H62-UHMWPE自潤(rùn)滑材料的有限元設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

周福麒, 向定漢

(桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

傳統(tǒng)油脂潤(rùn)滑方式在低速重載工況條件下容易出現(xiàn)邊界潤(rùn)滑現(xiàn)象，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果降低，因此重載設(shè)備的滑動(dòng)摩擦副部件通常選用固體自潤(rùn)滑材料[1]。聚四氟乙烯(PTFE)由于具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑特性，長(zhǎng)期以來一直被用來制備自潤(rùn)滑材料，通過添加金屬背襯，可以大幅提高承載能力[2]，但存在磨損率偏高、廢棄后難以降解等缺點(diǎn)，不符合環(huán)保要求。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有較好的綜合力學(xué)性能以及與鋼鐵材料對(duì)磨時(shí)優(yōu)異的耐磨性能，在工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3-4]，通過物理或化學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行改性，還可以進(jìn)一步提高摩擦磨損性能[5-7]。

下文利用有限元法對(duì)黃銅H62-UHMWPE自潤(rùn)滑復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過模壓成形工藝制備H62-UHMWPE自潤(rùn)滑材料，并進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其承載能力和摩擦磨損性能。

1 銅-塑自潤(rùn)滑材料的有限元設(shè)計(jì)

1.1 建立有限元模型

設(shè)計(jì)具有不同截面尺寸的H62銅板模型，通過模壓成形工藝將UHMWPE復(fù)合材料鑲嵌在其表面，自潤(rùn)滑材料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自潤(rùn)滑材料結(jié)構(gòu)示意圖

為了模擬H62-UHMWPE自潤(rùn)滑材料受載時(shí)的應(yīng)力分布，將其與45#鋼組成摩擦副。已知H62黃銅的彈性模量為105 GPa，泊松比為0.35；UHMWPE復(fù)合材料的彈性模量為700 MPa，泊松比為0.42；45#鋼的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。采用實(shí)體建模方式建立自潤(rùn)滑材料的有限元分析模型。由于自潤(rùn)滑材料的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

1.2 強(qiáng)度校核及分析

在45#鋼頂部表面施加50 MPa均布載荷，分別對(duì)UHMWPE潤(rùn)滑劑所占面積為40%，50%和60%的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。

由于H62黃銅和UHMWPE復(fù)合材料均為塑性材料，故可以選用第三強(qiáng)度理論或第四強(qiáng)度理論對(duì)自潤(rùn)滑材料進(jìn)行強(qiáng)度校核。文中采用第三強(qiáng)度理論，即

σr3=σ1-σ3≤[σ]，

(1)

式中：σ1為第一向主應(yīng)力；σ3為第三向主應(yīng)力；[σ]為材料許用應(yīng)力。H62黃銅的抗拉強(qiáng)度Rm=410 MPa，條件屈服強(qiáng)度Rp0.2=350 MPa，許用應(yīng)力[σ]=Rp0.2/n，n為材料的安全系數(shù)，取1.2，故H62黃銅的許用應(yīng)力為291.67 MPa。經(jīng)有限元分析，當(dāng)潤(rùn)滑劑面積分別為40%，50%及60%時(shí)，對(duì)應(yīng)的第三強(qiáng)度理論最大應(yīng)力值分別為223.41，277.57和492.30 MPa。由于492.30 MPa已經(jīng)大于材料的許用應(yīng)力，所以潤(rùn)滑劑面積為60%時(shí)不符合強(qiáng)度要求。通常情況下，鑲嵌型自潤(rùn)滑材料中潤(rùn)滑劑所占的面積越小，承載能力越大，但自潤(rùn)滑材料的摩擦因數(shù)也越大。綜合考慮承載能力和摩擦性能兩方面的因素，確定按潤(rùn)滑劑面積為50%的結(jié)構(gòu)制備試件。

2 試驗(yàn)

2.1 試件制備

選用綜合力學(xué)性能良好的H62黃銅作為金屬基體，根據(jù)有限元設(shè)計(jì)結(jié)果在其表面加工出溝槽，再將UHMWPE潤(rùn)滑劑鑲嵌在槽內(nèi)。UHMWPE的摩擦因數(shù)僅次于聚四氟乙烯，并且具有優(yōu)異的耐磨性。文獻(xiàn)[8]用聚丙烯(PP)填充改性UHMWPE，研究結(jié)果表明，PP能進(jìn)一步降低UHMWPE的摩擦因數(shù)，提高耐磨性。故采用UHMWPE/PP(80/20)作為潤(rùn)滑劑的配方，制備H62-UHMWPE自潤(rùn)滑材料。具體工藝路線為：配料→機(jī)械混合→烘干→預(yù)壓→燒結(jié)→模壓成形→冷卻脫?！鷻C(jī)械加工。

2.2 承載能力試驗(yàn)

承載能力試驗(yàn)在WDW-100E電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，壓縮速度為2 mm/min，壓縮過程中自潤(rùn)滑材料的變形曲線由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦試驗(yàn)在MMW-1A立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用銷-盤式摩擦副，結(jié)構(gòu)如圖3所示。摩擦對(duì)偶件材料為45#鋼，共3個(gè)，每個(gè)端面直徑為2 mm，表面粗糙度為0.8 μm。試件尺寸：外徑為31.6 mm，內(nèi)徑為16 mm，高度為10 mm。在室溫條件下進(jìn)行干摩擦試驗(yàn)，測(cè)量不同載荷和轉(zhuǎn)速(摩擦速度)下的摩擦因數(shù)，每組試驗(yàn)持續(xù)60 min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。利用 FA2004型精密分析天平(精度為0.1 mg)稱量試件磨損前后的質(zhì)量差，記為試件的磨損質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試件表面進(jìn)行噴金處理，利用掃描電子顯微鏡觀察試件表面的磨損形貌。

