溶脹對(duì)干摩擦下丁腈橡膠滑動(dòng)磨損行為的影響*

宋淑媛 王世杰 李云龍 聶 瑞

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110870；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院 廣東汕頭 515063；3.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院 江蘇南京 210016)

丁腈橡膠(NBR)作為密封和耐磨材料被廣泛應(yīng)用于石油、海洋、汽車、礦山等工程設(shè)備中，具有高彈性、黏彈性、耐溶劑性和耐磨性等突出特性[1-3]。橡膠耐磨材料在戶外實(shí)際應(yīng)用中不可避免地會(huì)遇到雨天或潮汐等情況，丁腈橡膠材料與液體介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間接觸后會(huì)發(fā)生溶脹，即便脫離液體環(huán)境其影響依舊存在。同時(shí)，潤(rùn)滑不足及過(guò)盈配合等條件下溶脹后的丁腈橡膠在干摩擦環(huán)境下應(yīng)用的情況也不容忽視[4-5]。因此，對(duì)溶脹影響下的丁腈橡膠干摩擦滑動(dòng)磨損行為的研究是十分必要的。

丁腈橡膠材料的磨損機(jī)制長(zhǎng)期以來(lái)一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。一些學(xué)者對(duì)油介質(zhì)環(huán)境下丁腈橡膠的磨損行為[6-7]，以及含水環(huán)境下的磨損行為[8-10]進(jìn)行了研究，但針對(duì)干摩擦下丁腈橡膠滑動(dòng)磨損的研究相對(duì)較少。柳瓊俊和張嗣偉[11]研究了干摩擦條件下丁腈橡膠-金屬摩擦副的磨損機(jī)制。研究表明，丁腈橡膠受剪切力作用發(fā)生分子鏈斷裂并形成大分子自由基，其與被活化的金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬-聚合物的不斷破壞與生成的循環(huán)是導(dǎo)致金屬磨損的主要原因。DONG等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了NBR的機(jī)械和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，隨著拉伸強(qiáng)度和撕裂(剪切)強(qiáng)度的降低以及磨損質(zhì)量損失的增加，NBR的機(jī)械和摩擦學(xué)性能受到干燥條件下溫度老化的影響。

以上研究主要側(cè)重于水潤(rùn)滑或干摩擦的環(huán)境因素，而尚未對(duì)水介質(zhì)溶脹影響下的丁腈橡膠干摩擦滑動(dòng)磨損行為進(jìn)行系統(tǒng)分析。本文作者模擬丁腈橡膠水溶脹影響后的干摩擦工作環(huán)境，分別對(duì)低、中、高3種丙烯腈含量的丁腈橡膠進(jìn)行了單向滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，對(duì)不同溶脹時(shí)間對(duì)丁腈橡膠的干摩擦影響進(jìn)行了分析和探討并揭示其作用機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及制備

根據(jù)丁腈橡膠的選用標(biāo)準(zhǔn)，采用XK-450型開(kāi)放式煉膠機(jī)和XLB型平板硫化儀(青島亞?wèn)|機(jī)械集團(tuán)有限公司生產(chǎn))制備了低、中、高3種不同丙烯腈含量的丁腈橡膠樣品，丙烯腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為18%、26%和41%(簡(jiǎn)稱為N18、N26和N41)，其配方主要成分如表1所示。主要成分的加料順序?yàn)椋耗改z→硫化劑→活化劑→防老劑→炭黑→促進(jìn)劑。硫化溫度150 ℃，硫化時(shí)間隨丙烯腈含量的增加分別為tc90+10 min、tc90+7 min、tc90+5 min，硫化壓力10 MPa。測(cè)試3種橡膠硬度分別為Shore A 71、73、74。

表1 NBR橡膠配方組成

1.2 樣品預(yù)處理

通過(guò)電子分析天平(精度0.1 mg)稱量3種丁腈橡膠樣品的原始質(zhì)量，然后對(duì)對(duì)照組樣品進(jìn)行不同浸泡時(shí)間下的溶脹預(yù)處理。浸泡時(shí)間分別設(shè)置為0、24、48、72、120、168、240 h。溶脹試驗(yàn)在環(huán)境溫度和壓力下進(jìn)行，樣品通過(guò)懸掛浸入式測(cè)試裝置浸于去離子水(工業(yè)級(jí))中，樣品取出后用濾紙吸干表面。

