鄭金鵬，沈明學(xué),2，厲 淦，彭旭東,2

(1 浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310032；2 浙江工業(yè)大學(xué) 過(guò)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(zhì)顆粒環(huán)境下的摩擦磨損特性

鄭金鵬1，沈明學(xué)1,2，厲 淦1，彭旭東1,2

(1 浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310032；2 浙江工業(yè)大學(xué) 過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，杭州 310032)

采用銷(xiāo)-盤(pán)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(wú)Al2O3硬質(zhì)顆粒及顆粒尺寸對(duì)其摩擦學(xué)行為的影響。通過(guò)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(jié)果表明：硬質(zhì)顆粒參與磨損能降低接觸副表面的摩擦因數(shù)；大尺寸顆粒會(huì)加速橡膠的磨損并能嵌入橡膠基體形成微切削效應(yīng)，而隨著顆粒尺寸減小至數(shù)十微米時(shí)，顆粒的存在反而能減緩橡膠的磨損；但顆粒的介入均會(huì)加劇配副金屬的磨損、硬質(zhì)顆粒的犁削作用使鋼球磨損表面存在大量的犁溝；此外，無(wú)顆粒及不同尺寸顆粒環(huán)境下丁腈橡膠/不銹鋼摩擦副表現(xiàn)出不同的損傷機(jī)制。

丁腈橡膠；摩擦磨損；硬質(zhì)顆粒；橡膠密封；損傷機(jī)制

橡膠/金屬摩擦配副是最常見(jiàn)的密封元件材料配副形式，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)石化裝備、交通運(yùn)輸、工程機(jī)械等領(lǐng)域的壓縮機(jī)、柱塞泵、液壓或氣動(dòng)缸上[1]。在這些設(shè)備中橡膠材料的磨損行為對(duì)其密封性能起著重要的作用，甚至直接決定了整機(jī)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(zhì)彈性體(橡膠)對(duì)硬質(zhì)金屬對(duì)偶件的磨損，尤其是橡膠/金屬摩擦副在服役過(guò)程中的磨屑、塵土顆粒、鑄砂以及液壓系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的雜質(zhì)顆粒或涂鍍層脫落的顆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(xiàn)[4]明確指出核反應(yīng)堆主冷卻劑泵橡塑密封在微動(dòng)作用下能引起金屬表面的嚴(yán)重?fù)p傷；文獻(xiàn)[5]分析了某在役盾構(gòu)機(jī)唇形密封的失效機(jī)理，表明砂石微粒(SiO2)等硬質(zhì)顆粒能嵌入摩擦副基體內(nèi)、顆粒的存在加速了鉻鈷合金的磨損。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠材料的摩擦磨損行為進(jìn)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(rùn)滑介質(zhì)等對(duì)其摩擦學(xué)特性的影響或橡膠材料在含有固體顆粒的液體介質(zhì)中的摩擦學(xué)行為[6-10]。例如，張嗣偉、呂曉仁等學(xué)者對(duì)橡膠/金屬配副在不同介質(zhì)環(huán)境中的摩擦磨損現(xiàn)象進(jìn)行了研究[11,12]，探討了橡膠的磨損機(jī)理及影響因素，同時(shí)也提出了相關(guān)的預(yù)防措施。國(guó)外則有學(xué)者對(duì)丁腈橡膠在不同潤(rùn)滑油中老化后的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明潤(rùn)滑油中的老化現(xiàn)象會(huì)加速丁腈橡膠的磨損[13]。盡管早在20世紀(jì)60年代就已發(fā)現(xiàn)高分子材料快速磨損金屬的特殊現(xiàn)象，但迄今硬質(zhì)顆粒對(duì)配副材料損傷行為的影響及其作用機(jī)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(zhì)對(duì)摩擦副磨損性能也有重要影響[16]。因此，開(kāi)展橡膠/金屬配副在硬質(zhì)顆粒環(huán)境條件下的軟材料橡膠及其硬材料對(duì)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(shí)它具有優(yōu)良的耐磨性和氣密性，在汽車(chē)、航空、石油、復(fù)印等行業(yè)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(duì)象，重點(diǎn)考察了Al2O3硬質(zhì)顆粒對(duì)橡膠及其對(duì)磨副(316L不銹鋼)的摩擦學(xué)特性的影響，并分析了Al2O3硬質(zhì)顆粒環(huán)境條件下兩摩擦副的損傷機(jī)制，以期為橡塑密封的選材及延壽提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用增設(shè)顆粒連續(xù)供給系統(tǒng)的UMT-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)銷(xiāo)-盤(pán)模塊，考察Al2O3硬質(zhì)顆粒環(huán)境條件下橡膠/金屬配副的摩擦學(xué)行為，試驗(yàn)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上。此外，試驗(yàn)機(jī)附帶的顆粒供給系統(tǒng)能連續(xù)均勻地將Al2O3硬質(zhì)顆粒輸送到摩擦副周?chē)?/p>

