丁腈橡膠在硬質顆粒環境下的摩擦磨損特性

鄭金鵬，沈明學,2，厲 淦，彭旭東,2

(1 浙江工業大學 機械工程學院，杭州 310032；2 浙江工業大學 過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州 310032)

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丁腈橡膠在硬質顆粒環境下的摩擦磨損特性

鄭金鵬1，沈明學1,2，厲 淦1，彭旭東1,2

(1 浙江工業大學 機械工程學院，杭州 310032；2 浙江工業大學 過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州 310032)

采用銷-盤接觸方式考察丁腈橡膠/316L不銹鋼配副的摩擦磨損性能，探討有無Al2O3硬質顆粒及顆粒尺寸對其摩擦學行為的影響。通過掃描電子顯微鏡(SEM)和表面輪廓儀分析配副材料的磨痕表面形貌。結果表明：硬質顆粒參與磨損能降低接觸副表面的摩擦因數；大尺寸顆粒會加速橡膠的磨損并能嵌入橡膠基體形成微切削效應，而隨著顆粒尺寸減小至數十微米時，顆粒的存在反而能減緩橡膠的磨損；但顆粒的介入均會加劇配副金屬的磨損、硬質顆粒的犁削作用使鋼球磨損表面存在大量的犁溝；此外，無顆粒及不同尺寸顆粒環境下丁腈橡膠/不銹鋼摩擦副表現出不同的損傷機制。

丁腈橡膠；摩擦磨損；硬質顆粒；橡膠密封；損傷機制

橡膠/金屬摩擦配副是最常見的密封元件材料配副形式，廣泛應用于各類石化裝備、交通運輸、工程機械等領域的壓縮機、柱塞泵、液壓或氣動缸上[1]。在這些設備中橡膠材料的磨損行為對其密封性能起著重要的作用，甚至直接決定了整機的工作壽命[2]。然而，工程上往往將橡膠材料視為主要易損件卻忽視了軟質彈性體(橡膠)對硬質金屬對偶件的磨損，尤其是橡膠/金屬摩擦副在服役過程中的磨屑、塵土顆粒、鑄砂以及液壓系統內產生的雜質顆?；蛲垮儗用撀涞念w粒被帶入摩擦界面后金屬表面的磨損將明顯加劇[3]。例如，文獻[4]明確指出核反應堆主冷卻劑泵橡塑密封在微動作用下能引起金屬表面的嚴重損傷；文獻[5]分析了某在役盾構機唇形密封的失效機理，表明砂石微粒(SiO2)等硬質顆粒能嵌入摩擦副基體內、顆粒的存在加速了鉻鈷合金的磨損。

目前，國內外學者對橡膠材料的摩擦磨損行為進行了較為廣泛的研究，但已有的工作主要集中于橡膠材料的填充改性、老化、涂層或潤滑介質等對其摩擦學特性的影響或橡膠材料在含有固體顆粒的液體介質中的摩擦學行為[6-10]。例如，張嗣偉、呂曉仁等學者對橡膠/金屬配副在不同介質環境中的摩擦磨損現象進行了研究[11,12]，探討了橡膠的磨損機理及影響因素，同時也提出了相關的預防措施。國外則有學者對丁腈橡膠在不同潤滑油中老化后的摩擦磨損性能進行了研究，結果表明潤滑油中的老化現象會加速丁腈橡膠的磨損[13]。盡管早在20世紀60年代就已發現高分子材料快速磨損金屬的特殊現象，但迄今硬質顆粒對配副材料損傷行為的影響及其作用機理尚不清晰[14,15]。此外，大量的研究表明磨粒的形狀、大小及其材料性質對摩擦副磨損性能也有重要影響[16]。因此，開展橡膠/金屬配副在硬質顆粒環境條件下的軟材料橡膠及其硬材料對磨副的摩擦磨損特性研究尤為重要。

