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    不同不鏽鋼在海水潤滑下的摩擦學特性比較

    作者:admin 來源: 日期:2019/10/13 0:17:25 人氣:17

    不鏽鋼和PEEK聚合物是海水液壓元件關鍵摩擦副常用的配對材料,不鏽鋼材質對不鏽鋼/PEEK聚合物對偶副的摩擦學性能具有重要影響。在海水環境中對AISI 316LAISI 630以及S32750三種不鏽鋼進行摩擦磨損試驗,對比分析了上述3種不鏽鋼與同種PEEK聚合物對磨時的摩擦因數和磨損率,觀察試樣表麵磨損形貌並對磨損輪廓進行3D測量,探討了海水環境中3種不鏽鋼與PEEK聚合物對磨時的摩擦磨損機製。結果表明:在海水環境中3種不鏽鋼的平均摩擦因數相差不大;AISI 316L相比,S32750AISI 630的耐磨損性較好,AISI 630的磨損率受載荷影響較小;S32750AISI 316L的硬度與其耐磨性呈正相關性,而AISI 630中過高的碳含量會削弱其耐蝕性,進而影響它在海水中的摩擦磨損性能。文中研究為海水液壓元件關鍵摩擦副中鋼質材料的選擇提供參考。

    在海水液壓元件中,不鏽鋼PEEK聚合物常作為關鍵摩擦副的配對材料13。當不鏽鋼與PEEK在海水環境中對磨時,不僅PEEK聚合物的材料組分會影響對偶副的摩擦學性能,不鏽鋼的結構成分、物理性能和耐蝕能力等也會對對偶副的摩擦學特性產生影響45。截至目前,許多學者通過試驗研究了不鏽鋼和PEEK聚合物對磨時的摩擦學特性。其中,焦素娟等6研究PEEK聚合物在淡水潤滑下的摩擦磨損性能時,對偶麵采用了淬火316不鏽鋼;J H JIA等[710]對比研究改性PEEKPI聚合物在幹摩、淡水環境下的摩擦學性能時,采用的對偶麵為1Cr18Ni9Ti不鏽鋼;Z Q WANG等[1112]比較碳纖維增強PEEKPAI等在海水潤滑下的摩擦學特性時,對偶麵采用了316L9Cr18Mo不鏽鋼;J Z WANG等[1316]研究PTFEPEEKPI基複合材料在海水環境中的摩擦學性能時,對偶麵采用了GCr15軸承鋼和316不鏽鋼。已有文獻中主要是將不同聚合物與同一種不鏽鋼對磨,摩擦學研究側重點為聚合物填料組分對對偶副摩擦學性能的影響,卻較少探討不同不鏽鋼材質對對偶副摩擦磨損性能的影響。本文作者選擇3種典型不鏽鋼,即奧氏體不鏽鋼AISI 316L、沉澱硬化馬氏體不鏽鋼AISI 630以及超級雙相不鏽鋼S32750,對比研究它們與同一種PEEK聚合物對磨時的摩擦學性能,為海水液壓元件關鍵摩擦副中鋼質材料的選擇提供參考。

    1實驗部分

    利用MCF-10環-環接觸型摩擦磨損試驗機進行試驗,試驗方法詳見文獻[17]。上試樣采用VICTEX公司的PEEK 450FC30聚合物,尺寸為28 mm×20 mm×7 mm,表麵粗糙度Ra=0.1μm,試驗前在海水中浸泡一周。下試樣分別選用AISI 316L不鏽鋼、AISI 630不鏽鋼及S32750不鏽鋼(主要機械性能如表1所示),外形尺寸34 mm×16 mm×8 mm,利用金相砂紙打磨,表麵粗糙度Ra=0.1μm

    潤滑介質采用高級人工海水晶製備而成的人工海水。試驗工況:載荷4001 000 N;滑動速度1.0 m/s;環境溫度約20℃;每次試驗時間60 min。試驗所得到的摩擦因數、磨損率均為多次重複試驗的平均值。試驗結束後,采用超景深三維顯微係統VHX-5000觀察試樣磨損形貌並對磨損輪廓進行3D測量。

    2實驗結果與分析

    2.1摩擦因數與磨損率

    1、圖2所示為3種不鏽鋼與PEEK對磨時摩擦因數隨時間的變化情況。由圖1看出:不鏽鋼AISI 630S32750的摩擦因數隨時間累積而逐漸減小,存在明顯的磨合過程,而AISI 316L的摩擦因數隨時間變化很小,磨合過程並不明顯。由圖2可知:在較重載荷作用下,3種不鏽鋼與PEEK對磨時的摩擦因數均出現較大波動,其中AISI 316L波動最為顯著,摩擦因數很不穩定,而AISI 630S32750的摩擦因數隨時間增加先減小後增加,3組對偶副中S32750/PEEK的摩擦因數最穩定。可總結得知,3種不鏽鋼與PEEK在較重載荷下對磨時,摩擦穩定性按如下順序遞減:S32750AISI 630AISI 316L

    3種不鏽鋼與PEEK對磨時摩擦因數均值如圖3所示:當載荷為400 N時,S32750/PEEK的摩擦因數最小(0.05);當載荷由400 N增至1 000 N時,3種不鏽鋼的摩擦因數都顯著減小;在較重載荷作用下,3種不鏽鋼的平均摩擦因數相差不大,均在0.030.04之間。3種不鏽鋼與PEEK在海水環境中對磨時,平均摩擦因數按如下順序遞增:S32750AISI 630AISI 316L

