 214011，China;2.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi214122，China)

The friction and wear characteristics of cohesive PTFE coating on steel were investigated under variable loadings with different velocities by a ball-on-disc friction and wear tester.The surface morphology of the coatings after wear test were observed by SEM and the frictional and wear mechanism were also discussed.The results show that frictional coefficient and wear rate will decrease with the increase in the loading.It can also be found that the wear rate will increase while the frictional coefficient is almost unchanged with the increase in velocity.Further analysis reveals that the experimental data above are caused by the formation of a transfer film between the coatings and ball under the high velocity.

steel;PTFE;friction-wear;transfer film

TG174.4

A

1001-3849(2010)12-0018-04

2010-07-07

2010-08-20