PEEK450-FC30與SiC陶瓷在海水潤滑下的摩擦磨損特性研究

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(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 北京 100124)

引言

隨著陸地資源的枯竭，現(xiàn)在國際海洋資源競爭已變得比歷史上任何時(shí)候都激烈，海洋開發(fā)利用好壞將成為直接影響各國經(jīng)濟(jì)、政治、軍事地位的重要因素。所以發(fā)展海洋科技力量已迫在眉睫。

海水柱塞泵是海水液壓傳動(dòng)的核心元件之一，開發(fā)出具有高可靠性、高容積效率、高壽命的海水柱塞泵對(duì)海洋的開發(fā)利用是十分重要的。 發(fā)達(dá)國家包括丹

麥、芬蘭、英國、日本等自20世紀(jì)70年代末、80年代初開始研制水液壓柱塞泵，現(xiàn)基本已研制成功并進(jìn)入使用推廣階段[1]，已在消防、食品加工、工程機(jī)械、海洋開發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

國內(nèi)在水液壓柱塞泵的研制也做了大量的工作，但由于水具有黏度低、潤滑性差、腐蝕性強(qiáng)等缺點(diǎn)，使得海水液壓泵關(guān)鍵摩擦副部件的材料選取受到很大限制，特別是配流副、柱塞副、滑靴副、球鉸副以及軸承，均需要運(yùn)行在潤滑性很差的海水環(huán)境中，且承受很大的pv值，這致使研究進(jìn)行緩慢[3]。

目前制約海水柱塞泵發(fā)展的關(guān)鍵問題有兩點(diǎn)：一是材料腐蝕嚴(yán)重，由于海水腐蝕性強(qiáng)，造成海水液壓泵材料腐蝕嚴(yán)重，縮短泵的使用壽命；另一個(gè)是材料磨損嚴(yán)重，由于海水液壓泵運(yùn)行在海水環(huán)境中，海水中含有大量的微生物和顆粒，這些都加劇了摩擦副的磨損，造成泵泄漏嚴(yán)重，降低容積效率。為了解決以上問題，目前在設(shè)計(jì)水液壓元件時(shí)，多考慮采用非金屬材料如聚合物材料或工程陶瓷，或者采用不同熱處理方法改善的材料作為海水液壓泵摩擦副材料。國內(nèi)外眾多專家對(duì)塑性聚合物做了大量的研究，國外專家Unal和Mimaroglu[4]將純的聚醚醚酮PEEK和碳纖維增強(qiáng)聚醚醚銅PEEK450-FC30分別與AISI D2鋼組合在純水潤滑下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)研究，他們發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚銅PEEK450-FC30比純的聚醚醚酮PEEK具有更好的摩擦磨損特性。本研究基于海水柱塞泵摩擦副具體工況選擇工程陶瓷SiC與碳纖維增強(qiáng)聚醚醚銅PEEK450-FC30組合作為海水柱塞泵關(guān)鍵摩擦副的一組備選材料，進(jìn)行試驗(yàn)研究。工程陶瓷SiC不僅具有較高硬度和強(qiáng)度，而且具有良好的耐蝕性，能夠有效地抵抗海水的腐蝕；碳纖維增強(qiáng)聚醚酮PEEK450-FC30具有高強(qiáng)度、低密度、低摩擦系數(shù)和優(yōu)良的防腐蝕能力等特點(diǎn)。通過對(duì)摩擦副配對(duì)材料研究分析，以求為我國海水液泵研制選擇出最佳摩擦副配對(duì)材料。

1 實(shí)驗(yàn)方法和試件制備

1.1 人造海水的制備

海水是由自來水和高級(jí)人造海水鹽按27∶1的比例配置而成。在配置海水之前， 把要配置的自來水置于陽光下暴曬一周以充分除去自來水中的氯，然后將人造海水鹽按比例充分溶解到自來水中，以此制造出人造海水。表1顯示了人造海水所包含的物質(zhì)，根據(jù)GB 17378.4-2007測得人造海水pH值為8.2，含鹽量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%。

表1 人造海水所包含的物質(zhì)

