不同含量盐水介质中丁腈橡胶水润滑轴承材料摩擦学特性分析*

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(1.西北工业大学机电学院 陕西西安 710072；2.东莞市三航军民融合创新研究院 广东东莞 523808)

随着海洋开发和环保法规的日益严格，海洋环境下水润滑轴承替代油润滑轴承的应用趋势和场合越来越广泛[1]。水润滑技术以水为润滑介质，具有结构简单、维修方便、原料丰富以及污染很小等优点[2]，符合当今世界工业绿色发展的趋势。然而，水是一种低黏度液体，它的黏度只有润滑油的几十分之一，水膜很难获得与润滑油膜相当的承载能力，而且在转速较低时很难形成稳定的水润滑膜[3]。此外，海洋环境下，海水对金属材料有很强的腐蚀作用，因此，研发能够适应水润滑需求的非金属轴承材料成为当下的研究热点。

铁犁木[4]、高分子聚合物[5]以及丁腈橡胶[6]等非金属材料已在水润滑领域得到应用。其中，丁腈橡胶即使长期在水中浸泡也能保持质量和体积的稳定[7]，同时具有良好的黏弹性、抗冲击、吸震等性能[8]，已成为水润滑轴承广泛使用的材料[9]。不同海域的海水盐分含量具有差异，而且由于应用对象摩擦磨损过程中水分蒸发和盐分沉积的影响，润滑海水中的盐分含量会进一步提高。不同盐分含量对丁腈橡胶的摩擦磨损行为的影响还缺乏系统研究。因此，本文作者以不同质量分数的盐水作为润滑介质来模拟海水润滑环境，通过在CBZ-1摩擦磨损试验机上开展丁腈橡胶摩擦磨损实验，分析其在不同模拟海水盐分含量、不同速度以及不同载荷下的摩擦磨损行为，获得丁腈橡胶水润滑轴承材料在不同工况条件下的摩擦磨损机制，为优化丁腈橡胶水润滑轴承材料的工程应用提供依据。

1 试验部分

1.1 试验设备

在CBZ-1摩擦磨损试验机上进行模拟试验。该试验机由水介质温控系统、主机旋转系统、控制与采集系统等部分组成。其转速范围为50～2 000 r/min，载荷范围为0～500 N，最大测试扭矩为2 N·m。试验时销试样在下方处于静止状态并浸入润滑介质中，盘试样在电机的驱动下在销试样试件表面滑动。

1.2 试验材料

将丁腈橡胶(NBR)制成φ10 mm，高度20 mm的销试件。对摩件选用锡青铜盘(ZCuSn10Zn2)，其元素成分如表1所示，其外径为60 mm，内孔为8 mm，厚度为10 mm。试验试样如图1所示。

表1 铜盘金属元素质量分数

图1 试验试件

1.3 试验设计

为了探究不同盐水含量下NBR水润滑轴承材料的摩擦磨损性能，考虑海水蒸发和沉积的影响，设置了更为严苛的工况有助于保证材料的使用性能。其中配备的模拟海水盐分质量分数分别设定为0(清水)、1.75%、3.5%和5%；试验转速分别设定为150、350、550、750、950 r/min；结合大部分水润滑轴承的服役工况，载荷条件设定为0.7 MPa(56 N)、0.9 MPa(72 N)、1.1 MPa(88 N)。每种转速下试验持续15 min后进入下一转速，因此每个试验的持续时间为75 min。

2 试验结果与分析

2.1 摩擦因数分析

图2示出了载荷分别为0.7、0.9和1.1 MPa时，在不同含量的盐水介质润滑条件下，NBR与锡青铜配副的平均摩擦因数随转速的变化情况。

在载荷的影响方面，比较图2(a)、图2(b)和图2(c)可知，总体上载荷为0.7 MPa时摩擦因数最大，载荷为0.9 MPa时次之，载荷为1.1 MPa时最小。随着转速的升高，3种载荷条件下的平均摩擦因数之间的趋势关系基本未发生变化，但是数值差别逐渐变小，转速较高时均处在较低的水平。这是因为实验过程中，销和铜盘之间的名义接触面积保持不变，但是由于橡胶表面并非光滑平整，而是布满了各种微小的凸起，当载荷发生变化影响到这些微凸体时，销和铜盘之间的实际接触面积也会随之改变。随着载荷的增大，由于橡胶的硬度较低且具有黏弹性，橡胶表面与铜盘相接触的微凸体的数量以及每个微凸体与铜盘的接触面积都会因此而增加，使得销与铜盘的实际接触面积增大。在一定载荷范围内，单位面积上的应力随着载荷的增大而减小，进而使摩擦因数在一定条件下随着载荷的增加而降低[10-11]。

