基于改性PET的極限PV值測(cè)試及摩擦學(xué)性能比較研究

黎 帥，龍春光?，閔建新，周 卓

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)輕量化新材料所，長(zhǎng)沙 40004）

0 前言

PET[1]是一種乳白色高度凝固結(jié)晶的聚合物，其熔融溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都比較高，長(zhǎng)期使用可達(dá)120 ℃[2]，具有良好的耐熱性、抗蠕變性、耐疲勞性、耐摩擦與磨損性[3]，但不耐熱水浸泡、不耐堿。改性PET是目前全球PET中最為活躍的研究熱點(diǎn)之一，它是以PET為基礎(chǔ)的熱塑性聚酯并包含有增強(qiáng)劑、填充劑、阻燃劑、結(jié)晶核劑等多種主要組分的復(fù)合材料，作為綜合性能優(yōu)良且價(jià)格較低的工程塑料，改性PET工程塑料在汽車(chē)電子、通用電氣、汽車(chē)、機(jī)械等各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)有著廣泛的技術(shù)應(yīng)用。與其他PET塑料產(chǎn)品相比較，改性PET工程塑料具有高耐熱性、力學(xué)性能好、性?xún)r(jià)比高、尺寸穩(wěn)定、耐有機(jī)溶劑等優(yōu)勢(shì)，其增強(qiáng)系列產(chǎn)品使用溫度高達(dá)120～150℃[4]。

截止目前已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)是關(guān)于聚酰胺、聚甲醛、超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）等改性塑料的摩擦和磨損，如通過(guò)MWW-1A立式銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究PEUHMW在同一PV值下的摩擦因數(shù)和工作溫度，結(jié)果表明，PE-UHMW的摩擦因數(shù)和工作溫度分別經(jīng)歷了先降低后平緩和先急劇上升后平緩增加的變化[5]；通過(guò)MPV-3微機(jī)控制PV試驗(yàn)機(jī)對(duì)顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動(dòng)軸承的極限PV值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試件在滑動(dòng)速率為100 m/min時(shí)的極限PV值為161 MPa/min[6]；用MPV-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別研究了載荷、速度、運(yùn)行時(shí)間等對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的摩擦因數(shù)和磨損率的影響[7]，然而關(guān)于改性PET工程中的塑料軸承摩擦和磨損情況卻極少。極限PV值是指軸承材料可以承受的最大壓強(qiáng)和在此壓強(qiáng)下的摩擦速度的乘積，它是聚合物塑料軸承的重要性能參數(shù)，可以用來(lái)確定由于摩擦接觸點(diǎn)上產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致的溫升[8]。通常一種材料的極限PV值并非常數(shù)，其值隨溫度差異有很大的變化。目前有2種常用的測(cè)試塑料滑動(dòng)軸承摩擦磨損性能的儀器，一種是MMW-1A立式銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[9]，另一種是MPV-3臥式微機(jī)控制PV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[10]。2種試驗(yàn)機(jī)的幾何形貌、熱力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)狀況存在一定的差異。采用MPV-3臥式微機(jī)控制PV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Σ粮睘檩S承試件與軸的直接接觸。采用MMW-1A型立式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)時(shí)，試驗(yàn)的摩擦副為銷(xiāo)與盤(pán)直接接觸。

本文在干摩擦下，使用定速變載的方法，通過(guò)2種不同的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)試PET塑料軸承的極限載荷，計(jì)算各自的極限PV值，并對(duì)它們的摩擦磨損情況進(jìn)行比較分析。該實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是要精確測(cè)量摩擦試驗(yàn)中的PV值和磨損量，正確操作MMW-1A立式銷(xiāo)盤(pán)摩擦試驗(yàn)機(jī)和MPV-3臥式軸承套摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

目的是從2種常見(jiàn)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中，選出最佳的能測(cè)量改性PET塑料軸承摩擦學(xué)性能的儀器，難點(diǎn)是保證2種試驗(yàn)機(jī)的樣品具有接近的密度、硬度、彈性模量和泊松比，控制室溫溫度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PET，CB-602，遠(yuǎn)紡工業(yè)上海有限公司；

無(wú)水乙醇，分析純，天津市富宇精細(xì)化有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，MWW-1A，濟(jì)南思達(dá)測(cè)試技術(shù)有限公司；

