李迎春　邱　明　苗艷偉

1.河南科技大學(xué),洛陽,471003　2.機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽，471003

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PTFE/芳綸纖維編織襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承的黏接性能及摩擦學(xué)性能

李迎春1,2邱明1,2苗艷偉1

1.河南科技大學(xué),洛陽,4710032.機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽，471003

摘要：對PTFE/Kevlar纖維混合編織襯墊分別進行超聲波處理、稀土CeO2處理后，制備了自潤滑關(guān)節(jié)軸承，利用Instron5944型電子萬能材料試驗機和自制的高頻擺動摩擦磨損試驗機對關(guān)節(jié)軸承進行了剝離強度測試和摩擦磨損性能試驗，考察了前處理工藝對關(guān)節(jié)軸承的黏接性能和摩擦學(xué)性能的影響，并采用掃描電鏡(SEM)觀察分析了襯墊表面的微觀形貌變化，以探究軸承的摩擦學(xué)性能與襯墊形成PTFE轉(zhuǎn)移膜的成膜性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，襯墊經(jīng)改性前處理后，不僅提高了襯墊與基體的黏接性能,而且提高了軸承的摩擦學(xué)性能；軸承的摩擦學(xué)性能與其在摩擦磨損過程中形成PTFE轉(zhuǎn)移膜的成膜性能之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，即PTFE轉(zhuǎn)移膜的形成越快,耐磨性、均勻連續(xù)性越好，在摩擦磨損過程中表現(xiàn)出較優(yōu)的摩擦誘導(dǎo)成膜性能，其摩擦學(xué)性能也越優(yōu)。

關(guān)鍵詞:關(guān)節(jié)軸承;摩擦;磨損;襯墊;PTFE轉(zhuǎn)移膜;黏接

0引言

纖維編織襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承具有低噪聲、低摩擦因數(shù)、無油污染、環(huán)保等特點,已被廣泛應(yīng)用于工程機械以及航空飛行器等領(lǐng)域[1-3],其結(jié)構(gòu)特點是軸承外圈內(nèi)球面粘有一層纖維編織襯墊，其自潤滑功能通過襯墊與內(nèi)圈摩擦過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜實現(xiàn)。在使用過程中，此類軸承的主要失效形式是襯墊的磨損，也會出現(xiàn)襯墊因黏接不牢而脫落導(dǎo)致軸承喪失自潤滑功能的現(xiàn)象。襯墊與內(nèi)圈在摩擦過程中轉(zhuǎn)移膜的形成狀況(厚度、連續(xù)性、致密性、均勻性等)將直接影響其運行特性、摩擦學(xué)性能及使用壽命,而襯墊的纖維材料、編織紋路以及與外圈的黏接質(zhì)量也直接影響此類關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能[4-5]。因此，如何提高襯墊的黏接質(zhì)量以及深入研究軸承的摩擦學(xué)性能與轉(zhuǎn)移膜的成膜性能之間的關(guān)系對提高軸承服役性能和使用壽命具有重要意義。本文以PTFE/Kevlar纖維混合編織襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承為研究對象，對經(jīng)不同改性前處理工藝制備的關(guān)節(jié)軸承進行剝離強度測試和摩擦學(xué)性能試驗,考察前處理工藝對關(guān)節(jié)軸承的黏接性能和摩擦學(xué)性能的影響，研究襯墊黏接性能及摩擦學(xué)性能與成膜性能之間的關(guān)系。

1試驗部分

1.1試樣制備

試驗選用PTFE/Kevlar纖維混合編織、內(nèi)徑為40mm的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，其中富含PTFE的一面為摩擦面,另一面作為黏接面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。襯墊黏接前，分別對其進行超聲波處理及稀土CeO2溶液處理,上述過程稱為改性前處理。超聲波處理的具體工藝如下：將襯墊浸到裝有N、N-二甲基乙酰胺溶液的超聲清洗槽中處理10～30min,然后將經(jīng)過超聲刻蝕的纖維襯墊用80～100 ℃的蒸餾水淋洗5～10min,最后在溫度為80～100 ℃的烘箱中烘干10～30min。稀土CeO2溶液處理是將襯墊在常溫下浸入含有CeO2的稀土溶液中浸泡1～2h(浸泡液的其他成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2%的HNO3、0.01%～0.05%的CO(NH2)2、1%～3%的NH4Cl以及90%～97%的去離子水按一定比例配制)，在溫度為80～100 ℃的烘箱中烘干2～3h后,再放在空氣中平衡12～24h。

