金 嶼 呂曉仁 張兆想 郭 飛

(1.沈陽工業(yè)大學機械工程學院 遼寧沈陽 110870；2.清華大學摩擦學國家重點實驗室 北京 100084；3.機械研究總院先進成形技術與裝備國家重點實驗室 北京 100044)

組合密封兼具高回彈性與優(yōu)異的減摩耐磨特性，擁有良好的靜態(tài)和動態(tài)密封效果，在各類液壓系統(tǒng)中廣泛應用[-2]。組合密封主要由彈性圈和耐磨圈兩部分組成，其中彈性體主要以橡膠等彈性較大的材料制成，對整個彈性圈起彈性支撐作用，耐磨圈則主要以填充聚四氟乙烯(PTFE)或增強聚酰胺等塑料制成，與被密封面直接接觸。對于組合密封，根據(jù)其運動行程的不同可劃分為4種狀態(tài)：第一種是完全靜止(靜密封)；第二種是完全黏滑，此時密封圈只發(fā)生剪切變形，沒有宏觀的相對滑動；第三種為部分滑動，此時部分密封圈產生宏觀的相對滑動，但仍有部分區(qū)域處于黏結狀態(tài)；第四種是密封圈產生完全滑動(往復密封)。第二種和第三種狀態(tài)很難界定，可看作是微動密封[3]，這種接觸面之間的相對位移非常低，大部分磨損碎片都會被困在接觸區(qū)界面之間[4]呈非常小的振蕩運動，將會導致裂紋在重復運動中形核和成長，致使微動磨損現(xiàn)象的發(fā)生，造成密封圈最終失效[5-6]。

由此可見，組合密封中的耐磨塑料圈必須有一定的耐磨能力來盡量避免微動磨損現(xiàn)象的發(fā)生。在密封圈相關材料的微動摩擦磨損研究方面，鄭金鵬[7]針對輔助密封圈與金屬接觸副間可能出現(xiàn)的復雜微動運行狀態(tài)進行了深入研究，并指出由于橡膠具有超彈性，當往復位移幅值達到毫米級時其仍然處于微動運行狀態(tài)，且得出了在不同微動運行區(qū)域內，其摩擦因數(shù)呈現(xiàn)的不同的變化規(guī)律；SHEN等[8]詳細討論了丁腈橡膠微動運行特性、摩擦因數(shù)和磨損機制隨位移幅值和載荷的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)磨損表面的黏層在微動磨損中起著重要作用，不同的微動運行狀態(tài)下會呈現(xiàn)出不同的損傷特性，且微動特性與位移幅值有很強的相關性；WANG等[9]對比研究了6種聚合物(UHMWPE、PTFE、酚醛、PHBA、PEEK和PI)在往復滑動和微動磨損條件下的摩擦磨損行為，并得出PTFE、UHMWPE、PHBA、PI、PEEK、酚類的微動磨損性能依次提高；WANG等[10]以碳纖維(CF)、石墨(Gr)、氟化石墨(CFx)、多壁碳納米管(MCNTs)和氧化石墨烯(GO)為填充材料，制備了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料并對復合材料的微動磨損性能進行了評價，結果表明，UHMWPE、UPE-10%Gr、UPE-1% MCNTs、UPE-10%CF、UPE-1% GO、UPE-10%CFx復合材料的耐磨性依次提高。然而，目前關于工程塑料及其復合材料的密封圈在微動狀態(tài)下的摩擦磨損情況的系統(tǒng)性研究還比較缺乏。

PTFE綜合性能良好，適用于各種苛刻場合的密封。然而由于純PTFE承載能力低、耐磨損性能較差且易“冷流”，單獨作為密封部件時極易產生泄漏進而造成密封失效，因此組合式密封件中所用PTFE通常為經有機或無機填料改性后的材料[11-16]。此外，在工程塑料及其復合材料中，超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮也具有良好的摩擦磨損性能[9-10]。為此，本文作者通過測試超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)以及填充銅粉、碳纖維和二硫化鉬的PTFE 5種高分子聚合物材料與QT500材料配副時的界面微動摩擦因數(shù)及磨損量變化規(guī)律，分析組合密封的密封組件的界面微動磨損特征；篩選出2種性能較優(yōu)的材料，觀察其在干摩擦和油潤滑2種條件下及不同微動行程的微動摩擦學特性，為液壓泵等會出現(xiàn)微動磨損的組合密封應用場合提供選材依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 材料與裝置

