織構化橡膠在不同載荷下的磨損機理

重復動密封是一項重要的密封技術。三元乙丙（EPDM）密封件的作用機理是通過O形圈自身的彈力擠壓和填充間隙達到密封效果目前，表面織構作為一種減少磨損的方法，被廣泛研究。表面織構的作用機制，包括良好的流體動壓潤滑效應，以及摩擦過程中容納磨屑達到減磨作用綜上所述，目前對于金屬/軟材料為對偶副的織構化研究，主要集中在對金屬表面進行織構處理，對橡膠材料表面織構化的磨損機理和摩擦特性的研究并不深入。特別是橡膠材料屬于完全無定型聚合物1實驗1.1激光打標器的凹坑陣列加工基于劉思思等人首先對橡膠塊表面進行拋光和清洗，測得其粗糙度低于40nm。利用臺式20W激光打標器在橡膠塊表面加工規則的凹坑陣列（如圖1a所示）。設備參數：速度為200mm/s，功率為75W。織構參數為半徑200uf06dm的圓形織構，相鄰織構間距為600uf06dm，織構深度為6uf06dm，如圖1b所示。1.2實驗設計本文采用UMT-2摩擦磨損試驗機進行摩擦實驗，該磨損機由電機驅動帶動主軸進行往復摩擦。通常往復動密封的密封圈的壓縮率為10%～20%2結果和討論2.1織構在80n載荷下的摩擦學行為通過摩擦系數的對比（圖2）可以發現，隨著載荷的增加，無織構試樣的摩擦系數有緩慢下降的趨勢，而織構化橡膠試樣的摩擦系數呈現先減小、后增大的趨勢。雖然隨著載荷的增加，磨損量都有上升的趨勢，但在載荷增大的過程中，織構的引入會導致磨損速率加快。從圖2還可以發現，在低于50N的載荷下，織構的引入有效地降低了橡膠試塊的摩擦系數與磨損量。在載荷為35N時，橡膠的減磨效果達到最佳，相比無織構表面，摩擦系數下降了24.2%，磨損量下降了33.4%。在橡膠壓縮率接近20%，甚至超過20%之后，織構的引入會加劇磨損。載荷在80N時，其摩擦系數超出無織構試樣3倍。具體分析摩擦過程曲線（如圖3所示）可知，在80N載荷下，織構的摩擦過程中，摩擦系數呈現單調增加的狀態，并在實驗過程中波動極其不穩定，說明橡膠磨損過程中，試件表面粗糙度增加，進而導致摩擦系數持續升高，試樣表面已經受到了極大的磨損。反觀其他試樣的摩擦系數曲線，只有在實驗開始時，由于靜摩擦到動摩擦轉變，摩擦系數有微小波動，整體較為穩定，直到實驗結束。通過對摩擦系數的整體分析發現，在中低載荷下，織構的引入可以有效減小摩擦系數和磨損速率；但在高載荷下，織構的引入會使磨損量激增和摩擦系數持續增加。2.2織構區域的磨損機理磨損試樣在電子顯微鏡下的表面微觀形貌如圖4所示。由圖4a可知，在載荷為20N的條件下，橡膠表面無典型的磨痕與磨損花紋出現。在無織構橡膠表面出現了少量磨痕以及摩擦過程中液壓油對橡膠材料表面產生侵蝕而出現的局部腐蝕微坑，其磨損機理主要為腐蝕磨損?？棙嬙嚇颖砻鏌o明顯磨痕，小凹坑明顯小于無織構橡膠上的腐蝕坑，且可以明顯看到織構里存在少量磨屑，降低了摩擦時的磨屑阻力，從而達到減磨效果。在載荷35N下，有無織構的橡膠試樣表面磨損形貌見圖4b，可以發現，載荷的加大，會導致橡膠表面的磨損加劇。在光滑試樣的表面出現了垂直于摩擦方向的裂紋，小微坑的范圍從局部上升到了整體，且出現了明顯的點蝕和片狀脫落，其磨損機理以粘著磨損為主，腐蝕磨損為輔。反觀織構橡膠表面，依然無明顯的磨痕，部分織構邊緣有少量磨損，出現局部的磨損小微坑，其主要磨損機理為腐蝕磨損和局部的粘著磨損。