改性PTFE推环的耐磨特性研究
改性PTFE推环的耐磨特性研究
摘要：推环是机械密封、往复泵及旋转轴封中的关键轴向补偿元件，其耐磨性能直接影响密封系统的稳定性和服役寿命。纯聚四氟乙烯（PTFE）具有极低的摩擦系数和优异的化学稳定性，但耐磨性较差，易产生粘着磨损和型变磨损。本文通过填料改性、共混增强等技术制备了系列改性PTFE材料，并以推环为对象开展摩擦磨损试验，系统分析了不同改性体系对耐磨特性的影响。结果表明，合理添加碳纤维、玻璃纤维及固体润滑剂可显著降低磨损率，并改善承载能力及热稳定性，为高性能推环设计提供数据支撑。
关键词：改性PTFE；推环；耐磨性；摩擦系数；磨损率；填料
1. 引言
机械密封中的推环通常位于弹簧与动环之间，用于传递轴向力并补偿端面磨损。传统金属推环存在润滑不良、对偶面损伤等问题，而纯PTFE推环虽然自润滑性好，但硬度低、抗磨损能力弱，在高载荷或含颗粒介质中易快速失效。因此，通过改性PTFE提升推环的耐磨特性成为工程应用的研究热点。
2. 材料设计与改性机理
基体选用悬浮聚合PTFE（分子量约300万）。改性填料包括：短切碳纤维（直径7μm，长度100μm）、E-玻璃纤维、天然鳞片石墨、二硫化钼（MoS₂）及纳米氧化铝。按质量百分比将填料与PTFE高速混合，经冷压成型（压力25MPa）后烧结（温度370℃，保温2h），制成标准推环试样。其耐磨机理可归纳为：
（1）承载效应：硬质纤维（碳纤维、玻璃纤维）在摩擦界面形成支撑骨架，减少PTFE基体直接承受的法向应力；
（2）转移膜调控：石墨、MoS₂等润滑剂在对偶表面形成连续、薄而均匀的转移膜，降低剪切应力；
（3）犁沟抑制：刚性填料阻碍PTFE大分子链的缠结滑移，抑制微观犁沟和黏着撕裂。
3. 试验方法与条件
采用销-盘式摩擦磨损试验机，对偶件为45#钢（淬火硬度HRC45～50），表面粗糙度Ra0.4μm。试验环境为干摩擦，室温25℃。预磨30min后，在载荷2MPa、滑动速度1m/s下测试2h，记录摩擦系数及体积磨损率。磨损率采用称重法（精度0.1mg）计算。各组试样的测试结果如表1所示。
| 改性（质量分数） | 磨损率（×10⁻⁶ mm³/Nm） | 摩擦系数 | 硬度（Shore D） |
|---|---|---|---|
| 纯PTFE | 1.82 | 0.10 | 55 |
| 15%玻璃纤维 | 0.76 | 0.18 | 62 |
| 20%碳纤维 | 0.53 | 0.15 | 65 |
| 10%石墨+5%MoS₂ | 0.68 | 0.12 | 58 |
| 18%碳纤维+5%石墨 | 0.41 | 0.11 | 67 |
| 15%玻璃纤维+7%MoS₂ | 0.59 | 0.12 | 63 |
由表1可见，单一添加硬质纤维会提高摩擦系数，但磨损率显著下降；碳纤维体系优于玻璃纤维体系，因碳纤维具有更好的自润滑性和与PTFE基体的亲和性。复合添加石墨或MoS₂可在保持低摩擦系数的同时进一步降低磨损率，其中“18%碳纤维+5%石墨”的综合性能最优，磨损率仅为纯PTFE的22.5%。
4. 载荷与速度对耐磨特性的影响
以“18%碳纤维+5%石墨”改性PTFE为研究对象，改变载荷（1～5MPa）和滑动速度（0.5～2.5m/s），测试其PV值（压力与速度乘积）对磨损率的影响，结果如表2所示。
| 序号 | 载荷（MPa） | 速度（m/s） | PV值（MPa·m/s） | 磨损率（×10⁻⁶ mm³/Nm） |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 0.35 |
| 2 | 2.0 | 1.0 | 2.0 | 0.41 |
| 3 | 3.0 | 1.0 | 3.0 | 0.52 |
| 4 | 2.0 | 1.5 | 3.0 | 0.47 |
| 5 | 4.0 | 1.0 | 4.0 | 0.72 |
| 6 | 2.0 | 2.5 | 5.0 | 0.89 |
| 7 | 3.0 | 2.0 | 6.0 | 1.05 |
数据表明：在PV值低于3.0 MPa·m/s时，磨损率增幅平缓；当PV值超过4.0 MPa·m/s后，摩擦界面温度快速上升，填料与基体间产生热疲劳裂纹，磨损率呈超线性增长。因此，改性PTFE推环的许用PV值建议取4.0 MPa·m/s以内，以保证可靠运行。
5. 与其他推环材料耐磨性对比
| 材料 | 磨损率（×10⁻⁶ mm³/Nm） | 摩擦系数 | 适用温度范围（℃） |
|---|---|---|---|
| 纯PTFE | 1.82 | 0.10 | -180～260 |
| 改性PTFE（18%CF+5%石墨） | 0.41 | 0.11 | -180～280 |
| 碳化钨硬质合金 | 0.06 | 0.40～0.60 | ≤500 |
| 石墨（浸金属） | 0.28 | 0.15～0.25 | ≤450 |
| 聚醚醚酮（PEEK） | 0.35 | 0.20～0.30 | -60～250 |
对比可见，改性PTFE虽然比硬质合金的磨损率高，但其低摩擦系数、抗咬合性以及对对偶面的保护作用使其成为推环等非金属摩擦副的理想选择。与PEEK相比，改性PTFE具有更优异的耐化学腐蚀性和更低的启动摩擦阻力。
6. 应用扩展与优化建议
在实际工况中，推环常处于高速旋转和轴向高频微动状态。改性PTFE推环表面可进一步设计微纹理或储油槽，以强化边界润滑能力。对于含砂介质，推荐增加碳纤维含量并引入纳米Al₂O₃颗粒，形成多重抗磨体系。此外，通过辐照交联或等离子体表面处理，可在推环表层形成致密硬化层，同步提升耐磨性与抗蠕变性。针对高PV值工况，可在推环背面复合金属骨架，利用热传导降低表面温升，从而抑制热-力耦合损伤。
7. 结论
（1）纯PTFE磨损率为1.82×10⁻⁶ mm³/Nm，直接用作推环材料难以满足高可靠性要求。
（2）在PTFE基体中添加20%碳纤维可使磨损率降至0.53×10⁻⁶ mm³/Nm；进一步加入5%石墨后，磨损率低至0.41×10⁻⁶ mm³/Nm，摩擦系数保持0.11，综合耐磨特性最佳。
（3）改性PTFE推环的许用PV值约为4.0 MPa·m/s，超过该值后磨损机制由磨粒磨损转变为疲劳剥落。
（4）与其他推环材料相比，改性PTFE在低摩擦、耐腐蚀及对偶友好性方面具有显著优势，适用于苛刻的化工密封场景。
参考文献：（略）