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不同不锈钢在海水润滑下的摩擦学特性比较

作者:admin 来源: 日期:2019/10/13 0:17:25 人气:37

不锈钢和PEEK聚合物是海水液压元件关键摩擦副常用的配对材料,不锈钢材质对不锈钢/PEEK聚合物对偶副的摩擦学性能具有重要影响。在海水环境中对AISI 316LAISI 630以及S32750三种不锈钢进行摩擦磨损试验,对比分析了上述3种不锈钢与同种PEEK聚合物对磨时的摩擦因数和磨损率,观察试样表面磨损形貌并对磨损轮廓进行3D测量,探讨了海水环境中3种不锈钢与PEEK聚合物对磨时的摩擦磨损机制。结果表明:在海水环境中3种不锈钢的平均摩擦因数相差不大;AISI 316L相比,S32750AISI 630的耐磨损性较好,AISI 630的磨损率受载荷影响较小;S32750AISI 316L的硬度与其耐磨性呈正相关性,而AISI 630中过高的碳含量会削弱其耐蚀性,进而影响它在海水中的摩擦磨损性能。文中研究为海水液压元件关键摩擦副中钢质材料的选择提供参考。

在海水液压元件中,不锈钢PEEK聚合物常作为关键摩擦副的配对材料13。当不锈钢与PEEK在海水环境中对磨时,不仅PEEK聚合物的材料组分会影响对偶副的摩擦学性能,不锈钢的结构成分、物理性能和耐蚀能力等也会对对偶副的摩擦学特性产生影响45。截至目前,许多学者通过试验研究了不锈钢和PEEK聚合物对磨时的摩擦学特性。其中,焦素娟等6研究PEEK聚合物在淡水润滑下的摩擦磨损性能时,对偶面采用了淬火316不锈钢;J H JIA等[710]对比研究改性PEEKPI聚合物在干摩、淡水环境下的摩擦学性能时,采用的对偶面为1Cr18Ni9Ti不锈钢;Z Q WANG等[1112]比较碳纤维增强PEEKPAI等在海水润滑下的摩擦学特性时,对偶面采用了316L9Cr18Mo不锈钢;J Z WANG等[1316]研究PTFEPEEKPI基复合材料在海水环境中的摩擦学性能时,对偶面采用了GCr15轴承钢和316不锈钢。已有文献中主要是将不同聚合物与同一种不锈钢对磨,摩擦学研究侧重点为聚合物填料组分对对偶副摩擦学性能的影响,却较少探讨不同不锈钢材质对对偶副摩擦磨损性能的影响。本文作者选择3种典型不锈钢,即奥氏体不锈钢AISI 316L、沉淀硬化马氏体不锈钢AISI 630以及超级双相不锈钢S32750,对比研究它们与同一种PEEK聚合物对磨时的摩擦学性能,为海水液压元件关键摩擦副中钢质材料的选择提供参考。

1实验部分

利用MCF-10环-环接触型摩擦磨损试验机进行试验,试验方法详见文献[17]。上试样采用VICTEX公司的PEEK 450FC30聚合物,尺寸为28 mm×20 mm×7 mm,表面粗糙度Ra=0.1μm,试验前在海水中浸泡一周。下试样分别选用AISI 316L不锈钢、AISI 630不锈钢及S32750不锈钢(主要机械性能如表1所示),外形尺寸34 mm×16 mm×8 mm,利用金相砂纸打磨,表面粗糙度Ra=0.1μm

润滑介质采用高级人工海水晶制备而成的人工海水。试验工况:载荷4001 000 N;滑动速度1.0 m/s;环境温度约20℃;每次试验时间60 min。试验所得到的摩擦因数、磨损率均为多次重复试验的平均值。试验结束后,采用超景深三维显微系统VHX-5000观察试样磨损形貌并对磨损轮廓进行3D测量。

2实验结果与分析

2.1摩擦因数与磨损率

1、图2所示为3种不锈钢与PEEK对磨时摩擦因数随时间的变化情况。由图1看出:不锈钢AISI 630S32750的摩擦因数随时间累积而逐渐减小,存在明显的磨合过程,而AISI 316L的摩擦因数随时间变化很小,磨合过程并不明显。由图2可知:在较重载荷作用下,3种不锈钢与PEEK对磨时的摩擦因数均出现较大波动,其中AISI 316L波动最为显著,摩擦因数很不稳定,而AISI 630S32750的摩擦因数随时间增加先减小后增加,3组对偶副中S32750/PEEK的摩擦因数最稳定。可总结得知,3种不锈钢与PEEK在较重载荷下对磨时,摩擦稳定性按如下顺序递减:S32750AISI 630AISI 316L

3种不锈钢与PEEK对磨时摩擦因数均值如图3所示:当载荷为400 N时,S32750/PEEK的摩擦因数最小(0.05);当载荷由400 N增至1 000 N时,3种不锈钢的摩擦因数都显著减小;在较重载荷作用下,3种不锈钢的平均摩擦因数相差不大,均在0.030.04之间。3种不锈钢与PEEK在海水环境中对磨时,平均摩擦因数按如下顺序递增:S32750AISI 630AISI 316L

