高分子材料机械密封磨损特征与表面织构影响分析

张泽月，罗俊波，杨 芳，孙 强，易显富，戢晓珊

(1 湖北省十堰市太和医院附属湖北医药学院，湖北十堰442000；2 湖北省十堰市妇幼保健院，湖北十堰442000)

机械密封是指由至少一对垂直于旋转轴线端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合且相对滑动所构成的防止流体泄漏的装置［1］。随着现代材料科学的不断发展，适用于机械密封设计、制造等环节的新型高分子材料越来越多。同时，新材料、新工艺、新技术的出现也为机械密封设计、加工、工作情况全寿命监控带来了挑战。为达到标准的密封效果，必须使密封断面与弹性元件紧密贴合，并通过材料的选用满足密封过程中良好的摩擦效果［2］。金属材料与高分材料组成机械密封是现代比较常见的机械密封环境，但由于密封面的磨损导致位移的出现问题逐渐成为工业领域设备零件寿命缩短、可靠性不佳的重要诱因。为有效解决该问题，可通过流体静、动使密封端面形成完成的流体膜，以此来降低磨损效果，减小摩擦，该密封方式利用表面织构化为密封端面提供了流体压力，是推动流体膜形成的关键环节，也逐渐成为今后机械密封的主要发展方向。

1 机械密封常用材料

1.1 石墨

石墨具有耐腐蚀性强、自润滑性优良、摩擦系数小以及耐热冲击性能好等优势，同时石墨是一种极易加工的材料，在机械密封领域具有较高的天然优势。然而，石墨机械强度低、存在空隙等劣势需要进行浸渍和掺碳等方法进行优化。膨胀石墨切割垫片是当前石墨材料在机械密封领域应用最为广泛的材料之一，该材料不含粘结剂和填充物，因而较一般石墨材料或高分子材料具有跟高的纯度、耐高低温性能、压缩回弹性能以及强度，被广泛应用于低压部位的密封，在防止石墨与法兰之间出现电化腐蚀现象具有较高价值［3］。膨胀石墨切割垫片使用温度约为-200℃～800℃；使用压力约20MPa；最大加工尺寸一般不超过1500mm。

1.2 陶瓷

陶瓷的主要性能优势，在于耐腐蚀性强、硬度高以及耐磨性好，劣势则主要在于陶瓷本身脆性较大且加工难度较高。在机械密封领域应用最为广泛的陶瓷材料是氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷具有较高的传导性、机械强度和耐高温性，多被应用于存在腐蚀性中介以及中低速的机械密封场合。氧化铝陶瓷机械密封件莫氏硬度约9 左右；常温耐压强度不低于250MPa；常温抗折强度不低于260MPa；最高使用温度不低于1600℃。

1.3 高分子材料

高分子材料是当前机械密封零部件加工领域应用前景最为广泛的材料之一，包括超高分子量聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚四氟乙烯等在内的高分子材料逐渐成为航空、航海领域机械密封零部件加工的主要材料［4］。以聚四氟乙烯为例。聚四氟乙烯是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具备高耐腐蚀性、密封性等特征，同时聚四氟乙烯加工支撑的机械密封器件具有高润滑、电绝缘性好以及优良的抗老化能力，可广泛适用于各种腐蚀介质机械密封场合。但其弹性劣于橡胶，易产生永久变形，缺点较为明显。聚四氟乙烯机械密封件常使用温度-240℃～260℃（短时可达315℃）；使用压力不高于40bar；pH 值范围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。

为提高工业领域密封部件的寿命和可靠性，学者们选用多种不同种类高分子材料，分别与相同金属织构化材料组成摩擦副，用以对不同高分子材料机械密封的磨损特征以及磨损对密封件表面织构的影响进行分析。本文所选5 种不同性能的高分子材料, 分别为超高分子量聚乙烯（Ⅰ）、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Ⅱ)、聚甲醛(Ⅲ)、聚己二酰己二胺( Ⅳ) 和聚醚醚酮( Ⅴ)，各材料硬度、密度以及弹性模量性能指标见表1。这些材料在规定时间内，因性能差异问题，所以致使与不锈钢试件其磨损率和磨损面积均不相同。

表1 高分子材料物理特性Table 1 Physical properties of polymeric materials

2 高分子机械密封磨损特征

2.1 常见高分子机械密封基本结构

高分子机械密封结构复杂、多样，包含紧固件、防转件、传动件、弹性元件、辅助密封以及断面密封均属其基本元件［3］。机械密封中端面贴合紧密程度需要借助动环和静环的耐磨性和灵活性提升，来实现对产生缝隙及封面磨损更好的贴合；弹簧、膈膜以及波纹管则充分发挥自身的缓冲作用，并使其维持一定的弹性惯性，但弹性元件材料的选用多以耐腐蚀材料为主；传动环、传动座以及其他传动零件主要是给动环传动转矩；紧固件则保持动环、静环定位紧固的作用，并要求紧固件在重复利用和拆卸方面有独特优势；防转件则是为了防止动环和静环在运行时，出现脱件现象，该件要求有一定的耐腐蚀性，且有足够长度。

2.2 高分子机械密封摩擦系数影响因子

摩擦系数是高分子机械密封中摩擦功耗和冲洗量的重要体现，也是计算热变形和传热的主要参数，在机械密封磨损情况分析中占据主要位置。该摩擦系数与密封系数的结合共同构建了摩擦学特征，即Strellebeck curve（斯屈列贝克曲线）［5-7］。机械密封的摩擦状态通过使用该方法来进行判断，并以此来对系数较小的机械特性进行估计。随着时间推移，机械密封系数也会逐渐发生变化，其摩擦状态与环境温度、密封结构以及压力的大小均有直接关系。图1 所示为影响高分子机械密封摩擦系数的因素。

