金属表面超高分子量聚乙烯涂层的制备

第３０卷第４期２００６年４月

机械工程材料

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

ｆｏｒ

Ｖ０１．３０Ｎｏ．４

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ａｐｒ．２００６

金属表面超高分子量聚乙烯涂层的制备

夏露，张友寿，黄晋

（湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉４３００６８）

摘要：通过铸造方法在金属表面形成“拉钩”结构，再采用模压成型，在金属表面制备了超高分子量聚乙烯涂层，对涂层性能进行了研究。结果表明：“拉钩”结构提高了基体与涂层的结合力；预

压（６ＭＰａ）一烧结（２００～２１０℃×３．５ｈ）一加压（８ＭＰａ）一保压一冷却一出模的模压成型工艺可在

金属表面制备出超高分子量聚乙烯涂层，且涂层具有良好的耐磨性及导热性。

关键词：金属；超高分子量聚乙烯；“拉钩”结构；模压成型

中图分类号：ＴＧｌ７４．４６４

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００—３７３８（２００６）０４—００４１－０３

ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＵｌｔｒａ－ｈｉｇｈ

ＭｏｌｅｃｕｌａｒＷｅｉｇｈｔ

ＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅＣｏａｔｉｎｇ

ｏｎ

Ｍｅｔａｌ

ＸＩＡＬｕ，ＺＨＡＮＧＹｏｕ－ｓｈｏｕ，ＨＵＡＮＧＪｉｎ

（ＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｍｅｔａｌｂｙｃａｓｔｉｎｇａｎｄ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ

４３００６８，Ｃｈｉｎａ）

ｐｒｅｐａｒｅｄ

ｏｎ

ｗｅｉｇｈｔｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｒｉｅ（ＵＨ～Ｉ、７ｎ）Ｅ）ｃｏａｔｉｎｇｗａｓ

ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｂａｔｈｏｏｋｅｄ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｔｈｅｈｏｏｋｅｄ

ｍｏｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｂｉｎｄｉｎｇｆｏｒｃｅ

ｂｅｔｗｅｅｎｍａｔｒｉｘａｎｄｃｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｒｅｐｒｅｓｓｉｎｇ（６ｈ）－－一ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ（８ＭＰａ）－’ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｏｌｄｅｄ－’ｅｏｏｌｉｎｇ—’ｍｏｌｄ

ＭＰａ）＋ｓｉｍｅｒｉｎｇ（２００～２１０℃×３．５

ｐｒｅｐａｒｅ

ｕｎｌｏａｄｉｎｇ，ｃｏｕｌｄ

ＵＨＭＷＰＥ

ｃｏａｔｉｎｇ

ｏｎ

ｔｈｅ

ｈｏｏｋｅｄｓｕｒｆａｃｅｏｆｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘ．ａｎｄｐｒｅｐａｒｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｈａｄｇｏｏｄｗｅａｒａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌ；ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈｍｏｌｅｃｕａｌｒｗｅｉｇｈｔｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ；ｈｏｏｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｏｌｄｉｎｇ

１

引言

ｈｉｇｈｍｏｌｅｃｕｌａｒ

此，作者通过大量试验，探讨在金属表面制备ＵＨ—ＭＷＰＥ涂层的方法，并对其性能进行了测试。

超高分子量聚乙烯（ｕｌｔｒａ

ｗｅｉｇｈｔ

ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＵＨＭＷＰＥ）是一种具有优异

２试样制备及试验方法

２．１试样制备

金属基体材料为普通灰铸铁，牌号ＨＴｌ５０。带“拉钩”结构的金属基体成型的制备流程见图１。

综合性能的热塑性工程塑料，具有优良的耐冲击性、耐磨损性、耐腐蚀性、耐低温性以及良好的自润滑性、摩擦因数小和安全卫生等特性，广泛应用于纺织、造纸、化工和矿山等领域，用来制造滚轮、轴瓦、轴套、梭子、滤板、导轨以及齿轮等零部件［１＿４］。

由于ＵＨＭＷＰＥ硬度低，强度小，导热性差和热变形温度低，在实际应用时需要对它进行改性，一般通过向ＵＨＭｗＰＥ中加入填料、改性剂，或是通过共混［ｓ－ｓ］来达到使用目的。从实际使用来看，强度低、导热性差仍然限制了它的应用。而金属材料强度高，导热性好，但耐磨性、耐腐蚀性不如ＵＨＭＷＰＥ好。如果将这两种低成本但性能互补的材料结合在一起，将会充分发挥各自的优越性。为

