（材料学专业论文）金属基轴承自润滑材料的制备工艺及性能研究.pdf

摘要 由于轴承传统润滑方式的局限性，轴承自润滑技术成为未来的趋势。金属基镶嵌式 固体自润滑轴承材料能够实现无须加油或者间隔较长时间加油的自润滑，能够在高温、 低温、污染、腐蚀、淡水或海水、真空、幅射等恶劣工作条件下实现自润滑，并且具有 摩擦系数低、磨损小、寿命高等无可比拟的优越性。其中固体润滑材料是通过与对偶摩 擦件摩擦产生的润滑转移膜有效降低摩擦磨损，成功的突破了传统油脂润滑的局限性。 因此固体自润滑材料的制备工艺与性能研究具有非常重要的意义。本文对p t f e 基自润 滑复合材料的烧结工艺与其机械性能及摩擦磨损性能的关系进行了深入分析与讨论。同 时对比了一黄铜、锡青铜、球墨铸铁以及4 0 c r 作为金属镶嵌基体，镶嵌固体自润滑符 合轴承材料摩擦磨损性能及差异。 本文选用石墨对p t f e 改性。利用正交试验确定了烧结工艺参数对p t f e 复合材料 性能产生的影响。试验结果表明：烧结工艺中对p t f e 复合材料的硬度影响最大的为烧 结温度；p t f e 复合材料气孔率受烧结工艺的影响甚微；测试材料的结晶度后发现，缓 慢的升温速率有利于材料结晶，空冷的降温方式适宜p t f e 复合材料的晶体生长。同时 测试材料的摩擦磨损性能，结晶度高的试样摩擦系数小，磨损量较大。因此在确定烧结 工艺时，综合考量所需性能，调整各因素各水平值以达到所需的最佳工艺。为p t f e 复 合材料的广泛应用提供有利依据。 选择综合性能较好的第一组烧结工艺制得p t f e 复合材料，以黄铜、锡青铜、球墨 铸铁以及4 0 c r 作为金属镶嵌基体，对比不同金属基体摩擦磨损性能。结果表明：低速 低载荷的工作环境下，进入稳定摩擦状态以后，四种金属基体的摩擦系数较未经镶嵌的 金属基体大幅度降低。其中球墨铸铁的摩擦系数最低，减磨性能最佳，磨损量较小，其 次为4 0 c r 、锡青铜和黄铜。同时观察到黄铜镶嵌基体试样盘对摩产生的转移润滑膜结合 紧密，对其做x r d 物相分析发现，对摩表面产生微量的氟离子金属化合物，此种化合 物有益于转移润滑膜与基体的粘结。 关键词：镶嵌式自润滑轴承p t f e 复合材料烧结工艺摩擦磨损性能 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eh u g ee c o n o m i cl o s s e st h a tc a l t l ef r o mt h ef r i c t i o na n dw e a l , s e l f - l u b r i c a t i n gb e a r i n gt e c h n o l o g yb e c a m eat r e n d i nt h ef u t u r e t h eb e a r i n g s m a t e r i a l st h a tw e r ep r e p a r e db ye m b e d d i n gs o l i dl u b r i c a t i n gm a t e r i a l si nt h em e t a l m a t r i xa c h i e v e ds e l f - l u b r i c a t i n gw i t h o u tl u b r i c a t i n go rl u b r i c a t i n ga tar e l a t i v e l yl o n g p e r i o da n di nt h ep o o rw o r k i n gc o n d i t i o n ss u c ha sh i g ht e m p e r a t u r e ，l o wt e m p e r a t u r e ， p o l l u t i o n , c o r r o s i o n , f r e s hw a t e ro rs e a , v a c u u m ，r a d i a t i o n ，m o r e o v e r i tp o s s e s s e d u n p a r a l l e l e ds u p e r i o r i t y t h a ti n c l u d e sl o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n t , w e a r , e x t e n d e d l i f e b e c a u s es o l i dl u b r i c a t i n gm a t e r i a l se f f e c t i v e l yr e d u c e dt h ef r i c t i o nw e a rb yw a y o ft h ef o r m a t i o no ft r a n s f e rf i l mb e t w e e nt h es o l i dl u b r i c a t i n gm a t e r i a l sa n dt h e f r i c t i o np i e c e ，t h e