Износостойкость СВМПЭ: механизмы изнашивания и экспериментальные исследования

Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ) широко используется в приложениях, связанных с повторяющимся скользящим контактом, истиранием и транспортировкой материалов. Это полезный конструкционный материал для изнашиваемых накладок, вкладышей, скользящих компонентов и других деталей, подвергающихся трению, благодаря своей высокой молекулярной массе, прочности и характеристикам низкого трения.

Хорошая износостойкость, но СВМПЭ устойчив не ко всем видам износа. Его производительность зависит от нескольких взаимодействующих факторов, таких как контактное давление, скорость скольжения, шероховатость встречной поверхности, абразивные частицы и условия смазки.

Понимание этих факторов помогает инженерам более точно оценивать СВМПЭ и выбирать подходящие материалы для сложных условий эксплуатации.

Black UHMWPE Sheet Sliding Wear Pad Material

Поверхность листа AHD UHMWPE

Три основных механизма износа СВМПЭ

Износ – это постепенное удаление или деформация материала при контакте с другой поверхностью. Три механизма особенно актуальны для применений СВМПЭ.

1. Клейкий износ

Адгезионный износ возникает, когда во время скольжения между двумя контактирующими поверхностями происходит локальное адгезионное взаимодействие. Может происходить перенос материала с одной поверхности на другую. Это может быть переводная пленка или остатки износа.

Этот передающий слой может влиять на скорость износа и поведение при трении. При определенных условиях образуется относительно стабильная переводная пленка, которая помогает уменьшить прямой контакт между поверхностями. Но пленка может разрушиться при многократном контакте, изменении температуры или нагрузки.

2. Абразивный износ

Абразивный износ происходит, когда твердые частицы или неровности поверхности отрывают материал от СВМПЭ.

В целом его можно разделить на две формы.

Двустороннее истирание: твердые неровности на встречной поверхности царапают или втирают непосредственно поверхность СВМПЭ.

Трехстороннее истирание: свободные частицы, захваченные между двумя поверхностями, катятся, скользят или прорезают полимер.

Размер, твердость и концентрация абразивных частиц могут оказать существенное влияние на процесс повреждения. Это особенно актуально в системах погрузочно-разгрузочных работ, где пыль, песок или минеральные частицы могут попасть в зоны скользящего контакта.

3. Усталость и повреждение поверхности

Повторяющееся скольжение и нагрузка могут привести к прогрессирующей деформации поверхности полимера. Продолжительный контакт может привести к растрескиванию, отслаиванию или расслоению поверхности.

Усталостные повреждения могут усугубляться увеличением контактного давления, фрикционным нагревом и шероховатостью контртела. На практике одновременно может возникнуть более одного механизма износа.

Black UHMWPE Sheet Heavy Duty Industrial Lining

Некоторые люди используют «Лист UPE» как сокращение от «Лист СВМПЭ».

Лабораторное исследование: что влияет на износ сверхвысокомолекулярного полиэтилена?

Опубликованные трибологические исследования показывают, что характеристики износа СВМПЭ сильно зависят от условий эксплуатации. Три примера исследования показывают важность смазки, скорости скольжения и шероховатости контртела.

1. Влияние воды и соляной смазки

В 2022 году в журнале Polymers было опубликовано исследование скольжения СВМПЭ по стальному шарику в сухих условиях и при смазке ненасыщенной водой или рассолом.

Исследователи использовали воду или рассол со скоростью потока около 150–170 мл/ч и исследовали влияние нагрузки и скорости скольжения.

В условиях испытаний трибологические характеристики ненасыщенной жидкой смазки были лучше, чем сухого скольжения. Исследование показало снижение коэффициента трения и скорости износа. Общие результаты показали снижение более чем на 39% и 10% соответственно.

Исследователи также обнаружили, что тепло трения влияет на испарение жидкости и, таким образом, изменяет условия смазки на контактной поверхности.

Инженерное понимание: наличие воды не означает, что вы получите одинаковую эффективность смазки во всех условиях эксплуатации. Подача жидкости, нагрузка, скорость и выделение тепла могут влиять на трение и износ СВМПЭ.

Black UHMWPE Sheet High Density Polyethylene Sheet

2. Эффект скорости скольжения в абразивных средах.

