基于液壓往復(fù)密封的聚醚醚酮性能研究及其應(yīng)用*

李國一 黃 樂 葉素娟 王 勇 熊文杰 黃 興

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，國家橡塑密封工程技術(shù)研究中心 廣東廣州 510700)

聚醚醚酮(PEEK)材料具有優(yōu)異的耐高溫、耐磨損、自潤滑、耐介質(zhì)腐蝕等特性，被廣泛應(yīng)用于密封領(lǐng)域[1-2]。然而，由于摩擦因數(shù)高、壓縮回彈性差、安裝難度大，其在密封領(lǐng)域的應(yīng)用受到局限。為改進(jìn)PEEK材料的性能，研究人員對其進(jìn)行了各種改性研究，并取得了良好的效果。但目前PEEK材料的研究主要側(cè)重于填料(類型、取向和比例)[3-5]、表面處理(處理方式、處理劑)等改性方法對其物理機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能的影響，以及在不同潤滑條件下[6-7]，與不同配偶副材料[8-10]的多條件耦合下其摩擦磨損性能的變化規(guī)律。而PEEK材料的在液壓密封工況下的摩擦磨損性能研究則鮮有報(bào)道。

目前液壓往復(fù)組合密封多采用彈性體和填充改性聚四氟乙烯(PTFE)組合而成，然而高溫高壓下PTFE材料容易被擠出[11]，采用擋圈(比如耐高溫尼龍)雖然可以起到一定的抗擠出作用，但無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且在一些特殊應(yīng)用工況比如表面粗糙多孔情況下，PTFE容易受刮擦，磨損劇烈，從而導(dǎo)致密封失效。PEEK的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨損性能比PTFE要高，在某些特殊場合具有替代PTFE的潛力。秦自臻等[12]開展了PEEK旋轉(zhuǎn)密封環(huán)的密封性能仿真和試驗(yàn)研究，研究結(jié)果有助于探討脹圈型旋轉(zhuǎn)密封環(huán)的密封機(jī)制，指導(dǎo)新型密封環(huán)的設(shè)計(jì)。目前，PEEK材料在液壓密封中的仿真分析和應(yīng)用研究報(bào)道較少。

本文作者針對液壓往復(fù)密封的低摩擦、高耐磨、耐高壓抗擠出、耐液壓油等獨(dú)特工況條件，開展PEEK材料的填充改性及在液壓系統(tǒng)中的摩擦磨損性能研究；同時(shí)針對PEEK材料壓縮回彈性差、硬度高、安裝難度大等缺點(diǎn)，通過加工切口，并與彈性體組合形成組合密封，探討其在液壓往復(fù)密封中的應(yīng)用，并分析其密封機(jī)制，為PEEK材料在某些特殊場合替代聚四氟乙烯和尼龍材料在液壓密封系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

聚醚醚酮：550PF，300目，吉林中研高分子材料股份有限公司生產(chǎn)；

碳素纖維粉：YHP-CD-I，350目，青島遠(yuǎn)輝復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)；

聚四氟乙烯微粉：L-5，平均粒徑5 μm，大金氟化工有限公司生產(chǎn)；

二硫化鉬：F-0，上海膠體化工廠生產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

高速混合機(jī)：XH-5L，江蘇常州市寶潤欣鴻機(jī)械廠生產(chǎn)；

液壓機(jī)：Y32-50，廣東南海市中聯(lián)液壓機(jī)械廠生產(chǎn)；

燒結(jié)爐：RFX-150，浙江樂清市虹港爐業(yè)有限公司生產(chǎn)；

數(shù)控車床：CA6140，沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)；

拉力試驗(yàn)機(jī)：BTC-EXOPTIC，德國Zwick/Roell公司生產(chǎn)；

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：CFT-Ⅰ型，蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)；

