高分子聚合物材料微動摩擦磨損行為研究

　　摘要：組合密封中塑料環的耐磨特性對其密封性能有重要作用。為優選合適對摩材料，本文研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、聚醚醚酮(PEEK)五種高分子聚合物材料與 QT500的微動摩擦磨損情況，從中篩選出 PTFE+7%碳纖維、UHMWPE 兩種材料進行不同微動行程、潤滑條件下的對比實驗。結果表明，無論是在干摩擦還是油潤滑條件下，UHMWPE 材料的平均摩擦系數隨著微動行程的增大而增加，PTFE+7%碳纖維材料達到穩定狀態時摩擦系數隨著循環次數的波動較小。綜合試驗結果，當微動行程小于等于 0.2 mm 時建議選用 PTFE+7%碳纖維，微動行程大于 0.2 mm 時建議選用超高分子量聚乙烯材料。

　　關鍵詞： 組合密封;聚合物材料;微動摩擦磨損;微動行程

　　組合密封兼具高回彈性與優異的減摩耐磨特性，擁有良好的靜態和動態密封效果，在各類液壓系統中廣泛應用[1-2]。組合密封主要由彈性圈和耐磨圈兩部分組成，其中彈性體主要以橡膠等彈性較大的材料制成，對整個彈性圈起彈性支撐作用，耐磨圈則主要以填充聚四氟乙烯或增強聚胺等塑料制成，與被密封面直接接觸。對于組合密封，根據其運動行程的不同可劃分為 4 種狀態：第一種是完全靜止(靜密封);第二種是完全黏滑，此時密封圈只發生剪切變形，沒有宏觀的相對滑動;第三種為部分滑動，此時部分密封圈產生宏觀的相對滑動，但仍有部分區域處于黏結狀態;第四種是密封圈產生完全滑動(往復密封)。第二種和第三種狀態很難界定，可看作是微動密封[3]，這種接觸面之間的相對位移非常低，大部分磨損碎片都會被困在接觸區界面之間[4]的非常小的振蕩運動，將會導致裂紋在重復運動中形核和成長，致使微動磨損現象的發生，造成密封圈最終失效[5-6]。

　　由此可見，密封圈中的耐磨塑料圈必須有一定的耐磨能力來盡量避免微動磨損現象的發生。在密封圈相關材料的微動摩擦磨損研究方面，鄭金鵬[7]等針對輔助密封圈與金屬接觸副間可能出現的復雜的微動運行狀態進行了深入研究，并說明了由于橡膠具有超彈性，當往復位移幅值達到毫米級時其仍然處于微動運行狀態，得出了在不同微動運行區域內，其摩擦系數呈現的不同的變化規律。

　　Shen[8]等詳細討論了丁腈橡膠微動運行特性、摩擦系數和磨損機理隨位移幅值和載荷的變化規律。結果表明，磨損表面的粘層在微動磨損中起著重要作用，不同的微動運行狀態下會呈現出不同的損傷特性，且微動特性與位移幅值有很強的相關性。Wang[9]等對比研究了六種聚合物(UHMWPE、PTFE、酚醛、PHBA、PEEK 和 PI)在往復滑動和微動磨損條件下的摩擦磨損行為，并提出幾種材料的微動磨損性能關系為:PTFE能良好[9-16]，為此，本文通過測試超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)以及填充銅粉、碳纖維和二硫化鉬的 PTFE 五種高分子聚合物材料與QT500 材料配副界面微動摩擦系數及磨損量變化規律，掌握組合密封的密封組件界面微動磨損特征，并篩選出兩種性能較優的材料，觀察其在干摩擦和油潤滑兩種潤滑條件下及不同微動行程的微動摩擦學特性，為液壓泵等會出現微動磨損的組合密封應用場合提供選材依據。

　　1. 試驗

　　1.1 材料與裝置：

　　試驗所需的五種高分子聚合物材料為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、聚醚醚酮(PEEK)，將這五種材料分別加工成 Φ12 mm×12 mm 的圓柱體，圓柱體為試驗的上試件，下試件為 40 mm×40 mm×6.5mm 的 長 方 體 ， 材 料 為 QT500 。 本 試 驗 通 過UMT-Tribolab摩擦磨損試驗機往復模塊以及根據試驗機自行設計的夾具來進行高分子聚合物材料與金屬配副的微動摩擦磨損試驗。由于加工過程中留下的車刀痕跡等原因，在往復運動的過程中，耐磨圈與活塞桿等的接觸是由線接觸逐漸因為摩擦磨損而轉化成面接觸的，又為了探究材料在微動行程狀態下取得的最小摩擦系數，在裝配上下試件時，選擇將長方體的紋路與試驗機往復運動的方向一致，由此，本試驗選擇采用圓柱側面與平板進行往復摩擦的方式以達到與實際的工程情況相符合的目的。

