蔡盛宗，段宏瑜，王文

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海市軸承技術(shù)研究所，上海 201801）

織物型自潤(rùn)滑材料又稱織物襯墊，由各種纖維編織并通過(guò)固化粘接等工藝制成，其工作面以摩擦因數(shù)很低的PTFE纖維為主，粘接面則以強(qiáng)度 高、易于粘接的其他纖維為主［1］。因其有良好的 摩擦磨損性能，同時(shí)具有耐沖擊及優(yōu)異的尺寸適 應(yīng)性，作為關(guān)節(jié)軸承及襯套的固體潤(rùn)滑材料廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和航天航空等領(lǐng)域。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)織物型自潤(rùn)滑材料的研究主要集中在軸承成品的臺(tái)架試驗(yàn)上［2-3］。一些學(xué)者研究了基于模擬工況下，粘貼有織物襯墊的關(guān)節(jié)軸承壽命。也有學(xué)者針對(duì)襯墊本身開展了摩擦磨損性能試驗(yàn)［4］，研究了不同載荷下襯墊的摩擦因數(shù)及磨損率變化。然而，由于襯墊本身纖維結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，磨損過(guò)程中不同階段襯墊展現(xiàn)的摩擦學(xué)性能是不同的，故需在單一條件下對(duì)襯墊進(jìn)行加速磨損試驗(yàn)，研究其摩擦磨損機(jī)理。另外，不同對(duì)磨材料對(duì)襯墊摩擦學(xué)性能的影響各異，選用不同材料與襯墊組成摩擦副進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證何種材料與襯墊組成的摩擦副其摩擦學(xué)性能最佳具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)纖維織物型自潤(rùn)滑襯墊作為研究對(duì)象，該織物為斜紋結(jié)構(gòu)，由PTFE纖維和芳綸纖維編織而成。將襯墊剪成φ50 mm規(guī)格粘結(jié)在φ50 mm×5 mm軸承鋼基體上，并采用標(biāo)準(zhǔn)固化工藝制備如圖1（左側(cè)）所示試樣5件，標(biāo)記編號(hào)1?！?＃。根據(jù)試件尺寸和一次試驗(yàn)?zāi)ズ蹖挾龋?個(gè)試件上最多可完成不同工況下的8次試驗(yàn)。

采用G95Cr18鋼球、WC球和Al2O3陶瓷球3種不同材料的對(duì)磨試球進(jìn)行試驗(yàn)，3種試球直徑均為6 mm，G10精度（圖1右側(cè)）。其中G95Cr18鋼球準(zhǔn)備15粒，其余球各準(zhǔn)備5粒。

圖1 襯墊試樣和3種材料試球

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用西班牙MT4003標(biāo)準(zhǔn)球盤往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)使用杠桿砝碼加載，加載頭采用螺紋結(jié)構(gòu)可替換放入不同對(duì)磨試球；將襯墊試樣固定于往復(fù)盤上，加載頭與襯墊表面接觸，通過(guò)往復(fù)臺(tái)帶動(dòng)襯墊做周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使加載球面與襯墊間產(chǎn)生往復(fù)摩擦；安裝于杠桿上的力傳感器可以測(cè)得往復(fù)摩擦力及摩擦因數(shù)。隨著襯墊磨損，加載桿下降，固定于加載桿上的傳感器可以測(cè)得加載桿的位移變化，即磨損量。

1.3 理論計(jì)算

1.3.1 接觸應(yīng)力

在砝碼施加載荷的作用下，襯墊與加載球面間存在接觸應(yīng)力，摩擦過(guò)程中接觸應(yīng)力分布最大點(diǎn)對(duì)襯墊的影響最大。由于自潤(rùn)滑襯墊材料的彈性模量遠(yuǎn)小于金屬材料，故當(dāng)金屬材料承載擠壓襯墊材料時(shí)，變形主要集中在自潤(rùn)滑襯墊上。將襯墊看作由無(wú)限個(gè)理論彈性體組成，變形分布服從于接觸剛體的外形。通過(guò)球面與平面間的幾何接觸關(guān)系，以及球面上任意一點(diǎn)變形所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力在整個(gè)球面上的積分和載荷的等式關(guān)系，可以推導(dǎo)出接觸應(yīng)力最大點(diǎn)為幾何中心，且最大接觸應(yīng)力計(jì)算式為