微機(jī)控制PV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，MPV-3，濟(jì)南思達(dá)測(cè)試技術(shù)有限公司；

塑料注射成型機(jī)，LS-80，中國(guó)柳州高新區(qū)開(kāi)宇塑膠有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)，SHJ30，南京杰亞擠出裝備有限公司；

精密電子天平，xs205，梅特勒托利多有限公司；

X射線熒光光譜儀（XRF），PANayltical Axio，荷蘭帕納科有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），Pro X，復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司；

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDW-10C，上海華龍測(cè)試儀器有限公司；

體視鏡，Leica S91，徠卡顯微系統(tǒng)有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱，GZX-9070MBE，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；

超聲波清洗機(jī)，KQ-3200DB，鞏義市予華儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將改性PET粒料在烘箱140℃左右里干燥4～5 h后再通過(guò)擠出機(jī)擠出造粒，然后通過(guò)塑料注射成型機(jī)注塑制備圓環(huán)和圓盤(pán)2種樣品。擠出造粒的工藝參數(shù)為：雙螺桿一段～四段溫度分別為230、240、250、260℃；物料在機(jī)筒里的停留時(shí)間為1～2 min、熔體壓力為20 MPa、螺桿轉(zhuǎn)速為35 r/min。注射成型的工藝參數(shù)為：一段～三段溫度分別為256、256、235℃、注射壓力為100 MPa、螺桿轉(zhuǎn)速為30 r/min（折合成線速度為0.6 m/s）。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

樣品元素的含量通過(guò)XRF測(cè)試，XRF的可測(cè)試范圍為11 Na～92 U；

拉伸強(qiáng)度在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上按GB/T 1040.1—2006[11]進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)可以測(cè)量出其彈性模量和泊松比，每種樣品測(cè)試5次，取其平均值；

密度測(cè)試采用液體浮力法測(cè)定PET復(fù)合材料的密度。浸漬液用純凈蒸餾水，溫度為（25±5）℃。稱(chēng)量天平的精度為0.001 g，懸絲用0.1～0.15 mm的頭發(fā)絲，可以忽略頭發(fā)絲的質(zhì)量。用懸絲栓住試樣，掛在天平一端，稱(chēng)量懸絲與試樣的質(zhì)量m1，再將懸絲及試樣浸漬在蒸餾水中（至少l/3液面以下），稱(chēng)取其質(zhì)量m2，然后利用式（1）計(jì)算：

式中D——樣品的密度，g/cm3

m1——試樣在空氣中的質(zhì)量，g

m2——試樣在蒸餾水中的質(zhì)量，g

D1——蒸餾水的密度，g／cm3

硬度測(cè)試采用肖式硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)塑料樣品選取5個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)試，取其平均值；

采用SEM和顯微鏡觀察改性PET的塑料圓盤(pán)和塑料圓環(huán)摩擦磨損表面，使用SEM測(cè)試前，樣品均進(jìn)行噴金處理，掃描電壓為20 kV；

極限PV值實(shí)驗(yàn)：采用MPV-3和MWW-1A 2種試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行極限PV值測(cè)試，2種摩擦機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為200、250、300、350、400 r/min來(lái)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。每種試驗(yàn)機(jī)同一種轉(zhuǎn)速取5個(gè)樣品進(jìn)行極限PV值試驗(yàn)，然后取5個(gè)結(jié)果的平均值來(lái)繪制曲線。MPV-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的樣品均為車(chē)削加工的PET圓環(huán)，要求被測(cè)試表面較為光滑，試樣尺寸為內(nèi)徑×外徑×長(zhǎng)度=Φ35 mm×Φ50 mm×35 mm，且無(wú)氣泡、裂紋、明顯雜質(zhì)和加工損失等缺陷。每次試驗(yàn)前后都要先用無(wú)水乙醇清洗樣品干凈后再對(duì)其進(jìn)行烘干，用400目和800目砂紙分別打磨軸與PET塑料圓環(huán)。由于目前還沒(méi)有基本建立一套符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的極限PV值測(cè)定方法，所以本文在相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中用GB 7948—1987[12]（定速變載）塑料軸承極限PV值試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。開(kāi)始時(shí)間施加的極限載荷為預(yù)估極限負(fù)荷的20%～30%，跑合30 min，然后每隔10 min增加極限負(fù)荷的20%，直至出現(xiàn)下列情況之一，試驗(yàn)終止。①摩擦力矩或溫度劇增②磨損量達(dá)到被檢材料的極限值③溫度升高到被檢材料的限定值三者情況之一，試驗(yàn)停止。符合上述情況①時(shí)，前一級(jí)負(fù)荷增加10%為極限負(fù)荷；負(fù)荷為情況②和③時(shí)，該負(fù)荷即為極限負(fù)荷。極限壓強(qiáng)根據(jù)式（2）計(jì)算：

