水潤(rùn)滑條件對(duì)UHMWPE復(fù)合材料的摩擦行為影響研究

楊東亞, 田 松, 任俊芳, 王宏剛, 高 貴, 陳生圣

(1. 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 西安航天動(dòng)力研究所, 陜西 西安 710100; 3. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

水潤(rùn)滑軸承應(yīng)用已有百余年，主要用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)造價(jià)昂貴的油潤(rùn)滑軸承，因其良好的抑振抗噪、抗沖擊等性能便脫穎而出[1-4].隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、幾乎無(wú)污染、造價(jià)低和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步凸顯，從而得到國(guó)內(nèi)外的高度重視[5-6].當(dāng)然，水潤(rùn)滑軸承的缺點(diǎn)也很明顯，水膜承載力低，設(shè)計(jì)比壓低，很難達(dá)到理想流體潤(rùn)滑狀態(tài)，特別在啟動(dòng)、停止和重載時(shí)易產(chǎn)生非正常摩擦波動(dòng)和噪聲，并且在不同水域磨損也不同，壽命預(yù)測(cè)偏差較大，導(dǎo)致部件更換周期無(wú)法準(zhǔn)確把握[7-9].因此，定量研究不同水潤(rùn)滑條件對(duì)軸承的摩擦學(xué)性能影響很有必要.

自20世紀(jì)中葉，越來(lái)越多的橡膠復(fù)合材料用于水潤(rùn)滑軸承[10-11]，但上述缺點(diǎn)仍未完全解決.隨著研究的深入，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復(fù)合材料因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗磨損性能和疏水性能而被廣泛用于水潤(rùn)滑關(guān)鍵軸承[12-15].在實(shí)際應(yīng)用中，艦艇吃水深度和軸承結(jié)構(gòu)配合尺寸的不同，會(huì)使摩擦面壓強(qiáng)不同，潤(rùn)滑工況不同.目前，相關(guān)研究均針對(duì)水潤(rùn)滑充分狀態(tài)，鮮少探究水潤(rùn)滑不充分工況下的摩擦性能.

因此，本文針對(duì)UHMWPE復(fù)合材料/GCr15摩擦副，采用控制變量法通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分兩步選定UHMWPE復(fù)合材料，再進(jìn)行不同水潤(rùn)滑條件下摩擦磨損特性對(duì)比分析，定量研究潤(rùn)滑狀況的影響規(guī)律，并通過(guò)微觀分析揭示選定材料的磨損機(jī)理，為艦艇水潤(rùn)滑軸承的摩擦學(xué)性能分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用原材料如表1所示.

表1 原材料

1.2 試樣制備

將各組分材料按照比例高速分離20 min，然后在Brabernder混煉機(jī)中195 ℃混合30 min.取出后在6 MPa和85 ℃條件下壓制120 min成型，并加工成19 mm×12 mm×12 mm大小的實(shí)驗(yàn)樣塊.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

材料篩選實(shí)驗(yàn)采用控制變量法分兩步進(jìn)行：

第一步，以800 W分子量GUR-4150為基體，探究3種橡膠填料VP101、VP501、VP601的改性效果，配方如表2所列.并與純800 W分子量GUR-4150所制試樣定量對(duì)比各自的摩擦學(xué)性能.再通過(guò)電子顯微鏡(SEM)觀察試樣磨損表面，分析4種材料的磨損機(jī)理，從而篩選出性能優(yōu)異的橡膠材料VP-x01(No.y,VP-x01為優(yōu)選的型號(hào)).

表2 控制變量法第一步試樣配比

第二步，針對(duì)篩選出的橡膠材料VP-x01，進(jìn)一步探究其分別添加500 W分子量GUR-4150、800 W分子量GUR-4150與500 W分子量三井L4000的3種UHMWPE復(fù)合材料改性效果，配方如表3所列.同樣通過(guò)比較摩擦系數(shù)與磨損率變化，并在微觀層面進(jìn)行表征分析，通過(guò)控制變量法篩選出性能相對(duì)最佳材料配比，以進(jìn)行后續(xù)研究.

