陳保磊，賈體鋒，周忠尚，焦中興

(徐州徐工鐵路裝備有限公司，江蘇徐州 221000)

與普通尼龍相比，澆鑄尼龍(MC 尼龍)具有耐磨損、強(qiáng)度及剛度高、耐化學(xué)腐蝕等多方面的優(yōu)勢(shì)，其容易加工制造，具有很好的尺寸適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。其中，MC 尼龍被作為耐磨件用于礦山鑿巖設(shè)備中，以達(dá)到降低摩擦力、減少磨損的效果。但MC 尼龍也有其使用局限性，如高濕、高粉塵等環(huán)境均易導(dǎo)致MC 尼龍摩擦副摩擦阻力增大、磨損量升高，過早失效。

李毅等[1]研究了含油MC 尼龍復(fù)合材料的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)及磨損率與潤(rùn)滑油含量呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)潤(rùn)滑油用量為5%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度較高，摩擦系數(shù)及磨損量較低；但其研究?jī)H限于干摩擦環(huán)境，與大部分真實(shí)應(yīng)用環(huán)境有較大差距。駱志高等[2]研究了油尼龍銅釘板自潤(rùn)滑復(fù)合材料在干摩擦、清水、濁水條件下的摩擦系數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料在清水條件下的摩擦系數(shù)最小，干摩擦條件次之，濁水條件下最高；但其未對(duì)復(fù)合材料在上述三種條件下的磨損性能予以研究，且未與普通MC 尼龍?jiān)谏鲜鋈N條件下的摩擦系數(shù)予以對(duì)比，因此其對(duì)工程應(yīng)用的指導(dǎo)作用受到限制。張士華等[3]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)MC 尼龍復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，復(fù)合材料的摩擦性能與玻璃纖維含量關(guān)系密切，玻璃纖維質(zhì)量占比達(dá)到30%后復(fù)合材料具有較好的耐磨性；干摩擦條件下，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量較水潤(rùn)滑時(shí)大幅度升高；但其研究?jī)H限于干摩擦及水潤(rùn)滑兩種條件下進(jìn)行，未涉及摩擦介質(zhì)中有顆粒存在的情況，且未對(duì)不同性質(zhì)的MC 尼龍復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行對(duì)比。趙立新等[4]對(duì)碳纖維增強(qiáng)MC 尼龍復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)：碳纖維的體積分?jǐn)?shù)在35%左右時(shí)增強(qiáng)效果最好，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨著載荷的增加而減小，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為粘著磨損和碳纖維的破碎和磨平的特征；但其研究?jī)H限于干摩擦條件，與大部分真實(shí)應(yīng)用環(huán)境有較大差距，且未對(duì)不同性質(zhì)的MC 尼龍復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行對(duì)比。

筆者研究了普通MC 尼龍、含油5%的MC 油尼龍、玻璃纖維質(zhì)量占比30%的增強(qiáng)MC 尼龍、碳纖維的體積分?jǐn)?shù)在35%的增強(qiáng)MC 尼龍(分別標(biāo)記為MC普、MC油、MC玻、MC碳)在不同摩擦條件下的摩擦磨損性能，并進(jìn)行對(duì)比分析，為擴(kuò)展增強(qiáng)MC尼龍復(fù)合材料的使用場(chǎng)合提供詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

己內(nèi)酰胺單體：分析純，中國石化股份公司巴陵分公司；

氫氧化鈉：分析純，徐州科寶實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

甲苯二異氰酸酯(TDI)：分析純，成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司；

軸承潤(rùn)滑油：工業(yè)級(jí)，克魯勃潤(rùn)滑劑有限公司；

聚異氰酸酯膠：JQ–6，工業(yè)級(jí)，山東省平原永恒化工有限公司；

無堿玻璃纖維(平均直徑10 μm，平均長(zhǎng)徑比10 ∶1)：分析純，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院；

硅烷偶聯(lián)劑：KH–550，分析純，東莞市鼎海塑膠化工有限公司；

碳纖維：T300，分析純，無錫威盛新材料科技有限公司。

1．2 主要設(shè)備及儀器

掃描電子顯微鏡：S–3000 型，日本 HITACHI 公司；

多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：M–2000 型，濟(jì)南恒旭試驗(yàn)機(jī)技術(shù)有限公司。

