載荷和轉(zhuǎn)速對HDPE多元復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響*

周 卓 龍春光 閔建新 黎 帥

(長沙理工大學(xué)輕量化新材料研究所 湖南長沙 410004)

據(jù)估計世界上有1/3～1/2的能量消耗于摩擦過程中，機器零部件的失效大部分是磨損所致[1]。影響材料摩擦磨損性能的因素有很多，如環(huán)境溫度、滑動速度、接觸壓力、表面狀態(tài)等，因此研究摩擦材料在不同工況下的性能很有必要[2]。孫文麗等[3]通過改變潤滑狀態(tài)、載荷和轉(zhuǎn)速等摩擦條件，研究了賽龍軸承材料摩擦學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在干摩擦和濕潤滑條件下，轉(zhuǎn)速變化對摩擦因數(shù)的影響顯著，而海水潤滑時，載荷是摩擦因數(shù)的主要影響因素。尚明基等[4]研究了不同載荷對水潤滑高分子材料的磨損機制，發(fā)現(xiàn)材料在中等載荷具有最佳耐磨性能。吳茵等人[5]以載荷和轉(zhuǎn)速為實驗變量對聚甲醛復(fù)合材料摩擦學(xué)性能進行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)載荷或轉(zhuǎn)速增加時，聚甲醛復(fù)合材料的耐磨性降低，摩擦因數(shù)呈先增后降的趨勢。龍春光等[6-7]研究了Ekonol/G/MoS2/PEEK復(fù)合材料在不同轉(zhuǎn)速、載荷下的摩擦學(xué)特性并分析了磨損機制，發(fā)現(xiàn)材料的摩擦因數(shù)與載荷無關(guān)，當(dāng)載荷增大材料的耐磨性降低，磨損機制由黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，材料的摩擦因數(shù)以及磨損率都呈先增大后減小再增大的變化趨勢，磨損機制由黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p，轉(zhuǎn)速超過300 r/min時發(fā)生磨粒磨損?？梢姼鞣N材料在不同工況下都有不同的摩擦磨損規(guī)律，研究這些規(guī)律可以為材料的實際應(yīng)用提供理論參考。

高密度聚乙烯(HDPE)是一種非極性的熱塑性樹脂[8]，因為具有結(jié)晶度高，耐磨性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于加工且價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。很多學(xué)者對其改性并進行了摩擦學(xué)研究，以擴大其應(yīng)用范圍[9-11]。為進一步改善HDPE的耐磨性、自潤滑性和力學(xué)性能，本文作者所在的課題組以HDPE為基體，通過填充PTW(六鈦酸鉀晶須)增強復(fù)合材料的力學(xué)性能，通過添加固體潤滑劑聚四氟乙烯(PTFE)改善復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，通過添加滑石粉(TP)增強基體的結(jié)晶性能，制備了一種HDPE/PTW/PTFE/TP復(fù)合材料。為探討制備的HDPE/PTW/PTFE/TP復(fù)合材料在不同工況下的摩擦磨損規(guī)律，在MMW-1型摩擦磨損試驗機上對復(fù)合材料在不同載荷和轉(zhuǎn)速下的摩擦學(xué)性能進行深入研究，并借助SEM分析其磨損形貌，探討了材料的磨損機制。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為自制的HDPE/PTW/PTFE/TP復(fù)合材料，原材料按一定配方共混后經(jīng)擠出造粒再采用注塑成型制得樣品。注塑機參數(shù)設(shè)置為：料筒溫度分別為180、200、210 ℃，注射壓力為60 MPa，保壓時間為10 s，從模具中取出試樣后置于烘箱中50 ℃下退火2 h。

1.2 摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在MMW-1型銷盤摩擦磨損試驗機上完成，對偶件為φ5 mm 柱銷，所用材料為45鋼，硬度為45～50HRC；試樣尺寸為φ30 mm×3 mm的標準片，材料參數(shù)見表1。

