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金属塑料复合材料压制烧结成型及性能
点击:434 日期:2018/9/18 15:07:14

        摘要:根据金属塑料复合材料结构特点和性能要求,设计了压制烧结成型模具的整体结构,并设计了正交试验
方案,然后进行制品的压制烧结成型实验,通过对成型温度、压力、时间以及升温速率四个工艺参数的控制,制备了16 组不同的结合强度、摩擦系数以及耐磨性的金属塑料复合材料,并通过拉伸试验、摩擦磨损试验,研究了四个成型工艺参数对制品三个性能评价指标的影响规律,确定了使三个性能评价指标分别达到最佳时的三组工艺参数组合。最后运用模糊数学综合评价方法将三个性能评价目标转化为单一目标,并进行优化研究。结果表明,当成型温度为330℃、成型压力为9 MPa、成型时间为60 min、升温速率为6℃/min 时,制品的综合性能最高。
        随着时代的快速发展,全世界对于高效、节能以及环保的高科技产品的需求日益增长[1]。据统计,全世界工业能源的1/3 由于摩擦而损耗掉,大约有80% 的机器零部件由于磨损而失效[2]。金属塑料复合材料是由润滑性的塑料与金属基体复合而成,该复合材料不但具有传统金属板材的高强度,还具有自润滑、耐磨损、高承载、环保、抗冲击以及质量轻等优点,因而广泛应用于航空航天、国防军工、矿山、交通、环保、化工、船舶、食品、制药等工业领域[3]。对于提高复合材料结合强度、摩擦磨损性能方面,国内外学者的研究主要集中在材料制备与改变材料含量方面,在成型工艺研究方面也只是单独对某个工艺参数进行研究,而综合研究成型压力、成型温度以及成型时间等多个工艺参数来提高复合材料结合强度、摩擦磨损性能的较少[4]。
        笔者的研究目的是成型一种结合强度高、摩擦系数低以及耐磨性高的金属塑料复合材料,通过对材料制备工艺进行研究,从而找到结合性能与摩擦磨损性能更加优越的成型工艺。由于塑料工作层材料需要具有摩擦系数低、耐磨性高等性能,因此笔者采用的塑料工作层材料以塑料中摩擦系数最低的聚四氟乙烯(PTFE) 材料为主,以聚苯硫醚(PPS) 与聚醚砜(PESU) 材料为辅,并添加少量的添加剂二硫化钼(MoS2)。设计的中间结合层主要起到承上启下的连接作用,这是由于塑料工作层中的材料尤其是PTFE 与金属基体直接连接时的结合强度低,因此采用结合强度高的PPS 和PESU 及苯乙烯马来酸酐共聚物混合材料作为中间结合层材料,并以45#钢板作为金属基体,设计正交试验方案,进行制品的压制烧结成型实验,最终成型一种结合强度高、摩擦系数低以及耐磨性高的金属塑料复合材料板材。
1 实验部分
1.1 原材料
        PTFE :粒度10 μm,密度2.15 g/cm3,浙江衢州万能达科技有限公司;
        PESU :粒度30 μm,密度1.2 g/cm3,东莞市泽荣塑胶工程有限公司;
        PPS :粒度30 μm,密度1.5 g/cm3,东莞市泽荣塑胶工程有限公司;
        MoS2 :粒度30 μm,密度4.8 g/cm3,市售;硅烷偶联剂:粒度30 μm,密度4.8 g/cm3,南京向前化工有限公司;
        苯乙烯马来酸酐共聚物:马来酸酐含量10%,广州喜嘉化工有限公司;
        45# 钢金属基体:尺寸120 mm×29.5 mm×3 mm,江苏锡钢集团有限公司。
1.2 仪器与设备
        球型研磨机:QM–3SP4 型,上海书培实验设备有限公司;
        超声波清洗机:FRQ–1006HT 型,杭州法兰特超声波科技有限公司;
        真空烘干机:DZX–6050B 型,上海羽通仪器仪表厂;
        热压烧结炉:SF500 型,郑州金海威科技实业有限公司;
        喷砂机:BD–1312–12A 型,苏州工业园区百通喷砂机械有限公司;
        多功能摩擦磨损测试仪:UMT–2 型,美国CETR 公司;
        静电喷涂装置:WL–2 型,上海浦东伟隆静电喷涂设备厂;
        微机控制电子万能试验机:UTM4140 型,济南万测电气设备有限公司;
        压制烧结成型模具:自制。
1.3 试样制备
        将成型温度(A)、成型压力(B)、成型时间(C) 以及升温速率(D) 四个工艺参数作为试验因素,并分析实验的材料性质、工艺以及设备等多个试验因素,忽略了工艺参数之间的交互作用对成型结果的影响,确定了试验过程中各个工艺参数的水平值[5]。采用均衡抽样方法建立了正交试验表,采用四因素四水平试验[6]。其中因素与水平设置如表1 所示。