r e f o r e ，s u c c e s s f u l l yb r o k et h r o u g ht h el i m i t a t i o n so ft h et r a d i t i o n a l g r e a s el u b r i c a t i o n t h e r e f o r et h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dp e r f o r m a n c es t u d yo f s o l i dl u b r i c a t i n gm a t e r i a l sw e r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rm a d ea ni n t e n s i v e s t u d yo nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es i n t e ma r to fp t f eb a s e ds e l f - l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e a n di t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s b e s i d e sc o m p a r a t i v e s t u d i e so nf r i c t i o na n dw e a l p r o p e r t i e sw e r em a d ea m o n gb r a s s ，t i nb r o n z e ，n o d u l a r c a s ti r o na n d4 0 c rt 1 1 a tw e r es e r v e da sm e t a lm a r t r i x g r a p h i t ew a sc h o s e nt om o d i f yt h ep t f ea n de s t a b l i s h e dt h ef o u rf a c t o r sa n d t h r e el e v e l st h a th a d g r e a t i n f l u e n c e so nt h et h e p r o p e r t i e s o fp t f e c o m p o s i t e s ：h e a t i n gr a t e ( 6 0 c h - - 1 8 0 。c h ) 、h o l d i n gt e m p e r a t u r e ( 2 6 0 。c - 3 2 0 。c ) 、 s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ( 3 7 0 。c 一3 9 0 。c ) ，c o o l i n gm e t h o d ( f u r n a c ec o o l i n g ，a i rc o o l i n g ， w a t e rc o o l i n g ) t h e nt h ee x p e r i m e n t sb a s e do no r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nw a s a r r a n g e d t h er e s u l t ss h o w dt h a t ：s i n t e ma r t h a s l i m i t e di n f l u e n c eo nt h ep t f e c o m p o s i t e s ；s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s t h em a j o rf a t o rf o rt h eh a r d n e s so fp t f e c o m p o s i t e s ；t h ew e a rl o s si st h em a j o rf a t o rf o rt h ep t f ec o m p o s i t e s ；h e a t i n gr a t ei s t h em a j o rf a t o rf o rt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp t f ec o m p o s i t e s w h e nd e t e r m i n i n gt h e s i n t e r i n gp r o c e s s ，s y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r a t i n gt h ed e s i r e dp e r f o r m a n c ea n da d j u s t i n g t h ed i f f e r e n tf a c t o r sa