成分构成对复合自润滑材料摩擦学性能的影响(1)

1、50塑料工业CHINAPLASTICSINDUSTRY第37卷第6期2009年6月成分构成对复合自润滑材料摩擦学性能的影响骆志高,庞朝利,陈保磊(江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)摘要:在MPX 2000摩擦磨损试验机上,用环盘式摩擦副测量了不同成分的金属塑料复合自润滑材料与45#钢在干摩擦条件下的摩擦磨损特性。结果表明:在载荷为200N,滑动速度为200r/min时,摩擦因数随聚四氟乙烯(PT FE)用量的增加而减小,当PTFE体积分数超过20%时,摩擦因数下降趋缓;金属塑料复合自润滑材料的磨损率,随PTFE用量的增加,先减小后增加;当PTFE在PEEK/PTFE共混物中的体积分数

2、为10%20%时,摩擦学性能最佳。关键词:自润滑材料;聚四氟乙烯;聚醚醚酮;摩擦学;配比优化;滑动摩擦中图分类号:TQ325 4 文献标识码:B 文章编号:1005-5770(2009)06-0050-03*EffectsofElementsConstitutiononTribologicalPropertiesofSelf lubricatiMaterialLUOZhi gao,PANGChao l,iCHENBao lei(SchoolofMechanicalEng.,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)Abstract:ByusingMPX-2

3、000testrig,frictionandwearcharacteristicsoftheself lubricationmetallic#plasticcompositeswithdifferentcomponentscontentand45steelunderdryslidingfrictionwereinvestigated.Theresultsshowedthatunderthegiventestconditions,thefrictioncoefficientdecreasedwiththeincreaseofthepolytetrafluoroethylene(PTFE)cont

4、entatthesameslidingvelocity(200r/min)andthesameload(200N)whenthecompositerubbedwithstee,landthefrictioncoefficientwasstabilizedwhenthePTFEcon tentwasover20%.WiththeincreaseofPTFEconten,tthewearrateofthecompositewasdecreasedfirs,tKeywords:Self lubricatiMateria;lPolytetrafluoroethylene;Polyetheretherk

5、etone;Tribology;tionOptimization;SlidingFriction金属塑料复合自润滑材料是由底层金属承载、表层塑料自润滑工作层和将金属底层和塑料自润滑工作层连接在一起的结合层构成的,其具有较高的工作比压和许用工作温度以及较好的减摩和耐磨特性等优点,特别适用于制作大型、超大型的重载机械设备等领域1Propor料复合自润滑材料的不同成分配比材料在干摩擦下的摩擦学特性进行了探讨,但今后还需对其在摩擦磨损机理等方面开展进一步的深入研究。1 实验部分1 1 主要原材料聚四氟乙烯(PTFE):平均粒径为30 m,东阳市天宇氟塑厂;聚醚醚酮(PEEK):平均粒径为50 m,广成

6、塑料有限公司;聚苯硫醚(PPS):平均粒径为30 m,上海元吉化工有限公司;石墨(G):平均粒径为20 m,市售;二硫化钼(MoS2):平均粒径为40 m,市售。1 2 试样的制备金属塑料复合自润滑材料,其特征在于其自上而下由塑料工作层、塑料结合层和铣削有设定凹坑形貌。聚醚醚酮(PEEK)是一种具有优异力学性2能(如高韧性、高抗疲劳性能)的半结晶热塑性塑料,常被用于高性能复合材料的基体。目前,尽管对构成金属塑料自润滑材料的PEEK、PEEK复合材料以及其他复合材料的摩擦磨损特性已做一定的研究工作3-6,但对金属塑料复合材料的摩擦学特性的研究还不够深入和系统。为更好地发挥上述复合材料良好的摩擦学

7、特性的优点,应对金属塑料复合材料的摩擦学特性进行深入的分析和研究。本研究对金属塑*联系人pchl1984163 com作者简介:骆志高,男,1953年生,工学博士,教授,主要从事自润滑复合材料成型、模具设计与制造、旋转机械第37卷第6期骆志高等:成分构成对复合自润滑材料摩擦学性能的影响51的钢板组成,金属塑料复合自润滑材料的各层具体分布见图1。实验使用的金属塑料复合自润滑材料的表层(工作层)为以PEEK为基体的塑料,复合材料的制造流程为:(1)金属板表面设定凹坑形貌的铣削;(2)金属板已铣削面的表面处理;(3)塑料结合层各材料的混和与烘干,塑料工作层各材料的混和与烘干;(4)金属板铣削面塑料结

8、合层的静电喷涂;(5)金属板铣削面的塑料工作层的模压与烧结成型。其中流程(2)的具体操作步骤为:除油 水洗 除锈 水洗 中和 水洗 表调 磷化 水洗 自干或烘干。流程(3)中各试件塑料层工作层材料的成分配比见表1。流程(5)模压成型工艺为:先将已完成流程(4)中的金属板放入压缩模具作为嵌件 将塑料工作层混合料放入模具 加压至35MPa,以10!/min的速率升温到320350!,恒温1020min,加压至510MPa,然后升温至350380!,保温保压1030min后自然冷却至100!卸压开模,得到复合材料模压件。N,时间60min。由数据采集系统采集摩擦力矩进而计算出摩擦因数;用读数显微镜测

9、量试样磨痕宽度并换算成磨损率。1 4 磨损表面的观察与分析将摩擦磨损试验后的样品表面进行清洗、烘干并喷金后在S 570型扫描电镜上进行SEM分析。2 结果与讨论2 1 PTFE用量与复合材料摩擦和磨损特性的关系图2是PTFE用量对金属塑料复合材料的摩擦因数和磨损率的影响,图2中PTFE体积分数是PTFE相对于PEEK的数值,并且(PEEK+PTFE)#(G+MoS2)=92#8。从图2可见,加入7%的石墨(G)、1%的二硫化钼(MoS2)和5%的聚四氟乙烯(PT FE)的复合材料,其摩擦因数比纯PEEK的摩擦因数(0 41)下降约46%,说明上述成分的加入,能显著降低材料的摩擦因数,提高其摩擦

