炭黑及丙烯腈含量對丁腈橡膠磨損機理的影響

楊鳳艷，王世杰，呂曉仁，韓 珩，王 哲

（1.沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽航空職業(yè)技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110044）

橡膠與一般金屬和其他高分子材料相比，具有耐溫、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于礦山、采油機械.采油用螺桿泵是一種容積式泵［1］，我國從20世紀80年代中后期開始研制應(yīng)用螺桿泵采油技術(shù)，目前已經(jīng)具備獨立生產(chǎn)各型螺桿泵的條件.但由于材料缺陷，故其最大揚程、壽命均與同型號的國外產(chǎn)品存在差距.螺桿泵定子材料受多種因素的影響，引起橡膠的物理性質(zhì)發(fā)生變化，使橡膠過早老化，縮短了螺桿泵的工作壽命，限制了螺桿泵的使用范圍.螺桿泵采油系統(tǒng)中定子橡膠與金屬轉(zhuǎn)子的摩擦磨損特性受到越來越多的關(guān)注.螺桿泵定子橡膠材料的選擇及其進一步改進，對于提高采油螺桿泵性能，發(fā)揮螺桿泵在稠油攜砂采油中的作用，以及延長螺桿泵的工作壽命至關(guān)重要［2－4］.

橡膠工業(yè)的發(fā)展史就是橡膠硫化交聯(lián)和炭黑粒子補強技術(shù)與應(yīng)用的歷史.經(jīng)過多年的發(fā)展，在理化等領(lǐng)域已經(jīng)進行了大量的炭黑補強作用研究工作［5］.為了提高橡膠制品的物理機械性能，橡膠工業(yè)中廣泛地使用炭黑作為橡膠材料的補強劑，大大地提高了橡膠制品的拉伸強度、撕裂強度和耐磨耗性能［6］.本文對不同炭黑含量、不同丙烯腈含量的丁腈橡膠與表面鍍鉻的45＃鋼輪形成的配副在干摩擦與原油潤滑條件下進行摩擦磨損試驗，分析其磨損機制，為丁腈橡膠的參數(shù)選擇提供幫助.

1 試驗材料與方法

1.1 試件制備

試驗用橡膠樣塊為丁腈橡膠（蘭化N18和N41），丁腈橡膠100，改性劑12，氧化鋅8，防老劑5，硫化劑3，硬脂酸4，焦油4，促進劑4，硫化溫度170℃×12min.邵氏硬度分別為：70，90；尺寸為4mm×25mm×40mm.試驗用橡膠參數(shù)如表1所示.

試驗采用的是表面鍍鉻的45＃鋼輪和丁腈橡膠（NBR）試樣組合成的摩擦副.45＃鋼輪：尺寸為φ178mm×12.7mm，與橡膠接觸的圓柱面粗糙度為Ra0.28.

表1 丁腈橡膠－45＃鋼磨損試驗主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of NBR－45＃ steel wear experiment

1.2 摩擦磨損試驗

采用濟南普業(yè)機電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MPV－600型環(huán)－塊式摩擦磨損試驗機，如圖1所示.環(huán)－塊結(jié)構(gòu)形成的摩擦副為線接觸式摩擦副.試驗機配有溫度傳感器、扭矩傳感器、壓力傳感器等，能夠?qū)崟r測量摩擦力、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)速、載荷以及試驗溫度的變化.室溫條件下進行干摩擦，轉(zhuǎn)速為150r·min－1，載荷為50N，100N，150N，175N，200N，225N，試驗時間為900s.原油介質(zhì)下的摩擦磨損試驗轉(zhuǎn)速為250r·min－1，載荷為100N，200N，300N，400N，試驗時間為2h.試樣用溶劑在超聲波儀器上仔細清洗并烘干30min，然后進行稱重；試樣磨損過程的定量評定指標使用磨損失重Δm來衡量，即原始試樣質(zhì)量減去磨損后試樣質(zhì)量，用精度為0.1mg電子天平稱重，測量試樣磨損前后的質(zhì)量變化.應(yīng)用電子數(shù)顯邵氏硬度計測得磨損前后邵氏（A）硬度.橡膠樣塊磨損后的表面形貌采用JVC公司生產(chǎn)的100倍體視顯微鏡觀察.試驗數(shù)據(jù)采用2次試驗平均值.

