斜流泵水潤(rùn)滑軸承用新型復(fù)合材料的研制

時(shí)連衛(wèi)，孫小波，李建星，侯萬(wàn)果，王子君

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

某電力公司1#機(jī)組大修過程中，斜流泵用水潤(rùn)滑軸承因磨損而失效。由于采用的是進(jìn)口賽龍軸承，價(jià)格很高，為降低維修成本，進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化研制工作。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)、相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)工況及水潤(rùn)滑軸承使用技術(shù)要求，采用聚己內(nèi)酰胺(俗稱單體澆鑄尼龍，又稱MC尼龍)材料和反應(yīng)型橡膠彈性體柔韌劑制成了復(fù)合工程塑料。

1 試驗(yàn)及檢測(cè)

試驗(yàn)對(duì)象為賽龍軸承材料(由三次元交叉結(jié)晶熱凝性樹脂制造而成的聚合物，屬于一種高分子合成材料)和改性MC尼龍復(fù)合材料。潤(rùn)滑介質(zhì)為自來水。試驗(yàn)設(shè)備采用DNS200型電子微控萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、鐵姆肯摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)以及邵氏硬度計(jì)分析天平。試驗(yàn)條件為：拉伸試驗(yàn)，速度5 mm/min；摩擦試驗(yàn)，載荷17.8 N，時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為2.0 m/s。測(cè)試方法為：基本力學(xué)性能測(cè)定在電子微控萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；摩擦系數(shù)在鐵姆肯摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定；磨損量由差重法測(cè)出，然后換算成磨損率；硬度在硬度計(jì)上直接讀出。

2 結(jié)果與討論

2.1 賽龍軸承材料基本性能

首先對(duì)賽龍水潤(rùn)滑軸承材料進(jìn)行分析測(cè)試，其基本性能參數(shù)見表1。

表1 賽龍軸承材料基本性能參數(shù)

2.2 純MC尼龍的性能

選擇MC尼龍為水潤(rùn)滑軸承材料的基材，通過加入不同添加劑，以達(dá)到賽龍軸承材料的指標(biāo)。純MC尼龍是以己內(nèi)酰胺為原料，在常壓下將熔融的單體用強(qiáng)堿性物質(zhì)作催化劑，與活化劑等助劑一起直接澆鑄并預(yù)熱，在一定溫度的模具中聚合而成[1]。純MC尼龍的基本性能見表2。

表2 純MC尼龍的基本性能

由表2可以看出，純MC尼龍的硬度較大，與對(duì)磨環(huán)的包覆作用不強(qiáng)，致使材料的磨損率增加，而加入添加劑可降低材料的硬度和磨損率。純MC尼龍分子中存在大量的極性酰胺基團(tuán)，易于吸水，導(dǎo)致材料吸水率高，使尼龍分子中鏈與鏈的結(jié)合變得不那么緊密，致使材料在水中的磨損率迅速增加。因此需要對(duì)MC尼龍進(jìn)行改性研究，以改善材料的吸水性能和水潤(rùn)滑下摩擦、磨損性能。

2.3 MC尼龍/石墨復(fù)合材料的改性

研究資料表明[2]，石墨改性材料具有準(zhǔn)包絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的減磨性能和尺寸穩(wěn)定性，但填料的加入量不能超過10%，石墨過多將妨礙與尼龍機(jī)體之間的致密性，會(huì)導(dǎo)致材料的機(jī)械強(qiáng)度快速下降。從表3可以看出，隨著石墨含量的增加，材料力學(xué)性能明顯降低，這與理論是相符合的。而水潤(rùn)滑下摩擦性能得到明顯改善，這是由于石墨的化學(xué)穩(wěn)定性使其浸在水里不失自己的特性，平面結(jié)構(gòu)使水難以進(jìn)入材料內(nèi)部，從而降低了MC尼龍的吸水性，而吸水率的降低又對(duì)材料摩擦性能起到了改善作用。

表3 石墨含量對(duì)MC尼龍/石墨材料力學(xué)性能的影響

2.4 反應(yīng)型橡膠彈性體柔韌劑對(duì)MC尼龍的改性

MC尼龍的聚合反應(yīng)是單體陰離子開環(huán)聚合反應(yīng)，形成的聚合物分子量高、結(jié)晶度大，所以材料硬度大。試驗(yàn)表明[3]，對(duì)MC尼龍?jiān)鲰g改性不能采用共混方法進(jìn)行，必須從材料基體的性能和結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用高聚物化學(xué)改性的方法提高M(jìn)C尼龍的柔韌性。