　　1.2 試驗參數：

　　結合 UMT-Tribolab 摩擦磨損試驗機的額定參數以及試驗目的一共設置了兩組試驗。第一組試驗為五種材料在干摩擦條件下，保證在總行程為 10800 mm 速度為 0.01 m/s 的條件下進行，第二組試驗為超高分子量聚乙烯和 7%碳纖維填充的聚四氟乙烯兩種材料分別在干摩擦和油潤滑兩種潤滑條件下，保證在總微動行程為 54000 mm 的情況下進行。其中，潤滑油為 10w-40，采取每隔一段時間用滴管滴油的方式進行油潤滑。

　　2 結果與討論

　　試驗的摩擦系數由 UMT-Tribolab 摩擦磨損試驗機實時記錄得到，試驗所得到的摩擦系數平均值是根據摩擦系數隨著循環次數趨于穩定之后的摩擦系數曲線得到的。高分子聚合物材料磨損前后質量由塞多利斯(Sartonus)電子分析天平(測量精度為 0.1 mg)測得。

　　2.1 五種材料在干摩擦條件下保證速度不變的情況分析

　　2.1.1 摩擦系數

　　為五種材料在載荷和總行程不變時的摩擦系數變化關系，根據試驗數據，五種材料的摩擦系數都隨著頻率的增加、微動行程的減小逐漸減小。五種材料 中 ， PTFE+7% 碳 纖 維 材 料 和 PTFE+7% 碳 纖+5%MoS2材料的摩擦系數在兩種工況下較為接近，且摩擦系數隨循環次數的波動趨勢一致。PTFE+7%碳纖維材料在兩種試驗工況下摩擦系數均為最低。PTFE+40%銅粉材料和超高分子量聚乙烯材料摩擦系數較為接近，但 PTFE+40%銅粉材料在兩種工況下的摩擦系數在平穩之后會隨著循環次數的增加緩慢增加，而超高分子量聚乙烯的摩擦系數在平穩之后波動很小。

　　2.1.2 磨損量

　　為在干摩擦條件下超高分子量聚乙烯、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、PEEK 五種材料在保證載荷和總行程不變的情況下，改變頻率和微動行程得到的磨損量與微動行程的關系圖。PTFE+40%銅粉材料的在改變頻率和微動行程的情況下得到的磨損量均小于其他幾種材料，PTFE+40%銅粉和 PTFE+7%碳纖維兩種材料在保證速度不變，總微動行程不變的情況下，改變頻率和微動行程的情況下得到的磨損量規律相同，磨損量都隨著頻率的增大和微動行程的減小而增大，而超高分子量聚乙烯材料、PEEK 材料和PTFE+7%碳纖維材料+5%MoS2 三種材料的磨損量都隨著頻率的增大以及微動行程的減小而減小，相比于PEEK 材料，PTFE+7%碳纖維+5%MoS2材料磨損量減小的幅度更大一些。綜合以上五種材料在第一組試驗的兩種工況下的摩擦系數和磨損量的情況，可以看出超高分子量聚乙烯材料和 PTFE+7%碳纖維材料的微動磨損性能較為優異，所以接下來選擇超高分子量聚乙烯材料和PTFE+7%碳纖維材料兩種材料進行第二組試驗。

　　2.2 油潤滑和干摩擦兩種潤滑條件下的情況分析

　　2.2.1 摩擦系數

　　為超高分子量聚乙烯和 PTFE+7%碳纖維兩種材料分別在干摩擦和油潤滑兩種條件下摩擦系數圖。超高分子量聚乙烯無論是在干摩擦還是油潤滑條件下，材料的平均摩擦系數隨著微動行程的增大而增大。在同一微動行程下，超高分子量聚乙烯材料干摩擦條件下的摩擦系數要大于油潤滑條件下的摩擦系數。無論是在干摩擦條件下還是在油潤滑條件下，PTFE+7%碳纖維材料的平均摩擦系數都隨著微動行程的增加而增加。

