船舶艉轴机械密封材料摩擦磨损性能研究∗

臧红双 白秀琴 梁兴鑫 郭智威 袁成清

（1.武汉理工大学交通与物流工程学院 湖北武汉 430063；2.水路交通控制全国重点实验室（武汉理工大学） 湖北武汉 430063；3.武汉理工大学船海与能源动力工程学院 湖北武汉 430063）

艉轴密封装置是船舶推进系统的重要组成部分，其密封性能直接关系船舶航行的安全与可靠［1］。机械密封具有摩擦耗能低，对轴磨损小，密封性能好，可靠性高等优点，被越来越多地应用于船舶艉轴密封装置中［2］。从减摩耐磨方面考虑，机械密封端面配副材料一般选择硬环密封材料和软环密封材料组合［3］。随着船舶向高速化、大型化方向发展，机械密封配副材料所经受的转速及密封介质压力也越来越大，导致端面摩擦热增加，磨损加剧，其中软环密封材料的摩擦损坏更为严重，严重影响机械密封的使用寿命［4］。因此，探究高速、重载的苛刻工况下船用艉轴机械密封软环材料摩擦磨损性能的变化规律具有重要意义。

近年来，许多学者都对艉轴机械密封软环材料的摩擦磨损性能进行了研究。ZHANG 等［5］对比了非浸渍石墨与浸酚醛树脂石墨复合材料的摩擦学性能，结果表明酚醛树脂的存在降低了石墨中的孔隙含量，增加了流体动压润滑面积，使密封材料润滑效果更好，摩擦因数与磨损量更小。林荣会等［6］研究了纳米铜对酚醛树脂磨损性能的影响，研究结果表明相较于普通酚醛树脂，用纳米铜增强酚醛树脂复合材料作基体制备的三元复合材料的磨损性能有了明显的改善，磨损率降低约67%。任婕［2］研究了泡沫镍对PTFE 摩擦学性能的影响，发现随着泡沫镍含量的增加，复合材料的力学性能增强，但摩擦因数也相应增大；泡沫镍可有效减少复合材料的磨损率，但在不同成分配比下各磨损特性有所差异。

目前有关船用艉轴机械密封软环材料摩擦磨损性能的研究大多是对各种材料及其改性材料的性能进行对比，且工况相对温和，有关船用艉轴机械密封软环材料在苛刻工况条件下的研究相对较少。为探究船用艉轴机械密封软环材料在苛刻工况下的摩擦磨损性能，本文作者选取浇注型聚氨酯弹性体（CPU）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）、玻璃纤维改性聚己二酰丁二胺复合材料（GF／PA46）、玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合材料（GF／PTFE）5 种材料进行对比研究。CPU 由于具有软、硬2 种链段，因此通过分子链的设计可以赋予其高强度、高韧性以及良好的耐磨性［7］。PET 与PBT是20 世纪50 年代研制出来的热塑性聚酯，具有耐高温、耐腐蚀性与耐磨性好等优点，应用越发广泛，逐渐发展成为不可或缺的新型材料［8－10］。PA46 又称为聚酰胺46，是一种具有优良耐热性的聚酰胺类塑料。由于在单位长度链上其酰胺基含量更高并且链的对称性更好，其结晶度、熔化温度和热稳定性均高于常用的聚酰胺6（PA6）和聚酰胺66（PA66）。此外，由于其高结晶度，PA46 表现出优异的耐磨性能［11－12］。目前，市场上销售的不同牌号耐高温聚酰胺大多是经过玻璃纤维（GF）增强后的产品［13］。PTFE 是一种具有极低的摩擦因数、优异的耐腐蚀性、良好的热稳定性和低吸水率的聚合物基体，通常被用于轴承和密封件［14－15］；但其耐磨性较差，易产生永久变形。在PTFE 基体中添加GF，可以增强其摩擦磨损性能。马伟强等［16］研究了添加GF 对PTFE 摩擦磨损性能的影响，结果表明GF 的加入虽然在一定程度上降低了GF／PTFE 的摩擦性能，但其磨损性能却大幅提高。

