球面滚子轴承
聚氨酯和聚四氟乙烯摩擦磨损性能试验研究∗刘晓玲;王召岩;杜肖;梁
【摘 要】To improve the seal performance of new⁃type polyurethane(PU)and polytetrafluoroethylene(PTFE)widely used in modern seal industry,contrast experiments of the wettability and the tribological performance were carried out.The wear property under different frictional status was analyzed,and the effects of contact pressure and rotational speed were discussed.The results indicate that the wettability of PU is higher than that of PTFE.The wear resistance of PU is obviously better than that of PTFE,and the PU surface has no obvious wear under the experimental conditions of dry friction,drip lu⁃brication and oil lubrication.Under the dry friction condition,the wear loss of PTFE is mainly affected by the speed of fric⁃tional ring;Under the drip lubrication condition,the rotating speed of friction ring and the contact pressure have an effect on the wear loss of PTFE to some extend;Under the oil lubrication condition,the wear loss of PTFE is mainly affected by the contact pressure.%为提高现代密封行业中广泛应用的新型聚氨酯（ PU）
和聚四氟乙烯（ PTFE）的密封性能，对其润湿性和摩擦磨损性能进行对比实验，并分析不同摩擦状态下的磨损性能，讨论接触压力和转速的影响。研究表明，聚氨酯的润湿性比聚四氟乙烯好；聚氨酯的耐磨性明显高于聚四氟乙烯，在干摩擦、滴油润滑和浸油润滑的试验条件下，聚氨酯都无明显磨损。干摩擦条件下，聚四氟乙烯的磨损主要受摩擦环转速的影响；滴油润滑条件下，摩擦环转速和接触压力对聚四氟乙烯的磨损都有一定影响；浸油润滑条件下，聚四氟乙烯的磨损主要受接触压力的影响。
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2015(000)010
【总页数】4页(P15-18)
【关键词】聚氨酯;聚四氟乙烯;润湿性;摩擦磨损
【作 者】刘晓玲;王召岩;杜肖;梁
【作者单位】青岛理工大学机械工程学院 山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院 山
东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院 山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院 山东青岛266033
【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.1
聚氨酯(PU)和聚四氟乙烯(PTFE)是现代密封行业中常用的高分子材料，广泛应用于液压缸的往复密封中。随着材料的不断改进，聚氨酯和聚四氟乙烯的摩擦磨损性能不断提高[1-3]，但过度磨损仍是密封件失效的主要形式，因此有必要对密封材料的摩擦磨损特性进行研究。
接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一[4]。为利于润滑，减少磨损，应使材料具有较好的润湿性，即接触角小一些。现今固体表面接触角的测量技术已相当成熟，测量方法多种多样[5]，接触角测量仪的测量精度普遍可达到0.1°～0.5°。 张延良等[6]试验研究了干摩擦和油润滑条件下，不同表面粗糙度的45#钢环对PTFE摩擦磨损性能的影响，指出干摩擦条件下，钢环表面粗糙度过高或过低时，PTFE磨损率均较大；
油润滑条件下，PTFE磨损率一般随钢环表面粗糙度的增大而升高。Markus Henzler等[7]指出，聚氨酯自身的磨损量及其对相对接触面的损伤均较小，而多种PTFE、碳复合材料在实验过程中均有较大的磨损。
