丁腈橡胶在硬质颗粒环境下的摩擦磨损特性.pdf

第４３卷２Ｏ１５年１Ｏ月第１Ｏ期—第７９８４页材料工程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏ１．４３Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２０１５ＰＰ．７９～８４丁腈橡胶在硬质颗粒环境下的摩擦磨损特性ＦｒｉｃｔｉｏｎａｎｄＷｅａｒＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ—ＡｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｂｕｔａｄｉｅｎｅＲｕｂｂｅｒＵｎｄｅｒＨａｒｄＰａｒｔｉｃｌｅｓＣｏｎｄｉｔｉｏｎ郑金鹏，沈明学。，厉淦，彭旭东（１浙江工业大学机械工程学院，杭州３１００３２；２浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心，杭州３１００３２）———’ＺＨＥＮＧＪｉｎｐｅｎｇ，ＳＨＥＮＭｉｎｇｘｕｅ～，ＬＩＧａｎ，ＰＥＮＧＸｕｄｏｎｇ（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００３２，Ｃｈｉｎａ；２ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＰｒｏｃｅｓｓＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＩｔｓＲｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００３２，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用销一盘接触方式考察丁腈橡胶／３１６Ｌ不锈钢配副的摩擦磨损性能，探讨有无Ａｌ０。硬质颗粒及颗粒尺寸对其摩擦学行为的影响。通过扫描电子显微镜（ＳＥＭ）和表面轮廓仪分析配副材料的磨痕表面形貌。结果表明：硬质颗粒参与磨损能降低接触副表面的摩擦因数；大尺寸颗粒会加速橡胶的磨损并能嵌入橡胶基体形成微切削效应，而随着颗粒尺寸减小至数十微米时，颗粒的存在反而能减缓橡胶的磨损；但颗粒的介入均会加剧配副金属的磨损、硬质颗粒的犁削作用使钢球磨损表面存在大量的犁沟；此外，无颗粒及不同尺寸颗粒环境下丁腈橡胶／不锈钢摩擦副表现出不同的损伤机制。关键词：丁腈橡胶；摩擦磨损；硬质颗粒；橡胶密封；损伤机制ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１５．１０．０１３中图分类号：ＴＢＩ１７．１文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１５）１０００７９０６—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｃｒｙｌｏｎｉｔｒ订ｅｂｕｔａｄｉｅｎｅｒｕｂｂｅｒ／３１６Ｌｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ———ｔｒｉｂｏｐａｉｒｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｓｉｎｇ３ｓｐｈｅｒｅｏｎｄｉｓｃｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＡ１２Ｏ３ｈａｒｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ—ａｎｄｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｎｔｈｅｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｔｒｉｂｏｐａｉｒｓｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ—ｗｏｒｎｓｕｒｆａｃｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｖｉａｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ａｎｄｂｙｕｓｉｎｇａｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅａｒｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｐａｉｒｓ；Ｌａｒｇｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｃａｎａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｗｅａｒｏｆｒｕｂｂｅｒａｎｄｌａｒｇｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｃａｎｂｅｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｒｕｂｂｅｒ—ｍａｔｒｉｘ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｍｉｃｒｏｃｕｔｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｓｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｏａｂｏｕｔｄｏｚｅｎｓｏｆｍｉｃｒｏｎｓ，ｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｃａｎｍｉｔｉｇａｔｅｔｈｅｗｅａｒｏｆｒｕｂｂｅｒ；Ａｌｌｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎｔｈｅ—ｒｕｂｂｅｒｍａｔｒｉｘｃａｎａｇｇｒａｖａｔｅｔｈｅｗｅａｒｏｆｍｅｔａｌｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔａｎｄｌｏｔｓｏｆｆｕｒｒｏｗｓｃａｎｂｅｏｂｓｅｒｖｅｄｏｎｍｅｔａｌｗｏｒｎｓｕｒｆａｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｐｌｏｕｇｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｈａｒｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ；Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅＮＢＲ／ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ————ｔｒｉｂｏｐａｉｒｓｅｘｈｉｂｉｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｕｎｄｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅ．——Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｂｕｔａｄｉｅｎｅｒｕｂｂｅｒ；ｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒ；ｈａｒｄｐａｒｔｉｃｌｅ；ｒｕｂｂｅｒｓｅａｌ；ｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｊｓｍ橡胶／金属摩擦配副是最常见的密封元件材料配副形式，广泛应用于各类石化装备、交通运输、工程机械等领域的压缩机、柱塞泵、液压或气动缸上。在这些设备中橡胶材料的磨损行为对其密封性能起着重要的作用，甚至直接决定了整机的工作寿命。然而，工程上往往将橡胶材料视为主要易损件却忽视了软质弹第４３卷第１Ｏ期丁腈橡胶在硬质颗粒环境下的摩擦磨损特性８１２结果与分析２．１摩擦因数时变曲线作为评价材料性能的重要指标，摩擦因数的变化对材料的摩擦学性能有重要影响。图３示出了在无磨粒和不同尺寸ＡｌＯ。颗粒下橡胶／金属配副的摩擦因数随磨损时间的变化。从图３可以看出硬质颗粒对摩擦因数有较大的影响。在无颗粒环境下，摩擦因数经历短时间（约前２００ｓ）的迅速爬升后保持缓慢上升趋势，最终其值保持在０．７５左右；而在有颗粒环境下，摩擦因数均低于无颗粒状态且表现出两种不同的变化趋势。当颗粒尺寸为６００目时，摩擦因数经历快速爬升后基本维持在０．５６左右；但其余３种较大尺寸的颗粒环境下，摩擦因数的变化相近，即先快速达到最高值（约０．５左右），随后却保持缓慢下降最终维持在０．４左右波动，但在较小的目数（即较大的颗粒尺寸）下摩擦因数的波动相对明显。综上所述，Ａｌｚ０。颗粒均能不同程度地降低橡胶／金属配副的摩擦因数；从颗粒尺寸来看，一定范围内（如６０～２４０目）颗粒对摩擦因数的影响较小，随着颗粒尺寸的进一步减小（如６００目）摩擦因数有所升高且始终保持较稳定的值。詈％耋芒．虫Ｕ｝Ｅｎ，８Ｃ．Ｑ堇正图３不同磨粒粒度下摩擦因数随磨损时间的演变Ｆｉｇ．３Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｗｅａｒｔｉｍｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｓｏｆｔｈｅａｂｒａｓｉｖｅｓ２．２磨损程度对比图４示出了无ＡｌＯ。颗粒及不同尺寸Ａ１ｚＯ。颗粒环境下丁腈橡胶的磨损量和磨损率随磨损时间的变化。由图４可见，Ａｌ。Ｏ。颗粒尺寸对橡胶的磨损状况影响显著；相比无颗粒环境，较大颗粒尺寸的ＡｌｚＯｓ能加速橡胶表面的磨损，而当颗粒尺寸小于２４０目时却能有效减缓橡胶的磨损（如图４（ａ）所示）。另一方面，颗粒尺寸越小磨损率越低，在较小的颗粒（如６００目和２４０目）或无颗粒环境下，不同磨损周期的磨损率基暑‘暮詈垩ｍ兰Ｗｅａｒｔｉｍｅ，ｍｉｎ图４不同磨粒粒度下橡胶磨损量（ａ）和磨损率（ｂ）随磨损时间的变化Ｆｉｇ．４Ｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｗｅａｒｌｏｓｓ（ａ）ａｎｄｗｅａｒｒａｔｅ（ｂ）ｏｆＮＢＲａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｗｅａｒｔｉｍｅＵｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｓｏｆｔｈｅａｂｒａｓｉｖｅｓ本保持稳定，而大颗粒（如６Ｏ目和１２０目）环境下磨损率呈快速下降和基本稳定两个阶段（如图４（ｂ）所示）。此外，硬质颗粒的存在还会引起与橡胶配副的金属材料的快速磨损。本研究与橡胶材料摩擦配副的金属材料为３１６Ｌ不锈钢球，钢球磨损后试样的球缺部分可近似认为钢球的磨损体积。因此，可以利用磨损—比值Ｋｒ／Ｒ来表征钢球的磨损量，这里ｒ为切口部分圆的半径，Ｒ为球半径。图５为不同颗粒尺寸下配副钢球磨损比值Ｋ随运行时间的变化。由图５可知，随着磨损时间的延长，钢球磨损比值Ｋ均呈先快速上升后逐渐趋于平缓的趋势；另一方面，６Ｏ目和１５Ｏ目颗粒环境下Ｋ值及其变化相近、２４０目和６００目颗粒环境下也相近，且前者Ｋ值略高于后者。值得指出的是，在无颗粒环境下橡胶对金属的磨损甚微，故Ｋ值近似零。因此，颗粒的存在明显加剧了对摩副金属材料的磨损。２．３磨损机理分析对于无颗粒工况，橡胶的磨损表面呈现橡胶磨耗所特有的典型波浪形花纹磨耗（ｐａｔｔｅｒｎｗｅａｒ），上述特征与文献［－１７，１８］的研究结果相似。实质上，它们是一系列相互平行并垂直于滑动方向的锯齿状突起部，而与之配副的钢球表面几乎未见损伤。此时，橡胶材料９８７６５４３２１Ｏ８４材料工程２０１５年１０月——ｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９８，３１（１３）：４９６０．——［８］ＦＥＬＨＯＳＤ，ＫＡＲＧＥＲＫＯＣＳＩＳＪ．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇｏｆｐｅｒｏｘ—ｉｄｅ－ｅｕｒｅｄＥＰＤＭｒｕｂｂｅｒｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｒｂｏｎｂｌａｃｋｃｏｎｔｅｎｔｓｕｎ—ｄｅｒｄｒｙｓｌｉｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｇａｉｎｓｔｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＴｒｉｂｏｌｏｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ—ａｌ，２００８，４１（５）：４０４４１５．［９］庞佑霞，许焰，张吴，等．