铁路货车心盘磨耗盘浇铸工艺缺陷对外形尺寸和机械性能的分析

杨雷 师会青

摘 要：由于浇铸尼龙本身固有的特性，当环境等条件变化时，都会引起产品外形尺寸、性能上的微小变化。采用合理的浇铸工艺及其配方配置对分析和研究浇铸尼龙成型工艺中的缺陷有重要意义。

关键词：浇铸尼龙；心盘磨耗盘；缺陷；分析

众所周知，铁路货车用心盘磨耗盘大体分为两种成型方式：一种是浇铸尼龙（MC尼龙），一种是注塑尼龙。注塑尼龙因其特性比浇铸尼龙在工艺上稍稳定。两种工艺因聚合方法、成型方法不同，所得的制品性能相差很大。

浇铸尼龙工艺是指在常压下将液态单体或预聚物浇铸到大口模腔，经聚合固化定形为制品的成型方法。

因浇铸尼龙是热塑性、结晶型、吸湿性的高分子材料，对其形状和性能影响最大的因素就是温度和水分。用浇铸工艺制得的心盘磨耗盘，主要缺陷有翘曲、变形、“渗汗”、发白、分层、未聚合、裂损等。夏季受环境温度的影响，多出现心盘底部翘曲（凹心、凸心）、变形（整体椭圆或扭曲）；破损多出在冬季，出现的心盘盘沿裂纹，破裂、掉块等破坏方式，分析由于工况恶劣、货车超载受力所致。尤其在冬季低温（最冷至-45℃）期长，运行时，在承受相同冲击力时，由于材料低温冲击强度仅为常温值的30%，心盘破裂甚至掉块成为不可避免。

因此，本文针对浇铸生产过程中心盘磨耗盘产生的缺陷或现象进行分析，总结了模具、配方、浇铸成型工艺等因素对心盘磨耗盘外形尺寸和机械性能的影响，并提出并汇总了相应的建议措施。

一、配方配置和工艺方面因素的分析

解決浇铸工艺上的缺陷主要通过配方调整、工艺管控来实现。通过对催化剂和助催化剂用量的调整：NaOH是生产尼龙产品的催化剂，其用量多少会直接影响到产品的性能。在MC尼龙生产中，有严格的催化剂用量上下限范围。目前，心盘磨耗盘生产中，NaOH的使用方法有两种，一为固体，另一为配成50%NaOH水溶液。经试验，当NaOH用量偏高时，会使聚合时间加快，有形成大球晶、块晶的可能，极易造成材料出现高强度、高刚性和低韧性。另外，在产品中也容易出现气泡。当NaOH用量偏低时，聚合速度减慢，表面出现低聚物可能性增加，而且废边增厚，导致毛坯重量减轻，最终也会引起产品综合性能降低。

综所上述，在心盘磨耗盘制造过程中，催化剂用量过多或过少，都应避免。必须采用合理的NaOH用量。

本次试验，选定的是K2心盘磨耗盘，模温条件为选定，空气条件为冬季。当产品、模温、空气条件等变化时，都会引起NaOH用量的微小变化。最简单的方法，就是采用聚合时间的测定，且应在工艺要求的范围内。

影响产品型式尺寸、机械性能的主要因素是助催化剂用量和结构。使用双官能团或三官能团引发剂结构的助催化剂，会得到化学结构不同的聚合产物，它们的物理性能有很大差别。以三官能团的三苯甲烷三异氰酸酯（JQ-1胶）和有双官能团的甲苯二异氰酸酯（TDI）为助催化剂，聚合后的产物前者具有三向结构显示出较好的冲击韧性和低温韧性，而后者则性较脆。助催化剂的用量直接影响聚合体的分子量。助催化剂用量增加，分子量下降；用量减少，分子量上升。分子量的变化又直接影响逐渐的机械强度。以JQ-1胶为例，随着JQ-1胶用量的增加拉伸强度下降，拉伸延伸率增加，对聚合反应速度无明显影响。

在夏季，因为环境原因，经检测，随机抽取某一批心盘磨耗盘的排水率均值2.1%，经检测排水率为2.1%已超出尼龙产品的饱和水分（2.0%）状态，分析，含水过量是引起心盘外圆尺寸变大的主要原因。心盘产品的外圆尺寸变大、发白、“渗汗”与储存中的温度、湿度过高也有很大关系。

由于心盘磨耗盘直径较大，因此通过机械加工角度考虑，应在加工时本着“先粗后精”原则，首先应安装在专用工装上，用适当的力加紧心盘，先粗车内侧，再加工外侧，然后在精加工内侧，这样能有效防止变形。加工完后可以再用专用定型工具定型，效果会更好，合格率能达到90%以上。