n dl e v e l st oa c h i e v et h e r e q u i r e dp r o c e s s a n dl a y i n ga f o u n d a t i o nf o rt h ew i d e s p r e a du s eo ft h ep t f ec o m p o s i t e s t h e na d o p t i n gp t f ec o m p o s i t e st h a ta r em a d eb yt h ef i r s ts i n t e r na r tw i t hb e t t e r p e r f o m e n c e ，b r a s s 、t i nb r o n z e ，n o d u l a rc a s ti r o na n d 4 0 c rw e r es e r v e da sm e t a lm a t r i x r e s p e c t i v e l ya n df r i c t i o nw e a rp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm e t a lm a t r i xw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o w dt h a t ：u n d e rt h el o w - s p e e da n dl o w l o a dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h e i i i c o e f f i c i e n to ff r i c t i o no ff o u rm e t a lm a t r i xw e r ed r a m a t i c a l l yr e d u c e dc o m p a r e 、析t h u n e m b e d d e dm e t a lm a t r i xa f t e rg o i n gi n t oas t a b l ef r i c t i o ns t a t e a f t e re s t i m a t i o na n d a n a l y s i s ，s a m p l ep l a t em a d eb yd u c t i l ei r o na se m b e d d e dm a t r i xh a st h el o wc o e f f i c i e n t o ff r i c t i o na n db e t t e rw e a rp r o p e r t i e s ，t h ew e a rl o s so ft h eb r a s sa n dt i nb r o n z ew e r e l a r g e r m o r e o v e rt i g h tc o h e s i o no ft r a n s f e rf i l mb e t w e e ns a m p l e sp l a t em a d eb yb r a s s a se m b e d d e dm a t r i xw a so b s e r v e da n dt h er e s u l t so fx r d p h a s ea n a l y s i ss h o w d t h a t ：a l i t t l ef l u o r i d ei o nm e t a lc o m p o u n d so nt h ef r i c t i o ns u r f a c ei sb e n e f i c i n a lt ot h e c o h e s i o nb e t w e e nt h et r a n s f e rf i l ma n dt h em a t r i x k e yw o r d s ：m o s a i c ；s e l f - l u b r i c a t i n gb e a r i n g s ；p t f ec o m p o s i t e s ；s i n t e ma r t ； f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 摩擦磨损在生产生活中普遍存在，由磨损所造成的各方面经济损失是十分巨大的。 据文献表明，全世界1 3 左右的能源消耗在摩擦损耗上【1 1 。在我国就电力、冶金、化工、 建材和煤炭这几个工业部门的报表统计，每年因为摩擦、磨损而造成的经济损失就接近 1 0 1 5 亿元【2 1 。针对这种状况，有效降低摩擦、磨损就显得极其重要。 1 1 自润滑轴承的分类及其研究现状 轴承是工业机械生产中的基础支承轴类元件。如能增强轴承的润滑特性和耐磨特 性，就可以有效的降低摩擦磨损，从而减少相应的经济损失。轴承的润滑材料一般分为 4 类：气体润滑剂、流体( 以油为主) 、润滑脂( 半固态) 以及固体润滑材料【3 】。