呂曉瑩，殷琪，王丹丹，張志強(qiáng)，李代剛，劉洪

1中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所；2中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4成都工具研究所有限公司

1 引言

作為一種新型碳纖維復(fù)合材料，碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)熱塑性復(fù)合材料主要由兩部分組成：直徑為0～8μm高拉伸強(qiáng)度碳纖維和基體材料PEEK。PEEK具有高溫穩(wěn)定性(超過300℃)、抗化學(xué)和輻射損傷及與增強(qiáng)材料(例如玻璃和碳纖維)的相容性等特征，使其在航空航天和醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

由于CF/PEEK的各向異性[2]和層疊特性[3]，在加工過程中會產(chǎn)生諸如毛刺、層間裂紋等各種加工缺陷[4]。盡管CF/PEEK通常采用整體成型的制造方案以降低加工成本，但因其幾何尺寸、形狀、表面質(zhì)量及裝配精度等要求，需要修邊(主要是銑削)和鉆孔等進(jìn)一步的機(jī)加工工序。因此，研究刀具材料和CF/PEEK之間的摩擦磨損機(jī)理至關(guān)重要。

粉末冶金工藝制備的硬質(zhì)合金(WC/Co)刀具具有硬度高(86～93HRA)、耐磨性好等特性[5]，且硬質(zhì)合金類刀具的價(jià)格僅為同類金剛石類刀具價(jià)格的10%～30%。憑借顯著的價(jià)格優(yōu)勢和優(yōu)良的工藝性能，WC/Co是目前市場占有率最高的刀具材料之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)國家，90%以上的車刀和55%以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金制造[6]。

為研究CF/PEEK在切削過程中與WC/Co刀具的干摩擦磨損機(jī)理，從CFT700/PEEK熱塑性復(fù)合材料和WC/Co硬質(zhì)合金的干滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)入手，基于銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)M切削加工中的摩擦磨損過程，研究滑動(dòng)速度和載荷對WC/Co干滑動(dòng)CF/PEEK摩擦磨損特性的影響，為深入研究硬質(zhì)合金刀具磨損和壽命提升奠定了良好基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

使用的熱塑性復(fù)合材料為T700級(拉伸強(qiáng)度為4.9GPa)連續(xù)單向碳纖維強(qiáng)化的聚醚醚酮(CFT700/PEEK)熱塑性復(fù)合材料，密度為1.58g/cm3，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66wt.%。單向纖維預(yù)浸料的層壓板材[7]具有良好的斷裂韌性、耐沖擊性、抗疲勞性和抗化學(xué)腐蝕性[8]，將碳纖維板材加工成φ5mm×15mm的圓柱銷，使碳纖維與圓柱銷的軸向平行，銷的橫截面和軸向截面見圖1a。將碳化鎢和鈷等原料研磨后燒結(jié)成型，制得直徑50mm、高度6mm的WC/Co硬質(zhì)合金摩擦盤，摩擦盤表面通過金剛石磨粒打磨拋光，表面粗糙度Ra<0.1μm。

2.2 摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用MTF-5000高集成多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行CFT700/PEEK-WC/Co銷盤旋轉(zhuǎn)摩擦副摩擦磨損試驗(yàn)分析(見圖1b)，碳纖維方向與摩擦副接觸區(qū)垂直，載荷方向與碳纖維平行。試驗(yàn)開始前，摩擦盤浸沒于濃度>99.7wt.%的乙醇溶液中進(jìn)行10min的超聲清洗。試驗(yàn)過程中，碳纖維圓柱銷處于靜止?fàn)顟B(tài)，WC/Co盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，室溫保持20℃。

(a)CFT700/PEEK銷的橫截面(左)和軸向截面(右)

摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后，采用VHX-1000C三維超景深顯微鏡進(jìn)行磨痕區(qū)域宏觀的形貌表征，配備EDS探頭的JSM-7800F場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行磨痕區(qū)域微觀形貌觀測和化學(xué)元素分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 載荷對WC/Co摩擦磨損特性的影響

