高分子材料機(jī)械密封磨損特征與表面織構(gòu)影響分析

張澤月，羅俊波，楊 芳，孫 強(qiáng)，易顯富，戢曉珊

(1 湖北省十堰市太和醫(yī)院附屬湖北醫(yī)藥學(xué)院，湖北十堰442000；2 湖北省十堰市婦幼保健院，湖北十堰442000)

機(jī)械密封是指由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合且相對(duì)滑動(dòng)所構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置［1］。隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷發(fā)展，適用于機(jī)械密封設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)的新型高分子材料越來(lái)越多。同時(shí)，新材料、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)也為機(jī)械密封設(shè)計(jì)、加工、工作情況全壽命監(jiān)控帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的密封效果，必須使密封斷面與彈性元件緊密貼合，并通過(guò)材料的選用滿(mǎn)足密封過(guò)程中良好的摩擦效果［2］。金屬材料與高分材料組成機(jī)械密封是現(xiàn)代比較常見(jiàn)的機(jī)械密封環(huán)境，但由于密封面的磨損導(dǎo)致位移的出現(xiàn)問(wèn)題逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備零件壽命縮短、可靠性不佳的重要誘因。為有效解決該問(wèn)題，可通過(guò)流體靜、動(dòng)使密封端面形成完成的流體膜，以此來(lái)降低磨損效果，減小摩擦，該密封方式利用表面織構(gòu)化為密封端面提供了流體壓力，是推動(dòng)流體膜形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也逐漸成為今后機(jī)械密封的主要發(fā)展方向。

1 機(jī)械密封常用材料

1.1 石墨

石墨具有耐腐蝕性強(qiáng)、自潤(rùn)滑性?xún)?yōu)良、摩擦系數(shù)小以及耐熱沖擊性能好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)石墨是一種極易加工的材料，在機(jī)械密封領(lǐng)域具有較高的天然優(yōu)勢(shì)。然而，石墨機(jī)械強(qiáng)度低、存在空隙等劣勢(shì)需要進(jìn)行浸漬和摻碳等方法進(jìn)行優(yōu)化。膨脹石墨切割墊片是當(dāng)前石墨材料在機(jī)械密封領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料之一，該材料不含粘結(jié)劑和填充物，因而較一般石墨材料或高分子材料具有跟高的純度、耐高低溫性能、壓縮回彈性能以及強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于低壓部位的密封，在防止石墨與法蘭之間出現(xiàn)電化腐蝕現(xiàn)象具有較高價(jià)值［3］。膨脹石墨切割墊片使用溫度約為-200℃～800℃；使用壓力約20MPa；最大加工尺寸一般不超過(guò)1500mm。

1.2 陶瓷

陶瓷的主要性能優(yōu)勢(shì)，在于耐腐蝕性強(qiáng)、硬度高以及耐磨性好，劣勢(shì)則主要在于陶瓷本身脆性較大且加工難度較高。在機(jī)械密封領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料是氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷具有較高的傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性，多被應(yīng)用于存在腐蝕性中介以及中低速的機(jī)械密封場(chǎng)合。氧化鋁陶瓷機(jī)械密封件莫氏硬度約9 左右；常溫耐壓強(qiáng)度不低于250MPa；常溫抗折強(qiáng)度不低于260MPa；最高使用溫度不低于1600℃。

1.3 高分子材料

高分子材料是當(dāng)前機(jī)械密封零部件加工領(lǐng)域應(yīng)用前景最為廣泛的材料之一，包括超高分子量聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚四氟乙烯等在內(nèi)的高分子材料逐漸成為航空、航海領(lǐng)域機(jī)械密封零部件加工的主要材料［4］。以聚四氟乙烯為例。聚四氟乙烯是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具備高耐腐蝕性、密封性等特征，同時(shí)聚四氟乙烯加工支撐的機(jī)械密封器件具有高潤(rùn)滑、電絕緣性好以及優(yōu)良的抗老化能力，可廣泛適用于各種腐蝕介質(zhì)機(jī)械密封場(chǎng)合。但其彈性劣于橡膠，易產(chǎn)生永久變形，缺點(diǎn)較為明顯。聚四氟乙烯機(jī)械密封件常使用溫度-240℃～260℃（短時(shí)可達(dá)315℃）；使用壓力不高于40bar；pH 值范圍0 ～14；常用加工尺寸有5×3 ～5 mm、10×3 ～5 mm、15×3 ～5 mm、20×3 ～5 mm、25×3 ～5 mm、30×3 ～5 mm、35×3 ～5 mm、40×3 ～5 mm、45×3 ～5 mm、50×3 ～5 mm、60×3 ～5 mm。

為提高工業(yè)領(lǐng)域密封部件的壽命和可靠性，學(xué)者們選用多種不同種類(lèi)高分子材料，分別與相同金屬織構(gòu)化材料組成摩擦副，用以對(duì)不同高分子材料機(jī)械密封的磨損特征以及磨損對(duì)密封件表面織構(gòu)的影響進(jìn)行分析。本文所選5 種不同性能的高分子材料, 分別為超高分子量聚乙烯（Ⅰ）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Ⅱ)、聚甲醛(Ⅲ)、聚己二酰己二胺( Ⅳ) 和聚醚醚酮( Ⅴ)，各材料硬度、密度以及彈性模量性能指標(biāo)見(jiàn)表1。這些材料在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，因性能差異問(wèn)題，所以致使與不銹鋼試件其磨損率和磨損面積均不相同。