1.2 材料及試件的制備

下試件由無壓燒結(jié)陶瓷SiC通過注模方式加工而成，外形尺寸分別為16(內(nèi)徑)×34(外徑)×8(高) mm，其表面粗糙度經(jīng)1000號(hào)、1200號(hào)金相砂紙逐一拋光至粗糙度Ra<0.1。上試件由PEEK450-FC30材料加工而成，外形尺寸20(內(nèi)徑)×28(外徑)×7(高) mm,其試件表面粗糙度通過金相砂紙1000號(hào)、1200號(hào)、1500號(hào)逐一拋光，使其表面粗糙度控制在0.1～0.2 μm范圍內(nèi)。并且PEEK450-FC30在水溫23 ℃下具有3%的吸水率，為避免試件的吸水性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前將PEEK450-FC30試件在水中浸泡7天,使之趨于飽和。兩種材料的主要性能參數(shù)列于下表2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及其工作原理

本試驗(yàn)在MCF-10摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)主要用來測量在海水、淡水或潤滑油介質(zhì)下材料的耐磨損性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)端面磨損、銷盤磨損、球盤磨損等關(guān)鍵摩擦副的性能研究。其工作原理如圖1所示，具體參見文獻(xiàn)[5]，此處不再贅述。

為獲得穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，每組試驗(yàn)時(shí)間為1 h。試驗(yàn)前，首先將上、下試件安放在圖1所示的位置，然后打開小潛水泵往水池中注水， 使水位超過下試件上表面一定高度，以保證試驗(yàn)加載后，摩擦副是完全浸于海水中。潛水泵在整個(gè)試驗(yàn)過程中一直不斷的向水池中注水，水池中多余的水通過輸水管再流入水箱，使摩擦磨損試驗(yàn)處于循環(huán)水的工況中。實(shí)驗(yàn)前后，將上下試件用無水酒精在超聲清洗器中清洗干凈并吹干，用精度為0.1 mg的電子天平進(jìn)行稱重，據(jù)此得到試件的磨損量。試驗(yàn)結(jié)束后，再用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察試件表面的磨損形貌，用以分析摩擦副磨損機(jī)理。

表2 兩種材料的主要性能

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理圖

2 結(jié)果及討論

2.1 壓力和轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦副磨損率影響

本試驗(yàn)所用試件工程塑料PEEK450-FC30與其配對(duì)材料工程陶瓷SIC硬度相差較大，摩擦副的磨損主要發(fā)生在工程塑料上，陶瓷磨損較小，固在此通過研究PEEK450-FC30的磨損情況來反映摩擦副的摩擦磨損特性。

滑動(dòng)速度在0.5～1.5 m/s之間，在不同轉(zhuǎn)速下，接觸壓力從0.66 MPa逐漸增加到2.64 MPa時(shí)，測得的PEEK450-FC30的磨損率如圖2所示。由圖2可知，即使轉(zhuǎn)速不同，但當(dāng)滑動(dòng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)， 磨損率的變化規(guī)律基本相同，都是隨壓力的增加先降低后增加；并且各個(gè)滑動(dòng)速度下，磨損率都是在接觸壓力為0.66 MPa 時(shí)最大，在接觸壓力為1.33 MPa時(shí)最小?，F(xiàn)取滑動(dòng)轉(zhuǎn)速1 m/s時(shí)， 具體分析影響摩損率的變化規(guī)律的原因。

圖2 不同壓力在不同轉(zhuǎn)速下的磨損率圖

2.2 分析接觸壓力對(duì)摩擦副摩擦系數(shù)的影響

圖3所示為在滑動(dòng)速度1 m/s下，不同壓力下測得的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖3可知，摩擦系數(shù)在開始階段較高，隨著行程增加摩擦系數(shù)降低，隨后趨于平穩(wěn)。這表明摩擦副進(jìn)行磨損的過程中有一段磨合過程[6]，并且磨合期的長短受壓力的影響。由圖可知接觸壓力在0.66 MPa和1.33 MPa時(shí)，磨合時(shí)間較小，而接觸壓力在1.99 MPa、2.64 MPa時(shí)磨合時(shí)間相對(duì)較長。可能是因?yàn)榻佑|壓力較小時(shí)，水潤滑摩擦副接觸面易形成邊界水膜，減小摩擦，縮短摩擦的磨合時(shí)間，減小材料磨損；當(dāng)壓力增大到一定值時(shí)，邊界潤滑水膜不易形成，不能對(duì)摩擦接觸面進(jìn)行充分潤滑，并且摩擦產(chǎn)生的熱也不能及時(shí)被水帶走，導(dǎo)致摩擦表面溫度升高。表溫升高，影響PEEK450-FC30的塑性，降低了硬度，使磨合時(shí)間長，增加材料的磨損。

