高分子材料機械密封磨損特征與表面織構影響分析

張澤月，羅俊波，楊 芳，孫 強，易顯富，戢曉珊

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

機械密封是指由至少一對垂直于旋轉軸線端面在流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合且相對滑動所構成的防止流體泄漏的裝置［1］。隨著現代材料科學的不斷發展，適用于機械密封設計、制造等環節的新型高分子材料越來越多。同時，新材料、新工藝、新技術的出現也為機械密封設計、加工、工作情況全壽命監控帶來了挑戰。為達到標準的密封效果，必須使密封斷面與彈性元件緊密貼合，并通過材料的選用滿足密封過程中良好的摩擦效果［2］。金屬材料與高分材料組成機械密封是現代比較常見的機械密封環境，但由于密封面的磨損導致位移的出現問題逐漸成為工業領域設備零件壽命縮短、可靠性不佳的重要誘因。為有效解決該問題，可通過流體靜、動使密封端面形成完成的流體膜，以此來降低磨損效果，減小摩擦，該密封方式利用表面織構化為密封端面提供了流體壓力，是推動流體膜形成的關鍵環節，也逐漸成為今后機械密封的主要發展方向。

1 機械密封常用材料

1.1 石墨

石墨具有耐腐蝕性強、自潤滑性優良、摩擦系數小以及耐熱沖擊性能好等優勢，同時石墨是一種極易加工的材料，在機械密封領域具有較高的天然優勢。然而，石墨機械強度低、存在空隙等劣勢需要進行浸漬和摻碳等方法進行優化。膨脹石墨切割墊片是當前石墨材料在機械密封領域應用最為廣泛的材料之一，該材料不含粘結劑和填充物，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度，被廣泛應用于低壓部位的密封，在防止石墨與法蘭之間出現電化腐蝕現象具有較高價值［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1500mm。

1.2 陶瓷

陶瓷的主要性能優勢，在于耐腐蝕性強、硬度高以及耐磨性好，劣勢則主要在于陶瓷本身脆性較大且加工難度較高。在機械密封領域應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性、機械強度和耐高溫性，多被應用于存在腐蝕性中介以及中低速的機械密封場合。氧化鋁陶瓷機械密封件莫氏硬度約9 左右；常溫耐壓強度不低于250MPa；常溫抗折強度不低于260MPa；最高使用溫度不低于1600℃。

1.3 高分子材料

高分子材料是當前機械密封零部件加工領域應用前景最為廣泛的材料之一，包括超高分子量聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚四氟乙烯等在內的高分子材料逐漸成為航空、航海領域機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，同時聚四氟乙烯加工支撐的機械密封器件具有高潤滑、電絕緣性好以及優良的抗老化能力，可廣泛適用于各種腐蝕介質機械密封場合。但其彈性劣于橡膠，易產生永久變形，缺點較為明顯。聚四氟乙烯機械密封件常使用溫度-240℃～260℃（短時可達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。

為提高工業領域密封部件的壽命和可靠性，學者們選用多種不同種類高分子材料，分別與相同金屬織構化材料組成摩擦副，用以對不同高分子材料機械密封的磨損特征以及磨損對密封件表面織構的影響進行分析。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見表1。這些材料在規定時間內，因性能差異問題，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 高分子機械密封磨損特征

2.1 常見高分子機械密封基本結構

高分子機械密封結構復雜、多樣，包含緊固件、防轉件、傳動件、彈性元件、輔助密封以及斷面密封均屬其基本元件［3］。機械密封中端面貼合緊密程度需要借助動環和靜環的耐磨性和靈活性提升，來實現對產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；傳動環、傳動座以及其他傳動零件主要是給動環傳動轉矩；緊固件則保持動環、靜環定位緊固的作用，并要求緊固件在重復利用和拆卸方面有獨特優勢；防轉件則是為了防止動環和靜環在運行時，出現脫件現象，該件要求有一定的耐腐蝕性，且有足夠長度。

2.2 高分子機械密封摩擦系數影響因子

摩擦系數是高分子機械密封中摩擦功耗和沖洗量的重要體現，也是計算熱變形和傳熱的主要參數，在機械密封磨損情況分析中占據主要位置。該摩擦系數與密封系數的結合共同構建了摩擦學特征，即Strellebeck curve（斯屈列貝克曲線）［5-7］。機械密封的摩擦狀態通過使用該方法來進行判斷，并以此來對系數較小的機械特性進行估計。隨著時間推移，機械密封系數也會逐漸發生變化，其摩擦狀態與環境溫度、密封結構以及壓力的大小均有直接關系。圖1 所示為影響高分子機械密封摩擦系數的因素。