本文作者以船用艉轴机械密封软环为研究对象，探究其在苛刻工况条件下的摩擦磨损性能，为船用艉轴机械密封软环材料的选型提供参考。

1 试验部分

1.1 试样制备

CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE 与对摩副304 不锈钢均为市场上常见材料。对各材料进行车削加工，得到的摩擦副形貌与尺寸如图1 所示。软环材料圆环试样外径为130 mm，内径为100 mm，高度为10 mm；304 不锈钢盘外径为135 mm，内径为60 mm，高度为10 mm，摩擦副的接触面积为5 416.5 mm2。表1 给出了5 种软环材料的表面硬度。为避免空气中的水分对材料性能造成影响，试验前将5 种软环材料与304 不锈钢置于50 ℃恒温箱中干燥6 h。

表1 不同材料的邵氏硬度值Table 1 Shore hardness values of different materials

图1 摩擦副的形貌与尺寸Fig.1 Morphology and dimension of friction pair：（a）circular ring specimen of soft ring material；（b）304 stainless steel plate

1.2 摩擦性能测试

使用图2（a）所示摩擦磨损试验机进行摩擦磨损性能测试，试验原理如图2（b）所示，上环为304 不锈钢盘，用螺丝固定于旋转轴上，随轴做同步转动（转速为ω）；下环为软环材料圆环试样，用销固定于水槽底部，通过控制水槽的升降来使上下环对摩并调节载荷。考虑到不同区域的江水与海水成分不同，为使结论更具普适性，试验时将304 不锈钢盘和软环材料圆环试样的摩擦表面浸没在去离子水中以模拟水润滑条件。

图2 摩擦磨损试验机及试验原理Fig.2 Friction and wear testing machine（a）and test principle（b）

通过传感器采集试验过程中的扭矩、压力等参数，利用公式（1）计算摩擦因数μ。

式中：T为扭矩（N·m）；r为半径（m）；F为载荷（N）。

以某型船的运行工况为例，将摩擦磨损试验工况设置为水润滑，线速度为7 m／s，并选择端面密封常见压力0.5 MPa 作为试验压力。考虑到试验工况较为苛刻，因此试验开始时先将转速调到7 m／s，载荷从0 开始每隔15 s 加载0.005 MPa，最终加载到0.5 MPa，摩擦试验持续至样品失效（GF／PTFE 在试验进行至2 h 时依旧可以保持稳定摩擦，文中主动停止试验）。

使用精度为0.1 mg 的电子天平测量摩擦试验前后经烘干的软环材料圆环试样的质量，以计算其磨损量。摩擦试验结束后，使用扫描电子显微镜（SEM）对软环材料圆环试样的磨损表面形貌进行观察分析。

2 结果与讨论

2.1 摩擦因数分析

图3 显示了5 种软环材料试样的摩擦因数随时间变化的曲线。在试验开始后的20 s 内，5 种材料的摩擦因数均经历了短暂的下降，随后摩擦因数均上升且处于较大值，但CPU、PET、PBT、GF／PTFE 试样的摩擦因数波动较大，GF／PA46 试样的摩擦因数波动较小；随着试验的继续进行，5 种试样的摩擦因数整体呈下降趋势，CPU、GF／PA46、GF／PTFE 试样的摩擦因数相对平稳，PET、PBT 试样的摩擦因数继续保持较大的波动。GF／PA46、PBT、CPU、PET 试样，在试验分别进行至494、1 042、1 106、1 369 s 时，出现摩擦因数大幅上升，试样震动剧烈的现象，已无法形成稳定的摩擦，因此中止试验。GF／PTFE 试样在试验进行至2 h 时摩擦因数依然保持在0.009 左右，且摩擦过程稳定，遂主动停止试验。