1．3 樣品制備

(1) MC普材料的制備。

將己內(nèi)酰胺單體加熱熔融，加入氫氧化鈉分散于熔體中，升溫抽真空脫水，在120～140℃溫度下保持10～15 min，停止抽真空，攪拌下加入活化劑TDI，然后迅速均勻地澆鑄到150～160℃的模具中，約經(jīng)20 min 聚合完畢，緩慢冷卻，取出澆鑄產(chǎn)品，再經(jīng)沸水熱處理1 h。

(2) MC油材料的制備。

首先，將己內(nèi)酰胺在干燥箱中干燥8～10 h 后，放入合成裝置加熱熔融，而后加入軸承潤(rùn)滑油繼續(xù)加熱并減壓蒸餾，進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋辜簝?nèi)酰胺與潤(rùn)滑油充分混合后加入催化劑氫氧化鈉，繼續(xù)加熱至(135±5)℃，最后，加入活化劑TDI 充分?jǐn)嚢韬鬂茶T到溫度60～80℃的模具中，進(jìn)行1 h 保溫后，冷卻、脫模。

(3) MC玻材料的制備。

取一定量的無堿玻璃纖維放入1%的KH550溶液中30 min，取出晾干，再放入120℃的烘箱中干燥1 h，按照30%的質(zhì)量比與己內(nèi)酰胺單體充分混合后，加熱并抽真空；加入催化劑NaOH，加熱、抽真空脫水；加入助催化劑JQ–6 膠充分?jǐn)嚢韬?，立即澆鑄到溫度100～120℃的模具中，使之保溫1 h 至完全聚合，最后，冷卻、脫模。

(4) MC碳材料的制備。

取一定量的碳纖維T300 在450℃空氣中氧化處理1 h，放入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，按140～160℃預(yù)熱90 min 后保溫；按碳纖維體積占比35%取己內(nèi)酰胺單體，加熱熔融并真空脫水，加入NaOH，在130℃下繼續(xù)真空處理，加入活化劑TDI 充分?jǐn)嚢韬?，立即澆鑄到預(yù)先準(zhǔn)備的模具中，使之保溫1 h 至完全聚合，最后，冷卻、脫模。

1．4 摩擦磨損性能測(cè)試

參照GB3960–2016，在多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)材料的摩擦磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試樣為19 mm×10 mm×10 mm 的長(zhǎng)方體，偶件為外徑30 mm、內(nèi)徑10 mm、厚度10 mm 的304 不銹鋼鋼環(huán)，其表面精磨至粗造度Ra=0.32～0.63 μm.試驗(yàn)前用丙酮清洗試樣及鋼環(huán)表面。

在干摩擦、潔凈水(水潤(rùn)滑)、固體顆粒(干砂)、非潔凈水(水砂)四種條件下進(jìn)行試驗(yàn)，載荷300 N，偶件轉(zhuǎn)速為200 r／min，時(shí)間40 min。其中固體顆粒條件：顆粒為粒度100 目的石英砂，供砂速度為30 g／min。非潔凈水條件：潔凈水與石英砂同時(shí)混入，石英砂粒度為100 目，供砂速度為30 g／min。潔凈水供水速度為30 mL／min。

每種復(fù)合材料試塊取12 件，分為4 組，每組3件，4 組分別在4 種條件下試驗(yàn)，每組3 件試塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，即共需進(jìn)行48 次試驗(yàn)，得到16 組數(shù)據(jù)，對(duì)于每次試驗(yàn)，摩擦系數(shù)從多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)中讀出，磨損率按以下公式計(jì)算，

