不同条件下不同尼龙的摩擦磨损性能

陈保磊，贾体锋，周忠尚，张小强

(徐工集团徐工铁路装备有限公司，徐州 221000)

0 引 言

单体浇铸尼龙(MC尼龙)因具有强度、刚度高，耐磨损、耐化学腐蚀性能好，以及成型工艺简单、尺寸限制小等优点而广泛应用于机械、食品、化工等领域。然而，在高湿、高粉尘或干燥、高粉尘等环境中工作时，MC尼龙表面的摩擦阻力较大，导致其磨损速度加快、使用寿命缩短。

李毅等[1]研究了添加润滑油的MC油尼龙的摩擦磨损性能，发现在一定范围内，随着润滑油含量增加，MC油尼龙的摩擦因数及磨损率逐渐降低，且当润滑油质量分数为5%时具有较高的强度和较低的磨损率；骆志高等[2]研究了MC油尼龙在干摩擦、清水、浊水条件下的摩擦因数，发现清水条件下的摩擦因数最小，干摩擦条件下的次之，浊水条件下的最大；赵立新等[3]研究了碳纤维增强复合MC尼龙的摩擦磨损性能，发现碳纤维体积分数在35%左右时，复合MC尼龙的摩擦因数最小，磨损率最低，磨损机制主要为黏着磨损。目前已有研究大部分集中在复合MC尼龙在单一摩擦条件下的摩擦磨损性能方面，关于复合MC尼龙在多种摩擦条件下的摩擦磨损性能研究较少。

为此，作者分别制备了MC尼龙、含5%(质量分数)油的MC油尼龙及35%(体积分数)碳纤维增强的复合MC尼龙，对比研究了3种材料分别在干摩擦、洁净水、干砂、水砂摩擦条件下的摩擦磨损性能。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料为中国石化股份公司巴陵分公司生产的己内酰胺单体、徐州科宝实验仪器有限公司生产的氢氧化钠、成都艾科达化学试剂有限公司生产的甲苯二异氰酸酯(TDI)、无锡威盛新材料科技有限公司生产的碳纤维T300，纯度均为分析纯，以及克鲁勃润滑剂有限公司生产的轴承润滑油，纯度为工业级。

MC尼龙制备：先将己内酰胺单体在干燥箱中干燥8～10 h，然后加入反应釜中，加热熔融后加入氢氧化钠分散于熔体中(已内酰胺与氢氧化钠的质量比为700…1)，抽真空至0.1 MPa，在120～140 ℃下保温10～15 min，脱水后停止抽真空，边搅拌边加入活化剂TDI，然后迅速浇注到150～160 ℃的模具中，保温约20 min后缓慢冷却，取出后用沸水热处理1 h。

MC油尼龙制备：先将己内酰胺单体在干燥箱中干燥8～10 h，然后加入反应釜中，加热熔融后加入轴承润滑油(已内酰胺与轴承润滑油的质量比为19…1)，继续加热并进行减压蒸馏以去除水分，待己内酰胺和润滑油充分混合，加入催化剂氢氧化钠，加热至(135±5) ℃，最后加入活化剂TDI，搅拌均匀后立即浇注到60～80 ℃的模具中，保温1 h使其完全聚合，再冷却、脱模。

复合MC尼龙制备：取一定量的碳纤维T300在450 ℃下氧化1 h后放入预先准备好的模具中，在140～160 ℃下预热90 min后保温。在己内酰胺单体中加入体积分数为35%的碳纤维，进行加热熔融并真空脱水，同时加入氢氧化钠，在130 ℃下继续真空脱水，加入活化剂TDI充分搅拌后，立即浇注到预先准备的模具(100～120 ℃)中，保温1 h使其完全聚合，再冷却、脱模。

1.2 试验方法

在M-2000型多功能摩擦磨损试验机上测试摩擦磨损性能。试样尺寸为19 mm×10 mm×10 mm，偶件为外径30 mm、内径10 mm、厚度10 mm的304不锈钢环，试验前将不锈钢环表面精磨至粗糙度Ra=0.32～0.63 μm，并用丙酮清洗试样和钢环表面。在干摩擦、洁净水、干砂、水砂4种条件下进行摩擦试验，载荷为300 N，偶件转速为200 r·min-1，磨损时间为40 min。干砂条件为石英砂粒径0.15 mm，供砂速度30 g·min-1；水砂条件为洁净水与石英砂同时混入，石英砂粒径0.15 mm，供砂速度30 g·min-1，洁净水供水流量为30 mL·min-1。每组试验测3次取平均值。摩擦因数从多功能摩擦磨损试验机直接读取，体积磨损率计算公式为

