郭浩，杜三明，雷建中，曲紅利

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室,河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南 洛陽 471003；5.洛陽LYC軸承有限公司,河南 洛陽 471039)

摩擦學(xué)(Tribolgy)[1]作為一門新興學(xué)科，包含摩擦、磨損與潤滑科學(xué)，是主要研究摩擦磨損過程中作相對運動的摩擦副表面的摩擦磨損與潤滑理論并實踐的科學(xué)與技術(shù)(包括潤滑材料和潤滑方法、設(shè)計和計算、摩擦機理與故障診斷、監(jiān)測和預(yù)報以及摩擦材料和表面狀態(tài)等)。摩擦學(xué)涉及數(shù)學(xué)(分析數(shù)學(xué)和計算數(shù)學(xué))、機械學(xué)、物理學(xué)、表面工程學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、流體動力學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科的知識[2]。摩擦與磨損是發(fā)生在接觸界面上的極其復(fù)雜的行為，受到工作參數(shù)、環(huán)境條件、摩擦副材料、潤滑技術(shù)等諸多因素的影響，各因素之間存在著復(fù)雜的耦合及相互作用，摩擦磨損過程具有不可逆性和耗散性，因此摩擦學(xué)具有復(fù)雜性、系統(tǒng)性和學(xué)科綜合性等特點[3-4]。

摩擦現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，但由于種種原因，摩擦學(xué)的研究進展非常緩慢，直到15世紀(jì)，達·芬奇介紹了在滑動軸承磨損方面的研究，得出磨損隨著載荷的增加而加劇的結(jié)論[5]；1785年，庫侖在前人研究的基礎(chǔ)上用機械嚙合概念解釋干摩擦，最終提出摩擦理論[2];19世紀(jì)，摩擦磨損研究沒有突出進展;20世紀(jì),Hardy W B和Tomlinson G A先后提出了摩擦的“黏附理論”，認(rèn)為作用在接觸表面間的分子黏著力產(chǎn)生摩擦力[3]。文獻[6]在用材料研究干摩擦過程中引用黏著概念，并在1950年正式提出了黏著理論。同一時期Fttchsel M提出干摩擦是一種接觸表面的變形過程和隨后金屬變形后的剝離過程[4]。泰伯認(rèn)為剪切和犁削作用在摩擦行為中的作用即是摩擦的分子-機械二重性[2]。二戰(zhàn)后，隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器工作條件向高速、重載方向發(fā)展，對機器零件的可靠性和使用壽命、機器的效率和能耗以及在特定環(huán)境(如高溫、腐蝕介質(zhì)等)下的工作都提出了特殊要求，使人們對摩擦磨損潤滑方面的研究興趣增大。文獻[2]首先提出摩擦過程中接觸表面間金屬的轉(zhuǎn)移，并研究了轉(zhuǎn)移與磨損間的關(guān)系。文獻[7]研究了氧化磨損的動態(tài)特征，在磨損過程與遷移(被磨掉)之間建立了平衡狀態(tài)：摩擦?xí)r，軟金屬向硬金屬轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的金屬迅速被氧化，直至氧化膜限制了金屬的進一步轉(zhuǎn)移，隨后氧化膜被磨掉，這是個循環(huán)往復(fù)的過程。關(guān)于物體潤滑的研究，學(xué)者們最初觀察到了流體動壓現(xiàn)象。1886年，Reynolds在總結(jié)以上現(xiàn)象的基礎(chǔ)上建立了表征流體潤滑膜力學(xué)性能的Reynolds方程，奠定了流體潤滑的理論基礎(chǔ)[8]。20世紀(jì)50年代電子計算機在科學(xué)上廣泛應(yīng)用，接觸彈性流體動壓潤滑理論發(fā)展迅速。近些年，固體潤滑得到了長足的進展。關(guān)于磨損的研究，學(xué)者們于20世紀(jì)50年代提出黏著理論后，各種表面分析儀器相繼被應(yīng)用，磨損研究迅速發(fā)展。在綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關(guān)系的過程中，摩擦學(xué)逐漸形成一門學(xué)科。目前，摩擦學(xué)的研究發(fā)展已經(jīng)由靜態(tài)特性研究轉(zhuǎn)為動態(tài)過程研究，由定性關(guān)系轉(zhuǎn)為定量關(guān)系，由宏觀現(xiàn)象分析進入微觀機理研究，由單一學(xué)科分散研究逐漸轉(zhuǎn)為對摩擦學(xué)系統(tǒng)諸多影響因素進行多學(xué)科的綜合研究[4]，并且隨著工業(yè)的高速發(fā)展，摩擦學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。我國摩擦學(xué)的研究興起于1956年，經(jīng)過60多年的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)影響力越來越高。2017年9月，北京成功舉辦了第六屆世界摩擦學(xué)大會。