    4AISI 316LAISI 630S32750不鏽鋼的磨損率:當載荷為400 N時,AISI 316LS32750的磨損率相差不大,而AISI 630的磨損率最低;當載荷從400 N增至1 000 N時,AISI 316LS32750的磨損率減少近一半,而AISI 630的磨損率變化較小。由此說明,3種不鏽鋼中AISI 630的磨損率受載荷影響較小,而AISI 316LS32750的磨損率相差不大。

    5所示為對偶麵的磨損率。比較圖3、圖5可知,對偶麵的磨損率與摩擦因數呈相同的變化趨勢。3組對偶副中,與S32750對磨時PEEK磨損率最小,與AISI 316LAISI 630對磨時PEEK磨損率相差不大,PEEK磨損率按如下順序遞增:PEEK(S32750)PEEK(AISI 630)PEEK(AISI 316L)

    2.2不鏽鋼表麵磨損形貌

    6所示為3種不鏽鋼的磨損形貌。明顯看出:不鏽鋼表麵沿滑動方向均產生致密劃痕。這是由於PEEK及石墨、聚四氟乙烯潤滑相的強度很低,在剪切力作用下很快被磨掉,而PEEKCF在擠壓與摩擦過程中,對不鏽鋼產生機械耕犁。當聚合物與金屬幹摩擦時,往往聚合物會在對偶麵形成轉移膜18。然而,海水潤滑時幾乎沒有發現PEEK塑性轉移的現象,由此說明海水的衝刷和冷卻作用能夠抑製轉移膜的形成。

    6不同不鏽鋼分別與PEEK對磨後的磨損表麵對比圖6(a)(c)(e)可知:在輕載作用時S32750磨損表麵比AISI 316LAISI 630更加平整光滑,這與S32750摩擦因數較低的試驗結果相對應。隨著載荷的增大,3種鋼的磨損表麵凹溝的寬度、深度、密度均有所增加,摩擦接觸麵積相應變大,單位麵積上的接觸應力將顯著降低,有利於減小摩擦因數,這也解釋了載荷增大時摩擦因數有所下降的原因。由圖6(b)(d)(f)可知,AISI 316L表麵的擦傷和犁溝痕跡呈非均勻性,這與重載時AISI 316L摩擦因數波動大的試驗結果相吻合。

    2.3對偶麵磨損形貌

    與不鏽鋼對磨後PEEK的磨損形貌如圖7所示。顯然,PEEK表麵受到擦傷和塗抹,沿摩擦方向出現犁溝痕跡。由於PEEK強度、硬度及彈性模量較低,摩擦過程中不鏽鋼表麵的粗糙峰會對PEEK反複剪切或微切削,促使PEEK表層與基體剝離裸露出CF[圖7(a)(c)(e)]。

    AISI 630不鏽鋼相比,與AISI 316LS32750對磨後PEEK被剝蝕得更嚴重,表麵更加粗糙。當載荷從400 N增至1 000 N時,裸露於PEEK表層的CF隨著載荷的增加明顯增多,這將有助於增強PEEK聚合物的承載能力,但卻加劇了不鏽鋼的損傷。

    3討論

    不鏽鋼與PEEK聚合物對磨時,不鏽鋼表麵的粗糙峰充當磨粒,對較軟的PEEK基體產生犁削和剝離作用。由於CF硬度及與PEEK的結合強度較高,裸露於PEEK表層的CF對不鏽鋼產生磨粒作用,造成不鏽鋼的磨損。磨粒磨損主要是由磨粒的犁溝作用造成,前蘇聯學者XpyIIIOB19對磨粒磨損進行了係統研究,指出硬度是表征材料抗磨粒磨損的主要參數,純金屬和未經熱處理鋼材的耐磨性與硬度呈正比關係。

    通過HS-150洛氏硬度計,測得AISI 316LAISI 630S32750三種鋼的硬度排列順序為:AISI 630(HC39)S32750(HC32)AISI 316L(HC28),三種鋼主要的化學成分含量如表2所示。鋼中碳含量的增加能夠提高鋼的硬度,而SiMn等合金元素的加入也能強化機體,提高材料的硬度。另外,Cr還能提高相應碳化物的硬度,對鋼的耐磨性也有積極影響。

    不鏽鋼硬度的提高,可有效減輕CF對其表麵的犁溝效應。在較重載荷作用時,3種鋼的表麵磨損輪廓如圖8所示。由此看出,3種鋼中AISI 630磨損後表麵粗糙度最小,最大犁溝深度約3.1μm,而S32750AISI 316L的最大犁溝深度分別在45μm左右。

    綜合上述試驗數據可知,S32750AISI 316L的硬度與其耐磨性呈正相關性,但AISI 630卻並不遵循該規律。3種鋼中,雖然AISI 630硬度最高,但耐磨性並不是最好的,原因可能在於沉澱硬化馬氏體不鏽鋼的強度是靠沉澱硬化而來,由於其內部含碳量過高,其耐蝕性被嚴重影響,腐蝕磨損削弱了AISI 630/PEEK在海水環境中的摩擦磨損性能。

    4總結

    對比研究了3種典型不鏽鋼與同一種PEEK對磨時的摩擦學性能,討論了材質硬度對其摩擦學特性的影響。得到的主要結論如下:

    (1)在海水環境中,3種鋼的平均摩擦因數相差不大。在較重載荷作用下,摩擦穩定性按如下順序遞減:S32750AISI 630AISI 316L

    (2)AISI 316L相比,S32750AISI 630的耐磨損性能較好,AISI 630的磨損率受載荷影響較小。3組對偶副中,S32750/PEEK的摩擦學性能最佳。

    (3)S32750AISI 316L的硬度與其耐磨性呈正相關性,而由沉澱硬化而來AISI 630由於碳含量過高,其耐蝕性可能被嚴重削弱,影響了AISI 630在海水中的摩擦磨損性能。

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