滑动速度与载荷对PTFE基复合材料磨损率的影响(修改稿3)1028

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1、修改稿滑动速度与载荷对PTFE基复合材料磨损率的影响胡汉军，周晖，郑玉刚，张凯锋，万志华，苟世宁，吴金龙（兰州空间技术物理研究所，兰州，730000）摘要：PTFE基自润滑复合材料是一种常用的空间活动机构轴承保持架材料。为了研究此材料的摩擦学性能，指导自润滑轴承的加速寿命试验，在3种转速、4种载荷试验条件下，使用环-块摩擦试验机，按照ASTM标准G176-03指导开展了试验。通过试验后摩擦面形貌及磨痕宽度，计算了在不同工况下的体积磨损率。结果表明：在同样的载荷下，磨损率随着滑动速度的增加而明显增加，尤其在高载荷60N条件下，不同滑动速度试样之间的磨损率相差最大。相同滑动速度下，磨损率随着载荷的

2、增加而增加。不同的是，在低速下增加趋势不明显，在高速下增加趋势变得显著。关键词：磨损率；PTFE复合材料；滑动速度；载荷中图分类号：TQ174Impact of Sliding Velocity and Load on The Wear Rate of PTFE CompositeHu Hanjun, Zhou Hui, Zheng Yugang, Zhang Kaifeng, Wan Zhihua, Gou Shining, Wu Jinlong(Lanzhou Institute of Physics, China Academy of Space Technology, Lanzhou

3、730000, PR China)Abstract: A sort of PTFE/MoS2/glass fibre polymer composite has been extensively used as bearing cage material by spatial moving parts for many years. For studying the friction properties of this composite and directing the further accelerated life tests of self-lubricated bearings,

4、 a series of tests with 3 sliding velocities and 4 loads，have been operated using block-on-ring testing machine, under instructions of the ASTM G77-05 standard. The experimental results were as follows: At the same load, the wear rate of the composite increased with the rise of the sliding velocity,

5、 especiall for 60N. At the same sliding velocity, the wear rate increased with the rise of the sliding velocity. However, this increase trend is more obvious at the high velocity than at the low one. Keywords: Wear rate; PTFE composite; Sliding velocity;Load1. 前言聚四氟乙烯（PTFE）复合材料广泛的应用于空间活动机械上，例如电刷，导轨，

6、轴承保持架，滑动轴承，滑环，齿轮等1。自润滑材料的优良性能包括低的摩擦系数，良好的耐高温能力及化学耐受力等2。由于PTFE具有特殊的折叠链及长链分子结构，可在滑动过程中的切向力作用下形成转移膜。最先研究这种转移膜现象的是在1971年由Jones and Gardos 完成 3,4。此后，更多的文献开始报道PTFE聚合物材料在不同载荷及速度条件下与其磨损行为相关的试验数据，以获取对此种复合材料磨损行为与磨损机理更加合理的解释5-8。例如，H.Unal得出了载荷要比转速对磨损率的影响效果明显，然而王与李得出的结果是相对比载荷转速具有更明显的影响作用9,10。为了定量的研究不同的试验参数对磨损率的影

7、响程度，研究者们使用Rhee的参数磨损方程来定量地研究PTFE聚合物材料的磨损行为。Rhee的方程形式为：w = kFaVbtc(w = 聚合物材料损失; k = 磨损因子; F = 法向载荷; V = 滑动速度; t = 滑移时间； a, b, c = 待确定的因子) 11。由此方程反映了磨损率受到三种试验参数的影响，分别是载荷、转速及测试时间。在本文中，研究了在相同滑移路程条件下，转速与载荷变化对试验PTFE基复合材料的磨损率影响情况。同时，探讨了载荷及转速对磨损率的影响。最后，根据试验数据，求出了与Rhee磨损方程相似的磨损率方程w。2. 试验过程 作者简介：胡汉军(1983-)，男，甘

8、肃天水人，工程师，主要从事空间用润滑材料的摩擦学性能研究E-mail: hhjhuj电话：15293174075选择航天轴承常用的一种PTFE基复合材料（PTFE 80wt%，MoS2 15wt%，玻璃纤维5wt%，直径1m至5m，玻璃纤维表面在300下热处理10min, 北京钢铁研究总院，其中MOS2用来提高复合材料的润滑性能，玻璃纤维用来增强基体)为试验对象。表1给出了此种材料的基本物理性能。根据ASTM G176-03规定在大气与室温环境下开展试验12。使用如图1所示的环-块摩擦试验机（UMT-3, CETR, Swiss）来评估材料的磨损性能。环（直径= 35mm,宽度= 10.66m

