PEEK與不同材料配副時(shí)的干摩擦磨損性能研究

陳 威 賈 鑫 鄒辛祺 文懷興

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陜西西安 710021)

現(xiàn)代工業(yè)日益發(fā)展，機(jī)械設(shè)備服役環(huán)境日益多元化，部分服役工況要求苛刻，涉及石油、化工、醫(yī)藥、食品以及航空航天領(lǐng)域[1-3]。如，空氣壓縮機(jī)的配副環(huán)境逐漸趨于無(wú)潤(rùn)滑化，活塞環(huán)與缸體之間發(fā)生干摩擦，如何保證壓縮機(jī)的可靠性和服役壽命是一個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題[4]。再如，在機(jī)械設(shè)備中的軸承，當(dāng)其服役于設(shè)備沉重、環(huán)境溫度高或具有粉塵的氣體環(huán)境中，傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑難以滿足工程要求，易發(fā)生嚴(yán)重的磨損與失效[5-10]。因此，選配具有良好摩擦磨損性能的干摩擦配副以適應(yīng)苛刻工況的工程要求迫在眉睫。

聚醚醚酮(PEEK)是一種全芳香族半結(jié)晶高分子材料，具有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良的物理化學(xué)性能[11-12]。近年來(lái)，特種塑料聚醚醚酮(PEEK)引起摩擦學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。萬(wàn)磊等人[13]利用球-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了PEEK/SiC摩擦副的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，水潤(rùn)滑條件下摩擦因數(shù)可低至0.06，干摩擦條件下的摩擦因數(shù)為0.20，摩擦因數(shù)主要受表層的黏滯性流動(dòng)所限制。郭智威等[14]利用銷-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)PEEK/Cu摩擦副的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水潤(rùn)滑下的摩擦因數(shù)可低至0.1，干摩擦條件下的摩擦因數(shù)為0.13～0.34，摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加而降低。易蒙等人[15]利用銷-盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)乏油工況下PEEK/GCr15摩擦副的摩擦磨損性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明摩擦因數(shù)高于0.4，磨損機(jī)制以磨粒磨損和黏著磨損為主。國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然針對(duì)PEEK的摩擦磨損性能開展了廣泛研究，但由于學(xué)者們的出發(fā)點(diǎn)不同，試驗(yàn)方法選擇有所差異，試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果之間亦缺乏一致性和系統(tǒng)性[16-17]。因此對(duì)比、分析PEEK與不同材料配副時(shí)在干摩擦情況下的摩擦磨損性能，更好地探究PEEK摩擦副在特殊工況下的服役狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)配副的優(yōu)化選擇具有重要意義。

本文作者選用銷/盤摩擦試驗(yàn)機(jī)，以PEEK材料作為試驗(yàn)材料，以工程材料Si3N4、不銹鋼2507和鋁合金6061作為配副材料，系統(tǒng)研究PEEK材料在干摩擦條件下的摩擦學(xué)行為，分析了不同配副材料下PEEK材料的磨損機(jī)制，以期為進(jìn)一步提高PEEK摩擦副的耐磨性和延長(zhǎng)其服役壽命提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及試樣制備

PEEK材料為英國(guó)VICTREX公司產(chǎn)品，其主要性能指標(biāo)[18]如表1所示。PEEK材料經(jīng)車削加工制備成盤試樣，尺寸為φ44 mm×6 mm。同時(shí)，通過(guò)機(jī)加工將2507不銹鋼和6061鋁合金制備成5 mm×6 mm×12 mm銷試樣。Si3N4陶瓷銷試樣利用熱壓燒結(jié)爐(型號(hào)：WT-ZR-20T)在燒結(jié)溫度為1 800 ℃、壓力 30 MPa、保溫保壓30 min條件下制備獲得。

表1 PEEK材料的主要性能參數(shù)

