丁腈橡胶动密封件工作面润滑层材料研制

2011-01-11

    0 前言

    弹性高、摩擦系数大是橡胶材料固有的特点。用橡胶材料压制的密封件在动态环境下使用,因摩擦问题,往往影响了密封功效和使用寿命。为此,人们采用了多种办法与措施进行探索,开展了各种试验研究,力求实现降低橡胶动密封件的摩擦影响。最简便的方法是在橡胶材料配方中加入润滑剂,达到减摩作用;或者改变动密封件的断面结构,如将“O”型断面设计成“X”型断面结构,也能起一定的减摩作用。

    20世纪中期国内外研究出的方法是:在橡胶动密封件工作面包覆一层厚度约0.2mm的聚四氟乙烯(F4)薄膜,或者在密封件表面喷涂一层聚四氟乙烯粉末,再经高温烧结。这两种方法均取得了明显的减摩效果,受到广泛的重视并在生产实践中应用。经工作面粘贴F4薄膜方法覆合成的密封件质量好、作用明显、可靠性强,在产业化生产中应用较多,至今仍在重要产品及特殊场合应用,但成形工艺较复杂、生产效率低。喷涂F4烧结的方法有覆合粘接强度低、涂层易脱落且局限于耐高温的氟橡胶等材料的缺点,应用范围受到限制。20世纪末期日本ァナハン株式会社研究出Emralon 312J clear水剂涂料,将其喷涂到密封件表面能起到一定的减摩作用,施工工艺简易,但由于受力学性能、粘接强度、使用温度等因素的影响,该材料的使用范围有限,多用于O形橡胶密封圈的表面处理。

    丁腈橡胶以优异的耐油性著称,而且价格便宜,在橡胶工业中得到了广泛的应用,尤其在密封件中使用量最大。为了有效改善丁腈胶动密封件摩擦问题,本文研究了应用纳米级高性能润滑添加剂与胶粘剂的合理配合,经过精细加工,制出了半自润滑涂覆材料,通过台架试验,表明其有明显的润滑减摩效果。

    1 实验

    1.1 主要原材料

    液体橡胶、液体环氧树脂,广州东风化工实业有限公司;L150J,日本旭硝子公司;硅钛复合偶联剂KH-553,南京能德化工有限公司;石墨粉、二硫化钼、硫磺、金属氧化物、多胺助硫化剂、促进剂D等,均为市售商品。

    1.2主要设备及仪器SG65三辊研磨机,常州自立化工机械有限公司;Zwick/Roell2010材料试验机,德国ZwickGT-7102泰伯尔磨耗试验机,台湾高铁检测仪器有限公司;FTPLUS摩擦系数测定仪,英国LLOYD;电子天平BS124s,德国SartoriusVMIAOO影像测量仪,深圳智寨;RT-2-PCD油封试验台,台湾磐石油压工业股份有限公司;LR016型老化试验箱,重庆银河试验仪器有限公司。

    1.3 混合与试样制备

    1.3.1 基本配方

    液态橡胶100,液态环氧树脂 50L150J 7.7MoS2 95,石墨44.7KH-553 3.2,硫磺 0.5,金属氧化物 9,多胺助硫化剂 7,促进剂D 1.4

    1.3.2 试样制备

    将称量好的液态橡胶、液态环氧树脂、L150JMoS2石墨粉、硫磺,置于广口容器中,搅拌均匀;加入KH-553,搅拌均匀;加入金属氧化物、多胺助硫化剂、促进剂D,搅拌均匀;上三辊研磨机精磨2-3遍,浆料用专用工具刮到硅橡胶模具的模腔内,刮平静置,于常压、室温条件下自然固化,或常压、室温×4d固化后置于电热鼓风烘箱中90℃×40min处理后,进行各项性能测试。

    1.3.3 润滑层材料的应用

    将经研磨好的浆料,刮入已称好质量的广口容器中,按该浆料的实际质量及施工工艺要求的浓度,加入适量的有机溶剂醋酸乙酯,及时搅拌至浆料完全溶解,便可进行施工。施工方法适于浸涂、刷涂和喷涂包覆至丁腈胶动密封件的工作面上,经常压、室温条件下固化而成。

    2 结果与讨论

    2.1 性能检测

    各种材料的力学性能、磨损性能、抗撕裂强度、粘接剥离强度、耐液体介质试验、摩擦系数的测定等,均按国家标准或化工行业标准规定执行。个别项目测试按非标方法进行。

    2.2 润滑层材料性能

    润滑层材料的基本性能列于表1

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    从表1试验数据可知,润滑层材料A4-2的综合性能良好。

    润滑层材料A4-2和丁腈胶油封胶料N334耐液体介质性能试验列于表2

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    从表2可知,A4-2材料的耐油性能比N334稍好,但耐自来水性能不及N334稳定。

