沈明學(xué),李 波,李圣鑫,趙火平1,,熊光耀1,*

（1.華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013;2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031;3.華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌 330013）

聚四氟乙烯(PTFE)憑借其優(yōu)異的耐寬溫性、耐油性、耐腐蝕性以及化學(xué)穩(wěn)定性,在空天科學(xué)、礦物開采及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2].此外,因其分子間作用力低,促使分子層易產(chǎn)生滑移,在摩擦體系中展現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)和自潤(rùn)滑效果,成為備受青睞的摩擦學(xué)材料[3-4],在液壓、氣動(dòng)密封以及機(jī)械輔助密封中占據(jù)重要地位[5].

近年來,高低溫、高壓真空、高速重載等極端服役工況對(duì)摩擦學(xué)材料的應(yīng)用可靠性和服役壽限發(fā)起了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[6-7].PTFE 耐磨性能的下降直接導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備早期失效和泄漏,因此其應(yīng)用范圍有一定的局限性[8].為防止PTFE 材料過度磨損損耗以及提升其耐磨等方面性能,以微納米顆?；蚶w維為填料的PTFE 復(fù)合材料得到了廣泛的研究和應(yīng)用[4,8-9].此外,密封從業(yè)者們還考察了影響PTFE密封服役壽命的客觀因素,如滑動(dòng)速度[10-17]、對(duì)偶件表面粗糙度[16]、接觸載荷[11,18-20]等.值得一提的是,極端服役環(huán)境下關(guān)鍵零部件的磨粒磨損失效所造成的經(jīng)濟(jì)損失受到了摩擦學(xué)研究者的關(guān)注[21-22].研究指出,“顆粒尺寸效應(yīng)”是兩體或三體磨損的一個(gè)重要特征[23-24],且大尺寸磨粒相較小尺寸磨粒的進(jìn)攻性更強(qiáng),對(duì)材料的剪除和犁削作用更為顯著[25].此外,高接觸壓力下的磨粒在摩擦過程中傾向于破碎,磨粒對(duì)摩擦副進(jìn)行二次損傷,破碎小顆粒的滾動(dòng)損傷行為尤為突出[23-28].在高壓高熱的深井鉆探過程中,鉆削巖體產(chǎn)生的巖屑同潤(rùn)滑液、鉆削液等混合介質(zhì)一同參與摩擦,外部磨粒污染物入侵和密封介質(zhì)泄漏導(dǎo)致的裝置更換問題頻發(fā).然而,就顆粒尺寸大小對(duì)潤(rùn)滑工況下摩擦副的影響仍存在不少爭(zhēng)議.有研究報(bào)道稱,顆粒本身就可以改善界面潤(rùn)滑效果[29-30].Persson 等[29]指出,當(dāng)顆粒進(jìn)入潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí),混合液黏度升高,摩擦界面的潤(rùn)滑效果得到改善.Heshmat[30]也報(bào)道稱,硬質(zhì)顆?？梢宰鳛檩d油載體,其性能與潤(rùn)滑膜相似.因此,關(guān)于橡塑磨粒磨損失效行為及機(jī)理的研究亟待進(jìn)一步深入.

此外,目前對(duì)油脂類潤(rùn)滑劑受沙塵顆粒污染的橡塑磨粒磨損和潤(rùn)滑狀態(tài)下顆粒形性對(duì)密封界面摩擦學(xué)行為的研究較少,罕有討論顆粒尺寸與密封界面潤(rùn)滑狀態(tài)的影響規(guī)律和關(guān)系.因此,本文研究了油潤(rùn)滑狀態(tài)下顆粒尺寸對(duì)軟硬摩擦副界面摩擦學(xué)行為的影響,探討了不同顆粒尺寸因素下界面潤(rùn)滑狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)運(yùn)行階段的顆粒運(yùn)動(dòng)特性和損傷失效機(jī)制,以期為極端服役工況下橡塑密封材料的設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

