沈明學(xué),李 波,李圣鑫,趙火平1,,熊光耀1,*

（1.華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點實驗室,江西 南昌 330013;2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031;3.華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌 330013）

聚四氟乙烯(PTFE)憑借其優(yōu)異的耐寬溫性、耐油性、耐腐蝕性以及化學(xué)穩(wěn)定性,在空天科學(xué)、礦物開采及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2].此外,因其分子間作用力低,促使分子層易產(chǎn)生滑移,在摩擦體系中展現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)和自潤滑效果,成為備受青睞的摩擦學(xué)材料[3-4],在液壓、氣動密封以及機(jī)械輔助密封中占據(jù)重要地位[5].

近年來,高低溫、高壓真空、高速重載等極端服役工況對摩擦學(xué)材料的應(yīng)用可靠性和服役壽限發(fā)起了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[6-7].PTFE 耐磨性能的下降直接導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備早期失效和泄漏,因此其應(yīng)用范圍有一定的局限性[8].為防止PTFE 材料過度磨損損耗以及提升其耐磨等方面性能,以微納米顆粒或纖維為填料的PTFE 復(fù)合材料得到了廣泛的研究和應(yīng)用[4,8-9].此外,密封從業(yè)者們還考察了影響PTFE密封服役壽命的客觀因素,如滑動速度[10-17]、對偶件表面粗糙度[16]、接觸載荷[11,18-20]等.值得一提的是,極端服役環(huán)境下關(guān)鍵零部件的磨粒磨損失效所造成的經(jīng)濟(jì)損失受到了摩擦學(xué)研究者的關(guān)注[21-22].研究指出,“顆粒尺寸效應(yīng)”是兩體或三體磨損的一個重要特征[23-24],且大尺寸磨粒相較小尺寸磨粒的進(jìn)攻性更強(qiáng),對材料的剪除和犁削作用更為顯著[25].此外,高接觸壓力下的磨粒在摩擦過程中傾向于破碎,磨粒對摩擦副進(jìn)行二次損傷,破碎小顆粒的滾動損傷行為尤為突出[23-28].在高壓高熱的深井鉆探過程中,鉆削巖體產(chǎn)生的巖屑同潤滑液、鉆削液等混合介質(zhì)一同參與摩擦,外部磨粒污染物入侵和密封介質(zhì)泄漏導(dǎo)致的裝置更換問題頻發(fā).然而,就顆粒尺寸大小對潤滑工況下摩擦副的影響仍存在不少爭議.有研究報道稱,顆粒本身就可以改善界面潤滑效果[29-30].Persson 等[29]指出,當(dāng)顆粒進(jìn)入潤滑介質(zhì)時,混合液黏度升高,摩擦界面的潤滑效果得到改善.Heshmat[30]也報道稱,硬質(zhì)顆粒可以作為載油載體,其性能與潤滑膜相似.因此,關(guān)于橡塑磨粒磨損失效行為及機(jī)理的研究亟待進(jìn)一步深入.

此外,目前對油脂類潤滑劑受沙塵顆粒污染的橡塑磨粒磨損和潤滑狀態(tài)下顆粒形性對密封界面摩擦學(xué)行為的研究較少,罕有討論顆粒尺寸與密封界面潤滑狀態(tài)的影響規(guī)律和關(guān)系.因此,本文研究了油潤滑狀態(tài)下顆粒尺寸對軟硬摩擦副界面摩擦學(xué)行為的影響,探討了不同顆粒尺寸因素下界面潤滑狀態(tài)以及對應(yīng)運(yùn)行階段的顆粒運(yùn)動特性和損傷失效機(jī)制,以期為極端服役工況下橡塑密封材料的設(shè)計提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試樣制備

基于油潤滑條件,選用耐溶脹性能優(yōu)異的聚四氟乙烯(上磨副)與AISI 316L 不銹鋼(下磨副)組成軟硬摩擦副作為研究對象,摩擦副材料分別購于上海道冠橡塑五金有限公司以及上海寶山鋼鐵股份有限公司.為更加真實地模擬套筒類密封部件的運(yùn)動模式,采用銷/平面接觸進(jìn)行銷盤摩擦學(xué)試驗.試驗前將PTFE 圓柱裁切為適配夾具的規(guī)格尺寸(長15 mm×線徑6 mm),再將不銹鋼對偶件加工成直徑約100 mm、厚度約5 mm的圓盤.利用砂紙或磨床將摩擦副接觸面打磨、拋光至表面粗糙度Sa小于0.020 μm,再經(jīng)過超聲洗滌和冷風(fēng)干燥,最后放置真空干燥箱中預(yù)存24 h.PTFE/316L 摩擦副材料的主要物理性能見表1.

