陶瓷刀具與木塑復(fù)合材料的摩擦特性分析

宋宇翔， 胡 勇， 賈 翀， 伍占文， 丁建文

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

WPC是近些年興起的一種新型復(fù)合材料，是指利用木纖維以及植物纖維作為主要原料(鋸木、竹屑、稻殼、木屑、秸稈等)，再與其他各種塑料(聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC等)，添加其他化學(xué)助劑，在一定比例下混合，再經(jīng)過(guò)擠壓、模壓以及成型等工藝所生產(chǎn)而出的板材[1-3]。WPC同時(shí)具備塑料與木材的產(chǎn)品特征，是可以替代木材、塑料以及金屬的新型綠色材料。大多數(shù)WPC的力學(xué)強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于木材，它具有不亞于木材的加工特性，使用普通加工工具就可進(jìn)行鋸切、開榫、打釘?shù)龋瑩碛心静牡馁|(zhì)感以及塑料的耐水、防火、防霉、防腐等特性，同時(shí)具有較長(zhǎng)的使用壽命，是一種用途多樣化且耐久性強(qiáng)的建材，也是一種高性能、高性價(jià)比的環(huán)保材料，性能良好且環(huán)境友好，有著光明的發(fā)展前景。主要被用于建材、家具等行業(yè)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于地板、內(nèi)外墻裝飾和護(hù)欄等[4-6]。

對(duì)木材進(jìn)行加工時(shí)，在正壓力作用下，工件加工表面與刀具后刀面、切屑與刀具前刀面間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，會(huì)對(duì)切削力、切削溫度、切屑變形以及刀具磨損產(chǎn)生直接影響。研究刀具以及工件材料的摩擦特性，能夠?qū)Φ毒咔邢骷庸r(shí)產(chǎn)生各種現(xiàn)象的分析研究提供理論指導(dǎo)[7-11]。

在木質(zhì)材料切削加工中，通常把硬質(zhì)合金作為刀具材料的首選，但用于精加工時(shí)，硬質(zhì)合金刀具難以同時(shí)滿足工件的尺寸公差、高生產(chǎn)效率和高表面質(zhì)量的要求，而陶瓷刀具的出現(xiàn)能夠很好的解決這一問(wèn)題[12-15]。陶瓷材料有著非常好的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和高硬度，在切削加工領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。其中以氮化硅基陶瓷和氧化鋁基陶瓷較為常見(jiàn)，但在木工刀具領(lǐng)域應(yīng)用及研究卻較少。由于陶瓷材料近些年來(lái)被人們不斷開拓，并且伴隨著亞微米級(jí)的陶瓷材料的出現(xiàn)，在木工刀具領(lǐng)域內(nèi)，陶瓷材料也將擁有極好應(yīng)用前景。木工刀具有著較小的刃口半徑，通常小于5 μm，而亞微米級(jí)的陶瓷材料晶粒大小可達(dá)微米級(jí)，可以較好地滿足木工刀具的刃口制造要求，同時(shí)晶粒的細(xì)化使得陶瓷材料更加密實(shí)，因此以陶瓷材料作為木工刀具可以極大地提高韌性、抗彎強(qiáng)度以及硬度。

