二硫化鉬改性熱塑性聚酰亞胺材料穩(wěn)定摩擦磨損性能

1、二硫化鉬改性熱塑性聚酰亞胺材料穩(wěn)定摩擦磨損性能朱鵬 陳震霖 王筱 王曉東 黃培(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 江蘇南京210009)摘要: 改進(jìn)MPX22000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī), 實(shí)現(xiàn)了在線測定材料摩擦磨損性能。實(shí)驗(yàn)測定載荷、滑動速度和對偶面粗糙度等工況條件對二硫化鉬改性熱塑性聚酰亞胺( TP I) 基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響,結(jié)合低真空掃描電子顯微鏡( FESEM) 觀察其磨損面形貌的結(jié)果分析材料磨損機(jī)理。研究表明: 在線測定法與傳統(tǒng)稱重法測定的材料磨損情況基本一致。在線測定結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在材料穩(wěn)定磨損狀況下, 隨著載荷的增大, 材料磨損率增加而摩擦因數(shù)降低; 隨著滑動速度的增大, 材料磨損率增加

2、, 但其對摩擦因數(shù)影響不明顯。高速下磨損機(jī)理主要是嚴(yán)重的粘著磨損和疲勞磨損; 同時(shí)發(fā)現(xiàn)磨損率與對偶面粗糙度呈非線性關(guān)系, 經(jīng)顆粒直徑為46m氧化鋁砂紙打磨過對偶面, 其材料磨損率最低。關(guān)鍵詞: 摩擦磨損; 聚酰亞胺; 磨損機(jī)理中圖分類號: TH11711文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 0254 - 0150 (2006) 1 - 035 3聚酰亞胺( PI) 是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一類高分子材料, 具有良好的力學(xué)性能、耐高溫性能、絕緣性能, 尤其它的減摩耐磨性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等的摩擦領(lǐng)域。純PI的自潤滑性能相對較差, 在某些苛刻條件下難以滿足要求, 為此, 通常采用填充固體潤

3、滑劑以改善材料摩擦性能。二硫化鉬因其具有獨(dú)特的片層晶體結(jié)構(gòu)(層間作用力弱, 層可以沿滑動方向發(fā)生相對移動) , 而被廣泛用作固體潤滑劑。研究表明: MoS2 改性PI復(fù)合材料在摩擦磨損過程中, 易在對偶面上形成轉(zhuǎn)移膜, 具有良好的自潤滑性能, 從而有效地降低了材料的磨損, 大大改善了材料的摩擦磨損性能。傳統(tǒng)材料摩擦性能評價(jià)方法主要是通過在線測定摩擦面切向摩擦力大小, 進(jìn)而得到動摩擦因數(shù)連續(xù)變化情況; 而材料耐磨性能一般只能根據(jù)測試前后材料質(zhì)量、體積等變化來進(jìn)行評價(jià), 其缺點(diǎn)在于只能計(jì)算一個(gè)過程的平均磨損率而無法真實(shí)反映材料磨損的動態(tài)變化, 無法真實(shí)描述材料長期運(yùn)作穩(wěn)定期的磨損情況。本文作者以2

4、0% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) MoS2 改性聚酰亞胺( TPI) 基復(fù)合材料為研究對象, 利用改進(jìn)的MPX22000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在線測量材料摩擦磨損,討論了工況條件對材料在穩(wěn)定期的摩擦磨損性能的影響。1 實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)所用GCPITM 2M1 聚酰亞胺模塑粉(常州廣成新型塑料有限公司生產(chǎn)) , 為黃色粉末狀固體, 密度為1 350 kg/m3 , 玻璃化溫度( Tg ) 為260 。二硫化鉬粉料為上海膠體化工廠生產(chǎn)。TPI和二硫化鉬機(jī)械混合后, 熱模壓成型, 模壓溫度為340 、壓力為20 MPa, 保溫保壓1 h, 降溫至200 后脫模。機(jī)加工成尺寸為<34 mm ×<2512

5、mm ×610 mm的環(huán)試樣。材料摩擦磨損性能測試采用改進(jìn)的MPX22000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī), 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動實(shí)時(shí)記錄材料摩擦因數(shù)、體積磨損量V 和摩擦面溫度T。摩擦接觸形式為環(huán)2盤式, 摩擦對偶件為45#鋼(表面熱處理后硬度為HRC 40 45) , 尺寸為<49 mm ×14 mm, 試驗(yàn)前用氧化鋁耐水砂紙打磨拋光試樣和對偶件并用丙酮清洗干凈。采用FEI公司的QUANTA200型低真空掃描電子顯微鏡( FESEM) 觀察材料磨損表面的形貌特征。2 結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)工況條件為: 滑動速度0157 m / s,載荷0150 MPa, 摩擦面溫度恒定為25 (采用恒

