文摘

聚酰胺(PA6/6)通常是用作摩擦副磨损普遍应用,如铰链和滑块。PA6/6经常处理注塑和挤出过程。众所周知,这些过程影响聚合物机械性能,但其影响聚合物穿反应还没有被研究过。因此本研究试图研究不同制造工艺的影响为PA6/6摩擦学的行为。穿测试进行销磨损试验机(DIN 50322)。耐磨性挤塑和注塑PA6/6测试在不同的负载(20到35 N)。单程(不重叠的模式)和多通道测试(重叠模式)被用来理解磨屑的堵塞的影响。证明,随着加载特定的磨损率降低;此外,细研磨剂会降低磨损率。在多通道测试传输层堵塞的配合端面作为保护剂,降低磨损率。 Poor mechanical strength of injection moulded polymers is apparently compensated by microstructural response for having a similar wear behaviour between extruded and injection moulded PA 6/6. Hence a proper balance between microstructural and mechanical characteristics is an absolute must in PA 6/6 for better wear performance.

1。介绍

介绍了聚酰胺(PAs)的30年代末被广泛用作工程塑料在结构的应用程序。在不同的变体不是最常用的是尼龙6和PA6/6。典型的是最后一个加入更多的单体(diacidic)准备阶段(1]。增加使用的兴趣不是在摩擦学的应用程序由于其较高的机械强度和结构的完整性。PA的摩擦学的使用为纺织机械、汽车应用程序,和材料处理系统(早些时候报道2]。最终,是常用的组件,比如铰链、线性滑块、球关节,磨料磨损的经验。这些部件通常由注塑或挤出。注射模塑是选择复杂的形状和高输出率。挤压零件往往中间,可能需要额外的手术前使用。的穿响应这两个生产过程仍未公布。据悉从现有文献,显微结构的变化由于生产过程可能显著影响物理特性(3]。晶体结构的影响制造过程可能导致的机械特性,从而可能改变摩擦学的特点。然而,制造过程通常只选择基于耐磨零件的复杂性和可用性有限的生产设施和摩擦学的考虑。

注射模制之间的力学性质的差异和挤压聚合物基本上来自于结构异质性。考虑到微尺度相互作用在聚合物及其配合端面之间的磨损,结构异质性的作用还不清楚。增加的机械性能(屈服强度)是由于结晶度的增加和其他地方已报告4]。高结晶度可以预期成型(5]。注塑也会导致一定的结晶度,归因于伸长和剪切流,如大分子排列与模具壁平行。总之,注塑和挤出成各向异性应力结果。聚合物往往由不同层次与不同的特征;特别是生产的核心部分强烈不同于外面的皮肤。尽管这些表面效应在微米的顺序介绍磨损行为的不确定性。正在进行材料去除过程磨损行为变化因为皮肤表面和核心材料有不同的属性。通常需要持续的穿制服的行为。这需要均质材料特性在一些几十微米的深度。因此,正如前面提出的(2),必须使用适当的加工条件为了有更好的摩擦学特性。

在聚合物摩擦学,除了机械加载其他几个变量参与磨损过程等材料,表面和环境特征。许多作者试图研究聚酰胺的磨损特征(4,6- - - - - -9),但尽管如此,制造过程的摩擦磨损行为的影响很少被报道(4]。对聚酰胺的研究主要集中在添加剂的影响和加强代理(10,11]。很明显的力学特征是生产过程的一个函数。它也表明,耐磨性,特别是耐磨性,可以与力学特性(12]。磨损和散装材料特性之间的关系已被广泛报道(13]。实际材料的硬度是评价磨损性能。如果硬度和磨损之间的关系适用于金属、聚合物应该与照顾。它已经表明,相对较低的硬度可以结果为更好的磨损性能(14]。一个更合适的参数是断裂伸长率。兰开斯特显然已经证明,磨损率成反比的断裂伸长率和断裂强度。其他作者试图建立聚合物耐磨和断裂强度之间的关系,硬度和抗拉强度15,16]。同样的环境和几何影响磨损(早些时候已报告16]。得出不仅力量属性,而且界面属性导致聚合物的耐磨性。磨损的现象部分由机械相互作用表面和磨料参数如形状、大小和清晰度的磨料将有一个重要的角色17]。一些作者研究的影响大小和磨料磨具的磨损过程的内聚强度(16- - - - - -20.]。

知道存在一个关系摩擦学的特点和结晶度,这将由生产过程控制,是目前研究的主要动机tribocharacteristics通过不同的生产流程(挤塑和注塑)。这个调查是处女PA6/6选定材料,制造使用注塑和挤出过程。试图了解制造过程的影响磨料磨损过程。不同的加载和磨料颗粒尺寸已被用于这项研究。

