浅议阀门密封副摩擦学性能试验与研究分析

发布时间:2011-01-28  点击数:3457
    某高压气阀的阀座和阀盘材料分别为青铜和尼龙做成,由其组成的密封面在使用过程中,如果密封介质中含有硬质颗粒或因较长时间的工作致使密封面发生磨损,就极易导致密封失效,从而造成调节阀不能正常工作,因此如何改进和提高其密封性能就成为人们十分关心的问题。
    通过以上分析可以发现,改进阀门的密封性能,关键在于提高阀座和阀盘所组成的摩擦副的摩擦学性能。针对此问题,本文作者尝试通过表面工程技术对阀座材料表面进行强化,提高其摩擦学性能,同时选择性能更为优异的阀盘材料替代原有材料,从而达到改善其摩擦性能的目的。
一、摩擦副材料的选择及试验方案
    由于阀座与阀体均为青铜材料,且为整体铸造,若要单独更换阀座材料,在工艺上难以实施,因此本研究作者通过表面工程技术在阀座表面覆盖一层表面性能优异、能与铜基体表面牢固结合的合金材料,并通过摩擦磨损试验考查其摩擦性能。
    1、试验条件及参数


    试验机为西德WAZAU公司生产的SST2ST销盘摩擦试验机,其示意图如图1所示。上、下试样的规格见图2。具体试验参数如下:
    法向载荷:p=50N;
    往复滑动频率:f=018Hz
    往复冲程:s=10mm;
    摩擦方式:(1)干摩擦;(2)水润滑含砂(100目石英砂);
    试验周期:T=60min
    环境湿度:50%~65%;
    环境温度:19~24℃。
    2、摩擦副材料的选择及试样的制备
    由于基体铜材料自身的特点,使得大多数的表面技术在其表面无法进行。铜的热膨胀率和热传导率较一般金属都要高,若采取激光熔覆、堆焊等手段,铜基体必然会由于高温而造成整体的烧塌,而一般的热喷涂、粘涂等技术又无法保证结合强度。因此,如何通过表面技术手段改善阀座材料的表面性能就成为本研究的一大难点。
    通过反复试验,最终采用了等离子喷涂的方法,并根据对硬度、摩擦性能等的要求,有针对性的选择了3种喷涂材料:陶瓷涂层、镍基涂层和铁基涂层,其各自的材料组成和性能见表1。


    据试验参数的要求,制成的上试样喷涂件形貌见图3。



    在阀盘材料方面,其原始材料为尼龙(PA),在摩擦学性能方面并不理想,根据阀门的实际工作特点,作者有针对性地选择了2种材料:超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和聚苯酯(PHB),并按照尺寸规格分别制成了下试样。
二、试验结果及分析
    作为阀门的密封副,尤其是一些工作环境为高温高压的气阀,要保持密封端面的密合性,主要需要考察阀盘和阀座的摩擦因数及磨损量。在本试验中是通过读数显微镜读取磨痕宽度B,来计量磨损量的大小[5],若要以体积磨损量Wv来计量,则用下式进行换算即可:
    Wv=B3/30
    式中:B为磨痕宽度,mm;Wv为体积磨损量,mm3
    试验中为避免偶然因素的影响,每组试验要选取3组试样进行试验。得到的磨损情况列于表2、表3,其中f1、f2、f3分别对应3组试验的摩擦因数,磨痕宽度则取其平均值。



    从试验结果可以看出:
    (1)铜与尼龙组成的密封副摩擦性能不理想。在干摩擦状态下,铜与尼龙组成的摩擦副会发生较为严重的粘着磨损。从表2中可以看到,上试样即阀座材料的磨损量为最大,虽然下试样PA的磨损量稍小,但这对摩擦副的摩擦因数却为最大。图4是该对摩擦副的摩擦因数变化曲线,其中横、纵坐标分别代表时间(s)以及摩擦因数。


    从摩擦因数的变化情况来看,该对摩擦副的摩擦因数并不稳定,摩擦因数整体较大,且随着时间推移,其增大的趋势也比较明显,可见该摩擦副的性能并不理想。
    在水润滑含沙条件下,Cu与PA组成的摩擦副发生的磨损为粘着磨损和磨料磨损的复合,其磨损形貌见图5所示。从图5(a)可看出,铜的摩擦表面产生了一道道犁沟状擦痕。这是由于铜的硬度不够高,存在于摩擦表面之间的磨粒无法被碾碎,磨粒使摩擦面上形成了切槽,切槽两边及底部的表层内产生位错。由于表面处存在三维高压缩应力和位错映象力,所以表层以下发生剪切变形,致使新的磨屑产生出来,加速了阀座材料的磨损,这种磨损属于三体磨损。同样,从图5(b)中可看到,作为配副材料的PA,其摩擦表面出现了比较严重的粘着磨损。
 