圖1 球-平面接觸摩擦學(xué)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)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(jiàn)的材料配副形式，實(shí)驗(yàn)中作為對(duì)磨副的不銹鋼球直徑φ=9.5mm、材質(zhì)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(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將丁腈橡膠圓盤(pán)固定在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上；選用Al2O3顆粒作為試驗(yàn)用硬質(zhì)顆粒，顆粒粒徑從大到小依次為60，150，240目和600目(相應(yīng)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(yàn)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(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：法向載荷Fn=5N；相對(duì)滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)誤差，每組相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。實(shí)驗(yàn)前后，分別用去離子水對(duì)丁腈橡膠板進(jìn)行清洗，經(jīng)鼓風(fēng)干燥箱(35 ℃)干燥1.5 h，再用電子天平進(jìn)行稱(chēng)重、記錄。試驗(yàn)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(duì)橡膠磨損表面的磨痕輪廓進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)時(shí)變曲線(xiàn)

作為評(píng)價(jià)材料性能的重要指標(biāo)，摩擦因數(shù)的變化對(duì)材料的摩擦學(xué)性能有重要影響。圖3示出了在無(wú)磨粒和不同尺寸Al2O3顆粒下橡膠/金屬配副的摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間的變化。從圖3可以看出硬質(zhì)顆粒對(duì)摩擦因數(shù)有較大的影響。在無(wú)顆粒環(huán)境下，摩擦因數(shù)經(jīng)歷短時(shí)間(約前200s)的迅速爬升后保持緩慢上升趨勢(shì)，最終其值保持在0.75左右；而在有顆粒環(huán)境下，摩擦因數(shù)均低于無(wú)顆粒狀態(tài)且表現(xiàn)出兩種不同的變化趨勢(shì)。當(dāng)顆粒尺寸為600目時(shí)，摩擦因數(shù)經(jīng)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(huán)境下，摩擦因數(shù)的變化相近，即先快速達(dá)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(dòng)，但在較小的目數(shù)(即較大的顆粒尺寸)下摩擦因數(shù)的波動(dòng)相對(duì)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(shù)；從顆粒尺寸來(lái)看，一定范圍內(nèi)(如60～240目)顆粒對(duì)摩擦因數(shù)的影響較小，隨著顆粒尺寸的進(jìn)一步減小(如600目)摩擦因數(shù)有所升高且始終保持較穩(wěn)定的值。

圖3 不同磨粒粒度下摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)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(duì)比

圖4示出了無(wú)Al2O3顆粒及不同尺寸Al2O3顆粒環(huán)境下丁腈橡膠的磨損量和磨損率隨磨損時(shí)間的變化。由圖4可見(jiàn)，Al2O3顆粒尺寸對(duì)橡膠的磨損狀況影響顯著；相比無(wú)顆粒環(huán)境，較大顆粒尺寸的Al2O3能加速橡膠表面的磨損，而當(dāng)顆粒尺寸小于240目時(shí)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(wú)顆粒環(huán)境下，不同磨損周期的磨損率基本保持穩(wěn)定，而大顆粒(如60目和120目)環(huán)境下磨損率呈快速下降和基本穩(wěn)定兩個(gè)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(shí)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(zhì)顆粒的存在還會(huì)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(rèn)為鋼球的磨損體積。因此，可以利用磨損比值K=r/R來(lái)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(yùn)行時(shí)間的變化。由圖5可知，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼球磨損比值K均呈先快速上升后逐漸趨于平緩的趨勢(shì)；另一方面，60目和150目顆粒環(huán)境下K值及其變化相近、240目和600目顆粒環(huán)境下也相近，且前者K值略高于后者。值得指出的是，在無(wú)顆粒環(huán)境下橡膠對(duì)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(duì)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(yùn)行時(shí)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(jī)理分析

對(duì)于無(wú)顆粒工況，橡膠的磨損表面呈現(xiàn)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(xiàn)[17,18]的研究結(jié)果相似。實(shí)質(zhì)上，它們是一系列相互平行并垂直于滑動(dòng)方向的鋸齒狀突起部，而與之配副的鋼球表面幾乎未見(jiàn)損傷。此時(shí)，橡膠材料的磨損機(jī)制主要是花紋磨損、黏著和疲勞磨損。無(wú)顆粒環(huán)境下橡膠的磨損行為已開(kāi)展過(guò)大量的研究[6,7,18]，損傷機(jī)理也相對(duì)清晰，這里不再贅述。