銷、盤試樣經(jīng)砂紙打磨、拋光以及超聲波清洗、干燥后備用。

1.2 試驗(yàn)方法

利用MMW-1型銷盤摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行空氣環(huán)境下的干摩擦實(shí)驗(yàn)，其中，環(huán)境溫度約為25 ℃，相對(duì)濕度約為RH40%。面向空壓機(jī)的服役環(huán)境，根據(jù)空壓機(jī)的實(shí)際工況選定載荷為20 N，滑動(dòng)速度分別為300、500、1 000 r/min。摩擦因數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)輸出，利用電子天平稱量試樣磨損前后的質(zhì)量并計(jì)算磨損質(zhì)量損失，按下式計(jì)算磨損率：

V=(Δm)/(pSρ)

(1)

式中：V為體積磨損率(mm3/(N·m));Δm為試樣磨損前后的質(zhì)量損失(g);p為載荷(N)；S為磨程(m);ρ為試樣密度(g/mm3)。

利用掃描電子顯微鏡、能譜儀(SEM/EDS)等設(shè)備對(duì)摩擦面的微觀形貌與組織成分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEEK/Si3N4摩擦副的摩擦學(xué)性能

表2給出了PEEK/Si3N4配副在不同轉(zhuǎn)速和干摩擦情況下的摩擦因數(shù)和磨損率?？梢钥闯?，摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，其中300 r/min下的摩擦因數(shù)最低為0.285，表現(xiàn)出了良好的摩擦學(xué)性能。比較PEEK/Si3N4配副的銷和盤試樣在不同轉(zhuǎn)速下的磨損率發(fā)現(xiàn)，Si3N4銷試樣的磨損率在轉(zhuǎn)速為300與500 r/min時(shí)均為10-6數(shù)量級(jí)，而轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，銷磨損率上升為10-5數(shù)量級(jí)，為2.483×10-5mm3/(N·m)；PEEK盤試樣的磨損率在轉(zhuǎn)速300 r/min為10-5數(shù)量級(jí)，在500和1 000 r/min轉(zhuǎn)速下為10-4數(shù)量級(jí)，在1 000 r/min速度下盤的磨損率最大為3.661×10-4mm3/(N·m)。

表2 干摩擦下PEEK/Si3N4在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)和磨損率

對(duì)不同轉(zhuǎn)速下Si3N4銷試樣的摩擦表面進(jìn)行SEM微觀形貌觀察，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，在300 r/min轉(zhuǎn)速下試樣摩擦表面較為光滑，有少量的磨痕及部分脫落坑；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到500 r/min時(shí)，試樣表面脫落坑的數(shù)量明顯增加，且摩擦表面粗糙；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大到1 000 r/min時(shí)，平行于滑動(dòng)方向的磨痕明顯變寬，同時(shí)脫落坑的數(shù)量增多，面積也有明顯的增大。

圖1 干摩擦下Si3N4銷試樣摩擦表面微觀形貌圖

對(duì)不同轉(zhuǎn)速下PEEK盤試樣的摩擦表面進(jìn)行SEM微觀形貌觀察，結(jié)果如圖2所示。可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，PEEK盤試樣上的磨痕與黏附層越來(lái)越多。從圖2(a)中可看出，速度為300 r/min時(shí)PEEK盤試樣表面可見(jiàn)少量平行于滑動(dòng)方向的磨痕，觀察到少量的磨屑(如箭頭所示)和剝落坑。從圖2(b)中可看出，當(dāng)摩擦速度增加到500 r/min后，表面磨痕數(shù)量增多，且磨屑和磨粒數(shù)量也是明顯增多，這是典型的犁耕作用所導(dǎo)致。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到1 000 r/min時(shí)，試樣表面平行于滑動(dòng)方向的磨痕數(shù)量更多且明顯加深，如圖2(c)所示。這是因?yàn)?，隨著轉(zhuǎn)速不斷的增大，PEEK材料的力學(xué)性能逐漸下降，從而導(dǎo)致了摩擦表面不光滑和磨屑和剝落坑的明顯增多。

