乐伟巍
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摘要：本文使用高分子材料和316不锈钢组成摩擦副，在不锈钢表面加工出凹坑型表面织构，经磨损试验表明，对于低弹性模量的UHMWPE，表面织构具有增大磨损的作用，随着高分子材料弹性模量的增加，表面织构对减少磨损的作用越来越明显，而PET、POM、PA66、PEEK四种材料的表面织构具有减少磨损的作用。
关键词：高分子材料；机械密封；磨损；表面织构
机械密封是流体机械中用于旋转轴端密封的重要部件，传统的接触式机械密封是利用弹性元件对密封端面施加一定的压力，从而使动静环相互贴紧，以达到密封效果。为了满足密封端面在相互运动过程中良好的摩擦相容性及物理力学性能要求，通常采用软硬材料组成摩擦副。密封端面常用的软材料有碳石墨及铜合金，硬材料有合金钢及工程陶瓷等。
一、高分子材料概述
高分子材料是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂(助剂)所构成的材料。人们所接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。此外，高分子材料按来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。其中，天然高分子是存在于动物、植物及生物体内的高分子物质，可分为天然纤维、天然树脂、天然橡胶、动物胶等。而合成高分子材料主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料，还包括胶黏剂、涂料及各种功能性高分子材料。合成高分子材料具有天然高分子材料所没有的或较为优越的性能——较小的密度、较高的力学、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等。高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。
二、试验部分
1、试样制备。当摩擦副由软硬材料组成时,虽然将表面织构加工在软材料表面能避免高接触应力,但将表面织构加工在硬材料表面时,可避免因磨损导致的表面织构形态的变化。本文选择316不锈钢作为硬质材料,采用光刻-电解加工工艺,将表面织构加工在其接触表面。文中的表面织构均为圆形凹坑阵列,微凹坑直径为100和200μm,面积率为10.3%、19.6%、29.9%和40.1%,凹坑深度统一为10μm。
本文选用5种高分子材料试样,模拟机械密封中的静环。高分子材料试样采用成品材料通过机加工方法得到,其表面粗糙度为400～800 nm。5种材料分别为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚己二酰己二胺(PA66)和聚醚醚酮(PEEK)。
2、试验设计。采用MMW-1A型万能摩擦磨损试验机在室温25℃,湿度60%左右条件下进行磨损试验。该试验机采用电机驱动弹簧加载,电机带动皮带轮驱动主轴实现旋转运动。由于机械密封的磨损发生在混合或边界摩擦条件,本试验采用高载低速的加速试验方式。选取试验载荷为280N(0.6 MPa),转速为200r/min(13.2m/min),采用去离子水作为润滑介质,试验时间为12h。试验前后均对高分子材料进行清洁和干燥，并用分析天平称量试样质量。
三、试验结果
图1 不同材料的磨损率
图1为不同高分子材料与不同参数的织构化316不锈钢在载荷280 N、转速200r/min、去离子水介质、经12h磨损试验的磨损率,其中横坐标为表面织构面积率,纵坐标为磨损率,图中“non”表示非织构化试样。
图1(a)为UHMWPE与不同参数的织构化316不锈钢磨损试验后测得的磨损率。由此可知,相对无织构表面,表面织构的引入起到了强烈的增磨作用。凹坑直径为100μm时,磨损率随面积率增大而增大,凹坑直径为200μm时,磨损率呈现先减小后增大的趋势。
