崔海超，邰同波，羅光華

（1.中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.山東高密潤(rùn)達(dá)機(jī)油泵有限公司，山東 濰坊 261500；3.中電科第11研究所，北京100016）

在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，各部件在作用力傳遞過(guò)程中往往存在著相互摩擦與磨損。據(jù)統(tǒng)計(jì)，摩擦損失了世界一次性能源的1/3以上。為了延長(zhǎng)機(jī)械部件的壽命，節(jié)約材料與能源，研發(fā)新的潤(rùn)滑材料勢(shì)在必行[1]。潤(rùn)滑材料基本可以分為氣體潤(rùn)滑材料、液態(tài)潤(rùn)滑材料、半固體潤(rùn)滑材料和固體潤(rùn)滑材料。液體潤(rùn)滑材料一般為油潤(rùn)滑，是使用最為廣泛的一種材料，但在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中無(wú)法保證充分的潤(rùn)滑油儲(chǔ)備，潤(rùn)滑油缺失則會(huì)導(dǎo)致材料嚴(yán)重磨損，而固體潤(rùn)滑材料則可在無(wú)油狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)固體潤(rùn)滑效果[2-3]。固體潤(rùn)滑材料是充分利用材料的層狀結(jié)構(gòu)，或者分子間低的結(jié)合力，當(dāng)對(duì)磨材料間受到剪切力時(shí)，實(shí)現(xiàn)分子間的低能量滑移，在相互摩擦介質(zhì)之間形成一薄層的固體潤(rùn)滑膜，從而降低對(duì)偶材料間的摩擦因數(shù)，減輕其磨損程度。自潤(rùn)滑固體復(fù)合材料是將固體潤(rùn)滑材料通過(guò)軋制或其他物理、化學(xué)的方法黏附在背板上，使背板在無(wú)油狀態(tài)下?lián)碛辛己玫淖詽?rùn)滑特性[4-5]。

自潤(rùn)滑材料可由摩擦因數(shù)較低的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物組成，比如二硫化鉬、石墨、氮化硼、聚四氟乙烯、尼龍等。單一的材料體系一般無(wú)法實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)功能，而是要將多種材料配伍組合，綜合利用各材料的特性，實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，這樣做，既保證了低的摩擦因數(shù)，又具有良好的強(qiáng)度、韌性、熱傳導(dǎo)等功能[6]。本文研究了改性聚四氟乙烯減磨層、改性聚甲醛減磨層和改性雙馬樹脂減磨層材料的減摩、耐磨性能，分析了各體系材料的減磨特性。

1 材料和試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

改性聚四氟乙烯自潤(rùn)滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號(hào)為FQ-PTFE，材料主要由聚四氟乙烯、二硫化鉬、玻璃纖維等組成。

改性聚甲醛自潤(rùn)滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號(hào)為FQ-POM，材料主要由聚甲醛、聚四氟乙烯、二硫化鉬等組成。

改性雙馬樹脂自潤(rùn)滑材料：北京航空材料研究院研制，材料型號(hào)為FQ-BMI，材料主要由雙馬來(lái)酰亞胺樹脂、聚四氟乙烯、二硫化鉬等組成。

測(cè)試試樣由表面有自潤(rùn)滑材料減磨層、中間銅球粉燒結(jié)層和鋼背三層材料復(fù)合組成，如圖1所示。將青銅銅球粉均勻地鋪在鋼板上，在還原性氣氛保護(hù)的環(huán)境下，高溫?zé)Y(jié)制成青銅銅球粉多孔結(jié)構(gòu)的銅鋼復(fù)合背板，然后將自潤(rùn)滑材料鋪放在青銅銅粉多孔結(jié)構(gòu)的銅鋼復(fù)合背板上，通過(guò)軋機(jī)軋制使得自潤(rùn)滑材料均勻、分散地軋入銅粉多孔結(jié)構(gòu)中，然后再經(jīng)過(guò)燒結(jié)制成試驗(yàn)板。

圖1 試樣截面示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

摩擦和磨損性能按照GB/T 27553.1—2011測(cè)試，端面試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦因數(shù)和磨損量，圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦因數(shù)和磨痕寬度。摩擦磨損試驗(yàn)條件分2種，即干摩擦和油潤(rùn)滑，測(cè)試項(xiàng)目、試樣尺寸和試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，端面摩擦磨損性能測(cè)試試驗(yàn)原理如圖2所示，圓環(huán)摩擦磨損性能測(cè)試試驗(yàn)原理如圖3所示。

表1 測(cè)試項(xiàng)目、試樣尺寸和試驗(yàn)參數(shù)

圖2 端面試驗(yàn)原理圖

圖3 圓環(huán)試驗(yàn)原理圖

2 結(jié)果與分析

2.1 干摩擦試驗(yàn)結(jié)果分析

自潤(rùn)滑材料板材的端面試驗(yàn)可以更直接地評(píng)價(jià)在規(guī)定轉(zhuǎn)速和時(shí)間下材料的耐磨性能，因改性POM復(fù)合材料在干摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)和磨損量比較大，這類材料在干摩擦條件下并無(wú)應(yīng)用價(jià)值。因此，干摩擦試驗(yàn)僅對(duì)照改性PTFE和改性BMI兩類材料。兩類材料在無(wú)油環(huán)境下的端面試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 無(wú)油環(huán)境下端面試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