丁腈橡膠的耐油性,僅次于聚硫橡膠和氟橡膠，同時它具有優良的耐磨性和氣密性，在汽車、航空、石油、復印等行業中已成為必不可少的彈性材料。本研究以丁腈橡膠/不銹鋼配副為研究對象，重點考察了Al2O3硬質顆粒對橡膠及其對磨副(316L不銹鋼)的摩擦學特性的影響，并分析了Al2O3硬質顆粒環境條件下兩摩擦副的損傷機制，以期為橡塑密封的選材及延壽提供實驗依據和理論參考。

1 實驗材料與方法

采用增設顆粒連續供給系統的UMT-3多功能摩擦磨損試驗機銷-盤模塊，考察Al2O3硬質顆粒環境條件下橡膠/金屬配副的摩擦學行為，試驗裝置如示意圖1所示。圖1中上試件為施加一定法向載荷Fn的不銹鋼球；下試件為丁腈橡膠板，將它固定在勻速旋轉的轉動盤上。此外，試驗機附帶的顆粒供給系統能連續均勻地將Al2O3硬質顆粒輸送到摩擦副周圍。

圖1 球-平面接觸摩擦學試驗裝置結構示意圖Fig.1 Schematic illustration of the tribological tester with a sphere-on-disc contact

丁腈橡膠/不銹鋼配副是流體密封中常見的材料配副形式，實驗中作為對磨副的不銹鋼球直徑φ=9.5mm、材質為 316L，表面粗糙度Ra=0.04μm；丁腈橡膠厚度h=4mm，試樣表面粗糙度Ra≈0.8μm，實驗開始前將丁腈橡膠圓盤固定在旋轉盤上；選用Al2O3顆粒作為試驗用硬質顆粒，顆粒粒徑從大到小依次為60，150，240目和600目(相應的顆粒平均尺寸約為200，110，60μm和25μm)，其幾何形狀如圖2所示。

圖2 試驗用Al2O3磨粒的典型SEM形貌(240目顆粒)Fig.2 Typical SEM micrographs of Al2O3 abrasives used in the test (240 mesh particles)

實驗參數如下：法向載荷Fn=5N；相對滑動速率v=4m/s；摩擦磨損周期T=3，5，10，20，30min和60min；Al2O3顆粒的平均流量為150g/min；為減小實驗誤差，每組相同實驗參數的實驗至少重復3次。實驗前后，分別用去離子水對丁腈橡膠板進行清洗，經鼓風干燥箱(35 ℃)干燥1.5 h，再用電子天平進行稱重、記錄。試驗后，用VEGA3 SBU/SBH型掃描電子顯微鏡(SEM)分析試樣磨損表面形貌，采用EDX分析磨損表面的成分；用AMBIOS XP-2 輪廓儀(profilometer)對橡膠磨損表面的磨痕輪廓進行測定。

2 結果與分析

2.1 摩擦因數時變曲線

作為評價材料性能的重要指標，摩擦因數的變化對材料的摩擦學性能有重要影響。圖3示出了在無磨粒和不同尺寸Al2O3顆粒下橡膠/金屬配副的摩擦因數隨磨損時間的變化。從圖3可以看出硬質顆粒對摩擦因數有較大的影響。在無顆粒環境下，摩擦因數經歷短時間(約前200s)的迅速爬升后保持緩慢上升趨勢，最終其值保持在0.75左右；而在有顆粒環境下，摩擦因數均低于無顆粒狀態且表現出兩種不同的變化趨勢。當顆粒尺寸為600目時，摩擦因數經歷快速爬升后基本維持在0.56左右；但其余3種較大尺寸的顆粒環境下，摩擦因數的變化相近，即先快速達到最高值(約0.5左右)，隨后卻保持緩慢下降最終維持在0.4左右波動，但在較小的目數(即較大的顆粒尺寸)下摩擦因數的波動相對明顯。綜上所述，Al2O3顆粒均能不同程度地降低橡膠/金屬配副的摩擦因數；從顆粒尺寸來看，一定范圍內(如60～240目)顆粒對摩擦因數的影響較小，隨著顆粒尺寸的進一步減小(如600目)摩擦因數有所升高且始終保持較穩定的值。

