載荷對(duì)金屬/織構(gòu)化三元乙丙密封副摩擦學(xué)性能的影響

唐杰，齊凱，曾杰，李玉帥，曾祥瑞，魯鑫

（中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

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

目前，表面織構(gòu)作為一種減少磨損的方法，被廣泛研究。表面織構(gòu)的作用機(jī)制，包括良好的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，以及摩擦過(guò)程中容納磨屑達(dá)到減磨作用[8-12]。Chen P.等人[13]發(fā)現(xiàn)，三角形表面織構(gòu)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面織構(gòu)占比為12%時(shí)，缸套的摩擦學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。Xiao Yang[15]建立了機(jī)械密封熱彈流體動(dòng)力潤(rùn)滑模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究了三角形織構(gòu)的減磨機(jī)理，發(fā)現(xiàn)直角三角形織構(gòu)排布的動(dòng)壓潤(rùn)滑性能優(yōu)于等邊三角形織構(gòu)。王新宇等人[16]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)織構(gòu)表面占比和織構(gòu)大小的優(yōu)化，可以提升管道內(nèi)壁金剛石涂層的摩擦學(xué)性能。王國(guó)榮等人[17]研究了不同形狀的凹槽織構(gòu)對(duì)壓裂泵柱塞的動(dòng)壓潤(rùn)滑性能和減磨性能的影響。上述研究主要集中在硬材質(zhì)的摩擦副中，相對(duì)于軟材料/硬材料的織構(gòu)化研究較少。Zhang 等人[18]發(fā)現(xiàn)，表面織構(gòu)應(yīng)用在軟材料上，減磨效應(yīng)更加明顯。趙帥等人[19]發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)對(duì)彈性模量較小的高分子材料會(huì)起到增磨作用，對(duì)彈性模量較大的材料才有減磨效果。王煥杰等人[20]發(fā)現(xiàn)，在軟材料和硬材料的摩擦副中，將織構(gòu)布置在軟材料上時(shí)，摩擦性能最優(yōu)。雖然這些研究都是關(guān)于表面織構(gòu)在軟材料/硬材料上的應(yīng)用，但對(duì)于織構(gòu)化橡膠磨損機(jī)理的研究相對(duì)有限。

綜上所述，目前對(duì)于金屬/軟材料為對(duì)偶副的織構(gòu)化研究，主要集中在對(duì)金屬表面進(jìn)行織構(gòu)處理，對(duì)橡膠材料表面織構(gòu)化的磨損機(jī)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(wú)定型聚合物[21]，因其分子數(shù)量龐大，且排列沒(méi)有規(guī)律，所以與金屬和一般的聚合物相比，其摩擦學(xué)特性比較復(fù)雜，影響因素包括相對(duì)速度、載荷、潤(rùn)滑介質(zhì)、溫度場(chǎng)和力學(xué)性能等[22-25]。其中，載荷是橡膠密封副中的關(guān)鍵影響因素之一，目前對(duì)橡膠在不同載荷下的摩擦機(jī)理，尤其是對(duì)織構(gòu)化動(dòng)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(dòng)密封的使用壽命，本研究對(duì)三元乙丙橡膠材料進(jìn)行織構(gòu)化制備，并與金屬材料組成摩擦副，進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用表面形貌分析和三維形貌構(gòu)建進(jìn)行研究，探討織構(gòu)化橡膠/金屬摩擦副的磨損機(jī)理和損傷機(jī)制，以及表面織構(gòu)對(duì)三元乙丙材料在不同載荷下摩擦性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

基于劉思思等人[26]研究織構(gòu)化活塞減磨特性的實(shí)驗(yàn)方案，本次實(shí)驗(yàn)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(shù)見(jiàn)表1。

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

首先對(duì)橡膠塊表面進(jìn)行拋光和清洗，測(cè)得其粗糙度低于40 nm。利用臺(tái)式20 W 激光打標(biāo)器在橡膠塊表面加工規(guī)則的凹坑陣列（如圖1a 所示）。設(shè)備參數(shù)：速度為200 mm/s，功率為75 W?？棙?gòu)參數(shù)為半徑200 μm 的圓形織構(gòu)，相鄰織構(gòu)間距為600 μm，織構(gòu)深度為6 μm，如圖1b 所示。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用UMT-2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，該磨損機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)主軸進(jìn)行往復(fù)摩擦。通常往復(fù)動(dòng)密封的密封圈的壓縮率為10%～20%[27]，為研究在合理載荷和過(guò)載情況下織構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，設(shè)置本文的實(shí)驗(yàn)參數(shù)：選取載荷為20、35、50、80 N（對(duì)應(yīng)的橡膠壓縮率為13.0%、17.5%、19.2%、25.1%）[28]，往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值D=4 mm，頻率為50 Hz（0.3 m/s），室溫t=(30±2) ℃，相對(duì)濕度為40%，10 號(hào)航空液壓油潤(rùn)滑，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為40 min。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)EPDM 試樣進(jìn)行清洗、烘干，并采用過(guò)濾法收集磨屑。利用天平測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后橡膠試樣的質(zhì)量，計(jì)算磨損質(zhì)量，天平精度為0.1 mg。利用白光干涉三維表面輪廓儀對(duì)磨損表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量和三維形貌分析。對(duì)磨損試樣和磨屑試樣進(jìn)行噴金處理，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)磨痕和磨屑的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)。