9、m）与块（15.75mm）分别是由轴承刚与PTFE复合材料制成。表1 试验用PTFE 材料的基本物理性能Table 1. The basic physics properties of PTFE压缩强度36.1 MPa密度2.26 g/cm3热变形温度（0.45MPa）147球压宽度38.9 N/mm2线膨胀系数（23100）7.0610-51/线膨胀系数（100200）1.3910-41/表2 试验矩阵Table 2 The test matrix试验编号.滑动速度(m/s)载荷(N)测试时间 (hour)S10.9151520S20.9153020S30.9154520S40.915602

10、0S51.831510S61.833010S71.834510S81.836010S92.745156.7S102.745306.7S112.745456.7S122.745606.7图1 环-块摩擦试验机Figure 1 Block on ring machine使用光学显微镜/CCD相机及Taylor表面轮廓仪（TALYSURF, TalorHobson Ltd., UK）观察材料的表面形貌。使用SEM （SEM, JSM-5600LV, Kevex, USA）观察摩擦表面的微观组织结构。表2给出了试验矩阵。3. 结果与讨论图2给出了复合材料测试件磨损区域的三维形貌，可见复合材料与钢环间的

11、摩擦面为一曲面，曲面的曲率半径与钢环外圈的曲率半径相同，通过此三维形貌图可测量出磨痕的宽度，进而按照ASTM G176-03的标准计算方法计算出材料的磨损体积。长度宽度图2 磨痕三维形貌Figure 2 The three-dimensional morphology of wear scar图3a是包括材料磨痕区域及边界区域的原始形貌，图3b与图3c分别是放大500倍与2000倍时的材料磨痕区原始形貌，图3d是对磨痕表面擦洗处理后的二次形貌。从图3a可以看出，PTFE基复合材料的磨擦区域主要由两部分组成，分别是位于中部的磨痕区以及位于边界区域的磨屑堆积区。在磨损过程中，钢环与材料摩擦接触，引

12、起材料磨损并产生磨屑。其中大部分磨屑粘附在钢环表面或受钢环滚动作用影响，被带出磨损区域，最终导致此部分磨屑的绝大部分堆积在磨痕边界区域，其余部分以碎片及转移膜的形式存在于钢环表面（如图4所示）。此外，存在于钢环与材料磨损面之间的少量磨屑受钢环的碾压作用又重新以碎片的形式粘附在材料磨损表面，并重新参与到摩擦过程中，如图3b所示，其中亮色区为被磨屑覆盖区，暗色区为未被磨屑覆盖的块材料本体区。然而在磨损过程中，针对覆盖在块材料本体表面的磨屑，粘附与剥离过程同时存在，如图3c所示。在钢环的剪切力作用下，此部分磨屑被从块材料本体表面剥离，并最终被带离摩擦区域，不再参与摩擦过程，最终使块材料本体不断磨损。

13、图3d是对图3b的原始磨损区擦洗处理后的形貌，此过程去除了覆盖在材料磨损表面的磨屑，清晰可见掺杂在材料基体中的玻璃纤维，尽一步说明从本体材料磨损的磨屑在整个摩擦过程中参与了磨损，此部分磨屑的剥离速率对块材料本体的磨损情况有着直接的影响。如果磨屑被快速排出摩擦区域，将有更多的新鲜材料暴露，并参与磨损，造成材料的快速磨损，增加材料的磨损率。图5是表2所列不同试验条件下的PTFE基复合材料试块磨损表面放大200倍的形貌。可见随着转速的增加及载荷的增大，在摩擦表面残留的黑色的复合材料转移膜越来越少，当转速达到1500rpm，载荷60N时，表面已几乎无此种黑色的转移膜存在，呈现出复合材料本身的磨损面形貌

14、，清晰可见白色的玻璃纤维，及由于纤维剥落所遗留的磨损坑。图3d图3b图3a图3c图3磨痕SEM形貌Figure 3 The SEM photo of wear scar图4钢环表面形貌Figure 4 The surface morphology of the ring图6为给出了不同载荷15N，30N，45N 及60N，及不同速度0.915m/s，1.83m/s 及 2.745m/s下的磨损率。图5反映出了两个试验结果，分别是磨损率与载荷的关系及磨损率与速度的关系。在同样的载荷下，磨损率随着滑动速度的增加而明显增加，尤其是在高载荷60N的条件下，转速转速载荷500rpm200倍1000rpm

