宋淑媛 王世杰 李云龍 聶 瑞

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

丁腈橡膠(NBR)作為密封和耐磨材料被廣泛應用于石油、海洋、汽車、礦山等工程設備中，具有高彈性、黏彈性、耐溶劑性和耐磨性等突出特性[1-3]。橡膠耐磨材料在戶外實際應用中不可避免地會遇到雨天或潮汐等情況，丁腈橡膠材料與液體介質長時間接觸后會發(fā)生溶脹，即便脫離液體環(huán)境其影響依舊存在。同時，潤滑不足及過盈配合等條件下溶脹后的丁腈橡膠在干摩擦環(huán)境下應用的情況也不容忽視[4-5]。因此，對溶脹影響下的丁腈橡膠干摩擦滑動磨損行為的研究是十分必要的。

丁腈橡膠材料的磨損機制長期以來一直是研究人員關注的重點。一些學者對油介質環(huán)境下丁腈橡膠的磨損行為[6-7]，以及含水環(huán)境下的磨損行為[8-10]進行了研究，但針對干摩擦下丁腈橡膠滑動磨損的研究相對較少。柳瓊俊和張嗣偉[11]研究了干摩擦條件下丁腈橡膠-金屬摩擦副的磨損機制。研究表明，丁腈橡膠受剪切力作用發(fā)生分子鏈斷裂并形成大分子自由基，其與被活化的金屬表面發(fā)生化學反應生成金屬-聚合物的不斷破壞與生成的循環(huán)是導致金屬磨損的主要原因。DONG等[12]通過實驗研究了NBR的機械和摩擦學性能。結果表明，隨著拉伸強度和撕裂(剪切)強度的降低以及磨損質量損失的增加，NBR的機械和摩擦學性能受到干燥條件下溫度老化的影響。

以上研究主要側重于水潤滑或干摩擦的環(huán)境因素，而尚未對水介質溶脹影響下的丁腈橡膠干摩擦滑動磨損行為進行系統(tǒng)分析。本文作者模擬丁腈橡膠水溶脹影響后的干摩擦工作環(huán)境，分別對低、中、高3種丙烯腈含量的丁腈橡膠進行了單向滑動磨損試驗，對不同溶脹時間對丁腈橡膠的干摩擦影響進行了分析和探討并揭示其作用機制。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及制備

根據(jù)丁腈橡膠的選用標準，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)制備了低、中、高3種不同丙烯腈含量的丁腈橡膠樣品，丙烯腈的質量分數(shù)分別設為18%、26%和41%(簡稱為N18、N26和N41)，其配方主要成分如表1所示。主要成分的加料順序為：母膠→硫化劑→活化劑→防老劑→炭黑→促進劑。硫化溫度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10 MPa。測試3種橡膠硬度分別為Shore A 71、73、74。

表1 NBR橡膠配方組成

1.2 樣品預處理

通過電子分析天平(精度0.1 mg)稱量3種丁腈橡膠樣品的原始質量，然后對對照組樣品進行不同浸泡時間下的溶脹預處理。浸泡時間分別設置為0、24、48、72、120、168、240 h。溶脹試驗在環(huán)境溫度和壓力下進行，樣品通過懸掛浸入式測試裝置浸于去離子水(工業(yè)級)中，樣品取出后用濾紙吸干表面。

1.3 干摩擦磨損試驗

通過MPV-600型環(huán)-塊微控磨損試驗機(中國濟南普業(yè)機電技術有限公司生產)模擬丁腈橡膠的滑動磨損行為，在常溫常壓下對干摩擦條件下溶脹前后的丁腈橡膠樣品進行單向滑動磨損試驗。摩擦盤的重要參數(shù)示于表2。試驗工作參數(shù)為：載荷200 N，轉速150 r/min(約1.4 m/s)，測試時間6 min。圖1所示為磨損試驗摩擦副組成和結構。

表2 摩擦盤的重要性能參數(shù)

圖1 磨損試驗摩擦副組成和結構

平均摩擦因數(shù)可直接在磨損試驗機上獲得，通過電子分析天平(精度0.1 mg)稱量磨損試驗后丁腈橡膠樣品的質量。磨損試驗后樣品的磨損質量變化率(Qw)可通過公式(1)計算。

Qw=(mw-m0)/m0×100%

(1)

式中：m0是樣品原始質量；mw是磨損試驗后的樣品質量。

所有數(shù)據(jù)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)觀察磨損試驗后的樣品表面形貌(試樣先做噴金處理)，測試樣品的尺寸為5 mm×5 mm。