遴選5 種不同尺寸的白剛玉顆粒(主要成分為Al2O3)作為磨粒,試驗所用磨粒由河南中科天地環(huán)境科技有限公司提供.圖1為不同尺寸Al2O3顆粒的微觀形貌和粒徑分布.其中90%的顆粒位于樣本標(biāo)準(zhǔn)粒度范圍(d±20%)內(nèi),混料介質(zhì)中顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定為2.0%.結(jié)合橡塑密封件常用潤滑劑選取標(biāo)準(zhǔn),以二甲基硅油為潤滑介質(zhì)(由美國道康寧公司生產(chǎn)).為滿足摩擦間隙能夠形成足夠的潤滑油膜厚度,試驗選取了10-3m2·s-1的油品黏度.

1.2 試驗方法

摩擦學(xué)試驗均在圖2 所示的立式銷盤摩擦磨損測試儀上進(jìn)行,配以特定的銷形金屬夾具、均勻磨粒懸浮液供給裝置以及外圍循環(huán)水冷裝置.試驗時,上試樣(PTFE 銷柱)保持靜止,而下試樣不銹鋼盤在驅(qū)動電機(jī)的帶動下作周期性回轉(zhuǎn)運(yùn)動.此外,由混料裝置泵送的顆粒懸浮液以1.5 L·min-1的恒定進(jìn)料速率補(bǔ)給至摩擦副前側(cè),采集模塊的二維力傳感器實時偵測摩擦過程中的法向力Fz、各取向的剪應(yīng)力Fx、Fy,通過計算單元輸出既定的摩擦力Ft和摩擦系數(shù)μ.

圖2 油潤滑磨蝕氛圍下摩擦學(xué)試驗裝置

試驗施加法相載荷Fn為20 N,換算成對應(yīng)的赫茲接觸應(yīng)力PH為1.583 MPa,接觸滑軌半徑Dr為40 mm,回轉(zhuǎn)運(yùn)動頻率f為8 Hz(對應(yīng)轉(zhuǎn)速為480 r·min-1),滑動循環(huán)周期T為25 min,即總摩擦循環(huán)周次N為12 000 次.富油潤滑環(huán)境下,油品的物理性能對溫度較為敏感,采用水冷循環(huán)系統(tǒng)控制試驗環(huán)境溫度保持相對恒定,即試驗腔體內(nèi)懸浮介質(zhì)的溫度T約為(25±0.3)℃.為確保測試結(jié)果的可重復(fù)性和可靠性,需要在相同條件下重復(fù)摩擦學(xué)試驗5 次以上.

1.3 磨損的表征與分析

通過掃描電子顯微鏡(SEM SU8010 HITACHI日本)觀察顆粒的尺寸形貌以及接觸副的磨痕表面形貌;利用X 射線能量色譜儀(EDS X-flash 6160 Bruker 美國)檢測摩擦表面的化學(xué)元素組分和分布;使用三維光學(xué)輪廓儀(Zygo ZeGage Pro HR 美國)獲取磨損輪廓的三維形貌參數(shù)Sa、Sq、Sz,檢查磨痕表面的線性粗糙度和二維橫截輪廓.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)時變特性分析

圖3為油潤滑態(tài)下不同顆粒尺寸對應(yīng)的摩擦系數(shù)時變曲線.由圖3 可以看到,油潤滑工況下不同顆粒尺寸對摩擦系數(shù)時變特性有顯著影響.事實上,對于純油潤滑環(huán)境下聚合物及其復(fù)合材料的摩擦學(xué)機(jī)理,學(xué)者們已經(jīng)開展了較為系統(tǒng)的研究.其摩擦系數(shù)時變曲線的平穩(wěn)特性主要得益于摩擦副(PTFE/316L 不銹鋼)接觸界面在油潤滑下可形成一定厚度的連續(xù)潤滑油膜[31];同時,由于界面油膜的存在,摩擦副直接接觸的概率大大下降,摩擦阻力來源由原軟硬摩副間的直接接觸轉(zhuǎn)變?yōu)闈櫥湍ち黧w分子之間的內(nèi)摩擦,所反映的摩擦切應(yīng)力具有一定的分布梯度,因此平穩(wěn)的時變曲線呈現(xiàn)出緊密的波動特征[32].