各種摩擦性相對(duì)運(yùn)動(dòng)即產(chǎn)生磨損，摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)軌蛴行y(cè)出試樣的耐磨性，它較傳統(tǒng)試驗(yàn)更為復(fù)雜。根據(jù)零部件工作形式及所需條件對(duì)磨損形式進(jìn)行確定，確立合適試驗(yàn)形式，這樣使得試驗(yàn)結(jié)果誤差較小。通過(guò)分析試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)所需條件，摩擦磨損試驗(yàn)一般分為試樣試驗(yàn)、使用試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)。本文中所用到的為試樣試驗(yàn)。即根據(jù)試驗(yàn)機(jī)要求，準(zhǔn)備尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的摩擦副材料。此類試驗(yàn)通常應(yīng)用于摩擦磨損研究。其優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)對(duì)研究摩擦磨損以及摩擦機(jī)理起到關(guān)鍵作用，一定程度上限制各類摩擦磨損的影響因素，控制試驗(yàn)結(jié)果的誤差，降低偶然性，適用于對(duì)摩擦磨損各項(xiàng)影響因素的逐一分析研究；(2)試驗(yàn)?zāi)軌虻玫接休^好重復(fù)性及可比性的數(shù)據(jù)，而且試驗(yàn)費(fèi)用少，周期短，可以短期內(nèi)多次參照或重復(fù)試驗(yàn)。試樣試驗(yàn)又可分為一般性試驗(yàn)和模擬性試驗(yàn)。一般性的試樣試驗(yàn)或稱研究性的試樣試驗(yàn)，主要目的是對(duì)摩擦磨損機(jī)理、一般規(guī)律、摩擦磨損的各影響參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究等，它不強(qiáng)調(diào)針對(duì)某一零件的實(shí)際工作情況，試樣也較簡(jiǎn)單，一般沒(méi)有固定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)條件往住被理想化。由于影響摩擦磨損的因素較多，有時(shí)只要某一因素稍有變動(dòng)，就有可能導(dǎo)致磨損量發(fā)生顯著的變化。因此，這種試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況或許有較大的差別。摩擦磨損特性并不是指材料本身的固有性能，而是材料自身在特定條件下和對(duì)偶材料各項(xiàng)物理化學(xué)性能產(chǎn)生的綜合體現(xiàn)，因此，還需要有模擬性試驗(yàn)或稱應(yīng)用性試驗(yàn)。模擬性試驗(yàn)是根據(jù)零件的實(shí)際工作條件，使試驗(yàn)過(guò)程中試樣摩擦副的磨損類型與實(shí)際使用條件下相同，即零件的實(shí)際工況與試驗(yàn)中摩擦副試樣所具備的溫度、速度以及壓力等條件均相似。這種相似就是按照相似定律，保持試驗(yàn)機(jī)上的試樣與實(shí)際使用零件具有相同的相似準(zhǔn)數(shù)。如此，試驗(yàn)機(jī)所得數(shù)據(jù)與實(shí)際工況大概率完全相符，所以在實(shí)際生產(chǎn)中可直接使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)[16-20]。

本研究目的是通過(guò)摩擦試驗(yàn)，測(cè)試氧化鋁基陶瓷材料、氮化硅基陶瓷材料與不同組成成分的WPC之間的摩擦系數(shù)，對(duì)不同陶瓷刀具材料與不同WPC之間摩擦特性進(jìn)行分析研究。

1 材料與方法

1.1 材料

本次試驗(yàn)的刀具選用了氧化鋁基陶瓷和氮化硅基陶瓷兩種刀具材料，其力學(xué)性能以及物理性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)用木塑復(fù)合材料為木粉/聚氯乙烯PVC復(fù)合材料，以及三種不同配比的木粉/聚乙烯PE 復(fù)合材料。

表1 刀具材料參數(shù)

1.2 方法

本次試驗(yàn)在Rtec公司MFT-500型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，刀具材料(上試樣)的試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，工件材料(下試樣)尺寸為40 mm×20 mm×15 mm。上試樣為刀具，下試樣為木塑復(fù)合材料，摩擦試驗(yàn)示意圖如圖1所示，F(xiàn)n為載荷(正壓力)，F(xiàn)為摩擦力。

圖1 摩擦試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，本次試驗(yàn)在固定的往復(fù)頻率、載荷、行程及運(yùn)動(dòng)時(shí)間的條件下，加工四種不同成分的WPC材料，以摩擦系數(shù)與表面質(zhì)量為主要指標(biāo)，摩擦系數(shù)可通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)讀取。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

摩擦系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：μ為摩擦系數(shù)；Ff為摩擦力，N；FN為載荷，N；G為試件的質(zhì)量，kg。

2 結(jié)果與分析

在制備木塑復(fù)合材料的工藝過(guò)程中，需要加入多種多樣的添加劑，就比如界面改性劑也可以叫做偶聯(lián)劑，其作用不僅是可以使植物纖維和有機(jī)材料(如合成樹脂等)的表面產(chǎn)生結(jié)合，形成較強(qiáng)的界面結(jié)，還可以降低木質(zhì)纖維的吸水性，提高木質(zhì)纖維與樹脂的分散性以及相容性，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能得到較為明顯的提高；還有很多其他助劑比如相容劑、潤(rùn)滑劑、發(fā)泡劑等。這些助劑均勻混合在木塑復(fù)合材料中，在WPC材料性能得到改善的同時(shí)，或多或少會(huì)改變WPC的粒子排列及微觀構(gòu)造。根據(jù)滑動(dòng)摩擦原理，摩擦副的整體性質(zhì)是由摩擦系數(shù)表示的，會(huì)受到很多因素的影響。比如材料副的配對(duì)特性、摩擦副剛性與彈性、滑動(dòng)的速度、法向載荷數(shù)值以及其物理性質(zhì)等等。

