載荷對金屬/織構化三元乙丙密封副摩擦學性能的影響

唐杰，齊凱，曾杰，李玉帥，曾祥瑞，魯鑫

（中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

往復動密封是一種關鍵的密封技術。三元乙丙（EPDM）密封件的作用機理是通過O 形圈自身的彈力擠壓和填充間隙達到密封效果[1-4]，其在航空航天領域應用廣泛[5-6]。動密封受桿的運動速度、液壓油的壓力和黏度等影響，極易磨損失效，從而發生泄漏，影響設備的正常使用，并可能造成事故的發生[7]。因此，揭示橡膠與金屬配偶件的摩擦磨損機理，并同時采取新技術和方法改善橡膠-金屬動密封副的摩擦學特性，具有重要意義。

目前，表面織構作為一種減少磨損的方法，被廣泛研究。表面織構的作用機制，包括良好的流體動壓潤滑效應，以及摩擦過程中容納磨屑達到減磨作用[8-12]。Chen P.等人[13]發現，三角形表面織構可以有效降低涂錫模具鋼基體表面的摩擦磨損。閆彩等人[14]發現，當表面織構占比為12%時，缸套的摩擦學性能達到最優。Xiao Yang[15]建立了機械密封熱彈流體動力潤滑模型，通過數值模擬研究了三角形織構的減磨機理，發現直角三角形織構排布的動壓潤滑性能優于等邊三角形織構。王新宇等人[16]發現，通過對織構表面占比和織構大小的優化，可以提升管道內壁金剛石涂層的摩擦學性能。王國榮等人[17]研究了不同形狀的凹槽織構對壓裂泵柱塞的動壓潤滑性能和減磨性能的影響。上述研究主要集中在硬材質的摩擦副中，相對于軟材料/硬材料的織構化研究較少。Zhang 等人[18]發現，表面織構應用在軟材料上，減磨效應更加明顯。趙帥等人[19]發現，織構對彈性模量較小的高分子材料會起到增磨作用，對彈性模量較大的材料才有減磨效果。王煥杰等人[20]發現，在軟材料和硬材料的摩擦副中，將織構布置在軟材料上時，摩擦性能最優。雖然這些研究都是關于表面織構在軟材料/硬材料上的應用，但對于織構化橡膠磨損機理的研究相對有限。

綜上所述，目前對于金屬/軟材料為對偶副的織構化研究，主要集中在對金屬表面進行織構處理，對橡膠材料表面織構化的磨損機理和摩擦特性的研究并不深入。特別是橡膠材料屬于完全無定型聚合物[21]，因其分子數量龐大，且排列沒有規律，所以與金屬和一般的聚合物相比，其摩擦學特性比較復雜，影響因素包括相對速度、載荷、潤滑介質、溫度場和力學性能等[22-25]。其中，載荷是橡膠密封副中的關鍵影響因素之一，目前對橡膠在不同載荷下的摩擦機理，尤其是對織構化動密封中橡膠/金屬密封副的磨損特性，研究不夠深入。為了提高航空液壓動密封的使用壽命，本研究對三元乙丙橡膠材料進行織構化制備，并與金屬材料組成摩擦副，進行摩擦實驗。運用表面形貌分析和三維形貌構建進行研究，探討織構化橡膠/金屬摩擦副的磨損機理和損傷機制，以及表面織構對三元乙丙材料在不同載荷下摩擦性能的影響。

1 實驗

1.1 試樣制備

基于劉思思等人[26]研究織構化活塞減磨特性的實驗方案，本次實驗采用球-面接觸摩擦副，上試樣選用直徑為10 mm 的GCr15 鋼球，下試樣選用三元乙丙橡膠材料，尺寸為φ20 mm×8 mm。兩種材料的性能參數見表1。

表1 兩種材料的性能參數Tab.1 Performance parameters of the two materials

首先對橡膠塊表面進行拋光和清洗，測得其粗糙度低于40 nm。利用臺式20 W 激光打標器在橡膠塊表面加工規則的凹坑陣列（如圖1a 所示）。設備參數：速度為200 mm/s，功率為75 W。織構參數為半徑200 μm 的圓形織構，相鄰織構間距為600 μm，織構深度為6 μm，如圖1b 所示。

圖1 織構試塊Fig.1 Surface texture of test block: a) texture processing map; b) texture parameters