    2.3 润滑层材料性能与相关材料性能的比较

    2.3.1 力学性能

    为了进一步了解润滑层材料与其他相关材料力学性能、撕裂性能、磨耗性能的关系,进行了部分对比试验,结果列于表3

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    从表3数据分析可知:(1)N338N334PT-FE试样均为高压、高温硫化或烧结而成,材料力学性能高,抗撕裂强度大,耐磨性能好;(2)A4-2试样为常压室温固化,材料密度、交联程度会有影响,耐磨性较差;(3)泰伯尔磨耗性能与材料的类型、特性、组分及试样的制备工艺有密切的关系。

    2.3.2 摩擦系数

    按国家标准HG/T2729-95(硫化橡胶与薄片摩擦系数的测定-滑动法)制作了多种材料的试样:PTFEN308N334A4-2.以及喷涂到橡胶试样表面的日本ァナハン株式会社生产的薄膜材料Emralon 312J-L(蓝色)、312J-B(半透明)试样等。应用FTPLUS摩擦系数测定仪,采用三种材质的滑动板:F4板(测定仪附件)、抛光钢板(718#钢,光洁度0.2μm)、氮化钢板(45#钢,光洁度0.2μm,再渗氮处理),按标准规定进行摩擦系数测定,测试结果列于表4

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    从表4试验结果可知:(1)摩擦系数与材料的组成及所接触的材质有关,其中F4的静、动摩擦系数最小;(2)N334A4-2312J-L这几种材料的摩擦系数基本相当,根据接触的活动板不同,静、动摩擦系数略有差异;(3)312J-BN308的摩擦系数较大;(4)A4-2材料的对F4板、抛光钢板和氮化钢板的动摩擦系数较小。

    应用FTPLUS摩擦系数测定仪测绘出表46种材料的摩擦系数,如图1所示。

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    从图1中可看出:(1)摩擦系数大小的顺序为PTFE312J-LA4-2N334312J-BN308(2)各种材料的静、动态摩擦系数大小不一样,在试验条件下显示的并不是一个恒定值,而是在一定的范围内不断波动变化的值。

    2.3.3 油封台架试验

    应用N334油封胶料按常规生产工艺压制φ100×125×12内骨架橡胶油封6件,切唇装弹簧后编号为1#-6#。其中1#2#为橡胶油封空白试样;3#橡胶油封唇口喷涂312J-L润滑层材料;4#5#6#橡胶油封唇口浸涂A4-2润滑层材料。将这3种不同类型的橡胶油封安装在磐石油封试验台上,密封介质为32t液压油,进行台架试验和对比考核。实验结果列入表5-7中。

    从表5试验结果可知:在相同的试验条件下,油封空白试样密封唇口的摩擦力比密封唇口包覆A4-2润滑层薄膜的摩擦力大,导致油介质温度升高。随着旋转速度加快,试验时间延长,油介质的温差增大。

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    从表6试验结果可知:1#油封空白试样试验过程摩擦力比唇口包覆A4-2润滑层薄膜油封的摩擦力大,在6000r/min工作20h与在7000r/min工作9h1#油封密封失效,6#油封密封性能良好。6#油封在800r/min继续试验6h后,密封性能依然良好,未见泄漏。

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    对比试验结果显示,油封唇口包覆A4-2润滑层薄膜材料的摩擦系数较低,润滑性能良好,能延长油封使用寿命。

    从表7结果可知:3#油封在6000r/min试验时间2h之内油介质温度较低,表明油封唇润滑性能较4#油封好。但试验时间超过2h,油介质温度升高,在8000r/min4.5h后油温升至100℃,涂层已磨损、脱落,开始泄漏。表明涂有A4-2润滑材料的油封性能良好,A4-2润滑层材料的力学性能、粘接性能、润滑性能、耐温性能优于312J-L材料,作为油封涂层,可延长旋转油封的使用寿命。

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    3 结论

    1.材料的泰伯尔磨耗性能与材料的力学性能、撕裂强度有关,拉伸强度高、抗撕性好,耐磨性就好;摩擦系数的大小与该材料耐磨性能优劣没有直接对应关系,与材质特性有关。

    2.不同材料的静、动摩擦系数有较大的差异,在试验条件下呈现出的材料静、动摩擦系数不是一个恒定值,而是在一定范围内波动变化。

    3.橡胶动密封件的使用性能与摩擦系数有密切关系。摩擦系数大,密封工作面的摩擦力大,则发热量大,加速了密封件的热氧老化,缩短了密封件的使用寿命。

    4.通过内骨架橡胶油封台架试验实际考核,油封密封唇口包覆A4-2润滑层材料的性能优于唇口纯橡胶油封性能及唇口包覆Emralon312J润滑层材料油封的性能。表明A4-2润滑层材料具有实际使用价值,可以应用于产业化生产中。

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