1.3 干摩擦磨損試驗(yàn)

通過(guò)MPV-600型環(huán)-塊微控磨損試驗(yàn)機(jī)(中國(guó)濟(jì)南普業(yè)機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn))模擬丁腈橡膠的滑動(dòng)磨損行為，在常溫常壓下對(duì)干摩擦條件下溶脹前后的丁腈橡膠樣品進(jìn)行單向滑動(dòng)磨損試驗(yàn)。摩擦盤的重要參數(shù)示于表2。試驗(yàn)工作參數(shù)為：載荷200 N，轉(zhuǎn)速150 r/min(約1.4 m/s)，測(cè)試時(shí)間6 min。圖1所示為磨損試驗(yàn)?zāi)Σ粮苯M成和結(jié)構(gòu)。

表2 摩擦盤的重要性能參數(shù)

圖1 磨損試驗(yàn)?zāi)Σ粮苯M成和結(jié)構(gòu)

平均摩擦因數(shù)可直接在磨損試驗(yàn)機(jī)上獲得，通過(guò)電子分析天平(精度0.1 mg)稱量磨損試驗(yàn)后丁腈橡膠樣品的質(zhì)量。磨損試驗(yàn)后樣品的磨損質(zhì)量變化率(Qw)可通過(guò)公式(1)計(jì)算。

Qw=(mw-m0)/m0×100%

(1)

式中：m0是樣品原始質(zhì)量；mw是磨損試驗(yàn)后的樣品質(zhì)量。

所有數(shù)據(jù)均為3次測(cè)試的平均值。通過(guò)掃描電子顯微鏡(FE-SEM，Hitachi JSM-6360，Japan)觀察磨損試驗(yàn)后的樣品表面形貌(試樣先做噴金處理)，測(cè)試樣品的尺寸為5 mm×5 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溶脹時(shí)間影響下的摩擦因數(shù)曲線

圖2所示為3種不同丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的丁腈橡膠在不同溶脹時(shí)間影響下的平均摩擦因數(shù)變化曲線?？梢钥闯觯琋18樣品的平均摩擦因數(shù)隨溶脹時(shí)間的增加而減小，且在前72 h下降顯著；隨著丙烯腈含量的增加，N26和N41樣品的平均摩擦因數(shù)隨溶脹時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的情況，其拐點(diǎn)分別為72和48 h。

圖2 NBR樣品摩擦因數(shù)隨溶脹時(shí)間的變化曲線

2.2 溶脹影響下的磨損量變化

為了進(jìn)一步研究溶脹時(shí)間對(duì)3種不同丙烯腈含量丁腈橡膠磨損量的影響，圖3所示為NBR樣品磨損量隨溶脹時(shí)間的變化曲線。從圖3可以看出，NBR橡膠樣品的磨損量隨溶脹時(shí)間的增加而增加，且隨丙烯腈含量的增加而減少。N18受溶脹影響最大，其240 h溶脹后的磨損量變化分別為N26和N41的5和7.5倍。

圖3 NBR樣品磨損質(zhì)量變化率隨溶脹時(shí)間的變化曲線

2.3 溶脹前后的磨損表面形貌及形成過(guò)程

為了更好地研究丁腈橡膠溶脹前后的干摩擦磨損行為，選取受溶脹影響最大的N18樣品，分別對(duì)未溶脹及溶脹240 h后的橡膠樣品及其對(duì)磨副的磨損表面進(jìn)行了分析。圖4(a1)所示為未溶脹N18磨損表面形貌，可見(jiàn)，在干摩擦條件下，N18磨損表面犁溝和撕裂痕跡清晰可見(jiàn)。溶脹240 h后的橡膠磨損表面形貌如圖4(b1)所示，磨損表面呈現(xiàn)出明顯的黏著磨損行為，磨損表面明顯可見(jiàn)大量溶脹形成的孔洞。如圖4(a2)(b2)所示，在干摩擦條件下，在摩擦輪表面可見(jiàn)到轉(zhuǎn)移的橡膠組織，且與溶脹后橡膠樣品對(duì)磨時(shí)摩擦輪表面橡膠組織黏著面積增加。

