不同含量鹽水介質中丁腈橡膠水潤滑軸承材料摩擦學特性分析*

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(1.西北工業大學機電學院 陜西西安 710072；2.東莞市三航軍民融合創新研究院 廣東東莞 523808)

隨著海洋開發和環保法規的日益嚴格，海洋環境下水潤滑軸承替代油潤滑軸承的應用趨勢和場合越來越廣泛[1]。水潤滑技術以水為潤滑介質，具有結構簡單、維修方便、原料豐富以及污染很小等優點[2]，符合當今世界工業綠色發展的趨勢。然而，水是一種低黏度液體，它的黏度只有潤滑油的幾十分之一，水膜很難獲得與潤滑油膜相當的承載能力，而且在轉速較低時很難形成穩定的水潤滑膜[3]。此外，海洋環境下，海水對金屬材料有很強的腐蝕作用，因此，研發能夠適應水潤滑需求的非金屬軸承材料成為當下的研究熱點。

鐵犁木[4]、高分子聚合物[5]以及丁腈橡膠[6]等非金屬材料已在水潤滑領域得到應用。其中，丁腈橡膠即使長期在水中浸泡也能保持質量和體積的穩定[7]，同時具有良好的黏彈性、抗沖擊、吸震等性能[8]，已成為水潤滑軸承廣泛使用的材料[9]。不同海域的海水鹽分含量具有差異，而且由于應用對象摩擦磨損過程中水分蒸發和鹽分沉積的影響，潤滑海水中的鹽分含量會進一步提高。不同鹽分含量對丁腈橡膠的摩擦磨損行為的影響還缺乏系統研究。因此，本文作者以不同質量分數的鹽水作為潤滑介質來模擬海水潤滑環境，通過在CBZ-1摩擦磨損試驗機上開展丁腈橡膠摩擦磨損實驗，分析其在不同模擬海水鹽分含量、不同速度以及不同載荷下的摩擦磨損行為，獲得丁腈橡膠水潤滑軸承材料在不同工況條件下的摩擦磨損機制，為優化丁腈橡膠水潤滑軸承材料的工程應用提供依據。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

在CBZ-1摩擦磨損試驗機上進行模擬試驗。該試驗機由水介質溫控系統、主機旋轉系統、控制與采集系統等部分組成。其轉速范圍為50～2 000 r/min，載荷范圍為0～500 N，最大測試扭矩為2 N·m。試驗時銷試樣在下方處于靜止狀態并浸入潤滑介質中，盤試樣在電機的驅動下在銷試樣試件表面滑動。

1.2 試驗材料

將丁腈橡膠(NBR)制成φ10 mm，高度20 mm的銷試件。對摩件選用錫青銅盤(ZCuSn10Zn2)，其元素成分如表1所示，其外徑為60 mm，內孔為8 mm，厚度為10 mm。試驗試樣如圖1所示。

表1 銅盤金屬元素質量分數

圖1 試驗試件

1.3 試驗設計

為了探究不同鹽水含量下NBR水潤滑軸承材料的摩擦磨損性能，考慮海水蒸發和沉積的影響，設置了更為嚴苛的工況有助于保證材料的使用性能。其中配備的模擬海水鹽分質量分數分別設定為0(清水)、1.75%、3.5%和5%；試驗轉速分別設定為150、350、550、750、950 r/min；結合大部分水潤滑軸承的服役工況，載荷條件設定為0.7 MPa(56 N)、0.9 MPa(72 N)、1.1 MPa(88 N)。每種轉速下試驗持續15 min后進入下一轉速，因此每個試驗的持續時間為75 min。

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦因數分析

圖2示出了載荷分別為0.7、0.9和1.1 MPa時，在不同含量的鹽水介質潤滑條件下，NBR與錫青銅配副的平均摩擦因數隨轉速的變化情況。

在載荷的影響方面，比較圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)可知，總體上載荷為0.7 MPa時摩擦因數最大，載荷為0.9 MPa時次之，載荷為1.1 MPa時最小。隨著轉速的升高，3種載荷條件下的平均摩擦因數之間的趨勢關系基本未發生變化，但是數值差別逐漸變小，轉速較高時均處在較低的水平。這是因為實驗過程中，銷和銅盤之間的名義接觸面積保持不變，但是由于橡膠表面并非光滑平整，而是布滿了各種微小的凸起，當載荷發生變化影響到這些微凸體時，銷和銅盤之間的實際接觸面積也會隨之改變。隨著載荷的增大，由于橡膠的硬度較低且具有黏彈性，橡膠表面與銅盤相接觸的微凸體的數量以及每個微凸體與銅盤的接觸面積都會因此而增加，使得銷與銅盤的實際接觸面積增大。在一定載荷范圍內，單位面積上的應力隨著載荷的增大而減小，進而使摩擦因數在一定條件下隨著載荷的增加而降低[10-11]。

