錢菁,苗艷偉,錢亞明,方建飛,邱明
(1.新昌縣產(chǎn)品質量監(jiān)督檢測所,浙江 新昌 312500;2.河南科技大學 機電工程學院,河南 洛陽 471003)
固體潤滑涂層技術是指將固體物質涂或鍍于摩擦副界面,作為固體潤滑材料或固體潤滑劑,對摩擦副界面進行潤滑的方法,以降低摩擦因數(shù)或減小磨損[1]。由于粘結固體潤滑涂層是一種經(jīng)濟、方便和性能優(yōu)異的減摩措施,在民用機械和空間技術等多方面得到了廣泛應用[2-4],目前有超過95%的潤滑材料通過該工藝達到潤滑的目的[5]。研究表明,常用的MoS2基、石墨基及聚四氟乙烯(PTFE)基粘結固體潤滑涂層均具有良好的摩擦學性能[6-8]。PTFE作為一種典型的固體潤滑材料在耐熱性、耐磨性、自潤滑性及低摩擦因數(shù)等方面表現(xiàn)出良好的性能, PTFE基固體潤滑涂層的耐磨性比二硫化鉬和石墨類固體潤滑涂層高出5~7倍[ 9]?;诖?,下文著重對不同配方PTFE基固體潤滑涂層的摩擦學和力學性能進行試驗研究,以期找到綜合性能較優(yōu)的PTFE基固體潤滑涂層配方。
潤滑涂層的制備:將PTFE乳液、MoS2粉末(600目)、環(huán)氧樹脂E-51、和石墨粉末(600目)按一定比例混合均勻,通過模壓法制成PTFE基固體潤滑涂層,并將壓制好的涂層在100 ℃下烘干,保溫5 min,取出冷卻至室溫。將已制備好的3種PTFE基固體潤滑涂層的配方分別命名為A,B和C。3種配方的區(qū)別在于乳液中PTFE的含量不同,分別為20%,40%和60%。把制備的A,B和C固體潤滑涂層粘接到圓片和圓柱試樣上(材料均為GCr15軸承鋼),其中圓片試樣做摩擦磨損試驗和抗壓性能試驗,圓柱試樣做粘結性能試驗,試樣結構如圖1所示。圓片試樣的基本參數(shù)為:直徑30 mm,厚8 mm(其中涂層厚度為2 mm);圓柱試樣的基本參數(shù)為:直徑20 mm,高30 mm(其中涂層厚度為6 mm)。
(a)圓片 (b)圓柱
在HSR-2M型高速往復式摩擦磨損試驗機上測定涂層的摩擦因數(shù)和磨損體積(圖2)。
圖2 摩擦磨損試驗示意圖
在干摩擦條件下對涂層試樣進行摩擦磨損測試。上試樣為GCr15鋼球,直徑為6 mm,硬度為63 HRC;下試樣為已粘接涂層的圓片,直徑30 mm,厚8 mm(其中涂層的厚度為2 mm);往復頻率為3 Hz,往復移動長度10 mm,試驗載荷為30 N,試驗時間為5 min。試驗時上試樣固定,下試樣做往復移動。
2.1.1 摩擦因數(shù)
每種配方測試6次摩擦因數(shù),取其平均值得到如圖3所示結果。3種配方涂層的摩擦因數(shù)隨時間的變化趨勢如圖4所示。
圖3 不同配方涂層的摩擦因數(shù)
由圖3可知,C涂層的摩擦因數(shù)最小且減摩性最好,是A涂層的3倍左右、是B涂層的2倍左右;B涂層的摩擦因數(shù)次之,其減摩性是A涂層的1.5倍左右;A涂層的摩擦因數(shù)最大且減摩效果最差。
由圖4可知,A涂層的摩擦因數(shù)隨往復移動時間的波動較大且不穩(wěn)定,上、下波動的幅度在0.1范圍內;B涂層的摩擦因數(shù)隨往復移動時間的波動較平緩,上、下波動幅度基本在0.05范圍內;C涂層的摩擦因數(shù)隨往復移動時間的波動最平緩,上、下波動幅度基本在0.01范圍內。
