船舶艉軸機械密封材料摩擦磨損性能研究?

臧紅雙 白秀琴 梁興鑫 郭智威 袁成清

（1.武漢理工大學交通與物流工程學院 湖北武漢 430063；2.水路交通控制全國重點實驗室（武漢理工大學） 湖北武漢 430063；3.武漢理工大學船海與能源動力工程學院 湖北武漢 430063）

艉軸密封裝置是船舶推進系統的重要組成部分，其密封性能直接關系船舶航行的安全與可靠［1］。機械密封具有摩擦耗能低，對軸磨損小，密封性能好，可靠性高等優點，被越來越多地應用于船舶艉軸密封裝置中［2］。從減摩耐磨方面考慮，機械密封端面配副材料一般選擇硬環密封材料和軟環密封材料組合［3］。隨著船舶向高速化、大型化方向發展，機械密封配副材料所經受的轉速及密封介質壓力也越來越大，導致端面摩擦熱增加，磨損加劇，其中軟環密封材料的摩擦損壞更為嚴重，嚴重影響機械密封的使用壽命［4］。因此，探究高速、重載的苛刻工況下船用艉軸機械密封軟環材料摩擦磨損性能的變化規律具有重要意義。

近年來，許多學者都對艉軸機械密封軟環材料的摩擦磨損性能進行了研究。ZHANG 等［5］對比了非浸漬石墨與浸酚醛樹脂石墨復合材料的摩擦學性能，結果表明酚醛樹脂的存在降低了石墨中的孔隙含量，增加了流體動壓潤滑面積，使密封材料潤滑效果更好，摩擦因數與磨損量更小。林榮會等［6］研究了納米銅對酚醛樹脂磨損性能的影響，研究結果表明相較于普通酚醛樹脂，用納米銅增強酚醛樹脂復合材料作基體制備的三元復合材料的磨損性能有了明顯的改善，磨損率降低約67%。任婕［2］研究了泡沫鎳對PTFE 摩擦學性能的影響，發現隨著泡沫鎳含量的增加，復合材料的力學性能增強，但摩擦因數也相應增大；泡沫鎳可有效減少復合材料的磨損率，但在不同成分配比下各磨損特性有所差異。

目前有關船用艉軸機械密封軟環材料摩擦磨損性能的研究大多是對各種材料及其改性材料的性能進行對比，且工況相對溫和，有關船用艉軸機械密封軟環材料在苛刻工況條件下的研究相對較少。為探究船用艉軸機械密封軟環材料在苛刻工況下的摩擦磨損性能，本文作者選取澆注型聚氨酯彈性體（CPU）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）、玻璃纖維改性聚己二酰丁二胺復合材料（GF／PA46）、玻璃纖維改性聚四氟乙烯復合材料（GF／PTFE）5 種材料進行對比研究。CPU 由于具有軟、硬2 種鏈段，因此通過分子鏈的設計可以賦予其高強度、高韌性以及良好的耐磨性［7］。PET 與PBT是20 世紀50 年代研制出來的熱塑性聚酯，具有耐高溫、耐腐蝕性與耐磨性好等優點，應用越發廣泛，逐漸發展成為不可或缺的新型材料［8－10］。PA46 又稱為聚酰胺46，是一種具有優良耐熱性的聚酰胺類塑料。由于在單位長度鏈上其酰胺基含量更高并且鏈的對稱性更好，其結晶度、熔化溫度和熱穩定性均高于常用的聚酰胺6（PA6）和聚酰胺66（PA66）。此外，由于其高結晶度，PA46 表現出優異的耐磨性能［11－12］。目前，市場上銷售的不同牌號耐高溫聚酰胺大多是經過玻璃纖維（GF）增強后的產品［13］。PTFE 是一種具有極低的摩擦因數、優異的耐腐蝕性、良好的熱穩定性和低吸水率的聚合物基體，通常被用于軸承和密封件［14－15］；但其耐磨性較差，易產生永久變形。在PTFE 基體中添加GF，可以增強其摩擦磨損性能。馬偉強等［16］研究了添加GF 對PTFE 摩擦磨損性能的影響，結果表明GF 的加入雖然在一定程度上降低了GF／PTFE 的摩擦性能，但其磨損性能卻大幅提高。