式中：E為襯墊的彈性模量，GPa；F為砝碼載荷，N；R為對(duì)磨試球半徑，mm；L為襯墊厚度，mm。經(jīng)測(cè)試，國(guó)產(chǎn)襯墊彈性模量為2 GPa。

1.3.2 磨損率

試驗(yàn)機(jī)可測(cè)得襯墊材料的相對(duì)磨損量，試驗(yàn)定義磨損率為單位小時(shí)的相對(duì)磨損量，其計(jì)算式為

式中：l0為位移傳感器初值均值；ln為第n個(gè)時(shí)刻位移傳感器記錄值的均值；ln-l0為相對(duì)磨損量，mm；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為2部分：（1）摩擦磨損機(jī)理試驗(yàn)。通過(guò)讓襯墊加速磨損，觀察試驗(yàn)過(guò)程中襯墊的摩擦學(xué)性能。對(duì)磨材料為G95Cr18，通過(guò)砝碼施加載荷（20 N），根據(jù)（1）式換算成最大接觸應(yīng)力為105 MPa、往復(fù)擺動(dòng)頻率2 Hz，對(duì)襯墊進(jìn)行4 h磨損試驗(yàn)，每0.5 h記錄摩擦因數(shù)及磨損深度，并在1＃～5＃試件上完成5次重復(fù)性試驗(yàn)。（2）不同對(duì)磨材料的對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)替換3種不同材料的對(duì)磨試球，按上述相同的試驗(yàn)條件和記錄方法，分別在1?！?＃試件上完成5次重復(fù)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證不同摩擦副材料對(duì)襯墊摩擦學(xué)性能的影響。

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2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損機(jī)理

在接觸應(yīng)力105 MPa、往復(fù)擺動(dòng)頻率2 Hz、對(duì)磨材料G95Cr18下對(duì)襯墊進(jìn)行了5次4 h磨損試驗(yàn)，獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 位移傳感器記錄數(shù)據(jù)ln mm

表2 摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)

襯墊磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，測(cè)值受諸多隨機(jī)因素的影響。當(dāng)測(cè)值呈現(xiàn)微小差異時(shí)，必須通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法來(lái)判斷測(cè)值均值之間是顯著差異，還是因隨機(jī)誤差導(dǎo)致的測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)。選擇使用方差分析方法［5］，并通過(guò)檢驗(yàn)樣本P值來(lái)判斷樣本均值間的差異性。首先，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的前提是確保測(cè)試數(shù)據(jù)屬于隨機(jī)樣本，對(duì)每一時(shí)間點(diǎn)的5組重復(fù)性數(shù)據(jù)進(jìn)行Minitab正態(tài)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均服從正態(tài)分布；然后，觀察表1數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同時(shí)段數(shù)據(jù)變化比較明顯，呈現(xiàn)隨試驗(yàn)時(shí)間增大的趨勢(shì)，均值之間的差異很明顯，故直接對(duì)每組重復(fù)性數(shù)據(jù)求均值；根據(jù)（2）式計(jì)算相對(duì)磨損量以及磨損率，并繪制出如圖2所示的曲線圖。

圖2 磨損量及磨損率變化曲線

由圖2可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，磨損量相應(yīng)增加，表明襯墊材料一直處于磨損狀態(tài)；試驗(yàn)初期磨損率增幅很大，隨后放緩；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至2.5 h左右磨損率開始下降，表明襯墊磨損程度開始降低，整個(gè)過(guò)程中襯墊的磨損情況一直在變化。