試驗前依次使用 400、600、1 000目砂紙對試樣表面進行打磨，然后使用乙醇溶液清洗后烘干。試驗載荷為100～400 N，轉(zhuǎn)速為200～350 r/min，試驗時間為2 h，試驗在室溫條件下。試驗前后使用精度為 0.01 mg 的電子天平稱量試樣質(zhì)量。摩擦因數(shù)μ由計算機自行采集計算得到。在同等試驗條件下，進行5組試驗取平均值。試驗完成后，使用掃描電鏡觀察磨損形貌，以分析磨損機制。試驗參數(shù)組合及結(jié)果見表2。

表2 試驗工況參數(shù)及結(jié)果

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 載荷和轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)的影響

圖1所示是以載荷、轉(zhuǎn)速為試驗變量下的摩擦因數(shù)變化趨勢。圖1(a)表明，載荷增大時摩擦因數(shù)大致呈減小的趨勢，這是因為高分子材料的基體HDPE較軟，變形大，45鋼的微凸體在較小載荷下很容易嵌入材料，此時載荷的增大并不能使真實接觸面積顯著增大，真實接觸面積與載荷的比值隨載荷的增大而減小[4]，因此摩擦因數(shù)減小。從圖1(a)還可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為300、350 r/min時，摩擦因數(shù)波動大，而在轉(zhuǎn)速為100 r/min時，摩擦因數(shù)明顯呈線性減小，說明在高轉(zhuǎn)速下，載荷對摩擦因數(shù)的影響大，而當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時，載荷對摩擦因數(shù)的影響小。

圖1(b)表明，隨著轉(zhuǎn)速的增大，摩擦因數(shù)在100 N時的曲線平緩，而在200、300、400 N時摩擦因數(shù)先增大后減小，并且波動起伏大。這說明在低載下轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)沒有明顯影響，而在高載下轉(zhuǎn)速的變化會使摩擦因數(shù)有顯著變化。

綜上所述，高轉(zhuǎn)速和高載荷都對摩擦因數(shù)影響較大，在高速高載下，較大的摩擦功使摩擦表面溫度上升，改變了摩擦狀態(tài)，從而引起摩擦因數(shù)的變化。

2.2 載荷和轉(zhuǎn)速對磨損率的影響

圖2所示是以載荷、轉(zhuǎn)速為試驗變量下的磨損率變化趨勢?？梢钥闯?，在350 r/min、400 N的高速高載摩擦條件下磨損率劇烈變化，這是由于摩擦條件超過材料的極限PV值，剪切強度下降，更容易形成磨屑排出基體。

除去350 r/min、400 N的極端工況，從圖2(a)可以看出材料的磨損率隨載荷的增大大致呈線性增長，符合Archard磨損理論[12]：材料的體積磨損率與載荷成正比，其斜率為磨損系數(shù)K與材料硬度的比值。從圖2(a)還可以看出，除去極端工況后，當(dāng)轉(zhuǎn)速為350 r/min和200 r/min時HDPE復(fù)合材料的磨損率幾乎一致，并且隨載荷的增大平穩(wěn)增加；而在轉(zhuǎn)速為250 r/min和300 r/min時磨損率隨載荷的增大波動變大,說明材料在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時磨損狀態(tài)穩(wěn)定，在中等轉(zhuǎn)速時隨著載荷變化，磨損機制發(fā)生了變化。

從圖2(b)可以看出，除去極端工況，材料的磨損率呈先增大后減小的變化趨勢，結(jié)合圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)材料在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時有較好的耐磨性。這是由于在中低速時，轉(zhuǎn)速越大，摩擦表面熱量集聚導(dǎo)致溫度升高，磨損機制發(fā)生變化，磨損率變高；而在高轉(zhuǎn)速下，摩擦界面間的微凸體接觸持續(xù)時間變短，瞬間產(chǎn)生的大量摩擦熱來不及向復(fù)合材料內(nèi)層擴散，使表面層的HDPE熔融產(chǎn)生流體潤滑作用，從而使磨損率減小。而當(dāng)載荷較大時，產(chǎn)生的摩擦熱更多，因此材料會在較低轉(zhuǎn)速時改變磨損機制，從而使磨損率在較低轉(zhuǎn)速時達到峰值。圖2(b)還表明，在載荷為100 N時磨損率波動較小，說明在低載時轉(zhuǎn)速對磨損率的影響小，這是因為低載時摩擦功率低，溫升不明顯，與文獻[13]認為的忽略溫度變化時，磨損率與轉(zhuǎn)速無關(guān)的結(jié)論一致。