10、性能。而且,随着PTFE用量的增加,材料的摩擦因数呈现下降趋势,最低时比纯PEEK降低了70%左右,说明PTFE能与G起协同作用,降低材料的摩擦因数。其原因在于PTFE具有独特的分子和分子结构,摩擦因数最小可达0 04,PTFE大分子容易被拉出结晶区在对磨金属钢表面形成转移膜。G的层片状结构在滑动摩擦时,由于剪切力使石墨的层与层间容易发生晶间滑动,因而在摩擦之初就向对磨面转移。由于石墨层具有强韧性,因此其转移膜与PTFE转移膜相比亦表现出很强的韧性。随着PTFE用量的增大,摩擦因数下降,但当PTFE体积分数超过0 15时,摩擦因数下降速度趋缓。7图1 金属塑料复合自润滑材料结构Fig1 The

11、structureofself lubricationmetallicplasticcomposite1-塑料工作层;2-塑料结合层;3-金属层图2 复合材料摩擦因数和磨损率与PTFE用量的关系Fig2 Variationsinfrictioncoefficientandwearrateofcomposites1 3 摩擦磨损实验实验在MPX 2000型摩擦磨损实验机上进行,摩擦副为盘-环型。试样表面干磨削时采用强风冷却,表面粗糙度Ra<1 5 m。试环材料为45钢,硬度为HRC4855,原始表面积平均粗糙度Ra约为1 60 8 m,尺寸 34mm 8mm5mm。实验条件为,in,#wi

12、ththecontentofPTFEunderdrysliding从图2还可看出,当PTFE体积分数小于5%时,随着PTFE用量的增加,PEEK/PTFE复合材料的磨损率急剧下降纯PEEK的磨损率达17 3103mm/(N m);当PTFE体积分数在5%15%时,-6下52塑 料 工 业2009年降;当PTFE体积分数在15%左右时,复合材料的磨损率达到最低值;当PTFE体积分数高于15%时;复合材料的磨损率随PTFE用量的增加而上升;可见金属塑料复合自润滑材料的磨损率随着PTFE用量的增加而先减小后增加。原因在于加入PTFE后,PTFE易于在对磨面上形成转移膜,降低了摩擦因数;偶联剂的加入,

13、增加了PTFE与基体PEEK的相容性,提高了界面强度,使PTFE质点在磨损中不易从基体中脱落;此外,固体润滑剂G及MoS2的加入,能在对磨面上形成转移膜,起润滑效应,对复合材料的磨损起保护作用8数MoS2的加入提升了复合材料的硬度和抗蠕变性能,最终使抗磨损性能显著提升。但随着PTFE、MoS2和石墨用量的增加,复合材料中脆性相增加,为疲劳磨损的发生创造了条件4。#3 结论1)金属塑料复合自润滑材料与45钢对磨时,摩擦因数随PTFE用量的增加而减小,当PTFE体积分数超过15%时,摩擦因数下降趋缓。随PTFE用量的增加,金属塑料复合自润滑材料的磨损率,先减小后增加。2)G、MoS2的加入可显著地

14、提升复合材料的摩擦学性能。当PTFE在PEEK/PTFE共混物中体积分数为10%20%时,摩擦学性能最好。参 考 文 献dependentviscousincompressibleflowoffluidwithfreesur faceJ.2ZHANGZ,PhyFluids,1965,BREIDTC,18:2182-2192.CHANGL,。上述因素的综合作用使复合材料的耐磨性比PEEK有较大幅度的提高。综合考虑复合材料的摩擦因数和磨损率,PEEK/PTFE复合材料中PTFE的最佳用量应为15%左右。2 2复合材料磨损表面的观察与分析compositesrelatedtotheirmechani

15、calperformancesJ.Tribology,2004,37:271-277.2007,32(2):117的摩擦学研究J.润滑与密封,-122.研究J.高分子材料科学与工程,a-试件 b-试件%图3 试件的磨损形貌Fig3 Surfaceofspecimen184-187.5ZHANGG,LIWY,CHERIGUIM,tribologicalperformancesofPEEK(poly ether ether ketone)-basedcoatingsdesignedfortribologicalapplicationJ.ProgOrgCoat,2007,60:39-44.Evalu

16、ationoftri6SUMERM,UNALH,MIMAROGLUA.2006,22(4):图3是试件和%金属塑料复合自润滑材料的磨损表面的SEM照片。图3a除可以看到一些较深的犁沟外,还存在撕裂现象,说明其磨损机制是微切削加黏着磨损。图3b中犁沟深度明显变浅,撕裂现象明显减少。与图3a相比,图3b磨损表面光滑平整,说明试件%的耐磨性能比试件要好得多。原因在于随着PTFE、MoS2和石墨用量的增加,材料的硬度、压缩屈服极限、压缩强度相应提高,其抗黏着能力、抗塑性变形能力增强。因此在对磨过程中不易被微凸体所切削,也不容易发生黏着和撕裂。同时填料PTFE、G和MoS2内部润滑剂的加入也使得PEEK基复合材料的磨损机理变得更加复杂。尽管PTFE和G减少了复合材料与对磨面的黏附力并由此原因降低了摩擦因bologicalbehaviourofPEEKandglassfibrereinforcedPEEKcompositeunderdryslidingandwaterlubricatedconditionsJ.Wear,2008,1475-89.8YULaigu,iYANGShengrong,