2 結果與分析

2.1 不同溶脹時間影響下的摩擦因數(shù)曲線

圖2所示為3種不同丙烯腈質量分數(shù)的丁腈橡膠在不同溶脹時間影響下的平均摩擦因數(shù)變化曲線。可以看出，N18樣品的平均摩擦因數(shù)隨溶脹時間的增加而減小，且在前72 h下降顯著；隨著丙烯腈含量的增加，N26和N41樣品的平均摩擦因數(shù)隨溶脹時間的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的情況，其拐點分別為72和48 h。

圖2 NBR樣品摩擦因數(shù)隨溶脹時間的變化曲線

2.2 溶脹影響下的磨損量變化

為了進一步研究溶脹時間對3種不同丙烯腈含量丁腈橡膠磨損量的影響，圖3所示為NBR樣品磨損量隨溶脹時間的變化曲線。從圖3可以看出，NBR橡膠樣品的磨損量隨溶脹時間的增加而增加，且隨丙烯腈含量的增加而減少。N18受溶脹影響最大，其240 h溶脹后的磨損量變化分別為N26和N41的5和7.5倍。

圖3 NBR樣品磨損質量變化率隨溶脹時間的變化曲線

2.3 溶脹前后的磨損表面形貌及形成過程

為了更好地研究丁腈橡膠溶脹前后的干摩擦磨損行為，選取受溶脹影響最大的N18樣品，分別對未溶脹及溶脹240 h后的橡膠樣品及其對磨副的磨損表面進行了分析。圖4(a1)所示為未溶脹N18磨損表面形貌，可見，在干摩擦條件下，N18磨損表面犁溝和撕裂痕跡清晰可見。溶脹240 h后的橡膠磨損表面形貌如圖4(b1)所示，磨損表面呈現(xiàn)出明顯的黏著磨損行為，磨損表面明顯可見大量溶脹形成的孔洞。如圖4(a2)(b2)所示，在干摩擦條件下，在摩擦輪表面可見到轉移的橡膠組織，且與溶脹后橡膠樣品對磨時摩擦輪表面橡膠組織黏著面積增加。

圖4 溶脹前后N18樣品的磨損表面及對應的摩擦盤表面形貌

2.4 溶脹時間對丁腈橡膠干摩擦下滑動磨損行為的影響

由以上結果可知，溶脹導致丁腈橡膠磨損加劇。為了進一步探究溶脹時間對干摩擦條件下丁腈橡膠滑動磨損表面形貌的影響，圖5示出了3種丁腈橡膠樣品在溶脹時間分別為0、24、72、240 h時磨損特征形貌的變化?？梢姡?種丙烯腈質量分數(shù)的丁腈橡膠受溶脹時間的影響表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

由圖5(a1)可以看到，未溶脹N18樣品磨損形式主要為剪切作用下的橡膠撕裂。溶脹24 h后丁腈橡膠樣品拉伸強度降低，如圖5(b1)所示，表現(xiàn)為撕裂磨痕長度、寬度以及裂紋擴展深度減小。隨著溶脹時間的增加，圖5(c1)中溶脹72 h后的丁腈橡膠表面出現(xiàn)大量孔洞，交聯(lián)組織的破壞導致硬度下降，受摩擦熱的高溫軟化作用加劇，因此表現(xiàn)為黏著磨損；溶脹240 h后溶脹層增厚，相應的黏著層增厚，黏著痕寬度增加，如圖5(d1)所示。

隨著丙烯腈質量分數(shù)的增加，如圖5(a2)所示，未溶脹N26樣品表面剪切撕裂層變淺呈長片狀；溶脹24 h后橡膠表面軟化抗剪切性下降，如圖5(b2)所示，磨損表面磨痕長度、寬度以及深度減小，與N18樣品相比磨痕斷面平整；溶脹時間增加到72 h后，如圖5(c2)所示N26樣品表面出現(xiàn)少量孔洞并出現(xiàn)軟化黏著現(xiàn)象；溶脹240 h后樣品表面黏著加劇，如圖5(d2)所示，黏著層增厚且黏著痕寬度增加。

隨著丙烯腈質量分數(shù)的進一步增加，N41樣品由于硬度增強導致切削作用發(fā)生在表層，更高的拉伸強度使橡膠材料抗滑移能力增強，2個因素綜合影響下未溶脹N41樣品磨損表面形成硬質突起，如圖5(a3)所示。溶脹24 h后樣品機械性能下降，如圖5(b3)所示，硬質突起面積和厚度減小。溶脹72 h后樣品磨損表面出現(xiàn)軟化黏著現(xiàn)象，同時由于溶脹導致橡膠材料更易于切削，如圖5(c3)所示，在磨損表面可見片狀撕裂。溶脹240 h后樣品軟化黏著加劇，黏著面積和厚度增加(如圖5(d3)所示)。