式中，Wv為體積磨損率，mm3／N·m；△m為磨損失重，mg ；ρ為實(shí)驗(yàn)材料的密度，g／cm3；F為法向載荷，N；Lm為磨損行程，m。

2 結(jié)果與討論

2．1 不同摩擦條件下四種材料的摩擦磨損性能

圖1 為四種摩擦條件下四種材料摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。由圖1 可知，各摩擦條件下摩擦初期四種材料的摩擦系數(shù)均會(huì)在前5 min 內(nèi)急劇上升，而后逐漸到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)，這是因?yàn)椋耗Σ脸跗?，偶件表面相?duì)粗糙，摩擦試樣表面受微突體的犁削作用比較大，且轉(zhuǎn)移膜尚未在摩擦副之間有效形成，故摩擦系數(shù)偏大。隨著摩擦的深入，試樣與偶件之間穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜逐漸形成，因而摩擦系數(shù)大幅度降低后逐漸穩(wěn)定，材料進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段[4]。穩(wěn)定后四種材料摩擦系數(shù)排序?yàn)椋焊赡Σ翖l件下，fMC油＜fMC碳＜fMC玻＜fMC普；水潤(rùn)滑條件下，fMC油＜fMC碳＜fMC玻＜fMC普；干砂條件下，fMC油＜fMC普＜fMC碳＜fMC玻；水砂條件下，fMC油＜fMC普＜fMC碳＜fMC玻。

填充在fMC油材料內(nèi)部的油滴在摩擦過程中逐漸滲出至摩擦表面形成自潤(rùn)滑油膜；隨著摩擦的進(jìn)行，材料外層的潤(rùn)滑油含量下降，材料表層尼龍逐漸磨損，同時(shí)，油滴從材料內(nèi)層逐漸遷移至摩擦表面，使摩擦磨損過程始終處于有油滴潤(rùn)滑的狀態(tài)，摩擦系數(shù)有效降低[1]，從圖1 可知，fMC油材料摩擦系數(shù)在四種摩擦條件下均低于其他三種材料。

玻璃纖維及碳纖維的填充增強(qiáng)了復(fù)合材料的彈性模量及硬度，有效減少了材料參與摩擦的面積，摩擦系數(shù)隨之減小[5]，故在干摩擦及水潤(rùn)滑條件下fMC碳材料、fMC玻材料摩擦系數(shù)小于fMC普材料；而在干砂及水砂條件下，fMC碳、fMC玻材料摩擦系數(shù)大于fMC普材料，可能是因?yàn)樘祭w維及玻璃纖維的存在阻礙了石英砂顆粒嵌入基體內(nèi)部[6]，從而增大了對(duì)磨時(shí)的剪切力。fMC碳材料摩擦系數(shù)小于fMC玻材料，原因可能為：fMC碳材料硬度大于fMC玻材料；玻璃纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于碳纖維[7]，故玻璃纖維對(duì)石英砂的阻力更大。

圖1 不同摩擦條件下材料摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖2 不同材料在四種摩擦條件下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖2 為四種材料在不同摩擦條件下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。由圖2 可知，四種材料摩擦系數(shù)在不同摩擦條件下的摩擦系數(shù)排序均為：f水＜f水砂＜f干＜f干砂。水膜的潤(rùn)滑和流動(dòng)起到了降低摩擦系數(shù)的作用[8]；尼龍自身的酰胺鍵容易吸水，可以起到一定的潤(rùn)滑作用[3]，故水摩擦條件下摩擦系數(shù)小于干摩擦。石英砂的存在使材料與偶件對(duì)磨時(shí)，轉(zhuǎn)移膜的形成及穩(wěn)定受到一定破壞，且以石英砂為介質(zhì)，兩表面產(chǎn)生的擠壓、切削、嚙合阻力加大，故摩擦系數(shù)增大。水砂條件下摩擦系數(shù)小于干摩擦，可能是因?yàn)樗さ臏p摩作用大于由石英砂引起的兩界面作用力加大的效果。