        为了简化模具结构,采用倒装的方法进行压制烧结成型,并在模具设计过程中重点考虑了模具热胀冷缩、模具加热方式、凹凸模的分型以及推出机构等方面对制品综合性能的影响。在设计模具加热系统时,模具内八个加热棒对称布置、均匀且型号一致,从而保证了模具温度变化速率与模具材料热胀冷缩的对称[7]。采用该加热方法与传统的将模具放置于炉内加热的方法相比,具有操作简单、温度控制准确、占用体积小、效率高以及节省费用等优点。模具结构示意图如图1 所示。
        金属塑料复合材料成型过程可分为四个步骤,分别为塑料工作层材料处理、金属基体表面预处理、中间结合层的喷涂以及制品压制烧结成型。
        (1) 塑料工作层材料处理。首先将塑料工作层材料分别放入真空烘干箱进行烘干处理;按照
PTFE 55%,PPS 25%,PESU 15%,MoS2 5% 称重,并在高速搅拌机内进行混合处理;然后再次放入烘干机中烘干处理;最后压制成型胚。在加料过程中需要保证一次完成,否则可能在界面上出现开裂现象,在压制过程中需要用刮板刮平,使塑料工作层材料均匀分布在型腔中,然后缓慢加压,在升压过程中需要进行二次卸压,以便及时排空材料中的空气,压制成型后将塑料工作层型胚放置24 h 左右,以便于消除材料内应力[8]。
        (2)金属基体表面预处理。对金属基体表面预处理主要是为了保证材料成型后的结合强度与稳定的摩擦磨损性能,因此在成型前需要对45# 钢基体板材进行表面处理,使金属基体表面具有一定的粗糙度与洁净度。金属基体表面预处理的步骤为:金属基体清洁处理→表面喷砂处理→预热处理→表面调质处理→备用[9]。


        (3) 中间结合层的喷涂。首先将材料进行烘干处理;其次按PPS 63%,PESU 35%,苯乙烯马来酸酐共聚物2% 称重,混合,烘干;最后放入静电喷涂机进行喷涂处理。通过对喷涂过程中的电流、电压、流速压力以及雾化压力等工艺参数进行控制[10],设置的喷涂工艺参数具体如下:喷枪口至金属基体距离为100 mm,供粉量为200 g/min,静电电压为50 kV,雾化压力为0.3 MPa,流速压力为0.4 MPa,静电电流为15 μA,供粉桶流化压力为0.1 MPa。通过喷涂处理,最终在金属基体表面覆盖一层厚度约为1 mm 的中间结合层材料。
        (4) 制品压制烧结成型。将模具安装在热压烧结炉上,将材料放置到模具中,在20 min 内将模具的温度升高到80℃进行预热处理;预热处理的同时对材料施加50 MPa 的压力进行预压处理,在预压过程中需要进行二次卸压,然后重新加热加压;在温度达到250℃、压力达到6 MPa 前进行排气处理,排气后重新加热加压,通过排气处理可以将材料中的一些水分、挥发物变成的气体以及化学反应的副产物等蒸发出来;按照正交设计方案所设定的成型工艺参数,将成型温度、成型压力升高至设定值,并保温保压到设定的时间,制品在此过程中发生了交联固化反应;最后进行卸压脱模处理,将成型好的金属塑料复合材料随炉冷却到50℃脱模,制得的金属塑料复合材料制品如图2 所示。


