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传动系统密封件与润滑剂相互作用耐久性检测

来源:荣格 发布时间:2017-10-26 2589
化工塑料橡胶原料及混合物添加剂及母粒 技术前沿
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在一定条件下的静态和动态密封试验一直以来被用于论证径向唇形密封圈在汽车动力传动系统中应用的长期耐久性。随着OEM和一级供应商对更高性能和更长使用寿命持续提高要求,密封与润滑的相互作用变得更为重要。需要额外的测试方法以补充这些传统测试的不足,并对耐久性能和使用寿命预期提供更好的预测。这些新方法需要考虑到在成本和时间方面与传统测试的知识差距,以有效的方式生成预测结果。因此,本文将讨论评价传动密封系统和润滑油系统之间的相互作用的最佳方法。

在一定条件下的静态和动态密封试验一直以来被用于论证径向唇形密封圈在汽车动力传动系统中应用的长期耐久性。随着OEM和一级供应商对更高性能和更长使用寿命持续提高要求,密封与润滑的相互作用变得更为重要。需要额外的测试方法以补充这些传统测试的不足,并对耐久性能和使用寿命预期提供更好的预测。这些新方法需要考虑到在成本和时间方面与传统测试的知识差距,以有效的方式生成预测结果。因此,本文将讨论评价传动密封系统和润滑油系统之间的相互作用的最佳方法。

根据ASTM D 471试验方法,通常在等温静态环境中评估弹性体与汽车润滑油的兼容性。液体测试操作是对在玻璃试管中的狗骨形弹性体样品暴露于有限的氧环境下在升高的温度中加速退化。此类材料依赖其物理属性的变化来评估产品性能。然而,动态径向唇形密封圈暴露在汽车应用的其他环境中,这使其寿命性能更难预测。为了更好地理解差异,设计径向唇形密封圈时,通常采用先进的动态密封(ADS)测试设备来评估和验证,尝试重现与加速现实世界环境条件来评估子系统的长期耐久性能。通常用轴测力计评估与验证汽车车轴润滑油。齿轮润滑油化学添加剂在金属小齿轮环形密封件中反应(玻璃试管中不存在)改变整体液体化学变化。这些试验的评价更接近于现实世界在汽车上的条件,但在径向唇形密封圈测试中更耗费时间和金钱,且弹性体物理性能不能轻易或可靠地被测量。

本研究使用带有稍加修改的后差速器盖的后轴总成产品进行哑铃样测试,连同由同种弹性体模制而成的主动齿轮油封一起测试。作为一个完整的系统,容许密封件和哑铃形试件来进行评估,测试时两者处于同样的温度、压力和液体环境。然后可以直接对弹性体物理性能的变化进行密封性能比较。且还可改善传统试管液体相容性测试、先进动态密封(ADS)测试和测力计轴流试验之间的相关性。

实验

制作后差速器盖在测试标本室进行哑铃样测试。这个后差速器盖按20 DIN S2标准哑铃形试样设计修改(图1)。在整个测试过程中弹性体和油样品可以轻松地添加或去除。标准齿轮润滑油耐久性试验模拟一辆加载拖车的轻型卡车在城市交通道路上快速起动与急停,并在高速公路上疾驰。模拟的总里程是19300公里。所有材料都置于121℃的常规基准齿轮润滑油中10天,并用轴测力计测试。同时也依照ASTM D 471以相同时间和温度条件在玻璃试管中进行测试。

图1、改良的差速器盖测试样本

图1、改良的差速器盖测试样本

对通常用于小齿轮密封件的4种弹性体材料进行评价,包括双酚硫化二元/三元共聚物氟橡胶共混胶,过氧化物硫化低温氟橡胶,硫磺皂硫化ACM 和耐高温二元胺硫化ACM。小齿轮密封件试样由相同的材料模制而成,并用轴测力计和ADS测试仪进行测试(图2)。哑铃试样分别在24、48、96、144和240小时后移开以显示其降解率。由于没有哑铃样的空间,只有小齿轮密封件可以在ADS测试中被检测。

图2、主动齿轮油封仿真;在121℃重复10个周期热态试验

图2、主动齿轮油封仿真;在121℃重复10个周期热态试验

示温漆点被应用于小齿轮密封件的轴测力计测试和ADS测试,以更好地理解由于摩擦引起的密封边缘局部的温度峰值。不可逆热致变色涂料用来记录密封件所接触到的最大温度。

结果与讨论

所有4种材料类型的弹性体哑铃样在轴测力计和试管中阁置不同时间后进行测试。所有弹性体类型的拉伸结果显示在图3中,可观察到在轴测力计(实线/实心方块)和试管(虚线/空心方块)测试之间其拉伸结果表现出相关性良好。断裂伸长率也显示良好的相关性,而在试管环境中表现差异稍大。这表明常规ASTM D471液体浸泡是评价弹性体/润滑剂兼容性的一个有意义的方式,而不需要更昂贵的轴测力计设备。然而,径向唇形密封圈和润滑剂性能依然需要这些类型的测试方法进行充分验证。

