楊兆方，鄭合靜，丁曉龍，章然，馬少波

(合肥波林新材料股份有限公司，合肥 230088)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的耐腐蝕性、自潤滑性、耐熱性以及極低的摩擦系數(shù)等優(yōu)點，廣泛應用于化工防腐材料、機械摩擦材料和電工行業(yè)絕緣材料等，是具有豐富應用前景的特種工程塑料[1-4]。由于其優(yōu)異的自潤滑性，人們深入研究了以PTFE為基礎的復合材料，使其在摩擦學領域得到了廣泛發(fā)展和應用[5-10]。目前，PTFE基三層復合材料生產(chǎn)設備多采用傳統(tǒng)的箱式爐，箱式爐為通保護氣氛的密閉燒結設備，關閉爐門后等待升溫、燒結和冷卻需要花費大量時間，且其爐膛空間有限，因而采用箱式爐燒結效率低下。為了提高生產(chǎn)效率，企業(yè)開始逐步采用更能適應流水線的網(wǎng)帶爐。網(wǎng)帶爐具有控溫精度高、氣氛均勻性好以及成本低的優(yōu)點[11]。網(wǎng)帶爐結構如圖1所示，主要由加熱爐體、傳動機構、溫度及頻率控制箱組成。網(wǎng)帶爐進出料口較小且處于常開狀態(tài)，通過保護氣氛填充避免燒結氧化。上一工序結束后樣品經(jīng)進料口進入爐體燒結，通過耐熱鋼網(wǎng)帶傳送至出料口后立刻進入下一工序，極大地節(jié)約了等待時間。

圖1 氣氛保護網(wǎng)帶式電阻爐

目前有關網(wǎng)帶爐介紹的論述較多，但研究利用網(wǎng)帶爐燒結復合材料的文獻較少。筆者采用氣氛保護網(wǎng)帶式電阻爐，通過改變燒結工藝參數(shù)獲得不同燒結溫度和燒結頻率(即傳動機構運行頻率，用于控制試樣在爐內的時間)下的PTFE基三層復合材料試樣，通過摩擦學性能的對比，確定合適的燒結工藝參數(shù)，希求提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟效益。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PTFE乳液：FR303A，固體含量58%～62%，上海華誼三愛富新材料股份有限公司；

二硫化鉬(MoS2)粉：325目(約45 μm)，天津高科新材料科技有限公司；

芳綸粉：目數(shù)≥300目(約48 μm)，深圳市特力新材料科技有限公司；

無水乙醇：分析純，西安天茂化工有限公司；

球粉板：9006型，球形銅粉粒度140目(約109 μm)～160目(約96 μm)，合肥波林新材料股份有限公司。

1.2 主要儀器與設備

分析天平：JY102型，精度0.01 g，上海浦春計量儀器有限公司；

立輥軋機：SP-50-17型，合肥鼎聚精密制造有限責任公司；

網(wǎng)帶爐：RSH-60-6型，長興嘉誠爐業(yè)有限公司；

端面摩擦磨損試驗機：HDM-20型，合肥工業(yè)大學；

表面輪廓儀：SP2201S型，陜西威爾機電科技有限公司；

立式金相顯微鏡：XJL-02A型，國營江南儀器廠。

1.3 PTFE基三層復合材料試樣制備

PTFE基三層復合材料組織結構如圖2所示，以鋼板為下層，中間層為在鋼板上燒結的球形銅粉(鋼板與其上燒結的球形銅粉共同組成球粉板)，最上層為PTFE基改性材料(含MoS2和芳綸)。

圖2 PTFE基三層復合材料組織結構

用分析天平稱取定量的固體原料(MoS2和芳綸)并充分混合后，倒入稱量的PTFE乳液中并持續(xù)攪拌，待固液混合體均勻后加入無水乙醇破乳得到PTFE復合泥料。將泥料攪拌打碎后均勻撒在球粉板上，通過調整好間隙的立輥軋機，軋制出合適厚度的三層復合材料板材。

1.4 燒結工藝

PTFE熔融溫度為320～345℃，但在該溫度區(qū)間下，PTFE熔體流動性極差，顆粒間無法有效滲透融合，所以一般實際燒結溫度要更高[12-14]。為了達到良好的燒結效果，需要確定合適的網(wǎng)帶爐燒結溫度及燒結頻率。圖3是網(wǎng)帶爐在20 Hz時全區(qū)設定值均為380℃時的溫度分布圖，可以看到，實際的內部溫度分布與箱式爐差異很大，并非是在設定溫度附近上下略微波動的直線，而是類似于箱式爐燒結的分段逐步升溫曲線[8]。由于網(wǎng)帶爐進出口均為開口設計，臨近進出口附近的溫度較低，至網(wǎng)帶爐中間部位時溫度才逐漸上升，處于設定溫度的區(qū)域要比全區(qū)小。燒結溫度及燒結頻率的選擇需要綜合考量這方面的影響。

