溶脹對水潤滑下丁腈橡膠二體滑動磨損行為的影響*

宋淑媛 王世杰 聶 瑞 李云龍

(1.沈陽工業大學機械工程學院 遼寧沈陽 110870；2.南京航空航天大學航空學院 江蘇南京 210016； 3.汕頭大學工學院 廣東汕頭 515063)

丁腈橡膠(NBR)以其高彈、耐溶劑及耐磨損的特性在工程中經常被使用為密封和耐磨材料[1-2]。當丁腈橡膠材料在使用壽命期間受到外力作用并與液體接觸時,會發生溶脹和磨損[3-4]。磨損作為重要的失效問題,應在材料設計和使用中重點考慮。液體介質作用下溶脹導致的丁腈橡膠老化將不可避免地影響其磨損行為，降低橡膠部件的耐用性[5]。因此，溶脹影響下丁腈橡膠的磨損行為研究是十分必要的。

目前國內外部分學者研究了液體介質對橡膠材料的溶脹及摩擦學影響。彭旭東等[6]對橡膠材料在不同液體介質中老化的研究進展進行了歸納總結，研究對橡膠類材料密封件的壽命預測和摩擦磨損特性研究提供了指導。MOFIDI等[7]對酯類和礦物環境下丁腈橡膠老化對滑動磨損和磨料磨損行為的影響進行了研究，研究表明，多元醇酯潤滑下的老化會導致摩擦因數降低，在液體潤滑情況下磨粒磨損的磨損量較高，老化會加劇丁腈橡膠的磨損程度。GUO等[8]通過對橡膠樣品進行恒溫油浴老化性能測試，研究表明，隨著老化的增加，彈性模量初期迅速下降并最終趨于平衡；溶脹在初始階段增加明顯并在飽和后保持穩定狀態；摩擦扭矩首先急劇下降而后隨著老化時間的增長而增加。對油酯類介質環境下的研究發現，介質導致的溶脹老化會加劇磨損的發生。一些學者對酸堿鹽介質環境下老化對橡膠摩擦學性能的影響進行了研究分析。ZENG等[9]通過實驗對酸性介質環境下密封橡膠的性能進行了研究，結果表明，橡膠在氣相和液相介質中沒有溶解現象，但拉伸性能減弱，硬度降低，永久變形增加。NIE等[10]模擬海水環境，對氯化鈉影響下丁腈橡膠的溶脹及沖蝕磨損行為進行了研究,結果表明，氯化鈉溶液作用下丁腈橡膠硬度增加，沖蝕磨損速率隨溶脹時間的增加而增加。

丁腈橡膠在一些應用中被用作軸承和密封件,受水環境影響或直接在水環境下運行[11-12]。由于丁腈橡膠與水介質都具有極性的特點，因此水介質影響下的溶脹老化對丁腈橡膠滑動磨損的影響的系統研究是十分必要的。因此，本文作者研究水介質中不同溶脹時間影響下的不同丙烯腈含量丁腈橡膠的滑動磨損行為。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及制備

試驗使用的樣品是不同丙烯腈含量的丁腈橡膠塊。丁腈橡膠樣品的丙烯腈質量分數分別為18%、26%和41%(即N18，N26和N41)，硬度值(邵氏A)分別為71、73和74[13]，樣品尺寸為40 mm×25 mm×6 mm。樣品的主要成分及質量分數為：母膠100，炭黑70，硫化劑3，活化劑12，促進劑4，防老劑5。采用XK-450型開放式煉膠機和XLB型平板硫化儀(青島亞東機械集團有限公司生產)進行樣品的制備。主要成分加料順序:母膠→硫化劑→活化劑→防老劑→炭黑→促進劑。硫化溫度為150 ℃，硫化時間隨丙烯腈含量的增加分別為tc90+10 min、tc90+7 min、tc90+5 min，硫化壓力為10 MPa。

1.2 樣品預處理

首先通過電子分析天平測試3種丁腈橡膠樣品的原始質量(精度0.1 mg)，然后對測試樣品進行溶脹老化預處理。溶脹試驗在環境溫度和壓力下通過懸掛浸入式測試裝置(見圖1)在去離子水(工業級)中進行。浸泡時間設置為0、 24、48、72、120、168、240 h。試樣取出后用濾紙吸干表面。

圖1 溶脹試驗裝置Fig 1 Swelling test device

1.3 滑動磨損試驗

通過MPV-600型環-塊微控磨損試驗機(中國濟南普業機電技術有限公司生產)模擬丁腈橡膠的滑動磨損行為。在常溫常壓下和水潤滑條件下對溶脹前后的丁腈橡膠樣品進行單向滑動磨損試驗。摩擦副的重要參數示于表1。試驗工作參數如下：載荷200 N，轉速150 r/min(約1.4 m/s)，測試時間2 h。磨損試驗主要組成如圖2所示。

磨損后的丁腈橡膠樣品在80 ℃的恒溫箱中烘干4 h[14]。摩擦因數可以在磨損試驗機上直接獲得。磨損試驗后樣品的磨損質量變化度(Qw)可以通過公式(1)計算。

Qw=(mw-m0)/m0×100%

(1)

其中，m0是溶脹試驗前的樣品質量，mw是磨損試驗后的樣品質量，所有數據結果均為3次測試的平均值。

通過掃描電子顯微鏡(FE-SEM，Hitachi JSM-6360，Japan)觀察磨損樣品的表面形貌(噴金處理)，測試樣品尺寸為5 mm×5 mm。

表1 摩擦盤的重要性能參數Table 1 Important properties of friction disc specimen

圖2 磨損試驗的主要組成

2 結果與分析

2.1 不同溶脹時間影響下的摩擦因數曲線

圖3顯示了在不同溶脹時間影響下3種不同丙烯腈含量丁腈橡膠的平均摩擦因數變化曲線。可以看出，溶脹后丁腈橡膠的摩擦因數減小，在溶脹72 h內摩擦因數下降顯著，溶脹超過72 h后摩擦因數趨于穩定。N18的摩擦因數變化最大，分別為N26和N41的1.82和2倍，由此可知，水潤滑下丁腈橡膠滑動磨損摩擦因數受溶脹的影響隨著丙烯腈含量的增加而減小。