試驗所用的5種高分子聚合物材料為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PTFE+40%銅粉(Cu)、PTFE+7%碳纖維(CF)、PTFE+7%碳纖維(CF)+5%MoS2、聚醚醚酮(PEEK)。將5種材料分別加工成φ12 mm×12 mm的圓柱體，圓柱體為試驗的上試件，下試件為40 mm×40 mm×6.5 mm的長方體，材料為QT500。微動摩擦磨損試驗在UMT-Tribolab摩擦磨損試驗機進行。由于加工過程中留下的車刀痕跡等原因，在往復運動的過程中，耐磨圈與活塞桿等的接觸是由線接觸逐漸因為摩擦磨損而轉化成面接觸，為了探究材料在微動行程狀態(tài)下的最小摩擦因數(shù)，在裝配上下試件時，選擇將長方體的紋路與試驗機往復運動的方向一致。由此，試驗選擇采用如圖1所示圓柱側面與平板進行往復摩擦的方式，以達到與實際工程情況相符合的目的。

圖1 上下試件及運動示意Fig.1 Upper and lower specimens and motion schematic

1.2 試驗方法

結合UMT-Tribolab摩擦磨損試驗機的額定參數(shù)以及試驗目的一共設置了兩組試驗，試驗工況如表1所示。第一組試驗為5種材料的干摩擦試驗，總行程為10 800 mm，速度為0.01 m/s。第二組試驗為UHMWPE和7%碳纖維填充的PTFE 2種材料分別在干摩擦和油潤滑條件下的試驗，總微動行程為54 000 mm。油潤滑時采用的潤滑油為10W-40，采用每隔一段時間用滴管滴油的潤滑方式。

表1 試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters

試驗的摩擦因數(shù)由UMT-Tribolab摩擦磨損試驗機實時記錄得到，摩擦因數(shù)平均值是根據(jù)隨著循環(huán)次數(shù)摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定之后的摩擦因數(shù)曲線得到的。采用塞多利斯(Sartonus)電子分析天平(測量精度為0.1 mg)測量試樣質量，試驗前后試樣質量差即為高分子聚合物材料的磨損量。

2 結果與討論

2.1 干摩擦條件下摩擦磨損性能

2.1.1 摩擦因數(shù)

圖2示出了5種材料在相同載荷和總行程下的平均摩擦因數(shù)和摩擦因數(shù)曲線。可見，5種材料的摩擦因數(shù)都隨著頻率的增加、微動行程的減小逐漸減小。5種材料中，PTFE+7%CF和PTFE+7%CF+5%MoS2的摩擦因數(shù)在2種工況下較為接近，且摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的波動趨勢一致。PTFE+7%CF在2種試驗工況下摩擦因數(shù)均為最低。PTFE+40%Cu和UHMWPE摩擦因數(shù)較為接近，但PTFE+40%Cu在2種工況下的摩擦因數(shù)在平穩(wěn)之后會隨著循環(huán)次數(shù)的增加緩慢增加，而UHMWPE的摩擦因數(shù)在平穩(wěn)之后波動很小。

圖2 不同工況下5種材料平均摩擦因數(shù)和摩擦因數(shù)曲線Fig.2 Average friction coefficient and friction coefficient curves of five materials under different working conditions：(a)average friction coefficient；(b)friction coefficient curves(100 N，10 Hz，0.5 mm)；(c)friction coefficient curves(100 N，20 Hz，0.25 mm)