基于油潤(rùn)滑條件,選用耐溶脹性能優(yōu)異的聚四氟乙烯(上磨副)與AISI 316L 不銹鋼(下磨副)組成軟硬摩擦副作為研究對(duì)象,摩擦副材料分別購(gòu)于上海道冠橡塑五金有限公司以及上海寶山鋼鐵股份有限公司.為更加真實(shí)地模擬套筒類密封部件的運(yùn)動(dòng)模式,采用銷/平面接觸進(jìn)行銷盤摩擦學(xué)試驗(yàn).試驗(yàn)前將PTFE 圓柱裁切為適配夾具的規(guī)格尺寸(長(zhǎng)15 mm×線徑6 mm),再將不銹鋼對(duì)偶件加工成直徑約100 mm、厚度約5 mm的圓盤.利用砂紙或磨床將摩擦副接觸面打磨、拋光至表面粗糙度Sa小于0.020 μm,再經(jīng)過超聲洗滌和冷風(fēng)干燥,最后放置真空干燥箱中預(yù)存24 h.PTFE/316L 摩擦副材料的主要物理性能見表1.

遴選5 種不同尺寸的白剛玉顆粒(主要成分為Al2O3)作為磨粒,試驗(yàn)所用磨粒由河南中科天地環(huán)境科技有限公司提供.圖1為不同尺寸Al2O3顆粒的微觀形貌和粒徑分布.其中90%的顆粒位于樣本標(biāo)準(zhǔn)粒度范圍(d±20%)內(nèi),混料介質(zhì)中顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定為2.0%.結(jié)合橡塑密封件常用潤(rùn)滑劑選取標(biāo)準(zhǔn),以二甲基硅油為潤(rùn)滑介質(zhì)(由美國(guó)道康寧公司生產(chǎn)).為滿足摩擦間隙能夠形成足夠的潤(rùn)滑油膜厚度,試驗(yàn)選取了10-3m2·s-1的油品黏度.

1.2 試驗(yàn)方法

摩擦學(xué)試驗(yàn)均在圖2 所示的立式銷盤摩擦磨損測(cè)試儀上進(jìn)行,配以特定的銷形金屬夾具、均勻磨粒懸浮液供給裝置以及外圍循環(huán)水冷裝置.試驗(yàn)時(shí),上試樣(PTFE 銷柱)保持靜止,而下試樣不銹鋼盤在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下作周期性回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).此外,由混料裝置泵送的顆粒懸浮液以1.5 L·min-1的恒定進(jìn)料速率補(bǔ)給至摩擦副前側(cè),采集模塊的二維力傳感器實(shí)時(shí)偵測(cè)摩擦過程中的法向力Fz、各取向的剪應(yīng)力Fx、Fy,通過計(jì)算單元輸出既定的摩擦力Ft和摩擦系數(shù)μ.

圖2 油潤(rùn)滑磨蝕氛圍下摩擦學(xué)試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)施加法相載荷Fn為20 N,換算成對(duì)應(yīng)的赫茲接觸應(yīng)力PH為1.583 MPa,接觸滑軌半徑Dr為40 mm,回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)頻率f為8 Hz(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為480 r·min-1),滑動(dòng)循環(huán)周期T為25 min,即總摩擦循環(huán)周次N為12 000 次.富油潤(rùn)滑環(huán)境下,油品的物理性能對(duì)溫度較為敏感,采用水冷循環(huán)系統(tǒng)控制試驗(yàn)環(huán)境溫度保持相對(duì)恒定,即試驗(yàn)腔體內(nèi)懸浮介質(zhì)的溫度T約為(25±0.3)℃.為確保測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性和可靠性,需要在相同條件下重復(fù)摩擦學(xué)試驗(yàn)5 次以上.