В 2022 году в исследовании, опубликованном в Journal of Applied Polymer Science, изучалось поведение сверхвысокомолекулярного полиэтилена при абразивном износе в смазочных средах с абразивными частицами.

Исследования показывают, что в условиях испытаний критическая скорость вращения составляет примерно 360 об/мин. На этой скорости заявленная скорость износа была самой низкой и составляла примерно 8,49 × 10⁻⁶ мм³/Н·м.

Исследование также выявило изменения в доминирующем механизме износа:

Ниже критической скорости преобладающими механизмами износа были трехчастичный абразивный износ и адгезионный износ.

Выше критической скорости распахивание частиц было более выраженным, а ширина канавок достигала ~40 мкм.

Инженерная мысль: Скорость скольжения влияет как на степень износа, так и на механизм повреждения материала. Заявленное значение 360 об/мин действительно для этого эксперимента и не должно рассматриваться как универсальный рабочий предел для компонентов из СВМПЭ.

Листы полиэтилена UHMW могут быть изготовлены в различных цветах в соответствии с вашими требованиями.

3. Влияние шероховатости поверхности контртела.

В исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports в 2024 году, изучался износ СВМПЭ на контртелах с различными значениями шероховатости поверхности.

Исследователи провели тест возвратно-поступательного движения штифта на пластине в сухих условиях. Основными параметрами испытаний были:

Параметр	Экспериментальные условия
Температура	23°С
Относительная влажность	40%
Нормальная нагрузка	60 Н
Скорость скольжения	100 мм/с
Длина хода	5 мм
Продолжительность теста	60 мин.
Шероховатость контрграни (Ra)	0,03, 0,75 и 2,04 мкм

Результаты показали, что средний коэффициент трения увеличивается с увеличением шероховатости контртела.

Микроскопическое исследование показало изменения на изношенной поверхности СВМПЭ. Канавки, связанные с абразивным износом, наблюдались при меньшей шероховатости. При более высокой шероховатости деформация и расслоение поверхности были более выраженными, что указывает на более сложный процесс изнашивания.

Исследователи также сравнили две численные модели прогнозирования износа. Модель, основанная на энергии, обеспечила относительную погрешность объема износа около 1,7% при шероховатости контртела Ra 2,04 мкм по сравнению с 16% для модели Арчарда.

Инженерный взгляд: обработка встречной поверхности является важным параметром в системах скольжения. Сопрягаемая поверхность более шероховатая, что может привести к более высокому трению и более сложному повреждению поверхности. Таким образом, выбор материала должен основываться на состоянии контактирующего компонента, а не только на свойствах СВМПЭ.

Что означают эти экспериментальные результаты?

Три исследования демонстрируют несколько важных моментов, касающихся износостойкости СВМПЭ:

Условия смазки имеют важное значение. Вода или рассол могут снизить трение и износ при определенных условиях, но на результаты влияют подача жидкости и теплота трения.

Изменение скорости скольжения изменяет характеристики износа. Различные скорости могут изменить основной механизм с адгезионного или трехчастичного абразивного износа на вспашку частиц.

На повреждение поверхности влияет шероховатость контртела. Более шероховатые сопрягаемые поверхности приводят к большему трению и более сложной деформации и износу.

Необходимо учитывать условия испытаний. Скорость износа в различных экспериментах невозможно сравнивать напрямую, если материалы, нагрузки, скорости, геометрия контакта и условия испытаний не являются достаточно единообразными.

Эти результаты также объясняют, почему одно значение износостойкости не может полностью предсказать срок службы каждого компонента из СВМПЭ.

Заключение

В промышленных применениях, где присутствуют скользящий контакт и истирание, СВМПЭ обеспечивает полезную износостойкость. Однако его работоспособность сильно зависит от рабочей среды и условий контакта.

Экспериментальные результаты показывают, что его характеристики трения, скорость износа и основной механизм износа могут быть изменены с помощью смазки, скорости скольжения и шероховатости контртела. При выборе СВМПЭ для износных накладок, вкладышей, скользящих деталей и других применений, где трение является фактором, инженеры и производители должны понимать эти факторы.

Рекомендуемая дополнительная литература: Как проверить износостойкость СВМПЭ: методы, стандарты и промышленное применение.