圖3 不同磨粒粒度下摩擦因數隨磨損時間的演變Fig.3 Evolution of friction coefficient as a function of wear time under different particle sizes of the abrasives

2.2 磨損程度對比

圖4示出了無Al2O3顆粒及不同尺寸Al2O3顆粒環境下丁腈橡膠的磨損量和磨損率隨磨損時間的變化。由圖4可見，Al2O3顆粒尺寸對橡膠的磨損狀況影響顯著；相比無顆粒環境，較大顆粒尺寸的Al2O3能加速橡膠表面的磨損，而當顆粒尺寸小于240目時卻能有效減緩橡膠的磨損(如圖4(a)所示)。另一方面，顆粒尺寸越小磨損率越低，在較小的顆粒(如600目和240目)或無顆粒環境下，不同磨損周期的磨損率基本保持穩定，而大顆粒(如60目和120目)環境下磨損率呈快速下降和基本穩定兩個階段(如圖4(b)所示)。

圖4 不同磨粒粒度下橡膠磨損量(a)和磨損率(b)隨磨損時間的變化Fig.4 Variation in wear loss (a) and wear rate (b) of NBR as a function of wear time under different particle sizes of the abrasives

此外，硬質顆粒的存在還會引起與橡膠配副的金屬材料的快速磨損。本研究與橡膠材料摩擦配副的金屬材料為316L不銹鋼球，鋼球磨損后試樣的球缺部分可近似認為鋼球的磨損體積。因此，可以利用磨損比值K=r/R來表征鋼球的磨損量，這里r為切口部分圓的半徑，R為球半徑。圖5為不同顆粒尺寸下配副鋼球磨損比值K隨運行時間的變化。由圖5可知，隨著磨損時間的延長，鋼球磨損比值K均呈先快速上升后逐漸趨于平緩的趨勢；另一方面，60目和150目顆粒環境下K值及其變化相近、240目和600目顆粒環境下也相近，且前者K值略高于后者。值得指出的是，在無顆粒環境下橡膠對金屬的磨損甚微，故K值近似零。因此，顆粒的存在明顯加劇了對摩副金屬材料的磨損。

圖5 配副鋼球在不同粒度磨粒下的磨損比值K隨運行時間的變化Fig.5 Variation of steel ball wear ratio K as a function of wear time under different particle sizes of the abrasives

2.3 磨損機理分析

對于無顆粒工況，橡膠的磨損表面呈現橡膠磨耗所特有的典型波浪形花紋磨耗(pattern wear)，上述特征與文獻[17,18]的研究結果相似。實質上，它們是一系列相互平行并垂直于滑動方向的鋸齒狀突起部，而與之配副的鋼球表面幾乎未見損傷。此時，橡膠材料的磨損機制主要是花紋磨損、黏著和疲勞磨損。無顆粒環境下橡膠的磨損行為已開展過大量的研究[6,7,18]，損傷機理也相對清晰，這里不再贅述。