1.2 實驗設計

本文采用UMT-2 摩擦磨損試驗機進行摩擦實驗，該磨損機由電機驅動帶動主軸進行往復摩擦。通常往復動密封的密封圈的壓縮率為10%～20%[27]，為研究在合理載荷和過載情況下織構對實驗的影響，設置本文的實驗參數：選取載荷為20、35、50、80 N（對應的橡膠壓縮率為13.0%、17.5%、19.2%、25.1%）[28]，往復運動幅值D=4 mm，頻率為50 Hz（0.3 m/s），室溫t=(30±2) ℃，相對濕度為40%，10 號航空液壓油潤滑，實驗時間為40 min。為保證實驗的準確性，每次實驗重復3 次。實驗結束后，對EPDM 試樣進行清洗、烘干，并采用過濾法收集磨屑。利用天平測量實驗前后橡膠試樣的質量，計算磨損質量，天平精度為0.1 mg。利用白光干涉三維表面輪廓儀對磨損表面進行粗糙度測量和三維形貌分析。對磨損試樣和磨屑試樣進行噴金處理，利用場發射掃描電子顯微鏡對磨痕和磨屑的微觀形貌進行觀測。

2 結果和討論

2.1 摩擦系數和磨損率分析

通過摩擦系數的對比（圖2）可以發現，隨著載荷的增加，無織構試樣的摩擦系數有緩慢下降的趨勢，而織構化橡膠試樣的摩擦系數呈現先減小、后增大的趨勢。雖然隨著載荷的增加，磨損量都有上升的趨勢，但在載荷增大的過程中，織構的引入會導致磨損速率加快。從圖2 還可以發現，在低于50 N 的載荷下，織構的引入有效地降低了橡膠試塊的摩擦系數與磨損量。在載荷為35 N 時，橡膠的減磨效果達到最佳，相比無織構表面，摩擦系數下降了24.2%，磨損量下降了33.4%。在橡膠壓縮率接近20%，甚至超過20%之后，織構的引入會加劇磨損。載荷在80 N時，其摩擦系數超出無織構試樣3 倍。具體分析摩擦過程曲線（如圖3 所示）可知，在80 N 載荷下，織構的摩擦過程中，摩擦系數呈現單調增加的狀態，并在實驗過程中波動極其不穩定，說明橡膠磨損過程中，試件表面粗糙度增加，進而導致摩擦系數持續升高，試樣表面已經受到了極大的磨損。反觀其他試樣的摩擦系數曲線，只有在實驗開始時，由于靜摩擦到動摩擦轉變，摩擦系數有微小波動，整體較為穩定，直到實驗結束。通過對摩擦系數的整體分析發現，在中低載荷下，織構的引入可以有效減小摩擦系數和磨損速率；但在高載荷下，織構的引入會使磨損量激增和摩擦系數持續增加。

圖2 不同載荷下有無織構EPDM/金屬球摩擦性能對比Fig.2 Comparison of friction performance of EPDM/metal ball with or without texture under different loads: a) wear comparison chart; b) friction coefficient comparison chart

圖3 不同載荷下有無織構EPDM/金屬球摩擦系數曲線Fig.3 Friction coefficient curves of EPDM/metal ball with or without texture under different loads: a) untextured; b) textured

2.2 磨損形貌分析

磨損試樣在電子顯微鏡下的表面微觀形貌如圖4所示。由圖4a 可知，在載荷為20 N 的條件下，橡膠表面無典型的磨痕與磨損花紋出現。在無織構橡膠表面出現了少量磨痕以及摩擦過程中液壓油對橡膠材料表面產生侵蝕而出現的局部腐蝕微坑，其磨損機理主要為腐蝕磨損。織構試樣表面無明顯磨痕，小凹坑明顯小于無織構橡膠上的腐蝕坑，且可以明顯看到織構里存在少量磨屑，降低了摩擦時的磨屑阻力，從而達到減磨效果。在載荷35 N 下，有無織構的橡膠試樣表面磨損形貌見圖4b，可以發現，載荷的加大，會導致橡膠表面的磨損加劇。在光滑試樣的表面出現了垂直于摩擦方向的裂紋，小微坑的范圍從局部上升到了整體，且出現了明顯的點蝕和片狀脫落，其磨損機理以粘著磨損為主，腐蝕磨損為輔。反觀織構橡膠表面，依然無明顯的磨痕，部分織構邊緣有少量磨損，出現局部的磨損小微坑，其主要磨損機理為腐蝕磨損和局部的粘著磨損。通過觀察織構內的磨屑發現，其儲量充滿整個凹坑，達到最佳，大大減小了摩擦過程中的阻力，其減磨效果達到了最佳。

在50 N 載荷下，無織構橡膠試樣表面出現了橡膠特有的花紋狀磨損痕跡，花紋整體比較平整且規則，如圖4c 所示。摩擦過程中，粘著的磨屑在摩擦副中充當了固體潤滑層的作用，在隨后摩擦過程中，排出實驗區域，達到摩擦的動態平衡。在織構區域的表面出現了明顯的磨損痕跡，發現了大范圍的裂紋，部分織構磨損嚴重，已分不清織構形貌，并出現了少量的條狀切削磨屑，其磨損機理為粘著磨損為主，伴有少量磨粒磨損。80 N 載荷下，橡膠的表面形貌如圖4d 所示，可以明顯看到，無織構橡膠表面的磨損相較于其他載荷條件下有了明顯的改善。從微觀的層面，可以看作載荷的增加使橡膠表面的微凸體與對偶副表面充分接觸，從而減小了應力集中的現象，對磨損有了一定的改善。反觀表面織構，其凹坑沿著垂直于滑動方向連成山脊狀凹槽，出現了互相隆起的平行條紋，發生了典型的微觀磨削現象，表面出現了大量的條狀物磨屑，磨損區域已無織構痕跡。通過分析，其磨損機理為典型的磨粒磨損。可以發現，在過載條件下，織構的存在反而導致橡膠表面磨損速率加劇，原因是織構產生明顯的應力集中，加快了表面裂紋的產生與擴展，從而加速了分層脫落與剝離。

