二硫化钼改性热塑性聚酰亚胺材料稳定摩擦磨损性能

1、二硫化钼改性热塑性聚酰亚胺材料稳定摩擦磨损性能朱鹏 陈震霖 王筱 王晓东 黄培(南京工业大学化学化工学院 江苏南京210009)摘要: 改进MPX22000摩擦磨损试验机, 实现了在线测定材料摩擦磨损性能。实验测定载荷、滑动速度和对偶面粗糙度等工况条件对二硫化钼改性热塑性聚酰亚胺( TP I) 基复合材料摩擦磨损性能的影响,结合低真空扫描电子显微镜( FESEM) 观察其磨损面形貌的结果分析材料磨损机理。研究表明: 在线测定法与传统称重法测定的材料磨损情况基本一致。在线测定结果发现: 在材料稳定磨损状况下, 随着载荷的增大, 材料磨损率增加而摩擦因数降低; 随着滑动速度的增大, 材料磨损率增加

2、, 但其对摩擦因数影响不明显。高速下磨损机理主要是严重的粘着磨损和疲劳磨损; 同时发现磨损率与对偶面粗糙度呈非线性关系, 经颗粒直径为46m氧化铝砂纸打磨过对偶面, 其材料磨损率最低。关键词: 摩擦磨损; 聚酰亚胺; 磨损机理中图分类号: TH11711文献标识码: A文章编号: 0254 - 0150 (2006) 1 - 035 3聚酰亚胺( PI) 是20世纪50年代发展起来的一类高分子材料, 具有良好的力学性能、耐高温性能、绝缘性能, 尤其它的减摩耐磨性能被广泛应用于航空航天、医疗器械等的摩擦领域。纯PI的自润滑性能相对较差, 在某些苛刻条件下难以满足要求, 为此, 通常采用填充固体润

3、滑剂以改善材料摩擦性能。二硫化钼因其具有独特的片层晶体结构(层间作用力弱, 层可以沿滑动方向发生相对移动) , 而被广泛用作固体润滑剂。研究表明: MoS2 改性PI复合材料在摩擦磨损过程中, 易在对偶面上形成转移膜, 具有良好的自润滑性能, 从而有效地降低了材料的磨损, 大大改善了材料的摩擦磨损性能。传统材料摩擦性能评价方法主要是通过在线测定摩擦面切向摩擦力大小, 进而得到动摩擦因数连续变化情况; 而材料耐磨性能一般只能根据测试前后材料质量、体积等变化来进行评价, 其缺点在于只能计算一个过程的平均磨损率而无法真实反映材料磨损的动态变化, 无法真实描述材料长期运作稳定期的磨损情况。本文作者以2

4、0% (质量分数) MoS2 改性聚酰亚胺( TPI) 基复合材料为研究对象, 利用改进的MPX22000摩擦磨损试验机在线测量材料摩擦磨损,讨论了工况条件对材料在稳定期的摩擦磨损性能的影响。1 实验部分实验所用GCPITM 2M1 聚酰亚胺模塑粉(常州广成新型塑料有限公司生产) , 为黄色粉末状固体, 密度为1 350 kg/m3 , 玻璃化温度( Tg ) 为260 。二硫化钼粉料为上海胶体化工厂生产。TPI和二硫化钼机械混合后, 热模压成型, 模压温度为340 、压力为20 MPa, 保温保压1 h, 降温至200 后脱模。机加工成尺寸为<34 mm ×<2512

5、mm ×610 mm的环试样。材料摩擦磨损性能测试采用改进的MPX22000摩擦磨损试验机, 实现计算机自动实时记录材料摩擦因数、体积磨损量V 和摩擦面温度T。摩擦接触形式为环2盘式, 摩擦对偶件为45#钢(表面热处理后硬度为HRC 40 45) , 尺寸为<49 mm ×14 mm, 试验前用氧化铝耐水砂纸打磨抛光试样和对偶件并用丙酮清洗干净。采用FEI公司的QUANTA200型低真空扫描电子显微镜( FESEM) 观察材料磨损表面的形貌特征。2 结果与讨论实验设定标准工况条件为: 滑动速度0157 m / s,载荷0150 MPa, 摩擦面温度恒定为25 (采用恒

6、温水槽控温) , 复合材料表面与对偶面分别用600#砂纸打磨, 滑动时间40 min。2、1 在线体积磨损量测量技术可靠性确定注: 实验材料为20%MoS2-PI, 测试时间为90 min, 速度0157m / s, 载荷0150 MPa。表1为在线测定的材料体积磨损量和用称重法换算的材料体积磨损量。通过3 组平行试验可以看出,两种方法所测得结果相对误差较小, 反映了在线测定方法同样可以真实反映过程材料磨损情况, 而且也实现了过程中磨损量的动态采集和分析。2、2载荷的影响载荷对材料体积磨损量的影响见图1, 可以看出根据磨损率变化,材料磨损过程可以分为材料磨损过渡期和稳定期两个阶段, 这与Yan

7、g等人提出的观点相似: 过渡期材料磨损量随时间变化成抛物线关系, 材料磨损率不断降低; 当材料磨损随时间变化成线性关系(即材料磨损率趋于稳定值) 时, 则认为材料磨损进入稳定阶段。在某些实际使用过程中, 材料需要长期连续运作, 即处于稳定磨损阶段。因此, 材料在稳定期的线性磨损率, 相比于整个过程平均磨损率, 更能反映材料实际使用过程中的耐磨性能。为此, 本文主要研究不同工况对材料稳定期磨损率的影响。由图1可以看出在稳定磨损阶段的材料体积磨损率(反映为直线段斜率) 随着载荷的增大而增大。同时通过相应阶段的摩擦因数变化情况(表2) , 可以看出载荷对材料平均摩擦因数影响较小, 但其稳定性随载荷的