2 結(jié)果和討論

2.1 摩擦系數(shù)和磨損率分析

通過(guò)摩擦系數(shù)的對(duì)比（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，隨著載荷的增加，無(wú)織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)有緩慢下降的趨勢(shì)，而織構(gòu)化橡膠試樣的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì)。雖然隨著載荷的增加，磨損量都有上升的趨勢(shì)，但在載荷增大的過(guò)程中，織構(gòu)的引入會(huì)導(dǎo)致磨損速率加快。從圖2 還可以發(fā)現(xiàn)，在低于50 N 的載荷下，織構(gòu)的引入有效地降低了橡膠試塊的摩擦系數(shù)與磨損量。在載荷為35 N 時(shí)，橡膠的減磨效果達(dá)到最佳，相比無(wú)織構(gòu)表面，摩擦系數(shù)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(guò)20%之后，織構(gòu)的引入會(huì)加劇磨損。載荷在80 N時(shí)，其摩擦系數(shù)超出無(wú)織構(gòu)試樣3 倍。具體分析摩擦過(guò)程曲線（如圖3 所示）可知，在80 N 載荷下，織構(gòu)的摩擦過(guò)程中，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)增加的狀態(tài)，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中波動(dòng)極其不穩(wěn)定，說(shuō)明橡膠磨損過(guò)程中，試件表面粗糙度增加，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦系數(shù)持續(xù)升高，試樣表面已經(jīng)受到了極大的磨損。反觀其他試樣的摩擦系數(shù)曲線，只有在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，由于靜摩擦到動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變，摩擦系數(shù)有微小波動(dòng)，整體較為穩(wěn)定，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。通過(guò)對(duì)摩擦系數(shù)的整體分析發(fā)現(xiàn)，在中低載荷下，織構(gòu)的引入可以有效減小摩擦系數(shù)和磨損速率；但在高載荷下，織構(gòu)的引入會(huì)使磨損量激增和摩擦系數(shù)持續(xù)增加。

圖2 不同載荷下有無(wú)織構(gòu)EPDM/金屬球摩擦性能對(duì)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(wú)織構(gòu)EPDM/金屬球摩擦系數(shù)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(wú)典型的磨痕與磨損花紋出現(xiàn)。在無(wú)織構(gòu)橡膠表面出現(xiàn)了少量磨痕以及摩擦過(guò)程中液壓油對(duì)橡膠材料表面產(chǎn)生侵蝕而出現(xiàn)的局部腐蝕微坑，其磨損機(jī)理主要為腐蝕磨損。織構(gòu)試樣表面無(wú)明顯磨痕，小凹坑明顯小于無(wú)織構(gòu)橡膠上的腐蝕坑，且可以明顯看到織構(gòu)里存在少量磨屑，降低了摩擦?xí)r的磨屑阻力，從而達(dá)到減磨效果。在載荷35 N 下，有無(wú)織構(gòu)的橡膠試樣表面磨損形貌見(jiàn)圖4b，可以發(fā)現(xiàn)，載荷的加大，會(huì)導(dǎo)致橡膠表面的磨損加劇。在光滑試樣的表面出現(xiàn)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(xiàn)了明顯的點(diǎn)蝕和片狀脫落，其磨損機(jī)理以粘著磨損為主，腐蝕磨損為輔。反觀織構(gòu)橡膠表面，依然無(wú)明顯的磨痕，部分織構(gòu)邊緣有少量磨損，出現(xiàn)局部的磨損小微坑，其主要磨損機(jī)理為腐蝕磨損和局部的粘著磨損。通過(guò)觀察織構(gòu)內(nèi)的磨屑發(fā)現(xiàn)，其儲(chǔ)量充滿整個(gè)凹坑，達(dá)到最佳，大大減小了摩擦過(guò)程中的阻力，其減磨效果達(dá)到了最佳。

