一、橡膠密封失效典型情況

1. 選材錯誤

  選材錯誤常常是因為設計人員對各種材料的性能不熟悉。一個經(jīng)驗豐富的橡膠密封件供應商能一開始就指出選材的問題。有時使用環(huán)境比較復雜，或者是一個全新的設計，選擇材料就不是件非常容易的事了。除了仔細甄別各種影響因素外，還需要進行功能測試。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、材料的硬度、壓縮永久變形和耐磨性等各種因素。

      我們有個國內客戶不喜歡正在使用的O圈，因為這個O圈很容易壞。我們檢查了更換下來的樣品，發(fā)現(xiàn)樣品表面有龜裂，紋路很像臭氧老化。我們又詢問了O圈的使用環(huán)境，發(fā)現(xiàn)周圍有很多機械設備和電動馬達。這下答案就有了：電動馬達的火花能產(chǎn)生臭氧，造成了局部小環(huán)境臭氧濃度較高；而客戶所選材料為丁腈橡膠，不耐受臭氧。為了驗證結論，我們在實驗室臭氧老化箱中做了測試，結果客戶提供的新O圈表面也出現(xiàn)了類似的裂紋。由於該密封件只與空氣長期接觸，沒有礦物油等其他物質，我們推薦了三元乙丙橡膠來代替客戶的現(xiàn)有產(chǎn)品。

 2. 密封件使用不當

   一個好密封件，如果使用不當，也會造成整個產(chǎn)品失效，比如潤滑油使用錯誤。我們的某個客戶反饋說O圈零件的尺寸與要求差異很大。當我們分析樣品時才發(fā)現(xiàn)，客戶用錯了潤滑油。該O圈是由三元乙丙橡膠制成，材料本身不耐礦物油類的潤滑油。客戶涂上這種潤滑油，會造成產(chǎn)品體積溶脹。後來讓客戶改用硅油就沒有問題了。另外一類常見的問題為安裝錯誤。比如在O圈裝配過程中產(chǎn)生了扭曲；由於安裝不當而造成密封件受壓不均勻；密封件的潤滑不夠等失誤。如果這些失誤是由密封件的生產(chǎn)廠家造成的，那么這屬於生產(chǎn)質量所控制的范圍之內。如果由定貨方或者第三方造成，那么就屬於使用不當了。當今科技日新月異，巿場上出現(xiàn)了很多新的密封件材料和工程設計，以滿足各種苛刻的使用要求。同時，大多數(shù)密封件的制造商也采用了科學的質量管理體系。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. 設計錯誤 

設計錯誤通常是由於設計人員對產(chǎn)品認識不足造成的。比如對密封件承受的壓力估計不足、對密封面上接觸應力分布的認識有誤、安放密封件的溝槽設計不合理等。如果在設計的時候客戶就用有限元方法分析過該產(chǎn)品，不但可以避免類似的錯誤，還可以節(jié)省其時間和金錢。當然，想要成功的分析預測橡膠密封件的性能，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、建模經(jīng)驗和長期的數(shù)據(jù)積累。

     有限元分析(FEA)常常被用來輔助密封件的設計和失效分析。我們曾為某美國客戶做過一個密封件，該密封件以塑料為主體，局部包上橡膠。客戶在檢測零件的過程中發(fā)現(xiàn)，塑料部分在測試時容易破裂，從而得出結論是：塑料件在二次成型時(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)，塑料件都是在一個地方破裂的。通過有限元分析，我們發(fā)現(xiàn)，塑料件的破損部位實際上是密封件受到應力的地方，此處應力已經(jīng)遠遠超過塑料所能承受的。

4. 密封件質量

     密封件的生產(chǎn)質量與產(chǎn)品的可靠性密切相關。常見的問題有：原材料質量不穩(wěn)定、橡膠混煉時投錯原料、原料或者混煉膠儲存不當(交叉污染)、膠料混煉不均勻、硫化條件(溫度、時間、壓力等)不妥、密封件產(chǎn)品保存不當、模具使用不當?shù)取＿@些問題往往涉及到生產(chǎn)過程中的質量控制。定貨方在選擇密封件生產(chǎn)廠時，應該經(jīng)過多次考察、調研并進行產(chǎn)品測試。在供貨的過程中，還可要求密封件的生產(chǎn)企業(yè)提供真實、準確的檢驗報告。

