基于Deform复合润滑剂镦粗试验和摩擦磨损研究

0 引 言

模具行业发展过程中润滑剂起着重要的作用

，尤其在制件的成形中，润滑剂的使用不仅可以有效减少制件的磨损和破裂，还可以保护模具。随着石油资源的逐渐减少，油基润滑剂的使用将受到限制，并且油基润滑剂的废液排放及回收带来不可避免的环境污染及危害，水基润滑剂有成本低、无污染、不可燃等优异性能逐步成为未来的研究方向。在现有水基润滑剂的基础上，通过添加纳米添加剂提升水基润滑剂的性能

。马伟强等

制备了二氧化硅填充改性聚四氟乙烯复合材料，探究其摩擦性能，发现添加一定含量的二氧化硅可有效降低材料的磨损率。郭效军等

制备了还原氧化石墨烯纳米片和氟化镧复合材料，通过测试其作为水基润滑剂添加剂时的摩擦性能，当添加剂的质量分数在0.1%时，可有效提高润滑剂的抗磨性能。WC A等

用含植酸的水基润滑剂在边界条件下对铜的润滑作用进行研究，证明在铜表面吸附的水基润滑剂分子形成一层表面水合物摩擦膜可以提升铜的润滑性。

聚四氟乙烯（PTFE）是具备自润滑性能的优异聚合物，其静摩擦系数比较低，化学稳定性较好，因此广泛用于摩擦材料中。PTFE是整体对称且无支链的高分子材料，分子中的碳氟键具有较好的化学稳定性，氟原子将碳-碳主链完全包围，这种独特的分子间弱作用力与较低的抗剪切强度，使其分子间易发生滑动，导致材料的磨损率高，PTFE不适宜单独作为润滑材料使用

。

现实工作环境中可观察到的工作重塑行为表现方式十分丰富。本文将研究者提出的各种分类方式概括为基于组织心理学视角的“重塑对象型分类”、基于工作要求—资源视角的“匹配策略型分类”以及其他的“补充型分类”。

现选用聚四氟乙烯摩擦润滑性能优异的材料作为主要润滑成分，辅助添加固体润滑剂六方氮化硼（h-BN）、水溶性增稠剂和凝结剂氧化镁（MgO），同时选用羧甲基纤维素钠（CMC）作为增加润滑剂悬浮稳定性的添加剂。基于均匀设计法探究复合润滑剂的配方，以直径

20 mm的45号钢为基体进行涂敷试验获得涂层，再对涂层进行摩擦学性能试验以获得最优的复合润滑剂配方组合

。基于De⁃form进行有限元模拟镦粗试验，探究冷挤压过程中高分子润滑剂的摩擦行为，最后通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）相结合的方式对新型复合润滑剂涂层表面进行分析，探究其减小摩擦的机理。

1 复合润滑剂制备

1.1 试验试剂

选用的化学试剂如表1所示，其中聚四氟乙烯为改性后的乳液状。

汉代，皇帝的敕令上升为法律，有严格的立法程序。未经立法程序制定的敕令，通常没有法律效力，只是单纯的行政命令，适用一次即宣告失效。

最优方案可由偏回归系数得到，因素

的偏回归系数为负值，表明h-BN使用量越大，摩擦系数就越小。因素

可取上限值即h-BN取1.8 g，同理因素

偏回归系数为正值，表明MgO使用量越小，摩擦系数就越小。因素

可取下限值0.1 g。因自变量因素

和因素

不具备统计学意义，从成本角度考虑，因素

取10 mL、因素

取0.1 g。将最优因素取值代入上述回归方程，得到

=0.107 4。

1.2 复合型水基润滑剂的制备

复合型水基润滑剂的制备步骤如下。

对均匀设计试验数据通过SPSS软件进行多元回归分析，并进行偏回归系数的显著性检验，挑选对试验分析有意义的自变量，然后通过偏回归系数和相关自变量构建数学回归方程

。

对直径为

22 mm的45号钢圆形片料进行80、400、800、1500、2000目的砂纸打磨。打磨后浸入装有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗15 min，然后取出放入烘干箱中加热，在175℃保温5 min，取出后进行润滑剂的浸润，即可获得固化成形的润滑剂涂层。