1.2試驗方法

1.2.1剝離試驗

剝離強度是衡量襯墊黏接性能的重要指標(biāo),圖2為剝離強度測試示意圖。利用自制的關(guān)節(jié)軸承剝離夾具將試樣夾持在Instron5944型電子萬能材料試驗機上,兩夾具以一定的速度遠(yuǎn)離,將纖維襯墊從自潤滑關(guān)節(jié)軸承外圈內(nèi)球面上剝離下來。參照美國航空標(biāo)準(zhǔn)SAE-AS81820[6],制定本試驗的剝離角度為140±40°,剝離速度為19mm/min,采集間隔為2ms。剝離前進行襯墊黏附度檢驗,保證其90%緊緊黏附；剝離后進行牢靠性檢驗,不允許有外接圓直徑相當(dāng)于外圈寬度的25%或6.35mm(取兩者較小者)的未黏牢區(qū)域。

利用Origin軟件對剝離曲線進行求積處理來計算剝離強度(每個試驗點重復(fù)3次，最后取平均值)，其具體計算公式為

(1)

式中,C為剝離曲線圖上單位高度所代表的載荷,N/mm；S為剝離曲線求積的面積,mm2;L為襯墊剝離的長度,mm;D為剝離試樣的寬度,mm。

1.2.2摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在自制的關(guān)節(jié)軸承性能試驗機上進行,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

經(jīng)多次試驗比較，最終確定的摩擦磨損試驗方案如下：旋轉(zhuǎn)擺動頻率為2.5Hz，擺動角度為±10°,加載到關(guān)節(jié)軸承外圈上的載荷為30MPa。整個試驗過程中加載載荷保持恒定不變,旋轉(zhuǎn)擺動時間t分別為50、100、150、200、250、300、350min,達(dá)到規(guī)定的擺動時間后停止試驗,每個試驗點重復(fù)測兩次,取其平均值。試驗前先靜壓20min,待變形量穩(wěn)定后開始試驗。摩擦因數(shù)由扭矩傳感器測得的扭矩值經(jīng)過換算獲得;磨損量為關(guān)節(jié)軸承磨損后的徑向線位移量，采用機械式測微杠桿百分表測量。摩擦溫度采用接觸式測溫方法，將熱電偶插入距關(guān)節(jié)軸承摩擦表面一定距離的φ1.2mm小孔內(nèi),實時記錄試驗過程中摩擦溫度的變化，摩擦溫度取試驗過程中測得的最大值。

1.2.3微觀分析

利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡和EDAX能譜儀綜合分析自潤滑關(guān)節(jié)軸承磨損后襯墊的微觀形貌和元素組成。

2結(jié)果與分析

2.1關(guān)節(jié)軸承的黏接性能

圖4所示為襯墊經(jīng)不同改性前處理后測得的關(guān)節(jié)軸承的剝離強度。可以看出，襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后,軸承的剝離強度均有所提高，其中襯墊經(jīng)超聲波處理后，關(guān)節(jié)軸承的剝離強度提高幅度最大，與未處理的剝離強度相比提高了約30%；經(jīng)稀土CeO2處理的剝離強度次之，與未處理的剝離強度相比提高了22%。

分析后發(fā)現(xiàn)，襯墊經(jīng)超聲波處理后剝離強度提高的主要原因是襯墊經(jīng)超聲處理后，有效清除了襯墊表面的附著物，并且超聲產(chǎn)生的空化效應(yīng)還起到了刻蝕芳綸纖維表面的作用[7],增加了纖維的表面粗糙度,改善了纖維與膠黏劑之間的浸潤性[8-9],這大大提高了襯墊的黏接性能。而經(jīng)稀土處理后襯墊剝離強度提高的主要原因是稀土元素具有突出的化學(xué)活性[10-11],可將改性劑中的羧基基團(-COOH)、羥基基團(-OH)等引入纖維襯墊表面[12],增加了芳綸纖維表面含氧活性基團的濃度,改善了纖維與膠黏劑之間的浸潤性，從而提高了襯墊與外圈的界面結(jié)合力[13-15],提高了襯墊的黏接性能。