圖1 MPV－600型環(huán)－塊式摩擦磨損試驗機Fig.1 MPV－600ring－block type friction and wear testing machine

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 丁腈橡膠干摩擦的摩擦磨損結(jié)果分析

圖2給出了不同試樣干摩擦條件下磨損量隨載荷的變化情況.由圖2可以看到，隨著載荷的增加，各試樣的磨損量均呈增大趨勢，且試樣的不同變化趨勢不盡相同.

圖2 磨損量隨載荷的變化曲線Fig.2 Curve of wear loss with the change of the load

2.1.1 載荷對橡膠磨損的影響

圖3給出了同一試樣在不同載荷（圖3a—f分別為50N，100N，150N，175，200，225N）下的磨損表面形貌照片.

由圖3可知，載荷較低時橡膠表面出現(xiàn)與運動方向平行的磨損花紋，并伴有少量熔融點，如圖3a所示.丁腈橡膠主要表現(xiàn)為滯后摩擦，橡膠表面產(chǎn)生大量的拉伸痕跡.隨著載荷的增大，花紋間距變小，如圖3b，3c所示.當載荷大于175N時，摩擦熱使NBR軟化，鋼輪與丁腈橡膠之間由于分子的黏著作用形成黏著摩擦，此時的磨損主要體現(xiàn)為黏著磨損，磨損表面出現(xiàn)明顯的膠合并伴隨橡膠的脫落，如圖3e，3f所示.

圖3 不同載荷下丁腈橡膠磨損表面形貌Fig.3 Morphologies of worn surface with change of the load under dry sliding

2.1.2 炭黑含量對橡膠磨損的影響

將圖2中曲線＃1和＃2進行對比，＃3和＃4進行對比，分析炭黑含量的變化對丁腈橡膠摩擦磨損性能的影響，可知：當＃1載荷小于175N時，磨損量隨載荷的變化曲線斜率幾乎不變，當載荷大于175N時，磨損量急劇增大；＃2的磨損量小于＃1，且當載荷大于100N，曲線呈雙曲線變化.結(jié)果顯示炭黑含量低，丁腈橡膠硬度低，磨損量大.炭黑含量不同，同種橡膠磨損量的變化規(guī)律也不相同.炭黑含量低時，低載區(qū)基本呈線性增大，中高載荷下磨損量急劇增大.炭黑含量較高時，磨損量隨載荷基本呈線性增大.

圖4為不同炭黑含量的丁腈橡膠磨損表面形貌圖.由圖4可知，炭黑含量低的丁腈橡膠由于橡膠試樣力學性能差異較大，導致多種磨損機理混合作用于摩擦表面，磨損表面出現(xiàn)明顯的橡膠轉(zhuǎn)移，主要以黏著摩擦為主，如圖4a所示；炭黑含量高，磨損表面出現(xiàn)明顯的犁溝，主要發(fā)生了磨粒磨損，如圖4b所示.橡膠的硬度較小，與剛性物體接觸時，真實接觸面積較大，而真實接觸面積的大小是決定摩擦磨損的重要因素.因此，橡膠的硬度對其摩擦性能的影響較大.

圖5為干摩擦條件下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線.由圖5可知，炭黑含量較小時（試樣＃1），橡膠的摩擦系數(shù)逐漸增大，經(jīng)一段時間摩擦后摩擦系數(shù)逐漸趨于某一穩(wěn)定值.這表明由于摩擦生熱，溫度上升，橡膠脫落黏附在金屬輪上，導致摩擦系數(shù)增大.隨著試驗的進行摩擦溫度逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，進而摩擦系數(shù)也達到穩(wěn)定值.當炭黑含量較大時（試樣＃2），摩擦系數(shù)隨時間逐漸減小而趨于穩(wěn)定.炭黑含量越高，橡膠的硬度越大.隨著橡膠表面被磨損，接觸面間的炭黑含量增加，金屬輪與橡膠的磨損轉(zhuǎn)化為與炭黑的磨損.由于炭黑具有一定的減磨作用，因此摩擦系數(shù)呈逐漸減小的變化，磨損機制為單一的磨粒磨損，這與橡膠表面磨損形貌的分析結(jié)果一致.表2列出了干摩擦下各樣塊的摩擦系數(shù)值.

