聚四氟乙烯涂层在高载荷条件下的摩擦学性能研究

　　聚四氟乙烯(PTFE)具有化学惰性、热稳定性和摩擦因数低等优异的性能[1-3],是最常用的自润滑材料。对于聚四氟乙烯及其复合材料的摩擦 学性能已经进行了大量的研究,得到了许多重要结论。但受实验条件的限制,以往研究聚四氟乙烯摩擦学性能实验的载荷较小(0~200 N)[4-6],国内外对聚四氟乙烯在较高载荷条件下摩擦学性能研究涉及很少,从而极大地限制了其更宽范围的应用。

　　本文作者研究了PTFE涂层在高载荷(4~90MPa)条件下的摩擦学性能,通过对实验数据进行拟合,分析得出PTFE涂层在极限载荷下的摩擦因数及整个载荷增大过程中摩擦因数的变化,为聚四氟乙烯材料在大型机械和航空航天等较高载荷条件下的应用提供试验参考依据。

　　1　实验部分

　　1.1　实验材料及涂层的制备

　　PTFE涂层基体材料为45#钢。涂层主要材料为PTFE底漆基料、PTFE面漆基料、配合助剂和聚苯酯悬浮体等。未经喷涂等相关工艺处理前基 体试样经研磨和抛光,表面粗糙度为Ra0.07~0.08μm。涂层的制备工艺流程如下:配置底漆和面漆,基体除锈、脱脂和喷砂,然后喷涂底漆,底漆烘干 后喷涂面漆,紧接着进行试样烧结(烧结温度为370℃×2 h)。涂层表面粗糙度为Ra1.2~1.8μm,涂层厚度30μm。喷涂具体参数为:喷涂喷枪直径1.8 mm,喷射压力0.2~0.25MPa,喷嘴与喷涂面距离8 cm。

　　1.2　实验过程

　　实验在自制的高载荷条件下摩擦因数测试装置上进行,摩擦实验在室温下进行,温度(30±2)℃,相对湿度50% ~55%。

　　图1为高载荷测试装置原理图, 45#钢基PTFE涂层摩擦副由2个小试样1和对磨试样3组成。小试样的尺寸为15 mm×15 mm×10 mm,对磨试样的尺寸为30mm×15mm×15mm。2个小试样分别固定在上下2个矩形夹具2所开槽中,对磨试样与2个小试样接触。垂直载荷Fn和侧向 载荷Fr由加力装置5提供,由力传感器4测量。数据处理装置6对传感器4所测数据进行处理,并显示摩擦副表面的摩擦因数。摩擦因数由公式 μ=Fr/(2Fn)计算(Fn为摩擦副表面所加正压力, Fr为上下2个摩擦副表面的摩擦力,单个摩擦副表面的摩擦力为Fr/2)。

　　2　实验结果的拟合与分析

　　2.1　实验数据的拟合

　　测试过程中首先确定法向压力,表1为实验实测数据。前一个数据为试样刚开始滑动时的侧向力,其值对应着静摩擦因数;后一个数据为匀速滑动时的侧向力,其值对应着滑动摩擦因数。测试结果取3次测试后的平均值。

　　由于实验条件的限制,实验只测试了PTFE涂层在4~90MPa范围内的摩擦因数,对于更高载荷下的摩擦因数则无法进行测试。利用现有的数据拟 合工具对实验结果进行拟合,得出压力与摩擦因数的函数关系式,这样不仅可以定量地计算出较高载荷条件下聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦因数,还可以分析较宽 范围内,摩擦因数随载荷的变化,从而克服实验条件的限制。