圖4 溶脹前后N18樣品的磨損表面及對(duì)應(yīng)的摩擦盤表面形貌

2.4 溶脹時(shí)間對(duì)丁腈橡膠干摩擦下滑動(dòng)磨損行為的影響

由以上結(jié)果可知，溶脹導(dǎo)致丁腈橡膠磨損加劇。為了進(jìn)一步探究溶脹時(shí)間對(duì)干摩擦條件下丁腈橡膠滑動(dòng)磨損表面形貌的影響，圖5示出了3種丁腈橡膠樣品在溶脹時(shí)間分別為0、24、72、240 h時(shí)磨損特征形貌的變化?？梢?jiàn)，3種丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的丁腈橡膠受溶脹時(shí)間的影響表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

由圖5(a1)可以看到，未溶脹N18樣品磨損形式主要為剪切作用下的橡膠撕裂。溶脹24 h后丁腈橡膠樣品拉伸強(qiáng)度降低，如圖5(b1)所示，表現(xiàn)為撕裂磨痕長(zhǎng)度、寬度以及裂紋擴(kuò)展深度減小。隨著溶脹時(shí)間的增加，圖5(c1)中溶脹72 h后的丁腈橡膠表面出現(xiàn)大量孔洞，交聯(lián)組織的破壞導(dǎo)致硬度下降，受摩擦熱的高溫軟化作用加劇，因此表現(xiàn)為黏著磨損；溶脹240 h后溶脹層增厚，相應(yīng)的黏著層增厚，黏著痕寬度增加，如圖5(d1)所示。

隨著丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，如圖5(a2)所示，未溶脹N26樣品表面剪切撕裂層變淺呈長(zhǎng)片狀；溶脹24 h后橡膠表面軟化抗剪切性下降，如圖5(b2)所示，磨損表面磨痕長(zhǎng)度、寬度以及深度減小，與N18樣品相比磨痕斷面平整；溶脹時(shí)間增加到72 h后，如圖5(c2)所示N26樣品表面出現(xiàn)少量孔洞并出現(xiàn)軟化黏著現(xiàn)象；溶脹240 h后樣品表面黏著加劇，如圖5(d2)所示，黏著層增厚且黏著痕寬度增加。

隨著丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，N41樣品由于硬度增強(qiáng)導(dǎo)致切削作用發(fā)生在表層，更高的拉伸強(qiáng)度使橡膠材料抗滑移能力增強(qiáng)，2個(gè)因素綜合影響下未溶脹N41樣品磨損表面形成硬質(zhì)突起，如圖5(a3)所示。溶脹24 h后樣品機(jī)械性能下降，如圖5(b3)所示，硬質(zhì)突起面積和厚度減小。溶脹72 h后樣品磨損表面出現(xiàn)軟化黏著現(xiàn)象，同時(shí)由于溶脹導(dǎo)致橡膠材料更易于切削，如圖5(c3)所示，在磨損表面可見(jiàn)片狀撕裂。溶脹240 h后樣品軟化黏著加劇，黏著面積和厚度增加(如圖5(d3)所示)。

圖5 N18、N26和N41樣品基于溶脹時(shí)間的磨損特征形貌變化

由此可知，溶脹作用下丁腈橡膠機(jī)械性能下降，摩擦力作用下溶脹后樣品更易于材料的去除，因此摩擦因數(shù)下降，磨損量增加。但由于摩擦熱作用下溶脹后的丁腈橡膠表面更易降解軟化，黏著磨損的加劇導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，磨損量增加。因此，溶脹后丁腈橡膠的摩擦因數(shù)是兩者交互影響下的綜合體現(xiàn)，磨損量則表現(xiàn)為隨溶脹時(shí)間的增加而增加。

