PBI聚苯并咪唑六種高性能耐磨級工程塑料的高PV（壓力 - 速度）磨損研究
一項研究受委托，旨在研究六種高性能工程塑料在摩擦學應用中的磨損特性。測試包括對每種材料進行3×3網格的高PV（壓力-速度）磨損測試，并將測試條件逐步提高至材料失效。測試材料包括普威?TL-60、PEEK?450FC30、Torlon?4203L、Torlon?4275、Torlon?4435和vespel?SP-21。研究產生了關于這些材料相對性能的有價值數據。
表現最出色的兩種材料是普威TL-60和Vespel SP-21。普威TL-60以其低磨損因子、低摩擦系數和較低的對偶表面溫度表現出卓越性能，是唯一在2500 psi（速度大于等于50英尺/分鐘）或更高負荷下存活的材料，并在4000 psi下達到PV值200,000 psi-英尺/分鐘。Vespel SP-21則在800英尺/分鐘的表面速度下實現了絕對最高的PV值400,000 psi-英尺/分鐘。
一、概述
許多工業過程和消費者產品需要高性能材料用于摩擦學應用。傳統上，這一領域一直由潤滑金屬主導，但隨著對性能和輕量化需求的增加，材料科學的進步使得工程塑料成為首選。這些工程塑料具有輕量化、長使用壽命、低故障率等優勢，并使一些原本無法用金屬實現的應用成為可能。
材料空間需要具備耐磨性、高強度、耐高溫和低蠕變性能，且在無潤滑環境中運行。本研究回顧了六種材料在這一領域的競爭情況，并表明存在能夠勝任任務的工程塑料。
美國材料與試驗協會（ASTM）將磨損定義為固體表面的損傷，通常涉及材料的逐漸損失，是由于該表面與接觸物質之間的相對運動引起的。耐磨性是材料是否適合用于摩擦學服務的關鍵特性。技術人員通過標準化方法測量磨損率，并通常以單位時間或距離的厚度變化或重量損失來報告磨損率。
由于磨損率是被測材料和配對表面材料、硬度、表面光潔度、材料和系統散熱能力、表面速度、負荷、溫度、其他環境條件和暴露時間的函數，因此有必要標準化測試方法和條件以實現比較。
本研究通過測量工程塑料在推力墊圈測試配置中與光滑低碳鋼表面接觸時的平衡磨損率、摩擦系數和對偶表面溫度來實現這一點。目標是確定哪些材料最適合與鋼接觸的最苛刻的摩擦學應用。理想的材料將表現出低摩擦系數和低磨損率，同時產生較少的摩擦熱。
二、實驗設計
2.1 測試描述
測試采用基于ASTM D-3702的高PV推力軸承磨損測試，使用工程塑料推力墊圈測試樣品與鋼對偶表面旋轉。測試樣品直徑為1.0625英寸，接觸面積為0.20平方英寸。對偶表面為退火的AISI 1018碳鋼，表面光潔度為16±2微英寸（AA）。測試樣品在環境條件下無潤滑狀態下與靜止的鋼對偶表面旋轉，固定時間段內測量磨損率、摩擦系數和對偶表面溫度。
壓力（P）與接觸面積上的psi和表面速度（V）以英尺/分鐘（fpm）的乘積提供了一個PV值，用于測量磨損率、對偶表面溫度和摩擦系數。基于測量磨損計算并報告磨損因子（K）。K =（樣品厚度變化量，單位為英寸）/（PVT），其中T為持續時間，單位為小時。摩擦系數（f）是一個無量綱單位，計算公式為f = 2Fa/（PAd），其中F = 摩擦力，單位為磅；a = 摩擦臂長度，單位為英寸；A = 推力墊圈樣品接觸面積，單位為平方英寸；d = 推力墊圈樣品的平均環形直徑，單位為英寸。對偶表面溫度通過固定在對偶表面側邊的熱電偶測量，并以華氏度報告。溫度讀數是周期性的，因此可能無法反映遇到的最大溫度。
測試包括六種高性能耐磨工程塑料的初始測試，以及在初始3×3網格中存活的材料的擴展測試。所有測試均由Lewis Research, Inc.在LRI-1a推力軸承摩擦計上進行。
測試使用了每個熱塑性材料的三個墊圈樣品（表1中的a、b和c）。這些墊圈首先在最低PV和中間速度條件下進行磨合測試（表1中標注為樣品ID下標1）。例如，樣品“a”在PV = 50,000 psi-英尺/分鐘、速度為50 fpm的條件下進行測試（分別為a2、a3和a4）；磨合后的樣品“b”在PV = 50,000、75,000和100,000 psi-英尺/分鐘、速度為200 fpm的條件下進行測試（b2、b3和b4）；
磨合后的樣品“c”在PV = 50,000、75,000和100,000 psi-英尺/分鐘、速度為800 fpm的條件下進行測試（c2、c3和c4）。每個測試間隔持續8小時。此測試網格以相同方式重復進行六種熱塑性材料的測試。三種熱塑性材料在初始3×3網格中存活，并在擴展高PV磨損測試中以25,000 psi-英尺/分鐘的增量逐步提高PV，直至失效（表1中的下標5至16）。測試結果如下。
表1.
