聚氨酯衬垫磨损机理的微观分析.pdf

中国矿业大学学报990 52 5 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 聚氨酯衬垫磨损机理的微观分析 叶尔赞 黄传辉 摘要 首先介绍了聚氨酯的力学特性，然后运用扫描电子显微镜和表面红外分析仪对 磨损后衬垫表面的微观形貌及官能团的组成进行了分析，发现了聚氨酯热降解的证 据，并在此基础上对钢丝绳－聚氨酯衬垫这一摩擦副的磨损机理进行了分析、探讨. 作 为从微观角度研究高分子材料衬垫的磨损过程，其结果有助于深入地了解高分子材料 的磨损机理，对改善衬垫的磨损性能，提高其寿命有一定的实用价值. 关键词 微观磨损机理，聚氨酯衬垫，扫描电镜，表面红外分析仪 中图分类号 T H 117 . 1 Study on Microscopic Wear Mechanism of Polyurethane Lining Ye Erzan Huang Chuanhui College of Mechatronic Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract The character of polyurethane is discussed at first. Then the surface profile, element constitutions, functional groups of the surface of lining are analyzed by using scanning electron microscope and Fourier trans infrared spectrometer. The evidence of polyurethane lining’s thermal decomposition is found and the wearing mechanisms between winding rope and lining are discussed. From the point of view of microscopic wear mechanisms, the results of this investigation are helpful to achieving a deep understanding of the wear mechanisms of polymers and valuable for raising the working life of lining. Key words microscopic wear mechanisms， polyurethane lining, scanning electron microscopy, Fourier trans infrared spectrometer 摩擦式提升机上使用的摩擦衬垫，其性能直接关系到煤矿的生产效率和安全. 摩擦 衬垫与钢丝绳的摩擦、磨损特性与一般的摩擦副有很大不同. 以往的研究工作均是对衬 垫的机械、物理特性进行宏观分析，而对衬垫的微观磨损机理尚缺乏研究［1］. 对于应 用于其它方面的聚氨酯材料的磨损机理虽有很多研究成果，但由于这些材料的工作环 境与提升机用衬垫有很大的不同，其磨损机理也大不一样［2 ］. 为了更深入地揭示衬垫 材料的磨损机理，本文使用了扫描电子显微镜．红外分析仪等仪器对磨损后的衬垫表 面进行了研究，以找出衬垫材料的磨损规律，进一步了解衬垫的磨损机理，为安全生 产、节约材料提供理论依据. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 5. h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 34 中国矿业大学学报990 52 5 1 试验过程 1. 1 试验材料 本次试验所用的衬垫材料为聚氨酯. 聚氨酯属于高分子化合物，其玻璃化温度低于 室温，而粘流化温度高于室温，所以在一般情况下，总是处于高弹态，也称橡胶态. 在 此状态下，其分子链呈卷曲状，受力后分子链被拉直，外力消失后又恢复到原状，因 此形变率较大，而弹性模量较低［3］. 聚氨酯衬垫的这些性质决定了它和钢丝绳之间的 真实接触面积比一般的摩擦副的真实接触面积要大得多. 本次试验所用钢丝绳为直径7 . 7 m m 的双捻圆形股钢丝绳，规格为6 19型. 1. 2 试验台 试验设备为自行设计的试验台［4］，通过在杠杆上悬挂不同的砝码来调节衬垫和 钢丝绳之间的压力. 钢丝绳的滑动速度可在5～8 0 m m / s 之间调节，运动方式为往复运动. 试验时钢丝绳被拉紧，拉紧力由拉力传感器测得. 试验次数由计数器测得，并换算为磨 损路程. 本次试验中钢丝绳与衬垫间的比压为2 m Pa ，滑动速度为50 m m / s ，磨损行程为 50 0 m ，试验时温度为2 2 ℃，湿度为6 0 ，钢丝绳张紧力为3k N. 2 试验结果与讨论 摩擦后的衬垫表面在S2 50 M K 3型扫描电子显微镜下进行了显微照相，得二次电子 像如图1. 其中图1a 为全貌，从中可以看出整个摩擦区域大致分为两种类型，即贝壳状 组织和方向性较强的区域. 为了更清楚地观察不同磨损类型的微观形貌，对它们分别进 行了局部放大. 