2.3 試驗數(shù)據(jù)的方差分析

為了進一步分析載荷和轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)及磨損率影響的顯著性，對試驗結(jié)果(見表2)進行雙因素方差分析，分析結(jié)果如表3、表4所示。表中F是組間均方與誤差均方的比值，是方差分析的檢驗統(tǒng)計量。一般來說，若F>F0.01,則認為該因素對試驗結(jié)果影響非常顯著，若F0.01>F>F0.05則認為該因素對試驗結(jié)果影響顯著，若F

由表3和表4可以看出：載荷對摩擦因數(shù)有非常顯著的影響，轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)有顯著影響；載荷對磨損率的影響非常顯著，而轉(zhuǎn)速對磨損率無顯著影響。從圖1和圖2可以直觀地看到，以載荷為變量時，摩擦因數(shù)單調(diào)遞減，磨損率單調(diào)遞增，變化范圍很大，而以轉(zhuǎn)速為變量時，摩擦因數(shù)和磨損率起伏波動，變化范圍較小。這是因為載荷增大時，不僅可以提高摩擦功率改變摩擦狀態(tài)，還能改變彈塑性接觸狀態(tài)，從而對材料的摩擦磨損性能有非常顯著的影響；而轉(zhuǎn)速主要通過影響溫度來改變摩擦狀態(tài)，從而對摩擦因數(shù)有一定的影響，對磨損率的影響不太顯著。因此在設(shè)計材料的使用工況時應(yīng)該優(yōu)先考慮載荷。

表3 摩擦因數(shù)方差分析

表4 磨損率方差分析

2.4 磨損表面形貌分析

圖3所示為200 N載荷時不同轉(zhuǎn)速下的磨損表面形貌。從圖3(a)中可以觀察到犁溝作用的痕跡，放大至2 000倍時，可以看到犁溝破壞痕跡下有許多微裂紋(如圖3(b)所示)。這是因為材料在200 r/min、200 N時摩擦功率低且散熱快，摩擦表面溫度低于材料基體HDPE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，材料呈脆性，45鋼表面的微凸體嵌入材料時接觸區(qū)的張應(yīng)力超過臨界值使材料出現(xiàn)裂紋，當(dāng)產(chǎn)生滑動時材料表面產(chǎn)生犁溝，并且在摩擦表面間的黏合作用[15]和循環(huán)應(yīng)力的作用下使材料的裂紋擴展導(dǎo)致疲勞破壞。此時的磨損機制是輕微的犁溝切削和疲勞磨損的綜合作用，但由于固體潤滑劑PTFE在對偶面能夠形成轉(zhuǎn)移膜，摩擦因數(shù)和磨損率較小。圖3(c)中不僅有犁溝作用的破壞痕跡，還出現(xiàn)了明顯的裂紋擴展，說明在轉(zhuǎn)速增高后，高頻率的循環(huán)應(yīng)力使疲勞磨損加劇，裂紋的擴展使磨損表面變得粗糙且不連續(xù)，不利于轉(zhuǎn)移膜的形成，PTW晶須與HDPE基體的連接弱化更易脫落形成磨屑，摩擦因數(shù)和磨損率都有所上升。從圖3(d)中可以看到很多片狀撕裂的痕跡，這說明隨著轉(zhuǎn)速的進一步升高材料產(chǎn)生了黏著磨損，此時摩擦熱迅速積累，摩擦表面的溫度達到HDPE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，高分子材料表面在摩擦熱的作用下軟化，剪切強度下降導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小，表層的部分PTW晶須被拔出形成磨屑，不再承擔(dān)載荷與磨損，導(dǎo)致磨損率增大。從圖3(e)中可以看到350 r/min時磨損表面較平滑，沒有明顯的破壞，放大至2 000倍時，可以看到磨損表面覆蓋了熔融的材料(如圖3(f)所示)，說明發(fā)生了明顯的塑性流動，因此350 r/min時的磨損機制為高溫引起的塑性流動。熔融的材料填補了表面的微裂紋，阻止了裂紋擴張，還起到了流體潤滑的作用，因此在高轉(zhuǎn)速下磨損率有所下降，其較低的剪切強度使摩擦因數(shù)變小。