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

6(a)可見(jiàn)，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(jié)果顯示磨損表面有大量的鋁元素存在，如圖6(b)所示；對(duì)上述顆粒狀形貌進(jìn)行EDX分析發(fā)現(xiàn)該處僅有鋁和氧兩種元素存在(見(jiàn)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(jiàn)圖6(a))，而磨損表面的小孔洞是嵌入的顆粒在摩擦過(guò)程中脫落后留下的凹坑(見(jiàn)圖6(a))。這樣，硬質(zhì)顆粒嵌入橡膠后將出現(xiàn)“砂輪效應(yīng)”，從而導(dǎo)致對(duì)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(huán)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(qū)域存在微切削坑。據(jù)此可推斷，不銹鋼被磨損的主要損傷機(jī)制為硬質(zhì)顆粒第三體層的磨粒磨損及嵌入到基體的顆粒對(duì)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(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z-顆粒-金屬和顆粒-顆粒-金屬接觸共存，因此整個(gè)磨損過(guò)程中，摩擦因數(shù)呈先下降后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。

圖6 150目顆粒環(huán)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(qū)的EDX能譜曲線(xiàn)(c)(采樣位置見(jiàn)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(huán)境下對(duì)磨副鋼球磨損表面的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM image of steel ball worn surface with 150 mesh Al2O3 particles

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

尺寸的減小(如240目和600目)，橡膠逐漸表現(xiàn)出花紋磨損的損傷特征，但相比無(wú)磨粒環(huán)境下的橡膠磨損形貌，此時(shí)鋸齒狀的突起部呈不規(guī)則排布。EDX面掃描分析并未發(fā)現(xiàn)有Al2O3顆粒嵌入到橡膠基體內(nèi)，表明較小尺寸的硬質(zhì)顆粒很難嵌入到橡膠基體內(nèi)，在摩擦過(guò)程中這些參與磨損的顆粒只能以滾動(dòng)的第三體層存在。這樣，由于缺少嵌入橡膠基體的硬質(zhì)顆粒的微切削作用，金屬材料的表面磨損相對(duì)較輕微。由圖8(b)可見(jiàn)，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(dòng)方向規(guī)則分布，這也是金屬磨粒磨損的典型特征。因此，此時(shí)不銹鋼的磨損機(jī)制主要為可充當(dāng)“第三體層”硬質(zhì)顆粒的磨粒磨損；而橡膠材料由于硬質(zhì)顆粒充當(dāng)?shù)谌w層參與磨損，磨損機(jī)制表現(xiàn)為局部的花紋磨損和磨粒磨損。

圖8 600目Al2O3顆粒環(huán)境下橡膠(a)及鋼球(b)磨損表面的SEM照片F(xiàn)ig.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(wú)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(jiàn)，與無(wú)顆粒環(huán)境對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)顆粒參與磨損時(shí)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(nèi)，對(duì)金屬有微切削效應(yīng)。對(duì)橡膠材料來(lái)說(shuō)，小尺寸的硬質(zhì)顆粒充當(dāng)了“潤(rùn)滑作用”的滾動(dòng)第三體層，減小了橡膠與金屬間的局部黏著，進(jìn)而有效減緩了橡膠的表面磨損；相反，當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)硬質(zhì)顆粒的微觀切削作用加劇了橡膠的磨損。據(jù)此，工程上應(yīng)盡量保持橡膠密封圈周?chē)h(huán)境的清潔，尤其要避免硬質(zhì)顆粒進(jìn)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(zhǎng)其密封壽命。

圖9 無(wú)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(jié)論

(1)顆粒參與磨損有效降低了兩接觸副間的摩擦因數(shù)；當(dāng)顆粒尺寸較小(如600目)時(shí)，硬質(zhì)顆粒充當(dāng)?shù)谌w層，摩擦因數(shù)相對(duì)穩(wěn)定；較大尺寸的顆粒能嵌入橡膠基體，局部區(qū)域?yàn)榻饘?顆粒-顆粒接觸，此時(shí)摩擦因數(shù)較低。

(2)無(wú)顆粒狀態(tài)下丁腈橡膠呈現(xiàn)出橡膠磨耗所特有的典型波浪形花紋磨耗；當(dāng)顆粒參與磨損時(shí)，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(jī)制主要為局部花紋磨損和磨粒磨損。較大尺寸的硬質(zhì)顆粒嵌入橡膠基體，具有微觀切削效應(yīng)，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(wú)顆粒環(huán)境下金屬幾乎未被磨損；當(dāng)顆粒尺寸較小時(shí)，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(jī)制為硬質(zhì)顆粒第三體層的磨粒磨損及嵌入到橡膠基體的顆粒對(duì)金屬表面的微切削作用。

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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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973) (2014CB046404)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51305398)；浙江省自然科學(xué)基金(LQ13E050013)；浙江省教育廳資助項(xiàng)目(Y201329543)

2014-07-21;

2015-01-15

沈明學(xué)(1982—)，男，講師，博士，微動(dòng)摩擦學(xué)及表面工程，聯(lián)系地址：浙江省杭州市潮王路18號(hào)浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院化工機(jī)械研究所(310032)，E-mail:shenmx@zjut.edu.cn