(1)

式中：WV为体积磨损率，mm3·N-1·m-1；Δm为磨损前后的质量差，mg；ρ为密度，g·cm-3；F为法向载荷，N；L为磨损行程，m。

采用HITACHI S-3000型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 摩擦磨损性能

由图1可以看出，不同摩擦条件下，3种尼龙的摩擦因数基本在摩擦初期的前5 min内急剧上升，然后逐渐趋于平稳。摩擦初期，偶件表面比较粗糙，微凸体对试样表面的犁削作用较大，且摩擦副之间尚未形成转移膜，故摩擦因数随摩擦时间的延长迅速增大；随着摩擦的进行，试样与偶件之间形成了稳定的转移膜，摩擦因数基本保持稳定，进入稳定磨损阶段[3]。干摩擦和水润滑条件下，稳定磨损阶段3种尼龙的摩擦因数从小到大顺序为MC油尼龙、复合MC尼龙、MC尼龙；干砂和水砂条件下，稳定磨损阶段3种尼龙的摩擦因数从小到大顺序为MC油尼龙、MC尼龙、复合MC尼龙。

MC油尼龙在摩擦过程中，随着摩擦时间延长，外加润滑油逐渐减少，尼龙表层逐渐磨损，填充在尼龙内部的油滴逐渐渗出至摩擦表面形成油膜，起到自润滑作用，使得在摩擦磨损过程中始终有油滴进行润滑，从而降低了摩擦因数[1]，因此MC油尼龙的摩擦因数在4种摩擦条件下均最低。

碳纤维增大了复合MC尼龙的弹性模量和硬度，使其参与摩擦的有效面积减小，摩擦因数减小[4]，故在干摩擦和水润滑条件下，复合MC尼龙的摩擦因数小于MC尼龙的。而在干砂和水砂条件下，复合MC尼龙的摩擦因数大于MC尼龙的，推测是碳纤维增大了对磨时石英砂颗粒对复合MC尼龙的犁削阻力导致[5]。

图1 不同条件下，不同尼龙摩擦因数随摩擦时间的变化曲线Fig.1 Curves of friction factor vs friction time of different nylon under different conditions: (a) dry fricition; (b) water lubrication; (c) dry sand and (d) water sand

图2 干摩擦条件下，不同尼龙摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.2 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under dry friction conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

由表1可以看出，4种摩擦条件下，3种尼龙的体积磨损率从小到大顺序均为MC油尼龙、复合MC尼龙、MC尼龙。碳纤维在增大复合MC尼龙弹性模量和硬度的同时，还起到隔离对偶面并承受部分载荷的作用[6]，减小了磨损表面变形和黏着倾向，有利于提高耐磨性[7]。MC油尼龙在摩擦过程中，基体中渗出的油滴有利于形成稳定的转移膜和润滑油膜[8]，从而减小了磨损。MC尼龙在摩擦过程中，偶件表面的微凸体对尼龙表面的犁削作用较大，使其在达到稳定状态前容易发生较大的磨损[9]，故MC尼龙在4种摩擦条件下的体积磨损率均最大。

表1 不同条件下，不同尼龙磨损40 min后的体积磨损率Table 1 Volumetric wear rate of different nylon after wear for 40 min under different conditions mm3·N-1·m-1

2.2 磨损形貌

由图2可以看出：干摩擦40 min后，MC尼龙表面出现褶层，这是由于在对磨过程中，偶件与MC尼龙摩擦生热，使MC尼龙发生塑性变形和块状剥落而黏着在对磨表面，并且部分磨屑在对磨过程中受热融化，从而形成褶层；磨损表面凹凸不平，没有出现大块状磨粒，磨损机理主要为黏着磨损和疲劳磨损[10]。复合MC尼龙对磨过程中，包裹在纤维表层的尼龙磨损脱落后，纤维开始起到承载作用，阻止基体向对偶面的黏着和转移；同时，纤维的存在有利于尼龙表面热量的散发，因此，复合MC尼龙表面较MC尼龙的平整，磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损[11]。MC油尼龙摩擦表面只存在少量磨屑，这是由于摩擦表面形成了稳定连续的润滑油膜，润滑油及时将摩擦热传导出摩擦接触区域，阻止了尼龙的黏着磨损，减小了疲劳磨损程度，摩擦表面较平滑[12]。