式中P——極限壓強(qiáng)，N/mm2

L——圓環(huán)長(zhǎng)度，mm

d——圓環(huán)內(nèi)徑，mm

W——極限負(fù)荷，N

滑動(dòng)線速度可用式（3）計(jì)算：

式中V——滑動(dòng)速度，m/s

D——鋼軸套外徑，mm

n——主軸轉(zhuǎn)速，r/min

MMW-1A型立式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中銷(xiāo)采用45＃鋼其硬度為41.5HRC，盤(pán)采用PET塑料圓盤(pán)，尺寸分別為直徑Φ4.0×長(zhǎng)度10 mm、直徑?32 mm×厚度3 mm。每次試驗(yàn)前后都用無(wú)水乙醇清洗樣品，并用400目和800目砂紙分別打磨銷(xiāo)與PET塑料圓盤(pán)。該塑料樣品的極限P1V1值的測(cè)試方法和MPV-3塑料圓環(huán)極限PV值的測(cè)試方法相同，都采用定速變載的試驗(yàn)方法。極限壓強(qiáng)根據(jù)式（4）計(jì)算：

式中P1——極限壓強(qiáng)，MPa

D1——磨損后圓環(huán)的外徑，mm

d1——磨損后圓環(huán)的內(nèi)徑，mm

W1——極限負(fù)荷，N

滑動(dòng)線速度可用（5）式計(jì)算：

式中V1——相對(duì)線速度，m/s；

D2——磨損后圓環(huán)的中徑，mm；

n1——銷(xiāo)的轉(zhuǎn)速，r/min。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)時(shí)，使MWW-1A中的銷(xiāo)和MPV-3中軸的轉(zhuǎn)速均為200 r/min，對(duì)應(yīng)的線速度分別為0.23 m/s和0.4 m/s，其試驗(yàn)力分別為200、250、300、350 N和400 N，磨損時(shí)間為1 h，按照正確的實(shí)驗(yàn)操作步驟得出樣品的摩擦因數(shù)。磨損量采用天平稱(chēng)重獲得，每次試驗(yàn)前后都用無(wú)水乙醇清洗樣品，并用400目和800目砂紙打磨銷(xiāo)與PET塑料圓盤(pán)、軸與PET塑料軸承圓環(huán)。每種相同的速度和載荷做5次試驗(yàn)，總共需做50次，然后取其磨損量的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品性能參數(shù)

表1為通過(guò)XRF測(cè)試的改性PET樣品組成成分，從該改性PET樣品所含成分組成可以看出，該成分包含微量的氟元素和氧化物ZnO2、SiO2以及其他一些微量元素，這對(duì)于提高材料的拉伸強(qiáng)度以及硬度有著重要作用。

表1 改性PET樣品的成分組成Tab.1 Basic performance of the samples

表2所示為2種樣品的性能參數(shù)，它們參數(shù)較為接近，能夠進(jìn)行以下摩擦磨損試驗(yàn)。由于純PET的拉伸強(qiáng)度為 67.4 MPa、拉伸彈性模量為 264.2 MPa[13]、肖氏硬度為74[14]。因此該樣品的拉伸強(qiáng)度和彈性模量較純PET的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別提升了18.6%和46.1%，肖氏硬度提升了至少2.6%。