2。材料和样品生产

聚酰胺6/6自然版本被选中,因为它是常用的工程材料。从多个制造过程的两个最常用的流程,注塑,挤出,已被选定。挤塑和注塑材料分布由Quattroplast有限公司,由Ensinger GmbH是一家。关于商业级PA6/6,只表明平均属性值因此提供准确的材料特性测量内部(见表1)。拉伸模量在条件饱和空气(RH 50%, 23°C)是按照EN ISO 527 - 2标准。五个测量的平均值报告在表1。很明显,挤压零件的拉伸模量大约高出35%的注射部位。另一方面,冲击强度是注塑零件高85%。两种材料的硬度(海岸D)位于相同的范围。很明显从表1制造过程确实显著影响材料的属性。这可以归因于材料的结晶度和分子取向(21]。

挤压PA6/6商业级标准板毫米,中间部分使用mm被切断。注射模制标本从盘子中提取的毫米。有毫米板,进一步的加工机械和摩擦学的试样具有相同的控制技术;因此造成的额外的压力加工必须大约相同。摩擦学的标本的盘子最初削减(粗糙)的维度毫米和进一步降低毫米通过带锯。随后测试标本(ø8×18)加工(没有冷却,干切削)的切割速度使用中心车床40米/分钟。发现在文学,结晶度影响皮肤层,进而可能影响摩擦学的特点(5]。它已经被报道,早些时候,样品制备过程中,聚合物支持统一的加工形态通过移除nonspherulitic和过渡区表面(4]。因此,斯巴达袍标本取出挤塑和注塑模压板的加工。最后完成的操作进行一个NCT EUROturn-12B数控车削中心。为了保持统一的表面字符一个恒定的进给速率(0.1毫米/牧师),深度削减(1毫米),切削速度(50 m / min)所有标本的保存在最后完成操作。

3所示。实验方法

经常PA6/6被用于应用程序(铰链、滑块等),双体磨损是普遍的;因此,研究重点是相同的。测试过程采用根据DIN 50322 (ASTM G132类别)和通过测试设置意识到一直在设计和建造Szent什特大学,匈牙利(10]。在测试配置一个圆柱形试样加载(Ø8毫米,长度18毫米)对移动砂纸(滑动速度0.08米/秒)和一个预先确定的法向力(范围:20 - 35 N)。机械硬磨料粒子之间的相互作用和柔软的聚合物会引起磨损。的高度损失标本由于磨损在线监测使用位移传感器。测试设置显示在图的示意图1。独特的功能测试设置的能力执行测试下多通道(连续重叠)和单次的(不重叠的)穿,这是意识到通过一个槽。与单次的穿跟踪聚合物接触表面总是与新鲜研磨剂;因此滚动的研磨剂带来的不确定性,在砂纸磨屑堵塞,破损的磨料磨具是微不足道的。在单次的测试一个螺旋模式与平行表面穿跟踪之后在恒定速度。

两种不同尺寸的磨料粒子(SiO₂)是用于研究磨损过程中的尺寸效应。P240 P100磨料表,对应于一个粒度为58.5μ米和162μ米,。堵塞的影响在磨料表面磨损产物研究通过比较产生的重叠和不重叠的穿多通道和单次的测试,分别。(即两个材料。,the injection moulded and the extruded samples) were tested for two different loading conditions 20 N and 35 N (corresponding to 0.7 MPa and 1 MPa contact pressure). The sliding velocity is kept constant at 0.08 m/s throughout the experiment. Table2提供了实验矩阵。三个重复进行,以确定重复性和散射(标准差)的磨损数据。聚合物的表面特征进行调查与反射光明视场光学显微镜。3 d表面配置文件进行了研究使用白光干涉法(泰勒·霍布森CCI)。后期分析后穿测试用WAXD进行注塑和挤出样本。XRD测试与力量进行衍射仪在8毫米直径2毫米厚样品从擦伤注塑和挤压针。

审查论文的电话不同的磨料磨损模型提出了(22]。中使用的各种型号穿聚合物表中列出3。Archard模型是普遍接受的所有材料的硬度在磨损过程起到了有效的作用。然而,从造船台和Ngao[理解14),硬度可能不是聚合物磨损的关键参数,和额外的参数(表面速度和滑动时间)介绍了刘易斯和Rhee模型。大多数这些模型建立了粘着磨损。在这个研究的具体磨损率表3是用于研究磨损性能。