二、橡膠密封件失效分析

1. 實地考察

   比如經(jīng)實驗室分析，密封件物料可能有污染。為了確認這種猜測，分析人員實地到生產(chǎn)廠家考察，看看有什么操作漏洞，并在各個可能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)取樣。如果實地樣品驗證了分析結果，那么就可以確診了。其結果可幫助生產(chǎn)廠家改善生產(chǎn)流程，以避免將來發(fā)生類似的問題。失效分析的一個重要部分是實地考察密封件生產(chǎn)過程或者使用方的安裝、使用過程。因為有時僅憑實驗室的分析還不能夠得出結論。再如，我們曾有一個產(chǎn)品在使用中沒有達到預期的壽命就失效了。經(jīng)過實驗室分析和對密封件生產(chǎn)廠的考察，我們仍然無法找出原因。我們的技術人員去參觀了客戶的安裝流水線後發(fā)現(xiàn)，裝配過程中所使用的一個元件上有毛刺，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早失效。在客戶更換了這種元件後，橡膠密封件就完全達到使用要求了

2. 初步分析

    如果是由密封件供應商進行失效分析，在得到樣品後，還是先做一些簡單的材料分析(比如硬度、拉伸強度、永久壓縮變形、比重等物性測試和尺寸檢查)，以再次確認該產(chǎn)品的確是自己的產(chǎn)品。因為很多橡膠件看起來都一樣(比如O圈)。

     有時候還可以在失效密封件上找到一些特征。有經(jīng)驗的技術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)質量有關。可通過肉眼、放大鏡、顯微鏡和電子掃描顯微鏡(SEM)等進行觀察。

   根據(jù)以上這些線索，可以初步辨別造成失效的大致原因，如果需要，可進一步安排其他分析測試。

3. 選擇合適的機構來進行密封件失效分析

現(xiàn)實中，客戶常常首選該橡膠密封件的供應商來做失效分析，或者找裝備精良的大學實驗室(或專業(yè)測試公司)來做。但是，橡膠密封件失效分析不但要求技術人員具有全面的材料知識，還必須具有豐富的工程設計經(jīng)驗，并且要善於使用一些專業(yè)的分析儀器和設備。而只有資深的橡塑元件生產(chǎn)商才有這樣的技術力量。另外，分析中可能會涉及到一些客戶的技術機密，因此，找一個有信譽的公司來進行分析。

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、使用頻率等)？ 如果結構特殊，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，首先應該搜集如下背景資料，用來初步判斷失效是否和材料有關：密封件的生產(chǎn)廠家是誰；膠料名稱是什么(客戶有可能會搞錯供應商)。如有可能，請客戶送回部分樣品：失效的密封件、沒有失效的密封件、以及同批號中沒有使用過的密封件。這樣便於以後做比較測試。值得注意的是，有些樣品可能殘留有毒物質，一定要提醒客戶和相關人員做好防護措施，并且妥善送交樣品。

得到這些信息後，分析員能夠建立相應的檔案。一來便於今後追蹤跟進調查情況；二來可以為將來的類似案例提供線索。

失效產(chǎn)品中所用的密封件批號或者訂單號，這樣可以方便以後查詢。如果密封件失效僅與某批次相關，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

這些技術曾僅用於大學和科研院所的基礎科學研究。而今，在橡膠工業(yè)中，尤其是歐美一些高端技術企業(yè)中，這些技術成功地用在密封件失效分析上。對於這些技術，很多文獻都有更詳細的論述和使用實例，在此不再贅述。熱重分析儀(TGA)常用來研究材料的組分，借此可以快速間接地看出某些成分是否有問題。除了憑借經(jīng)驗和上述的各種測試外，有限元分析(FEA)也常常被用來輔助密封件的失效分析。上文在“機械設計錯誤”中所舉的就是一個很好的例子。

    如果初步分析無法解決材料方面的疑問，那么就需要采用一些更精密的化學分析方法。常見的有示差掃描量熱儀(DSC)，熱重分析儀(TGA)，動態(tài)力學分析儀(DMA)和熱 機械分析儀(TMA)等熱分析技術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，但是一般在幾天內就可獲得分析結果。示差掃描量熱儀(DSC)常用來測試橡膠材料的玻璃化溫度，在失效分析中可以用來檢查橡膠材料的耐低溫性能。動態(tài)力學分析儀(DMA)常用來測試在一定條件下材料的剛度與阻尼，借此可以判斷在實際使用環(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)常用來測定分子組成和結構，在失效分析中可以用來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)生了什么化學變化等信息。