表2 樣品的基本性能Tab.2 Basic performance of the samples

如圖1所示為樣品實(shí)驗(yàn)前的表面形貌圖，從圖1（a）和圖1（b）可以看出，使用擠出造粒和注射成型法制備的PET塑料圓盤(pán)表面比較光滑。從圖1（c）和1（d）可以看出，使用同樣方法制備然后通過(guò)車(chē)床加工完的PET塑料圓環(huán)內(nèi)表面（摩擦表面）具有許多條紋，這是由于車(chē)刀進(jìn)給速度太快，應(yīng)該減小車(chē)刀進(jìn)給的速度。

圖1 樣品實(shí)驗(yàn)前的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM of samples before experiment

2.2 極限PV值試驗(yàn)結(jié)果比較與分析

在2種定速變載的實(shí)驗(yàn)中，PET塑料圓環(huán)與PET塑料圓片的摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)類(lèi)似，隨著加載負(fù)荷的增加都呈現(xiàn)階梯下降的趨勢(shì)，當(dāng)加載到極限負(fù)荷時(shí)，兩者摩擦因數(shù)和摩擦力矩突然劇增。

如圖2所示樣品（a）、（b）為PET塑料圓環(huán)，（c）、（d）為PET塑料圓片，從圖2（a）和（b）可以看出，在MWW-1A關(guān)于PET塑料圓盤(pán)的極限PV值實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)塑料圓盤(pán)的摩擦因數(shù)急劇升高（激烈振蕩）時(shí)，經(jīng)檢測(cè)此時(shí)的溫度高達(dá)200℃以上，摩擦接觸面溫度超過(guò)塑料圓盤(pán)熔點(diǎn)，塑料圓盤(pán)發(fā)生急劇磨損，3 mm厚的圓盤(pán)在不到2 min的時(shí)間以?xún)?nèi)，磨損的深度和直徑大量增加（圓環(huán)直徑增加到6.7 mm），大量白色磨屑向外溢出；隨著摩擦的進(jìn)行，白色磨屑積累的越來(lái)越多，并且磨損軌跡處有大量的凹坑，銷(xiāo)的底部也有一些PET轉(zhuǎn)移與依附而增厚了。仔細(xì)觀察這些白色磨屑可以看到：有些磨屑細(xì)碎，有些磨屑明顯地呈刨花式的蜷曲，與機(jī)加工中刨、刮下來(lái)的切屑形式相似，足以說(shuō)明是刨、刮下來(lái)的。這是由于銷(xiāo)的底部具有鋒利的邊緣，且銷(xiāo)與塑料圓盤(pán)的硬度差距較大，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中當(dāng)試驗(yàn)力足夠大時(shí)，銷(xiāo)就足以導(dǎo)致圓盤(pán)摩擦面被切割和撕裂，并且使附近的材料發(fā)生拉伸，甚至局部出現(xiàn)張力破壞，以致使圓盤(pán)受到嚴(yán)重?fù)p傷。

圖2 樣品極限磨損的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM of extreme wear of samples

從圖2（c）和（d）可以看出，在MPV-3關(guān)于PET塑料圓環(huán)的極限PV值實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)PET塑料軸承摩擦因數(shù)（摩擦力矩）突變時(shí)，溫度急劇升高，塑料軸承與軸多發(fā)生咬死（黏著磨損），即塑料軸承部分內(nèi)徑與軸黏在一起，臥式磨損試驗(yàn)機(jī)在保護(hù)設(shè)置下自動(dòng)停止試驗(yàn)。這是由于圓環(huán)內(nèi)徑溫度急劇升高時(shí)，圓環(huán)的剪切強(qiáng)度隨之減弱，甚至低于界面剪切強(qiáng)度，則可能會(huì)導(dǎo)致塑料的團(tuán)塊被轉(zhuǎn)移到對(duì)摩面上去，造成了塑料嚴(yán)重磨損（由于塑料的剪切強(qiáng)度與金屬相差之比百萬(wàn)以上，剪切自然主要發(fā)生在塑料上）。摩擦發(fā)熱會(huì)使塑料圓環(huán)急劇膨脹，可能導(dǎo)致圓環(huán)和軸配合的間隙減小甚至消失，如此惡性循環(huán)會(huì)導(dǎo)致“卡死”。