图1(b)为PET与不同参数表面织构化316不锈钢磨损试验后测得的磨损率。由此可知,凹坑直径100μm,面积率10%及凹坑直径200μm,面积率30%两组试样表现出一定的减磨效果,相对无织构试样,磨损率有所下降。对凹坑直径100μm试样,磨损率随着面积率增加而增加,对直径200μm的试样,磨损率呈现先增大后减小的趋势。
图1(c)为POM与不同参数织构化316不锈钢磨损试验后测得的磨损率。由此可知,磨损率先降低后增高,表面织构的引入能有效降低磨损率。当表面织构的面积率在10～30%时,表现出明显的减磨效果。凹坑直径100μm,面积率20%时,其减磨效果最明显。
图1(d)为PA66与不同参数织构化316不锈钢磨损试验后测得的磨损率。表面织构的引入起到了降低磨损率的作用,在各个凹坑直径下,随着面积率的升高,磨损率呈现先减小后略微增大的趋势。表面织构最大减磨效果出现在参数为凹坑直径200μm,面积率20%时,试样的减磨效果最明显。
图1(e)为PEEK与不同参数织构化316不锈钢磨损试验后测得的磨损率。由此可知,表面织构的减磨效果明显,当凹坑直径100μm,面积率10%时,磨损率相比无织构试样大幅下降。
从以上磨损率试验结果可知,随着高分子材料弹性模量的增加,表面织构起到的减磨作用越来越明显。当弹性模量最低的高分子材料UHMWPE与316不锈钢组成摩擦副时,表面织构的引入带来了剧烈的磨损。另外，随着高分子材料弹性模量的升高,表面织构带来的减小磨损作用逐渐增强,弹性模量最大的PEEK与316不锈钢组成摩擦副时,其减磨效果显著。
四、结果讨论
现有研究表明,表面织构减摩机理主要包括附加流体动压效应、“二次润滑”效应和容纳磨屑作用。然而,有研究者发现,表面织构的引入也会造成接触面应力升高,引起摩擦系数增大,磨损增加。本文的研究表明,在同样的织构参数下,磨损率随着材料弹性模量的增加而减小，尽管磨损与材料的强度、对偶材料的粘附特性等多种因素相关,本文利用ANSYS分析软件对织构化表面进行接触应力和变形分析,重点关注接触应力和变形可能对磨损产生的影响。
为便于计算,本文以一个凹坑单元作为分析模型，带有凹坑的316不锈钢为上试样,光滑的高分子材料作为下试样,分析类型为静力分析,单元类型为体单元。模拟过程中通过变化凹坑直径、单元边长控制表面织构的面积率，根据实际工况,设定上试样的上表面为全固定约束；上、下试样的四个侧面均定义法向位移约束；下试样下表面施加0.6 MPa的法向载荷。
图2(a)为试样受压后的应力云图,由此可知,微凹坑及微凹坑所对应的区域出现了应力集中现象。图2(b)为下试样受压后的变形云图,微凹坑所对应的光滑表面发生了凸起的现象。因此,在摩擦副相互运动中,由于接触应力的作用会使软材料发生凸起形变,当形变较大又存在相对运动时,金属表面的微凹坑易对对偶软质光滑试样产生微切削作用,同时导致摩擦系数的增大,如图2(c)所示。
图2 织构化表面接触过程中的应力和变形
此外，当凹坑深度为10μm,面积率为10～40%,直径为100、200μm时,随着试样的弹性模量增加,其表面的凸起高度减小明显。以本研究中弹性模量最小的UHMWPE和弹性模量最大的PEEK为例,在相同参数的表面织构下,其凸起高度的差值可达到20倍。另外,以凹坑深度10μm,面积率10%为例,可观察到随着凹坑直径的增加,凸起高度随之增加的现象,而且弹性模量越小,凸起高度对凹坑直径越敏感。在摩擦过程中,表面织构对变形产生的凸起可能会产生切削效应，切削效应会导致摩擦中摩擦系数的上升,磨损量的增加及摩擦热的产生。而摩擦热会使材料表面软化,从而加剧凸起变形现象,造成接触条件的进一步恶化。当切削作用造成的增摩作用大于表面织构产生的减摩作用时，表面织构对整个摩擦过程表现出增加摩擦系数和磨损率的作用,因此在利用表面织构时,不但要考虑表面织构参数的优化,还要结合摩擦副材料的性质,避免因应力集中和接触变形可能引起的切削作用。
参考文献：
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[2]邓海顺.微凹坑相对位置变化对表面减摩性能的影响[J].中国矿业大学学报,2016(04).
[3]王晓雷.高分子材料机械密封磨损特性及表面织构的影响[J].摩擦学学报，2015(06).