由表2數(shù)據(jù)可知，初期摩擦因數(shù)很大，達(dá)到0.12以上，在0～0.5 h之間摩擦因數(shù)驟降，隨后1～1.5 h摩擦因數(shù)有小幅增加，而2～4 h時(shí)數(shù)據(jù)差異很小，很難判斷其均值之間是否存在差異。由于該組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，故通過(guò)方差分析可以判斷2～4 h摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)的差異性。通過(guò)Minitab得到顯著性水平為0.05下的摩擦因數(shù)方差分析結(jié)果見表3，其中P值近似等于零且小于0.05，由此統(tǒng)計(jì)意義上能斷定在顯著性水平為0.05下，2～4 h摩擦因數(shù)呈現(xiàn)顯著差異；此外，觀察圖3所示的摩擦因數(shù)95%置信區(qū)間，2.5，3，3.5 h置信區(qū)間邊界不重合，有明顯區(qū)別，3 h處摩擦因數(shù)均值最大。

表3 2～4 h摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果

圖3 2～4 h摩擦因數(shù)95%置信區(qū)間

因0 h摩擦因數(shù)均值為0.123 6，而文中更關(guān)注磨損后期摩擦因數(shù)的變化情況，另外為作圖方便，取0.5～4 h數(shù)據(jù)對(duì)比摩擦因數(shù)均值與磨損率的變化（圖4）。由圖可知，初期摩擦因數(shù)和磨損率均隨試驗(yàn)時(shí)間而增大，2.5 h后磨損率急劇下降，3 h后摩擦因數(shù)趨于平穩(wěn)，略有下降，表明該時(shí)段襯墊材料表面形貌發(fā)生了變化。

圖4 摩擦因數(shù)均值與磨損率對(duì)比曲線

用NanoFocus掃描透射式電子顯微鏡觀測(cè)襯墊在試驗(yàn)0.5，2和4 h時(shí)的表面形貌（圖5）。襯墊在磨損前，織物表面覆蓋了一層固化的樹脂。摩擦初期對(duì)磨鋼球與樹脂接觸，摩擦因數(shù)很大。0.5 h后織物表面樹脂被磨去（圖5a），織物纖維暴露并與對(duì)磨鋼球接觸，其中的PTFE纖維起到了降低摩擦因數(shù)的作用。

圖5 不同時(shí)段的織物表面形貌

在較高法向應(yīng)力以及摩擦剪應(yīng)力作用下，0.5～2 h時(shí)織物表面持續(xù)磨損，形成較多磨屑，其中PTFE織物纖維也發(fā)生部分?jǐn)嗔?，織物表面形貌持續(xù)變差（圖5b），摩擦因數(shù)逐漸增大。

2～4 h期間，由于法向應(yīng)力的作用，不斷產(chǎn)生的織物磨屑被壓實(shí)并填充到織物經(jīng)緯向的空隙之中，形成片層狀的填充物，使襯墊磨痕處微觀上變得相對(duì)平整（圖5c），改善了織物表面狀態(tài)。此外，從圖中黑色豎直的磨屑紋理可以看出，鋼球和織物表面間有一層流動(dòng)的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜，起到了持續(xù)潤(rùn)滑的作用，所以此時(shí)間段摩擦因數(shù)趨于平穩(wěn)并略有下降；同時(shí)，磨損的趨勢(shì)也隨之放緩，磨損率下降。之后很長(zhǎng)的一段時(shí)間，襯墊都將保持這種穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)。

2.2 不同對(duì)磨材料時(shí)襯墊摩擦學(xué)性能

試驗(yàn)在原G95Cr18試球基礎(chǔ)上，增加WC和Al2O3對(duì)磨試球，并按照相同工況、相同試驗(yàn)方法分別在1?！?＃試件上完成5次4 h重復(fù)性試驗(yàn)，記錄摩擦因數(shù)和磨損量數(shù)據(jù)。采用相同數(shù)據(jù)處理及分析方法，求得摩擦因數(shù)均值和磨損率均值。

3種對(duì)磨試球的襯墊摩擦因數(shù)均值對(duì)比曲線如圖6所示。襯墊摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)一致，均經(jīng)歷先增長(zhǎng)，在3 h處達(dá)到峰值，隨后趨于平穩(wěn)并呈小幅下降的過(guò)程。Al2O3和WC試球時(shí)襯墊摩擦因數(shù)均小于G95Cr18球時(shí)，初期Al2O3球時(shí)襯墊摩擦因數(shù)最小。

