PTFE復(fù)合材料密封圈摩擦特性的對(duì)比研究*

葉素娟 黃 興 王文虎 郭 飛2 夏迎松3 李國(guó)一 譚 鋒

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，國(guó)家橡塑密封工程技術(shù)研究中心 廣東廣州 510700；2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084；3.安徽中鼎密封件股份有限公司 安徽宣城 242300)

密封過早失效已成為液壓系統(tǒng)無故障運(yùn)行的瓶頸，研究PTFE密封件失效機(jī)制，開發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命的密封件成為重要的課題。密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流體介質(zhì)特性、潤(rùn)滑狀況、工作參數(shù)、密封材料等影響液壓密封系統(tǒng)摩擦磨損性能。在潤(rùn)滑不佳條件下，密封材料的摩擦磨損性能對(duì)于整個(gè)液壓系統(tǒng)的可靠性至為關(guān)鍵。往復(fù)液壓密封系統(tǒng)常用PTFE密封件，液壓密封系統(tǒng)性能與PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能密切相關(guān)[1-3]。

PTFE密封圈作為往復(fù)密封的一種，是保障液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、防止流體泄漏和外部異物侵入的重要基礎(chǔ)部件。但PTFE材料耐磨損性能較差，需要進(jìn)行填充以改善其抗磨性能。目前市面上已有的PTFE復(fù)合材料主要為填充纖維類、填充石墨、銅粉等顆粒類的材料。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有測(cè)試多針對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，國(guó)外雖有相關(guān)PTFE密封臺(tái)架試驗(yàn)研究，但主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的報(bào)道[4-6]。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)PTFE密封試驗(yàn)臺(tái)架性能測(cè)試和驗(yàn)證方面較少有相關(guān)報(bào)道，缺乏實(shí)際密封產(chǎn)品的臺(tái)架試驗(yàn)。

此外，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的PTFE密封件，磨損是其失效的原因之一，PTFE密封件在實(shí)際運(yùn)作中的失效現(xiàn)象還有嚴(yán)重的擠壓變形問題[7-8]。因此，PTFE的蠕變現(xiàn)象帶來的尺寸變化也不能忽略，對(duì)于該問題國(guó)內(nèi)外研究較少，亟待探究。

研究密封系統(tǒng)的密封性能，難以用理論分析獲得，密封運(yùn)行過程中涉及壓力、溫度、潤(rùn)滑油膜等，難以通過材料基本力學(xué)性能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)密封性能。因此，為研究液壓密封系統(tǒng)密封性能規(guī)律，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)密封試驗(yàn)臺(tái)架是非常重要的。基于此，本文作者通過自搭建的往復(fù)密封試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)比分析了長(zhǎng)時(shí)間工況下，青銅/PTFE復(fù)合材料、含Cr2O3減磨劑的青銅/PTFE復(fù)合材料、碳粉/石墨/PTFE復(fù)合材料、碳纖/PTFE復(fù)合材料、玻纖/PTFE復(fù)合材料等5種填充PTFE復(fù)合材料制成的密封圈的摩擦磨損性能，測(cè)量了各密封圈表面溫升，分析各密封圈運(yùn)行后的蠕變情況和失效機(jī)制，優(yōu)選出性能優(yōu)異的復(fù)合PTFE材料，以期為高可靠長(zhǎng)壽命的PTFE往復(fù)密封圈選型與研制提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 PTFE復(fù)合材料

往復(fù)液壓油缸PTFE密封件的密封效果與結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料性能密切相關(guān)。本文作者在前期的研究中制備了含Cr2O3減磨劑的青銅/PTFE復(fù)合材料，與其他填充PTFE復(fù)合材料相比，具有較優(yōu)異的摩擦磨損性能[9]。為探討PTFE密封件失效機(jī)制及與復(fù)合材料的性能關(guān)系，研究青銅/PTFE復(fù)合材料、含Cr2O3減磨劑的青銅/PTFE復(fù)合材料、碳粉/石墨/PTFE復(fù)合材料、碳纖/PTFE復(fù)合材料、玻纖/PTFE復(fù)合材料等制成的密封件的密封性能。所選PTFE復(fù)合材料組成如表1所示。