圖4 不同炭黑含量的丁腈橡膠磨損表面形貌Fig.4 Morphologies of worn surface with change of the carbon black content

圖5 干摩擦條件下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線Fig.5 Variation of frictional coefficient with time at various hardness under dry sliding

表2 干摩擦條件下各樣塊的摩擦系數(shù)值Tab.2 Friction coefficient values of Various block under the condition of dry sliding

以微觀角度來看，橡膠可以看作是表面分布大量微凸體的物體.較低炭黑含量時橡膠硬度低，隨著載荷的增加，表面的微凸體被擠壓的程度變大，高度降低，摩擦副實際接觸面積增大，單位面積上的接觸應(yīng)力減小，從而使摩擦系數(shù)減??；炭黑含量較高時，橡膠硬度高，實際接觸面積變化小，因此摩擦因數(shù)越穩(wěn)定.

2.1.3 丙烯腈含量對橡膠磨損的影響

由圖2可以看出，硬度相同的丁腈橡膠，N18的磨損量均大于N41.在各試驗條件下磨損量均滿足下列關(guān)系：

式中：Δm＃1為硬度為70度的N18橡膠試樣磨損失重；Δm＃3為硬度為70度的N41橡膠試樣磨損失重；Δm＃2為硬度為90度的N18橡膠試樣磨損失重；Δm＃4為硬度為90度的N41橡膠試樣磨損失重.

這表明隨著丙烯腈量的增大，NBR大分子鏈的側(cè)基增多，極性增強，分子鏈的間距變小，分子間作用力變大，導致大分子鏈運動困難進而耐磨性提高.由公式1可知，炭黑含量對丁腈橡膠耐磨性的影響大于丙烯腈的影響.

不同丙烯腈含量的試樣的摩擦磨損形貌如圖6所示.

圖6 不同丙烯腈含量的丁腈橡膠磨損表面形貌Fig.6 Morphologies of worn surface with change of the acrylonitrile content

由圖6可知，丙烯腈含量低，磨損花紋明顯，以黏著磨損為主，如圖6a所示.丙烯腈含量高，分子鏈斷裂需要的作用力增大，磨損花紋變小，摩擦生熱嚴重，表面出現(xiàn)明顯的熔融點，如圖6b所示.

2.2 原油介質(zhì)下丁腈橡膠的摩擦磨損結(jié)果分析

圖7給出了原油介質(zhì)下丁腈橡膠的磨損量隨載荷的變化曲線.由圖7可知，炭黑含量越高，磨損量越小；相同硬度下丙烯腈含量越高，磨損量越小.油潤滑條件下，隨著載荷的增大，磨損量變化比較平緩，且磨損量遠小于干摩擦.說明在此工況條件下，丁腈橡膠的摩擦性能比較穩(wěn)定，具有良好的摩擦學性能.

圖7 原油潤滑下磨損量隨載荷的變化曲線Fig.7 Curve of wear loss with the change of the load under oil lubricanting

圖8 丁腈橡膠＃1在載荷400N時的磨損表面形貌Fig.8 Morphologies of worn surface of＃1at 400N

圖8為磨損表面的形貌照片.與干摩擦試樣相比，油潤滑條件下試樣的表面磨損非常輕微.在載荷較低時幾乎觀察不到橡膠表面的磨痕，當載荷增大到400N時，試樣表面出現(xiàn)輕微的犁溝.磨損方式以磨粒磨損為主，并呈現(xiàn)一定程度的黏著磨損.隨著載荷由100N變到400N，磨損量一定程度增大，但相對來說磨損形貌變化較小，這與磨損量增大幅度較小的結(jié)果相一致.

3 結(jié)論

（1）干摩擦下炭黑及丙烯腈含量越高，丁腈橡膠的耐磨性越好.炭黑及丙烯腈含量較低時磨損機制為黏著磨損，磨損量較大；炭黑及丙烯腈含量較高時主要以單一的磨粒磨損為主，磨損量較小.

（2）原油潤滑下由于油的潤滑與冷卻作用，磨損量遠遠小于干摩擦.磨損規(guī)律與干摩擦基本一致.

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