圖2 干摩擦下PEEK盤試樣摩擦表面微觀形貌圖

為了進(jìn)一步探討PEEK/Si3N4配副的摩擦磨損機(jī)制，對(duì)300 r/min滑動(dòng)速度下PEEK盤試樣摩擦表面進(jìn)行EDS分析。如圖3所示，PEEK盤試樣摩擦表面主要含有C、Si、N元素，其中C元素是PEEK盤材料的本體元素，Si、N為Si3N4銷試樣的本體元素?？赏茰y(cè)該點(diǎn)為銷試樣在摩擦過(guò)程中留在盤試樣上的剝落物?？梢?jiàn)，摩擦副的主要磨損機(jī)制為黏著磨損與輕微的磨粒磨損，并未發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)。

圖3 干摩擦下300 r/min時(shí)PEEK盤試樣摩擦表面EDS圖譜

2.2 PEEK/2507雙相不銹鋼配副的摩擦學(xué)性能

表3給出了PEEK/2507雙相不銹鋼配副在不同轉(zhuǎn)速和干摩擦情況下的摩擦因數(shù)和磨損率。可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，PEEK/2507雙相不銹鋼配副的摩擦因數(shù)也不斷增大，轉(zhuǎn)速300 r/min下的摩擦因數(shù)最低為0.272。摩擦副的磨損率與摩擦速度成正比，其中銷試樣的磨損率在轉(zhuǎn)速為300和500 r/min時(shí)為10-6數(shù)量級(jí)，在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下的磨損率達(dá)到10-5數(shù)量級(jí)，為2.24×10-5mm3/(N·m)；PEEK盤試樣的磨損率在300與500 r/min速度下均為10-5數(shù)量級(jí)，在1 000 r/min速度下的磨損率達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)，為2.682×10-4mm3/(N·m)。

表3 干摩擦下PEEK/2507不銹鋼在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)和磨損率

對(duì)2507雙相不銹鋼銷試樣在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦表面進(jìn)行SEM形貌觀察，結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，速度為300 r/min時(shí)，銷試樣摩擦表面較為光滑，只有少量的脫落坑，但并未出現(xiàn)明顯磨痕。當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min，銷試樣摩擦面上的脫落坑數(shù)量增多且平行于滑動(dòng)方向出現(xiàn)了較為明顯的磨痕，如圖4(b)所示。隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，銷試樣摩擦面上可以觀察到大量的脫落坑，如圖4(c)所示，由于滑動(dòng)速度的不斷增大，磨屑增多后磨粒磨損加劇，導(dǎo)致了犁耕作用的增強(qiáng)，因此平行于滑動(dòng)方向的磨痕更深且密集。

圖4 干摩擦下2057不銹鋼銷試樣摩擦表面微觀形貌圖

圖5示出了干摩擦環(huán)境下，不同轉(zhuǎn)速下PEEK盤試樣摩擦表面的SEM微觀形貌圖。如圖5(a)所示，300 r/min的轉(zhuǎn)速下，試樣表面出現(xiàn)少量磨痕，但黏附層和磨屑均為較少。從圖5(b)中可以觀察到，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min時(shí)，摩擦表面逐漸粗糙，出現(xiàn)了少量磨屑和較為明顯的磨痕。如圖5(c)所示，當(dāng)滑動(dòng)摩擦速度為1 000 r/min時(shí)，摩擦表面的磨痕更為明顯且數(shù)量也大幅度增多，出現(xiàn)大量的磨屑。

圖5 干摩擦下PEEK盤試樣摩擦表面微觀形貌圖

為了分析PEEK/2507配副的磨損機(jī)制，對(duì)300 r/min滑動(dòng)速度下PEEK盤試樣摩擦表面進(jìn)行EDS分析。如圖6所示，PEEK盤試樣EDS圖譜中主要元素為C、Cr、Ni。C元素為PEEK材料的本體元素，Cr、Ni元素為2507雙相不銹鋼銷試樣的本體材料，該處可能為黏著在PEEK盤試樣摩擦表面的2507剝落物。因此，可以推斷出在干摩擦狀態(tài)下，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，PEEK/2507摩擦副的磨粒磨損也不斷增強(qiáng)，其摩擦機(jī)制主要為磨粒磨損及輕微的黏著磨損。