圖5～圖7所示為襯墊改性前后的剝離曲線?？梢钥闯?，襯墊在剝離過程中剝離載荷隨剝離長度的變化曲線呈鋸齒狀波動，襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后,剝離載荷整體有所提高，其中經(jīng)超聲波處理后的剝離載荷提高顯著，平均剝離載荷達(dá)到7N,而未經(jīng)改性處理的僅為3.8N,提高了近1倍,并且剝離曲線波動幅度不大,曲線較為平滑(圖6),表現(xiàn)為襯墊黏接質(zhì)量較高,黏接性能較好;襯墊經(jīng)稀土CeO2處理后剝離載荷的提高次之,且剝離曲線波動也不大，較為平滑(圖7),表現(xiàn)為黏接質(zhì)量平均水平較高,黏接性能較好。

2.2關(guān)節(jié)軸承的摩擦磨損性能

在擺動頻率為2.5Hz、載荷為30MPa的條件下,襯墊改性前后軸承的摩擦學(xué)性能隨旋轉(zhuǎn)擺動時間的變化曲線如圖8～圖10所示?？梢钥闯?，襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后,關(guān)節(jié)軸承的摩擦因數(shù)、磨損量及摩擦溫度均有所減小，表明襯墊經(jīng)改性處理后軸承的摩擦學(xué)性能有較大改善，其中,襯墊經(jīng)稀土CeO2處理后的軸承摩擦學(xué)性能最優(yōu)。對比不同擺動時間下的三個測量參數(shù)，在擺動時間小于100min(初始階段)時，三個測量參數(shù)快速增大，在100～300min之間逐漸趨于穩(wěn)定，此階段可視為成膜階段，最后在擺動時間超過300min(最終階段)時測量參數(shù)再次增大。

從圖8可以看出,與改性前相比，襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后軸承的摩擦性能均得到改善,軸承經(jīng)稀土CeO2處理后的摩擦性能優(yōu)于經(jīng)超聲波處理后的摩擦性能。

從圖9可以看出,與改性前相比,襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后軸承的磨損量均有所減小。在擺動至350min時,未處理軸承的磨損量為45.5μm,襯墊經(jīng)超聲波處理的軸承磨損量為38.5μm,耐磨性提高約15%;襯墊經(jīng)稀土CeO2處理的軸承摩損量為22.5μm,耐磨性提高50%，耐磨效果最好。

由圖10可知,與改性前相比,襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后的軸承摩擦面的溫升均得到了抑制,其中軸承經(jīng)稀土CeO2處理后的降溫效果優(yōu)于經(jīng)超聲波處理后的降溫效果。在整個試驗階段，未處理的軸承摩擦溫度為66℃，經(jīng)超聲波處理的軸承摩擦溫度為56℃，降低了約15%;經(jīng)稀土CeO2處理的軸承摩擦溫度為43℃,降低了35%,降溫效果明顯。

由試驗結(jié)果可以看出，襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后,襯墊與基體的黏接性能及軸承的摩擦學(xué)性能均有所提高,襯墊經(jīng)超聲波處理后軸承的黏接性能雖好，但其摩擦學(xué)性能卻不及經(jīng)稀土CeO2處理的摩擦學(xué)性能，其原因在于，襯墊經(jīng)超聲波處理后雖然可以起到刻蝕芳綸纖維表面、增加纖維表面粗糙度的效果，改善了作為黏接面的芳綸纖維的性能，從而提高了襯墊與軸承外圈內(nèi)表面的黏接性能，但對作為摩擦面的PTFE纖維的性能改善不大，僅起到了清潔其表面雜質(zhì)、油污的作用。而稀土溶液因其化學(xué)活性強，襯墊經(jīng)稀土溶液處理后不僅增加了黏接面芳綸纖維表面活性官能團的濃度，而且增加了摩擦面PTFE纖維表面活性官能團的濃度，從而顯著增大了其在摩擦磨損過程中的表面附著力，阻止已形成的片層狀PTFE轉(zhuǎn)移膜大面積破壞，增強了轉(zhuǎn)移膜與襯墊表面的結(jié)合力。

2.3關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能與其成膜性能的關(guān)系分析

圖11～圖22為襯墊改性處理前后軸承在擺動頻率為2.5Hz、接觸壓力為30MPa及擺動時間分別為50、100、250、350min磨損后的SEM照片。軸承的摩擦學(xué)性能與轉(zhuǎn)移膜的形成狀況密切相關(guān),分析軸承磨損后的SEM照片發(fā)現(xiàn),初始階段(擺動時間小于100min),當(dāng)旋轉(zhuǎn)擺動時間達(dá)50min時,未處理的軸承襯墊表面的PTFE纖維剛開始產(chǎn)生塑性變形,織物表面組織結(jié)構(gòu)清晰可辨(圖11)；摩擦學(xué)性能與未處理的相比較優(yōu)的經(jīng)超聲波處理的軸承,其磨損后襯墊表面的PTFE纖維此時產(chǎn)生了大面積的塑性變形,但其表面尚未有PTFE轉(zhuǎn)移膜形成(圖12)；而摩擦學(xué)性能與超聲波處理相比較優(yōu)的稀土CeO2處理的軸承，其磨損后襯墊表面的PTFE纖維不僅發(fā)生了明顯的塑性變形，而且在摩擦剪切力和法向載荷共同作用下出現(xiàn)了“冷流”現(xiàn)象[16]，開始對織物表面間隙進行鋪展填充，織物表面變得較為平整(圖13)。