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

摩擦系數的變化會隨著時間的變化而變化，而系數降低的主要原因是機械實際運轉中磨合所致［8-10］。在不同的摩擦狀態下，摩擦系數與荷載沒有直接關系，但周速的變化會使摩擦系數隨著轉速的升高的降低。而機械表面溫度因使用的高分子材料性能的不同，導致引起的摩擦系數存在一定差異。機械表面的波度、粗糙度對高分子材料摩擦系數有著很大的影響，其中組成摩擦副性能的材料在密封過程中不容忽視。高分子材料的粘稠度、重度都會對密封端面的摩擦力和摩擦狀態產生一定影響，除此以外，溫度及壓力因素對摩擦系數的影響也很大。

3 高分子機械密封磨損受表面織構的影響

趙帥等（2015）［11］針對不同高分子材料與316 不銹鋼機械密封磨損特性及磨損對表面織構的影響進行分析，得到了表1 中不同高分子材料與不同參數織構化316 不銹鋼在載荷280N、轉速200r/min、表面織構凹坑直徑（100、200μm）、單位時間（12h）等條件下的磨損量（即磨損率）變化情況。

3.1 表面織構磨損率分析

Ⅰ在凹坑直徑為100μm 時，經表面織構的引入引起了強烈的增磨作用，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增大趨勢。

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

Ⅲ與Ⅰ、Ⅱ相比較，彈性模量偏高，硬度及密度無明顯差異，因彈性模量的增大，導致磨損率呈先降低后增高的現象。充分體現了不同參數表面織構的引入不僅可以有效地降低磨損率，還凸顯了織構表面的減磨效果，尤其是當表面織構面積率在30% 以內，減磨效果呈最佳狀態。同時，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。由于不同參數織構化不銹鋼磨損試驗磨損率不同，充分體現了磨損率降低與表面組織引入有直接關系。在凹坑直徑分別為100μm 和200μm 時，磨損率均出現先小后大的趨勢，而面積率也隨之升高。當凹坑直徑為200μm、面積率為20%，此時不銹鋼磨損試件的減磨效果最優。

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

通過不同材料組成的摩擦副最優減摩結果進行對比可知，高分子材料中彈性模量的增加，使表面織構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 不銹鋼試件產生的摩擦副表面織構磨損嚴重，磨損率也不斷上升。當選用的高分子材料彈性模量升高時，不僅縮小了磨損面積，還使磨損率有了一定程度的下降，其減磨效果非常優越。

3.2 高分子材料機械密封磨損受表面織構影響結論

機械密封中磨損及摩擦系數的不斷增大，與表面織構的引入有直接關系。在表面織構參數相同環境下，高分子材料彈性模量會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，通過對凹坑直徑及單元邊長來控制表面織構的面積。因金屬表面凹坑對光面試件產生的切削作用，會伴隨著摩擦副運動使摩擦系數不斷增大。

假設凹坑直徑分別為100μm 和200μm 時，面積率控制在10% ～40% 之間，此時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，故在相同參數表面織構下，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。當彈性模量越小時，凹坑直徑與凸起高度存在密切聯系。

不銹鋼試件在摩擦過程中，表面織構對于凸起變形會產生切削效應，而切削則直接導致摩擦系數迅速上升，并產生摩擦熱。表面織構熱度的變化會使高分子材料逐漸軟化，加劇試件凸起變形的程度。假設切削作用造成的摩擦作用大于表面織構減摩時，此時摩擦率和摩擦系數的增加與整個表面織構的整個摩擦過程有關。為了避免表面接觸變形和應力集中引起的切削作用，需充分利用表面織構及參數優化，同時還要與摩擦副材料進行有機結合。

4 結語

在實際工業生產過程中，機械密封在汽液混合狀態下，很容易揮發，導致密封工作處于不穩定狀態，難以成膜。為了保證工業生產的延續性，促使機械密封在穩定狀態下進行，故對表面織構與高分子材料磨損特征進行了分析。全文通過選用316 不銹鋼不同參數織構化試件進行測試，分析其減磨效果、磨損性，同時根據各種高分子材料與無織構組合的摩擦副所產生的磨損率進行比較。凸顯了表面織構對摩擦副摩擦學性能不利方面，會隨著材料彈性模量的增加微切削作用逐漸減弱。