锡青铜粉改性PTFE复合材料对铝合金摩擦磨损性能的研究

锡青铜粉改性PTFE复合材料对铝合金摩擦磨损性能的研究金石磊;李小慧
【摘要】通过添加锡青铜粉对聚四氟乙烯(PTFE)材料进行改性,探讨了复合材料在干摩擦和油润滑条件下与铝合金和阳极氧化铝合金的磨损机理.结果表明:填充锡青铜粉后,复合材料对铝合金在干摩擦和油润滑条件下的磨损加剧,拉伤了对偶,磨损以磨粒磨损和疲劳磨损为主;复合材料对阳极氧化铝合金在油润滑条件下耐磨性能有所改善,在干摩擦条件下,锡青铜粉从基体料中脱落,对偶表面出现了较深的犁沟,磨损以磨粒磨损和粘着磨损为主.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2017(045)004
【总页数】4页(P87-90)
【关键词】锡青铜;PTFE;铝合金;摩擦;磨损
【作者】金石磊;李小慧
【作者单位】上海材料研究所, 上海 200437;上海市工程材料应用评价重点实验室, 上海 200437;上海材料研究所, 上海 200437
【正文语种】中文
【中图分类】O63
随着汽车工业的迅猛发展和城市化进程的加快，我国燃油汽车保有量不断增加，汽车尾气污染已到了不得不控制的地步，国家十三五规划明确提出“实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业化水平”，旨在解决燃油汽车尾气污染的问题[1-3]。

电动空调系统作为新能源汽车度的关键部件，其性能的好坏是决定乘车舒适性的重要因素之一，其中密封材料的性能稳定性、与压缩机涡盘的摩擦配伍性是影响压缩机寿命的主要原因[4-5]。

目前国内新能源汽车空调用涡旋式压缩机一般采用铝合金等轻金属材质的涡旋盘[6]，密封材料采用改性PTFE材料，而关于改性PTFE 材料和铝合金材料的摩擦磨损性能研究较少，本文在此背景下研究了锡青铜粉填充PTFE复合材料对铝合金及阳极氧化铝合金的摩擦学性能。

1.1 材料
聚四氟乙烯(PTFE)，浙江巨圣氟化学有限公司生产，牌号为JF-4TM，平均粒径32 μm。

二硫化钼(MoS2)，华谊集团上海华原化工有限公司生产，牌号为MF-1，平均粒径4 μm。

锡青铜粉，石家庄京元粉末材料有限责任公司生产，牌号为ZQSn6-6-3,平均粒径25 μm。

1.2 仪器与设备
SHR-50A高速混合机，张家港通沙塑料机械公司；YF32-100液压压力机，湖州机床厂；GS-151高温烧结炉，成都天宇试验设备有限公司；Amsler摩擦磨损试验机，ALFRED J.AMSLER &CO；Quanta 400扫描电子显微镜，美国Philips公司；EDAX能谱仪，美国Ametek公司。

1.3 试样制备
锡青铜粉按照0%、10%、20%、30%、40%的填充量、MoS2按照3%的填充量通过高速混合机添加与PTFE基体中；在YF32-100液压压力机中进行冷压压制成型，成型压力为50 MPa，保压时间15 min；随后在GS-151高温烧结炉进行烧结，得到所需样品。

1.4 性能测试
摩擦磨损性能按照GB/T 3960-1983进行测试。

磨损试样为6 mm×7 mm×30 mm。

试验条件为：负荷245 N，线速度0.41 m/s，实验时间2 h，摩擦行程3024 m；对偶为铝合金及表面阳极氧化铝合金，表面硬度分别为110Hv0.2、
190Hv0.2，表面粗糙Ra0.8 μm。

1.5 表征与分析
PTFE复合材料摩擦磨损试样表面形貌用扫描电子显微镜观察，事先对试样表面进
行喷金处理。

PTFE复合材料磨损表面及转移膜采用能谱仪进行分析。

2.1 锡青铜粉改性PTFE复合材料对铝合金的摩擦磨损性能
图1和图2给出了复合材料与铝合金对摩时的摩擦系数和磨痕宽度与锡青铜粉含
量的关系，可以看出，在干摩擦条件下，复合材料的摩擦系数在添加锡青铜粉后有一定程度的降低，但是其磨痕宽度在锡青铜粉填充后大幅度提高，磨痕宽度最高达到20.18 mm，在塑料的摩擦磨损中性能较差；复合材料在油润滑条件下的摩擦
系数和磨痕宽度随着锡青铜粉含量的增加基本呈上升趋势。

图3和图4给出了在干摩擦条件下，锡青铜粉填充PTFE复合材料与铝合金对摩后的SEM照片。

可以看出，在干摩擦时，铝轮表面和复合材料表面均有较深的犁沟，属于典型的磨粒磨损，且锡青铜粉与PTFE基体结合处有较多裂纹，属于疲劳磨损[7]，材料的磨损伴随着磨粒磨损和疲劳磨损。