對于170 目顆粒環(huán)境而言,時變曲線在整個摩擦周期維持著動態(tài)平穩(wěn)的演變特性,但是處于磨蝕環(huán)境,其摩擦系數(shù)明顯高于無顆粒環(huán)境,約為0.26.值得一提的是,動態(tài)穩(wěn)定的摩擦系數(shù)會出現(xiàn)隨機(jī)的突升或下降,時變曲線出現(xiàn)明顯的“波紋狀(Wavelike)”特征(圖3(a)).相似地,這種摩擦系數(shù)的波動演變也出現(xiàn)在250 目顆粒環(huán)境下,演變頻次愈發(fā)緊密且貫穿整個摩擦系數(shù)循環(huán)周期.然而,該顆粒環(huán)境下摩擦早期所出現(xiàn)的摩擦系數(shù)快速下降,再逐漸爬升,最后進(jìn)入動態(tài)穩(wěn)定的分化趨勢更為顯著(圖3(b)和(c)).由圖3(c)可以看到,對比250目和500 目,在較小顆粒尺寸下摩擦系數(shù)時變曲線爬升階段所持續(xù)的循環(huán)周期更少(顆粒粒度為250目時摩擦系數(shù)爬升過程持續(xù)了2 000 次摩擦循環(huán),而500 目粒度環(huán)境約1 250 次摩擦循環(huán)).

圖3 不同顆粒尺寸在油潤滑工況下摩擦系數(shù) 隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律

此外,小顆粒尺寸(1 000 目和5 000 目)環(huán)境下的摩擦系數(shù)相對較小,明顯低于無顆粒環(huán)境,且其摩擦系數(shù)時變曲線的穩(wěn)定性相比其他工況更好.再者,時變曲線出現(xiàn)了微小的緊密波動特征,摩擦系數(shù)值也十分接近,維持在0.07 左右(圖3(d)和(e)).

綜上所述,當(dāng)油潤滑介質(zhì)中存在硬質(zhì)顆粒時,摩擦副的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的演變規(guī)律.值得注意的是,這些演變規(guī)律很大程度上與顆粒臨界尺寸和潤滑油膜厚度相關(guān).對于油潤滑工況下的軟硬接觸問題,可基于雷諾方程的大量實驗和模型,采用回歸分析手段建立中心膜厚he,c(單位m)、最小膜厚he,min(單位m)與關(guān)鍵操作參數(shù)(速度、外加載荷、介質(zhì)黏度和材料性能)的經(jīng)驗關(guān)系[33].對于低彈性模量材料,現(xiàn)有的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)極為稀缺,其中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬Hamrock 等[34]關(guān)于柔性接觸提出的彈性流體潤滑(EHL)分析方程,其公式為:

式中:k為橢圓參數(shù),在點或橢圓接觸情況下數(shù)值接近于1;分別是無量綱速度和載荷參數(shù),其定義公式為:

式中:u為接觸介質(zhì)的霧沫夾帶速度,m·s-1;w為外施加載荷,N;η為潤滑介質(zhì)的動態(tài)黏度,Pa·s;Rx′為霧沫夾帶方向上的當(dāng)量半徑,m;E′為接觸副材料的當(dāng)量彈性模量,Pa;其公式為:

式中:rA、rB、EA、EB、vA、vB分別表示接觸副材料在霧沫夾帶方向上的曲率半徑,m;楊氏模量,Pa;泊松比.

再者,將純油潤滑工況的各操作參數(shù)迭代入式(1)～(6),計算出理論純油潤滑的最小油膜厚度h約為9.271 2 μm,中心膜厚約為16.415 6 μm.

因此,依據(jù)摩擦系數(shù)時變特性的演變規(guī)律,結(jié)合油品環(huán)境的潤滑油膜理論,計算出以純油潤滑工況的中心膜厚約16.415 6 μm 作為顆粒臨界尺寸,并將磨損劃分為顆粒臨界尺寸之上、近顆粒臨界尺寸以及顆粒臨界尺寸之下3 類,顆粒臨界尺寸前后摩擦副的摩擦學(xué)行為呈現(xiàn)顯著差異.下文結(jié)合磨損形貌進(jìn)行詳細(xì)討論.