表1中E6為文中制備的高耐磨青銅/PTFE復(fù)合材料，A6、B6、C6和D6為目前常用的PTFE密封件復(fù)合材料。

表1 PTFE復(fù)合材料密封件

Table 1 PTFE composites for seals%

DesignationPTFEFillerAnti-wear additiveA67525(CF)0B67525(GF)0C67523(C)2(Gr.)D67525(Bronze)0E67524(Bronze)1(Cr2O3)

1.2 PTFE密封件的制備

PTFE密封件制備的工藝流程為：PTFE復(fù)合材料樣品→按照?qǐng)D紙數(shù)控車床車削加工→尺寸和外觀檢測(cè)，得到PTFE密封件。如圖1所示。

圖1 往復(fù)液壓試驗(yàn)臺(tái)架的PTFE密封件

PTFE試樣是由其坯料車削加工而成的，因此材料的加工精度及光潔度是該環(huán)節(jié)所確定的。采用數(shù)控車床進(jìn)行車削加工，刀具采用高耐磨的材質(zhì)制定，參考光潔度Ra1.6 μm的要求加工。

1.3 往復(fù)液壓密封臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)往復(fù)液壓密封使用方式不同，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)架，如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)安裝有壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、測(cè)壓接頭、快速接頭等傳感器及附件，進(jìn)出油口采用快速接頭方便快速連接。

試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)：

測(cè)試壓力：0～35 MPa；

往復(fù)行程：最大400 mm；

往復(fù)速度：0～0.5 m/s；

活塞桿：φ100 mm，表面鍍硬鉻，表面粗糙度Ra0.2～0.4；

潤(rùn)滑介質(zhì)：抗磨液壓油HM46；

活塞桿溫度：測(cè)試過程中待活塞桿溫度平衡后，用測(cè)溫儀測(cè)量活塞桿上的最高溫度。

圖2 往復(fù)密封試驗(yàn)臺(tái)示意圖

2 結(jié)果與討論

液壓密封的摩擦力對(duì)液壓系統(tǒng)十分重要，影響著機(jī)械設(shè)備的效率和功能。摩擦力大意味著更高的能耗，而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的溫升過高，造成材料力學(xué)性能下降。圖3所示為PTFE密封圈摩擦力隨往復(fù)液壓油缸運(yùn)動(dòng)行程的變化曲線，可以看到，5種復(fù)合材料密封圈的摩擦力時(shí)變曲線具有相似的先增大后減小的變化趨勢(shì)，前期的跑合階段，微凸峰被磨損，接觸面增大，摩擦力不斷上升；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，隨著熱量的積聚，密封件處于高溫時(shí)間不斷增長(zhǎng)，力學(xué)性能下降，表面材料抗剪切性能降低。當(dāng)然，對(duì)于中后期密封件表面摩擦力的降低而言，長(zhǎng)期受熱運(yùn)行中密封件彈性模量下降、熱膨脹導(dǎo)致的對(duì)摩副接觸面積增多，與密封界面不斷被磨損造成的接觸面減少、潤(rùn)滑區(qū)增多的相互競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制也不能忽略。

已有研究表明，對(duì)于軸向運(yùn)行的往復(fù)密封而言，其運(yùn)行過程處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，密封界面的摩擦力包括流體剪切摩擦力與微凸峰接觸摩擦力兩項(xiàng)，因此，對(duì)于5種填充類復(fù)合PTFE密封圈而言，其密封界面摩擦力必然受到所填充填料類型影響。具體來講，在5種PTFE復(fù)合材料密封件中，有潤(rùn)滑作用的碳粉/石墨填充的PTFE材料所制的密封件摩擦力最低，且較為平穩(wěn)，其穩(wěn)定摩擦力保持在550 N左右。其次是含有減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復(fù)合材料密封件，穩(wěn)定時(shí)摩擦力約為600 N。對(duì)比穩(wěn)定摩擦力約為820 N的不含Cr2O3的青銅/PTFE密封件可知，減磨劑Cr2O3可有效地降低PTFE密封件的摩擦力，與未添加減磨劑Cr2O3的PTFE密封件相比，摩擦力可降低約26.8%。而碳纖維、玻璃纖維等纖維類填充PTFE密封件在幾種復(fù)合材料密封件中摩擦力最大，往復(fù)滑行20 km后，摩擦力才達(dá)到較為平穩(wěn)的階段。這可能是因?yàn)樘畛涞睦w維材料破壞了PTFE的層狀剝落機(jī)制，表面材料的剪切強(qiáng)度更高，摩擦力較大；此外，所填充纖維類材料對(duì)活塞桿表面的研磨作用也需考慮。