6、溫水槽控溫) , 復(fù)合材料表面與對偶面分別用600#砂紙打磨, 滑動時(shí)間40 min。2、1 在線體積磨損量測量技術(shù)可靠性確定注: 實(shí)驗(yàn)材料為20%MoS2-PI, 測試時(shí)間為90 min, 速度0157m / s, 載荷0150 MPa。表1為在線測定的材料體積磨損量和用稱重法換算的材料體積磨損量。通過3 組平行試驗(yàn)可以看出,兩種方法所測得結(jié)果相對誤差較小, 反映了在線測定方法同樣可以真實(shí)反映過程材料磨損情況, 而且也實(shí)現(xiàn)了過程中磨損量的動態(tài)采集和分析。2、2載荷的影響載荷對材料體積磨損量的影響見圖1, 可以看出根據(jù)磨損率變化,材料磨損過程可以分為材料磨損過渡期和穩(wěn)定期兩個(gè)階段, 這與Yan

7、g等人提出的觀點(diǎn)相似: 過渡期材料磨損量隨時(shí)間變化成拋物線關(guān)系, 材料磨損率不斷降低; 當(dāng)材料磨損隨時(shí)間變化成線性關(guān)系(即材料磨損率趨于穩(wěn)定值) 時(shí), 則認(rèn)為材料磨損進(jìn)入穩(wěn)定階段。在某些實(shí)際使用過程中, 材料需要長期連續(xù)運(yùn)作, 即處于穩(wěn)定磨損階段。因此, 材料在穩(wěn)定期的線性磨損率, 相比于整個(gè)過程平均磨損率, 更能反映材料實(shí)際使用過程中的耐磨性能。為此, 本文主要研究不同工況對材料穩(wěn)定期磨損率的影響。由圖1可以看出在穩(wěn)定磨損階段的材料體積磨損率(反映為直線段斜率) 隨著載荷的增大而增大。同時(shí)通過相應(yīng)階段的摩擦因數(shù)變化情況(表2) , 可以看出載荷對材料平均摩擦因數(shù)影響較小, 但其穩(wěn)定性隨載荷的

8、增加不斷提高(表現(xiàn)為過程中摩擦波動范圍) 。分析認(rèn)為: 低載荷下材料在對偶面易形成均勻且完整的轉(zhuǎn)移膜, 從而起到良好的潤滑作用, 表現(xiàn)為磨損率較低; 隨載荷增大, 材料與對偶面的實(shí)際接觸面積增大, 犁溝阻力增大, 破壞了轉(zhuǎn)移膜的完整性。且高載荷下材料易產(chǎn)生疲勞, 疲勞磨損也相應(yīng)有所增加, 從而導(dǎo)致了材料磨損率增大。而高載荷對系統(tǒng)的機(jī)械振動起到了很好的抑制作用, 表現(xiàn)為摩擦因數(shù)在高載荷下波動性相對減小。注: 表中為磨損穩(wěn)定期(2040 min) 摩擦因數(shù)變化。圖2 不同載荷下的材料磨損面微觀形貌圖2為不同載荷下材料磨損表面微觀形貌圖, 可以看出載荷為015MPa時(shí)磨損表面雖然有微小的凹凸體, 但

9、總體比較平整, 主要是輕微的粘著磨損(圖2( a) ) 。當(dāng)載荷為0175 MPa時(shí)(圖2 ( b) ) , 可以看出表面平整度下降明顯, 磨損表面的結(jié)構(gòu)呈多樣化,主要為犁溝磨損和嚴(yán)重的粘著磨損。2、3 滑動速度的影響表3為不同滑動速度下材料穩(wěn)定磨損率和平均摩擦因數(shù)?？梢? 隨滑動速度的增加( 0157 117m / s) , 穩(wěn)定磨損率隨之增大; 當(dāng)速度為117 m / s時(shí),平均摩擦因數(shù)最大, 為01362。隨著速度的增加, 材料更易產(chǎn)生疲勞, 從而疲勞磨損的加劇是磨損率升高的主要原因; 其次由于材料為不良導(dǎo)熱體, 根據(jù)摩擦熱計(jì)算公式: q =·p·v (其中q為摩擦熱

