载荷和转速对HDPE多元复合材料摩擦学性能的影响*

周 卓 龙春光 闵建新 黎 帅

(长沙理工大学轻量化新材料研究所 湖南长沙 410004)

据估计世界上有1/3～1/2的能量消耗于摩擦过程中，机器零部件的失效大部分是磨损所致[1]。影响材料摩擦磨损性能的因素有很多，如环境温度、滑动速度、接触压力、表面状态等，因此研究摩擦材料在不同工况下的性能很有必要[2]。孙文丽等[3]通过改变润滑状态、载荷和转速等摩擦条件，研究了赛龙轴承材料摩擦学特性，发现在干摩擦和湿润滑条件下，转速变化对摩擦因数的影响显著，而海水润滑时，载荷是摩擦因数的主要影响因素。尚明基等[4]研究了不同载荷对水润滑高分子材料的磨损机制，发现材料在中等载荷具有最佳耐磨性能。吴茵等人[5]以载荷和转速为实验变量对聚甲醛复合材料摩擦学性能进行研究，发现当载荷或转速增加时，聚甲醛复合材料的耐磨性降低，摩擦因数呈先增后降的趋势。龙春光等[6-7]研究了Ekonol/G/MoS2/PEEK复合材料在不同转速、载荷下的摩擦学特性并分析了磨损机制，发现材料的摩擦因数与载荷无关，当载荷增大材料的耐磨性降低，磨损机制由黏着磨损转变为磨粒磨损；当转速升高时，材料的摩擦因数以及磨损率都呈先增大后减小再增大的变化趋势，磨损机制由黏着磨损转变为疲劳磨损，转速超过300 r/min时发生磨粒磨损。可见各种材料在不同工况下都有不同的摩擦磨损规律，研究这些规律可以为材料的实际应用提供理论参考。

高密度聚乙烯(HDPE)是一种非极性的热塑性树脂[8]，因为具有结晶度高，耐磨性好，化学性质稳定，易于加工且价格低廉等优点，被广泛应用于各种领域。很多学者对其改性并进行了摩擦学研究，以扩大其应用范围[9-11]。为进一步改善HDPE的耐磨性、自润滑性和力学性能，本文作者所在的课题组以HDPE为基体，通过填充PTW(六钛酸钾晶须)增强复合材料的力学性能，通过添加固体润滑剂聚四氟乙烯(PTFE)改善复合材料的摩擦学性能，通过添加滑石粉(TP)增强基体的结晶性能，制备了一种HDPE/PTW/PTFE/TP复合材料。为探讨制备的HDPE/PTW/PTFE/TP复合材料在不同工况下的摩擦磨损规律，在MMW-1型摩擦磨损试验机上对复合材料在不同载荷和转速下的摩擦学性能进行深入研究，并借助SEM分析其磨损形貌，探讨了材料的磨损机制。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为自制的HDPE/PTW/PTFE/TP复合材料，原材料按一定配方共混后经挤出造粒再采用注塑成型制得样品。注塑机参数设置为：料筒温度分别为180、200、210 ℃，注射压力为60 MPa，保压时间为10 s，从模具中取出试样后置于烘箱中50 ℃下退火2 h。

1.2 摩擦磨损试验

摩擦磨损试验在MMW-1型销盘摩擦磨损试验机上完成，对偶件为φ5 mm 柱销，所用材料为45钢，硬度为45～50HRC；试样尺寸为φ30 mm×3 mm的标准片，材料参数见表1。

试验前依次使用 400、600、1 000目砂纸对试样表面进行打磨，然后使用乙醇溶液清洗后烘干。试验载荷为100～400 N，转速为200～350 r/min，试验时间为2 h，试验在室温条件下。试验前后使用精度为 0.01 mg 的电子天平称量试样质量。摩擦因数μ由计算机自行采集计算得到。在同等试验条件下，进行5组试验取平均值。试验完成后，使用扫描电镜观察磨损形貌，以分析磨损机制。试验参数组合及结果见表2。

表2 试验工况参数及结果

2 试验结果与讨论

2.1 载荷和转速对摩擦因数的影响

图1所示是以载荷、转速为试验变量下的摩擦因数变化趋势。图1(a)表明，载荷增大时摩擦因数大致呈减小的趋势，这是因为高分子材料的基体HDPE较软，变形大，45钢的微凸体在较小载荷下很容易嵌入材料，此时载荷的增大并不能使真实接触面积显著增大，真实接触面积与载荷的比值随载荷的增大而减小[4]，因此摩擦因数减小。从图1(a)还可以看出，当转速为300、350 r/min时，摩擦因数波动大，而在转速为100 r/min时，摩擦因数明显呈线性减小，说明在高转速下，载荷对摩擦因数的影响大，而当转速较小时，载荷对摩擦因数的影响小。