研究不同載荷對CFT700/PEEK和WC/Co摩擦特性的影響(見表1)，保持循環(huán)圈數(shù)r=5000和線速度v不變，載荷F分別設(shè)為30N，60N，90N，120N，150N。轉(zhuǎn)速v和試驗(yàn)時(shí)間T的計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中，N為轉(zhuǎn)速(r/min)；R為回轉(zhuǎn)半徑(mm)；v為線速度(mm/s)；T為試驗(yàn)時(shí)間(min)。

表1 不同載荷摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

摩擦系數(shù)曲線見圖2。在摩擦初期(0～250s)，5種載荷下的摩擦系數(shù)迅速增大，達(dá)到峰值后呈現(xiàn)下降趨勢。在30N和60N載荷下，摩擦系數(shù)的波動(dòng)幅度明顯大于90N，但平均摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.3左右。90N載荷下，摩擦系數(shù)在摩擦初期達(dá)到峰值后(COF≈0.3)保持穩(wěn)定，波動(dòng)幅度最小。但在120N和150N載荷下卻呈現(xiàn)相反趨勢，摩擦系數(shù)在達(dá)到峰值后呈波動(dòng)下降趨勢，且120N載荷下的波動(dòng)幅度和平均摩擦系數(shù)明顯大于150N載荷。

圖2 不同接觸載荷的摩擦系數(shù)曲線

為了分析不同載荷下的摩擦特性，尤其是高載下(150N)出現(xiàn)的摩擦系數(shù)最低且平穩(wěn)下降現(xiàn)象，通過VHX-1000C三維超景深顯微鏡觀察5種載荷下的磨痕形貌特征，結(jié)果見圖3。

(a)30N

(c)90N

在30N載荷下，WC/Co表面部分磨痕區(qū)域出現(xiàn)犁溝，磨痕呈現(xiàn)黑色，即在摩擦接觸界面由于干摩擦導(dǎo)致的劇烈摩擦磨損釋放了大量的熱，CFT700/PEEK出現(xiàn)軟化黏著現(xiàn)象[9]。當(dāng)載荷增至60N時(shí)，隨著摩擦磨損程度和熱效應(yīng)的增大，CFT700/PEEK的軟化黏著現(xiàn)象和犁溝數(shù)量更加明顯，甚至在90N下材料表面發(fā)生一定程度的氧化(見圖3c中藍(lán)紫色亮斑)。

圖4a為60N載荷下WC/Co表面形貌、局部放大及磨粒放大圖。通過圖4b可知，點(diǎn)2處的O元素和點(diǎn)3處的C元素原子百分比分別顯著高于WC/Co基體和PEEK，證明了PEEK轉(zhuǎn)移膜和碳纖維磨粒的存在。當(dāng)載荷增加至120N時(shí)，觀察到磨痕寬度顯著增大，磨痕區(qū)域產(chǎn)生更多、更深的犁溝，CFT700/PEEK的黏結(jié)也更加嚴(yán)重，并在黏結(jié)較嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象。尤其在載荷為150N載荷時(shí)，CFT700/PEEK的軟化黏結(jié)最嚴(yán)重。

(a)WC/Co表面形貌、局部放大以及磨粒放大(60N載荷)

PEEK在接觸界面受熱軟化發(fā)生相變，在摩擦接觸界面形成潤滑膜，避免干摩擦條件下WC/Co和CFT700/PEEK的直接接觸，減小了摩擦磨損。同時(shí)，碳纖維在干摩擦過程中斷裂形成磨屑，并浸沒在潤滑薄膜層中，減小了接觸界面的磨粒磨損。隨著載荷增大，接觸界面的熱效應(yīng)提升，加劇了PEEK的受熱軟化，在高載荷下接觸界面面積的提升也增加了實(shí)際潤滑面積。因此，干摩擦條件下CFT700/PEEK與WC/Co摩擦界面潤滑膜的形成、磨粒磨損的降低和實(shí)際接觸面積的增大是高載荷150N下摩擦系數(shù)降低的主要原因。