10、, 為摩擦因數(shù), p為壓力, v為速度) , 滑動速度較大時(shí)所產(chǎn)生的瞬間熱增加, 熱量來不及導(dǎo)出使接觸點(diǎn)溫度瞬間可達(dá)極高值, 導(dǎo)致了材料表面發(fā)生塑性流變和局部軟化, 加劇了粘著磨損。注: 1) 材料穩(wěn)定磨損階段線性擬合結(jié)果; 2) 材料穩(wěn)定磨損階段摩擦因數(shù)數(shù)學(xué)平均值。圖3為速度分別是0185 m / s、117 m / s時(shí)材料磨損表面的微觀形貌圖, 可以看出速度為0185 m / s時(shí)磨損面微觀形貌與圖2 ( a) 所示速度為0157 m / s時(shí)的微觀形貌相似, 雖然存在微小的凹凸體, 但總體較平整, 主要是輕微的粘著磨損。當(dāng)速度為117 m / s時(shí)(圖3 ( b) ) , 摩擦熱大幅增

11、加, 摩擦熱無法及時(shí)移出, 導(dǎo)致材料表面塑性流變增加, 同時(shí)材料表面在對偶面微凸體高頻沖擊下易斷裂, 材料大片粘著剝落后, 磨損表面形成塊狀凹槽, 表現(xiàn)為嚴(yán)重的粘著磨損與疲勞磨損。2、4 對偶面粗糙度的影響表4為對偶面分別經(jīng)100#、300#、600# (磨粒直徑分別為125 m、46 m和26 m) 氧化鋁砂紙打磨過的材料(A、B、C) 的穩(wěn)定磨損率與平均摩擦因數(shù)?？梢钥闯? 在穩(wěn)定磨損階段, B材料磨損率最低, 為2144 ×10 - 14 m3 / (N·m) , 而A材料磨損率最大, 約為B材料磨損率的4倍; B與C材料的平均摩擦因數(shù)相同為01321, 但要比A材料

12、的平均摩擦因數(shù)稍大。表4的結(jié)果表明, 對偶面粗糙度與材料體積磨損率并非簡單的線性關(guān)系, 而是存在最佳對偶面粗糙度, 大于或小于這一粗糙度都會導(dǎo)致磨損率增大。這符合S Bahadur提出的理論: 表面粗糙度較低時(shí),磨屑不易固定在對偶面的微凹槽中, 從而不能形成完整的轉(zhuǎn)移膜, 材料面直接與對偶面微凸體發(fā)生撞擊,產(chǎn)生的磨屑易于脫落, 導(dǎo)致磨損率偏大。粗糙度較高時(shí), 犁溝阻力明顯增大, 磨屑尺寸增加, 導(dǎo)致形成的轉(zhuǎn)移膜不平整。注: 1) 材料穩(wěn)定磨損階段線性擬合結(jié)果; 2) 材料穩(wěn)定磨損階段摩擦因數(shù)數(shù)學(xué)平均值。材料與其摩擦?xí)r粘著阻力和犁溝阻力進(jìn)一步增大, 從而增大材料磨損。而在最佳粗糙度時(shí), 磨屑的大

13、小與對偶面微凹槽的體積大小相似, 能夠較好地嵌于微凹槽中, 從而形成完整且均勻的轉(zhuǎn)移膜, 表現(xiàn)為磨損率最低。對偶面經(jīng)300#、600#砂紙打磨過的材料穩(wěn)定期平均摩擦因數(shù)較大。分析認(rèn)為, 此狀態(tài)下對偶面存在較完整的轉(zhuǎn)移膜, 材料與對偶面鋼材料之間的直接摩擦轉(zhuǎn)化為材料與轉(zhuǎn)移膜之間的摩擦。由于轉(zhuǎn)移膜是以本體材料為主體, 所以摩擦過程中, 材料與轉(zhuǎn)移膜接觸面積較大, 存在著更強(qiáng)的粘著力, 從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)的增大。圖4為高對偶面粗糙度下材料磨損表面的微觀形貌圖, 可以明顯看出磨損面的犁溝和材料脫落跡象,產(chǎn)生的磨屑較大, 符合上述分析。主要是輕微的粘著磨損與磨粒磨損3、結(jié)論(1) 隨著載荷的增大, 材料與對偶面的實(shí)際接觸面積增大, 犁溝阻力相應(yīng)增大, 從而導(dǎo)致了磨損量的增大; 高載荷下, 系統(tǒng)機(jī)械振動得到很好的抑制,穩(wěn)定期摩擦因數(shù)變化幅度呈現(xiàn)減小的趨勢。通過磨損面SEM觀測發(fā)現(xiàn): 低載荷下, 主要是輕微的粘著磨損; 當(dāng)載荷達(dá)到0175 MPa時(shí), 磨損表面