4AISI 316LAISI 630S32750不锈钢的磨损率:当载荷为400 N时,AISI 316LS32750的磨损率相差不大,而AISI 630的磨损率最低;当载荷从400 N增至1 000 N时,AISI 316LS32750的磨损率减少近一半,而AISI 630的磨损率变化较小。由此说明,3种不锈钢中AISI 630的磨损率受载荷影响较小,而AISI 316LS32750的磨损率相差不大。

5所示为对偶面的磨损率。比较图3、图5可知,对偶面的磨损率与摩擦因数呈相同的变化趋势。3组对偶副中,与S32750对磨时PEEK磨损率最小,与AISI 316LAISI 630对磨时PEEK磨损率相差不大,PEEK磨损率按如下顺序递增:PEEK(S32750)PEEK(AISI 630)PEEK(AISI 316L)

2.2不锈钢表面磨损形貌

6所示为3种不锈钢的磨损形貌。明显看出:不锈钢表面沿滑动方向均产生致密划痕。这是由于PEEK及石墨、聚四氟乙烯润滑相的强度很低,在剪切力作用下很快被磨掉,而PEEKCF在挤压与摩擦过程中,对不锈钢产生机械耕犁。当聚合物与金属干摩擦时,往往聚合物会在对偶面形成转移膜18。然而,海水润滑时几乎没有发现PEEK塑性转移的现象,由此说明海水的冲刷和冷却作用能够抑制转移膜的形成。

6不同不锈钢分别与PEEK对磨后的磨损表面对比图6(a)(c)(e)可知:在轻载作用时S32750磨损表面比AISI 316LAISI 630更加平整光滑,这与S32750摩擦因数较低的试验结果相对应。随着载荷的增大,3种钢的磨损表面凹沟的宽度、深度、密度均有所增加,摩擦接触面积相应变大,单位面积上的接触应力将显著降低,有利于减小摩擦因数,这也解释了载荷增大时摩擦因数有所下降的原因。由图6(b)(d)(f)可知,AISI 316L表面的擦伤和犁沟痕迹呈非均匀性,这与重载时AISI 316L摩擦因数波动大的试验结果相吻合。

2.3对偶面磨损形貌

与不锈钢对磨后PEEK的磨损形貌如图7所示。显然,PEEK表面受到擦伤和涂抹,沿摩擦方向出现犁沟痕迹。由于PEEK强度、硬度及弹性模量较低,摩擦过程中不锈钢表面的粗糙峰会对PEEK反复剪切或微切削,促使PEEK表层与基体剥离裸露出CF[图7(a)(c)(e)]。

AISI 630不锈钢相比,与AISI 316LS32750对磨后PEEK被剥蚀得更严重,表面更加粗糙。当载荷从400 N增至1 000 N时,裸露于PEEK表层的CF随着载荷的增加明显增多,这将有助于增强PEEK聚合物的承载能力,但却加剧了不锈钢的损伤。

3讨论

不锈钢与PEEK聚合物对磨时,不锈钢表面的粗糙峰充当磨粒,对较软的PEEK基体产生犁削和剥离作用。由于CF硬度及与PEEK的结合强度较高,裸露于PEEK表层的CF对不锈钢产生磨粒作用,造成不锈钢的磨损。磨粒磨损主要是由磨粒的犁沟作用造成,前苏联学者XpyIIIOB19对磨粒磨损进行了系统研究,指出硬度是表征材料抗磨粒磨损的主要参数,纯金属和未经热处理钢材的耐磨性与硬度呈正比关系。

通过HS-150洛氏硬度计,测得AISI 316LAISI 630S32750三种钢的硬度排列顺序为:AISI 630(HC39)S32750(HC32)AISI 316L(HC28),三种钢主要的化学成分含量如表2所示。钢中碳含量的增加能够提高钢的硬度,而SiMn等合金元素的加入也能强化机体,提高材料的硬度。另外,Cr还能提高相应碳化物的硬度,对钢的耐磨性也有积极影响。

不锈钢硬度的提高,可有效减轻CF对其表面的犁沟效应。在较重载荷作用时,3种钢的表面磨损轮廓如图8所示。由此看出,3种钢中AISI 630磨损后表面粗糙度最小,最大犁沟深度约3.1μm,而S32750AISI 316L的最大犁沟深度分别在45μm左右。

综合上述试验数据可知,S32750AISI 316L的硬度与其耐磨性呈正相关性,但AISI 630却并不遵循该规律。3种钢中,虽然AISI 630硬度最高,但耐磨性并不是最好的,原因可能在于沉淀硬化马氏体不锈钢的强度是靠沉淀硬化而来,由于其内部含碳量过高,其耐蚀性被严重影响,腐蚀磨损削弱了AISI 630/PEEK在海水环境中的摩擦磨损性能。

4总结

对比研究了3种典型不锈钢与同一种PEEK对磨时的摩擦学性能,讨论了材质硬度对其摩擦学特性的影响。得到的主要结论如下:

(1)在海水环境中,3种钢的平均摩擦因数相差不大。在较重载荷作用下,摩擦稳定性按如下顺序递减:S32750AISI 630AISI 316L

(2)AISI 316L相比,S32750AISI 630的耐磨损性能较好,AISI 630的磨损率受载荷影响较小。3组对偶副中,S32750/PEEK的摩擦学性能最佳。

(3)S32750AISI 316L的硬度与其耐磨性呈正相关性,而由沉淀硬化而来AISI 630由于碳含量过高,其耐蚀性可能被严重削弱,影响了AISI 630在海水中的摩擦磨损性能。