圖3 網(wǎng)帶爐在20 Hz時運行時間下的溫度分布圖

燒結工藝確定：經(jīng)過前期的試驗，取網(wǎng)帶爐燒結頻率為25 Hz，選擇燒結溫度分別為360，365，370，375℃；取燒結溫度為365℃，改變網(wǎng)帶爐燒結頻率分別為 15，20，25，30 Hz。

1.5 測試與表征

試樣摩擦磨損試驗分別采用油循環(huán)和干摩擦的方式進行。油循環(huán)摩擦試驗用于評判不同燒結條件下試樣在接近實際工況條件下的摩擦系數(shù)和最大承載能力，干摩擦試驗用于評判不同燒結條件下試樣的磨損量以及相應的摩擦系數(shù)。

油循環(huán)摩擦試驗：試樣制成38 mm×38 mm的正方形下試樣，對磨件采用內徑22 mm、外徑30 mm、材質為Cr12的環(huán)形上試樣；試驗采用逐級加載的方式進行，加載方案如圖4所示，線速度2.5 m／s，停機條件為摩擦力矩達到5 N·m或下試樣溫度達到200℃。

圖4 油循環(huán)摩擦試驗方案

干摩擦試驗：采用定速定載方式進行試驗，條件為線速度0.4 m／s，載荷12 MPa，持續(xù)60 min。

摩擦系數(shù)由端面摩擦磨損試驗機程序自動獲得。

磨損量大小用磨痕深度表示，將干摩擦試驗結束后的試樣放在輪廓儀上，選取試樣的四邊分別測量，結果取平均值。試驗前需用帶有丙酮的棉球將試樣表面清理干凈。

磨痕形貌觀察：取干摩擦試驗結束后的試樣在金相顯微鏡上對磨痕形貌進行觀察。試驗前需用帶有丙酮的棉球將試樣表面清理干凈。

2 結果及討論

2.1 燒結溫度對試樣摩擦磨損性能的影響

圖5是試樣在網(wǎng)帶爐中以不同溫度燒結后進行端面油循環(huán)逐級加載摩擦試驗的摩擦系數(shù)曲線圖。

圖5 油循環(huán)條件下不同溫度燒結試樣摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線

由圖5看出，在365～375℃的燒結溫度區(qū)間內，試樣的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而逐漸降低，一般來說，PTFE基復合材料具有這樣的特性[15-16]，但燒結溫度為360℃時試樣的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢，摩擦系數(shù)波動很大，這可能與燒結溫度過低，試樣“欠燒”有關[16]。隨著燒結溫度的升高，365，370，375℃燒結的三個試樣摩擦系數(shù)均較360℃小，其中，燒結溫度為375℃時試樣摩擦系數(shù)最大，且承載能力最低，試樣可能“過燒”導致性能下降[17]。370℃時試樣摩擦系數(shù)隨載荷增大而降低，但承載能力稍弱。只有365℃燒結的試樣具有相對較低的摩擦系數(shù)和最高的承載能力，365℃燒結試樣在低載荷下顯示出較低的摩擦系數(shù)，但在載荷逐漸增大后又有所回升，然后趨于平穩(wěn)，最終結束載荷達到52 MPa。

圖6是干摩擦條件下不同溫度燒結試樣的磨痕深度和摩擦系數(shù)曲線。由圖6可以看到，磨痕最深的是360℃燒結試樣，最淺的是365℃燒結試樣，370℃和375℃燒結試樣的磨痕深度依次增加。此外，干摩擦條件下的摩擦系數(shù)在不同燒結溫度下的變化情況與磨痕深度保持一致。在端面定時定載試驗條件下，摩擦系數(shù)越高，摩擦時會產(chǎn)生更高的熱量，一般樹脂材料在高溫下的耐磨性也會隨之減弱，表現(xiàn)出更大的磨損量。