成膜階段(擺動時間在100～300min之間),當(dāng)旋轉(zhuǎn)擺動至100min時,未處理的軸承襯墊表面只是產(chǎn)生了較為明顯的塑性變形(圖14),并未在凸起部分形成PTFE轉(zhuǎn)移膜;而此時經(jīng)超聲波處理后的軸承襯墊表面已開始在凸起部分形成PTFE轉(zhuǎn)移膜(圖15)，這也是其摩擦學(xué)性能優(yōu)于未處理的主要原因；經(jīng)稀土CeO2處理的軸承此時也在襯墊表面覆蓋了較大面積的PTFE轉(zhuǎn)移膜，形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜較連續(xù)且平整光滑(圖16)。

當(dāng)擺動時間增至250min時,未處理的軸承磨損后襯墊表面也形成了較大面積的PTFE轉(zhuǎn)移膜,但也出現(xiàn)了部分PTFE轉(zhuǎn)移膜脫落的現(xiàn)象(圖17)，試驗后用脫脂棉對軸承襯墊表面未脫落的PTFE轉(zhuǎn)移膜進行擦拭，可以將其擦去，表明軸承磨損后襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜與基體的附著性差，表現(xiàn)為摩擦學(xué)性能較差。而此時經(jīng)超聲波處理的襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜已連接成片，形成了大面積連續(xù)的PTFE轉(zhuǎn)移膜(圖18)，并未出現(xiàn)PTFE轉(zhuǎn)移膜脫落的現(xiàn)象；經(jīng)稀土CeO2處理的襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜的均勻性和連續(xù)性更好，形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜完整且厚薄均勻(圖19)。用脫脂棉對試驗后經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理的軸承磨損后襯墊表面的PTFE轉(zhuǎn)移膜進行擦拭，不能將其擦去，表明經(jīng)超聲波及經(jīng)稀土CeO2處理的軸承磨損后襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜黏附性較好，從而使轉(zhuǎn)移膜能在較長時間內(nèi)保持其自潤滑功能。

最終階段(擺動時間大于300min),當(dāng)擺動時間增至350min時,未處理的軸承襯墊表面有大量的轉(zhuǎn)移膜脫落(圖20),這些脫落的PTFE轉(zhuǎn)移膜轉(zhuǎn)變成磨屑，進而加劇了軸承的磨損，導(dǎo)致其摩擦學(xué)性能下降；而經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理的軸承磨損后襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜仍保存得較完整(圖21、圖22)，僅有少部分PTFE轉(zhuǎn)移膜脫落，使芳綸纖維裸露出來，表明經(jīng)超聲波處理及稀土CeO2處理的軸承磨損后襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜耐磨性較好，表現(xiàn)為襯墊經(jīng)改性處理后的軸承摩擦學(xué)性能優(yōu)于未處理的軸承的摩擦學(xué)性能。

相同試驗條件下,改性前后襯墊磨損表面化學(xué)元素C、F的含量隨擺動時間的變化曲線如圖23、圖24所示。可以看出，在初始階段，C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，而F元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻下降；與未處理相比，改性后襯墊表面C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，由于F元素包在聚四氟乙烯C-C主鏈的外部，其表面的C元素很難被檢測，因此，EDS分析中C元素主要來自芳綸纖維，而在此階段，由于襯墊表面的PTFE纖維在摩擦剪切力和法向載荷共同作用下發(fā)生“冷流”，導(dǎo)致襯墊表面單位面積內(nèi)F元素的含量下降。與未處理相比,改性后襯墊表面F元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) (其中EDS分析中F元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要來自PTFE纖維中的氟) 有所升高，說明改性處理后的軸承磨損后襯墊表面裸露的芳綸纖維較少，織物表面大多被發(fā)生塑性變形的PTFE纖維所覆蓋，尤其是經(jīng)稀土CeO2處理后的襯墊磨損后表面裸露的芳綸纖維與超聲波處理后的芳綸纖維相比較少。