圖3 PTFE密封件摩擦力隨行程的變化

總體而言，PTFE密封件的摩擦力能保持在較低穩(wěn)定值，這與彈性體密封件有重要區(qū)別，一方面，PTFE材料彈性模量高，滯后(變形)摩擦力較小；另一方面，PTFE類材料需要燒結(jié)成型和機(jī)械加工，材料內(nèi)部存在的微觀孔隙能貯存潤(rùn)滑介質(zhì)，有利于保持穩(wěn)定的低摩擦力。

圖4所示為PTFE復(fù)合材料密封件的溫度隨行程的變化曲線。可以看到，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的前期，隨摩擦力的不斷增大，因PTFE類聚合物材料導(dǎo)熱系數(shù)低、散熱系數(shù)小，造成摩擦生熱的不斷積聚，密封圈的溫度不斷升高，直至與整個(gè)液壓系統(tǒng)達(dá)到產(chǎn)熱、散熱平衡時(shí)，各PTFE密封圈表面溫度趨于穩(wěn)定。對(duì)比圖3和圖4可以看出，摩擦力大的材料達(dá)到熱平衡時(shí)其表面溫度不一定高，因?yàn)樽罱K的表面溫升不僅與產(chǎn)熱(摩擦力的大小)有關(guān)，還與密封圈散熱(材料導(dǎo)熱系數(shù))有密切關(guān)系。就碳纖維與玻璃纖維填充的PTFE密封圈而言，雖然碳纖維填充的PTFE密封圈摩擦力比玻璃纖維的要大，但其表面溫升卻比玻璃纖維的低，這可能是由于碳纖維的導(dǎo)熱系數(shù)要比玻璃纖維高，因此該材料制成的密封圈散熱能力更強(qiáng)，從而達(dá)到溫度平衡時(shí)的表面溫度會(huì)更低。

圖4 PTFE密封件的溫度隨運(yùn)動(dòng)行程的變化

一般來講，磨損是造成密封失效的重要原因，但PTFE類材料長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)常伴有蠕變現(xiàn)象發(fā)生，兩者應(yīng)分開考慮。因此，各PTFE密封圈摩擦試驗(yàn)后，測(cè)量其總徑向高度損失可定為磨損與蠕變總損失，為了區(qū)別磨損損失和蠕變損失，將臺(tái)架試驗(yàn)后的PTFE密封件樣品重新放入燒結(jié)爐進(jìn)行熱處理，經(jīng)過熱處理后密封圈徑向尺寸會(huì)發(fā)生一定的變化，回復(fù)的徑向高度可認(rèn)為是該材料最低蠕變值。相關(guān)結(jié)果如圖5所示。前文提到，填充纖維可以提高表面的抗剪切強(qiáng)度，因此纖維類填充PTFE密封圈抗磨損性能較好，但其抗蠕變性能卻較差，這可能是因?yàn)镻TFE基體內(nèi)纖維的取向與其載荷方向不同所致；而碳粉/石墨和青銅粉在PTFE中作為剛性粒子存在，能有效阻礙限制PTFE分子的黏性流動(dòng)，從而該類復(fù)合材料密封圈蠕變量較小。另外，摩擦溫升增加PTFE分子熱運(yùn)動(dòng)程度，也會(huì)對(duì)幾種密封圈的蠕變量造成一定影響[10]。就耐磨損性能而言，碳粉/石墨改性的PTFE方形密封件，材料的耐磨損性能最差。含減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復(fù)合材料密封件的磨損值較少，總損失高度也較低，進(jìn)一步證明減磨劑Cr2O3能有效提高青銅/PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能，延長(zhǎng)使用壽命。