表3 控制變量法第二步試樣配比

1.4 摩擦實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用Mrh-3環(huán)塊摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示.實(shí)驗(yàn)樣塊固定，對(duì)偶環(huán)由電機(jī)帶動(dòng)，材質(zhì)為GCr15，表面粗糙度Ra≤0.1 μm，尺寸為50 mm×40 mm×13 mm.實(shí)驗(yàn)條件為水潤(rùn)滑、室溫環(huán)境，實(shí)驗(yàn)載荷為66 N.依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)MIl-B-17901，確定轉(zhuǎn)速為210 r/m，對(duì)應(yīng)的線速度為541 mm/s，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60 min.實(shí)驗(yàn)前使用酒精棉球擦洗試樣與對(duì)偶鋼環(huán)，實(shí)驗(yàn)后將試樣放入100 ℃烘箱24 h后取出，再使用0.1 mg精度的電子分析天平對(duì)試樣進(jìn)行稱重.摩擦系數(shù)由實(shí)驗(yàn)機(jī)自帶軟件進(jìn)行采集，復(fù)合材料的體積磨損率為[16]

圖1 實(shí)驗(yàn)機(jī)原理圖Fig.1 The schematic diagram of the tester

(1)

式中：K表示試樣的體積磨損率；Δm表示試樣在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量差；ρ為試樣密度；N為實(shí)驗(yàn)加載載荷；L為摩擦距離.

實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制BT100-2J型蠕動(dòng)泵滴水速度來(lái)模擬對(duì)偶面工作時(shí)的潤(rùn)滑狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間t=60 min.2種缺水潤(rùn)滑條件所對(duì)應(yīng)的含水量體積分別為全水潤(rùn)滑(浸水狀態(tài))時(shí)水介質(zhì)體積的50%和25%，如表4所列.缺水環(huán)境的滴水速度為

表4 不同水潤(rùn)滑條件設(shè)計(jì)

(2)

式中：v為蠕動(dòng)泵滴水的速度；V為潤(rùn)滑區(qū)域的體積總量，由全水潤(rùn)滑、少水潤(rùn)滑和乏水潤(rùn)滑3種不同體積量組成；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間.

1.5 表面形貌分析

試樣磨損面噴金后用JSM-6380LV掃描電子顯微鏡觀察磨痕形貌，測(cè)量面積由顯微鏡刻度確定，取試樣磨損面上0.5 mm×0.5 mm的區(qū)域進(jìn)行分析.

2 結(jié)果討論

2.1 橡膠填料對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能影響

2.1.1不同填充橡膠對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖2給出了3種不同組分橡膠填料共混GUR-4150試樣與純GUR-4150試樣共4種UHWMPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化曲線.由圖可知，整體上摩擦系數(shù)曲線均呈現(xiàn)下降趨勢(shì).#1純GUR-4150試樣的摩擦系數(shù)從0.10逐漸降至0.06.加入VP101(丁苯橡膠)后，#2試樣摩擦系數(shù)出現(xiàn)一定程度降低，在0.45～0.60之間.加入VP601(硅橡膠)后#4與#2試樣保持相近的摩擦系數(shù)變化.而加入VP501(全硫化羧丁腈橡膠)后，#3試樣摩擦系數(shù)繼續(xù)降低至0.03～0.04之間.上述4種材料的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)初期降低，但隨著時(shí)間的推移而趨于穩(wěn)定.原因是限于加工條件，試樣表面盡管經(jīng)過(guò)粗、細(xì)砂紙打磨和絨布拋光后，肉眼觀察較光滑，但微觀仍凹凸不平.當(dāng)試樣與GCr15對(duì)偶環(huán)接觸運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸峰先接觸，且在壓力的作用下逐漸冷焊并粘著.故實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)摩擦系數(shù)較高，隨著時(shí)間的推移，試樣表面一直保持粘著-破壞-粘著等過(guò)程，摩擦系數(shù)在此期間持續(xù)降低，直至凸峰被逐漸磨平，摩擦系數(shù)大幅降低，并趨于穩(wěn)定.在上述過(guò)程中，試樣表面先出現(xiàn)少量磨損，但磨損面的材料更顯緊致光滑，水膜逐漸成型，由混合潤(rùn)滑逐漸變?yōu)閺椓鳚?rùn)滑，摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低[13].

圖2 不同橡膠填充材料摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線Fig.2 Friction coefficient - time curve of materials filled with different rubber

2.1.2不同橡膠填料對(duì)磨損率的影響

圖3給出了4種試樣在相同條件下的體積磨損率變化情況.由圖可知，在GUR-4150基體中加入不同組分的橡膠填料，體積磨損率均出現(xiàn)不同程度的減小，且區(qū)別明顯.UHMWPE復(fù)合材料在熱壓成型后，其材質(zhì)致密性較低，粘著磨損過(guò)程劇烈，并產(chǎn)生摩擦熱，使表面溫度升高，導(dǎo)致磨損增大.UHMWPE復(fù)合材料疏松的材料本質(zhì)使其抗剪切和抗蠕變性都較低，耐磨性差，從而表現(xiàn)出體積磨損率大.隨著GUR-4150基體中填充不同的橡膠材料，UHMWPE復(fù)合材料的磨損率逐漸減小，原因在于橡膠填料使復(fù)合材料空隙減小，結(jié)構(gòu)更為緊密，從而摩擦系數(shù)減小，體積磨損率降低.