为研究2种常用密封材料的摩擦磨损性能，本文作者比较了聚氨酯和聚四氟乙烯的润湿性，并在环块摩擦磨损试验机上研究了钢-聚氨酯和钢-聚四氟乙烯在不同的接触压力、相对滑动速度和润滑状态下的摩擦磨损性能，以期为密封件的设计提供依据。
1.1 试验设备和材料
试验设备：接触角测量仪，数显游标卡尺，MP-1金相试样抛磨机，TR 100粗糙度仪，FM-700数字显微硬度计，AUW 220电子分析天平，Taylor Hobson表面形貌仪，DV-III Ultra黏度计，MRH-3环块摩擦磨损试验机，A20红外热像仪。
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试验材料：800目的砂纸，清水(极性材料)和十六烷(非极性材料)，聚四氟乙烯和聚氨酯材料(取自密封件)。
试验前将聚氨酯和聚四氟乙烯材料用数控加工中心加工成尺寸为19 mm×13 mm×12 mm的
试块，再用800目的砂纸将试块磨到尺寸为18 mm×12 mm×11 mm，然后用MP-1金相试样抛磨机抛光1 min，抛光后的聚氨酯和聚四氟乙烯试块的粗糙度都在Ra 1.13～1.24 μm之间。
1.2 接触角测量方法
用接触角测量仪分别测量水和十六烷在聚氨酯和聚四氟乙烯表面的接触角，每个试样做多组取平均值。实验条件为：温度20 ℃，湿度45%。试验所用的接触角测量系统主要由光源、放置试块的平台、平台位置调节装置、镜头、图像采集系统和电脑6部分组成。接触角测量仪的工作原理是，将液滴图像通过高倍放大镜传递到电脑，在电脑上显示放大的液滴图像，然后采用量高法[8]测得接触角。
图1为液滴剖面图，图中h为液滴高度，2r为液滴在平面上的直径，θ为接触角。量高法就是量出图中h和r的长度，利用θ与h和r的关联方程求出接触角θ。
1.3 摩擦磨损试验方法
采用的摩擦磨损试验系统主要由MRH-3环块摩擦磨损实验机、A20红外热像仪和电脑组成，
其中MRH-3环块摩擦磨损试验机用于不同条件下对偶副的摩擦磨损试验，A20红外热像仪用于监测对偶副的温度，电脑用于显示对偶副的温度变化，电脑和红外热像仪的通讯是通过一张插在PCI插槽中的板卡实现。
以钢-聚氨酯和钢-聚四氟乙烯为摩擦副，在试验机上依次进行干摩擦、滴油润滑、浸油润滑条件下的摩擦磨损试验[3]，实验条件为：温度20 ℃，湿度45%。摩擦环采用45#钢，用Taylor Hobson表面形貌仪测得其粗糙度为Ra0.4 μm；用FM-700数字显微硬度计测得其硬度为HRC 20。试验用润滑为抗磨液压油，用DV-III Ultra黏度计测得其黏度为160.8 mPa·s。
在干摩擦和滴油润滑的试验过程中监测对偶副的温度变化，试验前后用AUW 220电子分析天平测得每个试样的质量，计算试块的磨损量。
2.1 接触角测量结果
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图2示出了水和十六烷液滴分别滴在聚氨酯和聚四氟乙烯表面形成的稳定图像。可见，水和十六烷在聚氨酯表面形成的接触角明显小于在聚四氟乙烯表面形成的接触角。
表1为3次测量分别得到的水和十六烷在聚氨酯和聚四氟乙烯表面形成液滴的接触角及平均值。可见，水在聚四氟乙烯表面形成的接触角为71.7°，明显大于在聚氨酯表面形成的接触角56°；同样，十六烷在聚四氟乙烯表面形成的接触角为22.3°，也远大于在聚氨酯表面形成的接触角0°。
由上可得，水和十六烷液滴在聚氨酯表面的接触角小于在聚四氟乙烯表面形成的接触角，说明这2种液体在聚氨酯材料表面上的润湿性较好。因此，若只考虑润湿性对润滑性能的影响，聚氨酯的润滑性能比聚四氟乙烯要好,也即聚氨酯的摩擦磨损性更好。整体形象设计
2.2 摩擦磨损性能
聚四氟乙烯对聚氨酯和聚四氟乙烯试块进行干摩擦、滴油润滑和浸油润滑试验，设F为接触压力、v为摩擦环转速。考虑以下4种试验工况：工况I：F=300 N，v=300 r/min；工况II：F=300 N，v=600 r/min；工况III：F=600 N，v=300 r/min；工况IV：F=600 N，v=600 r/min。试验时间为14 min。
试验中为获得较准确的接触区最高温度，用挡板遮住接触区以下位置。
2.2.1 干摩擦
从试块与摩擦环接触时开始记录温度监测界面最高温度，其后，每间隔2 min记录一次。4种试验工况下聚氨酯-钢和聚四氟乙烯-钢对偶副的温度变化如图3所示。可见，同等工况下，聚氨酯-钢对偶副的温度高于聚四氟乙烯-钢对偶副的温度。
为进一步说明2种材料在干摩擦条件下的磨损特性，表2比较了4种工况下聚氨酯和聚四氟乙烯的磨损量。可见，随着摩擦环转速和接触压力的上升，聚氨酯试块的质量磨损前后几乎没有变化，而聚四氟乙烯的磨损量随摩擦环转速和接触压力的增加而增加。当压力一定(即F=300 N)，摩擦环转速增加一倍时，聚四氟乙烯的磨损量增加2倍多；但当摩擦环转速一定(即v=300 r/min)，压力增加一倍时，聚四氟乙烯的磨损量增加约50%。因此，干摩擦条件下，聚四氟乙烯的磨损量主要取决于摩擦环转速，而接触压力的影响次之。
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