超高分子量聚乙烯與45鋼的摩擦磨損特性研究

趙新澤 劉凡華 汪 杰

(三峽大學機械與材料學院,湖北宜昌 443002)

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于具有優(yōu)異的耐磨性(鋼鐵的8～9倍)、耐沖擊性(聚碳酸脂PC的2倍;丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS的5倍;聚甲醛POM的15倍)、耐化學性和優(yōu)良的消音性以及低摩擦系數(shù)等,在生物醫(yī)學、微電子、化工機械等高新科技領域以及糧食加工,紡織機械等行業(yè)中已經(jīng)得到越來越廣泛的應用[1-3].近年來,國內(nèi)外許多學者用銷盤摩擦副對其摩擦磨損性能進行了試驗研究,但銷盤摩擦副在重載高速條件下存在失穩(wěn)卡死等現(xiàn)象,本文對此問題進行了改進設計,探討了干摩擦條件下不同轉(zhuǎn)速和載荷對UHMWPE摩擦磨損性能的影響.

1 試驗部分

1.1 試樣制備

將UHMWPE粉末倒入全自動熱壓鑲嵌機(BUEHLER Simplimet 1000)中加熱至180℃,保溫保壓20 min,冷卻15 min后取出,尺寸為25 mm× 5mm×15mm,再用800目水砂紙打磨試樣表面至粗糙度為1.6,作為上試樣片.對磨件45鋼外形尺寸φ 120mm×3mm圓盤,HRC50,用800目水砂紙打磨試樣表面至粗糙度為0.8,作為下試樣盤.試驗前用丙酮超聲清洗試樣表面10min,干燥后置于干燥器中待用.

1.2 試驗過程

利用濟南試金集團生產(chǎn)的MMW-1摩擦磨損試驗機完成試驗.如圖1(a)為原銷盤摩擦副,下試樣環(huán)上加工有一個盲孔與底座的短銷進行配合定位,但在重載高速條件下,下試樣環(huán)由于受載不對稱容易發(fā)生翹曲,導致摩擦副出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,甚至卡死.本文對此進行了改進,在設計夾具上裝夾3個UHMWPE上試樣片以保證對45鋼下試樣盤的加載對稱,從而保證試驗結果精確可靠,如圖1(b)所示.

圖1 改進前后的摩擦副對比

摩擦系數(shù)μ=T/(P?r).式中,μ為摩擦系數(shù);T為摩擦力矩(N?m);P為載荷(N);r為摩擦半徑(m).

試驗參數(shù):轉(zhuǎn)速200r/min、260r/min、320r/min,相對滑動線速度為0.96m/s、1.25 m/s、1.54m/s;載荷20N、50N、80N.根據(jù)試驗參數(shù)的組合進行9次試驗,每次試驗總轉(zhuǎn)數(shù)達10000轉(zhuǎn)時停止,用HMV-1T顯微硬度圖像測量分析系統(tǒng)觀察試樣摩擦表面微觀形貌.

2 結果與討論

2.1 結果分析

根據(jù)上述9組試驗參數(shù)進行摩擦磨損試驗,當試驗轉(zhuǎn)數(shù)達到10000轉(zhuǎn)時,摩擦磨損已進入相對穩(wěn)定階段,記錄此時的摩擦系數(shù),結果如圖2所示.由圖2可以看出,隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增加,摩擦系數(shù)總體呈現(xiàn)變大的趨勢.當試驗載荷逐漸增大時,轉(zhuǎn)速相對較低(200 r/min)條件下摩擦系數(shù)的變化范圍為0.08～0.27;但在轉(zhuǎn)速相對較高(320 r/min)條件下摩擦系數(shù)出現(xiàn)了不規(guī)律變化,先從0.04增大至最大值0.81,后來又減小至0.55,表明了UHMWP的摩擦特性受轉(zhuǎn)速的影響較大.

圖2 不同載荷和轉(zhuǎn)速條件下的摩擦系數(shù)

圖3(a)所示為輕載低速條件下的摩擦系數(shù)-時間曲線,從圖中可以看出,在0～600 s期間磨損處于磨合期,摩擦系數(shù)逐漸減小.兩摩擦副平面接觸時,真正的接觸只發(fā)生在個別粗糙峰(即微凸體)的頂部,當發(fā)生相對運動時,這些微凸體阻礙其運動使摩擦受到阻力較大,摩擦系數(shù)較高,大小約為0.56.隨著時間的延長,摩擦表面上會形成一層潤滑薄膜,可以減小試樣間的摩擦力[4].此外,材料間不斷的磨合使試樣微觀凹凸不平的表面逐漸變平,摩擦系數(shù)逐漸降低,摩擦開始進入穩(wěn)定磨損階段.直到轉(zhuǎn)至10000圈時摩擦系數(shù)一直保持穩(wěn)定而未出現(xiàn)明顯變化,大小約為0.10.表明UHMWP在載荷20N、轉(zhuǎn)速200 r/min條件下其摩擦特性良好并且非常穩(wěn)定.