微／纳米复合涂层的抗冲蚀磨损性能［Ｊ］．材料工程，２ｏ１３，（９）：６Ｏ一６３．—ＰＡＮＧＹＸ，ＸＵＹ，ＺＨＡＮＧＨ，ｅｔａ１．Ｅｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，—２０１３，（９）：６０６３．—ｒｉ０］ＷＡＮＧＬＰ，ＧＵＡＮｘＹ，ＺＨＡＮＧＧＡ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒｂｅ——ｈａｖｉｏｒｓｏｆｃａｒｂｏｎ。ｂａｓｅｄｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｃｏａｔｉｎｇｓｓｌｉｄｉｎｇａｇａｉｎｓｔｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｒｕｂｂｅｒｓｉｎｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．ＴｒｉｂｏｌｏｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，—２０１３，６４（８）：６９７７．［１１］何仁洋，张嗣伟，王德国．在干摩擦和边界润滑条件下丁苯橡胶对２０钢的磨损机理研究［Ｊ］．石油大学学报（自然科学版），—２００２，２６（１）：５９６３．ＨＥＲＹ，ＺＨＡＮＧＳＷ，ＷＡＮＧＤＧ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｗｅａｒｏｆ—２Ｏ＃ｓｔｅｅｌｂｙｓｔｙｒｅｎｅｂｕｔａｄｉｅｎｅｒｕｂｂｅｒｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ—ｄｒｙｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ３．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｃｈｉｎａ，２００２，２６（１）：５９～６３．［１２］张益，王世杰，吕晓仁，等．天然石油介质中丁腈橡胶一４５钢—摩擦规律研究［Ｊ］．润滑与密封，２０１０，３５（８）：５１５３．ＺＨＡＮＧＹ，ＷＡＮＧＳＪ，ＬＶＸＲ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｏｆ—ＮＢＲｂｙ４５＃ｓｔｅｅｌｉｎｃｒｕｄｅ。Ｉｌｍｅｄｉｕｍ［Ｊ］．ＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉ—ｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，３５（８）：５１５３．ｒ１３］ＭＯＨＡＭＭＡＤＲＥＺＡＭ，ＥＬＩＳＡＢＥＴＫ，ＢＲＡＨＡＭＰ．Ｔｒｉｂｏ［１４］［１５］［１６］［１７］［１８］—ｌｏｇｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｎｅｌａｓｔｏｍｅｒａｇｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｉｌｓ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌ——ｏｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００８，４１（９１０）：８６０８６６．ＶＩＮｏＧＲＡＤ０ＶＧＶ，ＭＵＳＴＡＦＡＥＶＶＡ，ＰｏＤ０ＩＳＫＹＹＹ．——Ａｓｔｕｄｙｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌ－ｔｏ－ｐｌａｓｔｉｃｆｒｉｃｔｉｏｎｄｕｔｉｅｓａｎｄｏｆｔｈｅｗｅａｒｏｆｈａｒｄｅｎｅｄｓｔｅｅｌｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．ｗｅａｒ，ｌ９６５．８—（５）：３５８３７３．何仁洋。张嗣伟．塑料与橡胶材料磨损金属的研究进展口］．摩—擦学学报，２０００，２０（３）；２３２２３５．ＨＥＲＹ，ＺＨＡＮＧＳＷ．Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｓｔｕｄｙｏｎｗｅａｒｏｆｍｅｔａ１ｂｙ—ｐｌａｓｔｉｃｓａｎｄｒｕｂｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，２０００，２０（３）：２３２２３５．ＲＥＮＸＹ，ＰＥＮＧＺＪ，ＨＵＹＢ，ｅｔａＬＡｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒ——０ｆＴｉＣＮｃｅｒｍｅｔｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｂａｓｅｄｓｌｕｒｒｉｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｂｒａ—ｓｉｖｅｓＥＪ］．ＴｒｉｂｏｌｏｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１３，６６（１０）：３５４３．ｓｃＨＡＬＬＡＭＡＣＨＡ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄａｂｒａｓｉｏｎｏｆｒｕｂｂｅｒ［Ｊ］．—Ｗｅａｒ，１９５８，１（５）：３８４４１７．ＺＨＡＮＧＳＷ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆａｂｒａｓｉｏｎｏｆｎｉｔｒｉｌｅｒｕｂｂｅｒ［Ｊ］．—Ｗｅａｒ，１９８４，５７（４）：７６９７７８．基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（９７３）（２Ｏ１４ＣＢ０４６４０４）；国家自然科学基金（５１３０５３９８）；浙江省自然科学基金（ＬＱ１３Ｅ０５００１３）；浙江省教育厅资助项目（Ｙ２０１３２９５４３）———收稿日期：２０１４０７２１；修订日期：２０１５－０１１５通讯作者：沈明学（１９８２一），男，讲师，博士，微动摩擦学及表面工程，联系地址：浙江省杭州市潮王路１８号浙江工业大学机械工程学院化工机—械研究所（３１００３２），Ｅｍａｉｌ：ｓｈｅｎｍｘ＠ｚｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