在转速的影响方面，由图2可以看出，转速较低时，摩擦因数较高，随着转速的增大，不同试验条件下的摩擦因数均呈现出下降的趋势。当转速较低时，一方面由于开始阶段销与铜盘的表面有很多微小的凸起，表面粗糙度较高，使得摩擦因数较高；另一方面由于转速较低，销与铜盘之间形成的润滑液膜不够稳定，降低了水的润滑效果，因而摩擦因数较高。随着试验时间的增加，转速较高时，经过前期的磨合，摩擦副接触表面微凸体基本平整，销与铜盘的表面粗糙度降低，因此摩擦因数降低；另外较高的转速导致水流动速度加快，加速了摩擦副接触面之间润滑水膜的形成，在一定程度上减少了接触面的直接接触，从而降低了橡胶的黏附摩擦，因此摩擦因数降低。由于橡胶具有黏弹性，橡胶的部分单元在试验过程受到周期性的压缩与复原，内部的分子链之间产生相互作用导致能量损耗，这种损耗必须由外力做功来弥补，因此产生滞后摩擦力。当转速提高时，橡胶连续产生两次变形的时间间隔减少，变形也很难快速地完全恢复，因此能量的耗散相对降低，滞后摩擦力减小。同时，随着转速的增加，摩擦产生的热量使橡胶分子热运动加剧而变得更容易移动，从而减小了变形过程中的滞后摩擦力。滞后摩擦力的减小是摩擦副摩擦因数随转速的升高而降低的另一个重要原因[12]。

图2 不同工况下摩擦因数变化曲线

由图2还可分析出盐水质量分数的影响。总体上看，随着盐水质量分数的增大，润滑介质的密度和黏度也随之增大，摩擦副之间形成的润滑水膜的承载能力增强，润滑效果变好，摩擦因数减小[13]。然而，随着盐水质量分数的增大，它对铜盘的腐蚀作用也随之增强。由于大多数金属的表面都被氧化膜覆盖，摩擦过程中当氧化膜被划破后，盐水与试验所用的锡青铜盘内部的锡、锌、铜等金属元素发生化学反应，产生腐蚀。盐水质量分数增大后，氯离子含量的增加使锡、锌、铜等金属元素更容易被离子化，金属元素被剥离，造成铜盘表面粗糙度增加，从而增大了摩擦因数[14]。综上可知，盐水黏度增大和腐蚀的综合效果使不同质量分数盐水润滑下的摩擦副的摩擦因数表现出比清水介质润滑下更复杂的变化情况。

由图2(a)可以看出，在载荷为0.7 MPa的工况下，当转速较低时，由于盐水的黏度比清水高，水润滑效果相对更好，摩擦副在不同质量分数盐水中的摩擦因数都比在清水中的低，但摩擦因数并未随盐水质量分数的升高而呈线性降低，这是由于盐水质量分数的升高也增强了对铜盘的腐蚀作用，在一定程度上增大了摩擦。盐水质量分数为1.75%时，水润滑和盐水腐蚀的综合作用表现为减摩效果，因此这种工况下的摩擦因数最低。随着转速的升高，各盐水质量分数下摩擦副的摩擦因数都呈下降趋势。滞后摩擦力随着转速的提高而降低，但是转速提高的同时也造成了摩擦生热增多，温度的升高相应地加剧了盐水对铜盘的腐蚀作用，增大了摩擦。因此，高速阶段的摩擦因数与盐水质量分数呈非线性关系。盐水质量分数为5%时，滞后摩擦力减小和腐蚀作用增强的综合作用表现为减摩效果，因此摩擦因数降低。由图2(b)和图2(c)可知，当载荷增加到0.9 MPa以及1.1 MPa时，在不同的盐分质量分数和不同的速度条件下，摩擦副的摩擦因数都比清水条件下的要高，表明盐水作为润滑介质相对于清水反而增大了摩擦力。这是由于盐水对铜盘的腐蚀作用加剧，盐水腐蚀产生的增摩效果开始超过水润滑产生的减摩效果，从而在总体上呈现出摩擦因数增大的变化情况。