表1 高分子材料物理特性Table 1 Physical properties of polymeric materials

2 高分子機(jī)械密封磨損特征

2.1 常見(jiàn)高分子機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)

高分子機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多樣，包含緊固件、防轉(zhuǎn)件、傳動(dòng)件、彈性元件、輔助密封以及斷面密封均屬其基本元件［3］。機(jī)械密封中端面貼合緊密程度需要借助動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的耐磨性和靈活性提升，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生縫隙及封面磨損更好的貼合；彈簧、膈膜以及波紋管則充分發(fā)揮自身的緩沖作用，并使其維持一定的彈性慣性，但彈性元件材料的選用多以耐腐蝕材料為主；傳動(dòng)環(huán)、傳動(dòng)座以及其他傳動(dòng)零件主要是給動(dòng)環(huán)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩；緊固件則保持動(dòng)環(huán)、靜環(huán)定位緊固的作用，并要求緊固件在重復(fù)利用和拆卸方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；防轉(zhuǎn)件則是為了防止動(dòng)環(huán)和靜環(huán)在運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)脫件現(xiàn)象，該件要求有一定的耐腐蝕性，且有足夠長(zhǎng)度。

2.2 高分子機(jī)械密封摩擦系數(shù)影響因子

摩擦系數(shù)是高分子機(jī)械密封中摩擦功耗和沖洗量的重要體現(xiàn)，也是計(jì)算熱變形和傳熱的主要參數(shù)，在機(jī)械密封磨損情況分析中占據(jù)主要位置。該摩擦系數(shù)與密封系數(shù)的結(jié)合共同構(gòu)建了摩擦學(xué)特征，即Strellebeck curve（斯屈列貝克曲線(xiàn)）［5-7］。機(jī)械密封的摩擦狀態(tài)通過(guò)使用該方法來(lái)進(jìn)行判斷，并以此來(lái)對(duì)系數(shù)較小的機(jī)械特性進(jìn)行估計(jì)。隨著時(shí)間推移，機(jī)械密封系數(shù)也會(huì)逐漸發(fā)生變化，其摩擦狀態(tài)與環(huán)境溫度、密封結(jié)構(gòu)以及壓力的大小均有直接關(guān)系。圖1 所示為影響高分子機(jī)械密封摩擦系數(shù)的因素。

圖1 摩擦系數(shù)的影響因素Fig. 1 The influence factors of the coefficient of friction

摩擦系數(shù)的變化會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，而系數(shù)降低的主要原因是機(jī)械實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中磨合所致［8-10］。在不同的摩擦狀態(tài)下，摩擦系數(shù)與荷載沒(méi)有直接關(guān)系，但周速的變化會(huì)使摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的升高的降低。而機(jī)械表面溫度因使用的高分子材料性能的不同，導(dǎo)致引起的摩擦系數(shù)存在一定差異。機(jī)械表面的波度、粗糙度對(duì)高分子材料摩擦系數(shù)有著很大的影響，其中組成摩擦副性能的材料在密封過(guò)程中不容忽視。高分子材料的粘稠度、重度都會(huì)對(duì)密封端面的摩擦力和摩擦狀態(tài)產(chǎn)生一定影響，除此以外，溫度及壓力因素對(duì)摩擦系數(shù)的影響也很大。

3 高分子機(jī)械密封磨損受表面織構(gòu)的影響

趙帥等（2015）［11］針對(duì)不同高分子材料與316 不銹鋼機(jī)械密封磨損特性及磨損對(duì)表面織構(gòu)的影響進(jìn)行分析，得到了表1 中不同高分子材料與不同參數(shù)織構(gòu)化316 不銹鋼在載荷280N、轉(zhuǎn)速200r/min、表面織構(gòu)凹坑直徑（100、200μm）、單位時(shí)間（12h）等條件下的磨損量（即磨損率）變化情況。

3.1 表面織構(gòu)磨損率分析

Ⅰ在凹坑直徑為100μm 時(shí)，經(jīng)表面織構(gòu)的引入引起了強(qiáng)烈的增磨作用，面積的增大連帶著磨損率的提升；若直徑為200μm，則磨損率為先減小后續(xù)增大趨勢(shì)。

Ⅱ和不同參與表面織構(gòu)化的不銹鋼磨損率，其磨損面積與凹坑直徑有一定聯(lián)系。假設(shè)凹坑直徑分別為200μm、100μm、受損面積為30% 和10% 左右時(shí)，通過(guò)30%面積率可凸顯其減磨效果。但是對(duì)于無(wú)織構(gòu)表面，當(dāng)凹坑直徑為100μm 時(shí)，該磨損率隨著面積的變大而升高；當(dāng)凹坑直徑設(shè)置為200μm 時(shí)，磨損率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