2.2 測試材料及材料準備
測試了六種高性能工程塑料材料。其中五種為芳香族熱塑性塑料，一種為芳香族熱固性塑料。
研究人員測試了兩種來源的普威TL-60樣品。該材料設計為注塑成型且無需進一步處理或加工；然而，由于其以庫存形狀和注塑件形式提供，因此研究人員測試了從庫存形狀加工的零件和注塑件。研究人員從兩個批準的普威T系列產品的來源獲取樣品。Parkway Products, Inc.注塑了普威TL-60推力軸承樣品。這些樣品在加工中心軸和驅動孔后進行測試。Piper Plastics, Inc.注塑了TL-60庫存形狀并加工了相應的普威TL-60推力軸承樣品。
研究人員測試了三種索爾維Torlon聚酰胺酰亞胺（4203L、4275和4435）的耐磨等級。Parkway Products按照索爾維的加工說明對這些樣品進行了注塑成型和后固化。后固化后，這些樣品加工了中心軸和驅動孔。
研究人員測試的唯一芳香族熱固性耐磨材料是杜邦的Vespel聚酰亞胺SP-21；由杜邦注塑成型。從注塑庫存形狀加工推力墊圈。
最后，研究人員測試了威格斯PEEK耐磨等級材料450FC30。Parkway Products注塑了這些零件，并按照威格斯的說明進行了退火。退火后，這些零件加工了中心軸和驅動孔。
表2提供了關于材料的進一步詳細信息。
表2.
產品說明：普威?TL - 60由普威?、聚苯并咪唑（PBI）和威格斯聚醚醚酮（Victrex PEEK）制成，是PBI高性能產品公司的可注塑、高性能、耐磨級T系列化合物。VESPEL?SP - 21是杜邦公司含15%石墨填充的聚酰亞胺（PI），具有增強的耐磨性。TORLON?4203L是索爾維公司未增強的通用級聚酰胺 - 酰亞胺（PAI）化合物，由3%二氧化鈦（TiO?）和0.5%含氟聚合物制成。
TORLON?4275是索爾維公司的低摩擦、低磨損聚酰胺 - 酰亞胺化合物，含有20%石墨和3%含氟聚合物。TORLON? 4435是索爾維公司專為無潤滑應用制造的極低磨損性能等級的聚酰胺 - 酰亞胺（PAI）化合物。威格斯聚醚醚酮? 450FC30是威格斯公司的潤滑級聚醚醚酮（PEEK），采用標準粘度聚醚醚酮化合物，含有30%碳/聚四氟乙烯（PTFE），用于注塑和擠出。
三、結果與討論
3.1 初始3×3高PV磨損測試結果
為了使讀者更全面地了解測試結果，磨損測試數據包含在附帶的表3、4和5以及圖1-9中。讀者在閱讀這些表格和圖表的同時閱讀本討論將更有益。
表3.
表4.
表5.
圖1.-圖9.