本文作者以船用艉軸機械密封軟環為研究對象，探究其在苛刻工況條件下的摩擦磨損性能，為船用艉軸機械密封軟環材料的選型提供參考。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE 與對摩副304 不銹鋼均為市場上常見材料。對各材料進行車削加工，得到的摩擦副形貌與尺寸如圖1 所示。軟環材料圓環試樣外徑為130 mm，內徑為100 mm，高度為10 mm；304 不銹鋼盤外徑為135 mm，內徑為60 mm，高度為10 mm，摩擦副的接觸面積為5 416.5 mm2。表1 給出了5 種軟環材料的表面硬度。為避免空氣中的水分對材料性能造成影響，試驗前將5 種軟環材料與304 不銹鋼置于50 ℃恒溫箱中干燥6 h。

表1 不同材料的邵氏硬度值Table 1 Shore hardness values of different materials

圖1 摩擦副的形貌與尺寸Fig.1 Morphology and dimension of friction pair：（a）circular ring specimen of soft ring material；（b）304 stainless steel plate

1.2 摩擦性能測試

使用圖2（a）所示摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損性能測試，試驗原理如圖2（b）所示，上環為304 不銹鋼盤，用螺絲固定于旋轉軸上，隨軸做同步轉動（轉速為ω）；下環為軟環材料圓環試樣，用銷固定于水槽底部，通過控制水槽的升降來使上下環對摩并調節載荷。考慮到不同區域的江水與海水成分不同，為使結論更具普適性，試驗時將304 不銹鋼盤和軟環材料圓環試樣的摩擦表面浸沒在去離子水中以模擬水潤滑條件。

圖2 摩擦磨損試驗機及試驗原理Fig.2 Friction and wear testing machine（a）and test principle（b）

通過傳感器采集試驗過程中的扭矩、壓力等參數，利用公式（1）計算摩擦因數μ。

式中：T為扭矩（N·m）；r為半徑（m）；F為載荷（N）。

以某型船的運行工況為例，將摩擦磨損試驗工況設置為水潤滑，線速度為7 m／s，并選擇端面密封常見壓力0.5 MPa 作為試驗壓力。考慮到試驗工況較為苛刻，因此試驗開始時先將轉速調到7 m／s，載荷從0 開始每隔15 s 加載0.005 MPa，最終加載到0.5 MPa，摩擦試驗持續至樣品失效（GF／PTFE 在試驗進行至2 h 時依舊可以保持穩定摩擦，文中主動停止試驗）。

使用精度為0.1 mg 的電子天平測量摩擦試驗前后經烘干的軟環材料圓環試樣的質量，以計算其磨損量。摩擦試驗結束后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對軟環材料圓環試樣的磨損表面形貌進行觀察分析。

2 結果與討論

2.1 摩擦因數分析

圖3 顯示了5 種軟環材料試樣的摩擦因數隨時間變化的曲線。在試驗開始后的20 s 內，5 種材料的摩擦因數均經歷了短暫的下降，隨后摩擦因數均上升且處于較大值，但CPU、PET、PBT、GF／PTFE 試樣的摩擦因數波動較大，GF／PA46 試樣的摩擦因數波動較小；隨著試驗的繼續進行，5 種試樣的摩擦因數整體呈下降趨勢，CPU、GF／PA46、GF／PTFE 試樣的摩擦因數相對平穩，PET、PBT 試樣的摩擦因數繼續保持較大的波動。GF／PA46、PBT、CPU、PET 試樣，在試驗分別進行至494、1 042、1 106、1 369 s 時，出現摩擦因數大幅上升，試樣震動劇烈的現象，已無法形成穩定的摩擦，因此中止試驗。GF／PTFE 試樣在試驗進行至2 h 時摩擦因數依然保持在0.009 左右，且摩擦過程穩定，遂主動停止試驗。

圖3 5 種材料摩擦因數μ 隨時間t 變化曲線Fig.3 Variation of friction coefficient curves of five materials with time

