不同條件下不同尼龍的摩擦磨損性能

陳保磊，賈體鋒，周忠尚，張小強(qiáng)

(徐工集團(tuán)徐工鐵路裝備有限公司，徐州 221000)

0 引 言

單體澆鑄尼龍(MC尼龍)因具有強(qiáng)度、剛度高，耐磨損、耐化學(xué)腐蝕性能好，以及成型工藝簡單、尺寸限制小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于機(jī)械、食品、化工等領(lǐng)域。然而，在高濕、高粉塵或干燥、高粉塵等環(huán)境中工作時(shí)，MC尼龍表面的摩擦阻力較大，導(dǎo)致其磨損速度加快、使用壽命縮短。

李毅等[1]研究了添加潤滑油的MC油尼龍的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著潤滑油含量增加，MC油尼龍的摩擦因數(shù)及磨損率逐漸降低，且當(dāng)潤滑油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)具有較高的強(qiáng)度和較低的磨損率；駱志高等[2]研究了MC油尼龍?jiān)诟赡Σ?、清水、濁水條件下的摩擦因數(shù)，發(fā)現(xiàn)清水條件下的摩擦因數(shù)最小，干摩擦條件下的次之，濁水條件下的最大；趙立新等[3]研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合MC尼龍的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)碳纖維體積分?jǐn)?shù)在35%左右時(shí)，復(fù)合MC尼龍的摩擦因數(shù)最小，磨損率最低，磨損機(jī)制主要為黏著磨損。目前已有研究大部分集中在復(fù)合MC尼龍?jiān)趩我荒Σ翖l件下的摩擦磨損性能方面，關(guān)于復(fù)合MC尼龍?jiān)诙喾N摩擦條件下的摩擦磨損性能研究較少。

為此，作者分別制備了MC尼龍、含5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))油的MC油尼龍及35%(體積分?jǐn)?shù))碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合MC尼龍，對(duì)比研究了3種材料分別在干摩擦、潔凈水、干砂、水砂摩擦條件下的摩擦磨損性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為中國石化股份公司巴陵分公司生產(chǎn)的己內(nèi)酰胺單體、徐州科寶實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的氫氧化鈉、成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的甲苯二異氰酸酯(TDI)、無錫威盛新材料科技有限公司生產(chǎn)的碳纖維T300，純度均為分析純，以及克魯勃潤滑劑有限公司生產(chǎn)的軸承潤滑油，純度為工業(yè)級(jí)。

MC尼龍制備：先將己內(nèi)酰胺單體在干燥箱中干燥8～10 h，然后加入反應(yīng)釜中，加熱熔融后加入氫氧化鈉分散于熔體中(已內(nèi)酰胺與氫氧化鈉的質(zhì)量比為700…1)，抽真空至0.1 MPa，在120～140 ℃下保溫10～15 min，脫水后停止抽真空，邊攪拌邊加入活化劑TDI，然后迅速澆注到150～160 ℃的模具中，保溫約20 min后緩慢冷卻，取出后用沸水熱處理1 h。

MC油尼龍制備：先將己內(nèi)酰胺單體在干燥箱中干燥8～10 h，然后加入反應(yīng)釜中，加熱熔融后加入軸承潤滑油(已內(nèi)酰胺與軸承潤滑油的質(zhì)量比為19…1)，繼續(xù)加熱并進(jìn)行減壓蒸餾以去除水分，待己內(nèi)酰胺和潤滑油充分混合，加入催化劑氫氧化鈉，加熱至(135±5) ℃，最后加入活化劑TDI，攪拌均勻后立即澆注到60～80 ℃的模具中，保溫1 h使其完全聚合，再冷卻、脫模。

復(fù)合MC尼龍制備：取一定量的碳纖維T300在450 ℃下氧化1 h后放入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，在140～160 ℃下預(yù)熱90 min后保溫。在己內(nèi)酰胺單體中加入體積分?jǐn)?shù)為35%的碳纖維，進(jìn)行加熱熔融并真空脫水，同時(shí)加入氫氧化鈉，在130 ℃下繼續(xù)真空脫水，加入活化劑TDI充分?jǐn)嚢韬?，立即澆注到預(yù)先準(zhǔn)備的模具(100～120 ℃)中，保溫1 h使其完全聚合，再冷卻、脫模。

1.2 試驗(yàn)方法

在M-2000型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試摩擦磨損性能。試樣尺寸為19 mm×10 mm×10 mm，偶件為外徑30 mm、內(nèi)徑10 mm、厚度10 mm的304不銹鋼環(huán)，試驗(yàn)前將不銹鋼環(huán)表面精磨至粗糙度Ra=0.32～0.63 μm，并用丙酮清洗試樣和鋼環(huán)表面。在干摩擦、潔凈水、干砂、水砂4種條件下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，載荷為300 N，偶件轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，磨損時(shí)間為40 min。干砂條件為石英砂粒徑0.15 mm，供砂速度30 g·min-1；水砂條件為潔凈水與石英砂同時(shí)混入，石英砂粒徑0.15 mm，供砂速度30 g·min-1，潔凈水供水流量為30 mL·min-1。每組試驗(yàn)測(cè)3次取平均值。摩擦因數(shù)從多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)直接讀取，體積磨損率計(jì)算公式為