（3）搅拌后的CMC快速加入到（1）溶液中。

（4）将PTFE加入混合溶液中，在超声波搅拌器中恒温70℃搅拌30 min。

通过模拟分析可知，制件压缩量>0.75 mm时会出现明显屈服现象。在压缩量为50%时，复合水基高分子润滑剂试样和干摩擦试样模拟结果如图6所示。根据材料流动分布可知，在金属圆环边缘材料流动最为明显，其中干摩擦状态下的金属变形量明显大于高分子润滑剂状态下金属变形量。图6（b）中在高分子润滑剂条件下圆环中部变形量较小，依次往外变形量逐渐增大且在边缘处的变形量比较均匀，可见润滑剂使制件受力均匀，镦粗更容易完成。

取10 mLPTFE乳液、1.8 gh-BN、0.1 gCMC以及0.1 gMgO，采用45号钢基底进行3 N载荷、100 r/min转速、30 min的摩擦磨损试验。以无涂层的45号钢基底干摩擦为对照试验，试验条件和过程一致。干摩擦摩擦系数和复合水基高分子涂层摩擦系数如图3所示，由试验研究可知：无润滑条件下试样的平均摩擦系数在0.45左右，采用新型复合润滑剂涂覆时使得摩擦系数值减少且比较稳定，工艺润滑性能大幅提高，新型复合润滑剂具有更好的减摩抗磨效果及润滑性。

2 基于均匀设计法的复合润滑剂配方设计及试验研究

2.1 基于均匀设计法的复合润滑剂配方设计

选取复合润滑剂发挥润滑作用的功能性组分作为试验因素，其中除了包括聚四氟乙烯（PTFE）和六方氮化硼（h-BN）外，将影响涂层是否可以牢固粘接到基底的氧化镁（MgO）以及使润滑材料均匀分散及悬浮在溶液中的有机悬浮剂羧甲基纤维素钠（CMC）也作为主要的影响因素。根据均匀设计方法选用U9（95）均匀设计表，并根据使用表选取其中的第1、2、3和5列作为影响因素使用，4个影响因素分别为PTFE、h-BN、CMC和MgO的用量，再确定各个因素水平，此外为了排除配方的其他辅助功效功能添加剂对润滑性能的影响，其他复合添加剂的添加百分比为常数，得到润滑剂配方试制方案，如表2所示。

2.2 涂层制备

（2）称取一定质量的羧甲基纤维素钠（CMC）在无水乙醇中溶解，然后再在超声波搅拌器中超声搅拌5 min。

2.3 涂层摩擦学性能测试

采用HT-1000型高温球-盘摩擦磨损试验机进行摩擦试验，设置环境温度为20～25℃、环境湿度为（30±2）%。以表面粗糙度为

0.05 μm、直径为

6 mm的GCr15轴承钢球作为对磨球，在维氏硬度为268 HV的45号钢圆形基底制成的每组润滑试样上循环滑动。润滑试样安装在压盘下，压盘自转速度为560 r/min，对磨接触点的旋转半径为

2 mm，然后通过加载砝码的方式施加3 N载荷，试验时间设定30 min。每次试验前，先用无水乙醇对钢球进行超声清洗并烘干。每项摩擦试验结束后，可以在计算机查看摩擦系数数据，并进行保存。每项试验在相同的试验条件下重复3次测试，统计摩擦系数的平均值并记录，测试样品如图1所示。

每组复合润滑涂层的摩擦系数随滑动时间变化的曲线如图2所示，整个摩擦测试阶段，摩擦系数表现稳定，因此试验结果能代表涂层的摩擦系数，涂层的摩擦系数取整个阶段的平均值。