图1b 为方向性较强区域的局部放大，从中可以看出在磨损后的表面上形 成了一条条的凸峰和凹谷，方向性强是和该摩擦面上的其它组织相比较而言，如果和 金属摩擦副比起来则方向性和整齐性都较差. 对其中的凸峰和凹谷进一步放大，得图 1c ，从该图中可以清楚地看出在凹谷中存在着很多裂纹，这些裂纹的尺寸从2 μm 到8 μm 不等，分布没有方向性，看起来象干裂的土地一样，此外，沿着凸峰的走向在凸 峰的根部存在着较长的裂纹，这些裂纹的尺寸可达到40 ～50 μm ，且其深度比小裂纹 要深. 对贝壳状组织的局部放大如图1d 所示，从图中可看出该组织底部很光滑，边缘也 很整齐，整个形貌呈不规则多边形分布，分布面积超过了1 m m 1 m m . a b f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 5. h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 34 中国矿业大学学报990 52 5 c d 图1 聚氨酯试样磨损后的表面SEM 照片 Fi g . 1 m o r p h o l o g y o f w o r n s u r f a c e s o f p o l y u r e t h a n e SEM 摩擦面上被磨损部分中方向性较强的部分无疑是磨料磨损的结果. 在摩擦过程中，钢丝 绳上的凸出体在正压力的作用下压入衬垫一定深度，并沿衬垫滑动而引起微观切削和犁沟 效应. 微凸体作用在衬垫上的力可分为切向力和法向力，当迎角的角度合适时，微凸体在法 向力的作用下压入衬垫并在切向力的作用下对其表面进行切削，产生切屑，即所谓微观切 削作用；另外一部分微凸体因接触角度不合适而只是把材料推向前边和两旁，材料未被切 削而只产生塑性变形，经反复塑变而造成断裂，引起犁沟效应磨损. 如前所述，衬垫材料因 其分子链结构形式的原因而弹性较大，在受力时产生很大的变形，当钢丝绳上的微凸体以 一定的压力压在衬垫表面上时，衬垫表面的大部分只是向材料内部变形而没有破裂，微凸 体仅仅是“陷入”而不是“切入”衬垫表面. 当微凸体滑过时，衬垫表面又反弹回来，所以 微观切削的形成很困难，即使在局部存在切削也是断续的而非连续的，这使得切削后的表 面虽然有方向性但方向性和整齐性都比金属摩擦副要差. 当钢丝绳上的微凸体从衬垫表面滑 过时，大部分衬垫材料未被切削而只是被推向两旁，并发生了弹、塑性变形，微凸体滑过 后这些材料又要恢复到原来的位置，但由于发生了一定程度的塑性变形，所以不能恢复到 原始位置. 在不断有微凸体滑过的作用下，衬垫表面逐渐形成了一条条的“凸脊”，当微凸 体滑过来时，凸脊被挤向两侧，而微凸体滑过去后它们又要恢复到原位置，即在微凸体的 反复作用下凸脊将沿着相对运动的垂直方向不断摆动，这将在凸脊的根部引起疲劳应力和 裂纹，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，本次试验中在凸脊根部发现的长达40 ～50 μm 的大裂纹就是由于这种疲劳应力引起的. 对于在凸脊之间的凹谷中出现的杂乱无章的小 裂纹，经分析认为也是由于钢丝绳上的微凸体在衬垫表面上反复作用而引起的疲劳应力的 结果 图2 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 5. h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 34 中国矿业大学学报990 52 5 图2 钢丝绳上微凸体在衬垫上的受力图 Fi g . 2 A s c h e m a t i c d i a g r a m s h o w i n g t h e f o r c e o n t h e a s p e r i t y o f r o p e 当微凸体在凹谷的表面滑过时，虽然没有造成切削，但在衬垫表层中引起了变形和应 力，而钢丝绳的运动是往复的，当微凸体向相反方向运动时在表层中引起的应力与前一运 动时引起的应力方向正好相反，在这些交变应力的作用下，凹谷表面的次表层中将产生应 力源和裂纹，并且随着应力循环次数的增加而导致裂纹向表面扩展，最终在表面形成了很 多小裂纹. 贝壳状结构是大颗粒脱落之后造成的结果. 衬垫材料并不是纯净的聚氨酯，在生产的过 程中加入了各种填料以改善其性能. 这些填料以很细的颗粒形态分布于衬垫材料之中. 在摩擦 的过程中极易在其周围形成应力源. 当这些颗粒半裸露在摩擦面上时，在钢丝绳上微凸体的 反复作用下，它们和基体材料之间将产生疲劳应力和裂纹，并且随着循环次数的增加而引 起裂纹的扩展，最终造成颗粒的脱落. 脱落后的衬垫表面由于是凹陷下去的，所以没有受到 钢丝绳的进一步磨损而保持了光滑的形貌. 本次试验还对磨损后的衬垫表面进行了红外光谱分析，所得结果见图3. 图3a 为试验前原 始衬垫表面的谱图，图3b 为磨损后的谱图. 从两者的对比中可明显看出，磨损后的聚氨酯分 子中的亚甲基基团（-CH 2）明显增多，而亚氨基 N-H 的相对含量则减少较多，醚基团 （C-O -C）没有出现，这表明在化学结构上聚氨酯分子链发生了断裂，衬垫材料产生了热 降解［5，6 ］. 这个现象的引起是由于钢丝绳在相对于衬垫运动时耗散的摩擦能大部分转化为 热量，而聚氨酯的导热系数很小，大部分热量集中在衬垫的表层而使表层温度升高很快， 特别在一些峰点处温度更高. 