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摘要：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利用弹性元件对密封端面施加一定的压力，使动环和静环紧密贴合，从而达到密封效果。理论上，表面宏观波纹度和微观粗糙度的存在会产生一定的流体动压效应，表面流体介质在热量的作用下会产生相变，可以提供一定的开启力。但随着密封PV值的增加，这种类型的机械密封摩擦系数大，摩擦生热程度高，容易因过度磨损而导致密封失效，影响设备的可靠性，并可能引发安全事故。
关键词：机械密封；高分子材料；表面织构；磨损；
为了提高金属/聚合物机械密封的耐磨性，采用光刻-电解技术在316不锈钢上制作了微坑阵列表面纹理，并用5种不同弹性模量的聚合物材料进行了磨损试验。试验结果表明，弹性模量最低的UHMWPE材料的表面织构起到了增加磨损的作用，而弹性模量较高的其他四种材料的表面织构起到了减少磨损的作用。随着高分子材料弹性模量的增加，表面纹理的抗磨效果也随之增加。为了解释这一现象，利用ANSYS有限元分析软件对摩擦副接触面的应力和变形进行了分析。结果表明，织构表面在接触过程中会产生应力集中和表面变形。材料弹性模量越小，凹坑引起的变形越明显，可能的切削效果越明显。
一、试样的制备
当摩擦副由软、硬材料组成时，在软材料上加工表面织构可以避免高接触应力，但在硬材料上加工表面织构可以避免磨损引起的表面织构变化。选用316不锈钢作为硬质材料，通过光刻-电化学加工工艺在其接触面上加工表面纹理。表面纹理处理的工艺流程：（1）将样品研磨抛光至表面粗糙度Ra为50 nm左右，清洗。（2）利用旋转涂胶工艺在样品表面涂覆厚度均匀的光刻胶；（3）通过紫外曝光、显影等工艺在金属表面制作具有一定几何参数的光刻胶掩膜；（4）利用电解去除金属材料，获得所需参数的表面织构。所用表面纹理均为圆形凹坑阵列，直径d为100和200μm，面积比r分别为10.3%、19.6%、29.9%和40.1%，凹坑深度h为10 μ m。高分子材料由成品材料加工而成，表面粗糙度Ra为400 ~ 800 nm。这五种材料是UHMWPE，聚酯，聚甲醛，尼龙66和聚醚醚酮。
二、试验的设计
磨损试验采用MMW-1A万能摩擦磨损试验机，在室温25℃，湿度60%左右的条件下进行。如图1所示，
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图1试验机原理图
试验机采用电机带动弹簧加载，电机带动皮带轮带动主轴转动。由于机械密封的磨损是在混合或边界摩擦的情况下发生的，因此本试验采用高载荷、低速度的加速试验方法。试验载荷为280 N（0.6 MPa），转速为200 r/min（13.2 m/min），润滑介质为去离子水。测试时间为12小时。测试前后，将高分子材料清洗并干燥，用分析天平称量样品质量。试验前后的质量之差即为试样的磨损量，试样的磨损率可由公式得出，即：
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其中：Vd为磨损体积，由磨损质量换算得到，mm3f为正常载荷，n；l是总滑动距离，m.
