一、橡膠密封失效典型情況

1. 選材錯(cuò)誤

  選材錯(cuò)誤常常是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員對(duì)各種材料的性能不熟悉。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的橡膠密封件供應(yīng)商能一開(kāi)始就指出選材的問(wèn)題。有時(shí)使用環(huán)境比較復(fù)雜，或者是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，選擇材料就不是件非常容易的事了。除了仔細(xì)甄別各種影響因素外，還需要進(jìn)行功能測(cè)試。常用的橡膠密封材料有三元乙丙橡膠(EPDM)、丁腈橡膠(NBR)、硅橡膠(VMQ)、氟橡膠(FKM或者FPM)和氯丁橡膠(CR)等。這些橡膠的特性各不相同，應(yīng)用也不同。選擇材料要從多方面考慮，比如使用溫度、材料是否耐受介質(zhì)、材料的硬度、壓縮永久變形和耐磨性等各種因素。

      我們有個(gè)國(guó)內(nèi)客戶(hù)不喜歡正在使用的O圈，因?yàn)檫@個(gè)O圈很容易壞。我們檢查了更換下來(lái)的樣品，發(fā)現(xiàn)樣品表面有龜裂，紋路很像臭氧老化。我們又詢(xún)問(wèn)了O圈的使用環(huán)境，發(fā)現(xiàn)周?chē)泻芏鄼C(jī)械設(shè)備和電動(dòng)馬達(dá)。這下答案就有了：電動(dòng)馬達(dá)的火花能產(chǎn)生臭氧，造成了局部小環(huán)境臭氧濃度較高；而客戶(hù)所選材料為丁腈橡膠，不耐受臭氧。為了驗(yàn)證結(jié)論，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室臭氧老化箱中做了測(cè)試，結(jié)果客戶(hù)提供的新O圈表面也出現(xiàn)了類(lèi)似的裂紋。由於該密封件只與空氣長(zhǎng)期接觸，沒(méi)有礦物油等其他物質(zhì)，我們推薦了三元乙丙橡膠來(lái)代替客戶(hù)的現(xiàn)有產(chǎn)品。

 2. 密封件使用不當(dāng)

   一個(gè)好密封件，如果使用不當(dāng)，也會(huì)造成整個(gè)產(chǎn)品失效，比如潤(rùn)滑油使用錯(cuò)誤。我們的某個(gè)客戶(hù)反饋說(shuō)O圈零件的尺寸與要求差異很大。當(dāng)我們分析樣品時(shí)才發(fā)現(xiàn)，客戶(hù)用錯(cuò)了潤(rùn)滑油。該O圈是由三元乙丙橡膠制成，材料本身不耐礦物油類(lèi)的潤(rùn)滑油。客戶(hù)涂上這種潤(rùn)滑油，會(huì)造成產(chǎn)品體積溶脹。後來(lái)讓客戶(hù)改用硅油就沒(méi)有問(wèn)題了。另外一類(lèi)常見(jiàn)的問(wèn)題為安裝錯(cuò)誤。比如在O圈裝配過(guò)程中產(chǎn)生了扭曲；由於安裝不當(dāng)而造成密封件受壓不均勻；密封件的潤(rùn)滑不夠等失誤。如果這些失誤是由密封件的生產(chǎn)廠(chǎng)家造成的，那么這屬於生產(chǎn)質(zhì)量所控制的范圍之內(nèi)。如果由定貨方或者第三方造成，那么就屬於使用不當(dāng)了。當(dāng)今科技日新月異，巿場(chǎng)上出現(xiàn)了很多新的密封件材料和工程設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足各種苛刻的使用要求。同時(shí)，大多數(shù)密封件的制造商也采用了科學(xué)的質(zhì)量管理體系。遺憾的是，這些努力都不能杜絕密封件失效。因而，失效分析就顯得更為重要了。

3. 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤 

設(shè)計(jì)錯(cuò)誤通常是由於設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品認(rèn)識(shí)不足造成的。比如對(duì)密封件承受的壓力估計(jì)不足、對(duì)密封面上接觸應(yīng)力分布的認(rèn)識(shí)有誤、安放密封件的溝槽設(shè)計(jì)不合理等。如果在設(shè)計(jì)的時(shí)候客戶(hù)就用有限元方法分析過(guò)該產(chǎn)品，不但可以避免類(lèi)似的錯(cuò)誤，還可以節(jié)省其時(shí)間和金錢(qián)。當(dāng)然，想要成功的分析預(yù)測(cè)橡膠密封件的性能，不但要有合適的有限元分析軟件，還要有豐富的材料經(jīng)驗(yàn)、建模經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累。

