PBI聚苯并咪唑六种高性能耐磨级工程塑料的高PV（压力 - 速度）磨损研究

一项研究受委托，旨在研究六种高性能工程塑料在摩擦学应用中的磨损特性。测试包括对每种材料进行3×3网格的高PV（压力-速度）磨损测试，并将测试条件逐步提高至材料失效。测试材料包括普威®TL-60、PEEK®450FC30、Torlon®4203L、Torlon®4275、Torlon®4435和vespel®SP-21。研究产生了关于这些材料相对性能的有价值数据。

表现最出色的两种材料是普威TL-60和Vespel SP-21。普威TL-60以其低磨损因子、低摩擦系数和较低的对偶表面温度表现出卓越性能，是唯一在2500 psi（速度大于等于50英尺/分钟）或更高负荷下存活的材料，并在4000 psi下达到PV值200,000 psi-英尺/分钟。Vespel SP-21则在800英尺/分钟的表面速度下实现了绝对最高的PV值400,000 psi-英尺/分钟。

 一、概述 

许多工业过程和消费者产品需要高性能材料用于摩擦学应用。传统上，这一领域一直由润滑金属主导，但随着对性能和轻量化需求的增加，材料科学的进步使得工程塑料成为首选。这些工程塑料具有轻量化、长使用寿命、低故障率等优势，并使一些原本无法用金属实现的应用成为可能。

材料空间需要具备耐磨性、高强度、耐高温和低蠕变性能，且在无润滑环境中运行。本研究回顾了六种材料在这一领域的竞争情况，并表明存在能够胜任任务的工程塑料。

美国材料与试验协会（ASTM）将磨损定义为固体表面的损伤，通常涉及材料的逐渐损失，是由于该表面与接触物质之间的相对运动引起的。耐磨性是材料是否适合用于摩擦学服务的关键特性。技术人员通过标准化方法测量磨损率，并通常以单位时间或距离的厚度变化或重量损失来报告磨损率。

由于磨损率是被测材料和配对表面材料、硬度、表面光洁度、材料和系统散热能力、表面速度、负荷、温度、其他环境条件和暴露时间的函数，因此有必要标准化测试方法和条件以实现比较。

本研究通过测量工程塑料在推力垫圈测试配置中与光滑低碳钢表面接触时的平衡磨损率、摩擦系数和对偶表面温度来实现这一点。目标是确定哪些材料最适合与钢接触的最苛刻的摩擦学应用。理想的材料将表现出低摩擦系数和低磨损率，同时产生较少的摩擦热。

 二、实验设计 

2.1 测试描述

测试采用基于ASTM D-3702的高PV推力轴承磨损测试，使用工程塑料推力垫圈测试样品与钢对偶表面旋转。测试样品直径为1.0625英寸，接触面积为0.20平方英寸。对偶表面为退火的AISI 1018碳钢，表面光洁度为16±2微英寸（AA）。测试样品在环境条件下无润滑状态下与静止的钢对偶表面旋转，固定时间段内测量磨损率、摩擦系数和对偶表面温度。

压力（P）与接触面积上的psi和表面速度（V）以英尺/分钟（fpm）的乘积提供了一个PV值，用于测量磨损率、对偶表面温度和摩擦系数。基于测量磨损计算并报告磨损因子（K）。K =（样品厚度变化量，单位为英寸）/（PVT），其中T为持续时间，单位为小时。摩擦系数（f）是一个无量纲单位，计算公式为f = 2Fa/（PAd），其中F = 摩擦力，单位为磅；a = 摩擦臂长度，单位为英寸；A = 推力垫圈样品接触面积，单位为平方英寸；d = 推力垫圈样品的平均环形直径，单位为英寸。对偶表面温度通过固定在对偶表面侧边的热电偶测量，并以华氏度报告。温度读数是周期性的，因此可能无法反映遇到的最大温度。

测试包括六种高性能耐磨工程塑料的初始测试，以及在初始3×3网格中存活的材料的扩展测试。所有测试均由Lewis Research, Inc.在LRI-1a推力轴承摩擦计上进行。

测试使用了每个热塑性材料的三个垫圈样品（表1中的a、b和c）。这些垫圈首先在最低PV和中间速度条件下进行磨合测试（表1中标注为样品ID下标1）。例如，样品“a”在PV = 50,000 psi-英尺/分钟、速度为50 fpm的条件下进行测试（分别为a2、a3和a4）；磨合后的样品“b”在PV = 50,000、75,000和100,000 psi-英尺/分钟、速度为200 fpm的条件下进行测试（b2、b3和b4）；

磨合后的样品“c”在PV = 50,000、75,000和100,000 psi-英尺/分钟、速度为800 fpm的条件下进行测试（c2、c3和c4）。每个测试间隔持续8小时。此测试网格以相同方式重复进行六种热塑性材料的测试。三种热塑性材料在初始3×3网格中存活，并在扩展高PV磨损测试中以25,000 psi-英尺/分钟的增量逐步提高PV，直至失效（表1中的下标5至16）。测试结果如下。

表1.