1.3 磨損的表征與分析

通過掃描電子顯微鏡(SEM SU8010 HITACHI日本)觀察顆粒的尺寸形貌以及接觸副的磨痕表面形貌;利用X 射線能量色譜儀(EDS X-flash 6160 Bruker 美國(guó))檢測(cè)摩擦表面的化學(xué)元素組分和分布;使用三維光學(xué)輪廓儀(Zygo ZeGage Pro HR 美國(guó))獲取磨損輪廓的三維形貌參數(shù)Sa、Sq、Sz,檢查磨痕表面的線性粗糙度和二維橫截輪廓.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)時(shí)變特性分析

圖3為油潤(rùn)滑態(tài)下不同顆粒尺寸對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)時(shí)變曲線.由圖3 可以看到,油潤(rùn)滑工況下不同顆粒尺寸對(duì)摩擦系數(shù)時(shí)變特性有顯著影響.事實(shí)上,對(duì)于純油潤(rùn)滑環(huán)境下聚合物及其復(fù)合材料的摩擦學(xué)機(jī)理,學(xué)者們已經(jīng)開展了較為系統(tǒng)的研究.其摩擦系數(shù)時(shí)變曲線的平穩(wěn)特性主要得益于摩擦副(PTFE/316L 不銹鋼)接觸界面在油潤(rùn)滑下可形成一定厚度的連續(xù)潤(rùn)滑油膜[31];同時(shí),由于界面油膜的存在,摩擦副直接接觸的概率大大下降,摩擦阻力來源由原軟硬摩副間的直接接觸轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)滑油膜流體分子之間的內(nèi)摩擦,所反映的摩擦切應(yīng)力具有一定的分布梯度,因此平穩(wěn)的時(shí)變曲線呈現(xiàn)出緊密的波動(dòng)特征[32].

對(duì)于170 目顆粒環(huán)境而言,時(shí)變曲線在整個(gè)摩擦周期維持著動(dòng)態(tài)平穩(wěn)的演變特性,但是處于磨蝕環(huán)境,其摩擦系數(shù)明顯高于無顆粒環(huán)境,約為0.26.值得一提的是,動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的摩擦系數(shù)會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的突升或下降,時(shí)變曲線出現(xiàn)明顯的“波紋狀(Wavelike)”特征(圖3(a)).相似地,這種摩擦系數(shù)的波動(dòng)演變也出現(xiàn)在250 目顆粒環(huán)境下,演變頻次愈發(fā)緊密且貫穿整個(gè)摩擦系數(shù)循環(huán)周期.然而,該顆粒環(huán)境下摩擦早期所出現(xiàn)的摩擦系數(shù)快速下降,再逐漸爬升,最后進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的分化趨勢(shì)更為顯著(圖3(b)和(c)).由圖3(c)可以看到,對(duì)比250目和500 目,在較小顆粒尺寸下摩擦系數(shù)時(shí)變曲線爬升階段所持續(xù)的循環(huán)周期更少(顆粒粒度為250目時(shí)摩擦系數(shù)爬升過程持續(xù)了2 000 次摩擦循環(huán),而500 目粒度環(huán)境約1 250 次摩擦循環(huán)).

圖3 不同顆粒尺寸在油潤(rùn)滑工況下摩擦系數(shù) 隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律

此外,小顆粒尺寸(1 000 目和5 000 目)環(huán)境下的摩擦系數(shù)相對(duì)較小,明顯低于無顆粒環(huán)境,且其摩擦系數(shù)時(shí)變曲線的穩(wěn)定性相比其他工況更好.再者,時(shí)變曲線出現(xiàn)了微小的緊密波動(dòng)特征,摩擦系數(shù)值也十分接近,維持在0.07 左右(圖3(d)和(e)).

綜上所述,當(dāng)油潤(rùn)滑介質(zhì)中存在硬質(zhì)顆粒時(shí),摩擦副的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的演變規(guī)律.值得注意的是,這些演變規(guī)律很大程度上與顆粒臨界尺寸和潤(rùn)滑油膜厚度相關(guān).對(duì)于油潤(rùn)滑工況下的軟硬接觸問題,可基于雷諾方程的大量實(shí)驗(yàn)和模型,采用回歸分析手段建立中心膜厚he,c(單位m)、最小膜厚he,min(單位m)與關(guān)鍵操作參數(shù)(速度、外加載荷、介質(zhì)黏度和材料性能)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[33].對(duì)于低彈性模量材料,現(xiàn)有的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極為稀缺,其中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬Hamrock 等[34]關(guān)于柔性接觸提出的彈性流體潤(rùn)滑(EHL)分析方程,其公式為:

