磨粒磨損

 

當各種硬的顆粒進入和停留在摩擦界面上，可以擦傷或使得對摩面材料脫落的現象叫磨粒磨損。當含有固體顆粒的流體，以與固體表面接近平行的狀態與固體表面相對運動時，對固體表面造成的磨損叫磨粒侵蝕。

 

塑料與金屬對摩時，因為塑料柔軟，有包容異物的能力，所以，外來的異物或摩擦過程中產生的微粒，可以在各種力綜合作用下嵌入塑料表層，使塑料表面變成了粒子增強型或彌散增強型的復合材料，耐磨性有相當的提高。但金屬表面的磨損卻比對純塑料時大。當然，塑料的包容能力并不是無限的。

我們曾經對塑料-金屬在潔凈潤滑油下的摩擦，以及在油中均勻地混有三氧化二鉻粒子的摩擦進行試驗。檢測結果發現，后—類塑料的耐磨性提髙了，金屬的磨損大了。從下表中所列數據，可以看到粒子增強聚四氟乙烯的磨粒磨損情況。其它塑料也都有這個特性。從顯微照片清楚的看到，經在混有三氧化二鉻粒子的潤滑油中摩擦過的塑料表面上，大體均勻地嵌有三氧化二鉻粒子。

 

關于磨粒侵蝕的機理，不但塑料與其它高分子材料(如橡膠）的侵蝕機理有所區別，就是各類塑料也不盡相同。

 

聚氨酯為熱固性彈性體，磨粒對其侵蝕的物理過程可以分為三個階段：

 

1)磨粒對枒料表面產生微切削與鑲嵌，使其表面發生顯微撕裂或變形，使表面產生復雜的應力。

 

2)在磨粒的反復作用下，表層產生裂紋并遂漸擴展。當 然，表層與內部的氣穴、雜質等缺陷，以及由于機械作用造成的分子鏈與分子間鍵的斷裂，也是裂紋產生、形成與擴展的原因。裂紋的萌生與擴展，往往最初是在平行于表面的表層或次表層某一深度上。這是因為最大剪應力發生在固體表面下這一深度處。隨著切向力（摩擦力）的增大，這一最大剪應力區逐漸移向表面。另外，摩擦所產生的熱和滯后現象產生大量的熱積累，在表面散熱好的情況下，其溫度較低。表層、次表層內的熱會引起鏈的取向、相組織的變化，導致聚合物結構的破壞，從而導致表面與基體之間內聚能下降。溫度最高的區域往往是內聚能最低處，因而可能在該處（即表面下某一深度）首先產生裂紋。

 

3)在磨粒的反復作甩下，裂紋最終將擴展到表面，使表面材料脫落下來。這一過程表明聚氨酯是以疲勞脫層（高度疲勞）方式受到磨損的。

 

屬于熱塑性塑料的聚四氟乙烯與尼龍6的侵蝕機理不同，也可以分為三個階段：

 

1）受到微切削（包括擦傷），從表面擠壓出微凸體并形成塑性堆積。

 

2)塑性堆積被拉長或重疊。

 

1)         塑性堆積斷裂并脫落。聚四氟乙烯的塑性比尼龍6大，斷裂強度又較小，因而微切削較嚴重，往往發展成材料的塑性斷裂。尼龍6接近于皮革態，具有較高的堅韌性，不太容易發生塑性堆積物斷裂與脫落。此外，聚四氟乙烯的結晶形態為片狀薄層，而尼龍6為球晶組織，也是聚四氟乙烯比尼龍6更易變形與脫落的重要原因。

在橡膠的磨損表面上，可以觀察到存在一層膠粘層，并附有—些細微的毛刺，有許多凸起和凹坑。在凹坑的前沿（沿流向），可以看到象唇緣一樣的隆起，同時還可以觀察到即將脫離基體的舌端。橡膠的磨粒侵蝕物理過程也可以分為三個階段：

 

1）當磨粒作用于橡膠表面時，對表面有微切削作用，使其變形或產生微觀撕裂。

 

2)磨粒的重復作用，對于具有高滯后性的橡膠的表面將產生大量的熱積累。同時，使微切削及微觀撕裂作用增加。熱積累使得化學鍵變弱，并可能引起熱分解與加速水解。微切削與微觀撕裂造成的大分子斷裂，會產生各種反應性自由基，會引起化學分解。由于降解，橡膠表面形成膠粘層。

 

3)膠粘層被“磨掉”，然后又產生，循環往復，所以，橡膠是以微切削和降解方式被侵蝕掉，而變形和微觀撕裂則加速這一過程。

 

橡膠與聚氨酯雖然同屬橡膠態，但是，橡膠易于切削和撕裂，不像聚氨酯那樣產生疲勞脫層。這主要是由于橡膠的摩擦系數比聚氨酯大很多，當磨粒作用時，切向力也大，因而最大剪應力產生在表面或貼近表面處。此外，由于橡膠內部填充炭黑，而炭黑的主要作用之一是改善橡膠的導熱性和耐熱性，這大大縮小了表面與基體因溫度引起的性能差異。