圖6 不同試球時(shí)襯墊摩擦因數(shù)均值曲線

3種對(duì)磨試球的襯墊磨損率均值對(duì)比曲線如圖7所示，磨損率變化趨勢(shì)也保持一致，均經(jīng)歷先增長(zhǎng)后下降的過(guò)程。初期WC球使襯墊磨損率最低，Al2O3最高，但WC球達(dá)到穩(wěn)定磨損所經(jīng)歷的時(shí)間最長(zhǎng)，需3 h左右，其余2種試球均在2 h后使襯墊磨損率開始下降。

Al2O3和WC多用于PTFE改性材料，通過(guò)在PTFE中加入一定配比的Al2O3或者WC，可以使其獲得更好的摩擦磨損性能［6-7］。由圖6、圖7可知，另2種對(duì)磨材料的摩擦因數(shù)均比G95Cr18低，與襯墊材料配合潤(rùn)滑效果也更好；但Al2O3試球時(shí)襯墊材料的磨損率偏大。

圖7 不同試球時(shí)襯墊磨損率均值曲線

試驗(yàn)后用掃描透射式電子顯微鏡測(cè)得的Al2O3和WC試球表面形貌如圖8所示。WC球表面殘留了很多橫條狀的磨屑轉(zhuǎn)移物，與圖5中襯墊上的條紋狀磨屑相匹配。采用丙酮清洗后發(fā)現(xiàn)有條紋狀磨痕，表明磨損過(guò)程中，除了有襯墊材料磨屑轉(zhuǎn)移到金屬表面，也有金屬磨屑轉(zhuǎn)移到襯墊上。對(duì)磨屑轉(zhuǎn)移物取樣并進(jìn)行EDS分析（表4），發(fā)現(xiàn)了PTFE材料的特征元素F和WC材料的特征元素W?？梢娹D(zhuǎn)移膜中有PTFE，并起到了潤(rùn)滑減磨的作用，同時(shí)部分WC磨屑也嵌入到PTFE中，對(duì)轉(zhuǎn)移膜中的PTFE起到了改性作用，增強(qiáng)了耐磨性能，所以WC與襯墊組成的摩擦副磨損率低。Al2O3陶瓷球表面殘留的磨屑很少，說(shuō)明其吸附磨屑的能力弱。此外，經(jīng)過(guò)清洗發(fā)現(xiàn)Al2O3陶瓷球表面完好，這是由于陶瓷球硬度很高，襯墊磨屑不足以對(duì)陶瓷球表面造成傷害，故不存在物質(zhì)轉(zhuǎn)移。由圖8b可知，Al2O3試球表面有部分明顯的不規(guī)則凹坑，摩擦過(guò)程中會(huì)對(duì)較軟的PTFE纖維產(chǎn)生剪切作用，但剪切下的磨屑又很難維持在球表面形成潤(rùn)滑膜，所以磨損率較大。綜合分析，WC材料對(duì)襯墊的摩擦學(xué)性能最佳。

圖8 試球試驗(yàn)后表面形貌

表4 磨屑轉(zhuǎn)移物EDS分析

3 結(jié)論

（1）織物最初的摩擦因數(shù)由表面的固化樹脂決定，當(dāng)樹脂被磨去，纖維暴露并與試球表面接觸。隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行，將產(chǎn)生磨屑，摩擦因數(shù)會(huì)逐步增大，最終在法向正應(yīng)力的作用下，破損織物表面纖維被壓實(shí)，一部分磨屑被填入織物經(jīng)緯向間隙中，使磨損織物表面變得相對(duì)平整，改善了織物的表面狀態(tài)；另一部分磨屑會(huì)轉(zhuǎn)移到對(duì)磨面上形成一層轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜，此時(shí)摩擦因數(shù)會(huì)趨于平穩(wěn)并稍有降低，磨損率也會(huì)降低，進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的磨損階段。

（2）不同對(duì)磨材料的對(duì)比試驗(yàn)表明，Al2O3和WC對(duì)磨材料時(shí)襯墊的摩擦因數(shù)均比G95Cr18低，但是Al2O3并不能降低磨損率，因此WC材料對(duì)織物襯墊的綜合摩擦學(xué)性能最好。