硬度計(jì)：Zwick-3117，德國Zwick/Roell公司生產(chǎn)；

DMA：242E，德國NETZSCH生產(chǎn)；

3D表面輪廓儀：ZeGage TM，美國ZYGO生產(chǎn)；

微觀可視化測量系統(tǒng)：MP41，廣州MSHOT生產(chǎn)。

1.3 試樣的制備

將聚醚醚酮和碳素纖維粉、聚四氟乙烯微粉等按比例加入到高速混合機(jī)中混合均勻；取一定質(zhì)量的混合粉料在50～70 MPa的壓力下壓制成型，然后與模具一起放到燒結(jié)爐中在380～400 ℃下燒結(jié)2～4 h；燒結(jié)后馬上取出，并與模具一起放到液壓機(jī)上，在20～40 MPa的壓力下壓制保壓，直到冷卻至200 ℃以下脫模；脫模后將毛坯在200～250 ℃下熱處理2～3 h，然后在數(shù)控車床或加工中心上加工成各種規(guī)格的試樣。制備的不同配比的5種試樣見表1。

表1 材料組成 單位：%

1.4 性能測試與表征

邵D硬度按GB/T 2411—2008測試；壓縮強(qiáng)度按GB/T 1041—2008測試；拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率按GB/T 1040—2006測試。

DMA：測試溫度-60～200 ℃，升溫速率5 ℃/min，頻率1 Hz。

摩擦因數(shù)、體積磨損率按ASTM G 99—2017測試，銷-盤式，干摩擦或液壓油潤滑，往復(fù)行程±12 mm，試驗(yàn)速度0.5 m/s，載荷50 N，時(shí)間120 min，磨損質(zhì)量直接用分析天平測量，體積磨損率按下式計(jì)算：

V=Δm/[ρ(L·F)]×1 000

式中：V為體積磨損率，mm3/(N·mm)；Δm為磨損質(zhì)量，g；ρ為試樣密度，g/cm3；L為滑行距離，mm；F為載荷，N。

材料磨損表面形貌采用3D表面輪廓儀測量，金屬對摩副(球)表面磨損情況采用微觀可視化測量系統(tǒng)測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

液壓往復(fù)密封需要密封材料有合適的硬度和彈性模量，當(dāng)受到預(yù)加壓力或流體壓力時(shí)容易壓縮回彈產(chǎn)生密封力，并有較高的強(qiáng)度和韌性，從而抵抗壓力的沖擊而不擠出、脆斷，因此對密封材料的基本力學(xué)性能有一定的要求，了解每種密封材料的特性對密封材料的正確選型至關(guān)重要。

對制備的5種試樣進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果見表2?？芍?，與PTFE試樣(試樣A)相比，PEEK試樣(試樣E)的硬度和彈性模量大，拉伸強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度較高，斷裂伸長率較小，這說明PEEK的抗壓強(qiáng)度高，抗擠出性好。但同時(shí)PEEK的可壓縮性比PTFE的要差，因此密封性要差，常溫下安裝困難，韌性較差。經(jīng)過碳纖維填充改性，PEEK試樣(試樣D)的硬度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度提高，但斷裂伸長率下降，韌性下降。這是因?yàn)樘祭w維的彈性模量和強(qiáng)度都比較大，填充到PEEK中可以起到增強(qiáng)的作用，但由于其與PEEK基體存在表面相容性不好的問題，因此斷裂伸長率下降。經(jīng)過PTFE填充改性，雖然PEEK試樣(試樣C)的硬度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度下降，但斷裂伸長率下降不大，能保持比較好的韌性。這是因?yàn)镻TFE是一種硬度和彈性模量較低的材料，因此起不到增強(qiáng)作用；同時(shí)其與PEEK基體也存在表面相容性不好的問題，因此斷裂伸長率下降，但下降幅度不大。