圖5 PTFE復(fù)合材料密封件的磨損與蠕變損失

圖6所示為PTFE復(fù)合材料階梯形密封件試驗(yàn)后的SEM照片。

圖6 PTFE復(fù)合材料密封件試驗(yàn)后的SEM照片

PTFE密封件在未經(jīng)過往復(fù)液壓臺(tái)架測(cè)試前，均是燒結(jié)后毛坯進(jìn)行車削加工的，采取相同的進(jìn)刀和加工方式，保證其表面粗糙度的一致性。C6為碳粉/石墨填充的PTFE復(fù)合材料密封件，可看出其磨損表面呈現(xiàn)為層狀剝落的磨損現(xiàn)象。這是由于當(dāng)PTFE受到外力作用時(shí)，分子間容易滑移，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。A6、B6分別為碳纖、玻纖改性的PTFE階梯形密封件，從其磨損表面依然清晰可見纖維被摩擦拔出的痕跡，留下纖維拔除后的凹坑，從PTFE基體中拔出的纖維，成為磨粒，在界面參與摩擦，使得磨損加劇[9]。脫落的填料顆粒，在壓力的作用下進(jìn)入PTFE復(fù)合材料基體，產(chǎn)生壓痕，使得接觸表面劃傷PTFE復(fù)合材料基體，從而留下凹痕。D6磨損表面存在一些較深的磨痕，存在較為劇烈磨損現(xiàn)象。含減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復(fù)合材料密封件E6表面較為光滑，只有輕微的磨損。根據(jù)磨損表面SEM照片的分析可知，PTFE密封件表面有較多的磨痕，說明密封件在工作過程中并未形成完整的油膜，油膜厚度不均勻和存在油膜貧乏區(qū)域引起的。PTFE密封件表面熔融的現(xiàn)象，表明工作產(chǎn)生的摩擦熱對(duì)PTFE復(fù)合材料有較大影響。

泄漏是由于PTFE密封件接觸高度損失引起，損失的高度是由磨損和蠕變引起。PTFE復(fù)合材料的磨損改變密封件與密封端面的接觸，改變表面的粗糙度，從而影響摩擦力、溫度和泄漏。從表2可知，含Cr2O3的青銅/PTFE方形密封件的泄漏最少，比未含Cr2O3的青銅/PTFE方形密封件泄漏減少了80%。Cr2O3有利于形成黏結(jié)強(qiáng)度高的轉(zhuǎn)移膜，在混合潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)能保持油膜的均勻，有利于降低摩擦力和磨損量，保證PTFE復(fù)合材料方形密封件與密封面的緊密配合，防止泄漏。碳粉/石墨填充PTFE方形密封件的泄漏量最大，往復(fù)30萬次時(shí)，泄漏達(dá)到300 mL。碳粉/石墨改性的PTFE復(fù)合材料在油液潤(rùn)滑狀況下難以保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，潤(rùn)滑介質(zhì)容易帶走結(jié)合強(qiáng)度較差的轉(zhuǎn)移膜，從而引起轉(zhuǎn)移膜二次磨損，導(dǎo)致磨損加劇，從而引起泄漏增大。往復(fù)30萬次時(shí)，填充碳纖的PTFE方形密封件泄漏量為200 mL。纖維容易損傷配合面，改變表面粗糙度，加劇PTFE復(fù)合材料的磨損，從而引起泄漏增大。

PTFE復(fù)合材料密封件的填充材料直接作用密封面，影響活塞表面形貌，改變表面的粗糙度，影響PTFE復(fù)合材料的磨損。與活塞桿PTFE階梯形密封件相比，PTFE方形環(huán)的泄漏量較低，該密封結(jié)構(gòu)在接觸時(shí)密封面積較大，具有較好的密封性能。

