高分子聚合物材料微动摩擦磨损行为研究

　　摘要：组合密封中塑料环的耐磨特性对其密封性能有重要作用。为优选合适对摩材料，本文研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PTFE+40%铜粉、PTFE+7%碳纤维、PTFE+7%碳纤+5%MoS2、聚醚醚酮(PEEK)五种高分子聚合物材料与 QT500的微动摩擦磨损情况，从中筛选出 PTFE+7%碳纤维、UHMWPE 两种材料进行不同微动行程、润滑条件下的对比实验。结果表明，无论是在干摩擦还是油润滑条件下，UHMWPE 材料的平均摩擦系数随着微动行程的增大而增加，PTFE+7%碳纤维材料达到稳定状态时摩擦系数随着循环次数的波动较小。综合试验结果，当微动行程小于等于 0.2 mm 时建议选用 PTFE+7%碳纤维，微动行程大于 0.2 mm 时建议选用超高分子量聚乙烯材料。

　　关键词： 组合密封;聚合物材料;微动摩擦磨损;微动行程

　　组合密封兼具高回弹性与优异的减摩耐磨特性，拥有良好的静态和动态密封效果，在各类液压系统中广泛应用[1-2]。组合密封主要由弹性圈和耐磨圈两部分组成，其中弹性体主要以橡胶等弹性较大的材料制成，对整个弹性圈起弹性支撑作用，耐磨圈则主要以填充聚四氟乙烯或增强聚胺等塑料制成，与被密封面直接接触。对于组合密封，根据其运动行程的不同可划分为 4 种状态：第一种是完全静止(静密封);第二种是完全黏滑，此时密封圈只发生剪切变形，没有宏观的相对滑动;第三种为部分滑动，此时部分密封圈产生宏观的相对滑动，但仍有部分区域处于黏结状态;第四种是密封圈产生完全滑动(往复密封)。第二种和第三种状态很难界定，可看作是微动密封[3]，这种接触面之间的相对位移非常低，大部分磨损碎片都会被困在接触区界面之间[4]的非常小的振荡运动，将会导致裂纹在重复运动中形核和成长，致使微动磨损现象的发生，造成密封圈最终失效[5-6]。

　　由此可见，密封圈中的耐磨塑料圈必须有一定的耐磨能力来尽量避免微动磨损现象的发生。在密封圈相关材料的微动摩擦磨损研究方面，郑金鹏[7]等针对辅助密封圈与金属接触副间可能出现的复杂的微动运行状态进行了深入研究，并说明了由于橡胶具有超弹性，当往复位移幅值达到毫米级时其仍然处于微动运行状态，得出了在不同微动运行区域内，其摩擦系数呈现的不同的变化规律。

　　Shen[8]等详细讨论了丁腈橡胶微动运行特性、摩擦系数和磨损机理随位移幅值和载荷的变化规律。结果表明，磨损表面的粘层在微动磨损中起着重要作用，不同的微动运行状态下会呈现出不同的损伤特性，且微动特性与位移幅值有很强的相关性。Wang[9]等对比研究了六种聚合物(UHMWPE、PTFE、酚醛、PHBA、PEEK 和 PI)在往复滑动和微动磨损条件下的摩擦磨损行为，并提出几种材料的微动磨损性能关系为:PTFE能良好[9-16]，为此，本文通过测试超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)以及填充铜粉、碳纤维和二硫化钼的 PTFE 五种高分子聚合物材料与QT500 材料配副界面微动摩擦系数及磨损量变化规律，掌握组合密封的密封组件界面微动磨损特征，并筛选出两种性能较优的材料，观察其在干摩擦和油润滑两种润滑条件下及不同微动行程的微动摩擦学特性，为液压泵等会出现微动磨损的组合密封应用场合提供选材依据。

　　1. 试验

　　1.1 材料与装置：

　　试验所需的五种高分子聚合物材料为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PTFE+40%铜粉、PTFE+7%碳纤维、PTFE+7%碳纤+5%MoS2、聚醚醚酮(PEEK)，将这五种材料分别加工成 Φ12 mm×12 mm 的圆柱体，圆柱体为试验的上试件，下试件为 40 mm×40 mm×6.5mm 的 长 方 体 ， 材 料 为 QT500 。 本 试 验 通 过UMT-Tribolab摩擦磨损试验机往复模块以及根据试验机自行设计的夹具来进行高分子聚合物材料与金属配副的微动摩擦磨损试验。由于加工过程中留下的车刀痕迹等原因，在往复运动的过程中，耐磨圈与活塞杆等的接触是由线接触逐渐因为摩擦磨损而转化成面接触的，又为了探究材料在微动行程状态下取得的最小摩擦系数，在装配上下试件时，选择将长方体的纹路与试验机往复运动的方向一致，由此，本试验选择采用圆柱侧面与平板进行往复摩擦的方式以达到与实际的工程情况相符合的目的。

