周 卓 龍春光 閔建新 黎 帥

(長沙理工大學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)、載荷和轉速等摩擦條件，研究了賽龍軸承材料摩擦學特性，發(fā)現(xiàn)在干摩擦和濕潤滑條件下，轉速變化對摩擦因數(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]以載荷和轉速為實驗變量對聚甲醛復合材料摩擦學性能進行研究，發(fā)現(xiàn)當載荷或轉速增加時，聚甲醛復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復合材料在不同轉速、載荷下的摩擦學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，當載荷增大材料的耐磨性降低，磨損機制由黏著磨損轉變?yōu)槟チＤp；當轉速升高時，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變?yōu)槠谀p，轉速超過300 r/min時發(fā)生磨粒磨損。可見各種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]，因為具有結晶度高，耐磨性好，化學性質穩(wěn)定，易于加工且價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于各種領域。很多學者對其改性并進行了摩擦學研究，以擴大其應用范圍[9-11]。為進一步改善HDPE的耐磨性、自潤滑性和力學性能，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)增強復合材料的力學性能，通過添加固體潤滑劑聚四氟乙烯(PTFE)改善復合材料的摩擦學性能，通過添加滑石粉(TP)增強基體的結晶性能，制備了一種HDPE/PTW/PTFE/TP復合材料。為探討制備的HDPE/PTW/PTFE/TP復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合材料在不同載荷和轉速下的摩擦學性能進行深入研究，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)組合及結果見表2。

表2 試驗工況參數(shù)及結果

2 試驗結果與討論

2.1 載荷和轉速對摩擦因數(shù)的影響

圖1所示是以載荷、轉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，當轉速為300、350 r/min時，摩擦因數(shù)波動大，而在轉速為100 r/min時，摩擦因數(shù)明顯呈線性減小，說明在高轉速下，載荷對摩擦因數(shù)的影響大，而當轉速較小時，載荷對摩擦因數(shù)的影響小。

圖1(b)表明，隨著轉速的增大，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。這說明在低載下轉速對摩擦因數(shù)沒有明顯影響，而在高載下轉速的變化會使摩擦因數(shù)有顯著變化。

綜上所述，高轉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 載荷和轉速對磨損率的影響

圖2所示是以載荷、轉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，當轉速為350 r/min和200 r/min時HDPE復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,說明材料在低轉速和高轉速時磨損狀態(tài)穩(wěn)定，在中等轉速時隨著載荷變化，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，結合圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)材料在低轉速和高轉速時有較好的耐磨性。這是由于在中低速時，轉速越大，摩擦表面熱量集聚導致溫度升高，磨損機制發(fā)生變化，磨損率變高；而在高轉速下，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。而當載荷較大時，產(chǎn)生的摩擦熱更多，因此材料會在較低轉速時改變磨損機制，從而使磨損率在較低轉速時達到峰值。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，磨損率與轉速無關的結論一致。

2.3 試驗數(shù)據(jù)的方差分析

為了進一步分析載荷和轉速對摩擦因數(shù)及磨損率影響的顯著性，對試驗結果(見表2)進行雙因素方差分析，分析結果如表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果影響非常顯著，若F0.01>F>F0.05則認為該因素對試驗結果影響顯著，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。因此在設計材料的使用工況時應該優(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)的張應力超過臨界值使材料出現(xiàn)裂紋，當產(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)應力的作用下使材料的裂紋擴展導致疲勞破壞。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，說明在轉速增高后，高頻率的循環(huán)應力使疲勞磨損加劇，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，不再承擔載荷與磨損，導致磨損率增大。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，載荷增大導致裂紋明顯擴張，疲勞磨損加劇，與轉速的影響機制不同，載荷的增大使材料亞表層的剪切應力峰值增大[16]，從而加速了材料的疲勞過程，導致磨損率升高。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 結論

(1)載荷增加時，材料的摩擦因數(shù)減小。低載下轉速對摩擦因數(shù)影響不大，中高載荷時轉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；材料的磨損率隨轉速的增大先增大后減小；低載時轉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，而轉速對復合材料摩擦學性能的影響不太顯著，在設計材料的使用工況時應該優(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，能夠有效防止復合材料與對偶件產(chǎn)生黏著。載荷或轉速進一步增大將產(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。