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粘结PTFE基固体润滑涂层在油润滑下的摩擦学性能

文档作者：杨瑞杰冶银平万宏启周惠娣陈建敏文档来源： 1．兰州大学化学化工学院 2．中国科学院兰州化学物理研究所		点击数：	更新时间： 2022年11月06日
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粘结PTFE基固体润滑涂层在
油润滑下的摩擦学性能
杨瑞杰 ，冶银平 。万宏启 ，周惠娣 ，陈建敏。
(1．兰州大学化学化工学院，甘肃兰州730000；
2．中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，甘肃兰州730000)
[摘 要] 为了使粘结固体润滑涂层广泛应用于高新技术领域，探讨了不同滑移速度和载荷下聚酰亚胺粘结聚四
氟乙烯(PTFE)基固体润滑涂层干摩擦和油润滑时的摩擦磨损性能，并对涂层与油复合润滑的机理进行了初步探
讨。结果表明：随载荷、滑移速度变化，该粘结固体润滑涂层千摩擦和油润滑下的摩擦系数均变化不大；油润滑下
涂层的摩擦系数明显低于干摩擦下的；在低载(320 N)、低速(1．55 m／s)下润滑油使涂层表现出很好的摩擦磨损性
能，但在高载(620 N)、高速(2．58 m／s)下润滑油反而会使涂层的摩擦磨损性能降低。
[关键词] 粘结固体润滑涂层； FE；摩擦磨损；油润滑；干摩擦
[中图分类号]TH117．1 [文献标识码]B [文章编号]1001—1560(2011)08—0066—03
0 前言 了初步探讨。
粘结固体润滑涂层是将固体润滑剂分散于有机或
无机粘结剂中，再用类似于油漆涂装的工艺在摩擦件
表面制备而得的涂层。这种涂层性能优异，在民用机
械、空间技术等方面得到了广泛应用。目前，粘结固体
润滑涂层在干摩擦下的摩擦学性能已有大量研
究¨ J。随着现代工业的发展，粘结固体润滑涂层在
干摩擦下已难以满足极端苛刻的工况条件(高温、高载
荷、高速)，而且在一些应用领域其不可避免地会与各
种机油发生接触，因此粘结固体润滑涂层与介质复合润
滑的研究日益受到关注 。粘结聚四氟乙烯(哪E)
基固体润滑涂层具有优异的耐腐蚀性、耐候性以及稳
定的化学惰性和低摩擦系数¨ ，但其在油润滑下的
摩擦学性能还未见报道，这极大地限制了这类涂层材
料在高新技术领域的广泛应用。
为此，本工作研究了聚酰亚胺粘结聚四氟乙烯
(PTFE)基固体润滑涂层在油润滑下的摩擦磨损性能，
考察了不同滑移速度和载荷下涂层干摩擦和油润滑时
的摩擦磨损性能，并对涂层与油复合润滑的机理进行
[收稿13期]
[基金项目]
[通信作者]
201l—O3—22
国家973计划(2007CB607601)；国家创新研
究群体科学基金(50421502)资助项目
陈建敏(1959一)，博导，主要从事表面工程技
术研究，E-mail：chenjm@lzb．ac．cn
1 试验
1．1 粘结固体润滑涂层的制备
基材为GCrl5钢，尺寸西49．0 inln X 12．7 InlTl，喷砂
处理至表面粗糙度为0．4—0．8 m，再用丙酮超声清洗。
将固体组分聚四氟乙烯(PI'FE，粒径≤5 txan)、三氧
化二锑(Sb：O，，粒径≤10 )和三氟化铈(CeF3，粒径≤
10 tun)进行球磨分散，然后与溶解好的聚酰亚胺树脂
(PI)充分混合，得到唧基固体润滑涂料，其化学成分
(质量分数)如下：7．O％ PI'FE，1．0％ Sb O ，0．7％CeF，，
10．O％ PI，余量为溶剂(由N一甲基吡略烷酮、二甲苯、
N，N一二甲基乙酰胺按体积比1：1：1配制而成)。
用荷花No．2型喷枪在空气压力1．5—2．0 MPa下
将涂料喷涂到试件表面，150℃ 固化0．5 h后再于170
℃固化1．0 h，随烘箱冷却，所得涂层表面粗糙度为
1．5～2．0 m，厚度(25±5)Ixm。