圖3 不同橡膠填充材料磨損率Fig.3 Wear rate of composites filled with different rubber

通過(guò)上述不同試樣的摩擦系數(shù)和體積磨損率的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)加入橡膠可明顯提高復(fù)合材料的摩擦磨損性能.特別是加入VP501全硫化羧丁腈橡膠后，#3(No.y)試樣摩擦磨損性能最佳，故選VP501作為橡膠填料(VP-x01)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).

2.2 UHMWPE基體對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能影響

2.2.1不同UHMWPE基體對(duì)摩擦系數(shù)的影響

為了研究VP501加入不同UHMWPE復(fù)合材料后摩擦磨損性能的差異，將3種基體材料500W分子量GUR-4150、800W分子量GUR-4150和日本三井L4000按表2所列比例混合VP501制備出3種不同UHMWPE復(fù)合材料，并在環(huán)塊摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)上以全水潤(rùn)滑狀態(tài)完成控制變量法的第二步摩擦磨損實(shí)驗(yàn).

圖4給出了3種UHMWPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化曲線.由圖可知，#3(800 W分子量GUR-4150+VP501)試樣與#6(L4000+VP501)試樣整體上摩擦系數(shù)較高，摩擦系數(shù)變化較劇烈，而#5(500 W分子量GUR-4150+VP501)試樣的摩擦系數(shù)曲線較平穩(wěn)，摩擦系數(shù)值相對(duì)較低.故依據(jù)摩擦系數(shù)變化，500 W分子量GUR-4150基體材料的試樣表現(xiàn)最好.

圖4 不同復(fù)合材料在水潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線Fig.4 Friction coefficient - time curves of different composites under water lubrication

2.2.2不同UHMWPE基體對(duì)復(fù)合材料體積磨損率的影響

圖5給出了3種UHMWPE復(fù)合材料試樣在相同水潤(rùn)滑條件下的體積磨損率變化情況.由圖可知，#3試樣體積磨損率最高，其次是#5試樣，#5試樣的體積磨損率較#3試樣整體降低50%，而#6試樣表現(xiàn)出更低的體積磨損率，較#5試樣整體降低20%.因此，依據(jù)體積磨損率變化，500W分子量GUR-4150基體材料的試樣較優(yōu).

圖5 不同復(fù)合材料在水潤(rùn)滑條件下體積磨損率Fig.5 Volume wear rate of different composites under water lubrication condition

綜合考慮摩擦系數(shù)和體積磨損率兩方面，牌號(hào)為500W分子量GUR-4150作為UHMWPE復(fù)合材料的基體綜合效果最好，因此優(yōu)選#5試樣進(jìn)行后續(xù)研究.

2.3 不同水潤(rùn)滑條件下試樣磨損情況

學(xué)術(shù)界公認(rèn)摩擦副的摩擦磨損過(guò)程分為3個(gè)階段：開(kāi)始時(shí)磨合磨損階段，摩擦系數(shù)與磨損率隨時(shí)間逐漸增大；很快進(jìn)入平穩(wěn)磨損階段，此時(shí)摩擦系數(shù)與磨損率趨于平穩(wěn)；最后為劇烈磨損階段，摩擦系數(shù)與磨損率變化劇烈.

圖6給出了#5試樣UHMWPE復(fù)合材料在3種不同水潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)曲線.由圖可知：當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件為全水潤(rùn)滑時(shí)摩擦系數(shù)整體在0.275～0.325之間變化，波動(dòng)幅度在0.02左右，開(kāi)始時(shí)摩擦系數(shù)逐漸上升，此時(shí)環(huán)塊之間處于磨合磨損階段，并在7 min左右趨于穩(wěn)定；隨著供水量的降低，摩擦系數(shù)整體在0.33～0.40之間變化，波動(dòng)幅度在0.03左右，并在13 min左右趨于穩(wěn)定，較全水潤(rùn)滑摩擦系數(shù)波動(dòng)增大了50%，磨合時(shí)長(zhǎng)增加了85.7%；當(dāng)供水量進(jìn)一步降低時(shí)，摩擦系數(shù)整體在0.33～0.45之間變化，波動(dòng)幅度在0.08左右，直到20 min后才達(dá)到平穩(wěn)磨損階段，較全水潤(rùn)滑摩擦系數(shù)波動(dòng)增大了275%，磨合時(shí)長(zhǎng)增加了186%.此外，由于UHMWPE復(fù)合材料自身的特性和水介質(zhì)的存在，所以摩擦過(guò)程短時(shí)間內(nèi)不會(huì)進(jìn)入劇烈磨損階段.