15、200倍1500rpm200倍15N30N45N60N图5不同工况下试样的磨痕光学显微镜形貌Figure 5 The optical morphology of wear scar at different test parameters图6 不同载荷、不同滑动速度条件下的磨损率Figure 6 The wear rate at different velocities and loads由1.83m/s提高至2.745m/s时，其磨损率增加了近3倍以上，材料在此种工况下表现出严重的磨损。此结果表明无论材料在高应力还是低应力工况下，增加滑动速度均可加速聚合物材料的磨损。这是因为滑动速度可控制聚

16、合物链的排列取向，分子链需要时间来进行排列以形成转移膜及表面的剪切膜。如果滑动速度过大，分子链将发生断裂，而不是取向排列，最终形成大的磨损粒子参与磨损，表现出高的磨损率。尽管高的滑动速度会造成摩擦表面产生高的温度，有利于聚合物材料的分子松驰，改善聚合物分子的流动，然而由此结果可以推测温度升高的积极作用并不能弥补因滑动速度增加而加聚材料磨损的负面作用，最终引起材料的磨损率随转速增加而上升。另外，如图4所示，在相同的滑动速度下磨损率将随着载荷的增加而增加，但在45N以下，增加趋势不明显，当载荷增加到60N时，磨损率会突然增大表现出相对高的磨损率。此外，在低速0.915m/s与1.83m/s工况下磨

17、损率随载荷增大而增加的趋势不明显，然而在高速2.45m/s的工况下此种增加趋势将变得显著。由此结果可以推测，在低速工况下，材料的磨损率在低载范围内的变化不大，但在高载范围内变化明显；在高速情况下，材料的磨损率受载荷变化的影响将变得显著，表现出高载与高速对材料磨损率的协同作用，造成磨损转移的材料在块材表面快速剥离，引起材料的快速磨损。基于以上对现在磨损率数据的退化分析，得出了如下的磨损率方程：根据此半经验的磨损率方程，有可能预测这种聚合物材料的磨损率。然而，多种因素都将影响聚合物材料的磨损率，如表面粗糙度、表面处理、表面及环境温度、磨损对偶的形状、测试温度及环境等，导致磨损率数据表现出大的离散性

18、，及退化分析结果的低相关性。为了建立一个更加可靠及正确的磨损率方程，须继续按照严格的试验规定开展试验而获得大量的磨损率统计学分析数据。4. 结论(1) 在同样的载荷下，磨损率随着滑动速度的增加而明显增加，尤其在高载荷60N条件下，不同滑动速度试样之间的磨损率相差最大。(2) 在相同滑动速度下，磨损率随着载荷的增加而增加。不同的是，在低速下增加趋势不明显，在高速下增加趋势变得显著。(3) 获得的半经验磨损率公式为：References1 Mike Buttery. Space tribology course 201R. Noordwijk: HESR Technology Ltd., 2011

19、2 Robert L. Self-lubricating polymer composites and polymer transfer film lubrication for space applications C/ NASA Technical Memorandum 102492. Cleveland, 1990.3 Jaydeep Khedkar, Ioan Negulescu, Meletis I. Sliding wear behavior of PTFE compositesJ. Wear: 2002, 252:361-3644Jones R. Gardos N. Transf

20、er film formation by lubricative composites C/Proc. Int. Conf. on Solid Lubr.1971:185-1895 Xiang Dinghan, Yao Zhengjun, Wen Jianping. Experimental investigation on dry frictional behavior of the two self-lubricating composites under heavy loading conditionsJ. Mater. Lett.: 2005,59:2352-23576 Wang Yu

21、nxia, Yan Fengyuan. A study on tribological behavior of transfer films of PTFE/bronze compositesJ. Wear: 2007,262:876-8807 Jia Zhining, Yang Yulin, Chen Jinjiang. Influence of serpentine content on tribological behaviors of PTFE/serpentine composite under dry sliding conditionJ. Wear: 2012,68:996-10

22、018 Jia Zhining ,Yang Yulin. Self-lubricating properties of PTFE/serpentine nanocomposite against steel at different loads and sliding velocitiesJ. Composites part B: 2012,43:2072-20759 Unal H, Mimaroglu A, Kadroglu U,Ekiz H. Sliding friction and wear behavior of polytetrafluoroethylene and its comp

23、osites under dry conditonsJ. Mater. and Design: 2004,25:239-24210 Wang YQ, Li J. Sliding wear behaviour and mechanism of ultrahigh molecular weight polyethyleneJ. Mater Sci Eng: 1999, 266:155160.11 Rhee S. Wear equation for polymers sliding against metal surfacesJ.Wear: 1970,16:431-43612 American Society for Testing and Materials. ASTM G176-03 Standard Test Method for Ranking Resistance of Plastic to Sliding Wear Using Block-on-Ring Wear Test-Cumulative Wear Method S.