圖3 水介質中NBR樣品摩擦因數隨溶脹時間的變化曲線Fig 3 Variations of the friction coefficient of the NBR samples in the water medium versus the immersion time

2.2 溶脹影響下的磨損量變化

圖4顯示了不同溶脹時間下在水介質中進行磨損試驗后丁腈橡膠的磨損質量變化度曲線。 可以看出，溶脹后丁腈橡膠的磨損量增加，3種丁腈橡膠在溶脹72 h內磨損量增加顯著，溶脹超過72 h后磨損量隨溶脹時間近似以線性增加，增加速率分別約為0.011 9%/h(N18)，0.010 7%/h(N26)和0.008 3%/h(N41)。N18的磨損量變化最大，分別為N26和N41的1.21和2.19倍。由此可得，水潤滑下丁腈橡膠磨損量受溶脹的影響隨著丙烯腈含量的增加而減小，具有低丙烯腈含量的N18受溶脹的影響更大。

圖4 水介質中NBR樣品磨損質量變化度隨 溶脹時間的變化曲線Fig 4 Variations of Qw of the NBR samples in the water medium versus the immersion time

2.3 溶脹前后的磨損表面形貌及形成過程

為了進一步探究溶脹對磨損影響的本質，對受溶脹影響程度最大的N18橡膠樣品浸泡240 h前后的磨損表面形貌進行了分析。圖5示出了溶脹前后N18樣品的表面形貌。由圖5(a)可以看到，未溶脹N18樣品磨損表面具有寬且深的溝槽，剪切作用下的裂紋明顯且縱向延伸，舌狀物及脊狀形貌清晰可見。由圖5(b)可看出，溶脹后的N18樣品溝槽窄淺，舌狀物更短，脊狀形貌變窄且長度減小，大量孔洞出現在磨損表面。整體上，對比溶脹前后的磨損表面可見，溶脹后的N18樣品磨損表面磨痕減小，相對更光滑，這與圖3中溶脹后丁腈橡膠樣品摩擦因數的減小相對應。

為了更好地討論溶脹時間對水潤滑下丁腈橡膠滑動磨損表面形貌的影響，分析了N18樣品在溶脹時間分別為0、24、72、240 h時的磨損特征形貌變化。由圖6可以看到，隨著溶脹時間的增加磨損表面舌狀物逐漸變短，相應的脊狀物及其脊間寬度逐漸變窄，72 h溶脹后孔洞清晰可見且在240 h溶脹后增大。

溶脹作用下，水溶劑分子進入到松散的丁腈橡膠分子網絡中使分子鏈拉伸并形成孔洞缺陷。丁腈橡膠分子鏈在長時間的溶脹拉伸狀態下產生應力松弛從而使分子鏈彈性減小，抗剪切力性能變差，導致材料更易去除[5]，宏觀上表現為溶脹后磨痕更淺，磨損量更大。

為了更好地理解溶脹前后丁腈橡膠樣品在水潤滑下的滑動磨損機制，圖7顯示了溶脹前后丁腈橡膠磨痕形成過程的物理模型。如圖7(a)所示，當摩擦盤在未溶脹丁腈橡膠表面滑動過程中，丁腈橡膠材料在擠壓和剪切力作用下形成舌狀物及脊狀形貌,并由于拉伸的作用在根部出現縱向延伸的裂紋，溝痕深度h1較深，但磨損量(H1)較小。由圖7(b)中可見，溶脹后的丁腈橡膠樣品表面存在大量的孔洞，橡膠材料性能的降低使摩擦盤在溶脹后丁腈橡膠表面滑動過程中剪切作用更易發生，舌狀物和脊狀形貌在拉伸過程中容易斷裂形成磨屑。溝痕深度h2減小，但磨損量(H2)明顯增大。

圖5 溶脹前后N18樣品的磨損表面形貌Fig 5 Wear surface morphologies of the N18 samples (a) un-swollen;(b)swollen

圖6 N18樣品在水介質中基于時間的磨損特征形貌變化掃描圖Fig 6 Wear feature morphologies of the N18 samples in the water medium versus the immersion time (A) tongue;(B) ridge pattern

圖7 溶脹前后丁腈橡膠樣品的磨損過程Fig 7 Wear processes of the NBR samples (a) un-swollen;(b) swollen

3 結論

(1) 在溶脹的影響下丁腈橡膠的摩擦因數減小，溶脹72 h內摩擦因數下降明顯并于72 h后趨于穩定。摩擦因數受溶脹的影響隨著丙烯腈含量的增加而減小。其中，N18的摩擦因數變化最大，分別為N26和N41的1.82和2倍。

(2) 受溶脹的影響，溶脹后丁腈橡膠的磨損量增大，溶脹72 h后的磨損量隨溶脹時間呈線性增加，增加速率分別約為0.011 9%/h(N18)，0.010 7%/h(N26)和0.008 3%/h(N41)。N18試樣的磨損量變化最大，分別為N26和N41的1.21和2.19倍。磨損量受溶脹的影響隨著丙烯腈含量的增加而減小。

(3) 丁腈橡膠材料的滑動磨損主要由舌狀物和脊狀物的形成與斷裂造成。由于溶脹后丁腈橡膠表層出現孔洞缺陷，分子鏈的應力松弛和彈性降低導致磨損行為更易發生。