1.4 性能测试
        通过垂直拉伸法测量制品的结合强度,在将制品上下两端与金属试柱分别粘接时,必须保持两个金属试柱轴心在同一条直线上,以保证在拉伸时拉力的方向同心,所以实验选择大小形状相同的两个试柱进行实验;另外在拉伸时需要保证拉力的方向垂直于材料的结合界面,以避免拉伸时在材料界面产生剪切应力,所以采用垂直拉伸机进行试验。根据垂直拉伸试验的要求,选用两个大小形状相同的钢试柱,其直径为25 mm,高度为100 mm。首先采用砂纸对试柱与材料的两端作打磨处理,其次对试柱与材料接触面进行清洗处理,并放入烘干箱中进行烘干处理,然后对制品与两个钢试柱进行粘结处理,最后将粘接好的试样放置在室温环境下24 h。通过测试得到拉力的大小,求出制品的结合强度。结合强度性能测试与结构如图3 所示。


        在利用多功能摩擦磨损测试仪测试制品摩擦磨损性能时,通过对同一试样多处测试、在摩擦磨损状态稳定的情况下取平均值的方法获得准确率高的数据。首先用13 μm (1 000 目) 砂纸对塑料工作层表面作均匀打磨处理,其次用丙酮溶液对打磨后的表面进行清洗处理,并将制品放入烘干箱中进行烘干处理,最后选用球状对摩件在干燥条件下进行摩擦磨损实验,其中施加的载荷为10 N,旋转驱动电机的转速为200 r/min,摩擦磨损时间为60 min。在摩擦磨损性能测试结束后,将试样放置在室温环境下24 h 再进行磨痕的测量与磨损量的计算。采用电子天平称量法来计算试样的磨损量。由于试样磨损距离的测量误差较大,笔者以相同时间、载荷以及速度下的磨损量大小作为衡量试样耐磨损性能的评价指标。
2 结果与分析
2.1 工艺参数对制品性能评价指标的影响
        通过制品成型试验与相关性能测试,得到了所选取的四个工艺参数对制品的三个性能评价指标的影响结果,如表2 所示。


        对表2 结果中的结合强度质量评价指标作极差分析,得到了四个成型工艺参数对结合强度质量评价指标的影响规律,如图4 所示。
        从图4 可以清楚地看出,压制烧结成型工艺参数对制品结合强度的影响大小为:成型温度> 成型压力> 成型时间> 升温速率。因此,对于制品的结合强度,通常以调整制品的成型温度与成型压力来达到增强制品结合强度的目的。通过极差分析可以得到使金属塑料自润滑复合材料结合强度达到最大时的因素水平组合为A3B3C3D1,即成型温度为330℃,成型压力为9 MPa,成型时间为60 min,升温速率为6℃/min。


        对摩擦系数质量评价指标作极差分析,得到了四个成型工艺参数对摩擦系数质量评价指标的影响规律,如图5 所示。从图5 可清楚看出,压制烧结成型工艺参数对制品摩擦系数的影响大小为:升温速率> 成型温度> 成型压力> 成型时间。因此,对于制品的摩擦系数,通常以调整升温速率与成型温度的方法来达到降低制品摩擦系数的目的。通过极差分析可得到使金属塑料复合材料摩擦系数最小的因素水平组合为A3B4C3D1,即成型温度为330℃,成型压力为10 MPa,成型时间为60 min,升温速率为6℃/min。


        对磨损量评价指标作极差分析,得到了四个成型工艺参数对磨损量评价指标的影响规律,如图6所示。从图6 可以清楚地看出,压制烧结成型工艺参数对制品磨损量的影响大小排序为:成型温度>成型压力> 升温速率> 成型时间。因此,对于制品的耐磨性,通常以调整成型温度与成型压力来提高。通过极差分析可以得到使金属塑料复合材料磨损量最小时的因素水平组合为A3B4C3D3,即成型温度为330℃,成型压力为10 MPa,成型时间为60 min,升温速率为12℃/min。