圖6 干摩擦和300 r/min下PEEK盤試樣摩擦表面EDS圖譜

2.3 PEEK/6061鋁合金配副的摩擦學(xué)性能

表4給出了PEEK/6061鋁合金摩擦副在干摩擦和不同轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)和磨損率。可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)最低為0.144，而隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，摩擦因數(shù)呈上升趨勢(shì)。PEEK/6061鋁合金摩擦副的磨損率與摩擦速度成正比，其中6061鋁合金銷的磨損率在轉(zhuǎn)速為300和500 r/min時(shí)為10-5數(shù)量級(jí)，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)的磨損率達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)，為1.62×10-4mm3/(N·m)；PEEK盤試樣的磨損率在300 r/min速度下為10-5數(shù)量級(jí)，而在500 r/min與1 000 r/min速度下磨損率達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)，分別為1.91×10-4mm3/(N·m)和3.66×10-4mm3/(N·m)?？梢?jiàn)，PEEK/6061鋁合金摩擦副在300 r/min速度下的摩擦因數(shù)與磨損率較低，體現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能。

表4 干摩擦下PEEK/6061鋁合金在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)和磨損率

圖7所示為不同轉(zhuǎn)速下6061鋁合金銷摩擦表面的SEM微觀形貌圖。從圖7(a)中可以看出，在速度為300 r/min時(shí)，鋁合金銷摩擦表面光滑，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯磨痕，只有少量的黏附層。從圖7(b)中可以看出，轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)6061鋁合金銷摩擦面黏附層的面積有少許增大，伴隨出現(xiàn)了少量磨屑，但整體表面還是較為光滑。隨著滑動(dòng)摩擦速度增加到1 000 r/min后，從圖7(c)中可以明顯地看出大量的磨痕和磨屑，同時(shí)黏附層的面積進(jìn)一步擴(kuò)大，從而可以判斷出是典型的磨粒磨損與黏著磨損的形貌特征。

圖7 干摩擦下6061鋁合金銷試樣摩擦表面微觀形貌圖

圖8示出了在干摩擦環(huán)境下，PEEK盤試樣摩擦表面微觀形貌圖。由圖8(a)可見(jiàn)，當(dāng)速度為300 r/min時(shí)，PEEK盤試樣表面較為光滑，但還是可以觀察到有少量的黏附層與剝落坑。由圖8(b)可見(jiàn)，速度增加至500 r/min時(shí)，摩擦表面的黏附層與剝落坑明顯增多，但并沒(méi)有出現(xiàn)大量磨痕。當(dāng)速度增加至1 000 r/min時(shí)，摩擦面變得更為粗糙，黏附層的面積進(jìn)一步擴(kuò)大，可以觀察到一定剝落的痕跡，并且磨痕對(duì)比于其他2種轉(zhuǎn)速下有明顯的增多加寬，如圖8(c)所示。

圖8 干摩擦下PEEK盤試樣摩擦表面微觀形貌圖

為探討PEEK/6061鋁合金摩擦副干摩擦環(huán)境下的磨損機(jī)制，對(duì)300 r/min滑動(dòng)速度下PEEK盤試樣摩擦表面進(jìn)行EDS分析。由圖9所示的EDS圖譜可知，PEEK盤試樣摩擦表面主要元素為C、Al、Fe、Cu。C元素為PEEK材料的本體元素，Al、Fe、Cu元素為6061鋁合金銷試樣的本體材料。推斷該處可能為黏著在PEEK盤試樣摩擦表面的6061鋁合金剝落物。故可判斷出PEEK/6061摩擦副的主要摩擦磨損機(jī)制為黏著磨損與磨粒磨損。