試驗(yàn)結(jié)果表明，增大載荷會加劇WC/Co基體和CFT700/PEEK的磨損，表現(xiàn)為接觸區(qū)更多更深的犁溝。同時(shí)，增大載荷增強(qiáng)了接觸界面的熱效應(yīng)，PEEK受熱軟化形成潤滑膜，從而在一定程度上減小摩擦系數(shù)。

3.2 滑動(dòng)速度對WC/Co摩擦磨損特性的影響

選取60N的載荷研究不同滑動(dòng)速度條件下CFT700/PEEK和WC/Co的摩擦特性。試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，保持循環(huán)圈數(shù)r=5000和載荷F=60N不變，線速度分別設(shè)置為100mm/s，150mm/s，200mm/s，250mm/s，300mm/s。

表2 不同滑動(dòng)速度摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

摩擦系數(shù)變化曲線見圖5。與變載荷下的摩擦系數(shù)變化趨勢類似，在摩擦初期(0～250s)，5種載荷下的摩擦系數(shù)從試驗(yàn)開始迅速達(dá)到峰值。除150mm/s外，CFT700/PEEK-WC/Co硬質(zhì)合金盤的摩擦系數(shù)均呈緩幅上升趨勢。250s后，隨著磨損程度的加劇，摩擦系數(shù)的波動(dòng)均有增加。大約2000次循環(huán)(1000～1500s)后，各滑動(dòng)速度組別下摩擦系數(shù)逐漸穩(wěn)定，基本維持在0.25～0.3范圍。由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：在60N接觸載荷、不同滑動(dòng)速度下，CFT700/PEEK-WC/Co摩擦系數(shù)的變化趨勢相似，平均摩擦系數(shù)偏差不大，基本穩(wěn)定在0.25～0.3左右。

圖5 不同滑動(dòng)速度的摩擦系數(shù)變化曲線

通過三維超景深顯微鏡觀察不同滑動(dòng)速度下磨痕區(qū)域的磨痕形貌特征。如圖6所示，在100mm/s相對較低的滑動(dòng)速度下，CFT700/PEEK的磨損較小，磨痕區(qū)域存在少量的磨屑軟化黏結(jié)，且硬質(zhì)合金表面出現(xiàn)少量犁溝；在150mm/s滑動(dòng)速度下，磨痕區(qū)域的磨損更加明顯，犁溝的寬度和深度有所增加，且犁溝內(nèi)部積累了部分CFT700/PEEK磨屑；在200mm/s滑動(dòng)速度下，由于滑動(dòng)速度加快，熱量來不及散出，導(dǎo)致銷盤接觸區(qū)的局部溫度過高，部分PEEK熱塑性基體軟化后黏結(jié)至硬質(zhì)合金表面，表現(xiàn)為磨痕區(qū)域顏色加深；在250mm/s滑動(dòng)速度下，摩擦副間的摩擦磨損程度加劇，產(chǎn)生更寬更深的犁溝和更多的CFT700/PEEK磨屑；在300mm/s滑動(dòng)速度下，熱量積累更嚴(yán)重，受熱軟化的PEEK熱塑性基體材料黏附在部分溫度較高的磨痕區(qū)域，并有逐漸增多趨勢。

(a)100mm/s

4 結(jié)語

通過研究不同線速度和接觸載荷對WC/Co硬質(zhì)合金和CFT700/PEEK旋轉(zhuǎn)摩擦副摩擦磨損的影響，得到以下結(jié)論。

(1)改變滑動(dòng)速度和載荷，CFT700/PEEK和WC/Co摩擦副的摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.25～0.3之間。

(2)干摩擦條件下CFT700/PEEK與WC/Co摩擦界面潤滑膜的形成、磨粒磨損的降低和實(shí)際接觸面積的增大是在高載荷150N下摩擦系數(shù)降低的主要原因。

(3)速度和載荷的增加導(dǎo)致接觸界面產(chǎn)生更嚴(yán)重的磨粒磨損和磨屑黏著，表現(xiàn)為WC/Co盤表面犁溝更明顯，轉(zhuǎn)移膜有增多的趨勢。