圖3 為不同材料在四種摩擦條件下的磨損情況。由圖3 可知，各材料的體積磨損率排序?yàn)閃干＜W水＜W水砂＜W干砂。

圖3 不同材料在四種摩擦條件下的磨損情況

干砂條件下，石英砂對(duì)材料表面有切削作用，阻礙了轉(zhuǎn)移膜的形成；摩擦熱量逐漸積聚，使材料表面軟化，加劇了切削作用，此條件下磨損量最大。水砂條件下，石英砂對(duì)材料表面有切削作用；水的存在起到降低摩擦副表面溫度的作用，有利于降低磨損；水流將磨粒沖走，阻礙了轉(zhuǎn)移膜的形成；尼龍表層分子間的氫鍵作用因尼龍酰胺基的水解及水分子的作用而減弱，磨損量隨之增大，尼龍基體中C—C 鍵的部分?jǐn)嗔褬O易發(fā)生[9]；此條件下，材料總體磨損量略小于干砂條件。干摩擦條件下，材料表面溫度因熱量的不斷積聚而逐漸升高，達(dá)到其維卡軟化點(diǎn)并局部發(fā)生表面熔化，進(jìn)而向?qū)ε济嫘纬珊褶D(zhuǎn)移膜，有效降低了材料的進(jìn)一步磨損[9]，因而總體磨損量較小。水潤(rùn)滑條件下，材料無石英砂的切削作用；但水流將磨粒沖走，阻礙了轉(zhuǎn)移膜的形成，故磨損量小于水砂條件，但大于干摩擦條件。

2．2 磨損機(jī)理分析

圖4 為干摩擦條件下，四種材料磨損表面形貌的SEM 照片。

圖4 干摩擦條件下四種材料磨損表面形貌的SEM 照片

如圖4a 所示，MC普材料在對(duì)摩的過程中摩擦生熱，使得出現(xiàn)塑性變形和塊狀而被粘著在對(duì)磨表面，部分磨屑在對(duì)磨的過程中融化然后呈現(xiàn)出褶層，但磨損表面并沒有大塊的磨粒，磨損面凹凸不平，磨損的機(jī)理主要是粘著磨損和疲勞磨損[14]。對(duì)于MC碳及MC玻材料，材料表面有纖維凸起，纖維的表層包裹有尼龍，對(duì)磨過程中，包裹在纖維表層的尼龍磨損脫落后，纖維開始起到承載作用，阻止基體材料向?qū)ε济娴恼持D(zhuǎn)移；同時(shí)，纖維的存在有利于材料表面熱量的散發(fā)；材料整體表現(xiàn)出較好的耐磨性；MC碳與MC玻材料相比，摩擦表面破碎纖維的量較多，可能是因?yàn)樘祭w維與基體的結(jié)合強(qiáng)度弱于玻璃纖維；MC碳與MC玻材料的磨損機(jī)理是粘著磨損與磨粒磨損[15]。MC油材料表面有少量尼龍磨屑，在摩擦表面形成了穩(wěn)定連續(xù)的潤(rùn)滑油膜，潤(rùn)滑油及時(shí)將摩擦熱傳導(dǎo)出摩擦接觸區(qū)域，阻止了尼龍粘著磨損的產(chǎn)生，減弱了其疲勞磨損程度，摩擦表面平滑[16]。

圖5 為干砂條件下，四種材料磨損表面形貌的SEM 照片。

圖5 干砂條件下四種材料磨損表面形貌的SEM 照片

如圖5a 所示，MC普材料在對(duì)摩的過程中石英砂對(duì)材料具有犁削作用，由于摩擦生熱，材料具有一定程度的軟化[17]，石英砂的犁削作用更為明顯。如圖5b、圖5c 所示，對(duì)于MC碳及MC玻材料，表面有纖維凸起，纖維起到承載作用，對(duì)石英砂的犁削具有明顯的阻礙效果；同時(shí)，纖維的存在有利于材料表面熱量的散發(fā)，使材料的硬度不會(huì)因摩擦的持續(xù)而顯著降低，有利于保持基體與纖維的結(jié)合力；MC碳與MC玻材料相比，表面犁削較為嚴(yán)重，可能是因?yàn)樘祭w維與基體的結(jié)合強(qiáng)度弱于玻璃纖維，石英砂犁削過程中，容易被拉出基體。如圖5d 所示，MC油材料摩擦表面只有少量犁削，可能原因有：摩擦過程中，潤(rùn)滑油逐漸露出表面，石英砂進(jìn)入原屬于潤(rùn)滑油的凹坑，降低了對(duì)復(fù)合材料的犁削作用；露出的潤(rùn)滑油附著在石英砂表面，使石英砂滾動(dòng)過程中以最省力的狀態(tài)與復(fù)合材料接觸，降低了對(duì)復(fù)合材料的犁削作用。