表2 PEEK與PTFE復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2 摩擦磨損性能

液壓元件作往復(fù)運(yùn)動，要求密封件材料摩擦因數(shù)低和耐磨損。摩擦因數(shù)低意味著摩擦阻力較小，耐磨損意味著使用壽命較長。聚醚醚酮材料具有一定的耐磨損特性，但其摩擦因數(shù)比較大，因此需對其進(jìn)行改性。液壓元件一般在不同溫度、壓力和速度下工作，因此須測試改性后聚醚醚酮密封材料在不同溫度、壓力和速度下的摩擦因數(shù)和體積磨損率，研究密封件磨損失效機(jī)制，為密封件的使用壽命評估提供參考。

圖1所示為3種密封材料在液壓油潤滑下的摩擦因數(shù)，載荷50 N，往復(fù)速度0.5 m/s，往復(fù)行程±12 mm，摩擦副材料為直徑6 mm的表面鍍硬鉻金屬球，表面粗糙度0.4 μm?？梢钥闯?，在液壓油潤滑下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%青銅粉填充改性PTFE(試樣B)的摩擦因數(shù)最低，約為0.02；質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK(試樣C)的摩擦因數(shù)約為0.05，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK(試樣D)的摩擦因數(shù)約為0.07。

圖2所示為3種密封材料在干摩擦下的摩擦因數(shù)。可知，在干摩擦下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%青銅粉填充改性PTFE(試樣B)的摩擦因數(shù)最低，約為0.07；質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK(試樣C)，摩擦因數(shù)約為0.15，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK(試樣B)的摩擦因數(shù)約為0.25。

圖2 干摩擦下不同密封材料的摩擦因數(shù)

PEEK材料在干摩擦下的摩擦因數(shù)約為0.34，在潤滑油摩擦下的摩擦因數(shù)不超過0.05[13]，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK的干摩擦因數(shù)約為0.15，潤滑油摩擦因數(shù)約為0.05?？梢?，在干摩擦和油潤滑的條件下，PTFE都可有效降低PEEK材料的摩擦因數(shù)，并且使其在干摩擦條件下具有一定的運(yùn)行能力。這是因?yàn)镻TFE是一種固體潤滑劑，其在摩擦過程中分子層間的滑移[13-14]，使其摩擦因數(shù)非常低。

圖3所示為3種密封材料在干摩擦和油潤滑下的體積磨損率?？芍?，在油潤滑下，3種材料的體積磨損率比較接近，約為(7～9)×10-6mm3/(N·m)。在干摩擦條件下，3種材料的體積磨損率都有增大。其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%青銅粉填充改性PTFE(試樣B)在油潤滑和干摩擦下的體積磨損率比較接近，說明PTFE材料更適應(yīng)干摩擦運(yùn)行工況。與質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK(試樣C)相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK(試樣D)油潤滑下的體積磨損率更小，說明質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK的耐磨損性更好。

圖3 不同密封材料在干摩擦和油潤滑下的體積磨損率

圖4所示為干摩擦下3種密封材料磨損后的表面顯微和光學(xué)形貌。從表面顯微圖可以看出，相比質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%青銅粉填充改性PTFE(試樣B)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK(試樣D)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK(試樣C)的磨損磨痕寬度較大，深度較深。從光學(xué)形貌圖可以看出，3種材料的磨痕中間區(qū)域的粗糙度比邊緣區(qū)域的粗糙度小，表明中間區(qū)域的磨痕表面比較光滑，光學(xué)形貌數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4 干摩擦下不同密封材料的磨損表面顯微圖(放大10倍)和光學(xué)形貌圖

表3 不同材料的表面粗糙峰高度

可以看出，相比質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%青銅粉填充改性PTFE(試樣B)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK(試樣D),質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK(試樣C)的磨損表面粗糙峰的平均高度、最大高度和均方高度均較大，表明材料的表面比較粗糙。

圖5所示為與不同密封材料對摩的金屬(球)表面的磨損表面顯微形貌?？梢钥闯?，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%青銅粉填充改性PTFE(試樣B)對磨的金屬表面呈現(xiàn)明顯的磨粒磨損特征；與質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK(試樣D)對摩的金屬表面呈現(xiàn)輕微的磨粒磨損特征；與質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK(試樣C)對摩的金屬表面則沒有明顯的磨損現(xiàn)象，其主要磨損為黏著磨損。這說明青銅粉和碳纖維與金屬之間的磨損主要為磨粒磨損，PEEK、PTFE與金屬之間的磨損主要為黏著磨損。