圖4所示為250 r/min轉(zhuǎn)速時不同載荷下試樣磨痕形貌。在圖4(a)中可以觀察到和圖3(a)中類似的犁溝作用的痕跡。放大至2 000倍后，從圖4(b)中可以看到疲勞破壞和微裂紋，對比圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，250 r/min、100 N和200 r/min、200 N的磨損特征幾乎一樣，此時的磨損機制為輕微疲勞磨損和犁溝作用。圖4(c)表明，載荷增大導(dǎo)致裂紋明顯擴張，疲勞磨損加劇，與轉(zhuǎn)速的影響機制不同，載荷的增大使材料亞表層的剪切應(yīng)力峰值增大[16]，從而加速了材料的疲勞過程，導(dǎo)致磨損率升高。在圖4(d)中可以看到大塊片狀撕裂的痕跡，說明在300 N時的磨損機制為嚴重的黏著磨損，磨損率大幅度上升，而由于材料剪切強度的降低，摩擦因數(shù)下降。從圖4(d)與圖3(d)中都可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生剝落的部位PTW晶須都分布較少，說明在摩擦過程中PTW的添加能夠有效防止復(fù)合材料與對偶件產(chǎn)生黏著。一方面PTW能夠增大材料亞表層的強度，另一方面在摩擦表面的PTW能夠承擔(dān)接觸表面的載荷，并且減少了HDPE與對偶件的實際接觸面積和黏結(jié)點的剪切撕裂[17]。從圖4(e)中可以看到磨損表面比較光滑，出現(xiàn)明顯分層，放大至2 000倍后，可以看到磨損表面覆蓋了一層包含少量PTW晶須的熔融HDPE層(如圖4(f)所示)。因此在載荷為400 N時，磨損機制為塑性流動，雖然熔融的磨屑填補了表面的微裂紋，阻止了疲勞裂紋的產(chǎn)生，但是由于載荷較大，在熔融HDPE內(nèi)的PTW也起不到承受載荷的作用，熔融的磨屑易被擠出摩擦表面排出基體，所以磨損率變大，而摩擦因數(shù)減小。

綜上所述，在低速或者輕載時，材料的磨損機制為犁溝磨損和疲勞磨損，載荷或轉(zhuǎn)速增大后開始發(fā)生黏著磨損，進一步增大將產(chǎn)生塑性流動。

3 結(jié)論

(1)載荷增加時，材料的摩擦因數(shù)減小。低載下轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)影響不大，中高載荷時轉(zhuǎn)速增大使材料的摩擦因數(shù)先增后降。

(2)除去350 r/min、400 N的極端工況，材料的磨損率隨載荷的增大大致呈線性增長；材料的磨損率隨轉(zhuǎn)速的增大先增大后減??；低載時轉(zhuǎn)速對磨損率的影響小。

(3)雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)：載荷對摩擦因數(shù)和磨損率都有非常顯著的影響，而轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響不太顯著，在設(shè)計材料的使用工況時應(yīng)該優(yōu)先考慮載荷。

(4)在低速或者輕載時，材料的磨損機制為犁溝磨損和疲勞磨損，載荷或轉(zhuǎn)速增大后開始發(fā)生黏著磨損，PTW的添加增加了材料表面硬度，能夠有效防止復(fù)合材料與對偶件產(chǎn)生黏著。載荷或轉(zhuǎn)速進一步增大將產(chǎn)生塑性流動。高溫引起的塑性流動填補了摩擦表面的微裂紋，阻止了疲勞裂紋的擴張，還起到了流體潤滑的作用，減小了摩擦因數(shù)，高速低載時磨損率下降，高載低速時磨損率上升。