綜上可知,A涂層的摩擦性能最差,并且其涂層的摩擦因數(shù)隨往復移動時間的波動也較大且不穩(wěn)定;B涂層的摩擦性能介于A和C之間;C涂層的摩擦性能優(yōu)于A和B,并且C涂層的摩擦因數(shù)隨往復移動時間的波動也最平穩(wěn)。
2.1.2 磨損量
對每種配方涂層的磨損量測量6次,取其平均值,結果如圖5所示。
圖5 不同配方涂層的磨損量
由圖中數(shù)據(jù)可知,C涂層的磨損量最小,耐磨性最好,其耐磨性是A涂層的8倍左右、B涂層的20倍左右;A涂層的磨損量次之,其耐磨性是B涂層的2.5倍左右;B涂層的磨損量最大,耐磨性最差。
綜合考慮涂層的摩擦因數(shù)和磨損量,C涂層的摩擦學性能優(yōu)于其他兩種配方;A涂層的磨損性能優(yōu)于B。
2.2.1 粘結性能試驗
利用INSTRON5944拉壓試驗機,參照GB/T 5210—2006進行PTFE基固體潤滑涂層的粘結性能試驗。試驗條件:拉伸應力速率為0.05 MPa/s,拉伸位移為2 mm。每種配方做3組試驗,取其平均值,試驗結果見表1。
表1 不同配方涂層的粘結強度
從表中數(shù)據(jù)可以看出:在相同的試驗條件下,A涂層與基體的粘結強度最高,其粘結強度是B和C涂層的4倍左右,并且A涂層在做拉伸試驗時是從涂層中間斷開,表明A涂層的膠黏劑與基體的粘結性能最好;B與C涂層的粘結強度大致相當,涂層均是從結合面處斷開,但C涂層與基體斷開時,基體上粘有部分涂層,而B涂層則完整地從基體上斷開。 并且B涂層在做抗壓性能試驗時,涂層出現(xiàn)了從基體上脫落的情況,而其他2種配方均未出現(xiàn)。
綜上可知,A涂層的黏結強度最高;B與C涂層的粘結強度大致相當,但C涂層膠黏劑與基體的粘結性能優(yōu)于B。
2.2.2抗壓性能試驗
采用DDL-300電子萬能試驗機,參照GB/T 7314《金屬材料室溫壓縮方法》進行涂層的抗壓性能試驗。試驗條件:加載速度為0.5 mm/min,壓縮面積S0為7.069 mm2,施加最大載荷F為300 t。每種配方做3組抗壓性能試驗,取其平均值。涂層的壓縮強度和壓縮量見表2。壓縮載荷隨時間的變化趨勢如圖6所示。
表2 不同涂層的壓縮強度與壓縮量
圖6 不同涂層的壓縮載荷隨時間的變化趨勢
圖6a中A涂層的壓縮載荷隨壓縮時間的變化趨勢在140 s左右時涂層材料產(chǎn)生屈服,其壓縮強度為200.65 MPa,此時的壓縮量為1.460 mm。圖6b中B涂層的壓縮載荷隨壓縮時間的變化趨勢在180 s左右時涂層材料產(chǎn)生屈服,其壓縮強度為218 MPa,此時的壓縮量為1.496 mm。圖6c中C涂層的壓縮載荷隨壓縮時間的變化趨勢在280 s左右時涂層材料產(chǎn)生屈服,其壓縮強度最高,為457.18 MPa,約為A和B涂層的2倍;C涂層的壓縮量為2.336 mm, 約為A和B涂層的1.5倍。
(1) 3種配方中C涂層的減摩性和耐磨性最好;B涂層的摩擦性能優(yōu)于A,減摩性約為A的1.5倍,但磨損性能比A差;A涂層的摩擦性能最差,但其磨損性能優(yōu)于B,是B涂層的2.5倍左右。
(2) 3種配方中B涂層的力學性能最差;A涂層的粘結性能最好,其粘結強度是B和C涂層的4倍左右,但A涂層的抗壓性能不如C,C涂層的壓縮強度約為A的2倍,并且其韌性也較好。