式中:k為橢圓參數(shù),在點(diǎn)或橢圓接觸情況下數(shù)值接近于1;分別是無量綱速度和載荷參數(shù),其定義公式為:

式中:u為接觸介質(zhì)的霧沫夾帶速度,m·s-1;w為外施加載荷,N;η為潤(rùn)滑介質(zhì)的動(dòng)態(tài)黏度,Pa·s;Rx′為霧沫夾帶方向上的當(dāng)量半徑,m;E′為接觸副材料的當(dāng)量彈性模量,Pa;其公式為:

式中:rA、rB、EA、EB、vA、vB分別表示接觸副材料在霧沫夾帶方向上的曲率半徑,m;楊氏模量,Pa;泊松比.

再者,將純油潤(rùn)滑工況的各操作參數(shù)迭代入式(1)～(6),計(jì)算出理論純油潤(rùn)滑的最小油膜厚度h約為9.271 2 μm,中心膜厚約為16.415 6 μm.

因此,依據(jù)摩擦系數(shù)時(shí)變特性的演變規(guī)律,結(jié)合油品環(huán)境的潤(rùn)滑油膜理論,計(jì)算出以純油潤(rùn)滑工況的中心膜厚約16.415 6 μm 作為顆粒臨界尺寸,并將磨損劃分為顆粒臨界尺寸之上、近顆粒臨界尺寸以及顆粒臨界尺寸之下3 類,顆粒臨界尺寸前后摩擦副的摩擦學(xué)行為呈現(xiàn)顯著差異.下文結(jié)合磨損形貌進(jìn)行詳細(xì)討論.

2.2 損傷機(jī)理分析

2.2.1 純油潤(rùn)滑環(huán)境

圖4為純油潤(rùn)滑條件下PTFE/316L 不銹鋼摩擦副的磨損表面形貌SEM 顯微圖像,PTFE 磨損表面幾乎未磨損,僅見預(yù)處理階段殘留的加工條紋和撕裂痕跡;配副金屬磨損表面也相對(duì)光滑,除機(jī)加工痕跡外無明顯被磨損特征(圖4(b)).事實(shí)上,這種類似于未磨損形貌主要得益于硅油介質(zhì)優(yōu)異的潤(rùn)滑減摩性能.在摩擦副滑動(dòng)過程中,接觸界面形成的連續(xù)性潤(rùn)滑油膜優(yōu)先承受載荷壓力的影響,阻止了配副雙方直接接觸,避免了不銹鋼表面的微凸體犁削PTFE 軟質(zhì)基體.由于潤(rùn)滑油膜的存在,摩擦表面剪切應(yīng)力大大降低,從而有效規(guī)避了類似干滑動(dòng)過程中PTFE 軟基質(zhì)的大片撕裂、脫落和材料轉(zhuǎn)移等損傷的形成[35].此外,干式高速滑動(dòng)下的軟硬摩擦副界面會(huì)因?yàn)槟Σ翢岱e聚無法有效擴(kuò)散,致使PTFE 接觸面升溫軟化,嚴(yán)重情況下發(fā)生材料蠕變[36-37].值得一提的是,循環(huán)的潤(rùn)滑介質(zhì)可以將摩擦熱轉(zhuǎn)移出接觸區(qū)域,阻止了PTFE 黏著磨損或疲勞磨損的發(fā)生.因此,摩擦副界面在潤(rùn)滑油膜的作用下維持著“PTFE-潤(rùn)滑油膜-316L”構(gòu)成的穩(wěn)定流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài),表現(xiàn)出較低且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)值.

圖4 純油潤(rùn)滑環(huán)境下摩擦副磨損表面SEM 顯微圖像

2.2.2 臨界尺寸以上的摩擦

圖5為170 目顆粒污染在油潤(rùn)滑環(huán)境下316L磨損表面形貌和磨痕邊緣的Al 元素分布云圖.配副金屬的磨痕邊緣兩側(cè)分布著沿滑動(dòng)方向較深的切削犁溝,而配副金屬的磨痕中心相對(duì)光滑,僅有少量細(xì)小犁溝,如圖5(a)所示.