圖3 銷-盤式摩擦副

3 結(jié)果與討論

3.1 自潤(rùn)滑材料的承載能力

潤(rùn)滑劑面積占50%的H62-UHMWPE自潤(rùn)滑材料壓縮過程中載荷與變形的關(guān)系曲線如圖4所示，自潤(rùn)滑材料的屈服點(diǎn)為 59.6 MPa。根據(jù)有限元模擬分析結(jié)果可知，當(dāng)對(duì)潤(rùn)滑劑面積占50%的自潤(rùn)滑材料施加50 MPa的應(yīng)力時(shí)，對(duì)應(yīng)的第三強(qiáng)度理論應(yīng)力值并未超過材料的屈服極限，仍在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，壓縮試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果相吻合。

圖4 自潤(rùn)滑材料應(yīng)力變形關(guān)系曲線

3.2 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響

在40 MPa應(yīng)力下，轉(zhuǎn)速分別為50，100和200 r/min時(shí)自潤(rùn)滑材料的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。由圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為50 r/min(相當(dāng)于3.75 m/min)時(shí)，摩擦因數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)過程中都非常平穩(wěn)，一直低于0.12，且呈緩慢降低的趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)瞬時(shí)摩擦因數(shù)為0.106；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到100 r/min后，摩擦因數(shù)在試驗(yàn)的前40 min內(nèi)一直低于50 r/min時(shí)的值，但可以明顯看到曲線逐漸上升，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)其瞬時(shí)摩擦因數(shù)為0.126；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到200 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，先下降再上升，最后穩(wěn)定在0.15左右。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況

分析認(rèn)為，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，因摩擦產(chǎn)生的熱量較小，可以很快轉(zhuǎn)移，未對(duì)UHMWPE表層分子造成太大影響，所以摩擦因數(shù)可以保持在較低水平；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高后，摩擦產(chǎn)生的熱量增加，摩擦副界面聚集大量的熱，致使UHMWPE表層大分子鏈發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，大分子鏈開始解纏，在剪切力的作用下發(fā)生滑移，由于UHMWPE的黏度很大， 具有較大的滑移阻力，因而摩擦因數(shù)增大[9]。總的來說，轉(zhuǎn)速越低，材料的摩擦因數(shù)也越低越穩(wěn)定。由此可見，這種自潤(rùn)滑材料適合在低速工況下使用。

3.3 載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響

不同載荷時(shí)材料摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，材料的摩擦因數(shù)隨載荷的增大而降低，在轉(zhuǎn)速為50 r/min的條件下，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，載荷為10 MPa的摩擦因數(shù)為0.123，而載荷為40 MPa的摩擦因數(shù)只有0.106。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min后，在10 MPa和20 MPa的載荷下，摩擦因數(shù)在剛開始時(shí)有短暫的小幅下降，之后則隨著時(shí)間的增加而增大，且載荷為10 MPa的摩擦因數(shù)始終大于載荷為20 MPa的摩擦因數(shù)；當(dāng)載荷為30 MPa和40 MPa時(shí)，開始試驗(yàn)的前幾分鐘內(nèi)，摩擦因數(shù)呈較明顯的下降趨勢(shì)，之后開始上升，最后載荷為40 MPa的摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.15左右，而載荷為30 MPa的摩擦因數(shù)穩(wěn)定后保持在0.18左右。這是因?yàn)樵谀Σ吝^程中，當(dāng)載荷較大時(shí)，表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，載荷變化對(duì)接觸面積的影響逐漸減小，因而摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖6 不同載荷下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況

3.4 載荷與轉(zhuǎn)速對(duì)磨損量的影響

不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)60 min后，自潤(rùn)滑材料的磨損質(zhì)量隨載荷的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看到，材料的磨損質(zhì)量隨載荷和轉(zhuǎn)速的增大而增加。 當(dāng)轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，載荷由10 MPa增大到40 MPa后，磨損質(zhì)量由0.4 mg增加到1.0 mg，僅增加0.6 mg，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，載荷由10 MPa增大到40 MPa，磨損質(zhì)量由0.9 mg增加到2.1 mg，增加了1.2 mg，可見轉(zhuǎn)速對(duì)材料的磨損量有很大的影響。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下磨損質(zhì)量隨載荷的變化情況

3.5 磨損機(jī)理分析

自潤(rùn)滑材料在載荷為40 MPa、轉(zhuǎn)速為50 r/min條件下試驗(yàn)60 min后的磨損表面SEM照片如圖8所示，從中可以看到，H62-UHMWPE復(fù)合材料的磨損表面存在一些裂紋和磨屑，且有粘著現(xiàn)象，呈現(xiàn)出輕微的粘著磨損特征。

圖8 H62-UHMWPE磨損表面SEM照片

4 結(jié)論

(1)利用有限元法對(duì)H62-UHMWPE自潤(rùn)滑材料按50 MPa的承載能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明該材料的承載能力為59.6 MPa。

(2)摩擦試驗(yàn)表明，材料的摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，隨載荷的增大而減小。在載荷為40 MPa、轉(zhuǎn)速為50 r/min的條件下摩擦因數(shù)始終低于0.12，具有良好的自潤(rùn)滑性能。

(3)該材料具有良好的耐磨性能，適合用于制造低速工況下使用的自潤(rùn)滑軸承，其磨損機(jī)理主要為輕微的粘著磨損。