H62-UHMWPE自潤滑材料的有限元設計及性能驗證

周福麒, 向定漢

(桂林電子科技大學 材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004)

傳統油脂潤滑方式在低速重載工況條件下容易出現邊界潤滑現象，導致潤滑效果降低，因此重載設備的滑動摩擦副部件通常選用固體自潤滑材料[1]。聚四氟乙烯(PTFE)由于具有優異的自潤滑特性，長期以來一直被用來制備自潤滑材料，通過添加金屬背襯，可以大幅提高承載能力[2]，但存在磨損率偏高、廢棄后難以降解等缺點，不符合環保要求。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有較好的綜合力學性能以及與鋼鐵材料對磨時優異的耐磨性能，在工程技術領域得到廣泛的應用[3-4]，通過物理或化學的方法對其進行改性，還可以進一步提高摩擦磨損性能[5-7]。

下文利用有限元法對黃銅H62-UHMWPE自潤滑復合材料進行結構設計，通過模壓成形工藝制備H62-UHMWPE自潤滑材料，并進行相應試驗，以驗證其承載能力和摩擦磨損性能。

1 銅-塑自潤滑材料的有限元設計

1.1 建立有限元模型

設計具有不同截面尺寸的H62銅板模型，通過模壓成形工藝將UHMWPE復合材料鑲嵌在其表面，自潤滑材料結構如圖1所示。

圖1 自潤滑材料結構示意圖

為了模擬H62-UHMWPE自潤滑材料受載時的應力分布，將其與45#鋼組成摩擦副。已知H62黃銅的彈性模量為105 GPa，泊松比為0.35；UHMWPE復合材料的彈性模量為700 MPa，泊松比為0.42；45#鋼的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。采用實體建模方式建立自潤滑材料的有限元分析模型。由于自潤滑材料的結構不規則，采用智能網格劃分，網格劃分結果如圖2所示。

圖2 有限元模型網格劃分

1.2 強度校核及分析

在45#鋼頂部表面施加50 MPa均布載荷，分別對UHMWPE潤滑劑所占面積為40%，50%和60%的模型進行結構靜力分析。

由于H62黃銅和UHMWPE復合材料均為塑性材料，故可以選用第三強度理論或第四強度理論對自潤滑材料進行強度校核。文中采用第三強度理論，即

σr3=σ1-σ3≤[σ]，

(1)

式中：σ1為第一向主應力；σ3為第三向主應力；[σ]為材料許用應力。H62黃銅的抗拉強度Rm=410 MPa，條件屈服強度Rp0.2=350 MPa，許用應力[σ]=Rp0.2/n，n為材料的安全系數，取1.2，故H62黃銅的許用應力為291.67 MPa。經有限元分析，當潤滑劑面積分別為40%，50%及60%時，對應的第三強度理論最大應力值分別為223.41，277.57和492.30 MPa。由于492.30 MPa已經大于材料的許用應力，所以潤滑劑面積為60%時不符合強度要求。通常情況下，鑲嵌型自潤滑材料中潤滑劑所占的面積越小，承載能力越大，但自潤滑材料的摩擦因數也越大。綜合考慮承載能力和摩擦性能兩方面的因素，確定按潤滑劑面積為50%的結構制備試件。

2 試驗

2.1 試件制備

選用綜合力學性能良好的H62黃銅作為金屬基體，根據有限元設計結果在其表面加工出溝槽，再將UHMWPE潤滑劑鑲嵌在槽內。UHMWPE的摩擦因數僅次于聚四氟乙烯，并且具有優異的耐磨性。文獻[8]用聚丙烯(PP)填充改性UHMWPE，研究結果表明，PP能進一步降低UHMWPE的摩擦因數，提高耐磨性。故采用UHMWPE/PP(80/20)作為潤滑劑的配方，制備H62-UHMWPE自潤滑材料。具體工藝路線為：配料→機械混合→烘干→預壓→燒結→模壓成形→冷卻脫模→機械加工。

2.2 承載能力試驗

承載能力試驗在WDW-100E電子式萬能試驗機上進行，試件尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，壓縮速度為2 mm/min，壓縮過程中自潤滑材料的變形曲線由計算機自動記錄。

2.3 摩擦磨損試驗

摩擦試驗在MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，采用銷-盤式摩擦副，結構如圖3所示。摩擦對偶件材料為45#鋼，共3個，每個端面直徑為2 mm，表面粗糙度為0.8 μm。試件尺寸：外徑為31.6 mm，內徑為16 mm，高度為10 mm。在室溫條件下進行干摩擦試驗，測量不同載荷和轉速(摩擦速度)下的摩擦因數，每組試驗持續60 min，試驗數據由計算機自動記錄。利用 FA2004型精密分析天平(精度為0.1 mg)稱量試件磨損前后的質量差，記為試件的磨損質量。試驗結束后對試件表面進行噴金處理，利用掃描電子顯微鏡觀察試件表面的磨損形貌。

