PTFE復合材料密封圈摩擦特性的對比研究*

葉素娟 黃 興 王文虎 郭 飛2 夏迎松3 李國一 譚 鋒

(1.廣州機械科學研究院有限公司，國家橡塑密封工程技術研究中心 廣東廣州 510700；2.清華大學摩擦學國家重點實驗室 北京 100084；3.安徽中鼎密封件股份有限公司 安徽宣城 242300)

密封過早失效已成為液壓系統(tǒng)無故障運行的瓶頸，研究PTFE密封件失效機制，開發(fā)高性能、長壽命的密封件成為重要的課題。密封的結構設計、流體介質特性、潤滑狀況、工作參數(shù)、密封材料等影響液壓密封系統(tǒng)摩擦磨損性能。在潤滑不佳條件下，密封材料的摩擦磨損性能對于整個液壓系統(tǒng)的可靠性至為關鍵。往復液壓密封系統(tǒng)常用PTFE密封件，液壓密封系統(tǒng)性能與PTFE復合材料的摩擦磨損性能密切相關[1-3]。

PTFE密封圈作為往復密封的一種，是保障液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、防止流體泄漏和外部異物侵入的重要基礎部件。但PTFE材料耐磨損性能較差，需要進行填充以改善其抗磨性能。目前市面上已有的PTFE復合材料主要為填充纖維類、填充石墨、銅粉等顆粒類的材料。國內現(xiàn)有測試多針對樣品進行試驗，國外雖有相關PTFE密封臺架試驗研究，但主要是針對結構優(yōu)化方面的報道[4-6]。目前國內有關PTFE密封試驗臺架性能測試和驗證方面較少有相關報道，缺乏實際密封產(chǎn)品的臺架試驗。

此外，對于長期運行的PTFE密封件，磨損是其失效的原因之一，PTFE密封件在實際運作中的失效現(xiàn)象還有嚴重的擠壓變形問題[7-8]。因此，PTFE的蠕變現(xiàn)象帶來的尺寸變化也不能忽略，對于該問題國內外研究較少，亟待探究。

研究密封系統(tǒng)的密封性能，難以用理論分析獲得，密封運行過程中涉及壓力、溫度、潤滑油膜等，難以通過材料基本力學性能準確預測密封性能。因此，為研究液壓密封系統(tǒng)密封性能規(guī)律，設計液壓系統(tǒng)密封試驗臺架是非常重要的?；诖?，本文作者通過自搭建的往復密封試驗臺架，對比分析了長時間工況下，青銅/PTFE復合材料、含Cr2O3減磨劑的青銅/PTFE復合材料、碳粉/石墨/PTFE復合材料、碳纖/PTFE復合材料、玻纖/PTFE復合材料等5種填充PTFE復合材料制成的密封圈的摩擦磨損性能，測量了各密封圈表面溫升，分析各密封圈運行后的蠕變情況和失效機制，優(yōu)選出性能優(yōu)異的復合PTFE材料，以期為高可靠長壽命的PTFE往復密封圈選型與研制提供指導。

1 實驗部分

1.1 PTFE復合材料

往復液壓油缸PTFE密封件的密封效果與結構和復合材料性能密切相關。本文作者在前期的研究中制備了含Cr2O3減磨劑的青銅/PTFE復合材料，與其他填充PTFE復合材料相比，具有較優(yōu)異的摩擦磨損性能[9]。為探討PTFE密封件失效機制及與復合材料的性能關系，研究青銅/PTFE復合材料、含Cr2O3減磨劑的青銅/PTFE復合材料、碳粉/石墨/PTFE復合材料、碳纖/PTFE復合材料、玻纖/PTFE復合材料等制成的密封件的密封性能。所選PTFE復合材料組成如表1所示。

表1中E6為文中制備的高耐磨青銅/PTFE復合材料，A6、B6、C6和D6為目前常用的PTFE密封件復合材料。

表1 PTFE復合材料密封件

Table 1 PTFE composites for seals%

DesignationPTFEFillerAnti-wear additiveA67525(CF)0B67525(GF)0C67523(C)2(Gr.)D67525(Bronze)0E67524(Bronze)1(Cr2O3)

1.2 PTFE密封件的制備

PTFE密封件制備的工藝流程為：PTFE復合材料樣品→按照圖紙數(shù)控車床車削加工→尺寸和外觀檢測，得到PTFE密封件。如圖1所示。

圖1 往復液壓試驗臺架的PTFE密封件

PTFE試樣是由其坯料車削加工而成的，因此材料的加工精度及光潔度是該環(huán)節(jié)所確定的。采用數(shù)控車床進行車削加工，刀具采用高耐磨的材質制定，參考光潔度Ra1.6 μm的要求加工。

