裁切方向?qū)TFE織物自潤滑襯墊剝離強(qiáng)度及摩擦磨損性能的影響

莊彩虹

(1.福建龍溪軸承(集團(tuán)) 股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省關(guān)節(jié)軸承企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建漳州 363000)

目前自潤滑關(guān)節(jié)軸承用自潤滑襯墊主要有銅網(wǎng)背襯的PTFE復(fù)合材料襯墊、PTFE織物自潤滑襯墊、模塑襯墊(工程塑料襯墊)、干膜潤滑層襯墊等[1-4]。其中PTFE織物自潤滑襯墊以其可承受的動(dòng)載荷能力最高、摩擦因數(shù)最低、使用溫度范圍最寬、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)成為自潤滑關(guān)節(jié)軸承高端領(lǐng)域的“明珠”[5-6]。PTFE織物自潤滑襯墊是由PTFE纖維與芳綸、玻璃纖維、聚酯纖維等通過不同編織方式編織，并在酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等樹脂中浸漬，通過不同加工方式形成的一種結(jié)構(gòu)致密的復(fù)合材料[7-8]。

PTFE織物自潤滑襯墊是自潤滑關(guān)節(jié)軸承的關(guān)鍵組成，其性能直接影響自潤滑關(guān)節(jié)軸承的使用壽命和工作可靠性。迄今為止，國內(nèi)還沒有與PTFE織物自潤滑襯墊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，主要依據(jù)仍是SAE AS 81820D—2014 Bearings,Plain,Self-Aligning,Self-Lubricating,Low Speed Oscillation和SAE AS 81819A—2010 Bearings, Plain, Self-Aligning, Self-Lubricating,High Speed Oscillation -65 to +160 °F General Specification For自潤滑關(guān)節(jié)軸承規(guī)范要求，考察的關(guān)鍵指標(biāo)是襯墊剝離強(qiáng)度及摩擦磨損性能。目前對該類襯墊的研究大多集中在對織物的表面處理(改善樹脂與膠黏劑的界面結(jié)合力)[9-10]、樹脂改性及填料添加(改善襯墊力學(xué)性能、摩擦磨損性能及耐溫性等)[11- 12]、襯墊適用的工況性能研究[8, 13-15]等，關(guān)于裁切方向?qū)σr墊性能影響的文獻(xiàn)幾乎沒有?？椢锝M織結(jié)構(gòu)固定，但一般織物采用的經(jīng)緯紗線材料不同、經(jīng)緯密度不同，織物性能會存在各向異性。因此對制成的襯墊而言，不同裁切方向決定織物纖維方向與軸承內(nèi)圈相對運(yùn)動(dòng)方向不同，進(jìn)而影響襯墊剝離強(qiáng)度及摩擦磨損性能等?，F(xiàn)通過試驗(yàn)研究裁切方向?qū)TFE/芳綸織物自潤滑襯墊剝離強(qiáng)度及在不同工況下摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料及樣品制備

采用自行研制的某PTFE織物自潤滑襯墊進(jìn)行試驗(yàn)。襯墊是由PTFE纖維和Kevlar纖維編織而成的織物通過浸漬樹脂制成，再與金屬基體粘貼，襯墊固化需要加溫加壓。襯墊裁切方向說明如圖1所示，左圖分別為裁切方向與經(jīng)向呈0°，45°，90°和135°，右圖均為對應(yīng)纖維方向。裁切后襯墊的長度方向?yàn)槟Σ猎嚇拥膱A周方向或剝離強(qiáng)度試驗(yàn)的剝離方向。

圖1 襯墊裁切方向說明

平板材料選用GCr15軸承鋼，熱處理硬度為54～60 HRC，平板尺寸為160 mm×20 mm，襯墊尺寸為120 mm×20 mm。將襯墊粘貼于平板上，平板表面經(jīng)粗化處理，平板固化在恒溫恒壓設(shè)備中進(jìn)行。平板剝離強(qiáng)度試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平板剝離強(qiáng)度試驗(yàn)樣品