这些润滑 材料都是通过在表面形成润滑膜将运动副分开，使滑动摩擦降低，此时由于运动副表面 不直接接触，因而大大降低或避免了磨损。目前，生产中广泛应用的润滑方法是油脂润 滑，但是在高温环境下润滑油脂容易被氧化、蒸发而导致润滑失效。特别是粉尘环境中 杂质的存在、冲击强度高等因素也会大大降低油脂的润滑性能。在这些工况下，若仍然 采用普通的油脂润滑就无法实现设备的良好润滑，部分设备有可能常时间处于干摩擦状 态，不但造成设备的巨大磨损，而且影响生产的正常进行。自润滑材料在轴承领域的应 用很好地解决了以上问题。自润滑材料是与传统润滑材料( 润滑油、润滑脂等) 完全不同 的新型润滑材料。传统润滑材料在摩擦界面上形成流体或半流体膜而起到有效润滑的作 用，自润滑材料则主要依靠材料本身或其转移膜的低剪切特性而具有优良的抗磨和减摩 作用。自润滑材料的引入省去了传统轴承的润滑装置和润滑油、脂的密封装置，不但使 轴承的设计大为简化，同时成本也得到大幅度的降低，完全突破了一般依靠油脂润滑的 局限性，实现了无油自润滑。目前的自润滑轴承主要包括以下三种类型。 1 1 1 高分子基自润滑轴承 经济、技术以及生态环境等多方面的原因，使得自润滑材料轴承技术成为目前润滑 技术的发展趋势。而聚合物基自润滑轴承材料由于其本身优异的减磨性能以及重量轻、 成型性好等诸多优点，也受到此领域研发人员的关注，成为摩擦学领域的重要热点。如 酚醛树脂轴承、尼龙材料轴承等聚合物基自润滑轴承1 4 , 5 在这个背景下逐渐得到开发应 用。 第一章绪论 李学闵等人【6 1 研究了一种以氟塑料为基体树脂的自润滑复合材料轴承，其摩擦系数 低、耐磨损性能好、使用寿命长、p v 值较高并且耐腐蚀。 芦新选【7 1 研究了一种填充尼龙6 基自润滑轴承，其摩擦系数小、耐磨损、储油性好、 自润滑性强、成本低、安装方便，适宜应用于重载低速、中载中速，以及li o 。c 以下的 工作温度环境。 张静霞8 1 研究了一种自润滑浇铸油尼龙轴承，其耐磨性能好，机械强度高，使用寿 命长，成本低，便于安装，加工工艺简单，适用于一般滑动轴承。 中国科学院兰州化学物理研究所阎逢元等人川以可熔性聚酰亚胺为基本原料，添加 无机纳米、偶联剂和碳纤维研究了一种自润滑纳米复合材料。能够适应真空、辐射、高 温等特殊环境，通常使用在航空航天、机械化工、汽车家电等领域的自润滑轴承等部件 上使用。 华洪良【1 0 1 以己酰胺为基本原料，添加了玻璃纤维粉作为增强材料，添加固体润滑剂， 采用离心浇注方法制得一种自润滑铸型尼龙。该材料自润滑性优异，并且其机械性能、 耐热性、耐磨减摩性能均较好、尺寸稳定性较之m c 尼龙基自润滑轴承材料得到显著 提高，从而扩大了应用范围。适宜应用于工作温度低于1 0 0 工况下低速、中速轻重载 荷零件的无油润滑。其机械效率和应用范围如果在有油润滑条件下工作、将得到进一步 提高和扩大。 鞍山市金刚碳纤维复合材料有限公司徐福卿研究了一种以高温树脂、固体润滑 剂、碳纤维复合成聚酰亚胺复合材料，合成聚酰亚胺等材料为基本原料。用它制造的耐 高温无润滑轴承，可以取代各类粉末冶金含油轴承、金属滑动轴承、滚动轴承，具有节 能、不污染环境、使用寿命长等诸多优点。主要用于制造工业输送辊道中的高分子高温 无润滑轴承。 由目前国内的研究发明成果可以看出高分子基自润滑轴承一般均具有摩擦系数小、 耐磨性好、加工工艺简单、成本较低、安装方便等优点，同时可以节省大量的金属材料、 润滑油脂实现无油自润滑。但是往往其机械强度欠佳，通常适宜应用在机械强度要求不 高、中低速普通载荷以及普通温度的工作条件下。 1 1 2 金属基固体自润滑轴承 金属基固体自润滑轴承按照制作工艺可以分为粉末冶金整体烧结固体自润滑轴承 和金属基镶嵌型自润滑轴承。 2 长安大学硕士学位论文 l 、粉末冶金整体烧结型自润滑轴承 粉末冶金自润滑轴承又名烧结金属含油轴承，它是将固体润滑剂以粉末的形式作为 组元添加到金属基体原料中，通过压制成形、烧结，形成自润滑复合材料，以其作为轴 承、衬板或轴瓦【1 2 】。因为材料本身含有固体润滑剂，轴承在运动时由于热作用和摩擦力 的作用，依靠轴承本身的“自耗”来提供固体润滑剂，使自身的固体润滑剂在相对滑动表 面形成一层较为稳定的润滑膜，同时不断补充和修复被撕裂或破损的润滑膜，达到润滑 和减摩的作用。是洗衣机、电风扇、缝纫机、复印机、音像设备、微特小型马达、电动 工具等机械中不可缺少的一类轴承引。 目前国内外对粉末冶金法研究较多。其中国内的尹延国等人【1 4 l 制各了石墨一铜基固 体自润滑材料，并对其微观组织及性能进行了研究。其研究结果表明，室温条件下，石 墨颗粒越小，则复合材料的摩擦系数越小，减摩自润滑的效果越好；在室温至5 0 0 的 条件下，选用合适的石墨粒度( 0 1 3 - 0 1 5 r a m ) ，可使石墨铜基固体自润滑材料保持较好 的自润滑特性。 许少凡等人【1 5 】首先使用化学镀的方法将粒度 c b d 。为了直观期间，绘制烧结工艺四因素对气孔 率的影响直观图如3 3 所示： 2 6 长安大学硕士学位论文 图3 3 烧结因素对气孔率影响值趋势图 从图中可以看出，当升温速率在6 0 1 1 1 8 0 l l 之间时，随着升温速率的加快，气 孔率增大。