收稿日期：２００５－０２－０２；修订日期：２００５－０４—２６

基金项目：湖北省教育厅科学研究基金资助项目（２０００１３０４００３）作者简介：夏露（１９７１一），女，湖北武穴人，讲师，硕士。

图１金属基体制备流程

ｎ吕１

Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘ

先将直径为０．７５ｍｍ的铁丝缠绕在ｊ５

８

ｍｍ的

圆棒上，取下后稍用力两边拉试一下，间隙约为２ｍｍ，形成拉钩状。纱布为普通粗纱布，二层为宜。太薄，不能吸附足够的耐火涂料，致使裸露在基体外的铁丝环过短；太厚，影响穿纱布的速度，且裸露在基体外的铁丝环会过长。纱布裁剪依据砂芯表面形

・４１

・

万方数据　

状及大小而定。耐火涂料由钠膨润土、锆英砂、羧甲基纤维素（ＣＭＣ），加上一定量的水组成，钠硼润土、锆英砂、ＣＭＣ、水的质量比为ｌ：９：０．２：１５。

要将金属基体与超高分子量聚乙烯牢固结合，

用常规的表面处理方法往往会遇到结合力太低的问

题，而且操作程序复杂。作者是采用在金属铸件生产过程中在金属表面即形成“拉钩”结构（图２）的方法，将金属基体与ＵＨＭＷＰＥ牢固结合起来。在制备涂层之前无须对基体表面进行预处理。

铁丝

图２成型后的金属磊体不惫

Ｆｉｇ．２

Ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇａｆｔｅｒｆｏｒｍｉｎｇ

ＵＨＭＷＰＥ的分子量３．０Ｎ１０６，北京助剂二厂

产。通过模压成型方法，在金属表面制备ＵＨＭ—ＷＰＥ涂层（图略——编者）。通过对工艺中的预热

温度、预热时间、烧结温度、烧结时间和预压压力等

诸因素进行正交试验，以获得较佳成型工艺参数。

２．２试验方法

试验涂层在设计原理上不同于一般涂层，因此结合力的测试不能仿照一般涂层的测试方法，而采用图３方法进行测试。

［（】［］］

方法Ｉ

［［—［王］

方法２

图３涂层结合力测试方法

Ｆｉｇ．３

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ

ａｒａｗｉｎｇｏｆｔｈｅ

ｓｐｅＯｎｅｎｆｏｒｔｈｅ

ｔｅｓｔ

ｏｆ确蛾ｆｏｒｃｅ

基体１与２之间填人ＵＨＭＷＰＥ。方法１中仅

基体２的表面有“拉钩”结构，对基体ｌ的表面采用常规方法进行表面处理；方法２中基体１、２均带有“拉钩”结构。结合力测试采用ＭＴＳ８１０一Ｔｅｓｔｓｔａｒ型伺服机进行拉伸试验，用抗拉强度表征。

将钻床进行改装，在载荷１００Ｎ、转速４８０ｒ／ｍｉｎ的条件下，模拟轴承的使用状态，对试样耐磨性及导热性进行测试。对磨材料选用４５钢，Ｒ－－－－６．３～１２．５＂ｍ；测试时间１０ｈ，从０～３００ｍｉｎ内每２０ｍｉｎ测量一