圖6 干摩擦條件下試樣磨痕深度及摩擦系數(shù)隨燒結溫度變化趨勢

圖7是干摩擦條件下不同溫度燒結試樣的磨痕表面形貌。從圖7a可以看到，燒結溫度為360℃時磨痕表面主要有些許銅粉裸露，存在少量表層材料剝落的情況，此外相較于其它燒結溫度，圖7a中磨痕表面還存在著貫通的犁溝痕跡，可能是試樣“欠燒”導致摩擦系數(shù)較高，該試樣在進行定速定載干摩擦試驗時產(chǎn)生的熱量很大，使PTFE基體軟化，被剝落的顆粒或對磨件的硬質凸峰刮傷形成犁溝。從圖7b～圖7d可以看到，燒結溫度為365℃時磨痕表面有少量剝落現(xiàn)象，銅粉裸露較少；燒結溫度繼續(xù)升高到370℃，此時磨痕表面露銅增多，當燒結溫度升到375℃時，磨損量繼續(xù)加大，更多銅粉裸露，磨損較大。

圖7 干摩擦條件下不同溫度燒結試樣磨痕表面形貌

2.2 燒結頻率對試樣摩擦磨損性能的影響

圖8是試樣在網(wǎng)帶爐中以不同頻率燒結后進行端面油循環(huán)逐級加載摩擦試驗的摩擦系數(shù)曲線圖。由圖8可以看出，燒結頻率為30 Hz時試樣具有最高的摩擦系數(shù)，同時承載能力也較低。從圖3網(wǎng)帶爐內部溫度分布圖中可以推測，燒結頻率為30 Hz時，試樣在最適溫度365℃下時間太短，因而未能充分燒熟，從而出現(xiàn)與2.1節(jié)中360℃燒結試樣相似的摩擦系數(shù)。當燒結頻率為15 Hz時，試樣具有最低的摩擦系數(shù)，但承載能力不夠。燒結頻率為20～25 Hz比較合適，該工藝下的試樣摩擦系數(shù)較低，且具有一定的承載能力。其中，頻率為20 Hz時，試樣總體摩擦系數(shù)較低，逐級變化幅度較為穩(wěn)定。頻率為25 Hz時，試樣在20 MPa前摩擦系數(shù)一直隨載荷增加而降低，然后略有上升并趨于穩(wěn)定，該頻率下試樣總體摩擦系數(shù)比低頻率時高，但其擁有最高的承載能力。

圖8 油循環(huán)條件下不同頻率燒結試樣摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線

圖9是干摩擦條件下不同頻率燒結試樣的磨痕深度和摩擦系數(shù)曲線。由圖9可以看到，燒結頻率為30 Hz時試樣磨痕最深，磨痕深度幾乎是2.1節(jié)360℃燒結試樣的2倍。磨痕最淺的是25 Hz燒結試樣，之后隨著燒結頻率的降低，試樣的磨痕有所加深，但低于30 Hz燒結的試樣。干摩擦條件下不同燒結頻率對應的摩擦系數(shù)規(guī)律也和磨痕深度保持一致。

圖9 干摩擦條件下試樣磨痕深度及摩擦系數(shù)隨燒結頻率變化趨勢

圖10 干摩擦條件下不同頻率燒結試樣磨痕表面形貌

圖10是干摩擦條件下不同頻率燒結試樣的磨痕表面形貌。從圖10a可以看到，燒結頻率為15 Hz時磨痕表面主要有明顯的微犁溝，存在些許銅粉裸露、少量表層材料剝落的情況。隨著頻率升高，情況有所改善，裸露的銅粉數(shù)有所減少，燒結頻率到達20 Hz時，已基本無裸露的大顆粒銅粉，主要存在一些剝落現(xiàn)象。燒結頻率為25 Hz時，試樣剝落進一步減少，試樣具有良好的耐磨性。而當燒結頻率到達30 Hz時，大顆粒銅粉裸露增加，而且犁溝非常明顯，與2.1節(jié)360℃燒結試樣相比，銅粉裸露明顯增多，因而具有最高的磨損量。

3 結論

(1)油循環(huán)條件下，隨著網(wǎng)帶爐燒結溫度和燒結頻率的增加，PTFE基三層復合材料試樣的承載能力和減摩性先增加后減小。

(2)干摩擦條件下，隨著網(wǎng)帶爐燒結溫度和燒結頻率的增加，PTFE基三層復合材料試樣的耐磨性先增加后減小，試樣露銅及剝落程度則先減小后增大。

(3)當燒結溫度為365℃，燒結頻率為25 Hz時，PTFE基三層復合材料的綜合摩擦學性能最佳。