可以认为，在试样制备前期，在搅拌、冷压等机械加工过程中有气体进入试 样，过快的升温速率导致试样中的气体无法排除，同时升温太快，试样膨胀不均匀，在 内部容易产生内应力，导致试样在烧结完成后出现裂纹等缺陷。因此随着升温速度的加 快，气孔率增大。 3 3 2 烧结工艺对硬度的影响 本实验测定温度按照g b 5 2 7 7 6 规定的室温下，每组工艺取5 个数值，数据如图3 4 所示： 晷 鼋 z s e r i a ln u m b e ro f o r t h o g o n a lt e s t 图3 4 硬度对比图 从图中可以看出，每组工艺中的5 个硬度值差异较小。g b 5 3 1 7 6 橡胶邵尔a 型硬 度测试方法硬度的测试上限为1 0 0 ，从图中可以看出九组试样测得的硬度值均在9 0 以 第三章烧结工艺对p t f e 基复合材料组织与性能的影响 上。正交试验结果如表3 4 所示： 表3 4 正交试验结果 表3 4 为以p t f e 复合材料硬度为表征的正交试验结果，对数据做极差分析后，烧 结因素对硬度的影响程度大小排序为：c b a d 。为了直观期间，绘制烧结工艺四 因素对硬度的影响趋势如图3 5 所示： 图3 5 烧结因素对硬度影响趋势图 图3 5 中显示硬度随升温速率、保温时间和降温方式的不同变化不大，水平值之间 差异较小。烧结温度是对p t f e 复合材料硬度变化影响最大的烧结因素，硬度随烧结温 度的变化在3 8 0 出现转折，3 7 0 到3 8 0 之间随着烧结温度的升高硬度缓慢升高，越 过3 8 0 以后硬度急剧下降。3 7 0 。c 以上在烧结过程中属于烧结颈长大阶段或封闭孔隙球 化和缩小阶段。烧结颈长大阶段中原子向颗粒结合面大量迁移使得烧结颈不断扩大，颗 粒的间距逐渐变小。晶粒长大，晶界越过孔隙移动，孔隙开始大量消失，烧结体收缩。 长安大学硕上学位论文 在封闭孔隙球化和缩小阶段，多数孔隙被完全的分隔，闭孔数量大量增加，孔隙不断缩 小形状趋近球形。整个烧结体由于小孔的消失和孔隙数量的减少而缓慢收缩。这使得 p t f e 复合材料的密度和强度增加，同时也导致了材料的硬度缓慢升高。当超过3 8 0 以后p t f e 复合材料的硬度急剧下降，造成这一现象的原因是，基体材料的p t f e 的烧 结温度在3 7 0 - 3 8 0 之间，烧结温度过高p t f e 聚合度会降低，特别是在3 8 0 以上 加热，相对密度随着加热时间的增加而有所变化，随着烧结温度的提高，由于p t f e 的 分解速率增大，制品的收缩率与气孔率也随之增大。从而降低了p t f e 复合材料的硬度。 同时p t f e 复合材料在高温烧结时受热分解程度加剧，样品表面材料损失较大，在高温 环境中空气对p t f e 的氧化被促进，氧化作用明显，因此烧结样品强度降低，硬度下降。 3 4 摩擦磨损性能测试 摩擦磨损性能测试方法见2 3 3 ，以磨损量和摩擦系数为考察指标安排正交试验，测 试结果如表3 5 所示： 表3 5 正交试验设计表 3 4 1 磨损性能测试 本文中磨损量的大小用称量法测定。试样每次所加载荷为2 0 n ，滑行速度为 0 4 2 6 2 m s ，磨损时间6 0 m i n 。同一组工艺测试3 次，取其平均值。同一烧结工艺制取三 个试样测定其磨损量，取其平均值，测得磨损结果如图3 6 所示： 第三章烧结工艺对p t f e 基复合材料组织与性能的影响 2 5 2 o 1 5 o 盖1 0 o 0 5 0 o l 撑2 拌3 撑4 群5 群7 拌8 撑9 撑 s e r i a ln u m b e ro fo r t h o g o n a lt e s t 图3 6 磨损量对比图 从磨损对比图中可以看出，由于烧结工艺的不同，磨损量差异化较明显。 表3 6 正交试验结果 k lk 2k 3 r 磨损量 1 51 4o 3 1 6 1 5 1 6 1 7 1 6 1 4 0 2 o 1 o 4 冈素主_ 次d abc最佳工艺组合d 3 a 3 b l c 2 表3 6 可以看出，对数据做极差分析后，烧结因素对磨损量的影响程度大小排序为： d a b c 。为了直观期间，绘制烧结工艺四因素对磨损率的影响直观图如3 7 所示： w m i h 铲呻弛1 _ 啊a t l 啦呻枷f c h o i d 弧gt 巾竹啦脚， 3 0 7 5 6 8 l l l l a b c d 善gol-盖苗亭 _、女o|iii霉一v 长安大学硕士学位论文 i 帅 1 8 5 1 s 0 1 7 5 强 善l5 5 毒1 5 0 1 盯 1 柏 1 3 ， 图3 7 烧结因素对磨损量影响趋势图 图3 7 显示降温方式与磨损量的关系图趋势明显。观察降温方式和磨损量极差分析 图可以看出，空冷的磨损量最大，而炉冷的磨损量最小。根据各因素极差值排序可以得 出降温方式是影响p t f e 复合材料的磨损量的主要因素。 3 4 2 摩擦性能测试 本试验在室温，干摩擦下进行，当试样进入稳定摩擦阶段后，计算摩擦系数如图3 8 所示： s e r i a ln u m b e ro f o r t h o g o n a lt e s t 图3 8 摩擦系数对比图 从图中可以看出1 4 试样的摩擦系数在九组工艺中最低， 7 群试样和8 “试样的摩擦系 数均较高。 