圖6 為水潤(rùn)滑條件下，四種材料磨損表面形貌的SEM 照片。由圖6 可知，各材料整個(gè)磨損表面較為平整，未發(fā)生類似于干摩擦條件下的明顯塑性變形及粘著轉(zhuǎn)移。機(jī)械微切削及水的沖洗作用，使磨屑被帶走，在磨損表面產(chǎn)生細(xì)小的犁溝，水潤(rùn)滑時(shí)的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主；磨損表面較平整可能也與局部水膜形成有關(guān)。如圖6a 所示，由于水的沖刷作用，影響了轉(zhuǎn)移膜的形成，造成摩擦表面具有片狀的淺凹陷。如圖6b、圖6c 所示，纖維在復(fù)合材料基體內(nèi)沿不同方向分布，起到的作用有：纖維先于基體承載，有效減少了基體材料接觸后磨損；纖維猶如河流河床中草類植被一樣，對(duì)基體材料具有一定的固結(jié)作用[16]，降低水流對(duì)基體的沖刷作用，即使局部基體材料與對(duì)偶面接觸，造成的磨損也顯著低于MC普材料；水的存在一定程度上降低了纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。MC油材料表面潤(rùn)滑油與水共同作用，其表面磨損很少，較為平整。

圖6 水潤(rùn)滑條件下四種材料磨損表面形貌的SEM 照片

圖7 為水砂條件下，四種材料磨損表面形貌的SEM 照片，由于水的存在，此條件下的磨損顯著低于干砂條件，可能也與局部水膜形成有關(guān)。

圖7 水砂條件下四種材料磨損表面形貌的SEM 照片

如圖7a 所示，MC普材料在對(duì)摩的過程中石英砂對(duì)材料具有犁削作用，但由于水的沖刷帶走了熱量，材料表面硬度無顯著下降，石英砂犁削深度比干砂條件下淺得多。對(duì)于MC碳材料及MC玻材料，材料表面有纖維凸起，纖維起到承載作用，對(duì)石英砂的犁削具有明顯的阻礙效果，如圖7b、圖7c 所示；同時(shí)，纖維的存在及水流的沖刷有利于材料表面熱量的散發(fā)，使材料的硬度不會(huì)因摩擦的持續(xù)而顯著降低，有利于保持基體與纖維的結(jié)合力；同時(shí)，水分子借助毛細(xì)效應(yīng)通過纖維迅速擴(kuò)散到復(fù)合材料內(nèi)部，進(jìn)而造成吸水區(qū)域塑化以及纖維界面破壞，加上石英砂的犁削作用，纖維被從基體中拉出的可能性遠(yuǎn)大于水潤(rùn)滑情況，引起材料力學(xué)性能衰減以及耐磨性的下降[18]；MC碳材料與MC玻材料相比，表面犁削較為嚴(yán)重，可能是因?yàn)樘祭w維與基體的結(jié)合強(qiáng)度弱于玻璃纖維，石英砂犁削過程中，更容易被拉出基體。如圖7d 所示，MC油材料摩擦表面只有少量犁削，可能原因有：摩擦過程中，潤(rùn)滑油逐漸露出表面，石英砂進(jìn)入原屬于潤(rùn)滑油的凹坑，降低了對(duì)復(fù)合材料的犁削作用；露出的潤(rùn)滑油附著在石英砂表面，使石英砂滾動(dòng)過程中以最省力的狀態(tài)與復(fù)合材料接觸，降低了對(duì)復(fù)合材料的犁削作用。

3 結(jié)論

(1)四種材料在不同摩擦條件下的摩擦系數(shù)排序?yàn)椋焊赡Σ翖l件下，fMC普＞fMC玻＞fMC碳＞fMC油；水潤(rùn)滑條件下，fMC普＞fMC玻＞fMC碳＞fMC油；干砂條件下，fMC玻＞fMC碳＞fMC普＞fMC油；水砂條件下，fMC玻＞fMC碳＞fMC普＞fMC油。

(2)四種材料摩擦系數(shù)在不同摩擦條件下的摩擦系數(shù)排序均為：f干砂＞f干＞f水砂＞f水。

(3)不同材料在四種摩擦條件下的體積磨損率排序均為W干砂＞W(wǎng)水砂＞W(wǎng)水＞W(wǎng)干。

(4)不同摩擦條件下四種材料的體積磨損率排序均為WMC普＞W(wǎng)MC碳＞W(wǎng)MC玻＞W(wǎng)MC油。