表2 PTFE密封件往復(fù)臺(tái)架試驗(yàn)后的泄漏量

圖7所示為PTFE密封件接觸磨損分析示意圖。可知：無接觸狀態(tài)時(shí)PTFE無變形；往復(fù)液壓PTFE密封工作時(shí)，受到壓力、流體等影響，PTFE主要體現(xiàn)磨損和蠕變變形，導(dǎo)致密封尺寸變化和密封件厚度減少，從而導(dǎo)致泄漏失效。PTFE復(fù)合材料密封件的摩擦磨損與填充材料相關(guān)，填料的種類及其與基體的結(jié)合形式影響著轉(zhuǎn)移膜的形成和穩(wěn)定[11]。PTFE復(fù)合材料密封件在工作時(shí)，由于壓縮蠕變和磨損的影響，使得PTFE密封件的尺寸發(fā)生變化，變成厚薄不均勻的形狀，油壓力分布不一，產(chǎn)生泄漏。

圖7 PTFE密封件接觸磨損分析示意圖

PTFE復(fù)合材料密封件的磨損形式有黏著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱，增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的黏著磨損；同時(shí)，摩擦熱使得PTFE基體軟化，分子鏈容易滑移剝落，填料粒子也容易脫落，形成磨屑，成為磨粒參與摩擦磨損；在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)壓力、溫度的作用下，PTFE容易出現(xiàn)以塑性變形為表觀現(xiàn)象的疲勞磨損形式。摩擦熱使得工作環(huán)境溫度上升，進(jìn)一步增大PTFE復(fù)合材料的壓縮蠕變[12]，影響配合尺寸。

填料能影響PTFE密封件的磨損形式和蠕變程度。若填料能有效增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料，受到壓力作用時(shí)，可承擔(dān)載荷的作用，提高抗蠕變性能。受到摩擦副作用時(shí)，抵抗摩擦副金屬峰的刨削，促進(jìn)形成均勻穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，避免轉(zhuǎn)移膜二次磨損，形成PTFE復(fù)合材料-PTFE復(fù)合材料的對(duì)磨形式，有效保護(hù)基體和保證配合間隙。

3 結(jié)論

(1)含Cr2O3的青銅/PTFE復(fù)合材料密封件在工作過程中保持較低的摩擦力和溫度，密封件擠壓變形值和泄漏量最少，表現(xiàn)出優(yōu)異的密封性能。

(2)PTFE密封件泄漏與PTFE復(fù)合材料的性能密切相關(guān)。當(dāng)PTFE復(fù)合材料具有良好的摩擦磨損性能、對(duì)摩擦副損傷小、低壓縮蠕變量、材料力學(xué)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)移膜強(qiáng)度高時(shí)，可避免摩擦副的損傷造成的再次磨損，PTFE密封件才能保證較低的泄漏量。含減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復(fù)合材料具有良好的抗蠕變和摩擦磨損性能，促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成和穩(wěn)定，有力的保證PTFE密封件的接觸和配合，泄漏較少(往復(fù)30萬次泄漏為10 mL)；碳纖、玻纖填充的PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能較好，但是容易損傷摩擦副，且抗蠕變性能差，難以保證PTFE階梯形密封件的配合，泄漏較多；碳粉/石墨填充的PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)較低，但在油液潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，材料的力學(xué)和轉(zhuǎn)移膜強(qiáng)度不高，磨損損失較高，引起的高度損失偏多，因此泄漏量較大。

(3)往復(fù)液壓油缸密封臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確、快速和客觀反映出PTFE密封件實(shí)際應(yīng)用時(shí)的密封性能。通過PTFE密封件臺(tái)架試驗(yàn)并結(jié)合PTFE復(fù)合材料的性能，可研究PTFE密封件的失效機(jī)制，加強(qiáng)PTFE密封件摩擦性能和密封機(jī)制的研究，進(jìn)而提高PTFE密封件的可靠性。PTFE復(fù)合材料密封件失效是由于材料蠕變變形和磨損損失，引起尺寸變化，影響配合精度，從而導(dǎo)致泄漏增大。