　　1.2 试验参数：

　　结合 UMT-Tribolab 摩擦磨损试验机的额定参数以及试验目的一共设置了两组试验。第一组试验为五种材料在干摩擦条件下，保证在总行程为 10800 mm 速度为 0.01 m/s 的条件下进行，第二组试验为超高分子量聚乙烯和 7%碳纤维填充的聚四氟乙烯两种材料分别在干摩擦和油润滑两种润滑条件下，保证在总微动行程为 54000 mm 的情况下进行。其中，润滑油为 10w-40，采取每隔一段时间用滴管滴油的方式进行油润滑。

　　2 结果与讨论

　　试验的摩擦系数由 UMT-Tribolab 摩擦磨损试验机实时记录得到，试验所得到的摩擦系数平均值是根据摩擦系数随着循环次数趋于稳定之后的摩擦系数曲线得到的。高分子聚合物材料磨损前后质量由塞多利斯(Sartonus)电子分析天平(测量精度为 0.1 mg)测得。

　　2.1 五种材料在干摩擦条件下保证速度不变的情况分析

　　2.1.1 摩擦系数

　　为五种材料在载荷和总行程不变时的摩擦系数变化关系，根据试验数据，五种材料的摩擦系数都随着频率的增加、微动行程的减小逐渐减小。五种材料 中 ， PTFE+7% 碳 纤 维 材 料 和 PTFE+7% 碳 纤+5%MoS2材料的摩擦系数在两种工况下较为接近，且摩擦系数随循环次数的波动趋势一致。PTFE+7%碳纤维材料在两种试验工况下摩擦系数均为最低。PTFE+40%铜粉材料和超高分子量聚乙烯材料摩擦系数较为接近，但 PTFE+40%铜粉材料在两种工况下的摩擦系数在平稳之后会随着循环次数的增加缓慢增加，而超高分子量聚乙烯的摩擦系数在平稳之后波动很小。

　　2.1.2 磨损量

　　为在干摩擦条件下超高分子量聚乙烯、PTFE+40%铜粉、PTFE+7%碳纤维、PTFE+7%碳纤+5%MoS2、PEEK 五种材料在保证载荷和总行程不变的情况下，改变频率和微动行程得到的磨损量与微动行程的关系图。PTFE+40%铜粉材料的在改变频率和微动行程的情况下得到的磨损量均小于其他几种材料，PTFE+40%铜粉和 PTFE+7%碳纤维两种材料在保证速度不变，总微动行程不变的情况下，改变频率和微动行程的情况下得到的磨损量规律相同，磨损量都随着频率的增大和微动行程的减小而增大，而超高分子量聚乙烯材料、PEEK 材料和PTFE+7%碳纤维材料+5%MoS2 三种材料的磨损量都随着频率的增大以及微动行程的减小而减小，相比于PEEK 材料，PTFE+7%碳纤维+5%MoS2材料磨损量减小的幅度更大一些。综合以上五种材料在第一组试验的两种工况下的摩擦系数和磨损量的情况，可以看出超高分子量聚乙烯材料和 PTFE+7%碳纤维材料的微动磨损性能较为优异，所以接下来选择超高分子量聚乙烯材料和PTFE+7%碳纤维材料两种材料进行第二组试验。

　　2.2 油润滑和干摩擦两种润滑条件下的情况分析

　　2.2.1 摩擦系数

　　为超高分子量聚乙烯和 PTFE+7%碳纤维两种材料分别在干摩擦和油润滑两种条件下摩擦系数图。超高分子量聚乙烯无论是在干摩擦还是油润滑条件下，材料的平均摩擦系数随着微动行程的增大而增大。在同一微动行程下，超高分子量聚乙烯材料干摩擦条件下的摩擦系数要大于油润滑条件下的摩擦系数。无论是在干摩擦条件下还是在油润滑条件下，PTFE+7%碳纤维材料的平均摩擦系数都随着微动行程的增加而增加。

　　在微动行程为 0.1 mm 时，干摩擦条件下的平均摩擦系数明显大于油润滑条件下的平均摩擦系数，而当微动行程为 0.2 mm、0.5 mm 时，干摩擦条件下的平均摩擦系数小于油润滑条件下的平均摩擦系数，可能是由于随着微动行程的增大，润滑油破坏了材料与金属配副间由于摩擦磨损而形成的固体润滑膜，从而导致油润滑条件下的平均摩擦系数大于干摩擦条件下的平均摩擦系数。为超高分子量聚乙烯材料在干摩擦条件下摩擦系数与循环次数的关系图。由图可知，干摩擦条件下摩擦系数很快就在一个固定的幅度范围内波动，为超高分子量聚乙烯材料在油润滑条件下摩擦系数与循环次数的关系图，可以看出在油润滑条件下，超高分子量聚乙烯材料的摩擦系数与循环次数的关系在试验最开始时随着循环次数的增加而逐渐增大，然后逐渐趋于平稳，但在平稳阶段的摩擦系数逐渐随着循环次数的增大而缓慢减小，其中微动行程为 0.1 mm 时这种变化规律更为明显。