图3 5 种材料摩擦因数μ 随时间t 变化曲线Fig.3 Variation of friction coefficient curves of five materials with time

分析其原因可知，在试验开始后的20 s 内摩擦副经历了短暂磨合，表面粗糙峰被逐渐磨平，摩擦因数有所下降。随着载荷的增加，CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE 试样摩擦表面接触应力变大，塑性变形随之发生，从而使摩擦由点接触变为面积接触，摩擦力增加，摩擦因数上升。此时CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE 试样与对摩副刚开始接触还未充分形成水膜，动压润滑效果差，因此CPU、PET、PBT、GF／PTFE 试样摩擦因数波动较大。而PA46 试样分子链中的酰胺键对水的吸收作用较好，能在一定程度上起到润滑作用，摩擦因数波动较小。进一步增加载荷，CPU、GF／PA46、GF／PTFE 试样的摩擦因数下降并趋于相对稳定，表明此时进入稳定磨损阶段，而PET、PBT 试样的玻璃化转变温度较低，受摩擦热的影响较大，摩擦因数继续保持较大波动。随着试验的继续进行，积累的摩擦热使得CPU、PET、PBT、GF／PA46 试样表面开始液化变软，严重破坏了材料特性，导致磨损失效。而GF／PTFE 试样热稳定好，并且在与对摩副摩擦时GF 可以承受部分负载，有效抑制GF／PTFE 的破坏和磨损，提高了PTFE的耐磨性，使得GF／PTFE 的摩擦因数较为平稳。

图4 显示了CPU、PET、PBT、GF／PA46、GF／PTFE试样失效前的平均摩擦因数，分别为0.051 5、0.087 8、0.124、0.141、0.017 2。摩擦因数从大到小依次是GF／PA46、PBT、PET、CPU、GF／PTFE。由于PTFE的表面能与分子间吸引力较低，因此PTFE 具有极低的摩擦因数，使得GF／PTFE 的摩擦因数很低，远小于其他4 种材料。与PTFE 相比，PA46 具有较高的摩擦因数，同时随着载荷的不断加大，GF／PA46 复合材料摩擦表面被严重破坏，导致GF／PA46复合材料最快失效，摩擦因数未能达到一个较低水平，因此平均摩擦因数最大。CPU 试样在失效前的摩擦因数较为稳定，平均摩擦因数仅大于GF／PTFE。PET、PBT试样摩擦因数在文中试验时表现较为一般。

图4 5 种材料的平均摩擦因数Fig.4 Average friction coefficient of five materials

综合比较，GF／PTFE 试样的摩擦因数最稳定且平均摩擦因数最小，因此在文中工况下GF／PTFE 试样减摩特性表现最优。

2.2 磨损性能分析

为比较各试样在苛刻工况下的磨损性能，图5 给出了5 种试样的单位时间磨损量。可见，GF／PA46试样的单位时间磨损量最大，为3.314 mg／s，其次是PET、CPU、PBT 试样，分别为 1.365、1.194、0.866 mg／s，GF／PTFE 试样的耐磨性最好，其单位时间磨损量为0.099 mg／s，远远低于其他4 种试样。

图5 5 种材料的单位时间磨损量Fig.5 Wear amount per unit time of five materials

分析其原因为，不断积累的摩擦热使GF／PA46、PET 试样表面开始熔化，相对较低的熔体黏度使熔化的部分在载荷和高速离心的作用下被挤压甩出摩擦表面，因此GF／PA46、PET 试样的单位时间磨损量很大。硬段和软段嵌段组成的分子结构使CPU 试样在正常工况下具有良好的耐磨性，因此CPU 在失效前保持相对稳定磨损。但CPU 导热系数极低，是热的不良导体，摩擦热主要集中在摩擦表层，在持续苛刻工况下摩擦热大量积累，导致CPU 塑性变形严重，磨损量增加。硬度是影响材料耐磨特性的最重要因素之一，体现了材料的抗变形能力。PBT 试样的硬度在5 种试样中最大，表现出较好的耐磨性能。相比于其他4 种材料，PTFE 材料拥有出色的导热系数，摩擦热不容易在摩擦表层积累，同时具有优异机械强度和耐磨性的GF 承受了摩擦过程中的部分载荷，降低了表面变形，有效保护了PTFE 基体使其免受严重磨损。因此，GF／PTFE 试样的磨损量远远低于其他4种试样的磨损量。