圖4 不同載荷下EPDM 磨損表面微觀形貌圖Fig.4 Micro-morphologies of EPDM worn surface under different loads

磨損區域的三維形貌如圖5 所示。圖5a 為最優（壓縮率為13.0%）光滑表面的磨損三維形貌，其粗糙度為627 nm，圖5b 為最優（壓縮率為17.5%）織構表面的磨損三維形貌，其粗糙度為245 nm，圖5c為最差（壓縮率為25.1%）織構表面的磨損三維形貌，其粗糙度為1.12×104nm。通過對比正常工況下有無織構試樣的表面粗糙度，可以發現，織構化橡膠在正常工況的載荷下，磨損表面的粗糙度有效降低，表面更加平穩，摩擦特性也達到最佳，有實際應用的價值。但隨著載荷的增加，在過載工況下，織構化橡膠的摩擦性能逐漸變差。在80 N 載荷下，試樣出現了山脊狀的連環條紋，與其他試樣相比，出現了嚴重的切削磨損。因此，在過載工況下，織構化橡膠不適合實際應用。

圖5 EPDM 試樣表面三維形貌Fig.5 Three-dimensional surface morphology of EPDM samples: a) optimal non-textured sample; b) optimal texture sample; c)worst texture sample

2.3 磨屑形貌分析

磨損實驗中，各種磨屑的表面形貌如圖6 所示。圖6a 中為低載荷下（20、35 N）無織構表面大量出現的磨屑，通過觀察，其整體尺寸略小于其他磨屑，呈花生狀，表面較為圓滑，為典型的腐蝕磨損磨屑。原因為，在較低載荷下，摩擦主要發生在橡膠和液壓油之間，橡膠表面發生了氧化降解和分子鍵斷裂等化學反應，但磨損較為輕微。圖6b 為典型的片狀磨屑，此類磨屑大多在中高載荷（50、80 N）無織構橡膠塊的磨損表面收集得到的，說明出現了大范圍表面擦傷，摩擦副之間的微凸體由于摩擦熱而發生粘著現象，導致橡膠粘連被剝落。在壓縮率17.5%的織構橡膠磨損表面（圖6c），大多數為塊狀的磨屑，說明在合理的載荷下，織構可以減小連續的接觸面積，從而有效減少摩擦熱，進而改善粘著現象的發生。在過載壓縮率下（壓縮率為25.1%），織構化橡膠表面出現了大量的條狀磨屑（如圖6d 所示），其為典型磨粒磨損下的磨屑形貌。這說明在較大載荷下，織構邊緣出現的微峰與金屬摩擦時被劃傷，并產生脫落，導致橡膠表面產生了嚴重的磨損。

圖6 磨屑微觀形貌Fig.6 Microscopic image of wear debris: a) typical peanut shape; b) typical flake; c) typical block; d) typical strip

3 結論

1）隨著載荷的增加，無織構EPDM 的摩擦系數有微小的下降趨勢，織構化處理的EPDM 的摩擦系數先減小、后增大。載荷的增加都會導致兩種EPDM的磨損量增加，但織構EPDM 的增加速率較快。在壓縮率為17.5%時，織構試樣與金屬對偶副的摩擦性能達到最優；在25.1%的壓縮率下，織構的引入導致EPDM 的摩擦動力學特性大幅度下降。

2）無織構試樣在低載荷下主要以腐蝕磨損為主，高載荷下以粘著磨損為主。低載荷下，織構可以減小液壓油帶來的腐蝕磨損和大面積的粘著磨損，并可以儲存磨屑，達到潤滑減磨的效果。在壓縮率為17.5%時，儲屑性能最好，表面粗糙度最低。在高載荷下，EPDM 織構化后會產生應力集中，導致磨損過程中表面粗糙度大幅度增加，產生典型的磨粒磨損花紋，對摩擦表面造成極大損傷。

3）無織構試樣的磨屑類型主要為腐蝕磨損和粘著磨損產生的花生狀和片狀磨屑。織構試樣在低載荷下多為塊狀微小磨屑，高載荷下主要為條狀切削類磨屑，說明織構已被嚴重破壞，不能達到儲屑減磨的效果。