・４２・

万　

方数据次磨损量，到１０ｈ时再测量磨损量；导热性测量通过改装的热电偶测温仪从ｏ～ｌｏｈ随时记录温度变化；并与纯ＵＨＭＷＰＥ试样进行了对比。

３试验结果与讨论

３．１模压成型工艺

采用预热和不预热两种方式在金属表面制备ＵＨＭＷＰＥ涂层，并对试验结果进行比较，获得了两种方式的较佳成型工艺参数：

（１）预热的模压成型工艺参数：预热（１６０～

１７０）℃Ｘ２０ｍｉｎ一预压（６ＭＰａ）一烧结（１９０～２００）

℃Ｘ１５０

ｍｉｎ一加压（８ＭＰａ）一保压一冷却一出模；

（２）不预热的模压成型工艺参数：预压（６ＭＰａ）一烧结（２００～２１０）℃×３．５ｈ一加压（８ＭＰａ）一保压一

冷却一出模。

因ＵＨＭＷＰＥ的耐热性很差，温度过高就会出

现降解，温度过低则会有白芯，涂层性能不好；同时极低的导热性又不能快速传递热量。为此作者制备

的ＵＨＭＷＰＥ涂层厚度不超过５ｍｍ，以便于能量

传递。结果表明，当烧结温度在（２００±１０）。Ｃ时，均可制备出表面光洁、透明的ＵＨＭＷＰＥ涂层，且涂层与基体粘结致密，无缝隙。

通过对比分析发现，当烧结温度在（２００±１０）

℃和成型压力为８ＭＰａ时，烧结时间和预压压力对涂层成型性能影响非常大。当烧结时问不变时，增

大预压压力，有利于ＵＨＭＷＰＥ粉料的传热，白芯明显减少，但不能过大，否则会由于压得太紧，反而降低ＵＨＭＷＰＥ的传热，白芯又将增多，最合适的

预压压力为６ＭＰａ；当预压压力不变时，缩短保温时

问使粉料的传热时间减少，白芯大量出现，适当的延长保温时间，可获得光洁、透明的ＵＨＭＷＰＥ涂层，但保温时间过长，ＵＨＭＷＰＥ会发生降解，保温时

间以３．５ｈ为宜。

试验表明，是否预热，对这种厚度的ＵＨＭ—

ＷＰＥ涂层的成型性影响不大，两种工艺的稳定性和

重复性都很好。从经济性、操作的复杂性等方面综合分析，第二种工艺更合适。

３．２结合力

对五个试样进行结合力测试，去掉最大值和最小值，取剩余三个试样的平均值，结果见表１。

ＵＨＭＷＰＥ与金属是两种性能完全不同的材料，两者几乎不润湿，是弱相互作用体系，方法１中

由于基体１的表面没有“拉钩”结构，尽管进行了常

表１结合力测试结果

Ｔａｂ．１

Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｉｎｄｉｎｇｆｏｒｃｅ

方法结合力／ＭＰａ

断裂位置

ｌ５．６

基体ｌ的表面与ＵＨＭＷＰＥ连接处２

＞２５．７

在ｕＨＭｗＰＥ内部断裂，结合面基本完好

规表面处理，两者的结合力仍然很小，断裂发生在基体１的表面与ＵＨＭＷＰＥ连接处，且其结合力仅有

５．６

ＭＰａ，而基体２与ＵＨＭＷＰＥ的结合面完好；方

法２中由于基体１、２的表面都有“拉钩”结构，使基体与涂层牢固结合，断裂发生在ＵＨＭＷＰＥ内部，结合面基本完好，断裂时的抗拉强度为２５．７ＭＰａ，说明基体与涂层的结合力＞２５．７ＭＰａ，表明“拉钩”结构可以大大提高基体与涂层的结合力。

３．３耐磨性与导热性

两种模压工艺制备出的试样性能差别不大，在此仅讨论第二种工艺条件制备的试样的性能。

在试验条件下，金属＋ＵＨＭＷＰＥ涂层材料（简称ＵＨＭＷＰＥ涂层）和ＵＨＭＷＰＥ材料的磨损

及温升情况大不相同。由图４可见，ＵＨＭＷＰＥ涂

层在试验过程中从０～６０ｍｉｎ之间磨损处于跑合

期，该材料的磨损量随时间的延长而不断增大，磨损量为０．０４６ｍｍ；随后进入一个稳定阶段，磨损率较

前一阶段要小得多，一直到３００ｍｉｎ都是如此，然后

直接到６００ｍｉｎ，再测磨损量，发现依然处于稳定阶段，总的磨损量为０．０９８ｍｍ。ＵＨＭＷＰＥ材料的

磨损明显比涂层材料大，０～６０ｍｉｎ时磨损量达到

０．２４

ｉｎＩｎ，而且６０ｒａｉｎ后试验就无法继续进行了，

因为ＵＨＭＷＰＥ材料与４５钢轴出现“咬死”现象。结合图５来分析，涂层材料的温度随着磨损时问的延长不断升高，但单位时间的温升呈现不断减少的

趋势，在前６０ｍｉｎ内温度升高比较明显，温升为２．５

℃；随后温度变化趋缓，从６０～３００ｒａｉｎ只增加了

１．７℃；从３００ｍｉｎ到６００ｍｉｎ温升只有０．３℃；在

１０

ｈ内，总的温升为４．５℃。而ＵＨＭＷＰＥ材料的

温升很大，在前６０ｍｉｎ内温度升高了４４℃，达到６７

℃，对ＵＨＭＷＰＥ来说已经达到了热变形的温度，因此开始出现软化，最终导致“抱轴咬死”［９］。

ＵＨＭＷＰＥ摩擦因数小，具有良好的耐磨性，它的致命弱点是耐高温性差，导热性差。当温度升高时力学性能明显降低，即使升高２０～３０℃，其耐磨性、强度和硬度都显著降低［１０｜。文献Ｅ９３表明，聚合物在工作中随着温度的上升，摩擦因数将增大，磨损量也增大，但当温升小于ｌｏ℃时，摩擦因数变化