1.3 往復液壓密封臺架試驗測試

根據(jù)往復液壓密封使用方式不同，設計了試驗臺架，如圖2所示。試驗臺安裝有壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、測壓接頭、快速接頭等傳感器及附件，進出油口采用快速接頭方便快速連接。

試驗臺參數(shù)：

測試壓力：0～35 MPa；

往復行程：最大400 mm；

往復速度：0～0.5 m/s；

活塞桿：φ100 mm，表面鍍硬鉻，表面粗糙度Ra0.2～0.4；

潤滑介質：抗磨液壓油HM46；

活塞桿溫度：測試過程中待活塞桿溫度平衡后，用測溫儀測量活塞桿上的最高溫度。

圖2 往復密封試驗臺示意圖

2 結果與討論

液壓密封的摩擦力對液壓系統(tǒng)十分重要，影響著機械設備的效率和功能。摩擦力大意味著更高的能耗，而且會導致系統(tǒng)的溫升過高，造成材料力學性能下降。圖3所示為PTFE密封圈摩擦力隨往復液壓油缸運動行程的變化曲線，可以看到，5種復合材料密封圈的摩擦力時變曲線具有相似的先增大后減小的變化趨勢，前期的跑合階段，微凸峰被磨損，接觸面增大，摩擦力不斷上升；穩(wěn)定運行過程中，隨著熱量的積聚，密封件處于高溫時間不斷增長，力學性能下降，表面材料抗剪切性能降低。當然，對于中后期密封件表面摩擦力的降低而言，長期受熱運行中密封件彈性模量下降、熱膨脹導致的對摩副接觸面積增多，與密封界面不斷被磨損造成的接觸面減少、潤滑區(qū)增多的相互競爭機制也不能忽略。

已有研究表明，對于軸向運行的往復密封而言，其運行過程處于混合潤滑狀態(tài)，密封界面的摩擦力包括流體剪切摩擦力與微凸峰接觸摩擦力兩項，因此，對于5種填充類復合PTFE密封圈而言，其密封界面摩擦力必然受到所填充填料類型影響。具體來講，在5種PTFE復合材料密封件中，有潤滑作用的碳粉/石墨填充的PTFE材料所制的密封件摩擦力最低，且較為平穩(wěn)，其穩(wěn)定摩擦力保持在550 N左右。其次是含有減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復合材料密封件，穩(wěn)定時摩擦力約為600 N。對比穩(wěn)定摩擦力約為820 N的不含Cr2O3的青銅/PTFE密封件可知，減磨劑Cr2O3可有效地降低PTFE密封件的摩擦力，與未添加減磨劑Cr2O3的PTFE密封件相比，摩擦力可降低約26.8%。而碳纖維、玻璃纖維等纖維類填充PTFE密封件在幾種復合材料密封件中摩擦力最大，往復滑行20 km后，摩擦力才達到較為平穩(wěn)的階段。這可能是因為填充的纖維材料破壞了PTFE的層狀剝落機制，表面材料的剪切強度更高，摩擦力較大；此外，所填充纖維類材料對活塞桿表面的研磨作用也需考慮。

圖3 PTFE密封件摩擦力隨行程的變化

總體而言，PTFE密封件的摩擦力能保持在較低穩(wěn)定值，這與彈性體密封件有重要區(qū)別，一方面，PTFE材料彈性模量高，滯后(變形)摩擦力較小；另一方面，PTFE類材料需要燒結成型和機械加工，材料內部存在的微觀孔隙能貯存潤滑介質，有利于保持穩(wěn)定的低摩擦力。

圖4所示為PTFE復合材料密封件的溫度隨行程的變化曲線?？梢钥吹?，在往復運動的前期，隨摩擦力的不斷增大，因PTFE類聚合物材料導熱系數(shù)低、散熱系數(shù)小，造成摩擦生熱的不斷積聚，密封圈的溫度不斷升高，直至與整個液壓系統(tǒng)達到產(chǎn)熱、散熱平衡時，各PTFE密封圈表面溫度趨于穩(wěn)定。對比圖3和圖4可以看出，摩擦力大的材料達到熱平衡時其表面溫度不一定高，因為最終的表面溫升不僅與產(chǎn)熱(摩擦力的大小)有關，還與密封圈散熱(材料導熱系數(shù))有密切關系。就碳纖維與玻璃纖維填充的PTFE密封圈而言，雖然碳纖維填充的PTFE密封圈摩擦力比玻璃纖維的要大，但其表面溫升卻比玻璃纖維的低，這可能是由于碳纖維的導熱系數(shù)要比玻璃纖維高，因此該材料制成的密封圈散熱能力更強，從而達到溫度平衡時的表面溫度會更低。