三、试验的结果
图2显示了不同聚合物材料和不同参数的纹理。316不锈钢在负载280 N、转速200 r/min、去离子水介质条件下12 h磨损试验后的磨损率，其中横坐标为表面织构面积率，纵坐标为磨损率，图中“non”表示无织构试样。
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图2不同材料的磨损率
图2（a）显示了磨损试验后不同参数的UHMWPE和变形316不锈钢的磨损率。可以看出，与无织构表面相比，表面织构的引入在增加磨损方面起到了很强的作用。当凹坑直径为100μm时，磨损率随面积比的增大而增大。当凹坑直径为200μm时，磨损率先减小后增大，磨损率增加14.33～62.25倍。图2（b）显示了具有不同表面结构参数的pet和316不锈钢的磨损率。从图中可以看出，凹坑直径为100μm、面积比为10%、凹坑直径为200μm、面积比为30%的两组试样均表现出一定的抗磨效果。与无织构试样相比，磨损率分别降低了14.89%和17.02%，磨损率随面积比的增大而增大。对于直径为200μm的试样，磨损率先增大后减小。图2（c）显示了不同参数的POM和变形316不锈钢的磨损率。整体而言，磨损率先减小后增大，表面织构的引入可以有效地降低磨损率。当表面织构面积比为10%～30%时，磨损率比无织构试样降低23.6%～33.2%，磨损率比无织构试样降低33.2%。图2（d）显示了不同织构参数的PA66和316不锈钢的磨损率。表面织构的引入可以降低磨损率。随着面积比的增大，磨损率随凹坑直径的增大而减小，磨损率先减小后略有增加。当凹坑直径为200μm，面积比为20%时，表面织构的减磨效果最大。试样的磨损率比无织构试样低76.68%。图2（E）显示了不同参数的PEEK和织构316不锈钢的磨损率，表面织构的减磨效果非常明显。当凹坑直径为100μm，面积比为10%时，磨损率比无织构试样低87.5%。从以上磨损率试验结果可以看出，随着高分子材料弹性模量的增加，表面织构的减磨效果越来越明显。由不同材料组成的摩擦副的最佳减摩结果如图3所示。
图3不同材料摩擦副的最大减磨率
当弹性模量最低的高分子材料UHMWPE与316不锈钢形成摩擦副时，表面织构的引入带来了严重的磨损，磨损率是无织构试样的13.33倍。随着高分子材料弹性模量的增加，表面织构对减摩效果逐渐增强。当弹性
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图4织构化表面接触过程中的应力和变形
模量最高的peek与316不锈钢形成摩擦副时，弹性模量最低的UHMWPE的磨损率是无织构试样的13.33倍，磨损率降低到87.5%，减磨效果显著。
四、结果与讨论
现有研究表明，表面织构的减摩机理主要包括附加动压效应、“二次润滑”效应和磨屑包容。然而，研究人员发现，表面纹理的引入也会导致界面应力增加，导致摩擦系数和磨损增加。研究表明，在相同的织构参数下，磨损率随着材料弹性模量的增加而降低。虽然磨损与材料强度、双材料的粘附特性等诸多因素有关，但利用ANSYS分析软件对织构化表面的接触应力和变形进行了分析，重点分析了接触应力和变形对磨损可能产生的影响。图4（a）显示了压缩后试样的应力云图，从中可以清楚地看到微坑和对应于微坑的区域出现应力集中。图4（b）为下试件受压后的变形云图，微坑对应的光滑表面呈凸状。结合这两个图可以判断，在摩擦副相互运动的过程中，由于接触应力引起的软质材料的凸形变形，当变形较大且有相对运动时，金属表面的微坑容易对双软质光滑试样产生微切削效应，同时导致摩擦系数增大，如图4（c）所示。
当凹坑深度为10μm，面积比为10%~40%，直径为100μm和200μm时，随着弹性模量的增加，样品表面的凸起高度明显减小。以本研究中弹性模量最小的UHMWPE和弹性模量最大的聚醚醚酮为例，在相同的表面纹理参数下，凸高差可达20倍。可以看出，凸起高度随着凹坑直径的增加而增加，弹性模量越小，凸起高度对凹坑直径越敏感。摩擦过程中，表面纹理可能对变形引起的凸起有切割作用。切削效应会导致摩擦系数、磨损和摩擦热的增加。但是摩擦热会使材料表面软化，加剧鼓包变形。当切削作用产生的增摩效应大于表面织构产生的减摩效应时，表面织构可以在整个摩擦过程中提高摩擦系数和磨损率。因此，在使用表面纹理时，不仅要考虑表面纹理参数的优化，还要结合摩擦副材料的性能，避免应力集中和接触变形引起的切削作用。
总之，表面纹理的引入会导致纹理边缘的应力集中。当双材质较软时，会产生显著的凸起，可能导致微切。这是表面纹理对摩擦副摩擦学性能的不利方面。随着高分子材料弹性模量的增加，表面纹理的微切削效应会逐渐减弱。
参考文献：
[1]王凤，关于高分子材料机械密封磨损特性及表面织构的影响.2019.
[2]刘昌平，浅谈高分子材料机械密封磨损特性及表面织构的影响.2020.