不同木塑復(fù)合材料由于所使用的原料和樹脂的種類不同，添加劑的數(shù)量比例也有不同，所制得的WPC的剛性和彈性，表面的物理特性以及幾何特征都有著較大的差異，表現(xiàn)在他們之間的摩擦性能會(huì)有著較大的變異。

2.1 氧化鋁基陶瓷刀具材料與四種木塑復(fù)合材料的摩擦特性

在載荷為10 N，頻率為4 Hz，行程為10 mm，時(shí)間為5 min的固定條件下，將氧化鋁基陶瓷刀具與三種木粉與聚乙烯PE不同配比的木塑復(fù)合材料及一種木粉/聚氯乙烯PVC/CaCO3組成的木塑復(fù)合材料分別進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，氧化鋁刀具摩擦系數(shù)圖如圖2所示。從圖中可看出，氧化鋁基陶瓷刀具與四種木塑復(fù)合材料摩擦系數(shù)由大至小分別為木粉/聚氯乙烯PVC復(fù)合材料，木粉占比50%的WPC，木粉占比70%的WPC，木粉占比40%的WPC。

圖2 氧化鋁刀具摩擦系數(shù)圖

圖2中A為聚氯乙烯PVC復(fù)合材料，B為木粉/聚乙烯PE配比4∶6的木塑復(fù)合材料，C為配比1∶1的木塑復(fù)合材料，D為配比7∶3的木塑復(fù)合材料，首先木粉/聚氯乙烯PVC復(fù)合材料摩擦系數(shù)最大是由于其含碳酸鈣顆粒，碳酸鈣顆粒較其他成分更為粗糙，所以摩擦系數(shù)最大。其次，木粉/聚乙烯PE配比1∶1的WPC材料摩擦系數(shù)最大，7∶3的WPC材料摩擦系數(shù)減小，4∶6的WPC材料摩擦系數(shù)最小，可以看出在恒定載荷下，木粉配比提高，摩擦系數(shù)先增后減。這主要是因?yàn)殡S著WPC材料木粉比例的提高，纖維間交織產(chǎn)生氫鍵結(jié)合力，力學(xué)強(qiáng)度隨之上升，但提高到一定比例后，木塑發(fā)生分離，力學(xué)強(qiáng)度反而下降，所以可以認(rèn)為，隨著WPC材料木粉配比的增加，材料摩擦系數(shù)先增大后減小。

表3 氧化鋁基陶瓷刀具材料與WPC材料的摩擦系數(shù)

2.2 氮化硅基陶瓷刀具材料與四種木塑復(fù)合材料的摩擦特性

在載荷為10 N，頻率為4 Hz，行程為10 mm，時(shí)間為5 min的固定條件下，將氮化硅基陶瓷刀具與三種木粉/聚乙烯PE不同配比的木塑復(fù)合材料及一種木粉/聚氯乙烯PVC組成的木塑復(fù)合材料分別進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，氮化硅刀具摩擦系數(shù)圖如圖3所示。從中可看出，氮化硅基陶瓷刀具與四種木塑復(fù)合材料摩擦系數(shù)由大至小分別為木粉/聚氯乙烯PVC復(fù)合材料，木粉占比50%的WPC，木粉占比40%的WPC，木粉占比70%的WPC。

圖3中A為聚氯乙烯PVC復(fù)合材料，B為木粉/聚乙烯PE配比4∶6的木塑復(fù)合材料，C為配比1∶1的木塑復(fù)合材料，D為配比7∶3的木塑復(fù)合材料。首先木粉/聚氯乙烯PVC復(fù)合材料摩擦系數(shù)最大是由于其含碳酸鈣顆粒，碳酸鈣顆粒較其他成分更為粗糙，所以摩擦系數(shù)最大。其次，木粉/聚乙烯PE配比1∶1的WPC材料摩擦系數(shù)最大，4∶6的WPC材料摩擦系數(shù)較小，7∶3的WPC材料摩擦系數(shù)最小，在恒定載荷下，摩擦系數(shù)先增后減，同理隨著WPC材料木粉配比的增加，摩擦系數(shù)先增后減，但刀具材料不同，晶粒大小不同，氮化硅基陶瓷刀具更加密實(shí)，所以4∶6的WPC材料作為塑料基WPC材料，易發(fā)生突變，產(chǎn)生黏著力，使得摩擦系數(shù)有所上升，但數(shù)值有限，并不明顯。