隨著丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，橡膠樣品交聯(lián)密度和硬度的增加導(dǎo)致受溶脹影響減小，溶脹導(dǎo)致組織松散的易切削效應(yīng)時(shí)間縮短，而受溶脹和摩擦熱綜合作用下軟化導(dǎo)致的黏著影響增加。因此，N26和N41樣品的摩擦因數(shù)表現(xiàn)為先減小而后增加。由于2種效應(yīng)的作用均導(dǎo)致磨損加劇，因此磨損量隨溶脹時(shí)間的增加而增加，受影響程度隨丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少。

干燥條件下磨盤在丁腈橡膠表面以一定的載荷和速度滑動(dòng)時(shí)，摩擦副之間的摩擦力導(dǎo)致橡膠材料沿滑動(dòng)方向產(chǎn)生了拉伸和變形。當(dāng)丁腈橡膠的拉伸和撕裂強(qiáng)度不足以抵抗剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力時(shí)，橡膠表面材料在滑動(dòng)摩擦力的作用下撕裂現(xiàn)象明顯，裂紋垂直于滑動(dòng)方向擴(kuò)展，在滑動(dòng)方向上摩擦力的綜合作用下，磨痕成角狀。隨著丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，丁腈橡膠交聯(lián)密度及硬度的增加提高了材料滑移難度，使剪切層變薄，磨痕表現(xiàn)為斷面平整的片狀和硬質(zhì)突起。金屬磨盤表面粗糙部分嵌入橡膠表面，高速滑動(dòng)摩擦下在橡膠表面形成犁溝。干摩擦條件下摩擦輪與丁腈橡膠表面直接接觸，由于橡膠的低導(dǎo)熱性導(dǎo)致摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)地散去而使摩擦副界面處的溫度升高，高溫導(dǎo)致的橡膠表面氧化降解使丁腈橡膠的機(jī)械和摩擦學(xué)性能下降[13]，同時(shí)，溶脹導(dǎo)致的丁腈橡膠組織破壞和硬度的下降[14]加劇了摩擦熱的影響，進(jìn)而使丁腈橡膠磨損表面出現(xiàn)明顯的黏著磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致更多的橡膠材料黏在對(duì)偶件磨盤表面上。軟化黏著效應(yīng)隨溶脹時(shí)間的增加而增加，隨丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。

3 結(jié)論

(1) 受溶脹的影響，丁腈橡膠溶脹后機(jī)械性能下降，易于材料去除的同時(shí)，在摩擦熱作用下黏著磨損加劇。前者導(dǎo)致摩擦因數(shù)下降而后者相反，摩擦因數(shù)為兩者綜合作用的體現(xiàn)。丁腈橡膠摩擦因數(shù)受溶脹的影響程度隨著丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。其中，N18的摩擦因數(shù)隨溶脹時(shí)間的增加而減小，而N26和N41的摩擦因數(shù)表現(xiàn)為先減小而后增加。

(2) 受溶脹和摩擦熱的影響，溶脹后丁腈橡膠的磨損量隨溶脹時(shí)間的增大而增大，磨損量受溶脹的影響隨著丁腈橡膠丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。N18受溶脹影響最大，其溶脹240 h后的磨損量變化率分別為N26和N41的5和7.5倍。

(3) 干摩擦條件下丁腈橡膠材料的滑動(dòng)磨損主要為剪切撕裂造成。由于溶脹后丁腈橡膠交聯(lián)組織破壞導(dǎo)致機(jī)械性能下降，耐剪切應(yīng)力下降，磨痕減小。隨著溶脹時(shí)間的增加摩擦熱軟化作用加劇，磨損行為向黏著磨損轉(zhuǎn)化，黏著效應(yīng)隨丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，磨損表面出現(xiàn)大量溶脹孔洞。與丁腈橡膠樣品對(duì)磨后，在摩擦輪表面可見(jiàn)到轉(zhuǎn)移的橡膠組織，且與溶脹后橡膠樣品對(duì)磨時(shí)摩擦輪表面橡膠組織黏著面積增加。