　　为PTFE+7%碳纤维材料在干摩擦条件下摩擦系数与循环次数的关系图，由图可知在干摩擦条件下 PTFE+7%碳纤维材料在达到稳定后，摩擦系数随着循环次数的增加在一定范围内波动。为 PTFE+7%碳纤维材料在油润滑条件下摩擦系数与循环次数的关系图，由图可知材料在油润滑条件下达到稳定时的循环次数要比干摩擦条件下达到稳定时的循环次数更少，并且稳定后大多数情况下摩擦系数波动的幅度也要比在干摩擦条件下摩擦系数波动的幅度小。

　　综合以上两种材料的摩擦系数关系图，在干摩擦条件下，两种材料的摩擦系数虽然都随着微动行程的增加而增加，但 PTFE+7%碳纤维材料的摩擦系数随微动行程的增加的幅度明显小于超高分子量聚乙烯材料;微动行程大于 0.2 mm 时，PTFE+7%碳纤维材料的摩擦系数要低于同种工况下超高分子量聚乙烯材料的摩擦系数;在油润滑条件下，PTFE+7%碳纤维材料随循环次数的变化幅度更小，但其摩擦系数随着微动行程的增加而增加的幅度要明显大于超高分子量聚乙烯材料，并且当微动行程小于等于 0.2 mm 时，PTFE+7%碳纤维材料的摩擦系数明显小于相同工况下超高分子量聚乙烯的摩擦系数。

　　2.2.2 磨损量

　　为超高分子量聚乙烯、PTFE+7%碳纤维两种材料分别在干摩擦和油润滑两种条件下磨损量与微动行程的关系图。对于超高分子量聚乙烯材料，可以看出两种润滑条件下，微动行程为 0.2 mm 时的磨损量明显高于其他两种微动行程下的磨损量。此外，在同一微动行程下，干摩擦条件下材料的磨损量一般要高于油润滑条件下材料的磨损量。而对于 PTFE+7%碳纤维材料，不同润滑状态下磨损变化规律不一致，且微动行程为 0.5 mm 时的磨损量明显高于其他两种微动行程下的磨损量。总的来说，微动行程小于等于0.2 mm 时建议选用 PTFE+7%碳纤维，微动行程大于0.2 mm 时建议选用超高分子量聚乙烯材料。

　　3 结论

　　为提高组合密封中塑料圈微动摩擦磨损特性，研究了五种高分子聚合物材料与 QT500 的微动摩擦磨损情况，从中筛选出 PTFE+7%碳纤维、UHMWPE 两种材料进行不同微动行程、润滑条件下的对比实验，所研究条件下：(1)综合试验一两种工况条件下的磨损量和摩擦系数，超高分子量聚乙烯、PTFE+40%铜粉、PTFE+7%碳纤维、PTFE+7%碳纤+5%MoS2、PEEK 五种材料中，PTFE+7%碳纤维材料的摩擦系数较低，且都低于 0.1。(2)对于超高分子量聚乙烯材料，无论是在干摩擦还是油润滑条件下，材料的平均摩擦系数随着微动行程的增大而增大;油润滑条件下，摩擦系数随着循环次数的增加而缓慢减小。

　　(3)对于 PTFE+7%碳纤维材料，无论在干摩擦还是油润滑条件下达到稳定状态时摩擦系数随着循环次数的波动较小;微动行程为 0.1 mm 时，油润滑条件下的摩擦系数平均值小于在干摩擦条件下的摩擦系数平均值;微动行程大于 0.1 mm 时，油润滑条件下的摩擦系数平均值反而大于在干摩擦条件下的摩擦系数平均值。(4)对综合摩擦系数与磨损的测试结果，微动行程小于等于 0.2mm 时建议选用 PTFE+7%碳纤维材料，微动行程大于 0.2mm 时，建议选用超高分子量聚乙烯材料。

　　参考文献

　　[1] 杨继隆,俞浙青,裴翔等. 液压往复密封的技术进展[J]. 中国机械工程,2001, 12(7).

　　[2] Cheng G L,Guo F,Zang X H,et al.Failure analysis andimprovement measures of airplane actuator seals.Engineering Failure Analysis,2022.

　　[3] 吴琼,索双富,刘向锋,等. 丁腈橡胶 O 形圈的静密封及微动密封特性[J]. 润滑与密封,2012,37(11):5-11.WU Q,SUO S F,LIU X F et al. Static Sealing andPseudo-sealing Characteristics of NITrile Rubber O-ring[J].Lubrication Engineering,2012, 37(1):5-11.

　　[4] Waterhouse RB. Fretting corrosion. Oxford: PergamonPress;1972.p.4-5.

　　[5] Tan ZH, Guo Q, Zhao ZP, Liu HB, Wang LX.Characteristics of fretting wear resistance for unfilledengineering thermoplastics. Wear 2011;271:2269-73.

　　[6] Basseville S, Cailletaud G. An evaluation of thecompetition between wear and crack initiation in frettingconditions for Ti-6Al-4V alloy.Wear,2015;328-329:443-55.

　　[7] 郑金鹏. 机械密封补偿机构丁腈橡胶/金属密封界面微动损伤行为研究[D]. 浙江工业大学, 2015.

　　作者：金屿 1，吕晓仁 1，张兆想 2,3，郭飞 2*