Ⅲ與Ⅰ、Ⅱ相比較，彈性模量偏高，硬度及密度無(wú)明顯差異，因彈性模量的增大，導(dǎo)致磨損率呈先降低后增高的現(xiàn)象。充分體現(xiàn)了不同參數(shù)表面織構(gòu)的引入不僅可以有效地降低磨損率，還凸顯了織構(gòu)表面的減磨效果，尤其是當(dāng)表面織構(gòu)面積率在30% 以?xún)?nèi)，減磨效果呈最佳狀態(tài)。同時(shí)，磨損率也有了一定程度的下降。

Ⅳ的彈性模量是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等高分子材料的2 ～3倍。由于不同參數(shù)織構(gòu)化不銹鋼磨損試驗(yàn)?zāi)p率不同，充分體現(xiàn)了磨損率降低與表面組織引入有直接關(guān)系。在凹坑直徑分別為100μm 和200μm 時(shí)，磨損率均出現(xiàn)先小后大的趨勢(shì)，而面積率也隨之升高。當(dāng)凹坑直徑為200μm、面積率為20%，此時(shí)不銹鋼磨損試件的減磨效果最優(yōu)。

Ⅴ與316 不銹鋼不同參數(shù)織構(gòu)化磨損試件表面織構(gòu)的減磨效果十分明顯，尤其是當(dāng)凹坑直徑為100μm、受損面積為10% 時(shí)，磨損率與無(wú)織構(gòu)試件相比下降明顯。

通過(guò)不同材料組成的摩擦副最優(yōu)減摩結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，高分子材料中彈性模量的增加，使表面織構(gòu)的減磨效果愈加明顯。性能不同的高分子材料組成的摩擦副其減磨效果存在一定差異，尤其是彈性模量最低的材料，與316 不銹鋼試件產(chǎn)生的摩擦副表面織構(gòu)磨損嚴(yán)重，磨損率也不斷上升。當(dāng)選用的高分子材料彈性模量升高時(shí)，不僅縮小了磨損面積，還使磨損率有了一定程度的下降，其減磨效果非常優(yōu)越。

3.2 高分子材料機(jī)械密封磨損受表面織構(gòu)影響結(jié)論

機(jī)械密封中磨損及摩擦系數(shù)的不斷增大，與表面織構(gòu)的引入有直接關(guān)系。在表面織構(gòu)參數(shù)相同環(huán)境下，高分子材料彈性模量會(huì)連帶磨損率的增大或減小。本文選用的316 不銹鋼試件帶有凹坑，通過(guò)對(duì)凹坑直徑及單元邊長(zhǎng)來(lái)控制表面織構(gòu)的面積。因金屬表面凹坑對(duì)光面試件產(chǎn)生的切削作用，會(huì)伴隨著摩擦副運(yùn)動(dòng)使摩擦系數(shù)不斷增大。

假設(shè)凹坑直徑分別為100μm 和200μm 時(shí)，面積率控制在10% ～40% 之間，此時(shí)彈性模量的增加促使凸起高度明顯減下。由于Ⅰ的彈性模量最小，Ⅴ彈性模量較大，因彈性模量差異凸顯，故在相同參數(shù)表面織構(gòu)下，不銹鋼試件凸起高度的差值相差值大概在20 倍左右。隨著凹坑直徑的不斷增加，致使凸起高度也隨著升高。當(dāng)彈性模量越小時(shí)，凹坑直徑與凸起高度存在密切聯(lián)系。

不銹鋼試件在摩擦過(guò)程中，表面織構(gòu)對(duì)于凸起變形會(huì)產(chǎn)生切削效應(yīng)，而切削則直接導(dǎo)致摩擦系數(shù)迅速上升，并產(chǎn)生摩擦熱。表面織構(gòu)熱度的變化會(huì)使高分子材料逐漸軟化，加劇試件凸起變形的程度。假設(shè)切削作用造成的摩擦作用大于表面織構(gòu)減摩時(shí)，此時(shí)摩擦率和摩擦系數(shù)的增加與整個(gè)表面織構(gòu)的整個(gè)摩擦過(guò)程有關(guān)。為了避免表面接觸變形和應(yīng)力集中引起的切削作用，需充分利用表面織構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)還要與摩擦副材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械密封在汽液混合狀態(tài)下，很容易揮發(fā)，導(dǎo)致密封工作處于不穩(wěn)定狀態(tài)，難以成膜。為了保證工業(yè)生產(chǎn)的延續(xù)性，促使機(jī)械密封在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行，故對(duì)表面織構(gòu)與高分子材料磨損特征進(jìn)行了分析。全文通過(guò)選用316 不銹鋼不同參數(shù)織構(gòu)化試件進(jìn)行測(cè)試，分析其減磨效果、磨損性，同時(shí)根據(jù)各種高分子材料與無(wú)織構(gòu)組合的摩擦副所產(chǎn)生的磨損率進(jìn)行比較。凸顯了表面織構(gòu)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能不利方面，會(huì)隨著材料彈性模量的增加微切削作用逐漸減弱。