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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(北京工業大學 機電學院, 北京 100124)

引言

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

海水柱塞泵是海水液壓傳動的核心元件之一，開發出具有高可靠性、高容積效率、高壽命的海水柱塞泵對海洋的開發利用是十分重要的。 發達國家包括丹

麥、芬蘭、英國、日本等自20世紀70年代末、80年代初開始研制水液壓柱塞泵，現基本已研制成功并進入使用推廣階段[1]，已在消防、食品加工、工程機械、海洋開發等領域得到廣泛應用[2]。

國內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、腐蝕性強等缺點，使得海水液壓泵關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，均需要運行在潤滑性很差的海水環境中，且承受很大的pv值，這致使研究進行緩慢[3]。

目前制約海水柱塞泵發展的關鍵問題有兩點：一是材料腐蝕嚴重，由于海水腐蝕性強，造成海水液壓泵材料腐蝕嚴重，縮短泵的使用壽命；另一個是材料磨損嚴重，由于海水液壓泵運行在海水環境中，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，造成泵泄漏嚴重，降低容積效率。為了解決以上問題，目前在設計水液壓元件時，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。國內外眾多專家對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和碳纖維增強聚醚醚銅PEEK450-FC30分別與AISI D2鋼組合在純水潤滑下進行摩擦磨損試驗研究，他們發現碳纖維增強聚醚醚銅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與碳纖維增強聚醚醚銅PEEK450-FC30組合作為海水柱塞泵關鍵摩擦副的一組備選材料，進行試驗研究。工程陶瓷SiC不僅具有較高硬度和強度，而且具有良好的耐蝕性，能夠有效地抵抗海水的腐蝕；碳纖維增強聚醚酮PEEK450-FC30具有高強度、低密度、低摩擦系數和優良的防腐蝕能力等特點。通過對摩擦副配對材料研究分析，以求為我國海水液泵研制選擇出最佳摩擦副配對材料。

1 實驗方法和試件制備

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，根據GB 17378.4-2007測得人造海水pH值為8.2，含鹽量質量分數為3.2%。

表1 人造海水所包含的物質

1.2 材料及試件的制備

下試件由無壓燒結陶瓷SiC通過注模方式加工而成，外形尺寸分別為16(內徑)×34(外徑)×8(高) mm，其表面粗糙度經1000號、1200號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(內徑)×28(外徑)×7(高) mm,其試件表面粗糙度通過金相砂紙1000號、1200號、1500號逐一拋光，使其表面粗糙度控制在0.1～0.2 μm范圍內。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試驗結果的影響，試驗前將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列于下表2。

1.3 試驗設備及其工作原理

本試驗在MCF-10摩擦磨損試驗機上進行，該試驗機主要用來測量在海水、淡水或潤滑油介質下材料的耐磨損性能，并且能夠實現對端面磨損、銷盤磨損、球盤磨損等關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[5]，此處不再贅述。

為獲得穩定的摩擦系數，每組試驗時間為1 h。試驗前，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，以保證試驗加載后，摩擦副是完全浸于海水中。潛水泵在整個試驗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，使摩擦磨損試驗處于循環水的工況中。實驗前后，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的電子天平進行稱重，據此得到試件的磨損量。試驗結束后，再用環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理。

表2 兩種材料的主要性能

圖1 摩擦磨損試驗機工作原理圖

2 結果及討論

2.1 壓力和轉速對摩擦副磨損率影響

本試驗所用試件工程塑料PEEK450-FC30與其配對材料工程陶瓷SIC硬度相差較大，摩擦副的磨損主要發生在工程塑料上，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。

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

圖2 不同壓力在不同轉速下的磨損率圖

2.2 分析接觸壓力對摩擦副摩擦系數的影響

圖3所示為在滑動速度1 m/s下，不同壓力下測得的摩擦系數隨時間的變化曲線。由圖3可知，摩擦系數在開始階段較高，隨著行程增加摩擦系數降低，隨后趨于平穩。這表明摩擦副進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，磨合時間較小，而接觸壓力在1.99 MPa、2.64 MPa時磨合時間相對較長。可能是因為接觸壓力較小時，水潤滑摩擦副接觸面易形成邊界水膜，減小摩擦，縮短摩擦的磨合時間，減小材料磨損；當壓力增大到一定值時，邊界潤滑水膜不易形成，不能對摩擦接觸面進行充分潤滑，并且摩擦產生的熱也不能及時被水帶走，導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，使磨合時間長，增加材料的磨損。

圖3 摩擦系數與接觸壓力的關系圖

當摩擦副進入平穩摩擦階段，接觸壓力為1.99 MPa 時，摩擦系數卻最小。這是因為雖然高壓下，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，減小材料磨損[7]。

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

2.3 分析滑動速度對摩擦副摩擦系數的影響

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

圖5 滑動速度與摩擦系數的關系圖

圖6 PEEK450-FC30試驗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間和摩擦系數的綜合影響。材料的磨合時間越長，材料磨損越嚴重；摩擦系數越大，材料磨損越多，并且摩擦系數對磨損率的影響大于磨合時間。接觸壓力為1.33 MPa時，磨合時間短，磨損系數低，固磨損率最小；接觸壓力在0.66 MPa時，雖然磨合時間短，但摩擦系數大，因此磨損率最大。

3 結論

通過工程塑料PEEK450-FC30與陶瓷SiC配對摩擦副在海水潤滑下試驗研究可得到以下結論：

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

(2) 滑動速度在0.5～1.5 m/s之間,在不同轉速下，接觸壓力從0.66 MPa逐漸增加到2.64 MPa時，當滑動轉速一定時，PEEK450-FC30磨損率的變化規律基本相同，都是隨壓力的增加先降低后增加；并且各個滑動速度下，磨損率都是在接觸壓力為0.66 MPa時最大，在接觸壓力為1.33 MPa時最小；

(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間和摩擦系數綜合影響，摩擦系數對磨損率的影響大于磨合期的影響；

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

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

參考文獻：

[1] 楊華勇.液壓技術的研究現狀與發展趨勢[J].中國機械工程,2000,11(12):1430-1433.

[2] SCHELLELS.Developments in Water Hydraulics [J].Hydraulics & Pneumatics,1996,(12):33-34,74.

[3] 唐群國,李壯云,張鐵華,賀小峰.水潤滑下幾種工程塑料的磨損特性試驗研究[J].潤滑與密封,2003,(4):56-58.

[4] UNAL H， MIMAROGLU A.Friction and Wear Characteristics of PEEK and Its Composite Under Water Lubrication[J].Reinforced Plast Compos,2006,25(16):1659-1667.

[5] DONG Wu-tao, NIE Song-lin.Tribological Behavior of PEEK Filled with CF/PTFE/Graphite Sliding Against Stainless Steel Surface Under Water Lubrication.Proc.Instn.Mech.Engrs.,Part [J].Journal of Engineering Tribology,2013,227,(10):1129-1137.

[6] 葛毅成,易茂中.載荷、時間、速度對C/C復合材料摩擦磨損行為的影響[J].中國有色金屬學報,2006,16(2):241-246.

[7] 唐群國,陳晶田,劉麗萍,等.Ti(C,N)基金屬陶瓷在海水潤滑下的摩擦磨損特性研究[C].第六屆全國流體傳動與控制學術會議.2010,(8):418-419.

[8] 范舟.固溶時效對含硼特殊黃銅顯微組織及摩擦磨損性能的影響[J].材料熱處理技術,2008,37(24):71-77.