图5为铝轮表面的能谱分析。

从能谱图上可以看出，铝轮表面存在Cu元素，说明在磨损过程中铜颗粒可能镶嵌到了铝轮表面。

由图6可以看出，试样表面的犁沟
中有Cu、Zn、Sn和Al元素，说明在复合材料的表面有锡青铜颗粒和铝颗粒，这些颗粒在磨损过程中造成了材料的磨粒磨损；结合图5和图6可以看出，铝轮表
面有Mo和S元素，说明在磨损过程中MoS2转移至了铝轮表面，形成了转移膜，摩擦过程伴随着粘着磨损，但由于磨损界面上锡青铜颗粒和铝颗粒的存在，转移膜不能稳定存在不断破坏，无法起到降低磨损的作用，从而导致了复合材料磨痕宽度
较高。

由图1和图2还可以看出，在油润滑条件下，添加了锡青铜粉的复合材料对铝合
金的摩擦磨损性能比纯PTFE差，磨痕宽度达到12.60 mm。

由图7可以看出，在油润滑条件下，与锡青铜粉填充PTFE复合材料对摩的铝轮表面经过2 h的摩擦后，表面犁沟较多，这说明摩擦过程中产生了严重的磨粒磨损，造成了复合材料在油润滑条件下的磨痕宽度较大。

2.2 锡青铜粉改性PTFE复合材料对阳极氧化铝合金的摩擦磨损性能
图8和图9给出了复合材料与阳极氧化铝合金对摩时的摩擦系数和磨痕宽度，可
以看出，对铝轮进行阳极氧化后，复合材料对其的干摩擦性能虽略好于对铝合金的摩擦磨损性能，但磨痕宽度仍比纯PTFE大，最高达到17.14 mm，纯PTFE为15.20 mm。

由图10可以看出，阳极氧化铝合金轮表面有较多的犁沟，图12为与复合材料与
阳极氧化铝合金轮干摩擦后阳极氧化铝合金轮表面能谱分析，由能谱分析可以看出，磨损后阳极氧化铝合金轮上C、F、Cu、Sn等元素，这说明摩擦过程中PTFE不断往阳极氧化铝合金轮上转移，但该转移膜并不稳定，因为基体中的锡青铜粉也脱离了基体在摩擦界面形成了磨粒，阳极氧化铝合金轮上的转移膜就不断破坏，基体上的PTFE就不断转移，如此循环，基体表面的大部分锡青铜粉就裸露了出来，见图11，材料磨损加剧，复合材料的磨损伴有粘着磨损。

由图8和图9还可以看出，复合材料对阳极氧化铝合金油润滑时的摩擦系数在锡
青铜粉的填充后变化不大，基本稳定在0.025左右，油润滑时的磨痕宽度在10%
的锡青铜粉的添加后大幅度降低。

在摩擦过程中，摩擦热可以通过导热较好的锡青铜粉散出，体系温度较低，另外由于阳极氧化铝合金表面硬度的提高，阳极氧化铝合金轮未被试样中的铜颗粒破坏，表面较为平整，见图13，同时由图14也可以
看出，磨损后的试样表面锡青铜粉均匀分布，填充锡青铜粉后，复合材料的抗压性
能提高，减小了复合材料的变形，因此复合材料的磨痕宽度大幅降低。

(1)锡青铜粉填充PTFE复合材料与铝合金对摩时，锡青铜粉的加入造成了铝合金表面及复合材料表面的拉伤，磨损过程中脱离的铝颗粒和铜颗粒造成了摩擦过程产生了严重的磨粒磨损，磨损过程同时还伴有疲劳磨损；
(2)锡青铜粉填充PTFE复合材料与阳极氧化铝合金进行干摩擦时，锡青铜粉从复合材料中脱落，拉伤了对偶，磨损过程出现了磨粒磨损和粘着磨损；当进行油润滑时，复合材料的磨痕宽度在锡青铜粉含量为10%时开始大幅降低，之后随着锡青铜粉含量的增加，下降幅度趋于平缓。

【相关文献】
[1] 张云垛，闫春华. 国民对汽车尾气污染造成环境危害关注程度研究[J]. 环境科学与管理，2016，41(3):71-76.
[2] 曲凌夫. 汽车与环境污染[J]. 生态经济,2011(7):146-149.
[3] 赵拉. 浅谈汽车与环境污染[J]. 内蒙古石油化工,2001(12):40-41.
[4] 程魁玉. 电动汽车行业发展环境分析[D]. 天津:天津大学,2004.
[5] 许林林. 新能源汽车电动空调压缩机驱动器的研究[D]. 福州:福建农林大学,2014.
[6] 王文东,金石磊,李小慧. 新能源汽车空调涡旋压缩机用PTFE密封[J]. 有机氟工业,2011(3):25-29.
[7] 贾晓梅, 王黎钦, 古乐,等. 聚苯酯填充聚四氟乙烯复合材料摩擦学行为研究[J]. 润滑与密封, 2005(5):16-18.。