　　在微動行程為 0.1 mm 時，干摩擦條件下的平均摩擦系數明顯大于油潤滑條件下的平均摩擦系數，而當微動行程為 0.2 mm、0.5 mm 時，干摩擦條件下的平均摩擦系數小于油潤滑條件下的平均摩擦系數，可能是由于隨著微動行程的增大，潤滑油破壞了材料與金屬配副間由于摩擦磨損而形成的固體潤滑膜，從而導致油潤滑條件下的平均摩擦系數大于干摩擦條件下的平均摩擦系數。為超高分子量聚乙烯材料在干摩擦條件下摩擦系數與循環次數的關系圖。由圖可知，干摩擦條件下摩擦系數很快就在一個固定的幅度范圍內波動，為超高分子量聚乙烯材料在油潤滑條件下摩擦系數與循環次數的關系圖，可以看出在油潤滑條件下，超高分子量聚乙烯材料的摩擦系數與循環次數的關系在試驗最開始時隨著循環次數的增加而逐漸增大，然后逐漸趨于平穩，但在平穩階段的摩擦系數逐漸隨著循環次數的增大而緩慢減小，其中微動行程為 0.1 mm 時這種變化規律更為明顯。

　　為PTFE+7%碳纖維材料在干摩擦條件下摩擦系數與循環次數的關系圖，由圖可知在干摩擦條件下 PTFE+7%碳纖維材料在達到穩定后，摩擦系數隨著循環次數的增加在一定范圍內波動。為 PTFE+7%碳纖維材料在油潤滑條件下摩擦系數與循環次數的關系圖，由圖可知材料在油潤滑條件下達到穩定時的循環次數要比干摩擦條件下達到穩定時的循環次數更少，并且穩定后大多數情況下摩擦系數波動的幅度也要比在干摩擦條件下摩擦系數波動的幅度小。

　　綜合以上兩種材料的摩擦系數關系圖，在干摩擦條件下，兩種材料的摩擦系數雖然都隨著微動行程的增加而增加，但 PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數隨微動行程的增加的幅度明顯小于超高分子量聚乙烯材料;微動行程大于 0.2 mm 時，PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數要低于同種工況下超高分子量聚乙烯材料的摩擦系數;在油潤滑條件下，PTFE+7%碳纖維材料隨循環次數的變化幅度更小，但其摩擦系數隨著微動行程的增加而增加的幅度要明顯大于超高分子量聚乙烯材料，并且當微動行程小于等于 0.2 mm 時，PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數明顯小于相同工況下超高分子量聚乙烯的摩擦系數。

　　2.2.2 磨損量

　　為超高分子量聚乙烯、PTFE+7%碳纖維兩種材料分別在干摩擦和油潤滑兩種條件下磨損量與微動行程的關系圖。對于超高分子量聚乙烯材料，可以看出兩種潤滑條件下，微動行程為 0.2 mm 時的磨損量明顯高于其他兩種微動行程下的磨損量。此外，在同一微動行程下，干摩擦條件下材料的磨損量一般要高于油潤滑條件下材料的磨損量。而對于 PTFE+7%碳纖維材料，不同潤滑狀態下磨損變化規律不一致，且微動行程為 0.5 mm 時的磨損量明顯高于其他兩種微動行程下的磨損量�？偟膩碚f，微動行程小于等于0.2 mm 時建議選用 PTFE+7%碳纖維，微動行程大于0.2 mm 時建議選用超高分子量聚乙烯材料。

　　3 結論

　　為提高組合密封中塑料圈微動摩擦磨損特性，研究了五種高分子聚合物材料與 QT500 的微動摩擦磨損情況，從中篩選出 PTFE+7%碳纖維、UHMWPE 兩種材料進行不同微動行程、潤滑條件下的對比實驗，所研究條件下：(1)綜合試驗一兩種工況條件下的磨損量和摩擦系數，超高分子量聚乙烯、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、PEEK 五種材料中，PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數較低，且都低于 0.1。(2)對于超高分子量聚乙烯材料，無論是在干摩擦還是油潤滑條件下，材料的平均摩擦系數隨著微動行程的增大而增大;油潤滑條件下，摩擦系數隨著循環次數的增加而緩慢減小。

　　(3)對于 PTFE+7%碳纖維材料，無論在干摩擦還是油潤滑條件下達到穩定狀態時摩擦系數隨著循環次數的波動較小;微動行程為 0.1 mm 時，油潤滑條件下的摩擦系數平均值小于在干摩擦條件下的摩擦系數平均值;微動行程大于 0.1 mm 時，油潤滑條件下的摩擦系數平均值反而大于在干摩擦條件下的摩擦系數平均值。(4)對綜合摩擦系數與磨損的測試結果，微動行程小于等于 0.2mm 時建議選用 PTFE+7%碳纖維材料，微動行程大于 0.2mm 時，建議選用超高分子量聚乙烯材料。

　　參考文獻

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　　[7] 鄭金鵬. 機械密封補償機構丁腈橡膠/金屬密封界面微動損傷行為研究[D]. 浙江工業大學, 2015.

　　作者：金嶼 1，呂曉仁 1，張兆想 2,3，郭飛 2*

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