2.1.2 磨損量

圖3示出了在干摩擦條件下UHMWPE、PTFE+40%Cu、PTFE+7%CF、PTFE+7%CF+5%MoS2、PEEK 5種材料相同載荷和總行程下，在不同頻率和微動行程時的磨損量?？梢钥闯?，PTFE+40%Cu在不同頻率和微動行程下的磨損量均小于其他幾種材料；在總微動行程不變的情況下，PTFE+40%Cu和PTFE+7%CF 2種材料，在改變頻率和微動行程的情況下得到的磨損量規(guī)律相同，即磨損量都隨著頻率的增大和微動行程的減小而增大，但PTFE+40%銅粉受頻率和微動行程的影響明顯大于PTFE+7%碳纖維；而UHMWPE、PEEK和PTFE+7%CF+5%MoS2的磨損量都隨著頻率的增大以及微動行程的減小而減小，相比于PEEK，PTFE+7%CF+5%MoS2磨損量減小的幅度更大一些。

圖3 2種工況下5種材料的磨損量Fig.3 Wear mass loss of five materials under two working conditions

從摩擦因數(shù)方面來看，超高分子量聚乙烯材料和PTFE+7%碳纖維材料相比于5種材料較為優(yōu)異，而從磨損量方面來看，超高分子量聚乙烯材料、PTFE+40%銅粉以及PTFE+7%碳纖維材料的磨損量較小。綜合以上5種材料在第一組試驗的2種工況下的摩擦因數(shù)和磨損量，可以看出UHMWPE和PTFE+7%CF的微動磨損性能較為優(yōu)異，所以下文選擇這2種材料進行第二組試驗。

2.2 油潤滑和干摩擦條件下摩擦磨損性能

2.2.1 摩擦因數(shù)

圖4示出了UHMWPE和PTFE+7%CF分別在干摩擦和油潤滑2種條件下摩擦因數(shù)曲線。從圖4(a)中可以看出，UHMWPE無論是在干摩擦還是油潤滑條件下，材料的平均摩擦因數(shù)都隨著微動行程的增大而增大；在相同微動行程下，UHMWPE干摩擦條件下的摩擦因數(shù)要大于油潤滑條件下的摩擦因數(shù)。從圖4(b)中可以看出，無論是在干摩擦還是在油潤滑條件下，PTFE+7%CF的平均摩擦因數(shù)都隨著微動行程的增加而增加；在微動行程為0.1 mm時，干摩擦條件下的平均摩擦因數(shù)明顯大于油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)，而當微動行程為0.2、0.5 mm時，干摩擦條件下的平均摩擦因數(shù)小于油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)，可能是由于隨著微動行程的增大，從而導致速度的增大，潤滑油破壞了材料與金屬配副間由于摩擦磨損而形成的固體潤滑膜，并在整個微動往復的過程中持續(xù)破壞固體潤滑膜的形成，從而導致油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)大于干摩擦條件下的平均摩擦因數(shù)現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖4(c)所示為UHMWPE在干摩擦條件下摩擦因數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關系。可知，干摩擦條件下UHMWPE的摩擦因數(shù)很快就在一個固定的幅度范圍內波動。圖4(d)所示為UHMWPE在油潤滑條件下摩擦因數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關系?？梢钥闯?，在油潤滑條件下，在試驗開始時UHMWPE的摩擦因數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，然后逐漸趨于平穩(wěn)；而在平穩(wěn)階段UHMWPE的摩擦因數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增大而緩慢減小，其中微動行程為0.1 mm時這種變化規(guī)律更為明顯。圖4(e)所示為PTFE+7%CF在干摩擦條件下的摩擦因數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關系?？芍?，在干摩擦條件下在達到穩(wěn)定后，PTFE+7%CF的摩擦因數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加在一定范圍內波動。圖4(f)所示為PTFE+7%CF在油潤滑條件下摩擦因數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關系?？芍牧夏Σ烈驍?shù)在油潤滑條件下達到穩(wěn)定時的循環(huán)次數(shù)要比干摩擦條件下達到穩(wěn)定時的循環(huán)次數(shù)更少，并且穩(wěn)定后大多數(shù)情況下摩擦因數(shù)的波動幅度也要比干摩擦條件下的波動幅度小。