圖4 PTFE密封件的溫度隨運動行程的變化

一般來講，磨損是造成密封失效的重要原因，但PTFE類材料長期運行時常伴有蠕變現(xiàn)象發(fā)生，兩者應分開考慮。因此，各PTFE密封圈摩擦試驗后，測量其總徑向高度損失可定為磨損與蠕變總損失，為了區(qū)別磨損損失和蠕變損失，將臺架試驗后的PTFE密封件樣品重新放入燒結爐進行熱處理，經(jīng)過熱處理后密封圈徑向尺寸會發(fā)生一定的變化，回復的徑向高度可認為是該材料最低蠕變值。相關結果如圖5所示。前文提到，填充纖維可以提高表面的抗剪切強度，因此纖維類填充PTFE密封圈抗磨損性能較好，但其抗蠕變性能卻較差，這可能是因為PTFE基體內纖維的取向與其載荷方向不同所致；而碳粉/石墨和青銅粉在PTFE中作為剛性粒子存在，能有效阻礙限制PTFE分子的黏性流動，從而該類復合材料密封圈蠕變量較小。另外，摩擦溫升增加PTFE分子熱運動程度，也會對幾種密封圈的蠕變量造成一定影響[10]。就耐磨損性能而言，碳粉/石墨改性的PTFE方形密封件，材料的耐磨損性能最差。含減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復合材料密封件的磨損值較少，總損失高度也較低，進一步證明減磨劑Cr2O3能有效提高青銅/PTFE復合材料的摩擦磨損性能，延長使用壽命。

圖5 PTFE復合材料密封件的磨損與蠕變損失

圖6所示為PTFE復合材料階梯形密封件試驗后的SEM照片。

圖6 PTFE復合材料密封件試驗后的SEM照片

PTFE密封件在未經(jīng)過往復液壓臺架測試前，均是燒結后毛坯進行車削加工的，采取相同的進刀和加工方式，保證其表面粗糙度的一致性。C6為碳粉/石墨填充的PTFE復合材料密封件，可看出其磨損表面呈現(xiàn)為層狀剝落的磨損現(xiàn)象。這是由于當PTFE受到外力作用時，分子間容易滑移，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。A6、B6分別為碳纖、玻纖改性的PTFE階梯形密封件，從其磨損表面依然清晰可見纖維被摩擦拔出的痕跡，留下纖維拔除后的凹坑，從PTFE基體中拔出的纖維，成為磨粒，在界面參與摩擦，使得磨損加劇[9]。脫落的填料顆粒，在壓力的作用下進入PTFE復合材料基體，產(chǎn)生壓痕，使得接觸表面劃傷PTFE復合材料基體，從而留下凹痕。D6磨損表面存在一些較深的磨痕，存在較為劇烈磨損現(xiàn)象。含減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復合材料密封件E6表面較為光滑，只有輕微的磨損。根據(jù)磨損表面SEM照片的分析可知，PTFE密封件表面有較多的磨痕，說明密封件在工作過程中并未形成完整的油膜，油膜厚度不均勻和存在油膜貧乏區(qū)域引起的。PTFE密封件表面熔融的現(xiàn)象，表明工作產(chǎn)生的摩擦熱對PTFE復合材料有較大影響。

泄漏是由于PTFE密封件接觸高度損失引起，損失的高度是由磨損和蠕變引起。PTFE復合材料的磨損改變密封件與密封端面的接觸，改變表面的粗糙度，從而影響摩擦力、溫度和泄漏。從表2可知，含Cr2O3的青銅/PTFE方形密封件的泄漏最少，比未含Cr2O3的青銅/PTFE方形密封件泄漏減少了80%。Cr2O3有利于形成黏結強度高的轉移膜，在混合潤滑狀態(tài)時能保持油膜的均勻，有利于降低摩擦力和磨損量，保證PTFE復合材料方形密封件與密封面的緊密配合，防止泄漏。碳粉/石墨填充PTFE方形密封件的泄漏量最大，往復30萬次時，泄漏達到300 mL。碳粉/石墨改性的PTFE復合材料在油液潤滑狀況下難以保持穩(wěn)定的轉移膜，潤滑介質容易帶走結合強度較差的轉移膜，從而引起轉移膜二次磨損，導致磨損加劇，從而引起泄漏增大。往復30萬次時，填充碳纖的PTFE方形密封件泄漏量為200 mL。纖維容易損傷配合面，改變表面粗糙度，加劇PTFE復合材料的磨損，從而引起泄漏增大。