2.2 测试材料及材料准备

测试了六种高性能工程塑料材料。其中五种为芳香族热塑性塑料，一种为芳香族热固性塑料。

研究人员测试了两种来源的普威TL-60样品。该材料设计为注塑成型且无需进一步处理或加工；然而，由于其以库存形状和注塑件形式提供，因此研究人员测试了从库存形状加工的零件和注塑件。研究人员从两个批准的普威T系列产品的来源获取样品。Parkway Products, Inc.注塑了普威TL-60推力轴承样品。这些样品在加工中心轴和驱动孔后进行测试。Piper Plastics, Inc.注塑了TL-60库存形状并加工了相应的普威TL-60推力轴承样品。

研究人员测试了三种索尔维Torlon聚酰胺酰亚胺（4203L、4275和4435）的耐磨等级。Parkway Products按照索尔维的加工说明对这些样品进行了注塑成型和后固化。后固化后，这些样品加工了中心轴和驱动孔。

研究人员测试的唯一芳香族热固性耐磨材料是杜邦的Vespel聚酰亚胺SP-21；由杜邦注塑成型。从注塑库存形状加工推力垫圈。

最后，研究人员测试了威格斯PEEK耐磨等级材料450FC30。Parkway Products注塑了这些零件，并按照威格斯的说明进行了退火。退火后，这些零件加工了中心轴和驱动孔。

表2提供了关于材料的进一步详细信息。

表2. 

产品说明：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高性能产品公司的可注塑、高性能、耐磨级T系列化合物。VESPEL®SP - 21是杜邦公司含15%石墨填充的聚酰亚胺（PI），具有增强的耐磨性。TORLON®4203L是索尔维公司未增强的通用级聚酰胺 - 酰亚胺（PAI）化合物，由3%二氧化钛（TiO₂）和0.5%含氟聚合物制成。

TORLON®4275是索尔维公司的低摩擦、低磨损聚酰胺 - 酰亚胺化合物，含有20%石墨和3%含氟聚合物。TORLON® 4435是索尔维公司专为无润滑应用制造的极低磨损性能等级的聚酰胺 - 酰亚胺（PAI）化合物。威格斯聚醚醚酮® 450FC30是威格斯公司的润滑级聚醚醚酮（PEEK），采用标准粘度聚醚醚酮化合物，含有30%碳/聚四氟乙烯（PTFE），用于注塑和挤出。

 三、结果与讨论 

3.1 初始3×3高PV磨损测试结果

为了使读者更全面地了解测试结果，磨损测试数据包含在附带的表3、4和5以及图1-9中。读者在阅读这些表格和图表的同时阅读本讨论将更有益。

表3.

表4. 

表5.

图1.-图9.

Torlon 4203L未能产生任何磨损性能数据。所有三个样品在初始磨合阶段（PV = 50,000 psi-英尺/分钟；速度 = 200 fpm）开始后2.5小时内熔化并完全损坏。

PEEK 450FC30仅存活了初始3×3网格的一半。其磨损因子、摩擦系数和运行温度均为最高（所有三项指标越低越好）。一个样品在PV = 100,000/200 fpm条件下熔化。另一个样品在PV = 100,000/50 fpm条件结束时熔化。第三个样品以及两个额外的样品在PV = 50,000/800 fpm条件下很早就熔化，因此无法为该材料在800 fpm下生成数据。

Torlon 4275相对于前两种材料表现出显著改进。在低表面速度（50和200 fpm）下，其在低PV水平（50,000 psi-英尺/分钟）下表现良好。然而，其磨损率是最佳材料的两倍。在所有三种速度下，其在100,000 PV时熔化或出现熔化迹象，低速（50 fpm）下表现最佳。其摩擦系数显著较高，因此表现出较高的对偶表面温度。由于熔化，其无法继续进行扩展高PV测试。

Torlon 4435通过了整个初始3×3网格测试。其摩擦系数与Vespel SP-21非常相似，甚至可能略低。在50和200 fpm表面速度下，其磨损因子与SP-21相似，但在800 fpm时几乎是SP-21的两倍，且在几乎所有条件下其磨损因子几乎是富临TL-60的两倍。在800 fpm条件下，其对偶表面温度比富临TL-60高50到90°F。

