焦 亮 王紅云 賈寶新

(1、陜西省特種密封技術(shù)工程研究中心,陜西 西安710100 2、航天科技集團第六研究院密封件制造工藝技術(shù)中心,陜西 西安710100 3、西安航天動力研究所,陜西 西安710100)

1 概述

O型密封圈是一種截面為圓形的橡膠密封產(chǎn)品，主要用于靜密封和往復(fù)運動密封。O型密封圈是液壓與氣壓傳動系統(tǒng)中使用最多的一種密封件，其在航天、航空、石化、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。橡膠硫化是多種控制參數(shù)相互作用的過程，因而，在硫化過程中會由于某個或某些參數(shù)的變異而產(chǎn)生各種各樣的缺陷，如縮痕、粘模、流痕、氣泡等[2]。流痕因其主要影響制品的外觀質(zhì)量，因而被劃分為橡膠制品的外觀缺陷。該缺陷使得制品表面的色澤、紋理與反光程度不一致而嚴(yán)重影響了制品的外觀質(zhì)量，同時，流痕的出現(xiàn)也可能是因為制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者微粒形狀大小由于冷卻收縮的不一致而形成的，因此，它的出現(xiàn)將有可能降低橡膠制品表面的機械性能，如強度、耐磨擦性能等，在要求高的制品中使用會存在失效的風(fēng)險[3]。

參考GB3452.2 -2007《液壓氣動用O型橡膠密封圈 第2部分：外觀質(zhì)量檢驗規(guī)范》[4]，流痕是線狀凹陷，一般呈卷曲狀，在不彎曲狀態(tài)下深度非常淺，表面有紋理，邊緣光滑，是由于材料流動或融合不良造成的，如圖1所示。

圖1 橡膠O型密封圈流痕

氟橡膠是主鏈或側(cè)鏈的碳原子上連有氟原子的高分子彈性體，氟原子的電負極性高，且其原子半徑小，因此能夠緊密地排列在碳原子周圍，賦予了氟橡膠耐高溫、耐天氣老化、耐光老化、耐臭氧老化、耐輻射，耐磨性好、耐油和耐一些特殊介質(zhì)等性能[5]。由于分子結(jié)構(gòu)氟原子的存在，使氟橡膠剛性大，流動性差，在密封件模壓過程中容易產(chǎn)生流痕，橡膠O型密封圈表面流痕的存在，可使其機械性能及密封能力下降，導(dǎo)致O型密封圈在閥、泵等產(chǎn)品使用中產(chǎn)生泄漏等安全事故。因此，解決氟橡膠流痕問題，對高效使用氟橡膠，發(fā)揮氟橡膠的優(yōu)異性能意義重大[6]。

2 氟橡膠O型密封圈流痕成因分析

在常溫下氟橡膠處于高彈態(tài)，而當(dāng)溫度升至熔融溫度時，則由高彈態(tài)轉(zhuǎn)入粘流態(tài)，材料變成了能流動的高粘度流體，在外力作用下，橡膠呈現(xiàn)流動狀態(tài)從而獲得流動性。正是高溫下流動性賦予橡膠加工所需的一系列加工特性，滿足模壓成型等加工方式的需要。從氟橡膠模壓過程，流動的情況分析，氟橡膠O型密封圈形成流痕的原因主要有以下幾個方面。

2.1 工藝方面

2.1.1 膠料出料不合理：氟橡膠在停放過程中容易結(jié)晶，如果在使用前未充分返煉，膠料流動性會較差，容易產(chǎn)生流痕。

2.1.2 在進行氟橡膠O型密封圈模壓硫化成型過程中，將混煉膠膠條通過兩頭搭接的方式盤繞放入模具型腔中，當(dāng)在膠條停放中的搭接頭出現(xiàn)局部污染或者坯料重量偏少等原因時，膠條兩頭膠條搭接部位的相互融合性不好，往往會導(dǎo)致在搭接處遺留搭接痕跡，即產(chǎn)生流痕。

2.1.3 硫化工藝參數(shù)不合理：氟橡膠膠料硬度較高且流動性差，因此硫化壓力偏小時，也會產(chǎn)生膠料流動性下降的問題，從而導(dǎo)致流痕產(chǎn)生；此外，硫化溫度過低時，膠料門尼偏高，而硫化溫度過高，膠料焦燒時間就會縮短，操作安全性差，因此，不適宜硫化溫度、硫化壓力也是產(chǎn)生硫痕的原因。