圖5 油潤(rùn)滑態(tài)170 目顆粒環(huán)境下316L 磨損表面SEM 顯微圖像和Al 元素分布云圖

事實(shí)上,對(duì)于170 目(d≈89 μm)顆粒工況而言,其顆粒尺寸遠(yuǎn)大于密封界面在滑動(dòng)初始形成的油膜厚度,因此顆粒難以進(jìn)駐密封界面.值得注意的是,這類顆粒在高速滑動(dòng)過程中會(huì)逐漸堆積在摩擦副接觸區(qū)域的邊緣,即顆粒首先在PTFE 磨損表面邊緣嵌入(圖6(d)).這些作用于接觸副邊緣的顆粒顯現(xiàn)明顯的“顆粒尺寸效應(yīng)”,對(duì)配副金屬的接觸邊緣造成了嚴(yán)重的損傷,配副金屬的磨痕邊緣留下隨機(jī)分布且特征明顯的“顆粒沖擊鑿坑”[38-39](圖5(b)和(c)),其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損.顆粒犁削作用下的配副金屬表面單個(gè)切削犁溝的最大寬度約為10 μm(圖5(a)III).

此外,從圖6(b)Al 元素分布云圖可看出,PTFE磨痕的中心散布著零散的白剛玉顆粒,但這些顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于接觸邊緣嵌入顆粒的粒度(邊緣嵌入顆粒d≈90 μm,中心散布顆粒d≈20 μm).這可能是由于部分邊緣嵌入磨粒顆粒在犁削配副金屬時(shí)被折斷、碾碎[28],這些衍生小顆粒在油潤(rùn)滑介質(zhì)的挾帶下逐漸向磨痕中心入侵;更重要的是顆粒強(qiáng)度的崩潰和破碎顆粒的滑移效果造成了剪應(yīng)力的波動(dòng),導(dǎo)致時(shí)變曲線呈現(xiàn)出“波紋狀”特征(圖3(a)).

圖6 油潤(rùn)滑態(tài)170 目顆粒環(huán)境下PTFE 磨損表面SEM 顯微圖像與Al 和O 元素分布云圖

需要指出的是,在滑動(dòng)摩擦初期,少量硬質(zhì)磨粒進(jìn)駐至摩擦副的接觸邊緣,隔開了摩擦組元間的直接接觸,摩擦副由PTFE/316L 兩體磨損轉(zhuǎn)變?yōu)椤癙TFE-顆粒-316L”的三體磨損,造成瞬時(shí)的真實(shí)接觸面積下降,因此時(shí)變曲線出現(xiàn)早期的下降;隨后顆粒物的一系列運(yùn)動(dòng)行為,包括逐漸嵌入、聚集或堆積到接觸邊緣區(qū)域,并犁削不銹鋼金屬表面,摩擦副相對(duì)滑動(dòng)的阻力慢慢增加,時(shí)變曲線進(jìn)入爬升階段;之后在顆粒參與下的磨損體系處于一種動(dòng)態(tài)平衡,摩擦系數(shù)趨于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡階段(圖3(a)中170 目工況下時(shí)變曲線).

2.2.3 近臨界尺寸的摩擦

當(dāng)顆粒粒度減小至250 目或500目時(shí),PTFE 磨損表面呈現(xiàn)出有別于上述顆粒(臨界尺寸以上的摩擦工況)的分布特征(圖7).

圖7 油潤(rùn)滑態(tài)500 目顆粒環(huán)境下PTFE 磨損表面SEM 顯微圖像和Al 元素分布云圖

從圖7 可以看到,PTFE 磨損邊緣依舊有顆粒分布,但不同于170 目顆粒工況下顆粒物的運(yùn)動(dòng)行為,顆粒數(shù)目明顯增加且呈略顯散漫狀分布,磨損表面邊緣的嵌入顆粒由單個(gè)的“釘扎”逐漸演變?yōu)轭w粒聚集性嵌入的“顆粒帶”,再拓展到分布性較好的“顆粒群”(圖7(a)和(b)),Al 元素的富集區(qū)域與磨損表面的顆粒嵌入?yún)^(qū)均一一對(duì)應(yīng).值得注意的是,這種顆粒群的廣泛分布加劇了對(duì)配副金屬的切削和材料去除,因此在金屬的磨痕邊緣區(qū)域出現(xiàn)了被瘋狂切削留下的較寬的損傷溝槽帶(寬度約大于500 μm),如圖8(a)所示.這種顆粒作用下的特殊現(xiàn)象被稱為“砂輪效應(yīng)”[38,40-41].