(1)

式中：WV為體積磨損率，mm3·N-1·m-1；Δm為磨損前后的質(zhì)量差，mg；ρ為密度，g·cm-3；F為法向載荷，N；L為磨損行程，m。

采用HITACHI S-3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

由圖1可以看出，不同摩擦條件下，3種尼龍的摩擦因數(shù)基本在摩擦初期的前5 min內(nèi)急劇上升，然后逐漸趨于平穩(wěn)。摩擦初期，偶件表面比較粗糙，微凸體對(duì)試樣表面的犁削作用較大，且摩擦副之間尚未形成轉(zhuǎn)移膜，故摩擦因數(shù)隨摩擦?xí)r間的延長迅速增大；隨著摩擦的進(jìn)行，試樣與偶件之間形成了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，摩擦因數(shù)基本保持穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段[3]。干摩擦和水潤滑條件下，穩(wěn)定磨損階段3種尼龍的摩擦因數(shù)從小到大順序?yàn)镸C油尼龍、復(fù)合MC尼龍、MC尼龍；干砂和水砂條件下，穩(wěn)定磨損階段3種尼龍的摩擦因數(shù)從小到大順序?yàn)镸C油尼龍、MC尼龍、復(fù)合MC尼龍。

MC油尼龍?jiān)谀Σ吝^程中，隨著摩擦?xí)r間延長，外加潤滑油逐漸減少，尼龍表層逐漸磨損，填充在尼龍內(nèi)部的油滴逐漸滲出至摩擦表面形成油膜，起到自潤滑作用，使得在摩擦磨損過程中始終有油滴進(jìn)行潤滑，從而降低了摩擦因數(shù)[1]，因此MC油尼龍的摩擦因數(shù)在4種摩擦條件下均最低。

碳纖維增大了復(fù)合MC尼龍的彈性模量和硬度，使其參與摩擦的有效面積減小，摩擦因數(shù)減小[4]，故在干摩擦和水潤滑條件下，復(fù)合MC尼龍的摩擦因數(shù)小于MC尼龍的。而在干砂和水砂條件下，復(fù)合MC尼龍的摩擦因數(shù)大于MC尼龍的，推測(cè)是碳纖維增大了對(duì)磨時(shí)石英砂顆粒對(duì)復(fù)合MC尼龍的犁削阻力導(dǎo)致[5]。

圖1 不同條件下，不同尼龍摩擦因數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化曲線Fig.1 Curves of friction factor vs friction time of different nylon under different conditions: (a) dry fricition; (b) water lubrication; (c) dry sand and (d) water sand

圖2 干摩擦條件下，不同尼龍摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.2 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under dry friction conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

由表1可以看出，4種摩擦條件下，3種尼龍的體積磨損率從小到大順序均為MC油尼龍、復(fù)合MC尼龍、MC尼龍。碳纖維在增大復(fù)合MC尼龍彈性模量和硬度的同時(shí)，還起到隔離對(duì)偶面并承受部分載荷的作用[6]，減小了磨損表面變形和黏著傾向，有利于提高耐磨性[7]。MC油尼龍?jiān)谀Σ吝^程中，基體中滲出的油滴有利于形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜和潤滑油膜[8]，從而減小了磨損。MC尼龍?jiān)谀Σ吝^程中，偶件表面的微凸體對(duì)尼龍表面的犁削作用較大，使其在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前容易發(fā)生較大的磨損[9]，故MC尼龍?jiān)?種摩擦條件下的體積磨損率均最大。

表1 不同條件下，不同尼龍磨損40 min后的體積磨損率Table 1 Volumetric wear rate of different nylon after wear for 40 min under different conditions mm3·N-1·m-1

2.2 磨損形貌

由圖2可以看出：干摩擦40 min后，MC尼龍表面出現(xiàn)褶層，這是由于在對(duì)磨過程中，偶件與MC尼龍摩擦生熱，使MC尼龍發(fā)生塑性變形和塊狀剝落而黏著在對(duì)磨表面，并且部分磨屑在對(duì)磨過程中受熱融化，從而形成褶層；磨損表面凹凸不平，沒有出現(xiàn)大塊狀磨粒，磨損機(jī)理主要為黏著磨損和疲勞磨損[10]。復(fù)合MC尼龍對(duì)磨過程中，包裹在纖維表層的尼龍磨損脫落后，纖維開始起到承載作用，阻止基體向?qū)ε济娴酿ぶ娃D(zhuǎn)移；同時(shí)，纖維的存在有利于尼龍表面熱量的散發(fā)，因此，復(fù)合MC尼龍表面較MC尼龍的平整，磨損機(jī)理為黏著磨損和磨粒磨損[11]。MC油尼龍摩擦表面只存在少量磨屑，這是由于摩擦表面形成了穩(wěn)定連續(xù)的潤滑油膜，潤滑油及時(shí)將摩擦熱傳導(dǎo)出摩擦接觸區(qū)域，阻止了尼龍的黏著磨損，減小了疲勞磨損程度，摩擦表面較平滑[12]。