t 1 p口qoh_qoo口。一1io一i- 第三章烧结工艺对p t f e 基复合材料组织与性能的影响 表3 7 正交试验结果 表3 7 可以看出，对数据做极差分析后，烧结工艺各因素的作用主次为a c d b 。为了直观表现绘制烧结工艺四因素对摩擦系数的影响绘趋势图如3 7 所示： 图3 9 烧结因素对摩擦系数影响趋势图 针对试验数据做极差分析绘制图3 9 。从极差r 值可以判断出升温速率对摩擦系数 的影响最大，其次为烧结温度和降温方式，而影响最小的是保温温度。由图3 9 所示可 以看出摩擦系数在升温速率6 0 h - 1 8 0 h 的范围内是随着升温速率的提高呈逐步上 升的趋势，在1 8 0 。c 摩擦系数最大。保温温度对摩擦系数的影响出现拐点，在2 6 0 到 2 9 0 。c 之间为递增趋势，超过2 9 0 c 以后摩擦系数随着保温温度的升高而降低。烧结温度 在3 8 0 。c 时摩擦系数最小，在3 8 0 。c 之前摩擦系数随着烧结温度的上升缓慢降低，越过 3 8 0 。c 以后随着温度的上升急剧增大。在降温方式中选用炉冷、空冷、水冷三种，从图 中可以看出空冷时摩擦系数最小，炉冷的摩擦系数最大。 3 2 长安大学硕士学位论文 3 5 分析与讨论 3 5 1 烧结工艺对复合材料结晶度的影响 在分析9 组工艺的摩擦磨损性能后，从9 组试样中选取摩擦系数最小的1 8 试样和摩 擦系数最大的7 8 试样，对其做结晶分析。扫描速率为5 。m i n ，扫描区间0 。 2 0 。，1 4 与7 4 烧结试样的衍射谱图如图3 1 0 所示。 2 - t h e t a ( 0 。) 图3 1 0 衍射峰对比图谱 两组烧结试样的衍射谱图中特征峰位置均为1 8 0 左右，与p t f e 的特征峰位置吻合， 说明在复合材料中结晶部分p t f e 为其主要成分。从图中可以看出l 群试样的结晶度优于 7 群试样，对比两组烧结工艺如表3 2 所示： 表3 8 两组烧结工艺 可以看出1 4 试样的升温速率慢于7 4 ；保温温度相同，均为2 6 0 。c ；烧结温度相差2 0 ；降温方式1 4 试样采用空冷方式快于7 8 试样的炉冷。因此可以认为较慢的升温速率和 空冷的降温方式有利于p t f e 复合材料结晶度的提高。 菪t10u。五isilo苦h 第三章烧结工艺对p 1 1 f e 基复合材料组织与性能的影响 较慢的升温速率有利于p t f e 复合材料结晶度的提高，是由于p t f e 本身传热性能 极差，缓慢升温能够使材料内外温度均衡，使得p t f e 和石墨之间的界面消失，有利于 材料的重新结晶。同时在观察图谱时可以发现7 8 试样衍射峰有漂移现象，偏离p t f e 衍 射特征峰值。分析制备过程认为试样内的残余应力是造成其衍射峰漂移的主要原因。由 于烧结过程中7 4 工艺的升温速率较快，而p t f e 复合材料导热性极差，升温太快导致试 样膨胀不均匀，在内部产生了内应力。 从降温速率方面考虑，降温过程中降温过慢，分子的热运动剧烈，晶核难以形成， 已经形成的晶核不稳定，容易被分子热运动所破坏。降温速度过快，试样快速通过结晶 温度区，分子难以围绕晶核长大，影响结晶。而空冷的降温速度及温度环境适宜晶核形 成，随着温度的降低，成核的速度趋于增大。因此p t f e 复合材料空冷的结晶度要高于 炉冷的结晶度。提高p t f e 复合材料的的结晶度需要选择适宜的降温速度及降温方式， 过快或过慢都不可取。 3 5 2 复合材料结晶度对其摩擦磨损性能的影晌 对9 组工艺制得试样的磨损结果做极差分析显示：降温方式是影响p t f e 复合材料 的磨损量的主要因素。对9 组工艺制得试样做减磨性分析，从极差值可以判断出升温速 率对摩擦系数的影响最大。 结合摩擦磨损性能极差分析结果认为工艺中各因素是由于在烧结过程中影响了试 样结晶程度，从而影响其摩擦磨损性能的。p t f e 基复合材料结晶的程度对其摩擦磨损 性能具有重要影响。p t f e 复合材料之所以具有优异的减磨性能，是由于摩擦过程中 p t f e 晶体之间产生了相对滑移，在摩擦副之间形成润滑转移膜，并且这种转移效应在 摩擦过程中不断重复。 对比摩擦磨损性能分析及衍射峰对比图谱的结果可以看出，结晶度较高的材料其摩 擦系数较低磨损量较大。当结晶度较高时，材料之间的结合力主要为p t f e 的晶体间分 子力，由于p t f e 的分子问力很低，所以摩擦时容易形成转移润滑膜，因此摩擦力较低， 摩擦系数较小。当结晶度较低时，材料结合力以填料结合力为主，分子间作用力较大， 阻碍了p t f e 晶体的相对滑动，所以摩擦力较大，摩擦系数较大。同时材料磨损量降低， 耐磨性增强。 因此分析对比不同烧结工艺制得的p t f e 复合材料的结晶度可以了解烧结工艺对结 晶度的影响，有利于根据实际生产的需要对烧结工艺参数进行优化。 长安大学硕士学位论文 第四章金属镶嵌基体对p t f e 基自润滑轴承材料摩擦磨损性能的 影响 4 1 摩擦磨损试验仪器的对比选择 盘销式摩擦磨损试验机和环块式摩擦磨损试验机均可用来测定材料的摩擦磨损性 能。针对实验室的m h k 5 0 0 环块式磨损试验机和m p x 2 0 0 0 式盘销式摩擦磨损试验机， 制备相同成分及烧结工艺的复合材料分别在两台机器上测定其摩擦磨损性能。