对每组配方试样的摩擦磨损试样结果进行摩擦系数均值计算，并作为试验指标

，试验方案与统计结果如表3所示。

（1）在烧杯中加入去离子水作为配置溶液，称取一定质量的h-BN固体颗粒加入溶液中并搅拌溶解。

表4所示采用回归分析输入/移除的变量去建立模型，其中显著性检验

≤0.05，进入模型，反之不进入。在引入新变量的同时，对模型中已存在的自变量进行显著性检验，若

≥0.100，移出模型，反之保留。最终回归模型中引入了h-BN用量（

）和MgO用量（

）2个自变量，排除了PTFE用量（

）和CMC用量（

）。

给出的模型信息如表5所示，其中包含模型的复相关系数

、决定系数

、调整后的

和标准估算的误差。由0<

=0.941≤1且接近于1，表明模型对数据的拟合程度好，且因变量（摩擦系数）的94.1%可由预测变量h-BN用量（

）和MgO用量（

）解释；调整后的决定系数

=0.921，表明模型的拟合效果较好，其中标准估算的误差接近于0，说明最后得到的回归方程效果好。表6所示为方差分析，显著性

值为0（<0.001），表明在SPSS默认的引入、剔除条件下自变量的统计学标准下，拟合的模型具有统计学意义。

表7所示为模型的常数项、偏回归系数（

）以及标准化回归系数（Beta），根据其常数项和各自变量的偏回归系数，所有偏回归系数检验的

值均<0.05，模型具有统计学显著性，纳入最终的回归模型中，可得回归方程：

=0.189-0.046

+0.012

。

3)随着无人机航测技术的发展，集成高精度IMU系统和RTK的无人机可实现无控制点的情况下快速制作正射影像[10]，这将极大地提高数据获取速度，为快速、精准打击稀土非法开采以及动态监测提供技术支持，能够将非法开采行为消灭在萌芽阶段，有效保护自然资源和生态环境。

2.4 试验验证最优各因素值

在引导学生完成衔接学习时，教师肩负着非常重要的责任.为了做好相应的工作，笔者认为，教师应该从以下几个方面进行努力.

3 圆环镦粗试验

3.1 有限元模拟

圆环镦粗法在研究金属塑性成型过程中模具零件表面和制件之间的摩擦系数具有优势，采用内凸台圆环进行有限元模拟和试验，可使试验结果更加准确

。由UG生成三维模型导入Deform有限元模拟软件中，上模下压速度为150 mm/s，终止条件设置为下压7.5 mm，即压缩量为50%。图4所示为圆环制件尺寸和实物，图5所示为镦粗试验有限元模型。

3.2 模拟结果分析

（5）最后向溶液中加入金属缓蚀剂、消泡剂、乳化剂和增粘剂，置于搅拌器上搅拌15 min，直至泡沫消失。

3.3 实际镦粗试验结果分析

镦粗试验前，在相同条件对试样进行打磨处理并在相同环境下放置保存，在高速压力机上进行内凸台圆环压缩试验测试，设置2组试验，分别为无润滑剂干摩擦试验和高分子润滑剂试样摩擦试验。为保证试验的准确性，每组试验进行3次求平均值，压缩量为50%的试样镦粗后的表面形貌如图7所示。干摩擦条件下试样表面有多处明显的裂纹，边缘有严重的粘着磨损，由于没有润滑剂，润滑条件恶劣，干摩擦状态下产生高温致使材料表面软化，并与模具发生焊合现象

，不仅损坏模具也对制件产生较大磨损。在高分子润滑剂下，制件垂直方向上有一些类似于小沟壑状形貌，主要是因为在镦粗过程中高分子润滑剂出现阶段式断裂和阶段式堆积，通过测定其表面摩擦系数，该涂层仍有较好的润滑性能，有效减小了模具零件的磨损，延长模具的使用寿命。

镦粗试验理论校准曲线可以使用有限元模拟绘制，圆环镦粗试验后，测出圆环试件镦粗后的高度和内径的尺寸，就可根据理论校准曲线查出摩擦系数值

。实际干摩擦镦粗试验（N）和高分子润滑剂（C）镦粗试验测量曲线与理论校准曲线如图8所示，

为摩擦因子，

为摩擦系数。由图8可以看出，摩擦系数随压缩量的变化而不断变化，这是由于镦粗过程中的应变硬化使材料抵抗变形力增加，使摩擦系数随着变形量的减小而增大。图8结果表明，干摩擦条件下摩擦系数在0.40～0.46，高分子润滑剂条件下摩擦系数在0.26左右，下降了43%左右，润滑性能良好，可用于指导制件的冷挤压成形润滑工艺。

4 减小摩擦机理研究

采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）相结合的方式对新型复合润滑涂层表面进行分析，结果如图9所示，复合润滑样品的磨痕半径为312.3 μm。EDS显示复合润滑试样磨痕表面的氧含量较低，为7.34%，说明复合润滑涂层可以形成一层保护膜，对基底起到良好的防侵蚀保护作用。在复合润滑试样磨痕中涂层与基体紧密结合的部位B和Fe含量较高，说明在接触区存在一层PTFE吸附膜，同时h-BN对于抵抗磨损、减小摩擦系数也起到了不可忽视的作用。