万　

方数据不大。将ＵＨＭＷＰＥ涂敷到金属表面后，有助于热量的传递，这种材料在使用过程中温升不大，小于

１０℃，因而磨损量小。然而由于纯ＵＨＭＷＰＥ材料

导热性差，其温升大，使得摩擦因数增大，磨损量增大，并出现“抱轴咬死”的现象。

ＯＥ

ＥＯｍ腿

＼囱ｆ

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３

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图４金属＋ＵＨＭＷＰＥ涂层材料和ＵＨＭＷＰＥ材料的

磨损■与时间的关系

Ｆｉｇ．４

Ｗｅａｒｌｏｓｓ－ｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅ

ｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆ腿ｔａｌ＋

ＵＨＭＷＰＥｃｏａｔｉｎｇａｎｄＵ咖ⅥＷＰＥ

随

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鬈

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赠叫董簧：。

山≥蔓遮

２２＝３

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２０

ｐ一一止～

时间／ｍｉｎ

图５金属＋ＵＨＭＷＰＥ涂层材料和ＵＨＭＷＰＥ材料的

刊一

温度与时间的关系

Ｆｉｇ．５

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｔｉｍｅｃｕｒｖ幅ｏｆｔｈｅ

ｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆｍｅｔａｌ＋

ＵＨＭＷＰＥｅｏａｔｕＬｇａｎｄＵＨＭ［ＷＰＥ

４结论

（１）在金属表面制备ＵＨＭＷＰＥ涂层时，采用“拉钩”结构可对基体表面不进行预处理，并且涂层与基体的结合力较高。

（２）当ＵＨＭＷＰＥ层小于５ｍｍ厚时，压制一烧

结成型工艺为用“预压（６ＭＰａ）一／ＪＩ热烧结（２００～

２１０）℃×３．５

ｈ一加压（８ＭＰａ）一保压一冷却一出

模”时能获得成型性能良好的ＵＨＭＷＰＥ涂层。

（３）金属表面ＵＨＭＷＰＥ涂层材料具有良好的导热性和耐磨性。

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林敦文，等：Ａ１一Ｍｇ—Ｓｉ基合金车身板材成形极限及数值应用

成形过程中，板料向窗台流动，而引起在Ｃ处产生与箭头垂直的方向的压应力引起的皱曲，可以加大或减小窗台圆角以消除这一小部分的皱曲；位于板料周边角部ｄ处出现皱曲现象，这也是由于板料流动过程中压应力产生的，但由于这一部分最终要去除，故可以忽略该部分的缺陷。

图６

Ｆｉｇ．６

Ａｌ。Ｍ雪Ｓｉ基合金车门外板厚度分布五图

Ａｌ－Ｍ｝Ｓｉｂａｓｅｄａｌｌｏｙ

ａｕｔｏ

Ｔｈｉｃｋｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｖｉｅｗｏｆ

ｏｕｔｅｒ

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图５

Ｆｉ舀５

ｌＬＤ

ＡＩ－Ｍｇ－Ｓｉ基合金车门外板成形极限图ｏｆＡＩ－Ｍｇ－Ｓｉｂ８８ｅｄａｌｌｏｙ

ａｕｔｏ

［３］

ＫｅｅｌｅｒＳ

Ｐ．Ｄｅｔｅｍｉｍｔｉ。ｎ。ｆ

ｆｏｒｍｉＩｌｇ

１ｉｍｉｔｓｉｎａｕｔ。ｍ。ｔｉｖｅ

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ｔＯ

由图６可见，厚度分布与理论分析能够得到较好的一致性。窗台凸台的厚度变化很小，约在０．０５ｍｍ范围内，窗台的周边四个圆角从图上可以看出厚度的变化较窗台内部大，这与理论分析得至Ⅱ了较好的符合。位于拉延筋上的ａ处由于外棱线产生过

渡，变形较大。成形后拉延筋上的厚度约在０．８ｍｍ左右，在安全裕度范围之内。

５

［４］Ｃ，ｏｏｄｗｉｎＧＩＭ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｉｎａｎａｌｙｓｉｓ

ｐｒｅｓｓ

ｓｈｅｅｔｍｅｔａｌ

ｓｈ。ｐ［Ｒ］・Ｎ８”Ｙｏ。ｋ：ｓ０。ｉ８‘ｙ。ｆ

［５］竺ｍ０２篡曼窘嚣８烹燕竺；∑三ｉ篡：翟兰。。。

一ｆｏｎｎｉｌｌｇ

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ｔＯ

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结论

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用［Ｊ］．中国有色金属学报，２００２，１２（铝合金专辑’：１８０一１８３・

（１）研制的Ａ１一Ｍｇ－Ｓｉ基合金车身板的成形极限高于ＡＡ６１１１，具有良好的综合性能。

（２）将试验所得的ＦＬＤ结果作为破裂判据，分析车门外板在冲压成形过程中破裂危险部位主应变在ＦＬＤ上分布。分析表明，拉延筋的形状和位置对成形过程的影响很大；采用双曲面法设计车门可以改善车门腹部拉深不充分引起的刚度问题。

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－６７・

（上接第４３页）

［３］ＢａｒｅｔｔＴＳ，ＳｔａｃｈｏｗｉａｋＧＷ，ＢａｔｃｈｅｌｏｒＡＷ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒｏｎｇｈｎｅｓｓ

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