由图3可以看出：水润滑条件下摩擦40 min后，3种尼龙的磨损表面整体均较干摩擦条件下的平整，磨损程度较小，这可能与局部水膜的形成有关；在机械微切削和水的冲洗作用下，摩擦表面的磨屑被带走，表面均出现细小的犁沟，磨损机理以磨粒磨损为主，其中MC尼龙表面出现片状的浅凹坑，这是由于水的冲刷作用影响了转移膜的形成，使已形成的微凹陷得不到填补；复合MC尼龙表面的磨损程度显著低于MC尼龙的，这是由于在复合MC尼龙基体内沿不同方向分布的纤维起到承载作用，有效减少了基体的接触磨损，同时纤维对基体具有一定的固结作用[12]，能降低水流对基体的冲刷作用，使得复合MC尼龙仅局部与对偶面接触，磨损较少；MC油尼龙表面最平整，这是由于润滑油与水的共同作用使表面磨损减少。

图3 水润滑条件下，不同尼龙摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.3 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under water lubrication conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

由图4可以看出，干砂摩擦40 min后，MC尼龙表面出现较多的犁沟，这是由于在对摩过程中，石英砂对尼龙具有犁削作用，由于摩擦生热，尼龙发生一定程度的软化[13]，导致石英砂的犁削作用进一步增强；复合MC尼龙表面没有发现明显犁沟，这是由于复合MC尼龙表面存在纤维凸起，纤维会对石英砂的犁削产生明显的阻碍作用，同时纤维的存在有利于尼龙表面热量的散发，使尼龙的硬度不会因摩擦的持续而显著降低，有利于保持尼龙基体与纤维的结合力；MC油尼龙表面仅出现少量犁沟，推测是摩擦过程中，润滑油逐渐渗出，附着在石英砂表面，使石英砂在滚动过程中以最省力的状态与尼龙接触，进入原属于润滑油的凹坑，降低了其对尼龙的犁削作用导致。

图4 干砂条件下，不同尼龙摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.4 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under dry sand conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

由图5可以看出，水砂条件下摩擦40 min后，尼龙表面的磨损程度显著低于干砂条件下的，推测出现这种现象的原因与水的存在使摩擦表面局部形成了水膜有关；MC尼龙表面仍存在犁沟，但较干砂条件下的浅得多，这是由于水的冲刷带走了热量，尼龙软化程度显著下降，增强了抵抗石英砂犁削的能力；复合MC尼龙表面的纤维被拉出，这是由于水分子具有毛细效应，会通过纤维迅速扩散到尼龙内部，造成吸水区域塑化和纤维界面破坏，在石英砂的犁削作用下，纤维从基体中拉出，这会导致尼龙的耐磨性能下降[14]；MC油尼龙表面仅存在少量犁沟，推测是渗至表面的润滑油降低了石英砂的犁削作用导致。

图5 水砂条件下，不同尼龙摩擦40 min后的表面SEM形貌Fig.5 Surface SEM morphology of different nylon after friction for 40 min under water sand conditions: (a) MC nylon; (b) compound MC nylon and (c) MC oil nylon

3 结 论

(1) 干摩擦和水润滑条件下，3种尼龙的摩擦因数从小到大顺序为MC油尼龙、复合MC尼龙、MC尼龙，干砂和水砂条件下，摩擦因数从小到大顺序为MC油尼龙、MC尼龙、复合MC尼龙；4种摩擦条件下，3种尼龙的磨损率从小到大顺序均为MC油尼龙、复合MC尼龙、MC尼龙。

(2) 干摩擦和水润滑条件下，复合MC尼龙表面的纤维凸起使其磨损率和摩擦因数较MC尼龙的小，MC油尼龙表面润滑油膜的存在使其磨损率和摩擦因数最小，水润滑条件下的尼龙磨损程度均较干摩擦条件下的小；干砂和水砂条件下，石英砂的犁削作用使MC尼龙表面出现较多犁沟，MC油尼龙表面由于润滑油膜的作用仅出现少量犁沟；水砂条件下的尼龙磨损程度均显著低于干砂条件下的。