2.2 損傷機(jī)理分析

2.2.1 純油潤滑環(huán)境

圖4為純油潤滑條件下PTFE/316L 不銹鋼摩擦副的磨損表面形貌SEM 顯微圖像,PTFE 磨損表面幾乎未磨損,僅見預(yù)處理階段殘留的加工條紋和撕裂痕跡;配副金屬磨損表面也相對光滑,除機(jī)加工痕跡外無明顯被磨損特征(圖4(b)).事實上,這種類似于未磨損形貌主要得益于硅油介質(zhì)優(yōu)異的潤滑減摩性能.在摩擦副滑動過程中,接觸界面形成的連續(xù)性潤滑油膜優(yōu)先承受載荷壓力的影響,阻止了配副雙方直接接觸,避免了不銹鋼表面的微凸體犁削PTFE 軟質(zhì)基體.由于潤滑油膜的存在,摩擦表面剪切應(yīng)力大大降低,從而有效規(guī)避了類似干滑動過程中PTFE 軟基質(zhì)的大片撕裂、脫落和材料轉(zhuǎn)移等損傷的形成[35].此外,干式高速滑動下的軟硬摩擦副界面會因為摩擦熱積聚無法有效擴(kuò)散,致使PTFE 接觸面升溫軟化,嚴(yán)重情況下發(fā)生材料蠕變[36-37].值得一提的是,循環(huán)的潤滑介質(zhì)可以將摩擦熱轉(zhuǎn)移出接觸區(qū)域,阻止了PTFE 黏著磨損或疲勞磨損的發(fā)生.因此,摩擦副界面在潤滑油膜的作用下維持著“PTFE-潤滑油膜-316L”構(gòu)成的穩(wěn)定流體動力潤滑狀態(tài),表現(xiàn)出較低且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)值.

圖4 純油潤滑環(huán)境下摩擦副磨損表面SEM 顯微圖像

2.2.2 臨界尺寸以上的摩擦

圖5為170 目顆粒污染在油潤滑環(huán)境下316L磨損表面形貌和磨痕邊緣的Al 元素分布云圖.配副金屬的磨痕邊緣兩側(cè)分布著沿滑動方向較深的切削犁溝,而配副金屬的磨痕中心相對光滑,僅有少量細(xì)小犁溝,如圖5(a)所示.

圖5 油潤滑態(tài)170 目顆粒環(huán)境下316L 磨損表面SEM 顯微圖像和Al 元素分布云圖

事實上,對于170 目(d≈89 μm)顆粒工況而言,其顆粒尺寸遠(yuǎn)大于密封界面在滑動初始形成的油膜厚度,因此顆粒難以進(jìn)駐密封界面.值得注意的是,這類顆粒在高速滑動過程中會逐漸堆積在摩擦副接觸區(qū)域的邊緣,即顆粒首先在PTFE 磨損表面邊緣嵌入(圖6(d)).這些作用于接觸副邊緣的顆粒顯現(xiàn)明顯的“顆粒尺寸效應(yīng)”,對配副金屬的接觸邊緣造成了嚴(yán)重的損傷,配副金屬的磨痕邊緣留下隨機(jī)分布且特征明顯的“顆粒沖擊鑿坑”[38-39](圖5(b)和(c)),其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損.顆粒犁削作用下的配副金屬表面單個切削犁溝的最大寬度約為10 μm(圖5(a)III).

此外,從圖6(b)Al 元素分布云圖可看出,PTFE磨痕的中心散布著零散的白剛玉顆粒,但這些顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于接觸邊緣嵌入顆粒的粒度(邊緣嵌入顆粒d≈90 μm,中心散布顆粒d≈20 μm).這可能是由于部分邊緣嵌入磨粒顆粒在犁削配副金屬時被折斷、碾碎[28],這些衍生小顆粒在油潤滑介質(zhì)的挾帶下逐漸向磨痕中心入侵;更重要的是顆粒強(qiáng)度的崩潰和破碎顆粒的滑移效果造成了剪應(yīng)力的波動,導(dǎo)致時變曲線呈現(xiàn)出“波紋狀”特征(圖3(a)).