圖3 氮化硅刀具摩擦系數(shù)圖

表4 氮化硅基陶瓷刀具材料與WPC材料的摩擦系數(shù)

2.3 兩種陶瓷刀具材料與木粉聚氯乙烯PVC與CaCO3的木塑復(fù)合材料的摩擦特性

在載荷為10 N，頻率為4 Hz，行程為10 mm，時(shí)間為5 min的固定條件下，將氧化鋁基陶瓷刀具與氮化硅基陶瓷刀具分別與木粉/聚氯乙烯PVC組成的木塑復(fù)合材料進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，其結(jié)果如表所示，能夠看出，兩種刀具與木粉/聚氯乙烯PVC復(fù)合材料摩擦系數(shù)的大小順序是氧化鋁基陶瓷>氮化硅基陶瓷，主要因?yàn)榈杌沾傻木Я］^氧化鋁基陶瓷要更加密實(shí)，它與WPC的摩擦系數(shù)也明顯小于氧化鋁基陶瓷，所以能夠認(rèn)為，材料的晶粒大小能夠在一定程度上影響它的摩擦特性。

表5 聚氯乙烯PVC板成分表

兩種陶瓷刀具摩擦后的聚氯乙烯PVC板表面如圖4所示，(a)圖為氧化鋁刀具與聚氯乙烯PVC板摩擦后的板材表面形貌，(b)圖則為氮化硅刀具與聚氯乙烯PVC板摩擦后的表面形貌，從圖中也可明顯看出，聚氯乙烯PVC板與氧化鋁刀具摩擦后的表面更為粗糙，與氮化硅刀具摩擦后的表面相比來(lái)說(shuō)較為光滑，這主要是因?yàn)?，氮化硅刀具顆粒密實(shí)，產(chǎn)生的摩擦力較小，溫度升高有限，使得塑料基聚氯乙烯PVC材料熔化量小，產(chǎn)生的粘著力較小，而氧化鋁刀具顆粒較大，摩擦力較大，產(chǎn)生的溫度高于前者，塑料發(fā)生熔化的現(xiàn)象明顯，使得摩擦系數(shù)升高，遠(yuǎn)大于氮化硅刀具。

圖4 兩種陶瓷刀具摩擦后的聚氯乙烯PVC板表面

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用摩擦副形式進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以陶瓷刀具材料種類以及WPC材料的木粉配比為因素，通過(guò)試驗(yàn)得出的摩擦系數(shù)變化數(shù)據(jù)以及表面形貌，從而對(duì)陶瓷刀具加工WPC材料的摩擦特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。結(jié)論如下：

(1)氮化硅基陶瓷刀具相較于氧化鋁基陶瓷刀具，其顆粒更加密實(shí)，從而相較于氧化鋁基刀具更加平滑，與WPC材料的摩擦系數(shù)相對(duì)較小。

(2)不同木粉配比的WPC材料與刀具的摩擦系數(shù)隨著木粉配比的升高，呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，其中木粉與塑料配比為1∶1時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到峰值。

(3)在使用陶瓷刀具對(duì)WPC加工時(shí)，刀具材料的種類對(duì)于聚乙烯PE基WPC材料的摩擦系數(shù)影響相對(duì)較小，對(duì)于聚氯乙烯PVC基WPC材料影響較大，可能其中含有鈣粉，對(duì)摩擦系數(shù)影響較大。因此對(duì)于聚氯乙烯PVC基WPC材料的加工中，建議更多的使用氮化硅基陶瓷刀具，而對(duì)于聚乙烯PE基WPC材料，摩擦系數(shù)相差不大，則兩種陶瓷刀具均可。

陶瓷刀具材料的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，其研究和開發(fā)在一定程度上來(lái)說(shuō)，已經(jīng)處在瓶頸期，如何研究性能更加優(yōu)良的陶瓷復(fù)合材料，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)制造業(yè)發(fā)展的需要的至關(guān)重要。因此，陶瓷材料的發(fā)展還有很大的發(fā)展空間，并且具有其他刀具材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于陶瓷材料在高速切削方面表現(xiàn)出的優(yōu)越性能，陶瓷材料也是最具有前途的高速切削具材料。