上述現(xiàn)象表明,PTFE 接觸邊緣的Al2O3顆粒,隨著顆粒尺寸的減小,主要的顆粒行為由單個(gè)磨粒釘扎、嵌入,再轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒聚集性嵌入行為.同時(shí),由于顆粒粒度的減小,接觸邊緣區(qū)域的部分顆粒逐漸向PTFE的磨痕中心遷移,在磨痕中心留下典型的犁溝形貌(圖8(b)),但此時(shí)顆粒粒度仍大于實(shí)際的油膜厚度,磨痕中心未出現(xiàn)明顯的顆粒分布特征(圖7(c)和(d)),因此顆粒尚未貫穿整個(gè)摩擦副密封界面.

圖8 油潤(rùn)滑態(tài)500 目顆粒環(huán)境下316L 磨痕三維輪廓

2.2.4 臨界尺寸以下的摩擦

當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)一步減小至約9 μm 以下,即1 000 目和5 000 目顆粒環(huán)境,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出極低的數(shù)值且時(shí)變曲線在整個(gè)摩擦階段十分穩(wěn)定,這一演變現(xiàn)象表明可能是在顆粒影響下磨損表面的損傷機(jī)制發(fā)生了轉(zhuǎn)變.

圖9為油潤(rùn)滑小尺寸顆粒環(huán)境下PTFE 磨損區(qū)域接觸中心的SEM 形貌和Al 元素分布云圖,從圖9 可以看到,PTFE 磨痕中心表面沿著滑動(dòng)方向布滿了似顆粒物的微凸體.進(jìn)一步EDS 偵測(cè)分析發(fā)現(xiàn),磨損表面的Al 元素原子占比明顯增加,Al 元素的分布較為密集且均勻(圖9(b)),表明均勻分布的微凸點(diǎn)實(shí)際上是潤(rùn)滑油介質(zhì)中的小尺寸顆粒物.

圖9 油潤(rùn)滑態(tài)小尺寸顆粒環(huán)境下PTFE 磨損表面 SEM 顯微圖像和Al 元素分布云圖

此外,對(duì)于顆粒尺寸小于約2.6 μm(即5 000目顆粒環(huán)境)工況下,PTFE 磨損表面同樣布滿了小尺寸的顆粒物,預(yù)磨處理的加工條紋仍清晰可辨.但不同的是,EDS 偵測(cè)顯示其磨痕中心的Al 元素偏向成團(tuán)分布且不均勻,這可能是因?yàn)樾〕叽珙w粒擁有更大比表面積和表面結(jié)合能,在該黏度(10-3m2·s-1)的油品中愈發(fā)容易團(tuán)聚.

圖10 示出了油潤(rùn)滑5 000 目顆粒環(huán)境下316L磨痕表面三維輪廓形貌.對(duì)比圖5 和圖8可以看到,小尺寸顆粒環(huán)境下配副金屬3D 輪廓表面相對(duì)光滑、犁溝較淺,且磨損表面具有部分突起的波峰和許多微觀的毛刺,可以認(rèn)定在小尺寸顆粒環(huán)境下?lián)p傷行為發(fā)生了轉(zhuǎn)變.不同于一般邊緣嵌入顆粒的犁削和沖擊作用,潤(rùn)滑介質(zhì)中的小硬質(zhì)顆粒對(duì)配副金屬起到了“微拋光”的效果[42-43],因此磨損表面的面粗糙度較小,即Sa≈0.020 μm.