圖3 摩擦系數(shù)與接觸壓力的關(guān)系圖

當(dāng)摩擦副進(jìn)入平穩(wěn)摩擦階段，接觸壓力為1.99 MPa 時(shí)，摩擦系數(shù)卻最小。這是因?yàn)殡m然高壓下，邊界水膜在摩擦副接觸面不易形成，但是在較長的磨合過程中，PEEK450-FC30材料磨損較快，生成大量磨屑，如圖4a、4b所示，摩擦表面積累的PEEK450-FC30磨屑卻能起到了固體潤滑劑的作用，降低摩擦系數(shù)，減小材料磨損[7]。

圖4 陶瓷SiC試驗(yàn)前后磨損表面形貌圖(1.33 MPa，1.25 m/s)

2.3 分析滑動(dòng)速度對(duì)摩擦副摩擦系數(shù)的影響

圖5為接觸壓力為1.33 MPa，不同的滑動(dòng)速度下測得的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線，圖中速度值為接觸環(huán)面上的平均線速度。由圖5可知，滑動(dòng)速度對(duì)材料的磨合期影響不大，五種轉(zhuǎn)速下的磨合時(shí)間基本相同，對(duì)摩擦系數(shù)的影響亦不明顯， 并且摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值較小，基本都在0.06左右。如圖6所示，PEEK450-FC30試驗(yàn)前后磨損表面形貌。由圖6b～圖6d可知PEEK450-FC30試驗(yàn)后表面磨損較輕，并且不同滑動(dòng)轉(zhuǎn)速下的磨損表面形貌相差不大。

圖5 滑動(dòng)速度與摩擦系數(shù)的關(guān)系圖

圖6 PEEK450-FC30試驗(yàn)前后磨損表面形貌圖

綜上所述，PEEK450-FC30的磨損率在摩擦過程中主要受磨合時(shí)間和摩擦系數(shù)的綜合影響。材料的磨合時(shí)間越長，材料磨損越嚴(yán)重；摩擦系數(shù)越大，材料磨損越多，并且摩擦系數(shù)對(duì)磨損率的影響大于磨合時(shí)間。接觸壓力為1.33 MPa時(shí)，磨合時(shí)間短，磨損系數(shù)低，固磨損率最??；接觸壓力在0.66 MPa時(shí)，雖然磨合時(shí)間短，但摩擦系數(shù)大，因此磨損率最大。

3 結(jié)論

通過工程塑料PEEK450-FC30與陶瓷SiC配對(duì)摩擦副在海水潤滑下試驗(yàn)研究可得到以下結(jié)論：

(1) 工程塑料PEEK450-FC30與陶瓷SIC配對(duì)摩擦副在海水潤滑下，摩擦學(xué)性能好，可以做海水液壓泵摩擦副材料；

(2) 滑動(dòng)速度在0.5～1.5 m/s之間,在不同轉(zhuǎn)速下，接觸壓力從0.66 MPa逐漸增加到2.64 MPa時(shí)，當(dāng)滑動(dòng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，PEEK450-FC30磨損率的變化規(guī)律基本相同，都是隨壓力的增加先降低后增加；并且各個(gè)滑動(dòng)速度下，磨損率都是在接觸壓力為0.66 MPa時(shí)最大，在接觸壓力為1.33 MPa時(shí)最??；

(3) 摩擦副在摩擦過程的磨損率主要受摩擦過程中的磨合時(shí)間和摩擦系數(shù)綜合影響，摩擦系數(shù)對(duì)磨損率的影響大于磨合期的影響；

(4) 滑動(dòng)速度在0.5～1.5 m/s之間，接觸壓力在0.66～2.64 MPa之間，接觸壓力對(duì)工程塑料PEEK450-FC30與陶瓷SiC配對(duì)摩擦副的磨損率影響大于滑動(dòng)轉(zhuǎn)速的影響；

(5) 工程塑料在開始的時(shí)候主要發(fā)生粘著磨損，并隨著接觸壓力增加，工程塑料PEEK450-FC30在摩擦過程中發(fā)生向陶瓷表面的轉(zhuǎn)移，這與文獻(xiàn)給出的結(jié)論是一致的[8]。

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