FQ-PTFE試樣的摩擦因數(shù)相對(duì)于FQ-BMI材料高0.026，兩類試樣的磨損量均比較小，F(xiàn)Q-PTFE試樣的磨損量為FQ-BMI的50%.相對(duì)于FQ-BMI試樣，F(xiàn)Q-PTFE試樣中的潤(rùn)滑材料主要為聚四氟乙烯，占據(jù)材料體系的60%以上，是保證試樣自潤(rùn)滑性能的主要基體材料，而該材料體系中加入了玻璃纖維等剛性材料，使材料的摩擦因數(shù)高于FQ-BMI，但聚四氟乙烯材料在初始磨損后，在對(duì)磨材料之間形成了轉(zhuǎn)移膜性潤(rùn)滑層，使得FQ-PTFE摩擦因數(shù)和磨損量極小。

而FQ-BMI試樣材料的體系以改性BMI樹脂為主，改性BMI高分子鏈剛性較大，在耐磨層相互交聯(lián)形成連續(xù)性剛性骨架，填充其中的PTFE等添加物材料則較為柔軟。在材料磨損過(guò)程中，隨著剛性骨架的磨損，柔軟的添加物脫落在對(duì)偶面之間，形成轉(zhuǎn)移膜性潤(rùn)滑層。交聯(lián)的BMI骨架具有較高的機(jī)械和耐磨性能，對(duì)結(jié)構(gòu)形成了一定的支撐作用，與柔韌的添加物在對(duì)偶面間協(xié)同作用下，會(huì)降低試驗(yàn)中的摩擦因數(shù)。同時(shí)BMI高分子本身具有一定的韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，其芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)使材料有較高的耐溫性和機(jī)械性能，在摩擦初期磨損較快，這也是磨損量高于FQ-PTFE試樣的原因。

FQ-PTFE和FQ-BMI兩類試樣在無(wú)油環(huán)境下圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。FQ-PTFE摩擦因數(shù)比FQ-BMI高6.5%，兩者相對(duì)接近，而磨痕寬度與端面摩擦不同，F(xiàn)Q-PTFE的磨痕寬度高于FQ-BMI，BMI基自潤(rùn)滑層更耐磨。這種結(jié)果歸結(jié)于FQ-BMI擁有強(qiáng)度更高的骨架，試樣在初始摩擦?xí)r形成薄層潤(rùn)滑膜后，剛性骨架起到了較強(qiáng)的支撐作用，骨架具有的耐壓、耐磨性表現(xiàn)得更加明顯。而FQ-PTFE試樣的自潤(rùn)滑層的潤(rùn)滑機(jī)理是依賴層狀化無(wú)機(jī)物和部分結(jié)晶的PTFE的滑移減小摩擦，當(dāng)負(fù)載比較大時(shí)，材料易發(fā)生脫落，呈現(xiàn)出更大的磨損率。

表3 無(wú)油環(huán)境下圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

2.2 油潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果分析

潤(rùn)滑油對(duì)于各類型自潤(rùn)滑材料的影響不一，尤其針對(duì)聚合物基自潤(rùn)滑涂層，油膜的形成改變了對(duì)偶面的摩擦介質(zhì)，表4為油潤(rùn)滑環(huán)境下的端面試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損的試驗(yàn)結(jié)果。

表4 油潤(rùn)滑環(huán)境下端面試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

從表4中可以看出，油摩擦相對(duì)于干摩擦，F(xiàn)Q-PTFE、FQ-BMI的摩擦因數(shù)和磨損量均明顯降低，相對(duì)于無(wú)油潤(rùn)滑分別降低59.4%和65.8%，磨損量分別降低60.0%和80.0%.FQ-POM試樣在油潤(rùn)滑環(huán)境下的摩擦因數(shù)僅為0.022，是3種類型結(jié)構(gòu)中最低的一類，而FQ-BMI與FQ-PTFE相比，F(xiàn)Q-BMI的摩擦因數(shù)和磨損量均比較低。3種類型材料端面試驗(yàn)機(jī)的油潤(rùn)滑摩擦因數(shù)由大到小依次為FQ-PTFE＞FQ-BMI＞FQ-POM，油在摩擦負(fù)介質(zhì)之間形成了油膜，將兩介質(zhì)隔離，油膜在摩擦過(guò)程中起主要作用。FQ-BMI和FQ-POM試樣結(jié)構(gòu)都是由高聚物骨架和柔性自潤(rùn)滑填充物組成的，F(xiàn)Q-BMI中的改性BMI聚合物為交聯(lián)結(jié)構(gòu)，而FQ-POM中POM為線性高結(jié)晶聚合物，POM聚合物的高結(jié)晶度、高鍵能和分子內(nèi)聚能及BMI的高交聯(lián)度均使其骨架材料不易向?qū)δッ孓D(zhuǎn)移，僅在摩擦的初始階段對(duì)骨架對(duì)偶區(qū)表面形成了破壞。當(dāng)油潤(rùn)滑膜形成后，這種破壞即停止，而耐磨的剛性骨架在油潤(rùn)滑膜的隔離下難以被繼續(xù)破壞。