4所示。结果与讨论

4.1。磨损机制

重复性测试清楚地表明,磨损结果的标准差小到足以区分显著差异在磨损行为不同的摩擦学的条件中提到的表2。图2(一个)显示了高度损失穿。很明显,身高萎缩明显更大的正常负载更高。图2(一个)显示高度损失之前装载条件随时间线性趋势。随着接触压力保持不变在整个测试中,磨损体积曲线是线性的。图的小蘸磨损曲线2(一个)(见箭头)是由槽造成的申请获得连续的螺旋面穿垫。多通道重叠测试显示不同的磨损趋势相比,单次的测试。在多通道测试(见图2 (b))明确磨合一段时间内(7到10 m滑动距离)可以观察到。这个更高的磨损率磨合时期可以归因于聚合物在砂纸上的沉积,称为“堵塞”[19]。经过磨合时期磨损率稳定和准线性磨损趋势是观察,注塑和挤出标本(见图2 (b))。它可以得出结论,在磨料磨损产物表面的沉积降低了磨损率,后获得某些关键层厚度(以下7到10米滑动距离)。碎片被困在砂纸作为保护剂。早些时候的报道,Harsha和特瓦芮19]对PEEK复合材料表现出了类似的行为,磨损曲线多通道测试也有一个最初的快速增加,随后稳定。

具体穿单程和多通道条件计算了使用特定的磨损率()。无量纲的值10的顺序¹⁰米³/ n - m。就像前面所提到的,Archard模型并不适用聚合物(19),我们选择的具体磨损率与参考文献[23]。穿指标从特定的磨损率()如表所示4。然而,计算也为其他模型如Archard, Rhee,刘易斯类似倾向的具体观察磨损率加载和晶粒尺寸的影响。情节从特定磨损率给出指示磨损趋势作为一个代表不同的加载条件和砂纸。

它清楚地看到在图3(一个)增加正常负载的磨损率较低。这是观察到挤塑和注塑材料和P100 P240磨料的论文。Harsha报告了类似的结果,降低磨损率增加正常负载的函数(超过10 N)观察裴和环氧三体磨损(23]。Lhymn也较低的磨损率较高的正常负载(24]。这些作者也与这个违反直觉的磨损趋势低滑动速度、热活化的表面不发生。这里更值得注意的是,滑动速度(0.08 m / s)在目前的研究远不及相比表面的热激活的情况普遍存在。在这个工作逆磨损率之间的关系和正常负载也应该把低滑动速度的关系。除了负载的影响,晶粒尺寸的影响也被研究。图3 (b)给出了特定的穿与平均晶粒尺寸。挤塑和注塑试样高穿被发现与晶粒尺寸增加。类似的磨损趋势PA6/6减少砂粒大小导致磨损率降低PA6/6[早些时候报道25]。指出,这是值得注意的机制的其他半结晶聚合物的宠物17]。

这个关系是单程的条件(参见图更加明显3 (b)在多通道条件下)。很明显,在多通道条件下磨损碎片倾向于形成一个薄层聚合物。因此磨料磨具的直接积极的行动在一定程度上减少了薄层的磨损率降低。比较挤压标本的穿概要图2很明显,磨损率降低了50%的单次的测试相比,多通道测试。类似的结果是早些时候发表的一个显著差异被发现之间的单一和多通道测试PA6/6和聚碳酸酯26]。磨损之间的关系和晶粒尺寸也研究了早些时候在证明,磨料尺寸的增加导致的变化机制从耕作削减27]。

从图3很清楚,只有有限的差异在挤塑和注塑标本之间的磨损率。另一方面生产过程(挤压、注塑)对力学特性具有显著的影响,例如抗拉模量(见表1)。众所周知早些时候,聚合物的磨损很大程度上依赖于材料的物理性质(20.]。这些发现导致的结论是,没有直接的机械性能和磨损行为之间的关系。而应确定磨料磨损和微观结构之间的关系。

Harsha [23]研究微观结构参数的影响,如分子取向和结晶度对磨损机制。Harsha的调查PA-fibres Harsha没有发现任何通信之间的分子量和宏观穿(磨损)和损伤机制。然而,他们得出的结论是,分子取向之间存在明显关联和耐磨性28]。更具体地说,他们表明了分子取向之间的相关性和损伤和微孔在无定形区域和磨损。从文学很明显,分子取向过程依赖,因此不同的挤塑和注塑部件。在图4结果组织在这样穿是策划与力学特性(产品逆极限抗拉强度和断裂伸长率(e))为不同的接触路径(单程,多程)和颗粒大小。