Vespel SP-21在高负荷和低速度下表现不佳，但在中等和高速度下表现良好，尽管摩擦导致温度升高。一个Vespel SP-21样品在50,000 PV/200 fpm条件下的磨合周期中（250 psi）断裂，因此引入了一个替代样品以填补网格中的这一空缺。第二个样品在100,000 PV/50 fpm条件（2000 psi）下断裂。其他两个样品完成了3×3测试网格。在该3×3网格中，SP-21的磨损因子约为富临TL-60的两倍，在中等和高速度条件下可测量地更高。Vespel SP-21的摩擦系数显著高于富临TL-60；因此，对偶表面温度也更高——大约高50°F。

普威TL-60表现出最低的磨损因子、最低的摩擦系数和最低的对偶表面温度。在最高表面速度（800 fpm）下，对偶表面温度的差异尤为显著。普威TL-60比次低的材料——Vespel SP-21低约50°F，比最高的——Torlon 4275低约200°F。

总体而言，从库存形状加工的普威TL-60零件与注塑成型的TL-60零件几乎产生了相同的结果。在几种条件下，加工零件的数值略好，但在重复点的变异性（±20%）范围内，结果相同。然而，在800 fpm时观察到差异，加工TL-60零件的对偶表面温度比其注塑成型的同类产品低约30°F。此外，注塑成型的TL-60零件在1500 psi负荷下开始出现轻微的蘑菇状变形。

 四、结论 

注塑成型的Torlon 4203L由于在PV值为50,000 psi-英尺/分钟、速度为200 fpm的磨合周期中因摩擦热熔化，因此无法参与本次高PV测试的比较。尽管注塑成型的PEEK 450FC30在初始3×3 PV网格的几种条件下存活，但其磨损因子和对偶表面温度相当高。

注塑成型的Torlon 4275在低速度（50 fpm）下对初始3个PV值（50,000、75,000和100,000）表现合理；然而，其产生的热量显著，与其余材料相比磨损率较高。

注塑成型的Torlon 4435达到了大多数工程塑料的高PV值100,000 psi-英尺/分钟（所有三种速度）；然而，其磨损率明显高于最佳材料。在50,000和75,000 PV下，表面速度为50和200 fpm时，其磨损因子与Vespel SP-21相当。在800 fpm时，其磨损率非常高。在所有三种速度下超过100,000 PV时，其熔化。

有趣的是，Torlon三种材料和PEEK 450FC30均因熔化而失效，但在熔化和/或破坏前记录的最高对偶表面温度远低于样品各自的熔点。因此，需要注意的是，记录的对偶表面温度可能无法反映样品失效时的峰值温度。此外，样品处于相当大的负荷下，因此损坏可能更接近玻璃化转变温度。因此，尽管这些材料在本次测试中相对较早失效，但与SP-21和TL-60相比，它们是已知的耐磨等级材料，其在较低PV情况下的广泛应用表明它们在不那么苛刻的应用中具有价值。

加工的Vespel SP-21能够达到该组中最高的操作PV值，达到400,000 psi-英尺/分钟。然而，其磨损率和对偶表面温度并不低。实际上，Vespel SP-21的对偶表面温度通常比富临TL-60高50°F，且在任何给定条件下磨损率通常比TL-60高50-100%。Vespel SP-21还容易在负荷下失效，如在250、1875和2000 psi时垫圈断裂。它在低负荷下表现最佳，并且是唯一存活超过PV值225,000 psi-英尺/分钟的材料。

普威TL-60是一种卓越的耐磨等级材料，能够在200 fpm下达到PV值225,000 psi-英尺/分钟。它表现出最低的磨损因子、最低的摩擦系数和最低的对偶表面温度。在最高表面速度（800 fpm）下，对偶表面温度的差异尤为显著，其比次低的材料——Vespel SP-21低约50°F，比最高的——Torlon 4275低约200°F。不应低估低运行温度的价值，因为轴承表面的温度通常决定了PV极限，只要机械强度足够。由于工程塑料的强度随温度升高而降低，因此这一点经常被提及。

选择轴承材料需要将应用条件与被测材料的属性相匹配。正如本研究中的实证证据所示，仅查看PV是不够的。重要的是要考虑磨损率、运行温度和强度要求。在查看PV时，应同时考虑速度和压力两个组成部分，因为一些材料更适合高速/低负荷，反之亦然。开阔思维，考虑所有后果，将有助于做出最佳材料选择。