    分析结果表明,如果阀门采用Cu和PA作为阀盘和阀座材料,特别是一些高压调节阀门,在工作环境中,经过反复开关启闭后,势必会出现较严重的磨损,导致其密封性能明显下降。
    (2)单纯提高阀座材料的摩擦学性能,有时会增大阀盘材料的磨损以及摩擦因数。
    从表3中可以看到,在水润滑含砂条件下,陶瓷涂层与几种阀盘材料组成摩擦副时,陶瓷涂层的磨损量为最小,其摩擦表面有一些微小的压痕以及轻微的擦伤,基本上看不到明显的划痕,见图6。但相比之下,阀盘材料的磨损状况却较为严重,而且摩擦因数也较高。
    分析其机制在于,虽然同为磨粒磨损,但是当阀座材料为Fe基和Ni基喷涂层时,其硬度相对较低,当其与阀盘材料组成摩擦副时,只是一般的划伤性磨粒磨损;当阀座材料更换为陶瓷涂层后,由于陶瓷涂层的高硬度,其磨损状态转变为碾碎性磨粒磨损,在图6中观察到的压痕就是磨粒碾碎时在陶瓷涂层表面形成的一些细微的颗粒状压坑。


    表3的数据显示,磨损状态的改变对陶瓷涂层并没有产生太大的影响,但相对质软的阀盘材料表面则会由于摩擦状态的改变,造成磨损加剧,同时摩擦因数也会相应提高。图7是该条件下,与陶瓷涂层配副时聚苯酯和超高分子量聚乙烯摩擦表面的磨损状况。此时可以看到,在2种阀盘材料的表面均出现了很明显的粘着磨损,摩擦表面由于磨损出现了比较严重的表层脱落的现象。


    从表3的数据以及磨损状况来看,陶瓷涂层虽然本身的摩擦性能较好,但在组成摩擦副后,其摩擦状态却并不理想,在一定程度上甚至要比阀门的原始摩擦状态更差。综上所述,陶瓷涂层不适合用作为阀门的阀座材料,改善阀门密封副性能也并不能单一从提高阀座材料摩擦学性能的方向出发。
    (3)超高分子量聚乙烯是良好的阀盘材料。
    超高分子量聚乙烯是一种线型结构的热塑性工程塑料,具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、自润滑、摩擦因数小、耐低温等优良特性。其制品的抗拉强度比较高,韧性很好,冲击强度在整个工程塑料中是名列前茅的。有关文献已经证明即使在无润滑剂存在时,其与钢或黄铜等金属表面滑动也不会引起粘着现象,并显示出低摩擦因数。这样的性能使其成为具有较大发展空间的阀盘材料。本文试验采用的超高分子量聚乙烯主要性能指标如下:
    密度:0.94g/cm3
    抗张屈服强度:220×106Pa
    抗张断裂强度:400×106Pa
    磨耗量:15mg
    肖氏硬度:HRM50
    环境应力开裂:>4000h
    化学性能:室温下耐一般溶剂,能耐极性有机物(醇、酮)、水、浓酸(包括氢氟酸)、碱、油与臭氧。
    从表2可见,当阀座材料采用超高分子量聚乙烯,在干摩擦状态下,与各种阀座材料配对时,其磨损量和摩擦因数均较小,而且摩擦因数更加稳定。图8是超高分子量聚乙烯与铜配副时干摩擦状态下的摩擦因数曲线,与图4比较可以更加清楚地看到超高分子量聚乙烯对于改善摩擦状态的显著作用,其与铜配副时,摩擦因数更小而且明显变得稳定,随时间推移并没有明显增大的趋势。


    当摩擦环境变为水润滑含砂条件时,从表3中看到,超高分子量聚乙烯对于摩擦状态的改善作用同样明显:与Cu、Fe基以及Ni基喷涂层组成摩擦副的磨损量以及摩擦因数均相对较小
    图9是含砂水润滑条件下铜与超高分子量聚乙烯试验后的表面形貌,与图5相比较,虽然磨损状态也是磨粒磨损和粘着磨损的复合,但相比尼龙与铜配副的情况,此时铜的表面只是一般性的擦伤性磨损,而未出现图5中明显的犁沟形损伤,超高分子量聚乙烯表面虽然也出现了轻微的粘着磨损的现象,但相比尼龙的大面积粘着磨损、脱落的情况,其摩擦性能明显要好得多。