聚氨酯分子中的各官能团的热分解温度不同，最差的是脲基甲 酸酯基团和缩二脲基团，分别为144 ℃和16 6 ℃，峰点处的瞬间高温足以使它们产生分解， 从而引起聚氨酯分子的降解，所以磨损前后的红外光谱图差别很大. 此外，降解后的聚氨酯 分子链的长度、结构形态和体积都发生了很大的变化，这将使衬垫的表层中引起内应力， 该内应力与前面提到的疲劳应力共同作用，促使了表面疲劳裂纹的产生与扩展. 因此聚氨酯 分子的热降解也是产生表面微裂纹的重要原因. a 磨损前 b 磨损后 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 5. h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 34 中国矿业大学学报990 52 5 图3 聚氨酯衬垫的表面红外光谱图 Fi g . 3 Fo u r i e r t r a n s f o r m i n f r a r e d s p e c t r o m e t e r o f t h e s u r f a c e o f p o l y u r e t h a n e l i n i n g 对于磨损后的钢丝绳表面同样使用了扫描电镜进行显微照像, 所得的显微照片如图4所 示. 从图4a 上可以看出在钢丝的表面上存在着由于衬垫材料粘附而造成的转移膜，而且转移 膜发生了破裂. 需要指出的是，钢丝在钢丝绳中处于空间螺旋形态，所以沿着钢丝的方向并 不是相对运动方向，图中磨痕的方向才是运动方向. 图4b 是图4a 的局部放大，从中可清楚地 看出在钢丝绳上存在着一层薄膜，在摩擦过程中由于受压力的作用而造成了薄膜的破裂， 破裂后的膜堆积在裂口周围，形成很多片状的“剥皮”. 对图4b 进一步放大得图4c ，从该图 中可看到“剥皮”向外呈翻卷状，并可清晰地看到薄膜之下的钢丝绳基体. 分析认为该膜的 形成与摩擦过程中的粘着现象有关. 当钢丝绳与衬垫接触时，钢丝绳的绳股压入衬垫的绳槽 之中，负荷所产生的法向力由衬垫表面上凹凸不平的顶端承受. 在这些接触点上，局部应力 很大，以致于两表面靠得很近，由于范德华力的存在，两表面的原子互相吸引，产生粘结 点，此外如前所述，在摩擦过程中产生的大量摩擦热使得峰点处的温度很高，在高温下聚 氨酯材料不但发生了热降解而且局部峰点将发生熔化，熔化后的聚氨酯将粘附于钢丝绳之 上形成热焊点，而钢丝绳要相对于衬垫运动，就必须破坏这些粘接点. 钢丝绳的强度和硬度 都比衬垫大得多，故磨损仅发生在衬垫一侧. 磨损下来的物质粘附于钢丝绳之上，并向接触 点外的区域转移，最终在钢丝绳面向衬垫的一侧形成一层不规则的粘附膜. 上文中提到的疲 劳磨损所造成的磨屑也会由于分子间吸引力的作用而粘附于钢丝绳之上，这是形成粘附膜 的另一个原因. a b c 图4 钢丝绳表面的SEM 照片 Fi g . 4 m o r p h o l o g y o f s u r f a c e s o f s t e e l r o p e SEM 3 结 论 在钢丝绳与聚氨酯衬垫的摩擦过程中，存在着磨料磨损、疲劳磨损和粘着磨损3种磨损 形式. 在磨料磨损中由于犁沟作用而在衬垫表面上形成了“凸脊”，在“凸脊”之间的凹谷 中由疲劳应力和聚氨酯的热降解共同形成了微裂纹，“凸脊”由于受到钢丝绳上微凸体的 往复作用而在根部产生了长达40 ～50 μm 的疲劳裂纹；由于衬垫材料聚氨酯的导热性能很 差，在摩擦过程中其表面上容易产生热量积累而导致瞬间高温，这引起了聚氨酯分子的热 降解，由热降解而引起的衬垫表面内应力加速了表面微裂纹的扩展；在摩擦的过程中存在 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 5. h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 34 中国矿业大学学报990 52 5 着衬垫材料向钢丝绳上转移的现象，并最终在钢丝绳上形成了一层不规则的粘附膜. 第一作者简介 叶尔赞，男，1941年生，副教授 作者单位中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 参 考 文 献 1 王广丰，解本铭，毛 君. 摩擦提升机衬垫物理特性的评述. 矿山机械，1991 11 19～2 1 2 何仁洋. 聚氨酯在磨料侵蚀条件下的表面化学效应. 摩擦学学报，1995，15 1 45～ 51 3 王承鹤. 机械摩擦学. 北京机械工业出版社，1994. 6 1～6 8 4 黄传辉. 摩擦衬垫磨损机理与试验标准的研究. ［硕士学位论文］. 徐州中国矿业大学机 电工程学院，1999 5 吴瑾光. 近代傅里叶变换红外光谱技术及应用 下卷 . 北京科学技术文献出版社，1994. 54 ～6 2 6 宗志敏. 多环芳香族化合物的性质与应用. 中国矿业大学出版社，1996 . 17 8 ～18 3 收稿日期1999-0 3-0 9 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 5. h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 34