鐵路貨車心盤磨耗盤澆鑄工藝缺陷對外形尺寸和機械性能的分析

楊雷 師會青

摘 要：由于澆鑄尼龍本身固有的特性，當環境等條件變化時，都會引起產品外形尺寸、性能上的微小變化。采用合理的澆鑄工藝及其配方配置對分析和研究澆鑄尼龍成型工藝中的缺陷有重要意義。

關鍵詞：澆鑄尼龍；心盤磨耗盤；缺陷；分析

眾所周知，鐵路貨車用心盤磨耗盤大體分為兩種成型方式：一種是澆鑄尼龍（MC尼龍），一種是注塑尼龍。注塑尼龍因其特性比澆鑄尼龍在工藝上稍穩定。兩種工藝因聚合方法、成型方法不同，所得的制品性能相差很大。

澆鑄尼龍工藝是指在常壓下將液態單體或預聚物澆鑄到大口模腔，經聚合固化定形為制品的成型方法。

因澆鑄尼龍是熱塑性、結晶型、吸濕性的高分子材料，對其形狀和性能影響最大的因素就是溫度和水分。用澆鑄工藝制得的心盤磨耗盤，主要缺陷有翹曲、變形、“滲汗”、發白、分層、未聚合、裂損等。夏季受環境溫度的影響，多出現心盤底部翹曲（凹心、凸心）、變形（整體橢圓或扭曲）；破損多出在冬季，出現的心盤盤沿裂紋，破裂、掉塊等破壞方式，分析由于工況惡劣、貨車超載受力所致。尤其在冬季低溫（最冷至-45℃）期長，運行時，在承受相同沖擊力時，由于材料低溫沖擊強度僅為常溫值的30%，心盤破裂甚至掉塊成為不可避免。

因此，本文針對澆鑄生產過程中心盤磨耗盤產生的缺陷或現象進行分析，總結了模具、配方、澆鑄成型工藝等因素對心盤磨耗盤外形尺寸和機械性能的影響，并提出并匯總了相應的建議措施。

一、配方配置和工藝方面因素的分析

解決澆鑄工藝上的缺陷主要通過配方調整、工藝管控來實現。通過對催化劑和助催化劑用量的調整：NaOH是生產尼龍產品的催化劑，其用量多少會直接影響到產品的性能。在MC尼龍生產中，有嚴格的催化劑用量上下限范圍。目前，心盤磨耗盤生產中，NaOH的使用方法有兩種，一為固體，另一為配成50%NaOH水溶液。經試驗，當NaOH用量偏高時，會使聚合時間加快，有形成大球晶、塊晶的可能，極易造成材料出現高強度、高剛性和低韌性。另外，在產品中也容易出現氣泡。當NaOH用量偏低時，聚合速度減慢，表面出現低聚物可能性增加，而且廢邊增厚，導致毛坯重量減輕，最終也會引起產品綜合性能降低。

綜所上述，在心盤磨耗盤制造過程中，催化劑用量過多或過少，都應避免。必須采用合理的NaOH用量。

本次試驗，選定的是K2心盤磨耗盤，模溫條件為選定，空氣條件為冬季。當產品、模溫、空氣條件等變化時，都會引起NaOH用量的微小變化。最簡單的方法，就是采用聚合時間的測定，且應在工藝要求的范圍內。

影響產品型式尺寸、機械性能的主要因素是助催化劑用量和結構。使用雙官能團或三官能團引發劑結構的助催化劑，會得到化學結構不同的聚合產物，它們的物理性能有很大差別。以三官能團的三苯甲烷三異氰酸酯（JQ-1膠）和有雙官能團的甲苯二異氰酸酯（TDI）為助催化劑，聚合后的產物前者具有三向結構顯示出較好的沖擊韌性和低溫韌性，而后者則性較脆。助催化劑的用量直接影響聚合體的分子量。助催化劑用量增加，分子量下降；用量減少，分子量上升。分子量的變化又直接影響逐漸的機械強度。以JQ-1膠為例，隨著JQ-1膠用量的增加拉伸強度下降，拉伸延伸率增加，對聚合反應速度無明顯影響。

在夏季，因為環境原因，經檢測，隨機抽取某一批心盤磨耗盤的排水率均值2.1%，經檢測排水率為2.1%已超出尼龍產品的飽和水分（2.0%）狀態，分析，含水過量是引起心盤外圓尺寸變大的主要原因。心盤產品的外圓尺寸變大、發白、“滲汗”與儲存中的溫度、濕度過高也有很大關系。

由于心盤磨耗盤直徑較大，因此通過機械加工角度考慮，應在加工時本著“先粗后精”原則，首先應安裝在專用工裝上，用適當的力加緊心盤，先粗車內側，再加工外側，然后在精加工內側，這樣能有效防止變形。加工完后可以再用專用定型工具定型，效果會更好，合格率能達到90%以上。

