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

(徐工集團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)因具有強度、剛度高，耐磨損、耐化學腐蝕性能好，以及成型工藝簡單、尺寸限制小等優點而廣泛應用于機械、食品、化工等領域。然而，在高濕、高粉塵或干燥、高粉塵等環境中工作時，MC尼龍表面的摩擦阻力較大，導致其磨損速度加快、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，發現在一定范圍內，隨著潤滑油含量增加，MC油尼龍的摩擦因數及磨損率逐漸降低，且當潤滑油質量分數為5%時具有較高的強度和較低的磨損率；駱志高等[2]研究了MC油尼龍在干摩擦、清水、濁水條件下的摩擦因數，發現清水條件下的摩擦因數最小，干摩擦條件下的次之，濁水條件下的最大；趙立新等[3]研究了碳纖維增強復合MC尼龍的摩擦磨損性能，發現碳纖維體積分數在35%左右時，復合MC尼龍的摩擦因數最小，磨損率最低，磨損機制主要為黏著磨損。目前已有研究大部分集中在復合MC尼龍在單一摩擦條件下的摩擦磨損性能方面，關于復合MC尼龍在多種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%(質量分數)油的MC油尼龍及35%(體積分數)碳纖維增強的復合MC尼龍，對比研究了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 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

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

MC尼龍制備：先將己內酰胺單體在干燥箱中干燥8～10 h，然后加入反應釜中，加熱熔融后加入氫氧化鈉分散于熔體中(已內酰胺與氫氧化鈉的質量比為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：先將己內酰胺單體在干燥箱中干燥8～10 h，然后加入反應釜中，加熱熔融后加入軸承潤滑油(已內酰胺與軸承潤滑油的質量比為19…1)，繼續加熱并進行減壓蒸餾以去除水分，待己內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后放入預先準備好的模具中，在140～160 ℃下預熱90 min后保溫。在己內酰胺單體中加入體積分數為35%的碳纖維，進行加熱熔融并真空脫水，同時加入氫氧化鈉，在130 ℃下繼續真空脫水，加入活化劑TDI充分攪拌后，立即澆注到預先準備的模具(100～120 ℃)中，保溫1 h使其完全聚合，再冷卻、脫模。

1.2 試驗方法

在M-2000型多功能摩擦磨損試驗機上測試摩擦磨損性能。試樣尺寸為19 mm×10 mm×10 mm，偶件為外徑30 mm、內徑10 mm、厚度10 mm的304不銹鋼環，試驗前將不銹鋼環表面精磨至粗糙度Ra=0.32～0.63 μm，并用丙酮清洗試樣和鋼環表面。在干摩擦、潔凈水、干砂、水砂4種條件下進行摩擦試驗，載荷為300 N，偶件轉速為200 r·min-1，磨損時間為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。每組試驗測3次取平均值。摩擦因數從多功能摩擦磨損試驗機直接讀取，體積磨損率計算公式為

(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 試驗結果與討論

2.1 摩擦磨損性能

由圖1可以看出，不同摩擦條件下，3種尼龍的摩擦因數基本在摩擦初期的前5 min內急劇上升，然后逐漸趨于平穩。摩擦初期，偶件表面比較粗糙，微凸體對試樣表面的犁削作用較大，且摩擦副之間尚未形成轉移膜，故摩擦因數隨摩擦時間的延長迅速增大；隨著摩擦的進行，試樣與偶件之間形成了穩定的轉移膜，摩擦因數基本保持穩定，進入穩定磨損階段[3]。干摩擦和水潤滑條件下，穩定磨損階段3種尼龍的摩擦因數從小到大順序為MC油尼龍、復合MC尼龍、MC尼龍；干砂和水砂條件下，穩定磨損階段3種尼龍的摩擦因數從小到大順序為MC油尼龍、MC尼龍、復合MC尼龍。

MC油尼龍在摩擦過程中，隨著摩擦時間延長，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行潤滑，從而降低了摩擦因數[1]，因此MC油尼龍的摩擦因數在4種摩擦條件下均最低。