图3、与液体接触的物理性能(轴测力计与试管测试对照)

图3、与液体接触的物理性能(轴测力计与试管测试对照)

小齿轮密封件用轴测力计和ADS测试仪测试被期望效果更佳,因为其液体温度、 轴速度和曝露时间相对于典型径向唇形密封性验证试验来说,并没有那么强。并可观察到所有样本的最小磨损。ACM小齿轮密封件在ADS测试仪上进行测试,并显示出浸润的证据。氟橡胶齿轮形密封件没有显出性能问题。热致变色颜料表明,ACM材料经ADS测试仪和轴测力计测试两者均有最大值,密封唇口温度大约达到180℃,尽管液体主体温度只维持在121℃。两种氟橡胶材料则在更低的唇口温度(130℃)下。由于在唇口表面的摩擦其局部温度峰值将加速密封件或润滑剂退化,从而突出产品验证测试
的必要。

过氧化物硫化的氟橡胶显示出物理性能损失最小,是最稳定的材料。二胺硫化 ACM也是表现出整个液体接触相当稳定。在最初的48小时内,双酚硫化氟橡胶显示出拉伸强度与断裂伸长率约有20%的损失,然后拉伸性能似乎表现稳定,而断裂伸长率继续下降,这表明聚合物链或交联键受到潜在的化学腐蚀。硫黄皂硫化的 ACM显示出拉伸性能直接损失,而延伸率却增加,出现2~4%的体积膨胀或材料塑化、聚合物链或交联键并没有受到化学腐蚀。

对表现出有希望的结果的改良差速器盖展开附加试验。当哑铃形试样从测试盒中被取出,添加新的样品以装进测试盒。这些新的样品被暴露在类似的曝露时间,但测试的“最后48小时”代替“最初48小时”。本实验旨在探讨润滑剂的化学物质变化产生的影响,因为一些齿轮润滑油添加剂被设计成可在金属表面迅速反应,以减少摩擦、磨损和腐蚀(图4)。

图4、在测试期间更换样品,使用液体的影响

图4、在测试期间更换样品,使用液体的影响

如果被加进的试样在10天测试周期的中期,双酚硫化氟橡胶的拉伸和断裂伸长率表现出戏剧性的差异。与暴露在测试开始时的样品对比,加进后48小时内所保持的拉伸强度或伸长率高于样品。润滑剂的小样本通过轴测力计测试。基于润滑剂的化学分析,聚合物链中的脱氟化氢(图5)涉嫌具腐蚀作用。润滑油化学添加剂在暴露最初48小时即减少。增加中间试验表明化学添加剂并没有对新样品显著侵蚀。由于在汽车里齿轮润滑油被设计成终生密封的,实际应用中OEM指南建议在维修过程中小齿轮密封件更换时要随之更换齿轮润滑油。如果不更换,在接触到新的液体时,密封件可能失去其物理性能并会过早失效。

图5、脱氟化氢的氟橡胶结构

图5、脱氟化氢的氟橡胶结构

过氧化物硫化氟橡胶和两种ACM材料没有看到类似的化学侵蚀,所以初始与中间样品测试之间没有显著差异。

图6、在液体B中老化6个周期后 (%)/DIN 53504的伸长率变化

图6、在液体B中老化6个周期后 (%)/DIN 53504的伸长率变化

雅富顿化学公司正在开发对双酚硫化氟橡胶没有腐蚀性的新型化学添加剂。这种新的齿轮润滑油也是更适合于ACM材料,最低程度减少塑化影响。这项研究将在新的论文和演示会上公布。

结论

在现实中,轴密封和小齿轮密封件暴露于动态环境下,会面对氧化的润滑剂,局部的温度峰值,但较低的液体温度。齿轮润滑油通常是永久性密封的,在使用过程中润滑剂会发生化学变化。弹性体与润滑油的兼容性在等温、静态测试管环境中被评价。现实中这些差异可能引起意外的耐久性或性能问题。

图7、在液体B中老化6个周期后 (%)/DIN ISO 1817的重量体积变化

图7、在液体B中老化6个周期后 (%)/DIN ISO 1817的重量体积变化

基于从B液老化测试到的结果,我们可以看到Noxtite ACM/HT-ACM等级表现出较强的物理属性行为,并因此可以被推荐适用于柴油机应用。至于汽油机的应用,基于液体A老化的数据,我们看到使用过氧化物老化的 Noxtite 氟橡胶等级的必要性。在A液和B液两种液体中,含66%氟的氟橡胶共聚物展示出更佳的老化性能,导致我们得出结论,即使FKMs是我们感到关切的抗漏气应用的必要类型,也没有绝对的必要性去使用氟含量更高(68%)的Noxtite氟橡胶三元共聚物等级。


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