图1(b)表明，随着转速的增大，摩擦因数在100 N时的曲线平缓，而在200、300、400 N时摩擦因数先增大后减小，并且波动起伏大。这说明在低载下转速对摩擦因数没有明显影响，而在高载下转速的变化会使摩擦因数有显著变化。

综上所述，高转速和高载荷都对摩擦因数影响较大，在高速高载下，较大的摩擦功使摩擦表面温度上升，改变了摩擦状态，从而引起摩擦因数的变化。

2.2 载荷和转速对磨损率的影响

图2所示是以载荷、转速为试验变量下的磨损率变化趋势。可以看出，在350 r/min、400 N的高速高载摩擦条件下磨损率剧烈变化，这是由于摩擦条件超过材料的极限PV值，剪切强度下降，更容易形成磨屑排出基体。

除去350 r/min、400 N的极端工况，从图2(a)可以看出材料的磨损率随载荷的增大大致呈线性增长，符合Archard磨损理论[12]：材料的体积磨损率与载荷成正比，其斜率为磨损系数K与材料硬度的比值。从图2(a)还可以看出，除去极端工况后，当转速为350 r/min和200 r/min时HDPE复合材料的磨损率几乎一致，并且随载荷的增大平稳增加；而在转速为250 r/min和300 r/min时磨损率随载荷的增大波动变大,说明材料在低转速和高转速时磨损状态稳定，在中等转速时随着载荷变化，磨损机制发生了变化。

从图2(b)可以看出，除去极端工况，材料的磨损率呈先增大后减小的变化趋势，结合图2(a)可以发现材料在低转速和高转速时有较好的耐磨性。这是由于在中低速时，转速越大，摩擦表面热量集聚导致温度升高，磨损机制发生变化，磨损率变高；而在高转速下，摩擦界面间的微凸体接触持续时间变短，瞬间产生的大量摩擦热来不及向复合材料内层扩散，使表面层的HDPE熔融产生流体润滑作用，从而使磨损率减小。而当载荷较大时，产生的摩擦热更多，因此材料会在较低转速时改变磨损机制，从而使磨损率在较低转速时达到峰值。图2(b)还表明，在载荷为100 N时磨损率波动较小，说明在低载时转速对磨损率的影响小，这是因为低载时摩擦功率低，温升不明显，与文献[13]认为的忽略温度变化时，磨损率与转速无关的结论一致。

2.3 试验数据的方差分析

为了进一步分析载荷和转速对摩擦因数及磨损率影响的显著性，对试验结果(见表2)进行双因素方差分析，分析结果如表3、表4所示。表中F是组间均方与误差均方的比值，是方差分析的检验统计量。一般来说，若F>F0.01,则认为该因素对试验结果影响非常显著，若F0.01>F>F0.05则认为该因素对试验结果影响显著，若F

由表3和表4可以看出：载荷对摩擦因数有非常显著的影响，转速对摩擦因数有显著影响；载荷对磨损率的影响非常显著，而转速对磨损率无显著影响。从图1和图2可以直观地看到，以载荷为变量时，摩擦因数单调递减，磨损率单调递增，变化范围很大，而以转速为变量时，摩擦因数和磨损率起伏波动，变化范围较小。这是因为载荷增大时，不仅可以提高摩擦功率改变摩擦状态，还能改变弹塑性接触状态，从而对材料的摩擦磨损性能有非常显著的影响；而转速主要通过影响温度来改变摩擦状态，从而对摩擦因数有一定的影响，对磨损率的影响不太显著。因此在设计材料的使用工况时应该优先考虑载荷。