在50 N 載荷下，無(wú)織構(gòu)橡膠試樣表面出現(xiàn)了橡膠特有的花紋狀磨損痕跡，花紋整體比較平整且規(guī)則，如圖4c 所示。摩擦過(guò)程中，粘著的磨屑在摩擦副中充當(dāng)了固體潤(rùn)滑層的作用，在隨后摩擦過(guò)程中，排出實(shí)驗(yàn)區(qū)域，達(dá)到摩擦的動(dòng)態(tài)平衡。在織構(gòu)區(qū)域的表面出現(xiàn)了明顯的磨損痕跡，發(fā)現(xiàn)了大范圍的裂紋，部分織構(gòu)磨損嚴(yán)重，已分不清織構(gòu)形貌，并出現(xiàn)了少量的條狀切削磨屑，其磨損機(jī)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(wú)織構(gòu)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(duì)偶副表面充分接觸，從而減小了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，對(duì)磨損有了一定的改善。反觀表面織構(gòu)，其凹坑沿著垂直于滑動(dòng)方向連成山脊?fàn)畎疾?，出現(xiàn)了互相隆起的平行條紋，發(fā)生了典型的微觀磨削現(xiàn)象，表面出現(xiàn)了大量的條狀物磨屑，磨損區(qū)域已無(wú)織構(gòu)痕跡。通過(guò)分析，其磨損機(jī)理為典型的磨粒磨損?？梢园l(fā)現(xiàn)，在過(guò)載條件下，織構(gòu)的存在反而導(dǎo)致橡膠表面磨損速率加劇，原因是織構(gòu)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，加快了表面裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)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(qū)域的三維形貌如圖5 所示。圖5a 為最優(yōu)（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(yōu)（壓縮率為17.5%）織構(gòu)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(gòu)表面的磨損三維形貌，其粗糙度為1.12×104nm。通過(guò)對(duì)比正常工況下有無(wú)織構(gòu)試樣的表面粗糙度，可以發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)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(wěn)，摩擦特性也達(dá)到最佳，有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。但隨著載荷的增加，在過(guò)載工況下，織構(gòu)化橡膠的摩擦性能逐漸變差。在80 N 載荷下，試樣出現(xiàn)了山脊?fàn)畹倪B環(huán)條紋，與其他試樣相比，出現(xiàn)了嚴(yán)重的切削磨損。因此，在過(guò)載工況下，織構(gòu)化橡膠不適合實(shí)際應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(wú)織構(gòu)表面大量出現(xiàn)的磨屑，通過(guò)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?yàn)椋谳^低載荷下，摩擦主要發(fā)生在橡膠和液壓油之間，橡膠表面發(fā)生了氧化降解和分子鍵斷裂等化學(xué)反應(yīng)，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(wú)織構(gòu)橡膠塊的磨損表面收集得到的，說(shuō)明出現(xiàn)了大范圍表面擦傷，摩擦副之間的微凸體由于摩擦熱而發(fā)生粘著現(xiàn)象，導(dǎo)致橡膠粘連被剝落。在壓縮率17.5%的織構(gòu)橡膠磨損表面（圖6c），大多數(shù)為塊狀的磨屑，說(shuō)明在合理的載荷下，織構(gòu)可以減小連續(xù)的接觸面積，從而有效減少摩擦熱，進(jìn)而改善粘著現(xiàn)象的發(fā)生。在過(guò)載壓縮率下（壓縮率為25.1%），織構(gòu)化橡膠表面出現(xiàn)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(shuō)明在較大載荷下，織構(gòu)邊緣出現(xiàn)的微峰與金屬摩擦?xí)r被劃傷，并產(chǎn)生脫落，導(dǎo)致橡膠表面產(chǎn)生了嚴(yán)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(jié)論

1）隨著載荷的增加，無(wú)織構(gòu)EPDM 的摩擦系數(shù)有微小的下降趨勢(shì)，織構(gòu)化處理的EPDM 的摩擦系數(shù)先減小、后增大。載荷的增加都會(huì)導(dǎo)致兩種EPDM的磨損量增加，但織構(gòu)EPDM 的增加速率較快。在壓縮率為17.5%時(shí)，織構(gòu)試樣與金屬對(duì)偶副的摩擦性能達(dá)到最優(yōu)；在25.1%的壓縮率下，織構(gòu)的引入導(dǎo)致EPDM 的摩擦動(dòng)力學(xué)特性大幅度下降。

2）無(wú)織構(gòu)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(gòu)可以減小液壓油帶來(lái)的腐蝕磨損和大面積的粘著磨損，并可以儲(chǔ)存磨屑，達(dá)到潤(rùn)滑減磨的效果。在壓縮率為17.5%時(shí)，儲(chǔ)屑性能最好，表面粗糙度最低。在高載荷下，EPDM 織構(gòu)化后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致磨損過(guò)程中表面粗糙度大幅度增加，產(chǎn)生典型的磨粒磨損花紋，對(duì)摩擦表面造成極大損傷。

3）無(wú)織構(gòu)試樣的磨屑類型主要為腐蝕磨損和粘著磨損產(chǎn)生的花生狀和片狀磨屑?？棙?gòu)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(shuō)明織構(gòu)已被嚴(yán)重破壞，不能達(dá)到儲(chǔ)屑減磨的效果。