圖5 干摩擦下金屬對摩面(球)的磨損表面顯微圖(放大60倍)

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

與PTFE材料相比，PEEK材料硬度和彈性模量較高，其抗壓和抗擠出能力比較強(qiáng)，比較適合高溫高壓密封場合。在摩擦磨損性能方面，經(jīng)過改性的PEEK的摩擦因數(shù)會降低，耐磨損性與PTFE相當(dāng)，因此在一些極端液壓往復(fù)密封工況比如高溫高壓，可以考慮采用改性PEEK作為密封材料。其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性PEEK的摩擦因數(shù)較低，雖然耐磨損性不如質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%碳纖維填充改性PEEK，但其硬度和彈性模量相對較小，且斷裂伸長率和韌性更好，對金屬摩擦副沒有損傷，更適合作為密封材料。

然而，PEEK材料室溫下硬度比較高、彈性小、可壓縮性差，拉伸裝配困難，切口方式是解決該問題的有效方法。切口方式有直切口、斜切口和Z形切口，前2種切口方式的泄漏量比較大，密封效果差，而Z形切口有利于控制泄漏量(如圖6所示)。

圖6 密封件Z形切口示意

Z形切口雖然解決了安裝的問題，但切口增加了泄漏通道，且由于PEEK彈性小，密封效果較差，需要采用橡膠彈性體作為彈性補(bǔ)償元件。橡膠彈性體與PEEK構(gòu)成的組合密封圈，可有效解決PEEK彈性差的問題。因相比O形橡膠圈，D形橡膠圈更適用于高壓工況，因此文中選取D形圈橡膠彈性體作為彈性元件，開展組合密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能仿真。其中，壓縮量取12%～15%，填充率取90%～95%。密封系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 密封系統(tǒng)組成示意

為了模擬實(shí)際工況下密封受力和接觸壓力分布情況，分析了常溫(25 ℃)、低溫(-55 ℃)和高溫(135 ℃)下密封圈在裝配和承受介質(zhì)壓力后的受力變形情況，密封件的材料性能取常溫、低溫和高溫下測得的材料性能，結(jié)構(gòu)尺寸用設(shè)計(jì)時(shí)的公稱尺寸，分析結(jié)果如圖8—10所示。

圖8 常溫(25 ℃)下密封圈的應(yīng)力分析結(jié)果

圖10 高溫(135 ℃)下密封圈應(yīng)力分析結(jié)果

從分析結(jié)果可以看出,密封件在-55、25、135 ℃ 3種溫度下的受力變形規(guī)律很相似，在裝配狀態(tài)下PEEK密封環(huán)與彈性體的等效應(yīng)力值較為接近，彈性體的等效應(yīng)變量遠(yuǎn)大于密封環(huán)，接觸壓力呈拋物線狀分布在密封面上[15-16]；施加42 MPa介質(zhì)壓力后，密封環(huán)的等效應(yīng)力值高于彈性體，最大等效應(yīng)力發(fā)生在密封環(huán)背壓尖角處，但未發(fā)生擠出變形，而彈性體的等效應(yīng)變量仍遠(yuǎn)大于密封環(huán)，接觸壓力呈近似矩形分布在密封面上，且最大接觸壓力都大于介質(zhì)壓力，可以滿足密封要求。但由于溫度會對密封件的材料性能和結(jié)構(gòu)形狀造成影響(其中結(jié)構(gòu)形狀的影響主要是考慮熱脹冷縮對密封件尺寸的影響)，使得3種溫度下密封件的性能也有所不同。