在轉速的影響方面，由圖2可以看出，轉速較低時，摩擦因數較高，隨著轉速的增大，不同試驗條件下的摩擦因數均呈現出下降的趨勢。當轉速較低時，一方面由于開始階段銷與銅盤的表面有很多微小的凸起，表面粗糙度較高，使得摩擦因數較高；另一方面由于轉速較低，銷與銅盤之間形成的潤滑液膜不夠穩定，降低了水的潤滑效果，因而摩擦因數較高。隨著試驗時間的增加，轉速較高時，經過前期的磨合，摩擦副接觸表面微凸體基本平整，銷與銅盤的表面粗糙度降低，因此摩擦因數降低；另外較高的轉速導致水流動速度加快，加速了摩擦副接觸面之間潤滑水膜的形成，在一定程度上減少了接觸面的直接接觸，從而降低了橡膠的黏附摩擦，因此摩擦因數降低。由于橡膠具有黏彈性，橡膠的部分單元在試驗過程受到周期性的壓縮與復原，內部的分子鏈之間產生相互作用導致能量損耗，這種損耗必須由外力做功來彌補，因此產生滯后摩擦力。當轉速提高時，橡膠連續產生兩次變形的時間間隔減少，變形也很難快速地完全恢復，因此能量的耗散相對降低，滯后摩擦力減小。同時，隨著轉速的增加，摩擦產生的熱量使橡膠分子熱運動加劇而變得更容易移動，從而減小了變形過程中的滯后摩擦力。滯后摩擦力的減小是摩擦副摩擦因數隨轉速的升高而降低的另一個重要原因[12]。

圖2 不同工況下摩擦因數變化曲線

由圖2還可分析出鹽水質量分數的影響。總體上看，隨著鹽水質量分數的增大，潤滑介質的密度和黏度也隨之增大，摩擦副之間形成的潤滑水膜的承載能力增強，潤滑效果變好，摩擦因數減小[13]。然而，隨著鹽水質量分數的增大，它對銅盤的腐蝕作用也隨之增強。由于大多數金屬的表面都被氧化膜覆蓋，摩擦過程中當氧化膜被劃破后，鹽水與試驗所用的錫青銅盤內部的錫、鋅、銅等金屬元素發生化學反應，產生腐蝕。鹽水質量分數增大后，氯離子含量的增加使錫、鋅、銅等金屬元素更容易被離子化，金屬元素被剝離，造成銅盤表面粗糙度增加，從而增大了摩擦因數[14]。綜上可知，鹽水黏度增大和腐蝕的綜合效果使不同質量分數鹽水潤滑下的摩擦副的摩擦因數表現出比清水介質潤滑下更復雜的變化情況。

由圖2(a)可以看出，在載荷為0.7 MPa的工況下，當轉速較低時，由于鹽水的黏度比清水高，水潤滑效果相對更好，摩擦副在不同質量分數鹽水中的摩擦因數都比在清水中的低，但摩擦因數并未隨鹽水質量分數的升高而呈線性降低，這是由于鹽水質量分數的升高也增強了對銅盤的腐蝕作用，在一定程度上增大了摩擦。鹽水質量分數為1.75%時，水潤滑和鹽水腐蝕的綜合作用表現為減摩效果，因此這種工況下的摩擦因數最低。隨著轉速的升高，各鹽水質量分數下摩擦副的摩擦因數都呈下降趨勢。滯后摩擦力隨著轉速的提高而降低，但是轉速提高的同時也造成了摩擦生熱增多，溫度的升高相應地加劇了鹽水對銅盤的腐蝕作用，增大了摩擦。因此，高速階段的摩擦因數與鹽水質量分數呈非線性關系。鹽水質量分數為5%時，滯后摩擦力減小和腐蝕作用增強的綜合作用表現為減摩效果，因此摩擦因數降低。由圖2(b)和圖2(c)可知，當載荷增加到0.9 MPa以及1.1 MPa時，在不同的鹽分質量分數和不同的速度條件下，摩擦副的摩擦因數都比清水條件下的要高，表明鹽水作為潤滑介質相對于清水反而增大了摩擦力。這是由于鹽水對銅盤的腐蝕作用加劇，鹽水腐蝕產生的增摩效果開始超過水潤滑產生的減摩效果，從而在總體上呈現出摩擦因數增大的變化情況。

