斜流泵水潤滑軸承用新型復合材料的研制

時連衛，孫小波，李建星，侯萬果，王子君

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

某電力公司1#機組大修過程中，斜流泵用水潤滑軸承因磨損而失效。由于采用的是進口賽龍軸承，價格很高，為降低維修成本，進行了國產化研制工作。根據工作經驗、相應的現場工況及水潤滑軸承使用技術要求，采用聚己內酰胺(俗稱單體澆鑄尼龍，又稱MC尼龍)材料和反應型橡膠彈性體柔韌劑制成了復合工程塑料。

1 試驗及檢測

試驗對象為賽龍軸承材料(由三次元交叉結晶熱凝性樹脂制造而成的聚合物，屬于一種高分子合成材料)和改性MC尼龍復合材料。潤滑介質為自來水。試驗設備采用DNS200型電子微控萬能試驗機、鐵姆肯摩擦磨損試驗機以及邵氏硬度計分析天平。試驗條件為：拉伸試驗，速度5 mm/min；摩擦試驗，載荷17.8 N，時間30 min，轉動線速度為2.0 m/s。測試方法為：基本力學性能測定在電子微控萬能試驗機上進行；摩擦系數在鐵姆肯摩擦磨損試驗機上測定；磨損量由差重法測出，然后換算成磨損率；硬度在硬度計上直接讀出。

2 結果與討論

2.1 賽龍軸承材料基本性能

首先對賽龍水潤滑軸承材料進行分析測試，其基本性能參數見表1。

表1 賽龍軸承材料基本性能參數

2.2 純MC尼龍的性能

選擇MC尼龍為水潤滑軸承材料的基材，通過加入不同添加劑，以達到賽龍軸承材料的指標。純MC尼龍是以己內酰胺為原料，在常壓下將熔融的單體用強堿性物質作催化劑，與活化劑等助劑一起直接澆鑄并預熱，在一定溫度的模具中聚合而成[1]。純MC尼龍的基本性能見表2。

表2 純MC尼龍的基本性能

由表2可以看出，純MC尼龍的硬度較大，與對磨環的包覆作用不強，致使材料的磨損率增加，而加入添加劑可降低材料的硬度和磨損率。純MC尼龍分子中存在大量的極性酰胺基團，易于吸水，導致材料吸水率高，使尼龍分子中鏈與鏈的結合變得不那么緊密，致使材料在水中的磨損率迅速增加。因此需要對MC尼龍進行改性研究，以改善材料的吸水性能和水潤滑下摩擦、磨損性能。

2.3 MC尼龍/石墨復合材料的改性

研究資料表明[2]，石墨改性材料具有準包絡結構，表現出良好的減磨性能和尺寸穩定性，但填料的加入量不能超過10%，石墨過多將妨礙與尼龍機體之間的致密性，會導致材料的機械強度快速下降。從表3可以看出，隨著石墨含量的增加，材料力學性能明顯降低，這與理論是相符合的。而水潤滑下摩擦性能得到明顯改善，這是由于石墨的化學穩定性使其浸在水里不失自己的特性，平面結構使水難以進入材料內部，從而降低了MC尼龍的吸水性，而吸水率的降低又對材料摩擦性能起到了改善作用。

表3 石墨含量對MC尼龍/石墨材料力學性能的影響

2.4 反應型橡膠彈性體柔韌劑對MC尼龍的改性

MC尼龍的聚合反應是單體陰離子開環聚合反應，形成的聚合物分子量高、結晶度大，所以材料硬度大。試驗表明[3]，對MC尼龍增韌改性不能采用共混方法進行，必須從材料基體的性能和結構出發，采用高聚物化學改性的方法提高MC尼龍的柔韌性。

采用互穿網絡高聚物的方法，在己內酰胺聚合的同時，反應型橡膠彈性體柔韌劑也在反應體系中聚合，己內酰胺的聚合與反應型柔韌劑的聚合互不影響，各自按著不同的方式進行聚合，形成的互穿網絡高聚物具有新的物理機械性能，被稱為GXN復合材料。

從表4可以看出，隨著反應型柔韌劑的增加，復合材料力學性能明顯降低，材料逐漸變軟，硬度逐漸下降，而材料的水潤滑摩擦性能隨反應型柔韌劑的加入，呈現先降低、后增加的趨勢。這說明反應型柔韌劑的加入雖然在一定程度上改變了原有材料的結構，摩擦性能得到改善，摩擦系數有所降低，但隨著反應型柔韌劑含量的增加，復合材料的變軟使得在與對磨環摩擦的時候，包覆作用更強，以原來的轉速轉動，需要更大的力，造成摩擦力矩增加，摩擦系數變大。由表4可知，反應型柔韌劑含量為20%時，吸水性和磨損率最低，此時得到的材料綜合性能最佳，這與材料吸水率改善的數據是一致的。

表4 反應型柔韌劑含量對GXN復合材料性能的影響

2.5 石墨對GXN復合材料的改性

加入反應型柔韌劑，對材料的水潤滑摩擦性能有一定的改善，但是摩擦系數和磨損率與進口賽龍軸承還有一定的差距，還不能完全滿足斜流泵用水潤滑軸承的要求。選擇20%改性劑(己內酰胺的量為100%)為基本改性材料，加入1.5%和3%的石墨，以期提高GXN復合材料的耐磨性能。

從表5中可知，加入1.5%和3%的石墨時，復合材料的力學性能相當。添加1.5%石墨時，復合材料的摩擦系數降低，但磨損量有所增加，這是因為添加石墨較少時，沒能形成石墨均勻分布的連續相，不僅沒有起到有效的減磨作用，反而在一定程度上破壞了復合材料結構，致使磨損量增加。而加入3%的石墨時，摩擦系數和磨損量均降低，吸水率和力學性能也保持得很好。

表5 石墨添加量對GXN復合材料性能的影響

添加3%石墨得到的GXN復合材料與純MC尼龍相比，硬度明顯降低，吸水率降低了74%，摩擦系數大幅下降，磨損率降低了86%，且各項指標均接近賽龍軸承材料的性能，可以作為賽龍軸承材料的替代品應用在電力行業的斜流泵上。

通過和國外材料基本力學性能試驗，水潤滑狀態下摩擦、磨損試驗的對比分析認為，其性能指標滿足斜流泵的技術要求，而且制造成本大大降低。向用戶提供兩組新型復合工程塑料水潤滑軸承，運行兩年顯示其完全滿足電力行業斜流泵的使用要求，是賽龍軸承的理想替代產品。

3 結論

(1)添加石墨對MC尼龍材料的摩擦、磨損性能有一定改善，但是隨著石墨含量的增加，導致材料力學性能降低，因此，石墨作為添加劑使用時應根據使用情況的需要添加適當的量，一般以3%左右為佳。

(2)添加了反應型柔韌劑后，材料吸水率和磨損率都呈先降低、后升高的現象，當其含量為20%時，吸水率和磨損率最低，此時得到的材料綜合性能最佳。

(3)添加3%石墨和20%反應型柔韌劑制成的改性MC尼龍復合材料，性能接近國外賽龍軸承材料。