如圖3所示為MPV-3和MWW-1A 2種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)極限PV值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖3（a）可以看出，塑料圓盤(pán)的極限壓強(qiáng)P1大于塑料圓環(huán)的極限壓強(qiáng)P；隨著轉(zhuǎn)速的增加，塑料圓環(huán)的極限壓強(qiáng)P與塑料圓盤(pán)的極限壓強(qiáng)P都減小；極限壓強(qiáng)P1下降的程度大于極限壓強(qiáng)P。從圖3（b）可以看出，塑料圓環(huán)的摩擦因數(shù)大于塑料圓盤(pán)的摩擦因數(shù)，且在2種試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速均為300 r/min時(shí)，每次加載試驗(yàn)力F與摩擦因數(shù)曲線趨勢(shì)走向基本上是一致的。從圖3（c）可以看出，塑料圓盤(pán)的極限PV值大于塑料圓環(huán)的極限P1V1值，且塑料圓盤(pán)的極限PV值的波動(dòng)性大于塑料圓環(huán)的極限P1V1值。這首先由于銷(xiāo)與盤(pán)的摩擦接觸面積小于塑料軸承內(nèi)徑與軸的接觸面積，這導(dǎo)致塑料圓盤(pán)的接觸壓強(qiáng)大于塑料軸承套的接觸壓強(qiáng)。其次由于塑料聚合物的熱導(dǎo)率很小，MPV-3測(cè)試系統(tǒng)又是一個(gè)封閉體系，接觸面積和對(duì)偶散熱截面之比大于銷(xiāo)-盤(pán)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，從而導(dǎo)致MPV-3系統(tǒng)的熱散失效率很低。再次，在MWW-1A測(cè)試系統(tǒng)中，磨粒能很快脫離摩擦接觸面；然而在MPV-3系統(tǒng)在軸承套系統(tǒng)中，磨損處于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中，由于軸的旋轉(zhuǎn)，磨粒不斷地運(yùn)輸?shù)侥Σ两佑|區(qū)并在那堆積，隨著時(shí)間和載荷都在增加，溫度升高，產(chǎn)生的磨屑不能有效地冷卻，而是在高溫作用下軟化，摩擦表面因高溫而熔融產(chǎn)生潤(rùn)滑效應(yīng)。

圖3 極限PV值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of limiting PV values

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖4所示為干摩擦下，轉(zhuǎn)速為200 r/min和加載試驗(yàn)力為400 N時(shí)，2種樣品摩擦因數(shù)隨時(shí)間的關(guān)系曲線，可以看出它們的PET塑料圓環(huán)摩擦因數(shù)先快速升高，然后降低并趨于平穩(wěn)，PET塑料軸承的摩擦因數(shù)也是先快速升高然后會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)性，同時(shí)，可以看出塑料圓環(huán)的摩擦因數(shù)大于塑料圓盤(pán)的摩擦因數(shù)。這是因?yàn)楦赡Σ烈婚_(kāi)始溫升較快，這一時(shí)段不長(zhǎng)，然后進(jìn)入緩慢溫升，最后是熱平衡狀態(tài)。銷(xiāo)有具有鋒利的邊緣，并且銷(xiāo)與塑料圓盤(pán)的硬度相差太大，較硬一面的微凸峰會(huì)突入較軟材料內(nèi)，在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中不斷將軟材料刨削、刮削下來(lái)，致使磨損表面留下有許多凹坑且圓盤(pán)磨損面上粗糙度不一樣，銷(xiāo)與圓盤(pán)接觸的緊密程度也會(huì)有變化。

圖4 摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Change curves of friction coefficient with time