2.2 制品质量多目标模糊数学综合评价
        通过以上分析可知,所研究的四个压制烧结成型工艺参数对制品的三个质量评价指标的影响程度各有侧重,这是由于正交试验与极差分析方法对于单一目标的优化效果比较明显,但是对于多目标的优化就比较困难,并具有一定的模糊性,因此可以将多个目标经过模糊数学综合评价处理转化为单一目标,再进行工艺参数的优化分析[11]。对于多个目标转化为单一目标,通过采用权值分配的方法来分析各个工艺参数对制品质量的影响程度,并从制品的质量、性能以及运用等方面综合考虑[12],设置结合强度、摩擦系数以及耐磨性3 个性能评价指标的权值都为100/3,则综合评分值的计算公式表示为:

金属塑料复合材料压制烧结成型及性能
       
式中:j——试验号;
        b1,b2,b3——结合强度、摩擦系数、耐磨性的权值;
        Yj——第j 个试验号的综合评分值。
        在运用模糊综合评价方法进行多目标优化时,需要运用到模糊数学理论,在运用该理论进行优化时,有S 形、三角形以及梯形等多个类型的隶属度函数可供选用,而其中S 形函数的单调性较好,所得到的隶属度值较高,从而可以使制品综合评价的结果趋于合理[13]。由于结合强度、摩擦系数以及耐磨性三个性能评价指标的量纲不同,通过采用S 形隶属度函数可以将三个性能评价指标值映射到[0,1] 区间内[14],其中该函数的计算公式表示为:

       
式中:i——制品性能评价指标,其中结合强度、摩擦系数以及耐磨性指标的分别为1,2,3 ;
        Xji,Yji——第i 个性能评价指标对应的第j 个试验号的结果、映射[15]。
        通过对三个性能评价指标的S 形隶属度函数中的参数进行分析与计算,确定结合强度、摩擦系数以及耐磨性函数中的参数(a,c) 分别取值为(0.465,7.13),(–32.26,0.104),(–0.1923,8.3),并根据公式(1) 与(2) 计算出制品性能的综合评分结果,具体结果如表2 所示。对表2 结果中的制品质量综合评价指标作极差分析,得到了四个成型工艺参数对综合评价指标的影响规律,如图7 所示。


        从图7 可以得到各工艺参数对制品质量综合评分的影响大小为:成型温度> 成型压力> 升温速率> 成型时间,因此,对于质量综合评价指标,往往通过调整成型温度与成型压力来提高制品综合性能。通过极差分析可得到使金属塑料复合材料质量综合评分最大时的因素水平组合为A3B3C3D1,即成型温度为330℃,成型压力为9 MPa,成型时间为60 min,升温速率为6℃/min。表1 中没有该试验方案,通过实验对该组合方案进行验证,得出结合强度为9.35 MPa,摩擦系数为0.106,磨损量为8.4 mg,将结果代入公式(1) 与(2) 计算出综合评分为57.21433。通过与表2 中的制品综合评分进行比较,发现该组合方案的综合评分数值都高于表2 中的综合评分数值,所以可以得出该工艺参数组合方案为所设定的参数值中的最优方案。
3 结论
        (1) 设计了成型模具与正交试验方案,并进行压制烧结成型试验,制得了16 组不同的结合强度、摩擦系数以及耐磨性的金属塑料复合材料,通过极差分析,得到了四个工艺参数对制品三个性能评价指标的影响规律,并确定了使三个性能评价指标分别达到最佳时的三组工艺参数组合。
        (2) 通过模糊数学综合评价方法将制品的三个性能评价目标转化为单一目标,并进行了优化研究。结果表明,当成型温度为330℃,成型压力为9 MPa,成型时间为60 min,升温速率为6℃/min,制品的综合性能最高。

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