基于PTFE基體的FQ-PTFE試樣在油潤(rùn)滑條件下的潤(rùn)滑機(jī)理與其他兩類不同，材料內(nèi)含大量的PTFE材料，在摩擦的初始階段，表面接觸的PTFE即轉(zhuǎn)移形成潤(rùn)滑膜。而PTFE的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于POM和BMI材料，隨著摩擦磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，油潤(rùn)滑膜在對(duì)偶面形成，轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂蜐?rùn)滑膜為主的潤(rùn)滑形式。端面摩擦試驗(yàn)過(guò)程中一般不會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑膜的長(zhǎng)時(shí)間破裂過(guò)程，因此，在油潤(rùn)滑條件下，F(xiàn)Q-PTFE試樣的潤(rùn)滑膜主要為油膜，其他材料起協(xié)同作用。

圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)在對(duì)偶接觸面形成了更大的接觸壓力，表5為3種材料在油潤(rùn)滑環(huán)境下的圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果。3種類型材料的圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)在油潤(rùn)滑環(huán)境下，滑動(dòng)摩擦因數(shù)由大到小依次為FQ-POM＞FQ-PTFE＞FQ-BMI，F(xiàn)Q-PTFE、FQ-BMI相對(duì)于無(wú)油潤(rùn)滑摩擦因數(shù)分別降低80.6%和86.5%.與端面摩擦不同，F(xiàn)Q-POM試樣的摩擦因數(shù)是三者最大的，這表明，POM基試樣在小的接觸面積摩擦過(guò)程中，以油為主的對(duì)偶面潤(rùn)滑膜發(fā)生了破裂，但破裂過(guò)程是極為短暫的，破裂后隨即再生，這種短暫的破裂增加了油潤(rùn)滑摩擦因數(shù)，但耐磨性骨架在一定程度上限制了材料磨損寬度。

油潤(rùn)滑條件下的FQ-PTFE的磨痕寬度比無(wú)油潤(rùn)滑時(shí)的磨痕寬度降低了22.6%，磨痕寬度與FQ-POM相當(dāng)，而FQ-BMI試樣的磨痕寬度降低了99.5%，磨痕寬度僅為0.01 mm或更?。◣缀蹩床怀鰜?lái)已摩擦過(guò)的痕跡）。BMI基的交聯(lián)骨架的高強(qiáng)度和分子高鍵能，大幅度增加了材料耐磨性能，在油潤(rùn)滑條件下，這類材料對(duì)圓環(huán)摩擦并不敏感。雖然FQ-PTFE試樣擁有較低的摩擦因數(shù)，但基于PTFE基的改性材料剛性不足，在圓環(huán)壓力下，自潤(rùn)滑材料減磨層易向?qū)δソY(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，使磨痕寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FQ-BMI。

表5 油潤(rùn)滑環(huán)境下圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

雖然PTFE基的干摩擦因數(shù)高于BMI基材料，但磨損量?jī)?yōu)于后者，F(xiàn)Q-PTFE試樣磨損后在對(duì)偶面快速形成轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜，而FQ-BMI試樣的剛性骨架使材料在初期磨損量比較大。BMI基材料在端面干摩擦試驗(yàn)中的磨損量高于PTFE基材料，而BMI基材料在圓環(huán)試驗(yàn)中的磨痕寬度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PTFE基材料。改性BMI在減磨層內(nèi)交聯(lián)反應(yīng)形成的剛性骨架起到了支撐作用，在對(duì)偶面形成潤(rùn)滑膜后，可減小對(duì)減磨層基體的磨損程度。

3種類型的材料在油潤(rùn)滑條件下均具有較小的磨損量，3種類型材料圓環(huán)試驗(yàn)機(jī)在油潤(rùn)滑環(huán)境中，磨損量由大到小依次為FQ-PTFE＞FQ-POM＞FQ-BMI，POM和BMI基減磨層由于樹脂的高結(jié)晶度或者高交聯(lián)度影響，使主要磨損僅發(fā)生在油潤(rùn)滑膜形成前的摩擦初期階段，當(dāng)兩摩擦基面間形成轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜之后，磨損迅速減少。在摩擦初期階段，PTFE基減磨層的磨損由自身材料來(lái)減磨、潤(rùn)滑，而油膜形成后，破壞了PTFE基減磨層轉(zhuǎn)移膜的形成條件，則轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐?rùn)滑膜潤(rùn)滑。

BMI基減磨層在油潤(rùn)滑環(huán)境下的圓環(huán)試驗(yàn)中，磨痕寬度僅為無(wú)油狀態(tài)的0.5%，油膜隔離了2對(duì)磨結(jié)構(gòu)，BMI基形成的高強(qiáng)度骨架限制了減磨層材料向?qū)δソY(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移，增加了其耐磨性能。