氟橡膠O型密封圈流痕成因及解決措施

焦 亮 王紅云 賈寶新

(1、陜西省特種密封技術工程研究中心,陜西 西安710100 2、航天科技集團第六研究院密封件制造工藝技術中心,陜西 西安710100 3、西安航天動力研究所,陜西 西安710100)

1 概述

O型密封圈是一種截面為圓形的橡膠密封產品，主要用于靜密封和往復運動密封。O型密封圈是液壓與氣壓傳動系統中使用最多的一種密封件，其在航天、航空、石化、汽車等領域有著廣泛的應用[1]。橡膠硫化是多種控制參數相互作用的過程，因而，在硫化過程中會由于某個或某些參數的變異而產生各種各樣的缺陷，如縮痕、粘模、流痕、氣泡等[2]。流痕因其主要影響制品的外觀質量，因而被劃分為橡膠制品的外觀缺陷。該缺陷使得制品表面的色澤、紋理與反光程度不一致而嚴重影響了制品的外觀質量，同時，流痕的出現也可能是因為制品內部結構或者微粒形狀大小由于冷卻收縮的不一致而形成的，因此，它的出現將有可能降低橡膠制品表面的機械性能，如強度、耐磨擦性能等，在要求高的制品中使用會存在失效的風險[3]。

參考GB3452.2 -2007《液壓氣動用O型橡膠密封圈 第2部分：外觀質量檢驗規范》[4]，流痕是線狀凹陷，一般呈卷曲狀，在不彎曲狀態下深度非常淺，表面有紋理，邊緣光滑，是由于材料流動或融合不良造成的，如圖1所示。

圖1 橡膠O型密封圈流痕

氟橡膠是主鏈或側鏈的碳原子上連有氟原子的高分子彈性體，氟原子的電負極性高，且其原子半徑小，因此能夠緊密地排列在碳原子周圍，賦予了氟橡膠耐高溫、耐天氣老化、耐光老化、耐臭氧老化、耐輻射，耐磨性好、耐油和耐一些特殊介質等性能[5]。由于分子結構氟原子的存在，使氟橡膠剛性大，流動性差，在密封件模壓過程中容易產生流痕，橡膠O型密封圈表面流痕的存在，可使其機械性能及密封能力下降，導致O型密封圈在閥、泵等產品使用中產生泄漏等安全事故。因此，解決氟橡膠流痕問題，對高效使用氟橡膠，發揮氟橡膠的優異性能意義重大[6]。

2 氟橡膠O型密封圈流痕成因分析

在常溫下氟橡膠處于高彈態，而當溫度升至熔融溫度時，則由高彈態轉入粘流態，材料變成了能流動的高粘度流體，在外力作用下，橡膠呈現流動狀態從而獲得流動性。正是高溫下流動性賦予橡膠加工所需的一系列加工特性，滿足模壓成型等加工方式的需要。從氟橡膠模壓過程，流動的情況分析，氟橡膠O型密封圈形成流痕的原因主要有以下幾個方面。

2.1 工藝方面

2.1.1 膠料出料不合理：氟橡膠在停放過程中容易結晶，如果在使用前未充分返煉，膠料流動性會較差，容易產生流痕。

2.1.2 在進行氟橡膠O型密封圈模壓硫化成型過程中，將混煉膠膠條通過兩頭搭接的方式盤繞放入模具型腔中，當在膠條停放中的搭接頭出現局部污染或者坯料重量偏少等原因時，膠條兩頭膠條搭接部位的相互融合性不好，往往會導致在搭接處遺留搭接痕跡，即產生流痕。

2.1.3 硫化工藝參數不合理：氟橡膠膠料硬度較高且流動性差，因此硫化壓力偏小時，也會產生膠料流動性下降的問題，從而導致流痕產生；此外，硫化溫度過低時，膠料門尼偏高，而硫化溫度過高，膠料焦燒時間就會縮短，操作安全性差，因此，不適宜硫化溫度、硫化壓力也是產生硫痕的原因。