圖5 N18、N26和N41樣品基于溶脹時間的磨損特征形貌變化

由此可知，溶脹作用下丁腈橡膠機械性能下降，摩擦力作用下溶脹后樣品更易于材料的去除，因此摩擦因數(shù)下降，磨損量增加。但由于摩擦熱作用下溶脹后的丁腈橡膠表面更易降解軟化，黏著磨損的加劇導致摩擦因數(shù)增大，磨損量增加。因此，溶脹后丁腈橡膠的摩擦因數(shù)是兩者交互影響下的綜合體現(xiàn)，磨損量則表現(xiàn)為隨溶脹時間的增加而增加。

隨著丙烯腈質量分數(shù)的增加，橡膠樣品交聯(lián)密度和硬度的增加導致受溶脹影響減小，溶脹導致組織松散的易切削效應時間縮短，而受溶脹和摩擦熱綜合作用下軟化導致的黏著影響增加。因此，N26和N41樣品的摩擦因數(shù)表現(xiàn)為先減小而后增加。由于2種效應的作用均導致磨損加劇，因此磨損量隨溶脹時間的增加而增加，受影響程度隨丙烯腈質量分數(shù)的增加而減少。

干燥條件下磨盤在丁腈橡膠表面以一定的載荷和速度滑動時，摩擦副之間的摩擦力導致橡膠材料沿滑動方向產生了拉伸和變形。當丁腈橡膠的拉伸和撕裂強度不足以抵抗剪切應力和拉應力時，橡膠表面材料在滑動摩擦力的作用下撕裂現(xiàn)象明顯，裂紋垂直于滑動方向擴展，在滑動方向上摩擦力的綜合作用下，磨痕成角狀。隨著丙烯腈質量分數(shù)的增加，丁腈橡膠交聯(lián)密度及硬度的增加提高了材料滑移難度，使剪切層變薄，磨痕表現(xiàn)為斷面平整的片狀和硬質突起。金屬磨盤表面粗糙部分嵌入橡膠表面，高速滑動摩擦下在橡膠表面形成犁溝。干摩擦條件下摩擦輪與丁腈橡膠表面直接接觸，由于橡膠的低導熱性導致摩擦過程中產生的熱量不能及時地散去而使摩擦副界面處的溫度升高，高溫導致的橡膠表面氧化降解使丁腈橡膠的機械和摩擦學性能下降[13]，同時，溶脹導致的丁腈橡膠組織破壞和硬度的下降[14]加劇了摩擦熱的影響，進而使丁腈橡膠磨損表面出現(xiàn)明顯的黏著磨損現(xiàn)象，導致更多的橡膠材料黏在對偶件磨盤表面上。軟化黏著效應隨溶脹時間的增加而增加，隨丙烯腈質量分數(shù)的增加而降低。

3 結論

(1) 受溶脹的影響，丁腈橡膠溶脹后機械性能下降，易于材料去除的同時，在摩擦熱作用下黏著磨損加劇。前者導致摩擦因數(shù)下降而后者相反，摩擦因數(shù)為兩者綜合作用的體現(xiàn)。丁腈橡膠摩擦因數(shù)受溶脹的影響程度隨著丙烯腈質量分數(shù)的增加而減小。其中，N18的摩擦因數(shù)隨溶脹時間的增加而減小，而N26和N41的摩擦因數(shù)表現(xiàn)為先減小而后增加。

(2) 受溶脹和摩擦熱的影響，溶脹后丁腈橡膠的磨損量隨溶脹時間的增大而增大，磨損量受溶脹的影響隨著丁腈橡膠丙烯腈質量分數(shù)的增加而減小。N18受溶脹影響最大，其溶脹240 h后的磨損量變化率分別為N26和N41的5和7.5倍。

(3) 干摩擦條件下丁腈橡膠材料的滑動磨損主要為剪切撕裂造成。由于溶脹后丁腈橡膠交聯(lián)組織破壞導致機械性能下降，耐剪切應力下降，磨痕減小。隨著溶脹時間的增加摩擦熱軟化作用加劇，磨損行為向黏著磨損轉化，黏著效應隨丙烯腈質量分數(shù)的增加而降低，磨損表面出現(xiàn)大量溶脹孔洞。與丁腈橡膠樣品對磨后，在摩擦輪表面可見到轉移的橡膠組織，且與溶脹后橡膠樣品對磨時摩擦輪表面橡膠組織黏著面積增加。