當載荷和轉(zhuǎn)速逐步增大,摩擦系數(shù)-時間曲線如圖3(b)所示.在0～300s內(nèi),摩擦系數(shù)逐漸降低,從0.18降至0.16,隨后摩擦系數(shù)一直呈線性增大,當轉(zhuǎn)至10 000圈時摩擦系數(shù)仍然在變大,摩擦系數(shù)為0.31.此組試驗條件下開始階段的摩擦特性同輕載低速條件相似,摩擦系數(shù)都出現(xiàn)了降低,兩者原因一致,都是因為在開始階段,摩擦表面存在微觀凹凸不平的表面,隨著磨損時間的延長,這些微凸體逐漸磨平、阻力逐漸減小從而使摩擦系數(shù)降低.但此時載荷、轉(zhuǎn)速較前者大,試驗過程中會產(chǎn)生更多的摩擦生熱,經(jīng)過溫度感應器檢測到溫度上升了約50℃,但輕載低速條件下前后溫度沒明顯變化.經(jīng)過多組試驗數(shù)據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn),當載荷、轉(zhuǎn)速逐步增大時,溫度均出現(xiàn)了上升,且摩擦系數(shù)也變大.由于UHMWPE是一種半結晶性的熱塑性工程塑料,存在晶區(qū)和無定形區(qū)兩相.當預熱處理溫度高于平衡熔點Tf時,在冷卻過程中, UHMWPE內(nèi)無定形區(qū)將會向結晶態(tài)轉(zhuǎn)變;同時預熱處理溫度升高和時間延長會使高聚物產(chǎn)生熱降解和氧化分解,最終會達到一個降解作用和結晶作用的動態(tài)平衡過程.此時溫度升高,UHMWPE材料的結晶作用減弱,導致了其耐磨性降低[5].

圖3 不同試驗參數(shù)下的摩擦系數(shù)-時間曲線

當載荷和轉(zhuǎn)速調(diào)到80 N、320 r/min時,摩擦系數(shù)-時間曲線如圖3(c)所示.同前面兩者一樣,摩擦系數(shù)在開始階段都會逐漸減小,當降至一定程度時又開始逐漸變大.在重載高速情況下其摩擦特性與前者相比存在明顯不同,在900～1 200 s內(nèi),摩擦系數(shù)突然急劇增大,隨后又快速下降,先從0.48增加到0.83,又從0.83降低到0.63,摩擦系數(shù)曲線出現(xiàn)一個明顯的尖峰,隨后摩擦系數(shù)緩慢減小.重載高速條件下摩擦所產(chǎn)生大量熱能,經(jīng)過檢測,在900～1 000 s溫度升至最高值約為200℃,而UHMWP熔點為130～136℃.當UHMWP表面溫度升高會導致表面軟化,兩試樣表面更加緊密粘黏在一起,真實接觸表面積增加,摩擦粘著分量變大,摩擦力也變大[6],因此摩擦系數(shù)升高.當溫度繼續(xù)升高至UHMWP熔點,材料表面會出現(xiàn)熔融情況,在摩擦力的作用下使這些熔融部分出現(xiàn)了位錯滑移,高溫部分“搬移”到其他地方后,此處溫度降低,摩擦系數(shù)開始出現(xiàn)降低.試驗結束后觀察UHMWP試樣,發(fā)現(xiàn)試樣直角棱邊處出現(xiàn)了多余不規(guī)則形狀的試樣材料,如圖4所示,證明在摩擦過程中UHMWP確實出現(xiàn)了熔融,材料出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移.

2.2 表面形貌觀察

圖5比較了3種典型條件下UHMWP試樣的摩擦表面形貌.從(a)和(b)可以看出試樣表面存在明顯犁溝,由于UHMWP硬度比45鋼小,在摩擦過程中45鋼粗糙表面的凸峰嵌入UHMWP對其進行切削作用,切削下來的磨屑充當?shù)谌w發(fā)生了磨粒磨損.圖(c)中磨損區(qū)域分布不均勻、無規(guī)律,且形狀不規(guī)則.這是由于在高速重載情況下UHMWP試樣表面溫度升高,材料發(fā)生軟化并且熔融緊密粘著在對磨材料表面.而UHMWP表面能較低,粘著在對磨材料表面的轉(zhuǎn)移膜在滑動磨損剪切應力的作用下發(fā)生剝落,存在粘著磨損.

圖4 試驗后的UHMWP試樣

圖5 典型條件下UHMWP的摩擦表面形貌

3 結 論

(1)在輕載低速條件下,UHMWP摩擦特性較好且穩(wěn)定性強.(2)UHMWP摩擦系數(shù)受載荷、轉(zhuǎn)速的影響較大,一般隨著載荷、轉(zhuǎn)速的增大而增大,并且溫度也會隨之升高.(3)相對輕載低速條件下主要存在磨粒磨損,相對重載高速條件下主要存在粘著磨損.

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