圖9 干摩擦和300 r/min下PEEK盤試樣摩擦表面EDS圖譜

2.4 3種摩擦副性能比較

圖10示出了在干摩擦情況下，PEEK與Si3N4陶瓷、2507不銹鋼、6061鋁合金3種配副的摩擦因數(shù)和磨損率隨滑動(dòng)速度的變化。從圖10(a)可以看出，3種配副的摩擦因數(shù)均隨滑動(dòng)速度的增大而增大；同時(shí)從前面的分析可知，隨著速度的增大，摩擦表面剝落坑、磨屑以及平行于滑動(dòng)方向的磨痕也逐漸增多，表面變得更為粗糙。這主要是因?yàn)椋S著摩擦速度的增大，表面溫度有所提高，PEEK材料的黏滯效應(yīng)逐漸顯著，黏著磨損加劇，與配副表面之間發(fā)生嚴(yán)重的黏著和剝落，致使磨粒磨損亦有所加劇，故摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的增大而增大。

圖10 3種摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

從圖10(b)可以看出，PEEK試樣的磨損率隨轉(zhuǎn)速的增加而增大；PEEK與Si3N4陶瓷配副時(shí)，在3種轉(zhuǎn)速下PEEK試樣的磨損率均最大；3種銷試樣中，6061鋁合金試樣的磨損率在3種轉(zhuǎn)速下均最大，這主要?dú)w因于6061鋁合金自身強(qiáng)度不高。

綜上，不同配副之間的材料差異，所表現(xiàn)出的摩擦學(xué)性能也有所不同。當(dāng)PEEK試樣與Si3N4陶瓷配副摩擦?xí)r，硬質(zhì)陶瓷對(duì)PEEK試樣表面進(jìn)行嚴(yán)重的犁削，PEEK材料在干摩擦條件下發(fā)生黏滯，黏著磨損與磨粒磨損同時(shí)發(fā)生。當(dāng)PEEK材料與2507不銹鋼、6061鋁合金配副時(shí)，金屬材質(zhì)硬度較低，犁削效應(yīng)有所削弱，摩擦因數(shù)有所降低。尤其是，當(dāng)6061鋁合金與PEEK配副時(shí)，表面較為平滑，在300 r/min速度下摩擦因數(shù)低至0.144。

3 結(jié)論

(1)干摩擦條件下，PEEK與陶瓷、不銹鋼和鋁合金配副時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損率均隨滑動(dòng)速度的增大而增大，這主要?dú)w因于表面溫度上升而引起的黏著磨損加劇。

(2)在干摩擦條件下，PEEK/Si3N4配副的摩擦因數(shù)在不同速度下均最大，PEEK/6061鋁合金配副在300和1 000 r/min速度下的摩擦因數(shù)均最小，而PEEK/2507不銹鋼在500 r/min速度下的摩擦因數(shù)最小。

(3)當(dāng)PEEK與氮化硅陶瓷配副時(shí)，犁削現(xiàn)象明顯，摩擦表面異常粗糙，磨損機(jī)制以磨粒磨損和黏著磨損為主；當(dāng)PEEK與金屬(2507不銹鋼、6061鋁合金)配副時(shí)，犁削效應(yīng)有所削弱，摩擦界面出現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移以及黏附層；當(dāng)PEEK與鋁合金配副時(shí)，摩擦表面明顯光滑，摩擦因數(shù)和磨損率相對(duì)較低。

(4)在干摩擦條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，PEEK與6061鋁合金配副表現(xiàn)出更好的摩擦磨損性能；在高轉(zhuǎn)速的情況下，PEEK與2057不銹鋼配副時(shí)的摩擦學(xué)性能更加出色。該研究結(jié)果可為PEEK材料在不同工程應(yīng)用環(huán)境下的應(yīng)用提供理論支撐。