由圖3可以看出：水潤滑條件下摩擦40 min后，3種尼龍的磨損表面整體均較干摩擦條件下的平整，磨損程度較小，這可能與局部水膜的形成有關(guān)；在機(jī)械微切削和水的沖洗作用下，摩擦表面的磨屑被帶走，表面均出現(xiàn)細(xì)小的犁溝，磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，其中MC尼龍表面出現(xiàn)片狀的淺凹坑，這是由于水的沖刷作用影響了轉(zhuǎn)移膜的形成，使已形成的微凹陷得不到填補(bǔ)；復(fù)合MC尼龍表面的磨損程度顯著低于MC尼龍的，這是由于在復(fù)合MC尼龍基體內(nèi)沿不同方向分布的纖維起到承載作用，有效減少了基體的接觸磨損，同時(shí)纖維對(duì)基體具有一定的固結(jié)作用[12]，能降低水流對(duì)基體的沖刷作用，使得復(fù)合MC尼龍僅局部與對(duì)偶面接觸，磨損較少；MC油尼龍表面最平整，這是由于潤滑油與水的共同作用使表面磨損減少。

圖3 水潤滑條件下，不同尼龍摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.3 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under water lubrication conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

由圖4可以看出，干砂摩擦40 min后，MC尼龍表面出現(xiàn)較多的犁溝，這是由于在對(duì)摩過程中，石英砂對(duì)尼龍具有犁削作用，由于摩擦生熱，尼龍發(fā)生一定程度的軟化[13]，導(dǎo)致石英砂的犁削作用進(jìn)一步增強(qiáng)；復(fù)合MC尼龍表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯犁溝，這是由于復(fù)合MC尼龍表面存在纖維凸起，纖維會(huì)對(duì)石英砂的犁削產(chǎn)生明顯的阻礙作用，同時(shí)纖維的存在有利于尼龍表面熱量的散發(fā)，使尼龍的硬度不會(huì)因摩擦的持續(xù)而顯著降低，有利于保持尼龍基體與纖維的結(jié)合力；MC油尼龍表面僅出現(xiàn)少量犁溝，推測(cè)是摩擦過程中，潤滑油逐漸滲出，附著在石英砂表面，使石英砂在滾動(dòng)過程中以最省力的狀態(tài)與尼龍接觸，進(jìn)入原屬于潤滑油的凹坑，降低了其對(duì)尼龍的犁削作用導(dǎo)致。

圖4 干砂條件下，不同尼龍摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.4 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under dry sand conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

由圖5可以看出，水砂條件下摩擦40 min后，尼龍表面的磨損程度顯著低于干砂條件下的，推測(cè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與水的存在使摩擦表面局部形成了水膜有關(guān)；MC尼龍表面仍存在犁溝，但較干砂條件下的淺得多，這是由于水的沖刷帶走了熱量，尼龍軟化程度顯著下降，增強(qiáng)了抵抗石英砂犁削的能力；復(fù)合MC尼龍表面的纖維被拉出，這是由于水分子具有毛細(xì)效應(yīng)，會(huì)通過纖維迅速擴(kuò)散到尼龍內(nèi)部，造成吸水區(qū)域塑化和纖維界面破壞，在石英砂的犁削作用下，纖維從基體中拉出，這會(huì)導(dǎo)致尼龍的耐磨性能下降[14]；MC油尼龍表面僅存在少量犁溝，推測(cè)是滲至表面的潤滑油降低了石英砂的犁削作用導(dǎo)致。

圖5 水砂條件下，不同尼龍摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.5 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under water sand conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

3 結(jié) 論

(1) 干摩擦和水潤滑條件下，3種尼龍的摩擦因數(shù)從小到大順序?yàn)镸C油尼龍、復(fù)合MC尼龍、MC尼龍，干砂和水砂條件下，摩擦因數(shù)從小到大順序?yàn)镸C油尼龍、MC尼龍、復(fù)合MC尼龍；4種摩擦條件下，3種尼龍的磨損率從小到大順序均為MC油尼龍、復(fù)合MC尼龍、MC尼龍。

(2) 干摩擦和水潤滑條件下，復(fù)合MC尼龍表面的纖維凸起使其磨損率和摩擦因數(shù)較MC尼龍的小，MC油尼龍表面潤滑油膜的存在使其磨損率和摩擦因數(shù)最小，水潤滑條件下的尼龍磨損程度均較干摩擦條件下的小；干砂和水砂條件下，石英砂的犁削作用使MC尼龍表面出現(xiàn)較多犁溝，MC油尼龍表面由于潤滑油膜的作用僅出現(xiàn)少量犁溝；水砂條件下的尼龍磨損程度均顯著低于干砂條件下的。