PTFE復合材料密封件的填充材料直接作用密封面，影響活塞表面形貌，改變表面的粗糙度，影響PTFE復合材料的磨損。與活塞桿PTFE階梯形密封件相比，PTFE方形環(huán)的泄漏量較低，該密封結構在接觸時密封面積較大，具有較好的密封性能。

表2 PTFE密封件往復臺架試驗后的泄漏量

圖7所示為PTFE密封件接觸磨損分析示意圖?？芍簾o接觸狀態(tài)時PTFE無變形；往復液壓PTFE密封工作時，受到壓力、流體等影響，PTFE主要體現(xiàn)磨損和蠕變變形，導致密封尺寸變化和密封件厚度減少，從而導致泄漏失效。PTFE復合材料密封件的摩擦磨損與填充材料相關，填料的種類及其與基體的結合形式影響著轉移膜的形成和穩(wěn)定[11]。PTFE復合材料密封件在工作時，由于壓縮蠕變和磨損的影響，使得PTFE密封件的尺寸發(fā)生變化，變成厚薄不均勻的形狀，油壓力分布不一，產(chǎn)生泄漏。

圖7 PTFE密封件接觸磨損分析示意圖

PTFE復合材料密封件的磨損形式有黏著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。往復運動產(chǎn)生的摩擦熱，增強PTFE復合材料的黏著磨損；同時，摩擦熱使得PTFE基體軟化，分子鏈容易滑移剝落，填料粒子也容易脫落，形成磨屑，成為磨粒參與摩擦磨損；在長期動態(tài)壓力、溫度的作用下，PTFE容易出現(xiàn)以塑性變形為表觀現(xiàn)象的疲勞磨損形式。摩擦熱使得工作環(huán)境溫度上升，進一步增大PTFE復合材料的壓縮蠕變[12]，影響配合尺寸。

填料能影響PTFE密封件的磨損形式和蠕變程度。若填料能有效增強PTFE復合材料，受到壓力作用時，可承擔載荷的作用，提高抗蠕變性能。受到摩擦副作用時，抵抗摩擦副金屬峰的刨削，促進形成均勻穩(wěn)定的轉移膜，避免轉移膜二次磨損，形成PTFE復合材料-PTFE復合材料的對磨形式，有效保護基體和保證配合間隙。

3 結論

(1)含Cr2O3的青銅/PTFE復合材料密封件在工作過程中保持較低的摩擦力和溫度，密封件擠壓變形值和泄漏量最少，表現(xiàn)出優(yōu)異的密封性能。

(2)PTFE密封件泄漏與PTFE復合材料的性能密切相關。當PTFE復合材料具有良好的摩擦磨損性能、對摩擦副損傷小、低壓縮蠕變量、材料力學強度和轉移膜強度高時，可避免摩擦副的損傷造成的再次磨損，PTFE密封件才能保證較低的泄漏量。含減磨劑Cr2O3的青銅/PTFE復合材料具有良好的抗蠕變和摩擦磨損性能，促進轉移膜的形成和穩(wěn)定，有力的保證PTFE密封件的接觸和配合，泄漏較少(往復30萬次泄漏為10 mL)；碳纖、玻纖填充的PTFE復合材料摩擦磨損性能較好，但是容易損傷摩擦副，且抗蠕變性能差，難以保證PTFE階梯形密封件的配合，泄漏較多；碳粉/石墨填充的PTFE復合材料摩擦因數(shù)較低，但在油液潤滑狀態(tài)時，材料的力學和轉移膜強度不高，磨損損失較高，引起的高度損失偏多，因此泄漏量較大。

(3)往復液壓油缸密封臺架試驗能準確、快速和客觀反映出PTFE密封件實際應用時的密封性能。通過PTFE密封件臺架試驗并結合PTFE復合材料的性能，可研究PTFE密封件的失效機制，加強PTFE密封件摩擦性能和密封機制的研究，進而提高PTFE密封件的可靠性。PTFE復合材料密封件失效是由于材料蠕變變形和磨損損失，引起尺寸變化，影響配合精度，從而導致泄漏增大。