采用互穿網(wǎng)絡(luò)高聚物的方法，在己內(nèi)酰胺聚合的同時(shí)，反應(yīng)型橡膠彈性體柔韌劑也在反應(yīng)體系中聚合，己內(nèi)酰胺的聚合與反應(yīng)型柔韌劑的聚合互不影響，各自按著不同的方式進(jìn)行聚合，形成的互穿網(wǎng)絡(luò)高聚物具有新的物理機(jī)械性能，被稱為GXN復(fù)合材料。

從表4可以看出，隨著反應(yīng)型柔韌劑的增加，復(fù)合材料力學(xué)性能明顯降低，材料逐漸變軟，硬度逐漸下降，而材料的水潤(rùn)滑摩擦性能隨反應(yīng)型柔韌劑的加入，呈現(xiàn)先降低、后增加的趨勢(shì)。這說明反應(yīng)型柔韌劑的加入雖然在一定程度上改變了原有材料的結(jié)構(gòu)，摩擦性能得到改善，摩擦系數(shù)有所降低，但隨著反應(yīng)型柔韌劑含量的增加，復(fù)合材料的變軟使得在與對(duì)磨環(huán)摩擦的時(shí)候，包覆作用更強(qiáng)，以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，需要更大的力，造成摩擦力矩增加，摩擦系數(shù)變大。由表4可知，反應(yīng)型柔韌劑含量為20%時(shí)，吸水性和磨損率最低，此時(shí)得到的材料綜合性能最佳，這與材料吸水率改善的數(shù)據(jù)是一致的。

表4 反應(yīng)型柔韌劑含量對(duì)GXN復(fù)合材料性能的影響

2.5 石墨對(duì)GXN復(fù)合材料的改性

加入反應(yīng)型柔韌劑，對(duì)材料的水潤(rùn)滑摩擦性能有一定的改善，但是摩擦系數(shù)和磨損率與進(jìn)口賽龍軸承還有一定的差距，還不能完全滿足斜流泵用水潤(rùn)滑軸承的要求。選擇20%改性劑(己內(nèi)酰胺的量為100%)為基本改性材料，加入1.5%和3%的石墨，以期提高GXN復(fù)合材料的耐磨性能。

從表5中可知，加入1.5%和3%的石墨時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能相當(dāng)。添加1.5%石墨時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降低，但磨損量有所增加，這是因?yàn)樘砑邮^少時(shí)，沒能形成石墨均勻分布的連續(xù)相，不僅沒有起到有效的減磨作用，反而在一定程度上破壞了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，致使磨損量增加。而加入3%的石墨時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損量均降低，吸水率和力學(xué)性能也保持得很好。

表5 石墨添加量對(duì)GXN復(fù)合材料性能的影響

添加3%石墨得到的GXN復(fù)合材料與純MC尼龍相比，硬度明顯降低，吸水率降低了74%，摩擦系數(shù)大幅下降，磨損率降低了86%，且各項(xiàng)指標(biāo)均接近賽龍軸承材料的性能，可以作為賽龍軸承材料的替代品應(yīng)用在電力行業(yè)的斜流泵上。

通過和國(guó)外材料基本力學(xué)性能試驗(yàn)，水潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦、磨損試驗(yàn)的對(duì)比分析認(rèn)為，其性能指標(biāo)滿足斜流泵的技術(shù)要求，而且制造成本大大降低。向用戶提供兩組新型復(fù)合工程塑料水潤(rùn)滑軸承，運(yùn)行兩年顯示其完全滿足電力行業(yè)斜流泵的使用要求，是賽龍軸承的理想替代產(chǎn)品。

3 結(jié)論

(1)添加石墨對(duì)MC尼龍材料的摩擦、磨損性能有一定改善，但是隨著石墨含量的增加，導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低，因此，石墨作為添加劑使用時(shí)應(yīng)根據(jù)使用情況的需要添加適當(dāng)?shù)牧浚话阋?%左右為佳。

(2)添加了反應(yīng)型柔韌劑后，材料吸水率和磨損率都呈先降低、后升高的現(xiàn)象，當(dāng)其含量為20%時(shí)，吸水率和磨損率最低，此時(shí)得到的材料綜合性能最佳。

(3)添加3%石墨和20%反應(yīng)型柔韌劑制成的改性MC尼龍復(fù)合材料，性能接近國(guó)外賽龍軸承材料。