碳纖維增大了復合MC尼龍的彈性模量和硬度，使其參與摩擦的有效面積減小，摩擦因數減小[4]，故在干摩擦和水潤滑條件下，復合MC尼龍的摩擦因數小于MC尼龍的。而在干砂和水砂條件下，復合MC尼龍的摩擦因數大于MC尼龍的，推測是碳纖維增大了對磨時石英砂顆粒對復合MC尼龍的犁削阻力導致[5]。

圖1 不同條件下，不同尼龍摩擦因數隨摩擦時間的變化曲線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、復合MC尼龍、MC尼龍。碳纖維在增大復合MC尼龍彈性模量和硬度的同時，還起到隔離對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油尼龍在摩擦過程中，基體中滲出的油滴有利于形成穩定的轉移膜和潤滑油膜[8]，從而減小了磨損。MC尼龍在摩擦過程中，偶件表面的微凸體對尼龍表面的犁削作用較大，使其在達到穩定狀態前容易發生較大的磨損[9]，故MC尼龍在4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尼龍表面出現褶層，這是由于在對磨過程中，偶件與MC尼龍摩擦生熱，使MC尼龍發生塑性變形和塊狀剝落而黏著在對磨表面，并且部分磨屑在對磨過程中受熱融化，從而形成褶層；磨損表面凹凸不平，沒有出現大塊狀磨粒，磨損機理主要為黏著磨損和疲勞磨損[10]。復合MC尼龍對磨過程中，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，阻止基體向對偶面的黏著和轉移；同時，纖維的存在有利于尼龍表面熱量的散發，因此，復合MC尼龍表面較MC尼龍的平整，磨損機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定連續的潤滑油膜，潤滑油及時將摩擦熱傳導出摩擦接觸區域，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；在機械微切削和水的沖洗作用下，摩擦表面的磨屑被帶走，表面均出現細小的犁溝，磨損機理以磨粒磨損為主，其中MC尼龍表面出現片狀的淺凹坑，這是由于水的沖刷作用影響了轉移膜的形成，使已形成的微凹陷得不到填補；復合MC尼龍表面的磨損程度顯著低于MC尼龍的，這是由于在復合MC尼龍基體內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，同時纖維對基體具有一定的固結作用[12]，能降低水流對基體的沖刷作用，使得復合MC尼龍僅局部與對偶面接觸，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尼龍表面出現較多的犁溝，這是由于在對摩過程中，石英砂對尼龍具有犁削作用，由于摩擦生熱，尼龍發生一定程度的軟化[13]，導致石英砂的犁削作用進一步增強；復合MC尼龍表面沒有發現明顯犁溝，這是由于復合MC尼龍表面存在纖維凸起，纖維會對石英砂的犁削產生明顯的阻礙作用，同時纖維的存在有利于尼龍表面熱量的散發，使尼龍的硬度不會因摩擦的持續而顯著降低，有利于保持尼龍基體與纖維的結合力；MC油尼龍表面僅出現少量犁溝，推測是摩擦過程中，潤滑油逐漸滲出，附著在石英砂表面，使石英砂在滾動過程中以最省力的狀態與尼龍接觸，進入原屬于潤滑油的凹坑，降低了其對尼龍的犁削作用導致。

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，推測出現這種現象的原因與水的存在使摩擦表面局部形成了水膜有關；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，增強了抵抗石英砂犁削的能力；復合MC尼龍表面的纖維被拉出，這是由于水分子具有毛細效應，會通過纖維迅速擴散到尼龍內部，造成吸水區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，這會導致尼龍的耐磨性能下降[14]；MC油尼龍表面僅存在少量犁溝，推測是滲至表面的潤滑油降低了石英砂的犁削作用導致。

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 論

(1) 干摩擦和水潤滑條件下，3種尼龍的摩擦因數從小到大順序為MC油尼龍、復合MC尼龍、MC尼龍，干砂和水砂條件下，摩擦因數從小到大順序為MC油尼龍、MC尼龍、復合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、復合MC尼龍、MC尼龍。

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