選用GE30ET-2RS關(guān)節(jié)軸承作為軸承圓周擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)樣品，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。內(nèi)、外圈材料均為GCr15(參照GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》)，外圈熱處理硬度為54～60 HRC，內(nèi)圈熱處理硬度為58～64 HRC。

圖3 GE30ET-2RS關(guān)節(jié)軸承

選用GE16DEM1T/K關(guān)節(jié)軸承作為軸承傾斜擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)樣品，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。外圈材料為0Cr17Ni4Cu4Nb(參照GJB 2294A—2014《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》)，熱處理硬度為28～37 HRC；內(nèi)圈材料為G102Cr18Mo(參照GB/T 3086—2008《高碳鉻不銹軸承鋼》)，熱處理硬度為55～62 HRC。

圖4 GE16DEM1T/K關(guān)節(jié)軸承

1.2 性能試驗(yàn)

平板剝離強(qiáng)度試驗(yàn)采用UTM5505型電子萬能試驗(yàn)機(jī)參照SAE AS 81820D—2014進(jìn)行，剝離角度為140°～180°，剝離速度為0.317 mm/s，有效剝離長度≥40 mm，剝離方式如圖5所示。每組試驗(yàn)至少制作6個(gè)試樣，結(jié)果取平均值。

圖5 平板剝離強(qiáng)度試驗(yàn)

軸承圓周擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)采用SPB-5A型恒載壽命試驗(yàn)機(jī)，動(dòng)載荷為53.5 kN(90 MPa)，內(nèi)圈圓周擺動(dòng)，角度為±30°，頻率為70次/min。運(yùn)動(dòng)方式如圖6所示，試驗(yàn)機(jī)示意圖如圖7所示。每組試驗(yàn)至少制作3個(gè)試樣，試驗(yàn)周期為全壽命，結(jié)果取平均值。

圖6 軸承圓周擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)方式

圖7 軸承圓周擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖

軸承傾斜擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)采用SDZ-50/20/1K/1K型組合加載運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，動(dòng)載荷為16 kN(33 MPa)，內(nèi)圈傾斜擺動(dòng)角度為±15°，頻率為70次/min。運(yùn)動(dòng)方式如圖8所示，試驗(yàn)機(jī)示意圖如圖9所示。每組至少制作3個(gè)試樣，試驗(yàn)周期為1.6×106次，結(jié)果取平均值。

圖8 軸承傾斜擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)方式

2 結(jié)果與分析

不同裁切方向PTFE織物襯墊最直觀的體現(xiàn)就是襯墊表面紋路看起來不同(具體紋路受織物織造方式影響)，其次是手感也不同(經(jīng)向手感最軟，緯向手感最硬，左斜向、右斜向居中)，這均是由于經(jīng)向、緯向采用不同纖維織造，且裁切方向與經(jīng)向、緯向纖維呈不同角度所致。襯墊裁切方向不同的最終體現(xiàn)是對襯墊性能的影響，纖維方向與摩擦副運(yùn)動(dòng)方向不同直接影響襯墊性能。

圖9 軸承傾斜擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖

2.1 裁切方向?qū)TFE織物襯墊剝離強(qiáng)度的影響

不同裁切方向襯墊的平板剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。4種裁切方向襯墊的粘貼完整性均達(dá)到100%，但剝離強(qiáng)度差異較大，經(jīng)向裁切襯墊的剝離強(qiáng)度最高，明顯優(yōu)于其他方向；其次是左斜向和右斜向裁切襯墊；緯向裁切襯墊的剝離強(qiáng)度最差。這是因?yàn)镵evlar纖維剛性大、模量高，而PTFE纖維相對剛性小、模量低，兩者剛性相差較大，因此在剝離強(qiáng)度試驗(yàn)中Kevlar纖維產(chǎn)生的反彎曲剛性力對剝離強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。經(jīng)向裁切襯墊剝離時(shí)，Kevlar纖維與剝離力呈90°，Kevlar纖維未產(chǎn)生反彎曲剛性力，因此對剝離力沒有影響；緯向裁切襯墊剝離時(shí)，Kevlar纖維方向與剝離方向平行，Kevlar纖維產(chǎn)生的反彎曲剛性力與剝離力方向相反，抵消大部分剝離力，導(dǎo)致襯墊剝離強(qiáng)度差；左斜向及右斜向裁切襯墊剝離時(shí)，Kevlar纖維產(chǎn)生的反彎曲剛性力與剝離力呈一定角度，抵消部分剝離力，降低了襯墊剝離強(qiáng)度。因此經(jīng)向裁切襯墊的剝離性能最佳。

