PTFE基固体润滑涂层的摩擦学和力学性能试验

钱菁，苗艳伟，钱亚明，方建飞，邱明

(1.新昌县产品质量监督检测所，浙江 新昌 312500；2.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003)

固体润滑涂层技术是指将固体物质涂或镀于摩擦副界面，作为固体润滑材料或固体润滑剂，对摩擦副界面进行润滑的方法，以降低摩擦因数或减小磨损[1]。由于粘结固体润滑涂层是一种经济、方便和性能优异的减摩措施，在民用机械和空间技术等多方面得到了广泛应用[2-4]，目前有超过95%的润滑材料通过该工艺达到润滑的目的[5]。研究表明，常用的MoS2基、石墨基及聚四氟乙烯(PTFE)基粘结固体润滑涂层均具有良好的摩擦学性能[6-8]。PTFE作为一种典型的固体润滑材料在耐热性、耐磨性、自润滑性及低摩擦因数等方面表现出良好的性能， PTFE基固体润滑涂层的耐磨性比二硫化钼和石墨类固体润滑涂层高出5～7倍[ 9]。基于此，下文着重对不同配方PTFE基固体润滑涂层的摩擦学和力学性能进行试验研究，以期找到综合性能较优的PTFE基固体润滑涂层配方。

1 试样制备

润滑涂层的制备：将PTFE乳液、MoS2粉末(600目)、环氧树脂E-51、和石墨粉末(600目)按一定比例混合均匀，通过模压法制成PTFE基固体润滑涂层，并将压制好的涂层在100 ℃下烘干，保温5 min，取出冷却至室温。将已制备好的3种PTFE基固体润滑涂层的配方分别命名为A，B和C。3种配方的区别在于乳液中PTFE的含量不同，分别为20%，40%和60%。把制备的A，B和C固体润滑涂层粘接到圆片和圆柱试样上(材料均为GCr15轴承钢)，其中圆片试样做摩擦磨损试验和抗压性能试验，圆柱试样做粘结性能试验，试样结构如图1所示。圆片试样的基本参数为：直径30 mm，厚8 mm(其中涂层厚度为2 mm)；圆柱试样的基本参数为：直径20 mm，高30 mm(其中涂层厚度为6 mm)。

(a)圆片 (b)圆柱

2 试验

2.1 摩擦学性能试验

在HSR-2M型高速往复式摩擦磨损试验机上测定涂层的摩擦因数和磨损体积(图2)。

图2 摩擦磨损试验示意图

在干摩擦条件下对涂层试样进行摩擦磨损测试。上试样为GCr15钢球，直径为6 mm，硬度为63 HRC；下试样为已粘接涂层的圆片，直径30 mm，厚8 mm(其中涂层的厚度为2 mm)；往复频率为3 Hz，往复移动长度10 mm，试验载荷为30 N，试验时间为5 min。试验时上试样固定，下试样做往复移动。

2.1.1 摩擦因数

每种配方测试6次摩擦因数，取其平均值得到如图3所示结果。3种配方涂层的摩擦因数随时间的变化趋势如图4所示。

图3 不同配方涂层的摩擦因数

由图3可知，C涂层的摩擦因数最小且减摩性最好，是A涂层的3倍左右、是B涂层的2倍左右；B涂层的摩擦因数次之，其减摩性是A涂层的1.5倍左右；A涂层的摩擦因数最大且减摩效果最差。

由图4可知，A涂层的摩擦因数随往复移动时间的波动较大且不稳定，上、下波动的幅度在0.1范围内；B涂层的摩擦因数随往复移动时间的波动较平缓，上、下波动幅度基本在0.05范围内；C涂层的摩擦因数随往复移动时间的波动最平缓，上、下波动幅度基本在0.01范围内。

综上可知，A涂层的摩擦性能最差，并且其涂层的摩擦因数随往复移动时间的波动也较大且不稳定；B涂层的摩擦性能介于A和C之间；C涂层的摩擦性能优于A和B，并且C涂层的摩擦因数随往复移动时间的波动也最平稳。

2.1.2 磨损量

对每种配方涂层的磨损量测量6次，取其平均值，结果如图5所示。

图5 不同配方涂层的磨损量

由图中数据可知，C涂层的磨损量最小，耐磨性最好，其耐磨性是A涂层的8倍左右、B涂层的20倍左右；A涂层的磨损量次之，其耐磨性是B涂层的2.5倍左右；B涂层的磨损量最大，耐磨性最差。

综合考虑涂层的摩擦因数和磨损量，C涂层的摩擦学性能优于其他两种配方；A涂层的磨损性能优于B。

2.2 力学性能试验

2.2.1 粘结性能试验

利用INSTRON5944拉压试验机，参照GB/T 5210—2006进行PTFE基固体润滑涂层的粘结性能试验。试验条件：拉伸应力速率为0.05 MPa/s，拉伸位移为2 mm。每种配方做3组试验，取其平均值，试验结果见表1。

表1 不同配方涂层的粘结强度

从表中数据可以看出：在相同的试验条件下，A涂层与基体的粘结强度最高，其粘结强度是B和C涂层的4倍左右，并且A涂层在做拉伸试验时是从涂层中间断开，表明A涂层的胶黏剂与基体的粘结性能最好；B与C涂层的粘结强度大致相当，涂层均是从结合面处断开，但C涂层与基体断开时，基体上粘有部分涂层，而B涂层则完整地从基体上断开。 并且B涂层在做抗压性能试验时，涂层出现了从基体上脱落的情况，而其他2种配方均未出现。

综上可知，A涂层的黏结强度最高；B与C涂层的粘结强度大致相当，但C涂层胶黏剂与基体的粘结性能优于B。

2.2.2抗压性能试验

采用DDL-300电子万能试验机，参照GB/T 7314《金属材料室温压缩方法》进行涂层的抗压性能试验。试验条件：加载速度为0.5 mm/min，压缩面积S0为7.069 mm2，施加最大载荷F为300 t。每种配方做3组抗压性能试验，取其平均值。涂层的压缩强度和压缩量见表2。压缩载荷随时间的变化趋势如图6所示。

表2 不同涂层的压缩强度与压缩量

图6 不同涂层的压缩载荷随时间的变化趋势

图6a中A涂层的压缩载荷随压缩时间的变化趋势在140 s左右时涂层材料产生屈服，其压缩强度为200.65 MPa，此时的压缩量为1.460 mm。图6b中B涂层的压缩载荷随压缩时间的变化趋势在180 s左右时涂层材料产生屈服，其压缩强度为218 MPa，此时的压缩量为1.496 mm。图6c中C涂层的压缩载荷随压缩时间的变化趋势在280 s左右时涂层材料产生屈服，其压缩强度最高，为457.18 MPa，约为A和B涂层的2倍；C涂层的压缩量为2.336 mm， 约为A和B涂层的1.5倍。

3 结论

(1) 3种配方中C涂层的减摩性和耐磨性最好；B涂层的摩擦性能优于A，减摩性约为A的1.5倍，但磨损性能比A差；A涂层的摩擦性能最差，但其磨损性能优于B，是B涂层的2.5倍左右。

(2) 3种配方中B涂层的力学性能最差；A涂层的粘结性能最好，其粘结强度是B和C涂层的4倍左右，但A涂层的抗压性能不如C，C涂层的压缩强度约为A的2倍，并且其韧性也较好。