8、增加不断提高(表现为过程中摩擦波动范围) 。分析认为: 低载荷下材料在对偶面易形成均匀且完整的转移膜, 从而起到良好的润滑作用, 表现为磨损率较低; 随载荷增大, 材料与对偶面的实际接触面积增大, 犁沟阻力增大, 破坏了转移膜的完整性。且高载荷下材料易产生疲劳, 疲劳磨损也相应有所增加, 从而导致了材料磨损率增大。而高载荷对系统的机械振动起到了很好的抑制作用, 表现为摩擦因数在高载荷下波动性相对减小。注: 表中为磨损稳定期(2040 min) 摩擦因数变化。图2 不同载荷下的材料磨损面微观形貌图2为不同载荷下材料磨损表面微观形貌图, 可以看出载荷为015MPa时磨损表面虽然有微小的凹凸体, 但

9、总体比较平整, 主要是轻微的粘着磨损(图2( a) ) 。当载荷为0175 MPa时(图2 ( b) ) , 可以看出表面平整度下降明显, 磨损表面的结构呈多样化,主要为犁沟磨损和严重的粘着磨损。2、3 滑动速度的影响表3为不同滑动速度下材料稳定磨损率和平均摩擦因数。可见, 随滑动速度的增加( 0157 117m / s) , 稳定磨损率随之增大; 当速度为117 m / s时,平均摩擦因数最大, 为01362。随着速度的增加, 材料更易产生疲劳, 从而疲劳磨损的加剧是磨损率升高的主要原因; 其次由于材料为不良导热体, 根据摩擦热计算公式: q =·p·v (其中q为摩擦热

10、, 为摩擦因数, p为压力, v为速度) , 滑动速度较大时所产生的瞬间热增加, 热量来不及导出使接触点温度瞬间可达极高值, 导致了材料表面发生塑性流变和局部软化, 加剧了粘着磨损。注: 1) 材料稳定磨损阶段线性拟合结果; 2) 材料稳定磨损阶段摩擦因数数学平均值。图3为速度分别是0185 m / s、117 m / s时材料磨损表面的微观形貌图, 可以看出速度为0185 m / s时磨损面微观形貌与图2 ( a) 所示速度为0157 m / s时的微观形貌相似, 虽然存在微小的凹凸体, 但总体较平整, 主要是轻微的粘着磨损。当速度为117 m / s时(图3 ( b) ) , 摩擦热大幅增

11、加, 摩擦热无法及时移出, 导致材料表面塑性流变增加, 同时材料表面在对偶面微凸体高频冲击下易断裂, 材料大片粘着剥落后, 磨损表面形成块状凹槽, 表现为严重的粘着磨损与疲劳磨损。2、4 对偶面粗糙度的影响表4为对偶面分别经100#、300#、600# (磨粒直径分别为125 m、46 m和26 m) 氧化铝砂纸打磨过的材料(A、B、C) 的稳定磨损率与平均摩擦因数。可以看出, 在稳定磨损阶段, B材料磨损率最低, 为2144 ×10 - 14 m3 / (N·m) , 而A材料磨损率最大, 约为B材料磨损率的4倍; B与C材料的平均摩擦因数相同为01321, 但要比A材料

12、的平均摩擦因数稍大。表4的结果表明, 对偶面粗糙度与材料体积磨损率并非简单的线性关系, 而是存在最佳对偶面粗糙度, 大于或小于这一粗糙度都会导致磨损率增大。这符合S Bahadur提出的理论: 表面粗糙度较低时,磨屑不易固定在对偶面的微凹槽中, 从而不能形成完整的转移膜, 材料面直接与对偶面微凸体发生撞击,产生的磨屑易于脱落, 导致磨损率偏大。粗糙度较高时, 犁沟阻力明显增大, 磨屑尺寸增加, 导致形成的转移膜不平整。注: 1) 材料稳定磨损阶段线性拟合结果; 2) 材料稳定磨损阶段摩擦因数数学平均值。材料与其摩擦时粘着阻力和犁沟阻力进一步增大, 从而增大材料磨损。而在最佳粗糙度时, 磨屑的大

13、小与对偶面微凹槽的体积大小相似, 能够较好地嵌于微凹槽中, 从而形成完整且均匀的转移膜, 表现为磨损率最低。对偶面经300#、600#砂纸打磨过的材料稳定期平均摩擦因数较大。分析认为, 此状态下对偶面存在较完整的转移膜, 材料与对偶面钢材料之间的直接摩擦转化为材料与转移膜之间的摩擦。由于转移膜是以本体材料为主体, 所以摩擦过程中, 材料与转移膜接触面积较大, 存在着更强的粘着力, 从而导致摩擦因数的增大。图4为高对偶面粗糙度下材料磨损表面的微观形貌图, 可以明显看出磨损面的犁沟和材料脱落迹象,产生的磨屑较大, 符合上述分析。主要是轻微的粘着磨损与磨粒磨损3、结论(1) 随着载荷的增大, 材料与对偶面的实际接触面积增大, 犁沟阻力相应增大, 从而导致了磨损量的增大; 高载荷下, 系统机械振动得到很好的抑制,稳定期摩擦因数变化幅度呈现减小的趋势。通过磨损面SEM观测发现: 低载荷下, 主要是轻微的粘着磨损; 当载荷达到0175 MPa时, 磨损表面