圖11給出了密封件裝配時(shí)在-55、25、135 ℃ 3種溫度下密封環(huán)與缸筒接觸區(qū)的接觸壓力分布?？梢钥闯?，低溫下的接觸壓力遠(yuǎn)大于常溫和高溫下，而高溫下接觸壓力最小，說明裝配時(shí)溫度對密封接觸壓力的影響是很大的。溫度的降低會使得密封材料變硬、密封結(jié)構(gòu)收縮，材料變硬會增大接觸壓力，結(jié)構(gòu)收縮則會使接觸壓力降低。從結(jié)果來看，該設(shè)計(jì)方案密封性能隨溫度的變化主要由其材料性能隨溫度變化引起的，密封件結(jié)構(gòu)尺寸隨溫度的變化對該方案密封性能的影響較小。

圖12所示為密封件材料在低溫(-55 ℃)、常溫(25 ℃)和高溫(135 ℃)3種溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。可以看出，相比常溫(25 ℃)和高溫(135 ℃)條件，低溫(-55 ℃)條件下，密封件材料的應(yīng)變受應(yīng)力的影響較大。這是因?yàn)樵诘蜏叵?，材料的分子鏈被凍結(jié)，分子運(yùn)動困難，材料彈性變差，因此應(yīng)變受應(yīng)力影響較大。

圖13所示為42 MPa的介質(zhì)壓力下，密封件在低溫(-55 ℃)、常溫(25 ℃)和高溫(135 ℃)條件下密封環(huán)與缸筒接觸區(qū)的接觸壓力分布?？梢钥闯?，3種溫度下的最大接觸壓力都大于介質(zhì)壓力42 MPa。承受42 MPa介質(zhì)壓力前后的最大接觸壓力結(jié)果如表4所示。

圖13 介質(zhì)壓力42 MPa下密封件在低溫(-55 ℃)、常溫(25 ℃)和高溫(135 ℃)下不同接觸區(qū)的接觸壓力分布

表4 密封件在低溫(-55 ℃)、常溫(25 ℃)和高溫 (135 ℃)下受42 MPa壓力前后的最大接觸壓力

從表4中可以看出，在低溫(-55 ℃)、常溫(25 ℃)和高溫(135 ℃)3種條件下，在介質(zhì)壓力42 MPa條件下的密封件接觸壓力均比無介質(zhì)壓力條件下的最大接觸壓力顯著增加，且增加后的最大接觸壓力數(shù)值比較接近，說明承受介質(zhì)壓力后溫度對接觸壓力的影響減弱。

上述結(jié)果表明文中設(shè)計(jì)方案在3種溫度下都能滿足密封42 MPa介質(zhì)壓力的要求。

2.4 密封件試驗(yàn)

對組合密封件開展啟動摩擦力、泄漏率、高低溫和高低壓等密封功能試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與單一PEEK密封環(huán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了比較。結(jié)果表明，組合密封件的啟動摩擦力和泄漏率均優(yōu)于單一PEEK密封環(huán),在-55、25、70、135 ℃下其啟動摩擦力和泄漏率小，并且在低壓5 MPa、高壓27和42 MPa下泄漏率都小于100 mL/min，往復(fù)使用壽命達(dá)到了200多萬次，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

為滿足液壓往復(fù)密封工況的要求，對PEEK材料進(jìn)行改性研究，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元仿真分析，制備了液壓往復(fù)用組合密封件，并開展了密封功能試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

(1)與填充改性PTFE相比，PEEK材料的硬度、彈性模量更高，抗壓和抗擠出性更好；經(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%PTFE填充改性的PEEK材料摩擦因數(shù)較低，不會損傷對摩的金屬摩擦副，適合應(yīng)用于液壓往復(fù)密封。

(2)將PEEK密封環(huán)設(shè)計(jì)成Z形切口，并與彈性體組合形成組合密封件，可以解決其難安裝和彈性差等問題。有限元仿真分析表明，組合密封件在-55、25和135 ℃下都可以適應(yīng)高壓42 MPa的壓力。

(3)密封功能試驗(yàn)表明，與單一PEEK密封環(huán)相比，組合密封件的啟動摩擦力更小，泄漏率更低，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。