Torlon 4203L未能產生任何磨損性能數據。所有三個樣品在初始磨合階段（PV = 50,000 psi-英尺/分鐘；速度 = 200 fpm）開始后2.5小時內熔化并完全損壞。
PEEK 450FC30僅存活了初始3×3網格的一半。其磨損因子、摩擦系數和運行溫度均為最高（所有三項指標越低越好）。一個樣品在PV = 100,000/200 fpm條件下熔化。另一個樣品在PV = 100,000/50 fpm條件結束時熔化。第三個樣品以及兩個額外的樣品在PV = 50,000/800 fpm條件下很早就熔化，因此無法為該材料在800 fpm下生成數據。
Torlon 4275相對于前兩種材料表現出顯著改進。在低表面速度（50和200 fpm）下，其在低PV水平（50,000 psi-英尺/分鐘）下表現良好。然而，其磨損率是最佳材料的兩倍。在所有三種速度下，其在100,000 PV時熔化或出現熔化跡象，低速（50 fpm）下表現最佳。其摩擦系數顯著較高，因此表現出較高的對偶表面溫度。由于熔化，其無法繼續進行擴展高PV測試。
Torlon 4435通過了整個初始3×3網格測試。其摩擦系數與Vespel SP-21非常相似，甚至可能略低。在50和200 fpm表面速度下，其磨損因子與SP-21相似，但在800 fpm時幾乎是SP-21的兩倍，且在幾乎所有條件下其磨損因子幾乎是富臨TL-60的兩倍。在800 fpm條件下，其對偶表面溫度比富臨TL-60高50到90°F。
Vespel SP-21在高負荷和低速度下表現不佳，但在中等和高速度下表現良好，盡管摩擦導致溫度升高。一個Vespel SP-21樣品在50,000 PV/200 fpm條件下的磨合周期中（250 psi）斷裂，因此引入了一個替代樣品以填補網格中的這一空缺。第二個樣品在100,000 PV/50 fpm條件（2000 psi）下斷裂。其他兩個樣品完成了3×3測試網格。在該3×3網格中，SP-21的磨損因子約為富臨TL-60的兩倍，在中等和高速度條件下可測量地更高。Vespel SP-21的摩擦系數顯著高于富臨TL-60；因此，對偶表面溫度也更高——大約高50°F。
普威TL-60表現出最低的磨損因子、最低的摩擦系數和最低的對偶表面溫度。在最高表面速度（800 fpm）下，對偶表面溫度的差異尤為顯著。普威TL-60比次低的材料——Vespel SP-21低約50°F，比最高的——Torlon 4275低約200°F。
總體而言，從庫存形狀加工的普威TL-60零件與注塑成型的TL-60零件幾乎產生了相同的結果。在幾種條件下，加工零件的數值略好，但在重復點的變異性（±20%）范圍內，結果相同。然而，在800 fpm時觀察到差異，加工TL-60零件的對偶表面溫度比其注塑成型的同類產品低約30°F。此外，注塑成型的TL-60零件在1500 psi負荷下開始出現輕微的蘑菇狀變形。
四、結論
注塑成型的Torlon 4203L由于在PV值為50,000 psi-英尺/分鐘、速度為200 fpm的磨合周期中因摩擦熱熔化，因此無法參與本次高PV測試的比較。盡管注塑成型的PEEK 450FC30在初始3×3 PV網格的幾種條件下存活，但其磨損因子和對偶表面溫度相當高。
注塑成型的Torlon 4275在低速度（50 fpm）下對初始3個PV值（50,000、75,000和100,000）表現合理；然而，其產生的熱量顯著，與其余材料相比磨損率較高。
注塑成型的Torlon 4435達到了大多數工程塑料的高PV值100,000 psi-英尺/分鐘（所有三種速度）；然而，其磨損率明顯高于最佳材料。在50,000和75,000 PV下，表面速度為50和200 fpm時，其磨損因子與Vespel SP-21相當。在800 fpm時，其磨損率非常高。在所有三種速度下超過100,000 PV時，其熔化。
有趣的是，Torlon三種材料和PEEK 450FC30均因熔化而失效，但在熔化和/或破壞前記錄的最高對偶表面溫度遠低于樣品各自的熔點。因此，需要注意的是，記錄的對偶表面溫度可能無法反映樣品失效時的峰值溫度。此外，樣品處于相當大的負荷下，因此損壞可能更接近玻璃化轉變溫度。因此，盡管這些材料在本次測試中相對較早失效，但與SP-21和TL-60相比，它們是已知的耐磨等級材料，其在較低PV情況下的廣泛應用表明它們在不那么苛刻的應用中具有價值。
加工的Vespel SP-21能夠達到該組中最高的操作PV值，達到400,000 psi-英尺/分鐘。然而，其磨損率和對偶表面溫度并不低。實際上，Vespel SP-21的對偶表面溫度通常比富臨TL-60高50°F，且在任何給定條件下磨損率通常比TL-60高50-100%。Vespel SP-21還容易在負荷下失效，如在250、1875和2000 psi時墊圈斷裂。它在低負荷下表現最佳，并且是唯一存活超過PV值225,000 psi-英尺/分鐘的材料。
普威TL-60是一種卓越的耐磨等級材料，能夠在200 fpm下達到PV值225,000 psi-英尺/分鐘。它表現出最低的磨損因子、最低的摩擦系數和最低的對偶表面溫度。在最高表面速度（800 fpm）下，對偶表面溫度的差異尤為顯著，其比次低的材料——Vespel SP-21低約50°F，比最高的——Torlon 4275低約200°F。不應低估低運行溫度的價值，因為軸承表面的溫度通常決定了PV極限，只要機械強度足夠。由于工程塑料的強度隨溫度升高而降低，因此這一點經常被提及。
選擇軸承材料需要將應用條件與被測材料的屬性相匹配。正如本研究中的實證證據所示，僅查看PV是不夠的。重要的是要考慮磨損率、運行溫度和強度要求。在查看PV時，應同時考慮速度和壓力兩個組成部分，因為一些材料更適合高速/低負荷，反之亦然。開闊思維，考慮所有后果，將有助于做出最佳材料選擇。