現(xiàn)階段，摩擦學(xué)研究可劃分為7個方向：材料摩擦磨損，潤滑理論及應(yīng)用，生物及仿生摩擦學(xué)，微納摩擦學(xué)，表面工程摩擦學(xué)，工業(yè)摩擦學(xué)，摩擦學(xué)設(shè)計。滾動軸承作為重要的基礎(chǔ)件與上述摩擦學(xué)板塊密切相關(guān)，如軸承的設(shè)計(摩擦學(xué)設(shè)計)，軸承材料的摩擦磨損，軸承的潤滑，軸承套圈的表面處理(表面工程摩擦學(xué))，軸承的應(yīng)用(工業(yè)摩擦學(xué))。由此可見，滾動軸承的發(fā)展離不開摩擦學(xué)。

1 摩擦學(xué)在滾動軸承中的應(yīng)用

滾動軸承作為重要的基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。滾動軸承中摩擦副較多，如滾動體與內(nèi)外圈滾道面的摩擦,滾動體與保持架兜孔的摩擦,潤滑劑與滾動體的摩擦,潤滑劑與內(nèi)外圈滾道面的摩擦,甚至密封圈的摩擦。按摩擦產(chǎn)生機理，滾動軸承摩擦又可分為純滾動摩擦、滑動摩擦(滾動接觸表面上的差動、自旋等滑動摩擦；滑動接觸部位的滑動摩擦包括滾動體與保持架兜孔之間的滑動；保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動；滾子端面與套圈擋邊之間的滑動； 密封軸承中密封件與套圈之間的滑動等等)、潤滑劑的黏性阻滯摩擦。對照現(xiàn)階段摩擦學(xué)研究方向，從滾動軸承材料摩擦磨損(對應(yīng)于摩擦學(xué)材料摩擦磨損方向)、滾動軸承設(shè)計(對應(yīng)于摩擦學(xué)設(shè)計摩擦學(xué)方向)、滾動軸承表面處理(對應(yīng)于表面工程摩擦學(xué)方向)以及滾動軸承的潤滑(對應(yīng)于摩擦學(xué)潤滑理論及應(yīng)用方向)4個方面論述摩擦學(xué)在滾動軸承中的應(yīng)用。

1.1 材料的摩擦磨損

滾動軸承壽命很大程度受軸承材料性能的影響，尤其是苛刻環(huán)境下。然而，由于滾動軸承摩擦副較多，摩擦必產(chǎn)生磨損，磨損到一定程度，軸承就會失效。磨損失效是滾動軸承失效的主要形式之一[9]。文獻[10]研究了Cr4Mo4V磨損性能，認(rèn)為材料表面黏著磨損及疲勞磨損的凹坑會引起表面裂紋；文獻[11]對滾動軸承WEC失效進行摩擦學(xué)分析，認(rèn)為WEC失效是摩擦材料、摩擦機械和摩擦化學(xué)微平衡的產(chǎn)物。因此，研究軸承材料的摩擦磨損，探究軸承材料的磨損機理，從材料角度尋求減少滾動軸承磨損，是有效提高滾動軸承壽命的方法之一。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(設(shè)計摩擦學(xué))

隨著滾動軸承的廣泛應(yīng)用，尤其是苛刻條件下，對滾動軸承的設(shè)計提出了更高的要求。滾動軸承設(shè)計的宗旨應(yīng)是滿足應(yīng)用條件要求，如SKF公司開發(fā)的高速角接觸球軸承[12]，為滿足高轉(zhuǎn)速(dm·n=1.05×106mm·r/min)，軸承設(shè)計做出如下改變：改進溝道面輪廓形貌，改變接觸角，改進保持架兜孔形貌，最終減少球與溝道面間的滑動，減少保持架兜孔力，進而減少保持架與球的摩擦，最終開發(fā)出滿足要求的高性能軸承。NSK通過軸承密封設(shè)計開發(fā)的高性能低摩擦密封件如圖1所示[13]。滾動軸承的設(shè)計在滿足客戶要求的同時，實現(xiàn)了盡量減少各摩擦副摩擦的效果。由此可見，摩擦學(xué)的應(yīng)用有助于改進滾動軸承的設(shè)計。