圖6為150目Al2O3顆粒環境下橡膠的表面磨損形貌及其表面元素分布和局部區域元素能譜圖。由圖

6(a)可見，橡膠磨損表面存在顆粒狀的形貌和一些尺寸相近的小孔洞。EDX元素面掃描結果顯示磨損表面有大量的鋁元素存在，如圖6(b)所示；對上述顆粒狀形貌進行EDX分析發現該處僅有鋁和氧兩種元素存在(見圖6(c))，這表明圖6(a)中顆粒狀的形貌即為嵌入橡膠基體的Al2O3顆粒(見圖6(a))，而磨損表面的小孔洞是嵌入的顆粒在摩擦過程中脫落后留下的凹坑(見圖6(a))。這樣，硬質顆粒嵌入橡膠后將出現“砂輪效應”，從而導致對磨副上的金屬材料的快速去除(如圖5所示)。圖7為150目Al2O3顆粒環境下鋼球磨損表面的典型形貌，圖中磨損表面分布著大量較深的犁溝、局部區域存在微切削坑。據此可推斷，不銹鋼被磨損的主要損傷機制為硬質顆粒第三體層的磨粒磨損及嵌入到基體的顆粒對金屬表面的微切削。而隨著嵌入橡膠基體的顆粒增多，接觸副主要由橡膠-顆粒-金屬接觸逐漸轉變為橡膠-顆粒-金屬和顆粒-顆粒-金屬接觸共存，因此整個磨損過程中，摩擦因數呈先下降后逐漸趨于穩定的趨勢(見圖3)。

圖6 150目顆粒環境下橡膠磨損表面的SEM照片(a)、Al元素分布(b)及局部磨損區的EDX能譜曲線(c)(采樣位置見圖6(a)中A)Fig.6 SEM image(a) and EDX spectra(b) of the same rubber worn surface with 150 mesh Al2O3 particles, EDX spretra of the local worn surface(c)(sampled location as shown in A, see fig.6(a))

圖7 150目顆粒環境下對磨副鋼球磨損表面的SEM照片Fig.7 SEM image of steel ball worn surface with 150 mesh Al2O3 particles

圖8為600目Al2O3顆粒環境下橡膠及鋼球磨損表面的掃描電鏡(SEM)圖。由圖8(a)可見，隨著顆粒

尺寸的減小(如240目和600目)，橡膠逐漸表現出花紋磨損的損傷特征，但相比無磨粒環境下的橡膠磨損形貌，此時鋸齒狀的突起部呈不規則排布。EDX面掃描分析并未發現有Al2O3顆粒嵌入到橡膠基體內，表明較小尺寸的硬質顆粒很難嵌入到橡膠基體內，在摩擦過程中這些參與磨損的顆粒只能以滾動的第三體層存在。這樣，由于缺少嵌入橡膠基體的硬質顆粒的微切削作用，金屬材料的表面磨損相對較輕微。由圖8(b)可見，鋼球磨損表面僅分布有較淺的犁溝，并且這些犁溝平行于滑動方向規則分布，這也是金屬磨粒磨損的典型特征。因此，此時不銹鋼的磨損機制主要為可充當“第三體層”硬質顆粒的磨粒磨損；而橡膠材料由于硬質顆粒充當第三體層參與磨損，磨損機制表現為局部的花紋磨損和磨粒磨損。

圖8 600目Al2O3顆粒環境下橡膠(a)及鋼球(b)磨損表面的SEM照片Fig.8 SEM images of rubber (a) and steel ball (b) worn surfaces under conditions of 600 mesh Al2O3 particles

圖9所示為無顆粒和不同顆粒尺寸下橡膠的磨痕二維截面形貌。由圖9可見，與無顆粒環境對比發現，硬質顆粒參與磨損時能加劇配副材料(316L不銹鋼球)的表面磨損，較大尺寸的顆粒能嵌入橡膠基體內，對金屬有微切削效應。對橡膠材料來說，小尺寸的硬質顆粒充當了“潤滑作用”的滾動第三體層，減小了橡膠與金屬間的局部黏著，進而有效減緩了橡膠的表面磨損；相反，當顆粒尺寸較大時硬質顆粒的微觀切削作用加劇了橡膠的磨損。據此，工程上應盡量保持橡膠密封圈周圍環境的清潔，尤其要避免硬質顆粒進入橡膠/金屬密封界面，以防止金屬和橡膠密封面的表面磨損，從而延長其密封壽命。