2.2 材料配方方面

2.2.1 氟橡膠膠料配方不合理或混煉硫化加工異常，導(dǎo)致焦燒時間較短：如圖2所示，根據(jù)硫化歷程分析，可將硫化曲線分為四個階段（如圖2），即焦燒階段、熱硫化階段、平坦硫化階段、過硫化階段。從硫化曲線分析，如果焦燒時間過短、操作安全性差，或者硫化掌握焦燒階段（即掌握預(yù)熱時間）不合理，在膠料未充分流動的情況下，已進入熱硫化階段，開始硫化，就容易產(chǎn)生流痕。

圖2 硫化曲線圖[7]

2.2.2 氟橡膠生膠門尼粘度較高：較高門尼粘度的氟橡膠，賦予了其更好的機械性能，但選用門尼粘度較高的生膠時，膠料流動性差，膠料融合性較差，不適于模壓制品的生產(chǎn)。以F207為例，采用的生膠為FE2462，是國內(nèi)較早的氟橡膠牌號，門尼粘度在70左右，門尼較高，因此生產(chǎn)中易產(chǎn)生流痕。

3 試驗及結(jié)果

由于航天型號產(chǎn)品在技術(shù)狀態(tài)控制方面的嚴(yán)格要求，目前氟橡膠用生膠牌號及其配方較難改變。因此，按照以上對氟橡膠O型密封圈流痕形成原因的分析，對現(xiàn)有氟橡膠O型圈的膠料預(yù)成型機壓制工藝進行改進試驗，措施如下：

3.1 增加膠料返煉次數(shù)，生產(chǎn)下料前，將氟橡膠膠料充分返煉，提高炭黑等填料在混煉膠中的分散性，改善混煉膠在硫化過程中的流動性。根據(jù)高洪娜[8]等人的研究表明，隨著返煉薄通次數(shù)的增加，混煉膠表現(xiàn)出“剪切變稀”效應(yīng)，即在同一剪切速度下，薄通次數(shù)越多，剪切黏度越低，其原因是返煉薄通打破了填料的堆砌和團聚，改善了膠料的流動性。因此，在氟橡膠下料過程中，增加混煉膠返煉薄通次數(shù)，即在經(jīng)過8～10遍的薄通返煉后出片。

3.2 優(yōu)化了混料膠膠條出料方式，此前生產(chǎn)過程中采用切條的方式將混煉膠片裁剪成長條狀膠條，在壓制硫化前將膠條環(huán)繞在模具型腔內(nèi)，優(yōu)化后采用沖刀沖裁方式，將混料膠片制成環(huán)狀坯料，如圖3所示，膠條重量控制在零件凈重的1.3 ～1.5 倍左右，消除了因膠料流動性差導(dǎo)致在膠條搭接處流痕出現(xiàn)的幾率。

圖3 環(huán)狀坯料沖裁設(shè)備及環(huán)狀沖裁坯料

3.3 優(yōu)化工藝過程控制：在硫化過程中，為防止膠料提前焦燒問題的出現(xiàn)，采取了提高膠料的裝料速度，控制合理的預(yù)熱及打壓排氣時間，提高膠料的加工性能。

3.4 提高硫化壓力，有利于膠料的流動及表面質(zhì)量的保證，優(yōu)化后提升了模具承壓壓強（≥20MPa），增大膠料流動性。

采取上述措施，進行了橡膠O型圈的壓制及檢驗，O型密封圈不合格品中，表面流痕的占比由改進前的75%～85%減少到10%～20%左右，其原因可能是由于提高采取增加返煉次數(shù)、提高裝料速度及打壓壓力，有效的增大了混料膠的流動性，而環(huán)形坯料的沖裁使其從纏繞膠條優(yōu)化為整體坯料，避免了膠條搭接，通過工藝綜合控制可有效的較少流痕現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率。

4 結(jié)論

通過對氟橡膠O型密封圈流痕成因的分析，找出了產(chǎn)生流痕的主要因素，并制定出增加膠料返煉次數(shù)，環(huán)狀沖裁坯料，縮短裝料時間及提高硫化壓力等多項有針對性的改進措施，通過試驗驗證，可有效減少氟橡膠O型密封圈流痕現(xiàn)象的產(chǎn)生。后續(xù)可將工藝及材料改進優(yōu)化措施在多種氟橡膠零件生產(chǎn)中推廣，滿足氟橡膠零件生產(chǎn)的需求。