圖6 油潤滑態(tài)170 目顆粒環(huán)境下PTFE 磨損表面SEM 顯微圖像與Al 和O 元素分布云圖

需要指出的是,在滑動摩擦初期,少量硬質(zhì)磨粒進(jìn)駐至摩擦副的接觸邊緣,隔開了摩擦組元間的直接接觸,摩擦副由PTFE/316L 兩體磨損轉(zhuǎn)變?yōu)椤癙TFE-顆粒-316L”的三體磨損,造成瞬時的真實接觸面積下降,因此時變曲線出現(xiàn)早期的下降;隨后顆粒物的一系列運(yùn)動行為,包括逐漸嵌入、聚集或堆積到接觸邊緣區(qū)域,并犁削不銹鋼金屬表面,摩擦副相對滑動的阻力慢慢增加,時變曲線進(jìn)入爬升階段;之后在顆粒參與下的磨損體系處于一種動態(tài)平衡,摩擦系數(shù)趨于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡階段(圖3(a)中170 目工況下時變曲線).

2.2.3 近臨界尺寸的摩擦

當(dāng)顆粒粒度減小至250 目或500目時,PTFE 磨損表面呈現(xiàn)出有別于上述顆粒(臨界尺寸以上的摩擦工況)的分布特征(圖7).

圖7 油潤滑態(tài)500 目顆粒環(huán)境下PTFE 磨損表面SEM 顯微圖像和Al 元素分布云圖

從圖7 可以看到,PTFE 磨損邊緣依舊有顆粒分布,但不同于170 目顆粒工況下顆粒物的運(yùn)動行為,顆粒數(shù)目明顯增加且呈略顯散漫狀分布,磨損表面邊緣的嵌入顆粒由單個的“釘扎”逐漸演變?yōu)轭w粒聚集性嵌入的“顆粒帶”,再拓展到分布性較好的“顆粒群”(圖7(a)和(b)),Al 元素的富集區(qū)域與磨損表面的顆粒嵌入?yún)^(qū)均一一對應(yīng).值得注意的是,這種顆粒群的廣泛分布加劇了對配副金屬的切削和材料去除,因此在金屬的磨痕邊緣區(qū)域出現(xiàn)了被瘋狂切削留下的較寬的損傷溝槽帶(寬度約大于500 μm),如圖8(a)所示.這種顆粒作用下的特殊現(xiàn)象被稱為“砂輪效應(yīng)”[38,40-41].

上述現(xiàn)象表明,PTFE 接觸邊緣的Al2O3顆粒,隨著顆粒尺寸的減小,主要的顆粒行為由單個磨粒釘扎、嵌入,再轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒聚集性嵌入行為.同時,由于顆粒粒度的減小,接觸邊緣區(qū)域的部分顆粒逐漸向PTFE的磨痕中心遷移,在磨痕中心留下典型的犁溝形貌(圖8(b)),但此時顆粒粒度仍大于實際的油膜厚度,磨痕中心未出現(xiàn)明顯的顆粒分布特征(圖7(c)和(d)),因此顆粒尚未貫穿整個摩擦副密封界面.

圖8 油潤滑態(tài)500 目顆粒環(huán)境下316L 磨痕三維輪廓

2.2.4 臨界尺寸以下的摩擦

當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)一步減小至約9 μm 以下,即1 000 目和5 000 目顆粒環(huán)境,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出極低的數(shù)值且時變曲線在整個摩擦階段十分穩(wěn)定,這一演變現(xiàn)象表明可能是在顆粒影響下磨損表面的損傷機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)變.

圖9為油潤滑小尺寸顆粒環(huán)境下PTFE 磨損區(qū)域接觸中心的SEM 形貌和Al 元素分布云圖,從圖9 可以看到,PTFE 磨痕中心表面沿著滑動方向布滿了似顆粒物的微凸體.進(jìn)一步EDS 偵測分析發(fā)現(xiàn),磨損表面的Al 元素原子占比明顯增加,Al 元素的分布較為密集且均勻(圖9(b)),表明均勻分布的微凸點實際上是潤滑油介質(zhì)中的小尺寸顆粒物.

圖9 油潤滑態(tài)小尺寸顆粒環(huán)境下PTFE 磨損表面 SEM 顯微圖像和Al 元素分布云圖

此外,對于顆粒尺寸小于約2.6 μm(即5 000目顆粒環(huán)境)工況下,PTFE 磨損表面同樣布滿了小尺寸的顆粒物,預(yù)磨處理的加工條紋仍清晰可辨.但不同的是,EDS 偵測顯示其磨痕中心的Al 元素偏向成團(tuán)分布且不均勻,這可能是因為小尺寸顆粒擁有更大比表面積和表面結(jié)合能,在該黏度(10-3m2·s-1)的油品中愈發(fā)容易團(tuán)聚.