2.2 材料配方方面

2.2.1 氟橡膠膠料配方不合理或混煉硫化加工異常，導致焦燒時間較短：如圖2所示，根據硫化歷程分析，可將硫化曲線分為四個階段（如圖2），即焦燒階段、熱硫化階段、平坦硫化階段、過硫化階段。從硫化曲線分析，如果焦燒時間過短、操作安全性差，或者硫化掌握焦燒階段（即掌握預熱時間）不合理，在膠料未充分流動的情況下，已進入熱硫化階段，開始硫化，就容易產生流痕。

圖2 硫化曲線圖[7]

2.2.2 氟橡膠生膠門尼粘度較高：較高門尼粘度的氟橡膠，賦予了其更好的機械性能，但選用門尼粘度較高的生膠時，膠料流動性差，膠料融合性較差，不適于模壓制品的生產。以F207為例，采用的生膠為FE2462，是國內較早的氟橡膠牌號，門尼粘度在70左右，門尼較高，因此生產中易產生流痕。

3 試驗及結果

由于航天型號產品在技術狀態控制方面的嚴格要求，目前氟橡膠用生膠牌號及其配方較難改變。因此，按照以上對氟橡膠O型密封圈流痕形成原因的分析，對現有氟橡膠O型圈的膠料預成型機壓制工藝進行改進試驗，措施如下：

3.1 增加膠料返煉次數，生產下料前，將氟橡膠膠料充分返煉，提高炭黑等填料在混煉膠中的分散性，改善混煉膠在硫化過程中的流動性。根據高洪娜[8]等人的研究表明，隨著返煉薄通次數的增加，混煉膠表現出“剪切變稀”效應，即在同一剪切速度下，薄通次數越多，剪切黏度越低，其原因是返煉薄通打破了填料的堆砌和團聚，改善了膠料的流動性。因此，在氟橡膠下料過程中，增加混煉膠返煉薄通次數，即在經過8～10遍的薄通返煉后出片。

3.2 優化了混料膠膠條出料方式，此前生產過程中采用切條的方式將混煉膠片裁剪成長條狀膠條，在壓制硫化前將膠條環繞在模具型腔內，優化后采用沖刀沖裁方式，將混料膠片制成環狀坯料，如圖3所示，膠條重量控制在零件凈重的1.3 ～1.5 倍左右，消除了因膠料流動性差導致在膠條搭接處流痕出現的幾率。

圖3 環狀坯料沖裁設備及環狀沖裁坯料

3.3 優化工藝過程控制：在硫化過程中，為防止膠料提前焦燒問題的出現，采取了提高膠料的裝料速度，控制合理的預熱及打壓排氣時間，提高膠料的加工性能。

3.4 提高硫化壓力，有利于膠料的流動及表面質量的保證，優化后提升了模具承壓壓強（≥20MPa），增大膠料流動性。

采取上述措施，進行了橡膠O型圈的壓制及檢驗，O型密封圈不合格品中，表面流痕的占比由改進前的75%～85%減少到10%～20%左右，其原因可能是由于提高采取增加返煉次數、提高裝料速度及打壓壓力，有效的增大了混料膠的流動性，而環形坯料的沖裁使其從纏繞膠條優化為整體坯料，避免了膠條搭接，通過工藝綜合控制可有效的較少流痕現象出現的幾率。

4 結論

通過對氟橡膠O型密封圈流痕成因的分析，找出了產生流痕的主要因素，并制定出增加膠料返煉次數，環狀沖裁坯料，縮短裝料時間及提高硫化壓力等多項有針對性的改進措施，通過試驗驗證，可有效減少氟橡膠O型密封圈流痕現象的產生。后續可將工藝及材料改進優化措施在多種氟橡膠零件生產中推廣，滿足氟橡膠零件生產的需求。