尤其是夏季生產階段，產品的加工、檢測、存放等環節對于尺寸變化都會產生很大影響。因此建議：澆鑄尼龍產品，特別是心盤產品，應減少庫存量，最好隨加工隨發貨。為了確保產品尺寸，尤其是心盤外圓，可按中下或下偏差進行加工。產品加工、檢測、存放溫度要保持一致，盡可能地靠近標準中的要求。經試驗，斷裂伸長率、常、低溫缺口沖擊強度等三項顯示材料韌性檢項，在使用2-6年后，有成倍提高。含水率在1.3～1.4%之間，可以說在同一個數據范圍，說明心盤磨耗盤產品在使用2年以后，吸水基本處于飽和狀態。

從以上檢測的數據分析說明心盤產品在使用2年前的階段為危險階段。2年后在使用過程中經過吸水，強度保持在技術指標60～80%，斷裂伸長率、常、低溫缺口沖擊強度等有成倍的增長，產品性能已趨于韌性，破壞率會相應的降低。

因物理機械性能主要由MC尼龍的晶體形態決定，當球晶微細且均勻，或球晶大小不一，但分散在無定形相中時，水處理有效；當球晶很大或分散密度較大，甚至有堆砌現象，水處理無效；當晶體形態出現層巖結構時，晶片堆砌程度深，水處理無效。因此毛坯成型后的水處理也同樣會引起外形和機械性能的變化。所以合理控制水處理工藝方法或時間也能避免一些缺陷產生。

二、主要缺陷產生的原因及應對措施分析

在生產過程中產生的主要缺陷形式：

①低聚物：加工后截面有表面顏色發白、質地軟的物質。

②花紋：水煮完后產品表面有波浪紋，機加工后的產品底面分布著云彩般的花紋。

③發白：毛坯表面有白印，機加工完后同樣也有發白、“滲汗”現象。

④翹曲、變形：毛坯冷卻后變形，導致加工后也產生變形。

⑤氣孔：截面有縮孔或表面有突起（內空或有低聚物），加工后的產品里面有氣孔。

⑥未聚合：吸收水分產生低聚物。

⑦表面不光滑：脫模劑用量大造成表面不光滑。

⑧抽坑：表面不平整。

⑨黑斑：加工后的產品里面分布著許多米粒般大小的黑點。

⑩溫度高：產品兩頭翹起，顏色較深。

左圖是心盤磨耗盤缺陷所占比例的分布圖，圖中顯示低聚物占比例是最多的，其它相對較少但也應是控制的重點，解決以上缺陷問題是提高合格率的工作重點。

因造成澆鑄心盤磨耗盤缺陷的原因眾多，有自然原因、工藝模具原因和人為因素，匯總分析如下：

綜上所述，因澆鑄尼龍是堿催化聚合反應，必須在無水條件下進行。所以，脫水是否干凈決定著聚合反應能否順利進行，如果水處理不干凈反應就會向相反方向進行，就會出現不聚合現象。在實際生產中不聚合現象產生的主要原因是真空度不夠或假真空，前者表現為聚合速度緩慢，聚合不完全或者局部不聚合；后者表現為完全不聚合。所以生產中一定要保證有足夠的真空度。要根據實際操作情況和設備模具條件做具體摸索調整。

模具的溫度，因為聚合開始時需要吸熱，一般都較高于注入的物料的溫度。模具溫度過高，則反應越激烈，對于澆鑄來說，鑄件會產生凹陷、氣孔、表面不光滑等現象；模具溫度過低，聚合不完全，鑄件表面有白斑、分層甚至出現白色粉末狀的低聚物和游離單體。

現今對澆鑄尼龍心盤磨耗盤工藝缺陷在生產過程的全面的科學理解和定量描述，目前的研究還有一定距離，因此研究澆鑄工藝心盤磨耗盤的缺陷對外形尺寸和機械性能的分析，經過實踐證明這些方法是合理有效的，具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]孫向東.MC尼龍的合成、改性研究.東北大學，2006.

[2]鑄型尼龍化學、工藝、性能、應用.中國科學院化學研究所《鑄型尼龍》編寫小組，1973.7.

[3]孫向東，等.MC尼龍制備工藝中存在的問題及解決方案.工程塑料應用，2003（12）.

作者簡介：楊雷（1986-），男，漢族，河北辛集人，機電工程師，研究方向：機械加工設計及其制造、高分子材料成型工藝及加工；師會青（1987-），女，漢族，河北辛集人，化工助理工程師，研究方向：高分子材料化學分析及物理性能檢測。