通過觀察織構內的磨屑發現，其儲量充滿整個凹坑，達到最佳，大大減小了摩擦過程中的阻力，其減磨效果達到了最佳。在50N載荷下，無織構橡膠試樣表面出現了橡膠特有的花紋狀磨損痕跡，花紋整體比較平整且規則，如圖4c所示。摩擦過程中，粘著的磨屑在摩擦副中充當了固體潤滑層的作用，在隨后摩擦過程中，排出實驗區域，達到摩擦的動態平衡。在織構區域的表面出現了明顯的磨損痕跡，發現了大范圍的裂紋，部分織構磨損嚴重，已分不清織構形貌，并出現了少量的條狀切削磨屑，其磨損機理為粘著磨損為主，伴有少量磨粒磨損。80N載荷下，橡膠的表面形貌如圖4d所示，可以明顯看到，無織構橡膠表面的磨損相較于其他載荷條件下有了明顯的改善。從微觀的層面，可以看作載荷的增加使橡膠表面的微凸體與對偶副表面充分接觸，從而減小了應力集中的現象，對磨損有了一定的改善。反觀表面織構，其凹坑沿著垂直于滑動方向連成山脊狀凹槽，出現了互相隆起的平行條紋，發生了典型的微觀磨削現象，表面出現了大量的條狀物磨屑，磨損區域已無織構痕跡。通過分析，其磨損機理為典型的磨粒磨損?？梢园l現，在過載條件下，織構的存在反而導致橡膠表面磨損速率加劇，原因是織構產生明顯的應力集中，加快了表面裂紋的產生與擴展，從而加速了分層脫落與剝離。磨損區域的三維形貌如圖5所示。圖5a為最優（壓縮率為13.0%）光滑表面的磨損三維形貌，其粗糙度為627nm，圖5b為最優（壓縮率為17.5%）織構表面的磨損三維形貌，其粗糙度為245nm，圖5c為最差（壓縮率為25.1%）織構表面的磨損三維形貌，其粗糙度為1.12×102.3橡膠和液壓油的磨損磨損實驗中，各種磨屑的表面形貌如圖6所示。圖6a中為低載荷下（20、35N）無織構表面大量出現的磨屑，通過觀察，其整體尺寸略小于其他磨屑，呈花生狀，表面較為圓滑，為典型的腐蝕磨損磨屑。原因為，在較低載荷下，摩擦主要發生在橡膠和液壓油之間，橡膠表面發生了氧化降解和分子鍵斷裂等化學反應，但磨損較為輕微。圖6b為典型的片狀磨屑，此類磨屑大多在中高載荷（50、80N）無織構橡膠塊的磨損表面收集得到的，說明出現了大范圍表面擦傷，摩擦副之間的微凸體由于摩擦熱而發生粘著現象，導致橡膠粘連被剝落。在壓縮率17.5%的織構橡膠磨損表面（圖6c），大多數為塊狀的磨屑，說明在合理的載荷下，織構可以減小連續的接觸面積，從而有效減少摩擦熱，進而改善粘著現象的發生。在過載壓縮率下（壓縮率為25.1%），織構化橡膠表面出現了大量的條狀磨屑（如圖6d所示），其為典型磨粒磨損下的磨屑形貌。這說明在較大載荷下，織構邊緣出現的微峰與金屬摩擦時被劃傷，并產生脫落，導致橡膠表面產生了嚴重的磨損。3織構化的影響1）隨著載荷的增加，無織構EPDM的摩擦系數有微小的下降趨勢，織構化處理的EPDM的摩擦系數先減小、后增大。載荷的增加都會導致兩種EPDM的磨損量增加，但織構EPDM的增加速率較快。在壓縮率為17.5%時，織構試樣與金屬對偶副的摩擦性能達到最優；在25.1%的壓縮率下，織構的引入導致EPDM的摩擦動力學特性大幅度下降。2）無織構試樣在低載荷下主要以腐蝕磨損為主，高載荷下以粘著磨損為主。低載荷下，織構可以減小液壓油帶來的腐蝕磨損和大面積的粘著磨損，并可以儲存磨屑，達到潤滑減磨的效果。在壓縮率為17.5%時，儲屑性能最好，表面粗糙度最低。在高載荷下，EP