1．2 摩擦磨损性能测试
涂层的摩擦磨损试验在MHK．500型摩擦磨损试
验机上进行：上试样为涂层试样，下试样为45钢块
(尺寸l2．7 mm×12．7 mm X 19．0 mm，表面粗糙度约
0．035 m)，两者为线接触，l5—25℃，大气环境(空气
相对湿度40％ ～50％)，速度1．55—3．09 m／s，载荷
320～620 N。涂层油润滑试验：将润滑油点滴至摩擦
材 料 偶 i 托
臻{o {聪秘 ◇孙 }
接触处(1O～20~／min)，其他条件与干摩擦时一样。
以单位涂层对应的滑动行程表示涂层的耐磨性。采用
SM一5600LV／Kevex EDXA扫描电子显微镜(SEM)观察
涂层磨损后的形貌。采用STM6型奥林巴斯光学显微
镜观察金属对偶块的形貌。
2 结果与讨论
2．1 涂层的摩擦系数
图1为涂层在干摩擦和油润滑下于不同载荷、滑
移速度时的摩擦系数。从图1可以看出：载荷、滑移速
度变化时涂层的摩擦系数变化不大，尤其是在油润滑
l司载荷、滑移速度时的摩擦系数
2．2 涂层的耐磨寿命
图2为涂层在干摩擦和油润滑下于不同载荷、滑
移速度时的耐磨寿命。从图2a可以看出：涂层耐磨寿
命随载荷的增大而降低；当载荷为320 N时，涂层油润
滑下的耐磨寿命约是干摩擦的3倍；载荷大于320 N时，
涂层油润滑下的耐磨寿命反而低于干摩擦下的。从图
2b可以看出：涂层的耐磨寿命随滑移速度增大而降低；
当滑移速度为1．55 m／s时，涂层油润滑下的耐磨寿命约
是干摩擦下的1．5倍；当滑移速度大于1．55 m／s时，涂层
油润滑下的耐磨寿命反而低于干摩擦下的。
f
E
i
●
E
窿
F／N vl(m‘s。)
(a)不同载倚(滑移速度2 58 m／s) (b)不同滑移速度(载简620 N)
图2 涂层在干摩擦和油润滑下
不同载荷、滑移速度时的耐磨寿命
2．3 涂层的摩擦磨损机理
图3为涂层在干摩擦和油润滑下于不同载荷、滑
移速度时的磨痕表面SEM形貌。载荷320 N、滑移速
度2．58 m／s时干摩擦和油润滑下涂层磨损表面形貌差
别不大，均较光滑平整(见图3a，3b)。载荷620 N、滑
移速度1．55 m／s时干摩擦和油润滑下涂层磨损表面形
貌的差别也不明显(见图3c，3d)。载荷620 N、滑移速
度2．58 m／s时干摩擦和油润滑下涂层磨损表面形貌明
显不同，前者有磨屑堆积，后者存在大量微裂纹和裂缝
(见图3e，3f)，高载、高速下润滑油反而降低了涂层的
抗磨性能。
(e1干摩擦，620 N，2．58 m／s (n油润滑，620 N，2．58 m／s
图3 涂层磨痕表面的SEM形貌
低载、低速下油膜的存在使涂层与对偶块接触区
域大幅度降低，同时润滑油摩擦会带走一部分热量，降
低了摩擦热对涂层的影响 J，从而提高耐磨寿命。在
高载、高速下，润滑油被挤出或甩出摩擦界面；另外，大
量的摩擦热降低了润滑油的稠度，使摩擦界面近似处
于干摩擦状态，接着润滑油侵入由干摩擦所产生的微
裂纹，微裂纹逐渐扩展，最终涂层大片剥落，造成磨损
加剧。
图4为涂层干摩擦和油润滑时(载荷320 N、滑移速
度2．58 m／s)金属对偶块表面的光学显微形貌。从图4
可以看出：在干摩擦和油润滑下对偶块表面均有转移膜
产生。在干摩擦下，转移膜的形成可以起到很好的减摩
一一一一 呲 ㈣ 一
l l
越 掰 强 移
抗磨作用；而在低载、低速油润滑下，油和转移膜的复合
作用使涂层能达到更好的减摩抗磨效果。
[5]
[6]
a)十摩擦 (h)油润滑 [7]
罔4 干摩擦和油润滑时金属对偶块表面转移膜的显微形貌
3 结论 [8]
(1)载荷、滑移速度变化时，涂层的摩擦系数的变
化不大；涂层油润滑下的摩擦系数明显低于干摩擦下
的摩擦系数。 ，
(2)与干摩擦相比，在高载、高速下润滑油会加速
对涂层的破坏，而在低载、低速下润滑油和转移膜的复
合作用使涂层达到更好的减摩抗磨效果。
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