低温橡胶密封件摩擦磨损性能试验研究 

低温橡胶密封件摩擦磨损性能试验研究 

王长权

哈尔滨东安实业发展有限公司，黑龙江哈尔滨  150066

摘要：橡胶密封件作为阀门产品的重要零部件，橡胶密封件的摩擦磨损性能直接影响其密封性和阀门产品寿命可靠性。针对低温橡胶硫化密封件进行密封力仿真确定，开展相关摩擦磨损试验。在干摩擦与脂润滑条件下，利用摩擦磨损试验机，测试不同摩擦配副之间的摩擦磨损性能，获得接触面表面形貌以及不同橡胶密封副之间的摩擦磨损量。结果表明：性能表现最佳的橡胶材料为氢化丁腈橡胶HNBR5080和耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18。

关键词：低温橡胶，摩擦磨损试验，橡胶硫化件，摩擦系数，表面形貌

气动电磁换向阀是气动系统中最常见的元件，其中，橡胶密封件是直接影响阀门性能的关键部件。低温橡胶材料在各大行业中的应用也越来越广泛，尤其是在高寒地区和各军工领域之中。橡胶材料的摩擦磨损性能直接影响到其密封性和产品寿命可靠性。

1、试验材料确定

耐油橡胶是指耐非极性油的橡胶材料，主要是极性橡胶，包括丁腈橡胶、氟橡胶等，各种橡胶材料由于其分子链结构的特点，呈现出不同的性能，在大多数情况下，橡胶分子链中的官能团对耐油性能和低温性能的影响都是互相矛盾的。

试验材料主要包括不同的橡胶材料、不同的铝球及Krytox 240AZ润滑脂，其中橡胶材料主要包括四种类型，分别是耐磨丁腈橡胶(A-4-1-J18)、普通丁腈橡胶(DQ370)、氢化丁腈橡胶(HNBR5080)及氟醚橡胶(FM-1)；铝球主要包括两种类型，分别是化学镀镍球和硫酸阳极氧化球；铝球基体采用同一批次零件，确保二者基体尺寸和精度保持一致。根据摩擦磨损试验机对样件的要求，橡胶垫材料为20mm×20mm×2mm均匀厚度试验件，铝球为中3mm圆球。Krytox 240AZ润滑脂由中科院兰州化物所提供。Krytox 240AZ润滑脂是一种由全氟聚醚作为基础油、聚四氟乙烯作为稠化剂的白色全合成氟素润滑脂，在化学品及氧气环境状态下使用时不反应、不可燃且安全耐用。

2、实验原理与试验方法

为了获得不同密封配副下的摩擦磨损关系，主要验证在干摩擦条件与脂润滑条件下的摩擦磨损情况。试验方法：采用摩擦磨损试验机，将金属球正压与被试件橡胶垫上，金属球与橡胶之间进行往复直线运动。根据密封应力仿真计算结果施加正压力为10N，单向行程3mm，运动频率10Hz，单次试验时间30min，本次试验过程中摩擦磨损试验机原理如图1所示。

1、防护罩 2、装载机构 3、测试模块 4、车身外壳 5、锁紧螺母 6、调整手轮 7、指针

图1：摩擦磨损机原理图

2.1干摩擦试验

干摩擦试验中不添加润滑脂，将不同的橡胶材料和铝球进行两两配副，对试验完成后的试验件进行称重，获得不同橡胶材料的失重情况，并对试验过程中的摩擦系数进行实时记录。不同橡胶材料的摩擦磨损失重量如表1所示，具体的摩擦系数变化曲线分别如图2所示。