圖3 銷-盤式摩擦副

3 結果與討論

3.1 自潤滑材料的承載能力

潤滑劑面積占50%的H62-UHMWPE自潤滑材料壓縮過程中載荷與變形的關系曲線如圖4所示，自潤滑材料的屈服點為 59.6 MPa。根據有限元模擬分析結果可知，當對潤滑劑面積占50%的自潤滑材料施加50 MPa的應力時，對應的第三強度理論應力值并未超過材料的屈服極限，仍在材料的許用應力范圍內，壓縮試驗結果與有限元分析結果相吻合。

圖4 自潤滑材料應力變形關系曲線

3.2 轉速對摩擦因數的影響

在40 MPa應力下，轉速分別為50，100和200 r/min時自潤滑材料的摩擦因數隨時間的變化曲線如圖5所示。由圖可以看出，當轉速為50 r/min(相當于3.75 m/min)時，摩擦因數在整個試驗過程中都非常平穩，一直低于0.12，且呈緩慢降低的趨勢，試驗結束時瞬時摩擦因數為0.106；當轉速增加到100 r/min后，摩擦因數在試驗的前40 min內一直低于50 r/min時的值，但可以明顯看到曲線逐漸上升，當試驗結束時其瞬時摩擦因數為0.126；當轉速繼續提高到200 r/min時，摩擦因數出現較大的波動，先下降再上升，最后穩定在0.15左右。

圖5 不同轉速下摩擦因數隨時間的變化情況

分析認為，在轉速較低時，因摩擦產生的熱量較小，可以很快轉移，未對UHMWPE表層分子造成太大影響，所以摩擦因數可以保持在較低水平；當轉速升高后，摩擦產生的熱量增加，摩擦副界面聚集大量的熱，致使UHMWPE表層大分子鏈發生熱運動，大分子鏈開始解纏，在剪切力的作用下發生滑移，由于UHMWPE的黏度很大， 具有較大的滑移阻力，因而摩擦因數增大[9]。總的來說，轉速越低，材料的摩擦因數也越低越穩定。由此可見，這種自潤滑材料適合在低速工況下使用。

3.3 載荷對摩擦因數的影響

不同載荷時材料摩擦因數隨時間的變化關系如圖6所示。從圖中可以看出，材料的摩擦因數隨載荷的增大而降低，在轉速為50 r/min的條件下，當試驗結束時，載荷為10 MPa的摩擦因數為0.123，而載荷為40 MPa的摩擦因數只有0.106。當轉速達到200 r/min后，在10 MPa和20 MPa的載荷下，摩擦因數在剛開始時有短暫的小幅下降，之后則隨著時間的增加而增大，且載荷為10 MPa的摩擦因數始終大于載荷為20 MPa的摩擦因數；當載荷為30 MPa和40 MPa時，開始試驗的前幾分鐘內，摩擦因數呈較明顯的下降趨勢，之后開始上升，最后載荷為40 MPa的摩擦因數穩定在0.15左右，而載荷為30 MPa的摩擦因數穩定后保持在0.18左右。這是因為在摩擦過程中，當載荷較大時，表面處于彈塑性接觸狀態，載荷變化對接觸面積的影響逐漸減小，因而摩擦因數趨于穩定。

圖6 不同載荷下摩擦因數隨時間的變化情況

3.4 載荷與轉速對磨損量的影響

不同轉速下試驗60 min后，自潤滑材料的磨損質量隨載荷的變化曲線如圖7所示。從圖中可以看到，材料的磨損質量隨載荷和轉速的增大而增加。 當轉速為50 r/min時，載荷由10 MPa增大到40 MPa后，磨損質量由0.4 mg增加到1.0 mg，僅增加0.6 mg，表現出優異的耐磨性能；而當轉速為200 r/min時，載荷由10 MPa增大到40 MPa，磨損質量由0.9 mg增加到2.1 mg，增加了1.2 mg，可見轉速對材料的磨損量有很大的影響。

圖7 不同轉速下磨損質量隨載荷的變化情況

3.5 磨損機理分析

自潤滑材料在載荷為40 MPa、轉速為50 r/min條件下試驗60 min后的磨損表面SEM照片如圖8所示，從中可以看到，H62-UHMWPE復合材料的磨損表面存在一些裂紋和磨屑，且有粘著現象，呈現出輕微的粘著磨損特征。

圖8 H62-UHMWPE磨損表面SEM照片

4 結論

(1)利用有限元法對H62-UHMWPE自潤滑材料按50 MPa的承載能力進行結構設計，試驗結果表明該材料的承載能力為59.6 MPa。

(2)摩擦試驗表明，材料的摩擦因數隨轉速的升高而增大，隨載荷的增大而減小。在載荷為40 MPa、轉速為50 r/min的條件下摩擦因數始終低于0.12，具有良好的自潤滑性能。

(3)該材料具有良好的耐磨性能，適合用于制造低速工況下使用的自潤滑軸承，其磨損機理主要為輕微的粘著磨損。