分析其原因可知，在試驗開始后的20 s 內摩擦副經歷了短暫磨合，表面粗糙峰被逐漸磨平，摩擦因數有所下降。隨著載荷的增加，CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE 試樣摩擦表面接觸應力變大，塑性變形隨之發生，從而使摩擦由點接觸變為面積接觸，摩擦力增加，摩擦因數上升。此時CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE 試樣與對摩副剛開始接觸還未充分形成水膜，動壓潤滑效果差，因此CPU、PET、PBT、GF／PTFE 試樣摩擦因數波動較大。而PA46 試樣分子鏈中的酰胺鍵對水的吸收作用較好，能在一定程度上起到潤滑作用，摩擦因數波動較小。進一步增加載荷，CPU、GF／PA46、GF／PTFE 試樣的摩擦因數下降并趨于相對穩定，表明此時進入穩定磨損階段，而PET、PBT 試樣的玻璃化轉變溫度較低，受摩擦熱的影響較大，摩擦因數繼續保持較大波動。隨著試驗的繼續進行，積累的摩擦熱使得CPU、PET、PBT、GF／PA46 試樣表面開始液化變軟，嚴重破壞了材料特性，導致磨損失效。而GF／PTFE 試樣熱穩定好，并且在與對摩副摩擦時GF 可以承受部分負載，有效抑制GF／PTFE 的破壞和磨損，提高了PTFE的耐磨性，使得GF／PTFE 的摩擦因數較為平穩。

圖4 顯示了CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE試樣失效前的平均摩擦因數，分別為0.051 5、0.087 8、0.124、0.141、0.017 2。摩擦因數從大到小依次是GF／PA46、PBT、PET、CPU、GF／PTFE。由于PTFE的表面能與分子間吸引力較低，因此PTFE 具有極低的摩擦因數，使得GF／PTFE 的摩擦因數很低，遠小于其他4 種材料。與PTFE 相比，PA46 具有較高的摩擦因數，同時隨著載荷的不斷加大，GF／PA46 復合材料摩擦表面被嚴重破壞，導致GF／PA46復合材料最快失效，摩擦因數未能達到一個較低水平，因此平均摩擦因數最大。CPU 試樣在失效前的摩擦因數較為穩定，平均摩擦因數僅大于GF／PTFE。PET、PBT試樣摩擦因數在文中試驗時表現較為一般。

圖4 5 種材料的平均摩擦因數Fig.4 Average friction coefficient of five materials

綜合比較，GF／PTFE 試樣的摩擦因數最穩定且平均摩擦因數最小，因此在文中工況下GF／PTFE 試樣減摩特性表現最優。

2.2 磨損性能分析

為比較各試樣在苛刻工況下的磨損性能，圖5 給出了5 種試樣的單位時間磨損量。可見，GF／PA46試樣的單位時間磨損量最大，為3.314 mg／s，其次是PET、CPU、PBT 試樣，分別為 1.365、1.194、0.866 mg／s，GF／PTFE 試樣的耐磨性最好，其單位時間磨損量為0.099 mg／s，遠遠低于其他4 種試樣。

圖5 5 種材料的單位時間磨損量Fig.5 Wear amount per unit time of five materials

分析其原因為，不斷積累的摩擦熱使GF／PA46、PET 試樣表面開始熔化，相對較低的熔體黏度使熔化的部分在載荷和高速離心的作用下被擠壓甩出摩擦表面，因此GF／PA46、PET 試樣的單位時間磨損量很大。硬段和軟段嵌段組成的分子結構使CPU 試樣在正常工況下具有良好的耐磨性，因此CPU 在失效前保持相對穩定磨損。但CPU 導熱系數極低，是熱的不良導體，摩擦熱主要集中在摩擦表層，在持續苛刻工況下摩擦熱大量積累，導致CPU 塑性變形嚴重，磨損量增加。硬度是影響材料耐磨特性的最重要因素之一，體現了材料的抗變形能力。PBT 試樣的硬度在5 種試樣中最大，表現出較好的耐磨性能。相比于其他4 種材料，PTFE 材料擁有出色的導熱系數，摩擦熱不容易在摩擦表層積累，同時具有優異機械強度和耐磨性的GF 承受了摩擦過程中的部分載荷，降低了表面變形，有效保護了PTFE 基體使其免受嚴重磨損。因此，GF／PTFE 試樣的磨損量遠遠低于其他4種試樣的磨損量。