（a）不同橡胶与化学镀镍球摩擦系数曲线

（b）不同橡胶与硫酸阳极氧化球摩擦系数曲线

图2：干摩擦条件下不同配副摩擦系数曲线

表1：不同配副在干摩擦条件下的试验结果

从表1可以看出，不同配副在干摩擦的实验条件下，不同橡胶材料均表现出一定的失重现象。具体来说，不同橡胶材料在与化学镀镍球对磨时，橡胶的失重顺序为：氟醚橡胶FM-1>丁腈橡胶DQ370>氢化丁腈橡胶HNBR5080>耐磨丁腈A-4-l-J18，图2a显示不同橡胶材料的摩擦系数表现出相同的变化规律，即与化学镀镍球配副时，失重量较小且摩擦系数较小的为耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18，其次为HNBR5080橡胶材料。当不同橡胶材料在与硫酸阳极氧化球对磨时，橡胶的失重顺序为氟醚橡胶FM-1>耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18>氢化丁腈橡胶HNBRS080>丁腈橡胶DQ370，而图2b显示摩擦系数表现出不同的变化规律：氢化丁腈橡胶HNBR5080>丁腈橡胶DQ370>氟醚橡胶FM-1>耐磨丁腈A-4-1-J18，即与硫酸阳极氧化球配副时，失重量最小的是丁腈橡胶，其次为耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18和氢化丁腈橡胶HNBR5080，而摩擦系数较低的为耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18。

2.2脂润滑摩擦试验

为了能够进一步筛选出合适的气动电磁换向阀用密封材料，在不同摩擦配副之间加人一定的润滑剂，即在添加润滑脂的前提下将不同的橡胶材料和铝球进行两两配副。因氟醚橡胶在干摩擦的实验条件下失重最大，因此在此部分实验中不再涉及氟醚橡胶的配副，结果如表2所示，具体的摩擦系数曲线如图3所示。

（a）不同配副与化学镀镍球

（b）不同配副与硫酸阳极氧化球

图3：脂润滑条件下不同配副摩擦系数曲线

表2：同配副在添加润滑脂条件下的试验结果

从表2可以看出不同配副在添加润滑脂的摩擦实验条件下，耐磨丁腈橡胶和HNBR5080橡胶材料均表现出微量的失重现象，DQ370橡胶材料却表现出微量的增重现象，原因可能是由于DQ370橡胶材料与240AZ润滑脂具有一定的相容性，润滑脂中少量润滑油在橡胶中的浸入造成其增重，从侧面反映了该橡胶材料的不适应性。但是整体分析橡胶材料在添加润滑脂的前提下进行摩擦时产生的重量均是微量变化。同时不同橡胶材料分别与铝球、硫酸阳极氧化球对摩时，失重量未表现出明显差别。

从图3的摩擦系数曲线变化规律可以看出，不同橡胶材料在与化学镀镍球、硫酸阳极氧化球对摩时，摩擦系数表现出相同的变化规律：氢化丁腈橡胶HNBR5080<耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18<丁腈橡胶DQ370。如图4和图5所示，不同橡胶密封副在脂润滑条件下，摩擦磨损性能大幅改善。橡胶表面出现轻微划痕，且硫酸阳极氧化与化学镀镍对结合摩擦系数的变化规律和不同橡胶材料的重量变化可知，在添加润滑脂的条件下，性能表现最佳的橡胶材料为氢化丁腈橡胶HNBR5080橡胶材料，其次为耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18。

图4：润滑条件橡胶材料与化学镀镍球磨损表面形貌

图5：脂润滑条件橡胶材料与硫酸阳极氧化球磨损表面形貌

结语：(1)在干摩擦的实验条件下，氟醚橡胶表现出最大的失重量，说明其耐磨性最差，综合性能表现较好的为耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18和氢化丁腈橡胶HNBR5080。同时，不同橡胶材料与化学镀镍铝球对摩时的失重量略低于与硫酸阳极氧化球对摩时的失重量；(2)在添加润滑脂的实验条件下，结合摩擦系数的变化规律和不同橡胶材料的重量变化可知，性能表现最佳的橡胶材料为氢化丁腈橡胶HNBR5080，其次为耐磨丁腈橡胶A-4-1-J18，而不同橡胶材料分别与表面镀镍铝球、硫酸阳极氧化球对摩时，失重量未表现出明显差别。

参考文献：

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