活門橡膠開裂、掉塊失效分析

周元彪 鄒陽 陳曉秀 吳恒壯 劉吉飛

摘要：某型飛機座艙蓋調試過程中出現下落故障，分解檢查發現座艙蓋操縱開關內的活門橡膠表面發生掉塊和裂紋。對活門橡膠的裂紋斷口和表面進行宏觀觀察、微觀觀察，并對斷口和表面進行能譜分析。結果表明：橡膠開裂的性質為疲勞開裂，起源于橡膠受擠壓位置的機械損傷；橡膠的開裂主要與其表面的金屬碎屑有關；橡膠中的添加劑ZnO的聚集在一定程度上降低了抗壓性能，加速了橡膠的擠壓開裂。

關鍵詞：活門橡膠；失效；開裂；疲勞；金屬碎屑；添加劑

Keywords：valve rubber；failure；cracking；fatigue；metal detritus；additive

0 引言

橡膠因具有高彈性和抗壓變性能，能有效阻止壓力介質泄露，多用于液壓系統靜、動密封[1]，在國防工業中應用廣泛。橡膠密封失效將造成能源、資源浪費，降低機械設備的作業能力，甚至有可能引起機械設備失效，造成機毀人亡的重大事故[2]。據統計，機械設備和武器裝備質量事故中1/3以上是由密封件失效引起的[3]。橡膠密封件常見的失效形式有機械損傷破壞、老化龜裂、化學浸蝕、局部燒蝕碳化等，失效形式和原因眾多。

某型飛機座艙蓋在調試過程中出現下落故障，分解檢查座艙蓋操縱開關發現內部的兩個活門橡膠中的一個表面出現開裂、掉塊，另一個表面發生掉塊。橡膠的材質為5180F丁腈橡膠，工作介質為15號航空液壓油，橡膠受零件內部閥口的擠壓力。本文對活門橡膠的表面、裂紋斷口進行宏觀、微觀觀察，并對表面、裂紋斷口進行能譜分析，在此基礎上確定活門橡膠的開裂、掉塊性質，以提出避免失效的解決措施。

1 宏觀檢查

將兩個活門橡膠編號為1#和2#，1#活門橡膠在壓痕位置出現一條裂紋，裂紋長度為3.72mm，如圖1所示。2#活門橡膠在壓痕位置出現3處損傷，將其編為1號、2號、3號，如圖2所示。

2 斷口形貌

1#活門橡膠的裂紋斷口整體形貌如圖3a）所示，裂紋深度約1.187mm，由表面向里擴展，源區位置可見明顯的機械損傷痕跡，如圖3b）所示。同時，裂紋斷口上可見明顯的疲勞弧線（見圖3c）），裂紋的開裂性質為疲勞開裂。

裂紋的匹配斷口形貌如圖4所示，源區位置同樣可見機械損傷痕跡，該斷口上的疲勞弧線特征不明顯。

源區的側表面形貌如圖5所示，可見尺寸約為200μm的損傷。

活門橡膠擠壓痕跡位置可見多處開裂，其中一處裂縫中夾雜著金屬碎屑，碎屑尺寸約為150～200μm，且不同位置的活門表面出現形狀相似的擠壓開裂，如圖6所示，同時活門橡膠表面可見大量的針狀添加劑。

2#活門橡膠標記位置的形貌如圖7～圖9所示，1號標記位置出現橡膠掉塊，其余2處為擠壓開裂，活門橡膠表面以及裂縫斷口上均可見大量的針狀添加劑。

3 能譜分析

分別對1#活門橡膠裂縫中的金屬碎屑顆粒以及活門橡膠表面的添加劑進行能譜分析，結果如表1所示，能譜分析位置如圖10所示。金屬碎屑中Fe和Cr元素含量較高，可知其為不銹鋼碎屑。針狀添加劑中Zn和O元素含量較高，可知其為ZnO添加劑。

4 分析與討論

1#活門橡膠裂紋斷口上可見明顯的疲勞弧線，開裂性質為疲勞開裂。1#活門橡膠表面與閥口接觸的位置可見一整圈明顯的擠壓痕跡，裂紋位于擠壓痕跡處，且從表面起源，向里擴展。裂紋的源區位置可見明顯的擠壓和機械損傷，附近的一處裂縫中夾雜金屬碎屑，碎屑的尺寸與裂紋源區位置的損傷尺寸相當。從源區損傷的形貌和尺寸綜合分析，推測裂紋源區的損傷是在手柄開合過程中因金屬碎屑擠壓造成。金屬碎屑壓入橡膠表面產生損傷，形成裂紋源，在反復開合手柄的過程中產生疲勞擴展。在擠壓痕跡的其他位置可見多處擠壓損傷，且部分擠壓損傷的形狀相似，推測可能是開合手柄時擠壓同種類型的金屬碎屑造成。

2#活門橡膠與閥口接觸位置同樣可見多處擠壓損傷，形貌與1#活門橡膠的擠壓損傷形貌類似，推測同樣是手柄在開合過程中擠壓外來顆粒物產生。

兩個活門橡膠的表面和裂縫中均可見大量的針狀物，能譜分析結果顯示針狀物的主要元素為C、Zn和O，可知其為橡膠中常用的添加劑ZnO；裂縫中的金屬顆粒含有大量的Fe和Cr，可知其為不銹鋼碎屑顆粒。ZnO通常作為補強劑和活性劑加入橡膠中，加入適量的ZnO能提高橡膠的強度，但加入過多僅能充當粗粒子填料的作用，反而會降低橡膠的強度。微觀觀察顯示兩個橡膠件出現大面積的ZnO聚集，ZnO聚集會降低活門橡膠的抗壓強度，從而導致橡膠接觸位置出現明顯的擠壓痕跡，加之活門表面存在不銹鋼碎屑，進一步加快了活門的擠壓開裂。

綜上，活門橡膠的開裂主要與其表面存在金屬碎屑有關，活門橡膠中ZnO的聚集也在一定程度上降低了抗壓強度，加速了活門的擠壓開裂。

5 結論及建議

1）活門橡膠開裂的性質為疲勞開裂，起源于閥口和橡膠擠壓位置的機械損傷處；

2）活門橡膠機械損傷處的開裂由不銹鋼金屬碎屑導致，活門橡膠中 ZnO添加劑的聚集也在一定程度上降低了抗壓強度，加速了故障件的擠壓開裂；

3）建議對橡膠的復煉過程進行嚴格控制，保證橡膠復煉過程無雜質異物混入；對橡膠進行充分混煉，保證橡膠經過復煉后內部的各種添加劑均勻分散；

4）提高油液固體污染度控制等級，減少油液內不同尺寸固體顆粒污染物的數量，降低橡膠被擠壓開裂、掉塊的風險。

參考文獻

[1] 張繼華，任靈.液壓系統橡膠密封件的失效典型案例分析[J].宇航材料工藝， 2009（4）：73-75.

[2] 侯學勤，范金娟.橡膠密封件的失效分析與橡膠斷口形態[J].世界橡膠工業， 2010，37（12）：33-37.

[3] 夏祥泰，王志宏，劉國光，孟永剛，雷興平，盧玉蛟.飛機起落架作動筒密封圈失效分析[J]. 失效分析與預防，2007，2（4）：35-39.