圖9 無顆粒和不同顆粒尺寸下丁腈橡膠磨損表面的二維截面形貌Fig.9 2D profile of NBR worn scars under conditions of no particles and particles with different sizes

3 結論

(1)顆粒參與磨損有效降低了兩接觸副間的摩擦因數；當顆粒尺寸較小(如600目)時，硬質顆粒充當第三體層，摩擦因數相對穩定；較大尺寸的顆粒能嵌入橡膠基體，局部區域為金屬-顆粒-顆粒接觸，此時摩擦因數較低。

(2)無顆粒狀態下丁腈橡膠呈現出橡膠磨耗所特有的典型波浪形花紋磨耗；當顆粒參與磨損時，較小尺寸的顆粒作為第三體層能有效減緩橡膠的表面磨損，其磨損機制主要為局部花紋磨損和磨粒磨損。較大尺寸的硬質顆粒嵌入橡膠基體，具有微觀切削效應，從而加劇了橡膠自身的磨損。

(3)顆粒參與磨損均不同程度地加劇了金屬材料的表面磨損；無顆粒環境下金屬幾乎未被磨損；當顆粒尺寸較小時，配副不銹鋼主要以磨粒磨損為主；隨著顆粒尺寸的增大，配副不銹鋼主要損傷機制為硬質顆粒第三體層的磨粒磨損及嵌入到橡膠基體的顆粒對金屬表面的微切削作用。

[1] 蔡仁良. 流體密封技術:原理與工程應用[M]. 北京：化學工業出版社，2013.

CAI R L. Fluid Sealing Technology-Principles and Engineering Applications[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2013.

[2] STOLARSKI T A, TUCKER M. Frictional performance of an O-ring type seal at the commencement of linear motion[J]. Tribology Letters, 1996, 2(4): 405-416.

[3] 鄒建華, 吳榕. 分析液壓缸活塞桿密封失效原因及防止措施[J].液壓與氣動密封, 2005, (5): 46-48.

ZOU J H, WU R. Sealing failure analysis of hydraulic cylinder's rod and preventive measures[J]. Hydraulics Preumatics & Seals, 2005, (5): 46-48.

[4] DARLING S. Main Coolant Pump Seal Maintenance Guide[M]. USA: Electric Power Research Institute(EPRI), 1993.

[5] SEBASTIANI M, MANGIONE V, DE FELICIS D. Wear mechanisms and in-service surface modifications of a satellite 6B Co-Cr alloy[J]. Wear, 2012, 290-291(6): 10-17.

[6] 呂仁國, 李同生, 劉旭軍. 橡膠摩擦磨損特性的研究進展[J]. 高分子材料科學與工程, 2002,18(5): 12-15.

LV R G, LI T S, LIU X J. Advances in study on friction-wear of rubbers[J]. Polymer Materials Science & Engineering, 2002, 18(5):12-15.

[7] ZHANG S W. State-of-the-art of polymer tribology[J]. Tribology International, 1998, 31(1-3): 49-60.

[8] FELHOS D, KARGER-KOCSIS J. Tribological testing of peroxide-cured EPDM rubbers with different carbon black contents under dry sliding conditions against steel[J]. Tribology International, 2008, 41(5): 404-415.

[9] 龐佑霞, 許焰, 張昊, 等. 微/納米復合涂層的抗沖蝕磨損性能[J]. 材料工程, 2013, (9): 60-63.

PANG Y X, XU Y, ZHANG H, et al. Erosion resistance of micro/nano composite coating[J]. Journal of Materials Engineering, 2013, (9): 60-63.

[10] WANG L P, GUAN X Y, ZHANG G A. Friction and wear behaviors of carbon-based multilayer coatings sliding against different rubbers in water environment[J]. Tribology International, 2013, 64(8): 69-77.

[11] 何仁洋, 張嗣偉, 王德國. 在干摩擦和邊界潤滑條件下丁苯橡膠對20#鋼的磨損機理研究[J]. 石油大學學報(自然科學版), 2002, 26(1): 59-63.