綜上，在干摩擦條件下，UHMWPE和PTFE+7%CF 2種材料的摩擦因數(shù)雖然都隨著微動行程的增加而增加，但PTFE+7%CF的摩擦因數(shù)隨微動行程增加的幅度明顯小于UHMWPE；微動行程大于0.2 mm時，PTFE+7%CF的摩擦因數(shù)要低于同種工況下UHMWPE的摩擦因數(shù)；在油潤滑條件下，PTFE+7%CF的摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化幅度更小，但其摩擦因數(shù)隨著微動行程的增加而增加的幅度要明顯大于UHMWPE，并且當微動行程小于等于0.2 mm時，PTFE+7%CF的摩擦因數(shù)明顯小于相同工況下UHMWPE的摩擦因數(shù)。

2.2.2 磨損量

圖5示出了干摩擦和油潤滑2種條件下UHMWPE、PTFE+7%CF 2種材料在不同微動行程下的磨損量?？梢钥闯觯谖有谐虨?.2 mm時，2種潤滑條件下UHMWPE的磨損量明顯高于其他2種微動行程下的磨損量。這是因為在微動行程為0.2 mm時UHMWPE材料表面與對摩副在微動往復的過程中磨屑不斷脫落，從而使得磨損量較大，并且由于材料表面的磨屑脫落后磨損表面逐漸光滑，對摩副之間形成固體潤滑膜，所以此時的摩擦因數(shù)也相對較小。此外，在同一微動行程下，干摩擦條件下材料的磨損量一般要高于油潤滑條件下材料的磨損量。而對于PTFE+7%CF，不同潤滑狀態(tài)下磨損變化規(guī)律不一致，且微動行程為0.5 mm時的磨損量明顯高于其他2種微動行程下的磨損量。之所以會出現(xiàn)這種情況，是因為，相比于微動行程為0.1和0.2 mm當微動行程為0.5 mm時，速度明顯增大。在施加載荷相同的情況下，速度的增大使得PTFE+7%碳纖維材料與對摩副之間形成的固體潤滑膜不斷被破壞，從而增大了材料的磨損。

圖5 干摩擦和油潤滑條件下UHMWPE和PTFE+7%CF不同微動行程下的磨損量Fig.5 Wear mass loss of UHMWPE and PTFE+7%CF at different fretting stroke under dry friction and oil lubrication：(a)wear mass loss of UHMWPE；(b)wear mass loss of PTFE+7%CF

總的來說，微動行程小于等于0.2 mm時建議選用PTFE+7%CF，微動行程大于0.2 mm時建議選用UHMWPE。

3 結論

為提高組合密封中塑料圈微動摩擦磨損特性，研究了5種高分子聚合物材料與QT500對摩的微動摩擦磨損性能。結論如下：

(1)綜合試驗一兩種工況條件下的磨損量和摩擦因數(shù)，UHMWPE、PTFE+40%Cu、PTFE+7%CF、PTFE+7%CF+5%MoS2、PEEK五種材料中，PTFE+7%CF的摩擦因數(shù)較低，且都低于0.1。從磨損量方面來看，UHMWPE材料、PTFE+40%Cu以及PTFE+7%CF材料的磨損量較小。

(2)對于UHMWPE，在干摩擦條件下，材料的平均摩擦因數(shù)隨著微動行程的增大而增大，在同一微動行程下，摩擦因數(shù)能夠在較少循環(huán)次數(shù)后趨于穩(wěn)定且穩(wěn)定后波動較?。挥蜐櫥瑮l件下，摩擦因數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢減小；2種潤滑條件下，微動行程為0.2 mm時的磨損量明顯高于其他2種微動行程下的磨損量。

(3)對于PTFE+7%CF材料，無論在干摩擦還是油潤滑條件下達到穩(wěn)定狀態(tài)時摩擦因數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的波動較小，并且在油潤滑條件下摩擦因數(shù)穩(wěn)定后，大多數(shù)情況下摩擦因數(shù)波動的幅度也要比在干摩擦條件下摩擦因數(shù)波動的幅度??；在2種潤滑條件下，微動行程為0.5 mm時的磨損量明顯高于其他2種微動行程下的磨損量 。

(4)對綜合摩擦因數(shù)與磨損的測試結果，微動行程小于等于0.2 mm時建議選用PTFE+7%碳纖維材料，微動行程大于0.2 mm時，建議選用超高分子量聚乙烯材料。