圖1 NSK新型軸承密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Sealing structure of new bearing developed by NSK

1.3 表面處理與摩擦學(xué)

隨著對滾動軸承失效的深入統(tǒng)計分析，其失效往往發(fā)生在套圈或滾動體的表層及次表層；另外，在世界范圍內(nèi)節(jié)省能源、減少污染的背景下，滾動軸承表面處理技術(shù)發(fā)展迅速。文獻[14]認(rèn)為滾動軸承表面處理技術(shù)是以后的發(fā)展趨勢。無論傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)，如滲碳、滲氮、PVD和CVD，還是新興的表面處理技術(shù)，如離子注入、激光表面改性、超聲波表面改性等，均有性能評價即耐磨性，這必然要通過摩擦試驗。文獻[15-17]分別研究了N離子注入對9Cr18表層磨損性能影響,金屬離子注入對Cr4Mo4V磨損性能的影響以及ZnO復(fù)合層處理的M50表層磨損性能。不同N離子處理工藝9Cr18表層磨損量對比結(jié)果如圖2所示[12]。文獻[18]采用天然抗氧化劑進行表面處理，明顯降低了摩擦因數(shù)(圖3)。通過研究經(jīng)表面處理的表層的摩擦學(xué)特性，可以掌握改性層的性能及損傷機理，最終改善表面處理工藝，提高軸承性能和壽命。因此，摩擦學(xué)在滾動軸承表面處理技術(shù)中應(yīng)用廣泛。

圖2 不同N離子處理工藝9Cr18表層磨損量對比Fig.2 Comparison of surface wear amount of 9Cr18 by different N ion treatment processes

圖3 天然抗氧化劑處理軸承表面摩擦因數(shù)對比Fig.3 Comparison of friction coefficients on bearing surface treated with natural antioxidants

1.4 潤滑(摩擦學(xué)潤滑理論)

滾動軸承的優(yōu)異性能離不開潤滑的作用。滾動軸承失效很大程度是由于潤滑失效，即潤滑狀態(tài)的改變(潤滑劑污染、潤滑油膜厚度的改變)。一般來說，滾動軸承潤滑良好，潤滑油膜能完全隔離滾動體與套圈,使之處于彈流潤滑狀態(tài)；然而，軸承實際運轉(zhuǎn)過程中，滾動軸承往往處于混合潤滑狀態(tài),甚至潤滑失效時滾動軸承處于干摩擦狀態(tài)，這些都與滾動軸承潤滑理論中油膜厚度變化有關(guān)。潤滑理論在不斷發(fā)展和完善，并應(yīng)用于滾動軸承，文獻[19]詳細論述了滾動軸承潤滑理論。文獻[20]研究認(rèn)為：油膜厚度hT=hR(增稠劑材料)+hEHL(流體彈性動力潤滑膜)；通過定義潤滑脂壽命并依據(jù)壽命試驗結(jié)果提出換油時間經(jīng)驗公式為

L10=2.7L01。

另外，滾動軸承應(yīng)用環(huán)境多樣，沒有一種特定的潤滑劑能滿足所有滾動軸承的潤滑狀態(tài)，因此，滾動軸承的潤滑還包括潤滑劑研發(fā)及應(yīng)用。如NTN在潤滑劑中添加抑制劑形成氧化膜抑制H進入鋼基體，使其壽命提高約4倍[21]。文獻[22]研究了油脂化學(xué)成分對滾動接觸疲勞磨損的影響，認(rèn)為增加增稠劑的皂含量，可增加油膜厚度，減少接觸磨損(圖4)。