HE R Y, ZHANG S W, WANG D G. Mechanism of wear of 20#steel by styrene-butadiene rubber under the conditions of dry friction and boundary lubrication[J]. Journal of the University of Petroleum, China, 2002, 26(1): 59-63.

[12] 張益, 王世杰, 呂曉仁, 等. 天然石油介質中丁腈橡膠-45#鋼摩擦規律研究[J]. 潤滑與密封, 2010, 35(8): 51-53.

ZHANG Y, WANG S J, LV X R, et al. Study of friction of NBR by 45#steel in crude oil medium[J]. Lubrication Engineering, 2010, 35(8): 51-53.

[13] MOHAMMADREZA M, ELISABET K, BRAHAM P. Tribological behavior of an elastomer aged in different oils[J]. Tribology International, 2008, 41(9-10): 860-866.

[14] VINOGRADOV G V, MUSTAFAEV V A, PODOLSKY Y Y. A study of heavy metal-to-plastic friction duties and of the wear of hardened steel in the presence of polymers[J]. Wear, 1965, 8(5): 358-373.

[15] 何仁洋, 張嗣偉. 塑料與橡膠材料磨損金屬的研究進展[J]. 摩擦學學報, 2000, 20(3): 232-235.

HE R Y, ZHANG S W. Advances in study on wear of metal by plastics and rubbers[J]. Tribology, 2000, 20(3): 232-235.

[16] REN X Y, PENG Z J, HU Y B, et al. Abrasive wear behavior of TiCN cermets under water-based slurries with different abrasives[J]. Tribology International, 2013, 66(10): 35-43.

[17] SCHALLAMACH A. Friction and abrasion of rubber[J]. Wear, 1958, 1(5): 384-417.

[18] ZHANG S W. Investigation of abrasion of nitrile rubber[J]. Wear, 1984, 57(4)： 769-778.

Friction and Wear Characteristics of Acrylonitrile-butadiene Rubber Under Hard Particles Condition

ZHENG Jin-peng1，SHEN Ming-xue1,2，LI Gan1，PENG Xu-dong1,2

(1 College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China; 2 Engineering Research Center of Process Equipment and Its Remanufacture(Ministry of Education)， Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China)

The friction and wear characteristics of acrylonitrile-butadiene rubber/316L stainless steel tribo-pairs were investigated using a sphere-on-disc test device. The influence of Al2O3hard particles and the particle size on the tribological behavior of the tribo-pairs was discussed. The morphology of worn surface was analyzedviascanning electron microscope (SEM) and by using a surface profilometer. The results show that the particles wear can reduce the friction coefficient of the contact pairs; Large particles can accelerate the wear of rubber and large particles can be embedded into the rubber matrix，resulting in micro cutting effect, however, as particle size decreases to about dozens of microns, the existence of particles can mitigate the wear of rubber; All the particles embedded in the rubber matrix can aggravate the wear of metal counterpart and lots of furrows can be observed on metal worn surface caused by the ploughing effect of hard particles; In addition, the NBR/stainless steel tribo-pairs exhibit different damage mechanism under conditions of no particles and particles with different size.

acrylonitrile-butadiene rubber；friction and wear；hard particle；rubber seal；damage mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.10.013

TB117.1

A

1001-4381(2015)10-0079-06

國家重點基礎研究發展規劃項目(973) (2014CB046404)；國家自然科學基金(51305398)；浙江省自然科學基金(LQ13E050013)；浙江省教育廳資助項目(Y201329543)

2014-07-21;

2015-01-15

沈明學(1982—)，男，講師，博士，微動摩擦學及表面工程，聯系地址：浙江省杭州市潮王路18號浙江工業大學機械工程學院化工機械研究所(310032)，E-mail:shenmx@zjut.edu.cn