如圖5（a）所示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，塑料圓盤(pán)與銷(xiāo)的平均摩擦因數(shù)小于塑料圓環(huán)與軸的平均摩擦因數(shù)，這是因?yàn)樗芰蠄A盤(pán)的硬度相對(duì)較高，塑料圓環(huán)的環(huán)與軸的接觸面積大于銷(xiāo)與塑料圓環(huán)的接觸面積，微凸峰阻礙小，摩擦阻力小。兩者的摩擦因數(shù)都會(huì)隨著載荷的增大而降低，且兩者摩擦因數(shù)的走向也相似，這是因?yàn)殡S著載荷的增大，實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的PET塑料磨屑游離在摩擦副中間，形成良好的潤(rùn)滑膜。溫度增加會(huì)使PET塑料膨脹，導(dǎo)致樣品與對(duì)偶的實(shí)際接觸面積變大，導(dǎo)致單位面積的壓力減小，進(jìn)而降低了摩擦因數(shù)。改性PET塑料圓環(huán)磨損后的磨屑不易排出，因此它的摩擦因數(shù)下降的較為平緩。對(duì)于塑料圓盤(pán)當(dāng)載荷增加到350 N時(shí)，在正壓力作用下PET磨屑更易被壓倒磨損表面，摩擦因數(shù)進(jìn)一步下降。從圖5（b）中可知實(shí)驗(yàn)后的塑料圓盤(pán)的磨損量大于塑料圓環(huán)的磨損量，且塑料圓盤(pán)的磨損比塑料圓環(huán)的磨損較為劇烈。這是因?yàn)殇N(xiāo)與圓盤(pán)的接觸面積小于塑料軸承套與軸的接觸面積，從而在導(dǎo)致同樣的試驗(yàn)力的情況下，銷(xiāo)與塑料圓盤(pán)的接觸壓強(qiáng)大于塑料圓環(huán)與軸的接觸壓強(qiáng)。銷(xiāo)在塑料圓盤(pán)上轉(zhuǎn)一圈，整個(gè)一圈具有相同的試驗(yàn)力，磨損即為塑料圓盤(pán)的一圈，而軸在塑料圓環(huán)旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，僅塑料圓環(huán)下半圓存在加載的試驗(yàn)力，上半圓不存在試驗(yàn)力，所以磨損僅為塑料圓環(huán)的下半圓，上半圓無(wú)磨損，且下半圓磨損不均勻，塑料圓環(huán)的最下面磨損最嚴(yán)重。（這里軸與環(huán)的接觸不一定是下半圓，應(yīng)該是從線接觸到半圓接觸）[15]。

圖5 載荷對(duì)摩擦學(xué)性能的影響Fig.5 Influence of load on tribological properties

如圖6所示，樣品為PET塑料圓盤(pán)，它們的試驗(yàn)力分別為200、250、300、250、300 N，如圖7（a）、（b）、（c）所示，樣品（a）、（b）、（c）為PET塑料圓環(huán)，它們的試驗(yàn)力也分別為200、250、300 N。從圖6可以看出，隨著載荷的增大，PET塑料圓盤(pán)磨損軌跡的寬度逐漸增大，環(huán)形磨損軌跡中也逐漸顯現(xiàn)出磨痕，磨痕的數(shù)量、長(zhǎng)度、深度也逐步增多。圖7（a）中的磨痕只分布在環(huán)形磨損軌跡的邊緣，數(shù)量少許，表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損。圖7（b）中磨痕擴(kuò)展到整個(gè)環(huán)形軌跡中，磨損的數(shù)量、深度和長(zhǎng)度略微增加，圖7（c）中摩擦后的表面出現(xiàn)凹坑，犁溝的數(shù)量和深度大量增加，表現(xiàn)為嚴(yán)重的磨粒磨損。這是因?yàn)殡S著法向載荷的增加，使銷(xiāo)的底部壓入PET塑料圓盤(pán)表面的深度增加，同時(shí)，使PET圓盤(pán)表面接觸磨屑粒子的機(jī)會(huì)相對(duì)增多，這使摩擦表面上的溝槽的寬度與深度增大，從而使磨損量相應(yīng)增大。

圖6 PET塑料圓盤(pán)磨損表面顯微圖Fig.6 Micrograph of PET plastic wear surface

圖7 PET塑料圓環(huán)磨損表面的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM of wear surface of PET plastic ring

從圖 7（a）、（b）、（c）可以看出，隨著載荷的增加，PET塑料圓環(huán)內(nèi)表面的條紋在逐漸磨損，圖7（a）圓環(huán)條紋的寬度比實(shí)驗(yàn)前圓環(huán)條紋的寬度小，圖7（b）條紋的寬度繼續(xù)減小，少許條紋在慢慢消失，條紋之間也會(huì)增加少許磨痕，圖7（c）中大量條紋已經(jīng)消失甚至出現(xiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)的犁溝，條紋中間增加數(shù)條其他的磨痕，這是由于載荷的增大使得摩擦副間的溫度大量增加，摩擦表面發(fā)生塑性變形，圓環(huán)的磨損大量增加。在每次實(shí)驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn)PET塑料圓環(huán)的磨損只是些少許黑色的磨屑；而塑料PET圓盤(pán)的磨損是整個(gè)圓環(huán)的磨損，較多白色的磨屑向外溢出。由此可以說(shuō)明在轉(zhuǎn)速為200 r/min，載荷為200、250、300 N的情況下，PET塑料圓盤(pán)的磨損量比PET塑料圓環(huán)的磨損量大。