图1 摩擦系数的影响因素Fig. 1 The influence factors of the coefficient of friction

摩擦系数的变化会随着时间的变化而变化，而系数降低的主要原因是机械实际运转中磨合所致［8-10］。在不同的摩擦状态下，摩擦系数与荷载没有直接关系，但周速的变化会使摩擦系数随着转速的升高的降低。而机械表面温度因使用的高分子材料性能的不同，导致引起的摩擦系数存在一定差异。机械表面的波度、粗糙度对高分子材料摩擦系数有着很大的影响，其中组成摩擦副性能的材料在密封过程中不容忽视。高分子材料的粘稠度、重度都会对密封端面的摩擦力和摩擦状态产生一定影响，除此以外，温度及压力因素对摩擦系数的影响也很大。

3 高分子机械密封磨损受表面织构的影响

赵帅等（2015）［11］针对不同高分子材料与316 不锈钢机械密封磨损特性及磨损对表面织构的影响进行分析，得到了表1 中不同高分子材料与不同参数织构化316 不锈钢在载荷280N、转速200r/min、表面织构凹坑直径（100、200μm）、单位时间（12h）等条件下的磨损量（即磨损率）变化情况。

3.1 表面织构磨损率分析

Ⅰ在凹坑直径为100μm 时，经表面织构的引入引起了强烈的增磨作用，面积的增大连带着磨损率的提升；若直径为200μm，则磨损率为先减小后续增大趋势。

Ⅱ和不同参与表面织构化的不锈钢磨损率，其磨损面积与凹坑直径有一定联系。假设凹坑直径分别为200μm、100μm、受损面积为30% 和10% 左右时，通过30%面积率可凸显其减磨效果。但是对于无织构表面，当凹坑直径为100μm 时，该磨损率随着面积的变大而升高；当凹坑直径设置为200μm 时，磨损率呈先增大后减小的趋势。

Ⅲ与Ⅰ、Ⅱ相比较，弹性模量偏高，硬度及密度无明显差异，因弹性模量的增大，导致磨损率呈先降低后增高的现象。充分体现了不同参数表面织构的引入不仅可以有效地降低磨损率，还凸显了织构表面的减磨效果，尤其是当表面织构面积率在30% 以内，减磨效果呈最佳状态。同时，磨损率也有了一定程度的下降。

Ⅳ的弹性模量是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等高分子材料的2 ～3倍。由于不同参数织构化不锈钢磨损试验磨损率不同，充分体现了磨损率降低与表面组织引入有直接关系。在凹坑直径分别为100μm 和200μm 时，磨损率均出现先小后大的趋势，而面积率也随之升高。当凹坑直径为200μm、面积率为20%，此时不锈钢磨损试件的减磨效果最优。

Ⅴ与316 不锈钢不同参数织构化磨损试件表面织构的减磨效果十分明显，尤其是当凹坑直径为100μm、受损面积为10% 时，磨损率与无织构试件相比下降明显。

通过不同材料组成的摩擦副最优减摩结果进行对比可知，高分子材料中弹性模量的增加，使表面织构的减磨效果愈加明显。性能不同的高分子材料组成的摩擦副其减磨效果存在一定差异，尤其是弹性模量最低的材料，与316 不锈钢试件产生的摩擦副表面织构磨损严重，磨损率也不断上升。当选用的高分子材料弹性模量升高时，不仅缩小了磨损面积，还使磨损率有了一定程度的下降，其减磨效果非常优越。

3.2 高分子材料机械密封磨损受表面织构影响结论

机械密封中磨损及摩擦系数的不断增大，与表面织构的引入有直接关系。在表面织构参数相同环境下，高分子材料弹性模量会连带磨损率的增大或减小。本文选用的316 不锈钢试件带有凹坑，通过对凹坑直径及单元边长来控制表面织构的面积。因金属表面凹坑对光面试件产生的切削作用，会伴随着摩擦副运动使摩擦系数不断增大。

假设凹坑直径分别为100μm 和200μm 时，面积率控制在10% ～40% 之间，此时弹性模量的增加促使凸起高度明显减下。由于Ⅰ的弹性模量最小，Ⅴ弹性模量较大，因弹性模量差异凸显，故在相同参数表面织构下，不锈钢试件凸起高度的差值相差值大概在20 倍左右。随着凹坑直径的不断增加，致使凸起高度也随着升高。当弹性模量越小时，凹坑直径与凸起高度存在密切联系。

不锈钢试件在摩擦过程中，表面织构对于凸起变形会产生切削效应，而切削则直接导致摩擦系数迅速上升，并产生摩擦热。表面织构热度的变化会使高分子材料逐渐软化，加剧试件凸起变形的程度。假设切削作用造成的摩擦作用大于表面织构减摩时，此时摩擦率和摩擦系数的增加与整个表面织构的整个摩擦过程有关。为了避免表面接触变形和应力集中引起的切削作用，需充分利用表面织构及参数优化，同时还要与摩擦副材料进行有机结合。

4 结语

在实际工业生产过程中，机械密封在汽液混合状态下，很容易挥发，导致密封工作处于不稳定状态，难以成膜。为了保证工业生产的延续性，促使机械密封在稳定状态下进行，故对表面织构与高分子材料磨损特征进行了分析。全文通过选用316 不锈钢不同参数织构化试件进行测试，分析其减磨效果、磨损性，同时根据各种高分子材料与无织构组合的摩擦副所产生的磨损率进行比较。凸显了表面织构对摩擦副摩擦学性能不利方面，会随着材料弹性模量的增加微切削作用逐渐减弱。