3 摩擦磨損機制分析

為進一步分析5 種試樣在苛刻工況下的摩擦磨損機制，用SEM 對摩擦磨損后的試樣表面進行了掃描分析，結果如圖6 所示。

圖6 5 種材料的磨損表面形貌Fig.6 Wear surface topographies of five materials：（a）CPU；（b）PET；（c）PBT；（d）GF／PA46；（e）GF／PTFE

圖6（a）顯示，CPU 試樣表面磨損情況較為嚴重，磨損面有大量碎屑，這是由于CPU 試樣表面積累的摩擦熱使其力學性能嚴重下降，同時其硬度較低，在接觸應力的作用下表面發生嚴重塑性變形與剝落，產生的磨屑分布在磨損面上，發生堆積充當磨粒，進一步破壞較為完整的表面，加劇了磨損。從圖6（b）的中間位置可以看到明顯的層狀和鱗片狀結構，這是因為隨著載荷的不斷增加，PET 試樣軟化變形加大，摩擦過程產生的碎屑被反復擠壓、切削，在應力的反復作用下出現黏著剝落。剝落后的表面又會繼續被擠壓、切削，不斷重復的這一過程使得磨損面呈現明顯的剝層現象。圖6（b）中兩側的磨痕和犁溝則顯示了PET 試樣發生了磨粒磨損。從圖6（c）中可以看到，PBT 試樣表面有少量的磨粒黏著和大量的撕裂破壞，磨損形式主要為磨粒磨損與黏著磨損。造成這種現象的原因是在高速、重載的作用下，PBT材料表面產生的應力超出了材料的強度，故材料的表層在剪切力的不斷影響下出現了裂紋、撕裂和剝離等情況。圖6（d）顯示GF／PA46 試樣表面出現了材料的大面積脫落。這是因為應力使GF／PA46 試樣出現黏著剝落，暴露的GF 因磨損斷裂生成磨屑，加劇了對PA46 基體的切削和犁溝作用。同時，大量的摩擦熱加快了裂紋產生和擴展，導致GF 和PA46 間的界面破壞，使GF 拔脫、斷裂，最終對GF／PA46 試樣表面產生嚴重的破壞。圖6（e）顯示GF／PTFE 試樣的摩擦表面有一些相對輕微的撕裂和磨痕，磨損形貌相對平整，磨損形式主要為黏著磨損與磨粒磨損，且黏著磨損與磨粒磨損比其他4 種試樣輕微很多，因此GF／PTFE 試樣耐磨性能更好。

4 結論

（1）研究的5 種材料中，GF／PTFE 摩擦因數最穩定且平均摩擦因數最小，減摩特性表現最優。CPU在失效前的摩擦因數較為穩定，平均摩擦因數僅大于GF／PTFE。PET、PBT 受摩擦熱的影響較大，導致摩擦因數波動較大。GF／PA46 在試驗初期摩擦因數相對平穩，但隨著載荷的不斷加大，摩擦表面被嚴重破壞，導致GF／PA46 最快失效，平均摩擦因數最大。

（2）高速、重載的工況使得CPU、PET、PBT、GF／PA46 試樣的摩擦表面積累了大量的摩擦熱，在接觸應力的作用下表面產生變形、剝落，出現了不同程度的黏著磨損與磨粒磨損，磨損量較大。

（3）GF／PTFE 試樣僅出現一些相對輕微的撕裂和磨痕，相較于CPU、PET、PBT、GF／PA46，GF／PTFE試樣的平均摩擦因數分別下降了66.6%、80.4%、86.1%、87.8%，單位時間磨損量分別下降了91.7%、92.7%、88.6%、97.0%，摩擦磨損性能最優。