鐵路貨車心盤磨耗盤澆鑄工藝缺陷對外形尺寸和機(jī)械性能的分析

楊雷 師會青

摘 要：由于澆鑄尼龍本身固有的特性，當(dāng)環(huán)境等條件變化時(shí)，都會引起產(chǎn)品外形尺寸、性能上的微小變化。采用合理的澆鑄工藝及其配方配置對分析和研究澆鑄尼龍成型工藝中的缺陷有重要意義。

關(guān)鍵詞：澆鑄尼龍；心盤磨耗盤；缺陷；分析

眾所周知，鐵路貨車用心盤磨耗盤大體分為兩種成型方式：一種是澆鑄尼龍（MC尼龍），一種是注塑尼龍。注塑尼龍因其特性比澆鑄尼龍?jiān)诠に嚿仙苑€(wěn)定。兩種工藝因聚合方法、成型方法不同，所得的制品性能相差很大。

澆鑄尼龍工藝是指在常壓下將液態(tài)單體或預(yù)聚物澆鑄到大口模腔，經(jīng)聚合固化定形為制品的成型方法。

因澆鑄尼龍是熱塑性、結(jié)晶型、吸濕性的高分子材料，對其形狀和性能影響最大的因素就是溫度和水分。用澆鑄工藝制得的心盤磨耗盤，主要缺陷有翹曲、變形、“滲汗”、發(fā)白、分層、未聚合、裂損等。夏季受環(huán)境溫度的影響，多出現(xiàn)心盤底部翹曲（凹心、凸心）、變形（整體橢圓或扭曲）；破損多出在冬季，出現(xiàn)的心盤盤沿裂紋，破裂、掉塊等破壞方式，分析由于工況惡劣、貨車超載受力所致。尤其在冬季低溫（最冷至-45℃）期長，運(yùn)行時(shí)，在承受相同沖擊力時(shí)，由于材料低溫沖擊強(qiáng)度僅為常溫值的30%，心盤破裂甚至掉塊成為不可避免。

因此，本文針對澆鑄生產(chǎn)過程中心盤磨耗盤產(chǎn)生的缺陷或現(xiàn)象進(jìn)行分析，總結(jié)了模具、配方、澆鑄成型工藝等因素對心盤磨耗盤外形尺寸和機(jī)械性能的影響，并提出并匯總了相應(yīng)的建議措施。

一、配方配置和工藝方面因素的分析

解決澆鑄工藝上的缺陷主要通過配方調(diào)整、工藝管控來實(shí)現(xiàn)。通過對催化劑和助催化劑用量的調(diào)整：NaOH是生產(chǎn)尼龍產(chǎn)品的催化劑，其用量多少會直接影響到產(chǎn)品的性能。在MC尼龍生產(chǎn)中，有嚴(yán)格的催化劑用量上下限范圍。目前，心盤磨耗盤生產(chǎn)中，NaOH的使用方法有兩種，一為固體，另一為配成50%NaOH水溶液。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)NaOH用量偏高時(shí)，會使聚合時(shí)間加快，有形成大球晶、塊晶的可能，極易造成材料出現(xiàn)高強(qiáng)度、高剛性和低韌性。另外，在產(chǎn)品中也容易出現(xiàn)氣泡。當(dāng)NaOH用量偏低時(shí)，聚合速度減慢，表面出現(xiàn)低聚物可能性增加，而且廢邊增厚，導(dǎo)致毛坯重量減輕，最終也會引起產(chǎn)品綜合性能降低。

綜所上述，在心盤磨耗盤制造過程中，催化劑用量過多或過少，都應(yīng)避免。必須采用合理的NaOH用量。

本次試驗(yàn)，選定的是K2心盤磨耗盤，模溫條件為選定，空氣條件為冬季。當(dāng)產(chǎn)品、模溫、空氣條件等變化時(shí)，都會引起NaOH用量的微小變化。最簡單的方法，就是采用聚合時(shí)間的測定，且應(yīng)在工藝要求的范圍內(nèi)。

影響產(chǎn)品型式尺寸、機(jī)械性能的主要因素是助催化劑用量和結(jié)構(gòu)。使用雙官能團(tuán)或三官能團(tuán)引發(fā)劑結(jié)構(gòu)的助催化劑，會得到化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的聚合產(chǎn)物，它們的物理性能有很大差別。以三官能團(tuán)的三苯甲烷三異氰酸酯（JQ-1膠）和有雙官能團(tuán)的甲苯二異氰酸酯（TDI）為助催化劑，聚合后的產(chǎn)物前者具有三向結(jié)構(gòu)顯示出較好的沖擊韌性和低溫韌性，而后者則性較脆。助催化劑的用量直接影響聚合體的分子量。助催化劑用量增加，分子量下降；用量減少，分子量上升。分子量的變化又直接影響逐漸的機(jī)械強(qiáng)度。以JQ-1膠為例，隨著JQ-1膠用量的增加拉伸強(qiáng)度下降，拉伸延伸率增加，對聚合反應(yīng)速度無明顯影響。

在夏季，因?yàn)榄h(huán)境原因，經(jīng)檢測，隨機(jī)抽取某一批心盤磨耗盤的排水率均值2.1%，經(jīng)檢測排水率為2.1%已超出尼龍產(chǎn)品的飽和水分（2.0%）狀態(tài)，分析，含水過量是引起心盤外圓尺寸變大的主要原因。心盤產(chǎn)品的外圓尺寸變大、發(fā)白、“滲汗”與儲存中的溫度、濕度過高也有很大關(guān)系。