圖6 #5材料在不同水潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線Fig.6 Friction coefficient - time curves of #5 composites under different water lubrication conditions

2.4 表面形貌分析

圖7為3種潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)條件下的微觀形貌表征圖像，實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3相比，表面形貌存在顯著差異.由圖7a可知，磨合磨損階段與平穩(wěn)磨損階段試樣表面較為光滑，僅在第Ⅱ階段出現(xiàn)輕微磨損軌跡.全水潤(rùn)滑時(shí)，兩接觸面之間始終存在水介質(zhì)以減小表面磨損.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段的磨損較小，且少量磨屑會(huì)被水帶走，而磨損表面會(huì)因反復(fù)輾軋而變得更加致密光滑.進(jìn)入第Ⅱ階段后，對(duì)偶表面磨損凹坑變大.由微觀形貌表征可知,橡膠與GUR-4150在熱壓時(shí)并沒(méi)有完全結(jié)合，在接觸應(yīng)力的作用下，材料表層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得表面橡膠顆粒出現(xiàn)松脫，掉落后形成凹坑，從而發(fā)生輕微的疲勞磨損[17-18].由圖7b可知，少水潤(rùn)滑條件下，摩擦磨損第Ⅰ階段出現(xiàn)了較明顯的磨痕軌跡，第Ⅱ階段出現(xiàn)疲勞磨損.由圖7c可知，乏水潤(rùn)滑條件下，第Ⅰ階段摩擦劃痕更為明顯，且有較明顯的磨損軌跡，第Ⅱ階段有明顯的片狀磨粒與凹坑，發(fā)生了較為嚴(yán)重的疲勞磨損，且有一定的粘著磨損.這是由于供水量進(jìn)一步減少，平穩(wěn)磨損階段出現(xiàn)了更多的片狀撕扯痕跡，犁溝的數(shù)量逐漸變多，對(duì)偶面溫度逐漸升高，部分水滴被蒸發(fā)，缺水程度加劇.在此高負(fù)荷邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，出現(xiàn)了較大程度的熱摩擦和塑性變形，表面也出現(xiàn)一定軟化，使得摩擦副實(shí)際接觸面積變大，從而導(dǎo)致UHMWPE復(fù)合材料出現(xiàn)坑洞和撕裂片層，大面積撕扯痕跡明顯可見(jiàn)[19-20].

圖7 3種水潤(rùn)滑工況下對(duì)應(yīng)的表面形貌Fig.7 Corresponding surface morphology under three water lubrication conditions

綜上所述，水潤(rùn)滑不充分時(shí)UHMWPE復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能與表面微觀形貌變化幅度較大，摩擦磨損相比全水潤(rùn)滑約增大了1.5倍和2倍，磨合期較全水潤(rùn)滑時(shí)分別增加了85.7%和186%，摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度分別增大了50%和275%.由此可知，對(duì)于船舶傳動(dòng)系統(tǒng)的水潤(rùn)滑軸承，潤(rùn)滑環(huán)境越差，磨合期會(huì)越長(zhǎng)，穩(wěn)定磨損越劇烈，并且多種磨損形式并存.

3 結(jié)論

1) 500 W分子量GUR-4150和VP501丁腈橡膠作為基體材料時(shí)，可明顯減小UHMWPE復(fù)合材料摩擦系數(shù)與磨損率，提高耐磨性能.

2) 水潤(rùn)滑條件不同導(dǎo)致UHMWPE復(fù)合材料磨損機(jī)理也不同.全水潤(rùn)滑時(shí)，僅發(fā)生少許疲勞磨損；少水潤(rùn)滑時(shí)，摩擦磨損約增大了1.5倍，摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度增大了50%，磨合期增加了85.7%，出現(xiàn)了粘著磨損；乏水潤(rùn)滑時(shí)，磨損率增大了2倍左右，摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度增大了275%，磨合期增加了186%，粘著磨損更早出現(xiàn).