苗艷偉，邱明，康鵬飛，李迎春，陳龍

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003;2.新昌縣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，浙江 新昌 312500)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承是一種在外圈內(nèi)球面鑲嵌或粘接一層自潤滑襯墊層的球面滑動軸承，具有自調(diào)心、免維護(hù)、長壽命及承載力大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、輕工業(yè)、鐵路等領(lǐng)域[1-3]。聚四氟乙烯(PTFE)具有韌性好、低摩擦等優(yōu)點(diǎn)，是關(guān)節(jié)軸承自潤滑襯墊層的理想材料，但因耐磨性較差，大大限制了其作為自潤滑襯墊層的應(yīng)用范圍。為此，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量其他功能性纖維與PTFE復(fù)合編織自潤滑材料的研究工作[4-6]。由于芳綸纖維具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫等優(yōu)異性能，已被廣泛用于與PTFE復(fù)合編織自潤滑材料，以提高耐磨性和力學(xué)性能。然而，芳綸纖維作為粘接面，表面活性低，結(jié)晶度高，與黏合劑的浸潤性不好[7]，導(dǎo)致襯墊與基體間的界面結(jié)合力差，進(jìn)而影響軸承襯墊自潤滑性能的發(fā)揮。稀土氧化物具有特殊的電子層結(jié)構(gòu)和突出的化學(xué)活性[8-9]，與芳綸纖維表面的C，O，N有較強(qiáng)的絡(luò)合能力。鑒于此，下文使用氧化鈰對PTFE/芳綸復(fù)合編織襯墊進(jìn)行改性處理，以改善其與基體的界面結(jié)合力，進(jìn)而提高自潤滑關(guān)節(jié)軸承的使用性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)選用GE40ET-2RS型自潤滑關(guān)節(jié)軸承，結(jié)構(gòu)如圖1所示。自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈的材料均為GCr15軸承鋼；襯墊由PTFE/芳綸纖維復(fù)合編織而成(其中富含PTFE的一面作為摩擦面，另一面作為粘接面)。為了保證襯墊材料的一致性，在一塊編織布上裁剪出試驗(yàn)所需的襯墊(其中襯墊的編織紋路應(yīng)與剝離方向垂直，且裁剪時(shí)需保證編織紋路與裁剪方向的夾角為60°)。在把襯墊粘接到外圈內(nèi)球面之前，需對襯墊進(jìn)行預(yù)處理，即將襯墊在常溫稀土氧化鈰溶液(主要由HNO3，CO(NH2)2，NH4Cl，CeO2以及去離子水按一定比例配制而成)中浸泡1～2 h；隨后在80～100 ℃烘箱中烘烤2～3 h，再置于空氣中平衡24 h。最后，將經(jīng)過氧化鈰改性處理的襯墊用黏合劑 (優(yōu)選的最佳配比[10]黏合劑) 粘接到外圈內(nèi)球面上，裝入內(nèi)圈后置于80～100 ℃下固化3～4 h，完成軸承試樣的制備。

圖1 自潤滑關(guān)節(jié)軸承

1.2 試驗(yàn)方法

剝離強(qiáng)度值是衡量襯墊粘接質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，剝離強(qiáng)度測試示意圖如圖2所示。利用自制的剝離夾具將關(guān)節(jié)軸承試樣夾持在Instron5944型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，并以一定的速度向外拉伸，將纖維襯墊從關(guān)節(jié)軸承外圈內(nèi)球面上剝離下來。

圖2 剝離強(qiáng)度測試示意圖

考慮到剝離曲線波動的影響，試驗(yàn)利用Origin軟件對剝離曲線進(jìn)行求積處理以計(jì)算剝離強(qiáng)度，其計(jì)算式為

(1)

式中：C為剝離曲線圖上單位高度所代表的載荷，N/mm；S為剝離曲線求積的面積，mm2；L為襯墊剝離的長度，mm；B為剝離試樣的寬度，mm。

參照美國航空標(biāo)準(zhǔn)SAE-AS 81820制定的試驗(yàn)方案為：剝離角度140°±40°，剝離速度19 mm/min，采集間隔2 ms，可以夾持的襯墊長度80 mm，剝離長度75 mm左右。剝離前需進(jìn)行襯墊黏附度檢驗(yàn)，保證襯墊90%緊緊黏附；剝離后進(jìn)行牢靠性檢驗(yàn)，不允許有外接圓直徑相當(dāng)于外圈寬度25%或6.35 mm(取其中較小者)的未粘接區(qū)。

1.3 微觀分析

利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分析襯墊粘接面的微觀物理化學(xué)變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性處理對粘接性能的影響

利用自制的關(guān)節(jié)軸承剝離夾具對氧化鈰改性處理前、后的試樣進(jìn)行剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，重復(fù)測試10次并取平均值，結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)可知，改性處理后試樣的剝離強(qiáng)度相比改性前提高了約22%。

表1 試樣剝離試驗(yàn)結(jié)果

氧化鈰改性處理前、后襯墊的剝離曲線如圖3所示。從圖中可以看出，與改性前相比，經(jīng)氧化鈰改性處理后，襯墊的剝離力得到了明顯提高。

圖3 襯墊剝離曲線的變化趨勢

由圖3可知，襯墊經(jīng)氧化鈰改性處理后的剝離曲線波動較小，剝離載荷較大，表明剝離過程中剝離載荷變化比較平穩(wěn)，襯墊的粘接質(zhì)量得到明顯提高；而未處理軸承的剝離曲線波動較大，且在剝離過程中出現(xiàn)了2處較為明顯的凹谷，凹谷處剝離載荷最小值僅為2.5 N，此處粘接力較小，極易導(dǎo)致軸承襯墊從基體上脫落，進(jìn)而影響軸承的使用性能與可靠性。

2.2 微觀分析

襯墊改性處理前、后粘接面的SEM照片和EDS圖如圖4和圖5所示。

圖4 襯墊粘接面的SEM照片

圖5 襯墊粘接面的EDS圖

從圖中可以看出，改性前襯墊粘接面的芳綸纖維清晰可見，表面光滑(圖4a)；襯墊經(jīng)氧化鈰改性處理后，襯墊粘接面的芳綸纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)變化顯著(圖4b)。分析認(rèn)為，稀土元素具有突出的化學(xué)活性，可將改性劑中的含氧活性基團(tuán)引入到纖維襯墊表面(從圖中C和O元素的含量對比可知)，增大了纖維表面活性基團(tuán)的濃度，并且使得纖維表面粗糙度變大，進(jìn)而改善了纖維與黏合劑之間的浸潤性, 從而增強(qiáng)了襯墊與外圈界面的結(jié)合力，提高了襯墊的粘接性能。

3 結(jié)論

(1) 與未處理的襯墊相比，襯墊經(jīng)氧化鈰改性處理后的粘接質(zhì)量明顯提高，剝離強(qiáng)度增加22%，且剝離曲線波動平穩(wěn)，剝離載荷較大。

(2) 微觀分析表明，襯墊粘接強(qiáng)度的提高是由于氧化鈰改性處理增大了纖維表面活性基團(tuán)的濃度及表面粗糙度，明顯改善了纖維與黏合劑之間的浸潤性。