     有限元分析(FEA)常常被用來(lái)輔助密封件的設(shè)計(jì)和失效分析。我們?cè)鵀槟趁绹?guó)客戶(hù)做過(guò)一個(gè)密封件，該密封件以塑料為主體，局部包上橡膠。客戶(hù)在檢測(cè)零件的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，塑料部分在測(cè)試時(shí)容易破裂，從而得出結(jié)論是：塑料件在二次成型時(shí)(即將橡膠包覆在塑料件上)被損壞了。經(jīng)我們分析後發(fā)現(xiàn)，塑料件都是在一個(gè)地方破裂的。通過(guò)有限元分析，我們發(fā)現(xiàn)，塑料件的破損部位實(shí)際上是密封件受到應(yīng)力的地方，此處應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)塑料所能承受的。

4. 密封件質(zhì)量

     密封件的生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)品的可靠性密切相關(guān)。常見(jiàn)的問(wèn)題有：原材料質(zhì)量不穩(wěn)定、橡膠混煉時(shí)投錯(cuò)原料、原料或者混煉膠儲(chǔ)存不當(dāng)(交叉污染)、膠料混煉不均勻、硫化條件(溫度、時(shí)間、壓力等)不妥、密封件產(chǎn)品保存不當(dāng)、模具使用不當(dāng)?shù)?。這些問(wèn)題往往涉及到生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制。定貨方在選擇密封件生產(chǎn)廠(chǎng)時(shí)，應(yīng)該經(jīng)過(guò)多次考察、調(diào)研并進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試。在供貨的過(guò)程中，還可要求密封件的生產(chǎn)企業(yè)提供真實(shí)、準(zhǔn)確的檢驗(yàn)報(bào)告。

二、橡膠密封件失效分析

1. 實(shí)地考察

   比如經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析，密封件物料可能有污染。為了確認(rèn)這種猜測(cè)，分析人員實(shí)地到生產(chǎn)廠(chǎng)家考察，看看有什么操作漏洞，并在各個(gè)可能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)取樣。如果實(shí)地樣品驗(yàn)證了分析結(jié)果，那么就可以確診了。其結(jié)果可幫助生產(chǎn)廠(chǎng)家改善生產(chǎn)流程，以避免將來(lái)發(fā)生類(lèi)似的問(wèn)題。失效分析的一個(gè)重要部分是實(shí)地考察密封件生產(chǎn)過(guò)程或者使用方的安裝、使用過(guò)程。因?yàn)橛袝r(shí)僅憑實(shí)驗(yàn)室的分析還不能夠得出結(jié)論。再如，我們?cè)幸粋€(gè)產(chǎn)品在使用中沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的壽命就失效了。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析和對(duì)密封件生產(chǎn)廠(chǎng)的考察，我們?nèi)匀粺o(wú)法找出原因。我們的技術(shù)人員去參觀(guān)了客戶(hù)的安裝流水線(xiàn)後發(fā)現(xiàn)，裝配過(guò)程中所使用的一個(gè)元件上有毛刺，裝配中橡膠件表面被劃傷，從而造成橡膠密封件在使用中過(guò)早失效。在客戶(hù)更換了這種元件後，橡膠密封件就完全達(dá)到使用要求了

2. 初步分析

    如果是由密封件供應(yīng)商進(jìn)行失效分析，在得到樣品後，還是先做一些簡(jiǎn)單的材料分析(比如硬度、拉伸強(qiáng)度、永久壓縮變形、比重等物性測(cè)試和尺寸檢查)，以再次確認(rèn)該產(chǎn)品的確是自己的產(chǎn)品。因?yàn)楹芏嘞鹉z件看起來(lái)都一樣(比如O圈)。

     有時(shí)候還可以在失效密封件上找到一些特征。有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員憑這些特征就可以初步斷定失效原因。另外，在失效特征的附近，還要注意觀(guān)察是否有異物、氣泡、流痕或者毛邊等異常情況。這些特征常常和密封件生產(chǎn)質(zhì)量有關(guān)?？赏ㄟ^(guò)肉眼、放大鏡、顯微鏡和電子掃描顯微鏡(SEM)等進(jìn)行觀(guān)察。

