填充聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦磨损特性研究

　　水压传动技术采用纯水作为液压系统的工作介质,具有安全、节能和不污染等优点,已在食品、医药、海洋开发和造纸等领域广泛应用[1, 2],但纯水的腐蚀性强、润滑性能差.齿轮泵中的摩擦副工作在高压和高速工况下,要求材料具有较高的耐磨和耐蚀性及极限pv值,因此,研究开发具有自润滑性能的摩擦副材料是研制水压齿轮泵的关键.聚四氟乙烯(PTFE)具有极好的耐高温、耐化学腐蚀性和摩擦系数低等优异性能,但强度低、耐磨性和导热性能差,在一定程度上限制了其应用[3].目前国内外对PTFE的研究重点集中于寻找适当的方法对其进行改性,一般采用填充改性、表面性和共混改性等方法弥补PTFE自身的缺陷,贾均红等[4]考察了炭纤维增强聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能,发现炭纤维可以降低复合材料的磨损率,但对其在干摩擦和水润滑下的摩擦系数影响不大;周惠娣等[5]考察了金属氧化物填充聚四氟乙烯复合材料在水润滑下的摩擦磨损特性,发现金属氧化物使PTFE的摩擦系数和磨损率有不同程度增大;同时也有很多对改性后复合材料在干摩擦和油润滑条件下的研究[6~10],但应用炭纤维、二硫化钼和三氧化二铝填充聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下摩擦磨损特性的研究还少见报道.为此,本文作者考察了不同含量的炭纤维、MoS2及Al2O3填充PTFE复合材料与不锈钢配副时的摩擦磨损特性,以期获得适用于水压齿轮泵的摩擦副材料,为开发新型水压齿轮泵提供实验依据.

　　1　实验部分

　　1.1　试样制备

　　PTFE、炭纤维和MoS2由本溪市华日氟塑料制品厂提供,PTFE密度2. 1 g/cm3,粒度为0. 070 mm;炭纤维密度1. 8 g/cm3,直径7. 2~7. 5μm,拉伸强度为2. 3 GPa,弹性模量为340~360 GPa;MoS2密度4. 8 g/cm3,粒度0. 045 mm;Al2O3为上海五四化学试剂有限公司产品,粒度为0. 150~0. 070 mm.本文不考虑制备工艺过程的因素,只考虑炭纤维、MoS2和Al2O3含量对复合材料在水润滑条件下摩擦磨损性能的影响,采用正交试验法设计复合材料中各填料的含量.正交试验设计的因素及水平见表1,各填料以体积分数计.

　　由于本设计属于3因素3水平,采用标准的正交表L9(34),即4因素3水平[11],按此表进行试验安排,得到具体复合材料设计方案见表2.按表2的配方进行复合材料制备,其工艺过程为:配料→共混→压制成型→烧结→制样.其工序要求如下:根据试样的体积分数计算各填料质量;采用搅拌机混料10 min;在自制压力机上进行压制成型,加压至60MPa、保压15 min进行烧结,烧结温度为380℃.

　　1.2　性能评价

　　在MPX-200型盘-销摩擦磨损试验机上评价材料的摩擦磨损性能,摩擦副接触方式为环面-环面接触.不锈钢试环尺寸为20 mm×34 mm×6 mm,其表面粗糙度Ra为0. 1μm;填充PTFE复合材料试环尺寸为22 mm×32 mm×7 mm,表面粗糙度Ra为0. 1μm.试验条件为:在室温、常压、水润滑条件下,转速1 100 r/min,载荷1 000 N,磨损时间5 min.由数据采集系统采集摩擦力矩并进而计算出摩擦系数,用精度为0. 1 mg的电子天平称量磨损前后复合材料的质量损失,并以此评价其耐磨性.