表3 摩擦因数方差分析

表4 磨损率方差分析

2.4 磨损表面形貌分析

图3所示为200 N载荷时不同转速下的磨损表面形貌。从图3(a)中可以观察到犁沟作用的痕迹，放大至2 000倍时，可以看到犁沟破坏痕迹下有许多微裂纹(如图3(b)所示)。这是因为材料在200 r/min、200 N时摩擦功率低且散热快，摩擦表面温度低于材料基体HDPE的玻璃化转变温度，材料呈脆性，45钢表面的微凸体嵌入材料时接触区的张应力超过临界值使材料出现裂纹，当产生滑动时材料表面产生犁沟，并且在摩擦表面间的黏合作用[15]和循环应力的作用下使材料的裂纹扩展导致疲劳破坏。此时的磨损机制是轻微的犁沟切削和疲劳磨损的综合作用，但由于固体润滑剂PTFE在对偶面能够形成转移膜，摩擦因数和磨损率较小。图3(c)中不仅有犁沟作用的破坏痕迹，还出现了明显的裂纹扩展，说明在转速增高后，高频率的循环应力使疲劳磨损加剧，裂纹的扩展使磨损表面变得粗糙且不连续，不利于转移膜的形成，PTW晶须与HDPE基体的连接弱化更易脱落形成磨屑，摩擦因数和磨损率都有所上升。从图3(d)中可以看到很多片状撕裂的痕迹，这说明随着转速的进一步升高材料产生了黏着磨损，此时摩擦热迅速积累，摩擦表面的温度达到HDPE的玻璃化转变温度，高分子材料表面在摩擦热的作用下软化，剪切强度下降导致摩擦因数减小，表层的部分PTW晶须被拔出形成磨屑，不再承担载荷与磨损，导致磨损率增大。从图3(e)中可以看到350 r/min时磨损表面较平滑，没有明显的破坏，放大至2 000倍时，可以看到磨损表面覆盖了熔融的材料(如图3(f)所示)，说明发生了明显的塑性流动，因此350 r/min时的磨损机制为高温引起的塑性流动。熔融的材料填补了表面的微裂纹，阻止了裂纹扩张，还起到了流体润滑的作用，因此在高转速下磨损率有所下降，其较低的剪切强度使摩擦因数变小。

图4所示为250 r/min转速时不同载荷下试样磨痕形貌。在图4(a)中可以观察到和图3(a)中类似的犁沟作用的痕迹。放大至2 000倍后，从图4(b)中可以看到疲劳破坏和微裂纹，对比图3(b)可以发现，250 r/min、100 N和200 r/min、200 N的磨损特征几乎一样，此时的磨损机制为轻微疲劳磨损和犁沟作用。图4(c)表明，载荷增大导致裂纹明显扩张，疲劳磨损加剧，与转速的影响机制不同，载荷的增大使材料亚表层的剪切应力峰值增大[16]，从而加速了材料的疲劳过程，导致磨损率升高。在图4(d)中可以看到大块片状撕裂的痕迹，说明在300 N时的磨损机制为严重的黏着磨损，磨损率大幅度上升，而由于材料剪切强度的降低，摩擦因数下降。从图4(d)与图3(d)中都可以发现产生剥落的部位PTW晶须都分布较少，说明在摩擦过程中PTW的添加能够有效防止复合材料与对偶件产生黏着。一方面PTW能够增大材料亚表层的强度，另一方面在摩擦表面的PTW能够承担接触表面的载荷，并且减少了HDPE与对偶件的实际接触面积和黏结点的剪切撕裂[17]。从图4(e)中可以看到磨损表面比较光滑，出现明显分层，放大至2 000倍后，可以看到磨损表面覆盖了一层包含少量PTW晶须的熔融HDPE层(如图4(f)所示)。因此在载荷为400 N时，磨损机制为塑性流动，虽然熔融的磨屑填补了表面的微裂纹，阻止了疲劳裂纹的产生，但是由于载荷较大，在熔融HDPE内的PTW也起不到承受载荷的作用，熔融的磨屑易被挤出摩擦表面排出基体，所以磨损率变大，而摩擦因数减小。

综上所述，在低速或者轻载时，材料的磨损机制为犁沟磨损和疲劳磨损，载荷或转速增大后开始发生黏着磨损，进一步增大将产生塑性流动。

3 结论

(1)载荷增加时，材料的摩擦因数减小。低载下转速对摩擦因数影响不大，中高载荷时转速增大使材料的摩擦因数先增后降。

(2)除去350 r/min、400 N的极端工况，材料的磨损率随载荷的增大大致呈线性增长；材料的磨损率随转速的增大先增大后减小；低载时转速对磨损率的影响小。

(3)双因素方差分析发现：载荷对摩擦因数和磨损率都有非常显著的影响，而转速对复合材料摩擦学性能的影响不太显著，在设计材料的使用工况时应该优先考虑载荷。

(4)在低速或者轻载时，材料的磨损机制为犁沟磨损和疲劳磨损，载荷或转速增大后开始发生黏着磨损，PTW的添加增加了材料表面硬度，能够有效防止复合材料与对偶件产生黏着。载荷或转速进一步增大将产生塑性流动。高温引起的塑性流动填补了摩擦表面的微裂纹，阻止了疲劳裂纹的扩张，还起到了流体润滑的作用，减小了摩擦因数，高速低载时磨损率下降，高载低速时磨损率上升。