3 摩擦磨损机制分析

为进一步分析5 种试样在苛刻工况下的摩擦磨损机制，用SEM 对摩擦磨损后的试样表面进行了扫描分析，结果如图6 所示。

图6 5 种材料的磨损表面形貌Fig.6 Wear surface topographies of five materials：（a）CPU；（b）PET；（c）PBT；（d）GF／PA46；（e）GF／PTFE

图6（a）显示，CPU 试样表面磨损情况较为严重，磨损面有大量碎屑，这是由于CPU 试样表面积累的摩擦热使其力学性能严重下降，同时其硬度较低，在接触应力的作用下表面发生严重塑性变形与剥落，产生的磨屑分布在磨损面上，发生堆积充当磨粒，进一步破坏较为完整的表面，加剧了磨损。从图6（b）的中间位置可以看到明显的层状和鳞片状结构，这是因为随着载荷的不断增加，PET 试样软化变形加大，摩擦过程产生的碎屑被反复挤压、切削，在应力的反复作用下出现黏着剥落。剥落后的表面又会继续被挤压、切削，不断重复的这一过程使得磨损面呈现明显的剥层现象。图6（b）中两侧的磨痕和犁沟则显示了PET 试样发生了磨粒磨损。从图6（c）中可以看到，PBT 试样表面有少量的磨粒黏着和大量的撕裂破坏，磨损形式主要为磨粒磨损与黏着磨损。造成这种现象的原因是在高速、重载的作用下，PBT材料表面产生的应力超出了材料的强度，故材料的表层在剪切力的不断影响下出现了裂纹、撕裂和剥离等情况。图6（d）显示GF／PA46 试样表面出现了材料的大面积脱落。这是因为应力使GF／PA46 试样出现黏着剥落，暴露的GF 因磨损断裂生成磨屑，加剧了对PA46 基体的切削和犁沟作用。同时，大量的摩擦热加快了裂纹产生和扩展，导致GF 和PA46 间的界面破坏，使GF 拔脱、断裂，最终对GF／PA46 试样表面产生严重的破坏。图6（e）显示GF／PTFE 试样的摩擦表面有一些相对轻微的撕裂和磨痕，磨损形貌相对平整，磨损形式主要为黏着磨损与磨粒磨损，且黏着磨损与磨粒磨损比其他4 种试样轻微很多，因此GF／PTFE 试样耐磨性能更好。

4 结论

（1）研究的5 种材料中，GF／PTFE 摩擦因数最稳定且平均摩擦因数最小，减摩特性表现最优。CPU在失效前的摩擦因数较为稳定，平均摩擦因数仅大于GF／PTFE。PET、PBT 受摩擦热的影响较大，导致摩擦因数波动较大。GF／PA46 在试验初期摩擦因数相对平稳，但随着载荷的不断加大，摩擦表面被严重破坏，导致GF／PA46 最快失效，平均摩擦因数最大。

（2）高速、重载的工况使得CPU、PET、PBT、GF／PA46 试样的摩擦表面积累了大量的摩擦热，在接触应力的作用下表面产生变形、剥落，出现了不同程度的黏着磨损与磨粒磨损，磨损量较大。

（3）GF／PTFE 试样仅出现一些相对轻微的撕裂和磨痕，相较于CPU、PET、PBT、GF／PA46，GF／PTFE试样的平均摩擦因数分别下降了66.6%、80.4%、86.1%、87.8%，单位时间磨损量分别下降了91.7%、92.7%、88.6%、97.0%，摩擦磨损性能最优。