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干滑動(dòng)摩擦磨損行為的研究
1、尼龍“及其復(fù)合材料干滑動(dòng)摩擦磨損行為的研究
由上節(jié)的分析可知，在SEB S-g-MA橡膠粒子和有機(jī)納米粘土協(xié)同增強(qiáng)的尼龍66基納米復(fù)合材料中，PA66+ ( SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料具有較好的耐磨性。本節(jié)將尼龍66, PA66/SEBS-g-MA復(fù)合材料、PA66/organoclay納米復(fù)合材料與PA66+ ( SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行對(duì)比，從而更好的揭示SEBS-g-MA橡膠顆粒、有機(jī)納米粘土及兩者共混后對(duì)尼龍66復(fù)合材料耐磨性的影響。
2、磨損時(shí)間的影響
圖5-9和圖5-10是干摩擦條件下，接觸載荷為196N時(shí)，尼龍66及其復(fù)合材料與調(diào)質(zhì)鋼對(duì)磨時(shí)摩擦系數(shù)及磨損質(zhì)量損失隨磨損時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn)。由圖5-9可以看出，磨合階段所有樣品的摩擦系數(shù)都有不同程度的增加而后逐漸減小，30min后進(jìn)入穩(wěn)定階段，表明摩擦表面己經(jīng)形成了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，摩擦系數(shù)幾乎保持不變。磨合階段，摩擦系數(shù)的增大是由真實(shí)接觸面積的變化造成的。摩擦初期，對(duì)偶間僅有部分微凸體發(fā)生了接觸，真實(shí)接觸面積較小，摩擦系數(shù)較低;隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，聚合物表面上大部分微突體變形或磨損，真實(shí)接觸面積迅速增大，摩擦系數(shù)急劇上升。其中PA66/organoclay納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)甚至要高于純尼龍66的摩擦系數(shù)，而PA66+(SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最小。由圖5-10可以看出，所有樣品的磨損質(zhì)量損失均隨著磨損時(shí)間的增加而增大。在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，納米橡膠顆粒的加入使得尼龍66基復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失顯著降低，而僅有層狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)粘土填充PA66/organoclay納米復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失增加了近1倍。
3、接觸載荷的影響
圖5-11所示為磨損時(shí)間為120min時(shí)，尼龍66及其復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨載荷的變化曲線(xiàn)。可見(jiàn)，干摩擦條件下，尼龍66的摩擦系數(shù)隨載荷的增加先增大后減小，在98N時(shí)達(dá)到最大值，這是摩擦表面形成的轉(zhuǎn)移膜的變化引起的。當(dāng)載荷低于98N時(shí)，試樣與鋼輪接觸區(qū)內(nèi)的應(yīng)力比較小，因而形成的摩擦熱也比較小，很難形成均勻、連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜;隨著載荷的增加，摩擦熱也逐漸增加，一部分磨屑粘附到鋼輪表面形成轉(zhuǎn)移膜，但是此時(shí)的轉(zhuǎn)移膜不夠連續(xù)，因此摩擦系數(shù)較大。當(dāng)接觸載荷進(jìn)一步增加，并高于98N時(shí)，更多的磨屑粘附到鋼輪表面，逐漸形成了均勻、連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，此時(shí)兩表面間的相互作用就變?yōu)榫酆衔锱c一層與之相似的材料之間的摩擦，使得基體材料避免與金屬摩擦副直接接觸，從而降低了材料的摩擦系數(shù)。相同載荷下，PA66/organoclay納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)要高于純尼龍66和PA66/SEB S-g-MA復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，而PA66+ ( SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)低。
圖5-12所示為磨損時(shí)間為120min時(shí)，尼龍66及其復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失隨接觸載荷的變化。可見(jiàn)，尼龍66及其復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失均隨載荷的增加呈持續(xù)上升的趨勢(shì)。顯然，接觸載荷越大，摩擦界面的熱量積累越多，磨損表面的磨損機(jī)理發(fā)生變化，所以導(dǎo)致磨損質(zhì)量損失持續(xù)上升。其中，PA66+(SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失低，而PA66/organoclay的磨損質(zhì)量損失最高，橡膠顆粒的加入可顯著提高復(fù)合材料的韌性從而降低了磨損質(zhì)量損失，而有機(jī)納米粘土卻導(dǎo)致復(fù)合材料的耐磨性下降。
4、磨損表面形貌分析
圖5-13所示為干摩擦條件下，接觸載荷為196N，磨損時(shí)間為120min時(shí)，尼龍66及其復(fù)合材料磨損表面形貌的SEM照片?？梢?jiàn)純尼龍66的磨損表面有少量的犁溝而且有明顯的熔融流動(dòng)的跡象，由于尼龍的熱導(dǎo)率較低，滑動(dòng)界面的溫度容易達(dá)到其熔點(diǎn)，尼龍66的局部熔融導(dǎo)致較高的質(zhì)量損失(圖5-13(a) ) ; PA66+ (SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的磨損表面比較平整，僅有少量較淺而平行于滑動(dòng)方向的犁溝產(chǎn)生，此時(shí)的磨屑細(xì)小并粘附在磨損表面，同時(shí)在鋼輪表面形成了一層較均勻的轉(zhuǎn)移膜，從而降低了粗糙尖峰的微觀切削和犁溝作用，提高了復(fù)合材料的耐磨性(圖5-13 ( b ; ; PA66/SEBS-g-MA的磨損表面脫落的磨屑發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，形成破碎的片狀物粘附在試樣表面表明在滑動(dòng)過(guò)程中以粘著磨損為主(圖5-13 ( c ) ) ; PA66/organoclay的磨損表面比較粗糙，發(fā)生了明顯的局部熔融及塑性變形，造成了磨損表面的大面積破壞，有機(jī)粘土的加入使得復(fù)合材料的耐磨性下降(圖5-13 (d> o
圖5-14為尼龍66及其復(fù)合材料的磨損表面的三維形貌?？梢钥闯觯兡猃?/span>66和PA66/organoclay納米復(fù)合材料的磨損表面比較粗糙，有大量較深的犁溝存在，而加入SEBS-g-MA橡膠顆粒的復(fù)合材料的磨損表面相對(duì)比較平整，其中PA66+ (SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料的磨損表面最光滑。表5-2為尼龍66及其復(fù)合材料的磨損表面形貌參數(shù)，即表面平均粗糙度(Ra)和均方根偏差(Rq)的對(duì)比數(shù)據(jù)。可以看出，PA66+ (SEBS-g-MA+organoclay)納米復(fù)合材料磨損表面的平均粗糙度最小，這是由于干摩擦過(guò)程中復(fù)合材料在鋼輪表面形成了均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，鋼輪表面的凹陷處被轉(zhuǎn)移的材料所填充，導(dǎo)致微突體對(duì)復(fù)合材料基體的犁削作用減弱，從而使磨損表面比較光滑平整。