由于心盤磨耗盤直徑較大，因此通過機(jī)械加工角度考慮，應(yīng)在加工時(shí)本著“先粗后精”原則，首先應(yīng)安裝在專用工裝上，用適當(dāng)?shù)牧泳o心盤，先粗車內(nèi)側(cè)，再加工外側(cè)，然后在精加工內(nèi)側(cè)，這樣能有效防止變形。加工完后可以再用專用定型工具定型，效果會更好，合格率能達(dá)到90%以上。

尤其是夏季生產(chǎn)階段，產(chǎn)品的加工、檢測、存放等環(huán)節(jié)對于尺寸變化都會產(chǎn)生很大影響。因此建議：澆鑄尼龍產(chǎn)品，特別是心盤產(chǎn)品，應(yīng)減少庫存量，最好隨加工隨發(fā)貨。為了確保產(chǎn)品尺寸，尤其是心盤外圓，可按中下或下偏差進(jìn)行加工。產(chǎn)品加工、檢測、存放溫度要保持一致，盡可能地靠近標(biāo)準(zhǔn)中的要求。經(jīng)試驗(yàn)，斷裂伸長率、常、低溫缺口沖擊強(qiáng)度等三項(xiàng)顯示材料韌性檢項(xiàng)，在使用2-6年后，有成倍提高。含水率在1.3～1.4%之間，可以說在同一個(gè)數(shù)據(jù)范圍，說明心盤磨耗盤產(chǎn)品在使用2年以后，吸水基本處于飽和狀態(tài)。

從以上檢測的數(shù)據(jù)分析說明心盤產(chǎn)品在使用2年前的階段為危險(xiǎn)階段。2年后在使用過程中經(jīng)過吸水，強(qiáng)度保持在技術(shù)指標(biāo)60～80%，斷裂伸長率、常、低溫缺口沖擊強(qiáng)度等有成倍的增長，產(chǎn)品性能已趨于韌性，破壞率會相應(yīng)的降低。

因物理機(jī)械性能主要由MC尼龍的晶體形態(tài)決定，當(dāng)球晶微細(xì)且均勻，或球晶大小不一，但分散在無定形相中時(shí)，水處理有效；當(dāng)球晶很大或分散密度較大，甚至有堆砌現(xiàn)象，水處理無效；當(dāng)晶體形態(tài)出現(xiàn)層巖結(jié)構(gòu)時(shí)，晶片堆砌程度深，水處理無效。因此毛坯成型后的水處理也同樣會引起外形和機(jī)械性能的變化。所以合理控制水處理工藝方法或時(shí)間也能避免一些缺陷產(chǎn)生。

二、主要缺陷產(chǎn)生的原因及應(yīng)對措施分析

在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要缺陷形式：

①低聚物：加工后截面有表面顏色發(fā)白、質(zhì)地軟的物質(zhì)。

②花紋：水煮完后產(chǎn)品表面有波浪紋，機(jī)加工后的產(chǎn)品底面分布著云彩般的花紋。

③發(fā)白：毛坯表面有白印，機(jī)加工完后同樣也有發(fā)白、“滲汗”現(xiàn)象。

④翹曲、變形：毛坯冷卻后變形，導(dǎo)致加工后也產(chǎn)生變形。

⑤氣孔：截面有縮孔或表面有突起（內(nèi)空或有低聚物），加工后的產(chǎn)品里面有氣孔。

⑥未聚合：吸收水分產(chǎn)生低聚物。

⑦表面不光滑：脫模劑用量大造成表面不光滑。

⑧抽坑：表面不平整。

⑨黑斑：加工后的產(chǎn)品里面分布著許多米粒般大小的黑點(diǎn)。

⑩溫度高：產(chǎn)品兩頭翹起，顏色較深。

左圖是心盤磨耗盤缺陷所占比例的分布圖，圖中顯示低聚物占比例是最多的，其它相對較少但也應(yīng)是控制的重點(diǎn)，解決以上缺陷問題是提高合格率的工作重點(diǎn)。

因造成澆鑄心盤磨耗盤缺陷的原因眾多，有自然原因、工藝模具原因和人為因素，匯總分析如下：

綜上所述，因澆鑄尼龍是堿催化聚合反應(yīng)，必須在無水條件下進(jìn)行。所以，脫水是否干凈決定著聚合反應(yīng)能否順利進(jìn)行，如果水處理不干凈反應(yīng)就會向相反方向進(jìn)行，就會出現(xiàn)不聚合現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中不聚合現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是真空度不夠或假真空，前者表現(xiàn)為聚合速度緩慢，聚合不完全或者局部不聚合；后者表現(xiàn)為完全不聚合。所以生產(chǎn)中一定要保證有足夠的真空度。要根據(jù)實(shí)際操作情況和設(shè)備模具條件做具體摸索調(diào)整。

模具的溫度，因?yàn)榫酆祥_始時(shí)需要吸熱，一般都較高于注入的物料的溫度。模具溫度過高，則反應(yīng)越激烈，對于澆鑄來說，鑄件會產(chǎn)生凹陷、氣孔、表面不光滑等現(xiàn)象；模具溫度過低，聚合不完全，鑄件表面有白斑、分層甚至出現(xiàn)白色粉末狀的低聚物和游離單體。

現(xiàn)今對澆鑄尼龍心盤磨耗盤工藝缺陷在生產(chǎn)過程的全面的科學(xué)理解和定量描述，目前的研究還有一定距離，因此研究澆鑄工藝心盤磨耗盤的缺陷對外形尺寸和機(jī)械性能的分析，經(jīng)過實(shí)踐證明這些方法是合理有效的，具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：楊雷（1986-），男，漢族，河北辛集人，機(jī)電工程師，研究方向：機(jī)械加工設(shè)計(jì)及其制造、高分子材料成型工藝及加工；師會青（1987-），女，漢族，河北辛集人，化工助理工程師，研究方向：高分子材料化學(xué)分析及物理性能檢測。