以上極限PV值實(shí)驗(yàn)和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果決定了MMW-1立式銷(xiāo)-盤(pán)試驗(yàn)結(jié)果不能簡(jiǎn)單地推廣到MPV-3滑動(dòng)軸承的實(shí)際應(yīng)用中，不能作為軸承壽命計(jì)算中的必要依據(jù)。雖然銷(xiāo)-盤(pán)實(shí)驗(yàn)與環(huán)-環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，但是兩者的摩擦因數(shù)趨勢(shì)走向具有相似性。由于采用臥式磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)大量時(shí)間和金錢(qián)，如果在研究某種材料作為滑動(dòng)軸承使用的過(guò)程中直接跳過(guò)銷(xiāo)-盤(pán)試驗(yàn)而進(jìn)行滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)，不僅工作量大，而且花費(fèi)的時(shí)間和金錢(qián)也十分可觀。而如果先進(jìn)行材料的銷(xiāo)盤(pán)磨擦磨損試驗(yàn)，在銷(xiāo)-盤(pán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇出適當(dāng)?shù)牟牧?，然后選用經(jīng)過(guò)篩選的耐高溫聚合物制成的滑動(dòng)軸承并做實(shí)際的測(cè)試，就可以大大減少研究時(shí)間和費(fèi)用，在實(shí)際應(yīng)用方面達(dá)到事半功倍的效果。當(dāng)然，銷(xiāo)盤(pán)實(shí)驗(yàn)不能代替軸承環(huán)實(shí)驗(yàn)，一種軸承能否投入實(shí)際應(yīng)用最終由軸承實(shí)驗(yàn)來(lái)決定。

3 結(jié)論

（1）隨著轉(zhuǎn)速的增加，立式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的極限壓強(qiáng)P與臥式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的極限壓強(qiáng)P1均減??；極限壓強(qiáng)P1下降的程度快于極限壓強(qiáng)P；立式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的極限壓強(qiáng)P和極限PV值大于臥式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的極限壓強(qiáng)P1和極限P1V1值；立式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的極限P1V1值的波動(dòng)性比臥式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的極限PV值的波動(dòng)性大一些；在整個(gè)逐次加載試驗(yàn)力的實(shí)驗(yàn)中，臥式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的摩擦因數(shù)大于立式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法的摩擦因數(shù)。當(dāng)兩者的試驗(yàn)力加載達(dá)到極限載荷時(shí)，塑料軸承與軸多發(fā)生咬死，即塑料軸承部分內(nèi)徑與軸粘在一起，塑料軸承很難從軸上拔出，而PET塑料圓片急劇磨損，磨損深度和直徑大量增加，磨屑大量向外溢出；

（2）同種轉(zhuǎn)速，隨著加載的增加，PET塑料圓盤(pán)的磨損量大于PET塑料圓環(huán)的磨損量，且塑料圓盤(pán)的磨損比塑料圓環(huán)的磨損較為劇烈；塑料圓盤(pán)與銷(xiāo)的平均摩擦因數(shù)小于塑料圓環(huán)與軸的平均摩擦因數(shù)，兩者的摩擦因數(shù)均隨著試驗(yàn)力的增加而降低；

（3）臥式軸-環(huán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法和立式銷(xiāo)-盤(pán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，主要在于磨損條件及磨損機(jī)理的不同。但是其摩擦因數(shù)基本的趨勢(shì)具有相似性，因此從選材的角度來(lái)看，銷(xiāo)-盤(pán)實(shí)驗(yàn)在一定條件下可以代替環(huán)-環(huán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單快速地篩選滑動(dòng)軸承材料，從而節(jié)約大量的時(shí)間和費(fèi)用。