试验参数 如表4 1 所示： 表4 1 摩擦磨损试验机试验参数表 用配比及烧结工艺完全相同的p t f e 复合材料试样在两台仪器上测定相应的摩擦磨 损性能，所得数据如下表4 2 所示： 表4 2 摩擦试验机测得数据对比 环块式 盘销式 o 1 4 7 o 1 4 8 0 1 5 6 o 1 5 2 0 1 4 3 0 1 4 9 o 1 5 9 0 1 5 0 0 1 5 l o 1 5 4 0 1 5 1 2 0 1 5 0 6 观察表4 2 中数据可以看出，两组试样最终的平均值接近，说明两台仪器测试的数 据均接近真实结果。由于盘销式摩擦磨损试验机的输出是连续实时的，可以随时通过记 录纸输出曲线判断对摩表面的摩擦磨损情况，非常适合观察滑动摩擦运动。通过以上分 析及试验结果的观察，本章在测定金属基体镶嵌石墨p t f e 基自润滑轴承材料摩擦磨损 性能时仍选择m p x 2 0 0 0 式盘销式摩擦磨损试验机。 4 2 金属基镶嵌型自润滑轴承材料试样的制备 本试验中金属基材为黄铜、锡青铜、球墨铸铁和4 0 c r 钢，选择孔洞排布方式。摩 擦磨损性能的测定在m p x 2 0 0 0 型盘销式摩擦磨损试验机上进行。根据磨摩擦磨损机对 第四章金属镶嵌基体对p t f e 基自润滑轴承材料摩擦磨损性能的影响 磨运动方式，所有镶嵌孔沿对磨运动方向均匀布置，在对磨运动运动方向各孔之间具有 一定的重叠度。以保证嵌入的固体润滑剂在摩擦方向上保持一定的交叠，保证固体润滑 剂在摩擦过程中形成的转移膜能覆盖整个对磨件表面。 本试验制备的镶嵌型自润滑试样，在确定固体润滑材料镶嵌面积时考虑n - 如果固 体润滑材料的覆盖面积过小，则无法形成完整的转移膜覆盖对磨表面，无法达到有效的 润滑和减磨效果；如果覆盖面积过大，则会使基材的机械强度降低，从而影响滑动部件 的承载能力。根据文献【6 2 】确定嵌入的固体润滑材料面积约占摩擦表面总面积的3 9 ， 孔内径设计为4 m m 。镶嵌孔排布及孔内径设计如下图所示： 金属基体 图4 1 镶嵌孔设计排布示意图 试样盘的制备是通过机械加工在金属基材上钻孔，并镶嵌p t f e 复合材料。在试样 盘上，润滑材料与金属基体采用过盈配合，保证在摩擦过程中润滑材料与基体紧密接触。 嵌入过程中用橡胶榔头敲入镶嵌孔，用4 0 0 4 砂纸去除高出基材表面的润滑柱，将二者结 合成为一整体。 镶嵌固体润滑材料试样盘，其制作工艺如图4 2 ： 试样盘嵌入固体 磨去表面多 斗 清洗 钻孔润滑剂 余润滑材料 图4 2 试样盘制备的工艺流程图 试样制备好后，在室温下干摩擦测摩擦磨损性能。试样每次所加载荷为2 0 n ，转速 为线速度0 4 2 6 2 m s ，磨损时间6 0 m i n 。每次摩擦实验前，用1 5 0 0 4 砂纸打磨试样盘和对 摩销表面，并用无水乙醇反复清洗5 m i n 。 长安大学硕士学位论文 4 3 金属基镶嵌型自润滑轴承材料的摩擦磨损试验 4 3 1 不同金属基体对磨损性能的影响 四种金属基体均采用4 5 8 钢作为对摩销，图4 8 为黄铜、锡青铜、球墨铸铁和4 0 c r 及相应对摩销的质量变化图。 攀 昌 ： 上 塑 o m e t a l l i cm a t r i x 图4 3 镶嵌盘及对摩销磨损量 图4 8 给出了金属基镶嵌材料盘及对磨销的磨损量。由图可见以黄铜和锡青铜为镶 嵌基体的试样盘磨损量相对较大，球墨铸铁和4 0 c r 为镶嵌基体的试样盘磨损量较小； 黄铜基镶嵌材料的对摩销经过对摩运动后出现质量增加的现象。锡青铜基镶嵌试样盘的 对摩销磨损量极小。4 0 c r 的对摩销质量损失最多。 选择对摩后的铜基镶嵌试样盘在10 0 倍光学显微镜下观察其表面，发现对摩轨迹面 光滑平坦，有明显的润滑转移膜。在对摩过程中，对摩销将p t f e 复合材料带出镶嵌孔， 将摩擦表面的凹坑填充形成转移润滑膜，有效的阻断了金属之间的对摩，降低了磨损量。 3 7 第四章金属镶嵌摹体对p t f e 基自润滑轴承材料摩擦磨损性能的影响 图4 4 铜基镶嵌试样盘磨痕表面 摩擦金属表面 对摩痕边缘 转移润滑膜表面 4 3 2 不同金属基体对减磨性能的影响 图4 5 中所示是未经镶嵌的金属基体试样盘和其镶嵌p t f e 复合润滑材料以后在整 个滑动摩擦过程中的摩擦系数，共8 个试样盘工作载荷2 0 n 、线速度0 4 2 6 2 m s 、加载 6 0 m i n 。 m e t a l l i cm a t r i x 图4 5 不同金属基体镶嵌式复合材料摩擦系数对比图 如图4 5 所示，镶嵌了p t f e 复合润滑材料的试样盘其摩擦系数均低于未经镶嵌的 纯金属基体盘的摩擦系数，减磨性都得到了有效改善。并且镶嵌了p t f e 复合润滑材料 的试样盘与第三章测得的纯p t f e 复合材料摩擦系数接近。 3 8 长安大学硕士学位论文 金属镶嵌型自润滑轴承材料的摩擦系数根据记录仪记录的摩擦力矩计算( 公式见 2 3 1 ) 。摩擦力矩曲线图表示摩擦系数随摩擦时间的变化关系。