2.2.2 男生体质健康标准测试各指标间相关分析 从表6（见下页）可以看出，男生体重与坐位体前屈、肺活量与引体向上变量间相关无显著性外，其余变量间相关性都具有显著性意义，具体相关程度见表7（见下页）。

5 结束语

（1）以聚四氟乙烯为主要原料，制备了新型复合水基高分子润滑剂，基于均匀设计法通过摩擦磨损试验获得最佳配方为PTFE乳液10 mL、h-BN1.8 g、CMC0.1 g、MgO0.1 g。

(2)由图5(a)可知，截面的最大应力值在角隅处出现，且墩顶截面的最大等效应力值达到了5.32 MPa，最大拉应力达到了1.3 MPa。

（2）基于Deform的圆环镦粗试验，探究润滑剂使用过程中高分子润滑剂的摩擦行为，高分子润滑剂有效减小了试样表面的摩擦系数，保护了模具零件，提高了成形过程中制件的稳定性。

宝玉爹如此一说，倒把喜姑的脸说红了。她略带娇嗔地说，人家这不是想向你老人家拜师学艺嘛！接着又说，我听人说，你演《黄鹤楼》里的刘备，脸上可以表演一边笑，一边惊慌，是真的吗？

现在企业的经济结构不合理主要是存量项目。应该与存量内容调整为主。国有经济总量占比过大，约七成，自然的称为存量优化的重点对象。盘活存量资产。企业的资产重组，一定程度上能够解决结构不平衡等的问题。资本的更高效流动，有助于实现重组。这个也是资产管理公司的重要业务发展方向。宏观角度分析，重组优化了经济结构。也提高了资源配置的效率问题。微观角度，满足企业自身发展的重组，有助于实现产业升级调整，发挥合并的优势。获得规模经济的额外收益总体分析，重组是企业经济结构调整的重要方法，解决存量资产呆账的问题，进一步扩大企业经济结构的收益。提升在国内和国外的经济影响力。提升竞争力、盈利能力。

（3）以SEM和EDS相结合的表征方法，观察了磨痕状况和元素残留情况，探究了其摩擦磨损机理，研究发现PTFE基体材料在接触表面形成了一层PTFE转移膜，而具有特殊结构的h-BN吸附在基底起到保护转移膜的作用，降低了复合涂层的摩擦系数。

[1]刘君仪,邓 明.高分子薄膜润滑在板料拉深中的应用研究与发展趋势[J].模具工业,2014,40(1):1-4,10.

[2]姜正义,李 岩,夏 垒.纳米添加剂润滑作用机理及其在水基润滑剂中的应用[J].鞍钢技术,2020(5):1-7.

[3]马伟强,侯根良,苏勋家,等.纳米SiO

填充改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究[J].塑料工业,2017,45(5):43-47.

[4]郭效军,蒲茂杰,杨志刚,等.石墨烯/LaF

的制备及其作为水基润滑剂的摩擦学性能研究(英文)[J].摩擦学学报,2019,39(1):35-42.

[5]WC A,XF B,LEI C B,et al.Ultralow friction of copper by a green water-based lubricant containing phytic acid[J].Jour⁃nal of Molecular Liquids,2021:338.

[6]PENG,SHI GUANG,GUO,et al.Tribological behavior of polytetrafluoroethylene coating reinforced with black phos⁃phorus nanoparticles[J].Applied Surface Science,2018:441.

[7]施梅勤,马淳安,户部省吾,等.PTFE基金属复合材料的摩擦磨耗性能研究[J].浙江工业大学学报,2005(2):152-154.

[8]姚通稳,赵海晋,李易进.利用均匀设计法确定最佳配料方案[J].建材技术与应用,2001(1):17-18.

[9]朱红兵,席凯强.SPSS 17.0中的正交试验设计与数据分析[J].首都体育学院学报,2013,25(3):283-288.

[10]许勇顺,徐洪烈,黄学玲.圆环镦粗法测定摩擦系数的探讨[J].太原机械学院学报,1990(4):53-61.

[11]狄化民.冷挤压模具的润滑及其新发展[J].模具工业,1992,18(2):52-53.

[12]秦 敏,何文武.圆环镦粗校准曲线的有限元研究[J].大型铸锻件,2013(5):1-3.