即使在力学特性有差异之间挤塑和注塑标本,两种材料之间的磨损率仍然是相似的。这可能会导致微观结构的假设是不同磨损行为的真正原因。这个假设现在将由XRD证明评价的标本。挤塑和注塑的XRD谱标本呈现在图4 (b)。两种材料的窄峰存在θ= 20.7°和θ= 24.3°代表和阶段,分别。这也对应于现有文献中给出的XRD-results [29日]。在峰值强度θ= 24.3°是相似的(无显著差异)挤压样本和注射模制标本。挤压的额外的山峰样品在33.2°,58.9°表明两种材料之间的分子取向的差异。因此合理的考虑,注塑生产的聚合物具有不同的分子取向比挤压样本。尤其如此,因为挤压一个深思熟虑的取向是实现虽然在注塑的取向很偶然,可能导致融化和凝固过程。

文献报道表明成型(所带来的高结晶度5]。增加的材料α晶体有更密切包装,因此也更高的机械强度。但是不是这种情况目前的材料,一方面无显著差异α水晶阶段注意到不同的机械强度测量(注塑试样强度较低)。类似的磨损行为的聚合物是合并后的机械强度和分子取向的性质。本研究作为起点识别定性摩擦学的特征和分子取向之间的联系;然而,一个精确的相关性也是下一步的研究。

4.2。表面特征

图5显示的表面特征穿挤塑和注塑标本。在整个表面Groove-like式微通道存在。从宏观检查,见图5磨损机制是microcutting和耕作。高放大倍数的数字6和7主导microcutting过程变得清晰。卷曲的碎片由于微加工聚合物表面的二氧化硅磨料磨具导致微纤维的形成。这种纤维的显微照片显然是如图6。这些微纤维与持续的磨损过程严格comingle形成单附在圆柱销的周长(外围)。类似的功能,在磨损过程中微纤维的形成是由几位作者报道18,19,30.]。粒子生成的机制可能会改变根据材料显著不同的特征。图6从挤压样品的光学显微镜观察显示了microcutting行为细长的纤维的聚合物。显微照片(见图5)清楚地显示这种差异:微纤维形成的挤压标本与注射模制针相比明显增大。磨损表面被调查在更高使用反射的光光学显微镜放大。图7(一)揭示了深沟槽的注射模制标本(箭头标志)。旁边microcutting楔形成也几乎没有注意到(见图7 (b)标有红色圆圈)。模拟深凹槽没有发现相同的程度上挤压。因为材料都是原始矩阵的颗粒碎片没有出现在接触表面。统一模式的开槽光滑连续沟槽在场为挤塑和注塑试样接触表面。这些定性研究结果进一步量化4所示。2。

磨损表面的3 d剖面观察使用白光干涉法(泰勒·霍布森CCI)如图8。清楚的是注射模制针的表面有更深层次的凹槽(130μ米深)比挤压针(65μ米)。注塑试样的三维表面粗糙度(Sa) = 8.96μ米,深圳= 82.94μ米)大约是一半的挤压针(Sa) = 17.03的粗糙度μ米,深圳= 170.2μ米)。很明显,表面都受到microcutting也证明的碎片出现在接触区域的边缘。宽浅沟槽,局部塑性变形的特征,没有发现任何的表面。这让我们得出两种情况下的主要机制是microcutting。很明显从3 d剖面深度剖面磨料颗粒造成的压痕注塑和挤出标本是不同的。和一个可以得出这样的结论:注射模制别针microcutting现象严重。一些地区的山脊microploughing现象也显示轻微的行动。然而,光学显微镜的整体分析,目视检查,白光干涉法显示了一个主导microcutting机制。

5。结论

耐磨性的PA6/6由挤塑和注塑生产,分别进行调查。表面磨损测量的基础上,相应的调查,和额外的文学研究中,可以得出以下结论:(我)法向力的增加会导致磨损率的降低,提供测试执行速度缓慢滑动。(2)大的磨料颗粒大小导致磨损率明显增大。(3)耐磨性的差异之间的注射模制标本和挤压部分可以解释基于力学性能和分子取向。(iv)PA6/6制造与注塑和挤出可能具有不同的分子取向。分子取向的影响5月穿(超过)补偿引起的力学性能的差异。(v)分子取向的影响是显而易见的。但是它需要更多的研究来精确地将分子取向与耐磨性。(vi)给出的东西包括特定的磨损率不占细节如分子取向,并相应地调整应该是结果。(七)磨损后表面粗糙度的两倍大,注射模制相比,挤压标本。然而,材料都经历了microcutting作为主要磨损机制。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢Ranjith Karuparambil拉马钱德兰从茧,根特大学对他的支持XRD调查和OTKA K113039研究基金,匈牙利,支持测试。