平衡输出仪记录滑动摩 擦过程的摩擦力矩变化如图4 6 至图4 9 所示： o 2 5 o 2 0 o i c q0 1 5 q 臣 o 0 0 t i m e ( m i n ) 图4 6 黄铜摩擦力矩曲线图 o1234567891 0111 2 131 415 16l71819 t i m e ( m i n ) 图4 7 锡青铜摩擦力矩曲线图 3 9 t1芒。一u!罄qoo盘。置olj 第p l j 章金属镶嵌基体对p t f e 基自润滑轴承材料摩擦磨损性能的影响 o 2 5 o 2 0 o 2 5 o 2 0 o 0 l234567891 01 1121314151 6171 819 t i m e ( m i n ) 图4 8 球墨铸铁摩擦力矩曲线图 0l234567891 o1 11213l415 161718 19 t i m e ( m i n ) 图4 94 0 c r 摩擦力矩曲线图 各种摩擦磨损曲线通常分为三个不同的磨损变化阶段邺】。分别为：( 1 ) 磨合磨损阶段； ( 2 ) 稳定摩擦磨损阶段；( 3 ) 居1 1 烈摩擦磨损阶段。当摩擦进入稳定摩擦磨损阶段后，根据 输出力矩计算镶嵌后金属盘的摩擦系数如图4 5 。 根据摩擦力矩曲线图可以看出，黄铜在对摩1 5 m i n 左右逐渐进入稳定摩擦状态；锡 青铜在1 7 m i n 左右进入达到稳定摩擦状态；球墨铸铁在3 - - - 4 m i n 左右快速进入稳定摩擦 状态；4 0 c r 在8 m i n 左右进入稳定摩擦状态。 t1芑di。臣ooo嚣。互q一i皿 t1芑。一o!-嚣ooq iio暑。一i山 长安大学硕士学位论文 观察对摩后的镶嵌试样盘如图4 1 0 所示，四种金属基体试样盘均产生了明显的转移 润滑膜。黄铜对摩后的润滑转移膜最光滑均匀，磨痕最宽；锡青铜的润滑转移膜较薄， 不够完整，可见明显犁削痕迹；球墨铸铁润滑转移膜较为均匀，磨痕表面平整；4 0 c r 对摩后的转移润滑膜较厚，完整覆盖了对摩金属表面，磨痕最窄。 图4 1 0 对摩后金属基体表面产生的转移润滑膜 ( a ) 黄铜( b ) 锡青铜( c ) 球墨铸铁( d ) 4 0 c r 4 4 金属基镶嵌型自润滑轴承材料摩擦磨损机理分析 4 4 1 金属基体硬度试验结果 金属基体的硬度测试使用布氏硬度计，测得金属硬度如图4 1 1 所示： 4 1 第四章金属镶嵌基体对p t f e 基自润滑轴承材料摩擦磨损性能的影响 m e t a l l i cm a t r i x 图4 1 1 金属基体硬度 从硬度测试结果可以看出，4 0 c r 的硬度最高，球墨铸铁略低于4 0 c r ，黄铜和锡青 铜的硬度接近，锡青铜的硬度最低。 4 4 2 金属基镶嵌型自润滑轴承材料摩擦磨损机理分析 1 、磨损机理分析 对比黄铜、锡青铜、球墨铸铁及4 0 c r 镶嵌基体试样盘的摩擦力矩输出图可以发现， 铜与锡青铜在2 0 - 2 5 m i n 之间进入稳定摩擦磨损阶段。球墨铸铁及4 0 c r 均在5 1 0 m i n 之间进入稳定摩擦磨损阶段。结合四种金属镶嵌盘的磨损量对比图认为，造成黄铜和锡 青铜磨损量较大的原因是其磨合磨损阶段较长。由于黄铜基体和锡青铜基体硬度低，耐 磨性差，在对摩过程中基体产生磨损，硬质磨粒参与到磨擦运动中，对摩擦副表面初期 形成的润滑转移膜进行“刨削 加工。因此黄铜与锡青铜基体试样盘的初始滑动过程中， 在金属表面很难形成稳定的润滑转移膜，因此形成完整转移润滑膜的时间较长，在2 0 m i n 左右才进入稳定摩擦磨损阶段。较长的磨合磨损阶段导致基体盘磨损量增大。 观察摩擦力矩输出图可以看出球墨铸铁和4 0 c r 均在5 m i n 一1 0 m i n 较快的进入摩擦稳 定阶段，磨合磨损阶段较短。这是因为球墨铸铁及4 0 c r 基体金属硬度高在对摩过程中， 对摩销优先挤压硬度低的p t f e 复合材料，对偶面的微凸峰楔入p t f e 复合材料中，通 过微刨削、微剪切和微切割作用将复合材料撕裂。摩擦附着力将其拔出镶嵌孔后，形成 磨屑并转移到对偶面成为润滑转移膜，使摩擦发生在p t f e 复合材料之间，经过对摩运 动形成润滑转移膜。通过在表面形成的润滑膜将运动副分开，由于对摩金属表面不直接 4 2 oooc。qpj时i 长安大学硕士学位论文 接触，使滑动摩擦降低，有效阻止了磨损的发生。因此球墨铸铁及4 0 c r 基体对摩后磨 损量较小。 耐磨性随金属硬度的增加而提高。在与摩擦副对摩过程中金属由硬度较低的黄铜和 锡青铜表面转移到硬度高的4 5 4 钢对摩销表面，发生以粘着磨损为主的质量损失，所以 黄铜基的对摩销经过对摩运动后质量反而增加。同时4 0 c r 的硬度较高，因此对摩销的 质量损失较大。 2 、减磨性能分析 如图4 5 所示，镶嵌了p t f e 复合润滑材料的试样盘摩擦系数均低于纯金属盘的摩 擦系数，并与p t f e 复合材料摩擦系数接近。这说明在金属表面经过对摩后均产生了 p t f e 复合材料转移润滑膜，使金属之间的对摩变成了p t f e 复合材料之间的对摩。 对比不同金属镶嵌基体之间的摩擦系数，可以发现黄铜和锡青铜的摩擦系数相对较 高，这是由于在对摩开始阶段，还没有形成完整的转移膜。裸露的金属表面与摩擦副对 摩，由于黄铜与锡青铜的硬度较低，在对摩过程中产生金属碎屑，并伴随着滑动摩擦运 动被摩擦副带入镶嵌的p t f e 复