綜上所述，鹽水質量分數通過影響潤滑介質的黏度來改變水潤滑的效果，通過對銅盤的腐蝕作用來改變摩擦副的摩擦情況，從而在整體上影響摩擦因數的變化。鹽水質量分數為3.5%時，摩擦副的摩擦因數大于鹽水質量分數為1.75%和5%時。這是因為鹽水質量分數為1.75%時腐蝕程度小于3.5%時的腐蝕程度，當鹽水質量分數為3.5%時腐蝕作用達到最強；鹽水質量分數為5%時，由于過多氯離子的存在，摩擦表面的腐蝕膜難于沉積，腐蝕程度反而有所下降。因此水潤滑和腐蝕的綜合作用結果使得上述結果顯現。

2.2 磨損量分析

圖3示出了NBR銷試樣在不同鹽水質量分數和不同載荷條件下的磨損量。

圖3 不同載荷下NBR銷試樣的質量磨損量對比

可以看出：清水條件下，隨著載荷的增大，銷試樣的磨損量減小；隨著鹽度的增加，總體上不同載荷下的銷試樣磨損量先增加后減小，當鹽水質量分數為3.5%時磨損達到最大值，而當鹽水質量分數達到5%時，銷試樣的磨損量反而有所下降。這是由于鹽水質量分數的變化改變了潤滑介質的黏度，影響水潤滑效果，同時也改變了對銅盤的腐蝕情況，而磨損取決于這兩個作用的綜合表現，因而磨損呈現跟摩擦因數相似的變化規律。由此可見，海水潤滑條件下鹽分質量分數對NBR材料的磨損性能有明顯的影響。

2.3 磨損表面形貌特征分析

通過分析表面輪廓儀測得的表面磨損形貌特征以及相關參數，可以直觀地看出試樣在不同試驗條件下的摩擦磨損情況，進而從中分析其摩擦磨損機制。

表2給出了不同載荷和不同鹽水質量分數條件下，表面輪廓儀測得的銅盤表面的三維輪廓圖。可以看出，不同試驗條件下的銅盤表面都有明顯的犁溝，并且載荷較高狀態下的犁溝比載荷較低情況下的更為明顯。這是由于當載荷增大時，橡膠表面與銅盤接觸的微凸體的個數增多，接觸面積增大，在摩擦過程橡膠表面的微凸體更容易與銅盤摩擦產生“刮痕”，使得磨損過程中的磨粒磨損增強，從而加劇了犁溝效應。

表2 不同工況下ZCuSn10Zn2銅盤的磨損表面形貌

表3給出了銅盤和銷在不同鹽水質量分數和不同工況下摩擦副表面形貌的均方根偏差Sq值。Sq值表征了材料表面所測區域中各點輪廓偏離基準面的程度，Sq值越小，說明偏離程度越小，表明摩擦副的表面越平坦，反之則表明材料表面越復雜[15]。由表3可以看出：摩擦副表面形貌的均方根偏差并不是與載荷或鹽水質量分數呈線性變化的關系。

表3 摩擦副磨損表面形貌特征參數Sq

結合表2和表3可知，鹽水質量分數由1.75%增大到3.5%時，銅盤的均方根偏差Sq值也隨之增大，這是因為鹽水質量分數的增大加劇了對銅盤的腐蝕，銅盤表面的金屬元素隨著氯離子質量分數的增大變得更容易被離子化并從銅盤表面剝離，從而造成銅盤表面形貌的Sq值增大。然而，質量分數5%鹽水下銅盤的Sq值反而比在清水條件下更低，這是由于鹽水質量分數的增大提高了潤滑介質的黏度，水潤滑效果變得更好，當橡膠表面的一部分微凸體被抹平后，橡膠和銅盤之間的水潤滑膜對銅盤的保護作用增強，因此Sq值相對于清水條件下反而減小。這一現象跟摩擦因數和磨損量的變化規律相吻合。

由表3可知，總體上銷的均方根偏差Sq值大部分都隨著載荷的增大而增大，這是因為當載荷增大時，橡膠表面與銅盤相接觸的微凸體的個數以及每個微凸體的接觸面積均隨之增大，因此加劇了銷和銅盤之間的磨粒磨損，從而使表面形貌的均方根偏差Sq值變大。

綜上所述，銅盤和銷的表面形貌變化情況是鹽水質量分數、載荷以及丁腈橡膠的黏彈性等因素共同作用的結果。

3 結論

(1)鹽水質量分數、速度和載荷等多種因素對丁腈橡膠材料的摩擦學性能有顯著的影響。

(2)總體上，丁腈橡膠材料與錫青銅配副的摩擦因數隨轉速的升高而降低，隨載荷的增加而降低。

(3)鹽水質量分數通過影響潤滑介質的黏度來改變水潤滑的效果，通過對銅盤的腐蝕作用來改變摩擦副的摩擦情況，從而在整體上影響摩擦因數的變化。

(4)鹽水質量分數由1.75%增大到3.5%時，摩擦副的摩擦因數和磨損均增大，鹽水質量分數繼續增大到5%時，摩擦副的摩擦因數和磨損均有所減小。