   根據(jù)以上這些線(xiàn)索，可以初步辨別造成失效的大致原因，如果需要，可進(jìn)一步安排其他分析測(cè)試。

3. 選擇合適的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行密封件失效分析

現(xiàn)實(shí)中，客戶(hù)常常首選該橡膠密封件的供應(yīng)商來(lái)做失效分析，或者找裝備精良的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室(或?qū)I(yè)測(cè)試公司)來(lái)做。但是，橡膠密封件失效分析不但要求技術(shù)人員具有全面的材料知識(shí)，還必須具有豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并且要善於使用一些專(zhuān)業(yè)的分析儀器和設(shè)備。而只有資深的橡塑元件生產(chǎn)商才有這樣的技術(shù)力量。另外，分析中可能會(huì)涉及到一些客戶(hù)的技術(shù)機(jī)密，因此，找一個(gè)有信譽(yù)的公司來(lái)進(jìn)行分析。

4. 搜集背景資料

密封件失效是怎么被發(fā)現(xiàn)的？密封件使用的條件是什么(溫度、壓力、介質(zhì)、使用頻率等)？ 如果結(jié)構(gòu)特殊，可能還需要圖紙或者組合件的照片。

失效產(chǎn)品占多少比例(%)。遇到密封故障時(shí)，首先應(yīng)該搜集如下背景資料，用來(lái)初步判斷失效是否和材料有關(guān)：密封件的生產(chǎn)廠(chǎng)家是誰(shuí)；膠料名稱(chēng)是什么(客戶(hù)有可能會(huì)搞錯(cuò)供應(yīng)商)。如有可能，請(qǐng)客戶(hù)送回部分樣品：失效的密封件、沒(méi)有失效的密封件、以及同批號(hào)中沒(méi)有使用過(guò)的密封件。這樣便於以後做比較測(cè)試。值得注意的是，有些樣品可能殘留有毒物質(zhì)，一定要提醒客戶(hù)和相關(guān)人員做好防護(hù)措施，并且妥善送交樣品。

得到這些信息後，分析員能夠建立相應(yīng)的檔案。一來(lái)便於今後追蹤跟進(jìn)調(diào)查情況；二來(lái)可以為將來(lái)的類(lèi)似案例提供線(xiàn)索。

失效產(chǎn)品中所用的密封件批號(hào)或者訂單號(hào)，這樣可以方便以後查詢(xún)。如果密封件失效僅與某批次相關(guān)，那么很有可能是由密封件生產(chǎn)中的某些變化造成的。

5. 深度分析

這些技術(shù)曾僅用於大學(xué)和科研院所的基礎(chǔ)科學(xué)研究。而今，在橡膠工業(yè)中，尤其是歐美一些高端技術(shù)企業(yè)中，這些技術(shù)成功地用在密封件失效分析上。對(duì)於這些技術(shù)，很多文獻(xiàn)都有更詳細(xì)的論述和使用實(shí)例，在此不再贅述。熱重分析儀(TGA)常用來(lái)研究材料的組分，借此可以快速間接地看出某些成分是否有問(wèn)題。除了憑借經(jīng)驗(yàn)和上述的各種測(cè)試外，有限元分析(FEA)也常常被用來(lái)輔助密封件的失效分析。上文在“機(jī)械設(shè)計(jì)錯(cuò)誤”中所舉的就是一個(gè)很好的例子。

    如果初步分析無(wú)法解決材料方面的疑問(wèn)，那么就需要采用一些更精密的化學(xué)分析方法。常見(jiàn)的有示差掃描量熱儀(DSC)，熱重分析儀(TGA)，動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)和熱 機(jī)械分析儀(TMA)等熱分析技術(shù)和傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)等光譜方法。這些分析儀器大都很貴，但是一般在幾天內(nèi)就可獲得分析結(jié)果。示差掃描量熱儀(DSC)常用來(lái)測(cè)試橡膠材料的玻璃化溫度，在失效分析中可以用來(lái)檢查橡膠材料的耐低溫性能。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)常用來(lái)測(cè)試在一定條件下材料的剛度與阻尼，借此可以判斷在實(shí)際使用環(huán)境中該密封件是否合適(比如抗沖擊性能)。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)常用來(lái)測(cè)定分子組成和結(jié)構(gòu)，在失效分析中可以用來(lái)確定橡膠本身和某些成分是什么、密封件上的異物成分、在使用中密封件發(fā)生了什么化學(xué)變化等信息。