综上所述，盐水质量分数通过影响润滑介质的黏度来改变水润滑的效果，通过对铜盘的腐蚀作用来改变摩擦副的摩擦情况，从而在整体上影响摩擦因数的变化。盐水质量分数为3.5%时，摩擦副的摩擦因数大于盐水质量分数为1.75%和5%时。这是因为盐水质量分数为1.75%时腐蚀程度小于3.5%时的腐蚀程度，当盐水质量分数为3.5%时腐蚀作用达到最强；盐水质量分数为5%时，由于过多氯离子的存在，摩擦表面的腐蚀膜难于沉积，腐蚀程度反而有所下降。因此水润滑和腐蚀的综合作用结果使得上述结果显现。

2.2 磨损量分析

图3示出了NBR销试样在不同盐水质量分数和不同载荷条件下的磨损量。

图3 不同载荷下NBR销试样的质量磨损量对比

可以看出：清水条件下，随着载荷的增大，销试样的磨损量减小；随着盐度的增加，总体上不同载荷下的销试样磨损量先增加后减小，当盐水质量分数为3.5%时磨损达到最大值，而当盐水质量分数达到5%时，销试样的磨损量反而有所下降。这是由于盐水质量分数的变化改变了润滑介质的黏度，影响水润滑效果，同时也改变了对铜盘的腐蚀情况，而磨损取决于这两个作用的综合表现，因而磨损呈现跟摩擦因数相似的变化规律。由此可见，海水润滑条件下盐分质量分数对NBR材料的磨损性能有明显的影响。

2.3 磨损表面形貌特征分析

通过分析表面轮廓仪测得的表面磨损形貌特征以及相关参数，可以直观地看出试样在不同试验条件下的摩擦磨损情况，进而从中分析其摩擦磨损机制。

表2给出了不同载荷和不同盐水质量分数条件下，表面轮廓仪测得的铜盘表面的三维轮廓图。可以看出，不同试验条件下的铜盘表面都有明显的犁沟，并且载荷较高状态下的犁沟比载荷较低情况下的更为明显。这是由于当载荷增大时，橡胶表面与铜盘接触的微凸体的个数增多，接触面积增大，在摩擦过程橡胶表面的微凸体更容易与铜盘摩擦产生“刮痕”，使得磨损过程中的磨粒磨损增强，从而加剧了犁沟效应。

表2 不同工况下ZCuSn10Zn2铜盘的磨损表面形貌

表3给出了铜盘和销在不同盐水质量分数和不同工况下摩擦副表面形貌的均方根偏差Sq值。Sq值表征了材料表面所测区域中各点轮廓偏离基准面的程度，Sq值越小，说明偏离程度越小，表明摩擦副的表面越平坦，反之则表明材料表面越复杂[15]。由表3可以看出：摩擦副表面形貌的均方根偏差并不是与载荷或盐水质量分数呈线性变化的关系。

表3 摩擦副磨损表面形貌特征参数Sq

结合表2和表3可知，盐水质量分数由1.75%增大到3.5%时，铜盘的均方根偏差Sq值也随之增大，这是因为盐水质量分数的增大加剧了对铜盘的腐蚀，铜盘表面的金属元素随着氯离子质量分数的增大变得更容易被离子化并从铜盘表面剥离，从而造成铜盘表面形貌的Sq值增大。然而，质量分数5%盐水下铜盘的Sq值反而比在清水条件下更低，这是由于盐水质量分数的增大提高了润滑介质的黏度，水润滑效果变得更好，当橡胶表面的一部分微凸体被抹平后，橡胶和铜盘之间的水润滑膜对铜盘的保护作用增强，因此Sq值相对于清水条件下反而减小。这一现象跟摩擦因数和磨损量的变化规律相吻合。

由表3可知，总体上销的均方根偏差Sq值大部分都随着载荷的增大而增大，这是因为当载荷增大时，橡胶表面与铜盘相接触的微凸体的个数以及每个微凸体的接触面积均随之增大，因此加剧了销和铜盘之间的磨粒磨损，从而使表面形貌的均方根偏差Sq值变大。

综上所述，铜盘和销的表面形貌变化情况是盐水质量分数、载荷以及丁腈橡胶的黏弹性等因素共同作用的结果。

3 结论

(1)盐水质量分数、速度和载荷等多种因素对丁腈橡胶材料的摩擦学性能有显著的影响。

(2)总体上，丁腈橡胶材料与锡青铜配副的摩擦因数随转速的升高而降低，随载荷的增加而降低。

(3)盐水质量分数通过影响润滑介质的黏度来改变水润滑的效果，通过对铜盘的腐蚀作用来改变摩擦副的摩擦情况，从而在整体上影响摩擦因数的变化。

(4)盐水质量分数由1.75%增大到3.5%时，摩擦副的摩擦因数和磨损均增大，盐水质量分数继续增大到5%时，摩擦副的摩擦因数和磨损均有所减小。