    可见,超高分子量聚乙烯对磨损状态的改善作用明显,作者认为其机制主要在于,对于超高分子量聚乙烯而言,摩擦环境中的砂粒,在某种程度上起到了聚合物减摩材料中的颗粒状填料的作用,摩擦过程中,砂粒嵌入相对较软的超高分子量聚乙烯表面,相当于软基体上的硬颗粒,又由于与之配副的阀座材料硬度相对较高,因此阀座表面的粗糙度也不会显著增加。
    通过以上分析,可以得到这样的结论:超高分子量聚乙烯材料的减摩、耐磨性能均比较理想,且随着工作时间增加仍能保持稳定、良好的摩擦学性能,是理想的阀盘材料。
    值得一提的是,超高分子量聚乙烯与铜配副时,对摩擦磨损状态的改善作用明显,这一现象也为研究者提供了改善阀门密封性能的一个思路:单一更换阀盘材料,也可较好地改善阀门的密封性能,在阀座所处空间不便进行喷涂或喷涂后加工的情况下,这也是不错的选择
    (4)镍基喷涂层与超高分子量聚乙烯是理想的摩擦副材料。
    通过前面的分析,已经确定了将超高分子量聚乙烯作为阀盘材料,而陶瓷涂层作阀座材料的方案也被否定,因此与超高分子量聚乙烯配副的阀盘材料就应该在Fe基和Ni基喷涂层中进行选择。
    从表2、表3中看到,在干摩擦和水润滑含砂状态下,镍基喷涂层与超高分子量聚乙烯组成的摩擦副摩擦因数和磨损量均为最小,且摩擦因数也更为稳定。


    图10和图11是Ni基和Fe基喷涂层分别与超高分子量聚乙烯配副时,在含砂水润滑条件下的磨损状况。
    通过对这两对摩擦副的比较发现,阀座材料表面均发生了磨粒磨损,Ni基和Fe基喷涂层表面均有明显的擦痕,但相比之下,Ni基涂层表面的擦痕显然要细小得多;而阀盘材料表面的磨损状况对比则更加明显:虽然都有一定的粘着磨损的情况,但与Ni基涂层配副时,超高分子量聚乙烯的表面发生磨损的程度显然要轻得多。
    分析其机制,作者认为主要在于,Ni基涂层比Fe基涂层的硬度更高,而前面已经提到超高分子量聚乙烯对于磨损状态的改善原因主要在于砂粒嵌入其表面后的减摩作用,这种作用在其与硬度更高的Ni基涂层配副时,会产生更好的效果,摩擦状态也更为理想。由此可见,在作者选择的几种阀门密封副中,镍基喷涂层与超高分子量聚乙烯的摩擦学性能最为理想,是阀门密封副的理想材料。
    一般阀门的阀盘材料为整体嵌压成型,更换比较简便。而对于阀座材料,若面积较大便于喷涂,则可选择镍基喷涂粉末对阀座表面进行强化,与更换阀盘材料的方法同时进行,效果最为理想。在阀座所处空间不便进行喷涂或喷涂后加工的情况下,只是将阀盘改用超高分子量聚乙烯,也可较好改善密封性能。
三、结论
    1、超高分子量聚乙烯与铜配副时,可有效改善摩擦状态,在阀座不便于喷涂的情况下,将阀盘材料更换为超高分子量聚乙烯,也是改善原阀门密封性能的有效途径。
    2、铜与尼龙作为阀体材料的密封副摩擦学性能不理想,难以保证良好的密封效果。
    3、在铜表面喷涂镍基合金后与超高分子量聚乙烯组成的密封副,摩擦学性能良好,在长时间工作后仍能保持稳定,是理想的阀门密封副材料。在阀体所处空间环境便于喷涂的条件下,这是提高密封性能较为理想的方法。

    参考资料
    (1)顾永泉。机械动密封[M]。东营:石油大学出版社,1990。
    (2)徐滨士,朱绍华,刘世参,等。表面工程与维修[M]。北京:机械工业出版社,1996。
    (3)陈丽梅,李强。等离子喷涂技术现状及发展[J]。热处理技术与装备,2006,27(1):1-5。
    (4)戴达煌,周克崧,袁镇海。现代材料表面技术科学[M]。北京:冶金工业出版社,2004。