圖10 油潤(rùn)滑態(tài)5 000 目顆粒環(huán)境下316L 磨痕邊緣及 中心的三維表面輪廓

由此表明,小尺寸顆粒環(huán)境下摩擦副的損傷機(jī)制與上述顆粒環(huán)境截然不同.綜上分析可作如下推測(cè):由于此時(shí)顆粒尺寸較小,僅數(shù)個(gè)微米,顆粒物的尺寸接近甚至小于潤(rùn)滑油膜的厚度.因此,在相對(duì)滑動(dòng)過程中,這些小顆粒因自身顆粒形性的原因未能獲得足夠的“抓地力”,使得顆粒物能相對(duì)自由地穿過潤(rùn)滑油膜和接觸界面,甚至加工條紋的間隙為尺寸更小的顆粒提供了流動(dòng)通道.此時(shí),由于潤(rùn)滑介質(zhì)中小尺寸顆粒的存在,介質(zhì)黏度增加,進(jìn)而大大提高了潤(rùn)滑油膜的承載能力,使得摩擦副進(jìn)入流體動(dòng)力潤(rùn)滑態(tài),這也是小尺寸顆粒環(huán)境下摩擦系數(shù)表現(xiàn)出極低數(shù)值的主要原因.

此外,小顆粒和油潤(rùn)滑介質(zhì)組成的磨粒流在相對(duì)滑動(dòng)過程中不斷沖蝕摩擦副表面,于是316L磨損表面呈現(xiàn)出有別于上述顆粒環(huán)境下的損傷形貌.值得一提的是,小尺寸顆粒環(huán)境在摩擦初期,界面內(nèi)部的自由顆粒進(jìn)出已經(jīng)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡,經(jīng)短暫摩擦周次后顆粒已經(jīng)布滿了整個(gè)磨損區(qū)域,因此摩擦系數(shù)時(shí)變曲線呈現(xiàn)十分穩(wěn)定的演變趨勢(shì).小尺寸顆粒環(huán)境下的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為“PTFE-顆粒-316L”三體磨粒磨損和磨粒流作用下的沖蝕磨損.

2.3 磨痕參數(shù)與平均摩擦系數(shù)分析

圖11為隨著顆粒尺寸的增加,摩擦副的平均摩擦系數(shù)和配副金屬磨損表面粗糙度以及磨痕輪廓最大深度的演變特征.

圖11 油潤(rùn)滑態(tài)下平均摩擦系數(shù)與316L 磨損表面粗糙度以及最大磨痕深度隨顆粒尺寸的演變規(guī)律

從圖11 可以看到,油潤(rùn)滑條件下隨著顆粒尺寸的增加,平均摩擦系數(shù)表現(xiàn)出先下降后逐漸增加的趨勢(shì).在顆粒尺寸較大環(huán)境下的平均摩擦系數(shù)和磨損表面粗糙度呈現(xiàn)較大的數(shù)值,表明顆粒尺寸對(duì)PTFE/316L 軟硬密封副的摩擦學(xué)特性的影響具有明顯的“顆粒尺寸效應(yīng)”,而且當(dāng)油潤(rùn)滑態(tài)中顆粒尺寸小于9 μm,即1 000 和5 000 目時(shí),磨蝕條件下的摩擦系數(shù)達(dá)到了極小值,約0.070,平均摩擦系數(shù)值遠(yuǎn)低于無顆粒條件,這可能歸因于當(dāng)潤(rùn)滑介質(zhì)中小尺寸顆粒參與摩擦?xí)r,顆粒尺寸接近或者小于界面油膜厚度,顆粒自由進(jìn)出原界面潤(rùn)滑體系并在界面內(nèi)充當(dāng)?shù)谌凉L動(dòng)體,摩擦副由“PTFE-油膜-316L”構(gòu)成的流體動(dòng)力潤(rùn)滑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒參與磨損的“PTFE-磨粒流-316L”多體磨損狀態(tài),小尺寸顆粒在接觸界面進(jìn)出動(dòng)態(tài)平衡和滑移效果營(yíng)造了極低的平均摩擦系數(shù).此外,對(duì)316L不銹鋼磨損表面粗糙度和最大磨損深度分析發(fā)現(xiàn),它們隨顆粒尺寸的增加也呈現(xiàn)相似的演變規(guī)律,即先下降后逐漸增加.研究結(jié)果與課題組先前對(duì)水潤(rùn)滑條件下橡膠三體磨粒磨損所呈現(xiàn)的結(jié)果差異顯著[38,44].