隨著擺動時間的增加，在成膜階段，C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降，而F元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻逐漸升高，表明其表面裸露的芳綸纖維逐漸減少，逐漸被PTFE轉(zhuǎn)移膜覆蓋，并且PTFE轉(zhuǎn)移膜的厚度也逐漸增加，出現(xiàn)了F元素含量逐漸上升的趨勢。與未處理相比，在此階段，襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理的軸承磨損后襯墊表面的F元素含量增加，說明改性處理后的軸承磨損后襯墊表面覆蓋有較多的PTFE轉(zhuǎn)移膜。

隨著擺動時間的繼續(xù)增加，在最終階段，F(xiàn)元素的含量下降，這是由于隨著擺動時間的持續(xù)增加，襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜逐漸變薄，導(dǎo)致F元素的含量有所下降，而此時，經(jīng)改性處理后襯墊表面F元素的含量仍大于未處理的襯墊表面F元素的含量,表明改性處理后的襯墊磨損后在其表面仍然覆蓋有較多的PTFE轉(zhuǎn)移膜，尤其是經(jīng)稀土CeO2處理的軸承磨損后襯墊表面形成的PTFE轉(zhuǎn)移膜較致密且耐磨性較優(yōu)。

綜上所述，襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后不僅提高了軸承的摩擦學(xué)性能，而且提高了軸承在摩擦磨損過程中的成膜性能，其摩擦學(xué)性能與成膜性能之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，即PTFE轉(zhuǎn)移膜的形成越快,耐磨性、均勻連續(xù)性越好，在摩擦磨損過程中表現(xiàn)出較優(yōu)的摩擦誘導(dǎo)成膜性能，其摩擦學(xué)性能就越好，這也是經(jīng)稀土CeO2處理的軸承在整個試驗過程中摩擦學(xué)性能較優(yōu)的原因。

3結(jié)論

(1)襯墊經(jīng)超聲波及稀土CeO2處理后，不僅提高了襯墊與基體的黏接性能，而且提高了軸承的摩擦學(xué)性能。這一改性方法已用于生產(chǎn)，取得了良好的效果。

(2)軸承的摩擦學(xué)性能與其在摩擦磨損過程中形成PTFE轉(zhuǎn)移膜的成膜性能之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，即PTFE轉(zhuǎn)移膜的形成越快,耐磨性、均勻連續(xù)性越好，在摩擦磨損過程中表現(xiàn)出較優(yōu)的摩擦誘導(dǎo)成膜性能，其摩擦學(xué)性能也較優(yōu)。

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(編輯陳勇)

BondingBehaviorandTribologicalPropertyforSelf-lubricatingSphericalPlainBearingswithPTFE/KevlarWovenLiners

LiYingchun1,2QiuMing1,2MiaoYanwei1

1.HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang,Henan,4710032.MechatronicsEngineeringCollaborativeInnovationCenterofMachineryEquipmentAdvancedManufacturing,Luoyang,Henan,471003

Keywords:sphericalplainbearing；friction；wear;liner；PTFEtransferfilm;bonding

Abstract:ThelinersofhybridPTFE/Kevlarfabricsweremodifiedwithtwodifferentmethods(ultrasonicwavetreatedandrareearthCeO2treated).ThepeelingstrengthwasmeasuredusingInstron5944electronicuniversalmaterialtestingmachineandhignfrequencypendularfrictionweartestingmachine,thetribologicalpropertywasinvestigatedusingthesphericalplainbearingtesterwithhighswayingfrequency,andwornsurfacesobservedbyscanningelectronmicroscope(SEM).Theeffectsofpretreatmentmethodsonthebondingpropertyandtribologicalpropertyofsphericalplainbearingsandtherelationofthetribologicalpropertyandfilm-formingbehaviorwouldbeinvestigated.Theresultsshowthatthebondingbehaviorofthemodifiedbearingsisimproved,anditstribologicalpropertyisimprovedaswell.Thereisacorrelationbetweenthetribologicalpropertyandfilm-formingbehavior.WhenmoresmoothandcontinuousPTFEtransferfilmisformedinshorttime,itstribologicalpropertyisalsobetter.

收稿日期：2015-04-07

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51275155);河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃資助項目(13IRTSTHN025)

作者簡介：李迎春,女,1969年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院副教授。主要研究方向為摩擦學(xué)及表面工程。邱明，女，1969年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。苗艷偉，男，1987年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院博士研究生。

中圖分類號：TH117.1

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.013