尤其是夏季生产阶段，产品的加工、检测、存放等环节对于尺寸变化都会产生很大影响。因此建议：浇铸尼龙产品，特别是心盘产品，应减少库存量，最好随加工随发货。为了确保产品尺寸，尤其是心盘外圆，可按中下或下偏差进行加工。产品加工、检测、存放温度要保持一致，尽可能地靠近标准中的要求。经试验，断裂伸长率、常、低温缺口冲击强度等三项显示材料韧性检项，在使用2-6年后，有成倍提高。含水率在1.3～1.4%之间，可以说在同一个数据范围，说明心盘磨耗盘产品在使用2年以后，吸水基本处于饱和状态。

从以上检测的数据分析说明心盘产品在使用2年前的阶段为危险阶段。2年后在使用过程中经过吸水，强度保持在技术指标60～80%，断裂伸长率、常、低温缺口冲击强度等有成倍的增长，产品性能已趋于韧性，破坏率会相应的降低。

因物理机械性能主要由MC尼龙的晶体形态决定，当球晶微细且均匀，或球晶大小不一，但分散在无定形相中时，水处理有效；当球晶很大或分散密度较大，甚至有堆砌现象，水处理无效；当晶体形态出现层岩结构时，晶片堆砌程度深，水处理无效。因此毛坯成型后的水处理也同样会引起外形和机械性能的变化。所以合理控制水处理工艺方法或时间也能避免一些缺陷产生。

二、主要缺陷产生的原因及应对措施分析

在生产过程中产生的主要缺陷形式：

①低聚物：加工后截面有表面颜色发白、质地软的物质。

②花纹：水煮完后产品表面有波浪纹，机加工后的产品底面分布着云彩般的花纹。

③发白：毛坯表面有白印，机加工完后同样也有发白、“渗汗”现象。

④翘曲、变形：毛坯冷却后变形，导致加工后也产生变形。

⑤气孔：截面有缩孔或表面有突起（内空或有低聚物），加工后的产品里面有气孔。

⑥未聚合：吸收水分产生低聚物。

⑦表面不光滑：脱模剂用量大造成表面不光滑。

⑧抽坑：表面不平整。

⑨黑斑：加工后的产品里面分布着许多米粒般大小的黑点。

⑩温度高：产品两头翘起，颜色较深。

左图是心盘磨耗盘缺陷所占比例的分布图，图中显示低聚物占比例是最多的，其它相对较少但也应是控制的重点，解决以上缺陷问题是提高合格率的工作重点。

因造成浇铸心盘磨耗盘缺陷的原因众多，有自然原因、工艺模具原因和人为因素，汇总分析如下：

综上所述，因浇铸尼龙是碱催化聚合反应，必须在无水条件下进行。所以，脱水是否干净决定着聚合反应能否顺利进行，如果水处理不干净反应就会向相反方向进行，就会出现不聚合现象。在实际生产中不聚合现象产生的主要原因是真空度不够或假真空，前者表现为聚合速度缓慢，聚合不完全或者局部不聚合；后者表现为完全不聚合。所以生产中一定要保证有足够的真空度。要根据实际操作情况和设备模具条件做具体摸索调整。

模具的温度，因为聚合开始时需要吸热，一般都较高于注入的物料的温度。模具温度过高，则反应越激烈，对于浇铸来说，铸件会产生凹陷、气孔、表面不光滑等现象；模具温度过低，聚合不完全，铸件表面有白斑、分层甚至出现白色粉末状的低聚物和游离单体。

现今对浇铸尼龙心盘磨耗盘工艺缺陷在生产过程的全面的科学理解和定量描述，目前的研究还有一定距离，因此研究浇铸工艺心盘磨耗盘的缺陷对外形尺寸和机械性能的分析，经过实践证明这些方法是合理有效的，具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]孙向东.MC尼龙的合成、改性研究.东北大学，2006.

[2]铸型尼龙化学、工艺、性能、应用.中国科学院化学研究所《铸型尼龙》编写小组，1973.7.

[3]孙向东，等.MC尼龙制备工艺中存在的问题及解决方案.工程塑料应用，2003（12）.

作者简介：杨雷（1986-），男，汉族，河北辛集人，机电工程师，研究方向：机械加工设计及其制造、高分子材料成型工艺及加工；师会青（1987-），女，汉族，河北辛集人，化工助理工程师，研究方向：高分子材料化学分析及物理性能检测。