圖10 示出了油潤滑5 000 目顆粒環(huán)境下316L磨痕表面三維輪廓形貌.對比圖5 和圖8可以看到,小尺寸顆粒環(huán)境下配副金屬3D 輪廓表面相對光滑、犁溝較淺,且磨損表面具有部分突起的波峰和許多微觀的毛刺,可以認(rèn)定在小尺寸顆粒環(huán)境下?lián)p傷行為發(fā)生了轉(zhuǎn)變.不同于一般邊緣嵌入顆粒的犁削和沖擊作用,潤滑介質(zhì)中的小硬質(zhì)顆粒對配副金屬起到了“微拋光”的效果[42-43],因此磨損表面的面粗糙度較小,即Sa≈0.020 μm.

圖10 油潤滑態(tài)5 000 目顆粒環(huán)境下316L 磨痕邊緣及 中心的三維表面輪廓

由此表明,小尺寸顆粒環(huán)境下摩擦副的損傷機(jī)制與上述顆粒環(huán)境截然不同.綜上分析可作如下推測:由于此時顆粒尺寸較小,僅數(shù)個微米,顆粒物的尺寸接近甚至小于潤滑油膜的厚度.因此,在相對滑動過程中,這些小顆粒因自身顆粒形性的原因未能獲得足夠的“抓地力”,使得顆粒物能相對自由地穿過潤滑油膜和接觸界面,甚至加工條紋的間隙為尺寸更小的顆粒提供了流動通道.此時,由于潤滑介質(zhì)中小尺寸顆粒的存在,介質(zhì)黏度增加,進(jìn)而大大提高了潤滑油膜的承載能力,使得摩擦副進(jìn)入流體動力潤滑態(tài),這也是小尺寸顆粒環(huán)境下摩擦系數(shù)表現(xiàn)出極低數(shù)值的主要原因.

此外,小顆粒和油潤滑介質(zhì)組成的磨粒流在相對滑動過程中不斷沖蝕摩擦副表面,于是316L磨損表面呈現(xiàn)出有別于上述顆粒環(huán)境下的損傷形貌.值得一提的是,小尺寸顆粒環(huán)境在摩擦初期,界面內(nèi)部的自由顆粒進(jìn)出已經(jīng)達(dá)到了動態(tài)平衡,經(jīng)短暫摩擦周次后顆粒已經(jīng)布滿了整個磨損區(qū)域,因此摩擦系數(shù)時變曲線呈現(xiàn)十分穩(wěn)定的演變趨勢.小尺寸顆粒環(huán)境下的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為“PTFE-顆粒-316L”三體磨粒磨損和磨粒流作用下的沖蝕磨損.

2.3 磨痕參數(shù)與平均摩擦系數(shù)分析

圖11為隨著顆粒尺寸的增加,摩擦副的平均摩擦系數(shù)和配副金屬磨損表面粗糙度以及磨痕輪廓最大深度的演變特征.

圖11 油潤滑態(tài)下平均摩擦系數(shù)與316L 磨損表面粗糙度以及最大磨痕深度隨顆粒尺寸的演變規(guī)律

從圖11 可以看到,油潤滑條件下隨著顆粒尺寸的增加,平均摩擦系數(shù)表現(xiàn)出先下降后逐漸增加的趨勢.在顆粒尺寸較大環(huán)境下的平均摩擦系數(shù)和磨損表面粗糙度呈現(xiàn)較大的數(shù)值,表明顆粒尺寸對PTFE/316L 軟硬密封副的摩擦學(xué)特性的影響具有明顯的“顆粒尺寸效應(yīng)”,而且當(dāng)油潤滑態(tài)中顆粒尺寸小于9 μm,即1 000 和5 000 目時,磨蝕條件下的摩擦系數(shù)達(dá)到了極小值,約0.070,平均摩擦系數(shù)值遠(yuǎn)低于無顆粒條件,這可能歸因于當(dāng)潤滑介質(zhì)中小尺寸顆粒參與摩擦?xí)r,顆粒尺寸接近或者小于界面油膜厚度,顆粒自由進(jìn)出原界面潤滑體系并在界面內(nèi)充當(dāng)?shù)谌凉L動體,摩擦副由“PTFE-油膜-316L”構(gòu)成的流體動力潤滑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒參與磨損的“PTFE-磨粒流-316L”多體磨損狀態(tài),小尺寸顆粒在接觸界面進(jìn)出動態(tài)平衡和滑移效果營造了極低的平均摩擦系數(shù).此外,對316L不銹鋼磨損表面粗糙度和最大磨損深度分析發(fā)現(xiàn),它們隨顆粒尺寸的增加也呈現(xiàn)相似的演變規(guī)律,即先下降后逐漸增加.研究結(jié)果與課題組先前對水潤滑條件下橡膠三體磨粒磨損所呈現(xiàn)的結(jié)果差異顯著[38,44].