表1 平板剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 裁切方向?qū)S承圓周擺動(dòng)摩擦磨損性能的影響

不同裁切方向PTFE織物襯墊的摩擦磨損壽命及摩擦因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表2。經(jīng)向裁切襯墊的平均摩擦磨損壽命最長，其次是左斜向、右斜向裁切襯墊，最差的是緯向裁切襯墊。平均摩擦因數(shù)則是經(jīng)向裁切襯墊最小，緯向裁切襯墊最大，左斜向、右斜向裁切襯墊居中。在摩擦磨損過程中起主要潤滑作用的是PTFE纖維，經(jīng)向裁切時(shí)PTFE纖維與軸承內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)方向平行，此時(shí)潤滑效果最好，摩擦因數(shù)最低，使軸承壽命大大提升。緯向裁切時(shí)PTFE纖維與軸承內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)方向垂直，而Kevlar與其平行，此時(shí)潤滑效果最差，摩擦因數(shù)最高，更重要的是，該方向襯墊剝離強(qiáng)度非常差，軸承壽命最低。因此采用經(jīng)向裁切襯墊的軸承圓周擺動(dòng)摩擦磨損性能最佳。

表2 軸承圓周擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 裁切方向?qū)S承傾斜擺動(dòng)摩擦磨損性能的影響

經(jīng)向與緯向裁切襯墊的性能差異巨大，經(jīng)向裁切襯墊表現(xiàn)出優(yōu)異性能。考慮到軸承在應(yīng)用過程中不只存在圓周擺動(dòng)情況，也存在傾斜擺動(dòng)情況，一旦軸承內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜擺動(dòng)，則經(jīng)向裁切襯墊的PTFE纖維與內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)方向?qū)⒊?0°，這與軸承圓周擺動(dòng)時(shí)緯向裁切襯墊與內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)方向所呈角度一樣。為考證運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變對襯墊性能的影響，采用經(jīng)向和左斜向裁切襯墊的軸承進(jìn)行傾斜擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 軸承傾斜擺動(dòng)摩擦磨損性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，雖然運(yùn)動(dòng)方向改變，但是經(jīng)向裁切襯墊仍保持優(yōu)異的摩擦磨損性能。一方面是由于經(jīng)向裁切襯墊剝離強(qiáng)度最高，良好的粘貼強(qiáng)度為襯墊良好的傾斜擺動(dòng)摩擦磨損奠定了基礎(chǔ)；另一方面是由于經(jīng)向裁切襯墊傾斜擺動(dòng)方向Kevlar纖維比緯向裁切襯墊圓周擺動(dòng)方向Kevlar纖維短得多，運(yùn)動(dòng)方向雖相同，但實(shí)際摩擦磨損情況卻不相同。

3 結(jié)論

1)經(jīng)向裁切PTFE織物襯墊的剝離強(qiáng)度最好，達(dá)1.49 N/mm，其次是左斜向、右斜向裁切，緯向裁切襯墊剝離強(qiáng)度最差。

2)采用經(jīng)向裁切襯墊的軸承圓周擺動(dòng)平均摩擦磨損壽命最長，達(dá)1 626 h，平均摩擦因數(shù)最低，為0.04，遠(yuǎn)優(yōu)于其他裁切方向襯墊。

3)經(jīng)向裁切襯墊優(yōu)異的剝離強(qiáng)度使其在軸承傾斜擺動(dòng)時(shí)也保持了良好的摩擦磨損性能。