2.4 磨損失效機(jī)理討論

當(dāng)PTFE 在油潤(rùn)滑磨蝕條件下摩擦316L 不銹鋼表面時(shí),摩擦副磨損表面形貌表現(xiàn)出差異明顯的損傷特征.圖12為上述結(jié)果中典型的磨損機(jī)制原理圖.

圖12 油潤(rùn)滑態(tài)不同顆粒尺寸環(huán)境下摩擦副的 典型磨損機(jī)制示意圖

(1)純油潤(rùn)滑工況下,相對(duì)滑動(dòng)的摩擦副間可穩(wěn)定形成具有一定厚度的連續(xù)性潤(rùn)滑油膜,使得界面處于流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài),油膜優(yōu)先承受了外加載荷的擠壓,隔開了摩擦副材料間的相互接觸.因此,接觸界面大部分區(qū)域未出現(xiàn)明顯損傷,摩擦副間的摩擦磨損形貌與無磨損狀態(tài)相似.對(duì)于顆粒臨界尺寸以上的磨蝕條件而言,此時(shí)顆粒尺寸大于界面油膜的厚度,顆粒難以進(jìn)入磨痕中心,界面處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài).但在接觸區(qū)域的邊緣,單個(gè)顆?？梢杂行У厍度氩⑦M(jìn)行微切割,導(dǎo)致接觸區(qū)域兩側(cè)形成切削溝壑,部分原始磨粒被折斷、碾碎形成小的滾動(dòng)體.

(2)對(duì)于近顆粒臨界尺寸的磨蝕條件而言,隨著顆粒尺寸的減小,接觸區(qū)域邊緣的自由顆粒會(huì)牢固地嵌入到PTFE 基體中,積聚并逐漸成為“顆粒群”,形成三體“PTFE-顆粒-316L”磨損狀態(tài),從而產(chǎn)生“砂輪效應(yīng)”,瘋狂切削配副金屬表面.

(3)對(duì)于小于顆粒臨近尺寸的磨蝕條件而言,由于顆粒尺寸小于或接近油膜厚度,許多顆粒在滑動(dòng)初始階段就進(jìn)入了摩擦界面,摩擦副界面處于流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài).同樣,因其粒徑較小而無法牢固嵌入到PTFE 中,只能充當(dāng)自由的第三體與潤(rùn)滑介質(zhì)組成“磨粒流”產(chǎn)生沖蝕作用.

3 結(jié)論

以PTFE/316L 軟硬密封副為研究對(duì)象,開展了油潤(rùn)滑條件下磨粒磨損試驗(yàn),考察了顆粒尺寸對(duì)密封副界面的潤(rùn)滑狀態(tài)以及摩擦學(xué)行為的影響.主要結(jié)論如下:

(1)純油潤(rùn)滑工況下,硅油可形成潤(rùn)滑油膜隔開密封接觸,并使摩擦副處于流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài),摩擦副材料幾乎未磨損,大大提高了密封副的服役壽命.

(2)以純油潤(rùn)滑工況下的界面油膜中心膜厚為顆粒臨界尺寸,在顆粒臨界尺寸之上時(shí),完整的顆粒僅釘扎入PTFE 磨痕邊緣而未能穿越密封界面,部分被碾碎的顆粒可進(jìn)入接觸區(qū)中心;隨著顆粒尺寸的減小或近臨界尺寸時(shí),單個(gè)嵌入顆粒演變?yōu)槎逊e性“顆粒群”,對(duì)配副金屬瘋狂地犁削,表現(xiàn)出明顯的“砂輪效應(yīng)”;在顆粒臨界尺寸之下時(shí),磨粒粒度小于潤(rùn)滑油膜厚度,摩擦副進(jìn)入流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài),但是摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于純油潤(rùn)滑環(huán)境,顆粒在潤(rùn)滑介質(zhì)的攜帶下在密封界面內(nèi)不斷沖蝕配副金屬,形成一種特殊的“PTFE-顆粒-316L”三體滾動(dòng)磨損.