2.4 磨損失效機(jī)理討論

當(dāng)PTFE 在油潤滑磨蝕條件下摩擦316L 不銹鋼表面時,摩擦副磨損表面形貌表現(xiàn)出差異明顯的損傷特征.圖12為上述結(jié)果中典型的磨損機(jī)制原理圖.

圖12 油潤滑態(tài)不同顆粒尺寸環(huán)境下摩擦副的 典型磨損機(jī)制示意圖

(1)純油潤滑工況下,相對滑動的摩擦副間可穩(wěn)定形成具有一定厚度的連續(xù)性潤滑油膜,使得界面處于流體動力潤滑狀態(tài),油膜優(yōu)先承受了外加載荷的擠壓,隔開了摩擦副材料間的相互接觸.因此,接觸界面大部分區(qū)域未出現(xiàn)明顯損傷,摩擦副間的摩擦磨損形貌與無磨損狀態(tài)相似.對于顆粒臨界尺寸以上的磨蝕條件而言,此時顆粒尺寸大于界面油膜的厚度,顆粒難以進(jìn)入磨痕中心,界面處于邊界潤滑狀態(tài).但在接觸區(qū)域的邊緣,單個顆?？梢杂行У厍度氩⑦M(jìn)行微切割,導(dǎo)致接觸區(qū)域兩側(cè)形成切削溝壑,部分原始磨粒被折斷、碾碎形成小的滾動體.

(2)對于近顆粒臨界尺寸的磨蝕條件而言,隨著顆粒尺寸的減小,接觸區(qū)域邊緣的自由顆粒會牢固地嵌入到PTFE 基體中,積聚并逐漸成為“顆粒群”,形成三體“PTFE-顆粒-316L”磨損狀態(tài),從而產(chǎn)生“砂輪效應(yīng)”,瘋狂切削配副金屬表面.

(3)對于小于顆粒臨近尺寸的磨蝕條件而言,由于顆粒尺寸小于或接近油膜厚度,許多顆粒在滑動初始階段就進(jìn)入了摩擦界面,摩擦副界面處于流體動力潤滑狀態(tài).同樣,因其粒徑較小而無法牢固嵌入到PTFE 中,只能充當(dāng)自由的第三體與潤滑介質(zhì)組成“磨粒流”產(chǎn)生沖蝕作用.

3 結(jié)論

以PTFE/316L 軟硬密封副為研究對象,開展了油潤滑條件下磨粒磨損試驗,考察了顆粒尺寸對密封副界面的潤滑狀態(tài)以及摩擦學(xué)行為的影響.主要結(jié)論如下:

(1)純油潤滑工況下,硅油可形成潤滑油膜隔開密封接觸,并使摩擦副處于流體動力潤滑狀態(tài),摩擦副材料幾乎未磨損,大大提高了密封副的服役壽命.

(2)以純油潤滑工況下的界面油膜中心膜厚為顆粒臨界尺寸,在顆粒臨界尺寸之上時,完整的顆粒僅釘扎入PTFE 磨痕邊緣而未能穿越密封界面,部分被碾碎的顆?？蛇M(jìn)入接觸區(qū)中心;隨著顆粒尺寸的減小或近臨界尺寸時,單個嵌入顆粒演變?yōu)槎逊e性“顆粒群”,對配副金屬瘋狂地犁削,表現(xiàn)出明顯的“砂輪效應(yīng)”;在顆粒臨界尺寸之下時,磨粒粒度小于潤滑油膜厚度,摩擦副進(jìn)入流體動力潤滑狀態(tài),但是摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于純油潤滑環(huán)境,顆粒在潤滑介質(zhì)的攜帶下在密封界面內(nèi)不斷沖蝕配副金屬,形成一種特殊的“PTFE-顆粒-316L”三體滾動磨損.