圖4 不同潤滑試驗的磨損體積Fig.4 Wear volume for different lubrication tests

由此可見，摩擦學(xué)中潤滑理論與滾動軸承潤滑密切相關(guān)，且摩擦學(xué)有助于為實際工況選擇合適的潤滑劑。

2 摩擦學(xué)在滾動軸承中應(yīng)用展望

2.1 與國外知名軸承企業(yè)差距

世界知名軸承企業(yè)均較重視摩擦學(xué)在滾動軸承中的應(yīng)用，并廣泛開展相關(guān)研究。2012年，SKF投資了1.8億歐元用于研發(fā)，許多重要創(chuàng)新都是摩擦學(xué)的成果，如SKF能效型軸承、永不磨損涂層、陶瓷軸承、銅和聚合物保持架、特殊應(yīng)用的超光潔軸承、表面網(wǎng)紋、油脂和潤滑劑規(guī)格以及低摩擦密封件等[23]。Schaeffler公司歷來重視摩擦學(xué)并已制定了軸承的摩擦學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[24]。NSK公司更是把摩擦學(xué)知識作為4個核心技術(shù)(摩擦學(xué)技術(shù)、解析技術(shù)、材料技術(shù)、機電一體化技術(shù))之一[25]。NTN公司把摩擦學(xué)作為其所有技術(shù)的基礎(chǔ)并以此進行技術(shù)延伸[26]，其技術(shù)樹如圖5所示。JTEKT公司以摩擦學(xué)為依據(jù)，通過材料開發(fā)及加工技術(shù)進行革新[27]。生產(chǎn)世界最小的球軸承(外徑僅1.5 mm)的NMB公司認(rèn)為摩擦(潤滑)技術(shù)是減少摩擦磨損必不可少的，近半個世紀(jì)積累的潤滑技術(shù)確保其根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用進行潤滑設(shè)計[28]。由此可以看出，國外著名的軸承企業(yè)均較重視摩擦學(xué)及其在滾動軸承上的應(yīng)用。

圖5 NTN技術(shù)樹Fig.5 Technical tree of NTN

國內(nèi)軸承企業(yè)對摩擦學(xué)在滾動軸承中的應(yīng)用重視較少，且國內(nèi)摩擦學(xué)研究者多數(shù)不從事軸承相關(guān)工作，而軸承從業(yè)者較少系統(tǒng)地了解摩擦學(xué)知識。這一現(xiàn)狀與國外摩擦學(xué)發(fā)展的境況截然相反。因此，從摩擦學(xué)在滾動軸承應(yīng)用方面來看，我國軸承企業(yè)與國外軸承企業(yè)存在較大差距，這或許是我國高端軸承產(chǎn)品質(zhì)量不如國外軸承企業(yè)的原因之一。因此，如何有效地將摩擦學(xué)應(yīng)用于滾動軸承，改善滾動軸承摩擦損耗(低摩擦、低能耗)，提高滾動軸承性能及壽命，是未來軸承發(fā)展的方向之一。

2.2 展望

現(xiàn)階段滾動軸承發(fā)展一方面趨向于高可靠、長壽命,另一方面趨向于節(jié)約能耗,減少環(huán)境污染。而運用摩擦學(xué)知識可以減少滾動軸承摩擦副的摩擦，改進滾動軸承材料、滾動軸承的設(shè)計、軸承表面處理技術(shù)，改善滾動軸承的潤滑狀態(tài)，提高軸承性能，進而延長滾動軸承壽命。因此，對摩擦學(xué)在滾動軸承的應(yīng)用提出如下建議：

1)開展?jié)L動軸承減摩耐磨設(shè)計。運用摩擦學(xué)知識優(yōu)化軸承設(shè)計，改善滾動軸承中摩擦副的摩擦狀態(tài)。

2)進行滾動軸承的潤滑劑研發(fā)及潤滑理論研究。滾動軸承型號較多且應(yīng)用環(huán)境不同，通過潤滑理論基礎(chǔ)研究，探求相應(yīng)軸承的最佳潤滑方式以及研發(fā)性能優(yōu)異的潤滑劑，從而改善軸承性能，提高軸承壽命。

3)自潤滑軸承材料研發(fā)。滾動軸承的發(fā)展離不開軸承材料的發(fā)展，然而苛刻環(huán)境下(如航空航天)傳統(tǒng)的潤滑方式不再適合，新穎的潤滑方式(如自潤滑)則較為重要。當(dāng)前軸承的自潤滑主要以軸承表面進行固體潤滑或保持架浸油的方式實現(xiàn)，開發(fā)性能優(yōu)越的軸承自潤滑材料是有效的方式之一。

4)滾動軸承表面工程技術(shù)研究。目前軸承表面工程技術(shù)是軸承延壽的熱點之一，開展?jié)L動軸承表面工程技術(shù)系統(tǒng)研究，如離子注入、表面改性(噴涂、超聲波加工)等，擴大苛刻環(huán)境下滾動軸承的應(yīng)用范圍，同時提高滾動軸承壽命。

3 結(jié)束語

摩擦學(xué)與軸承聯(lián)系緊密，利用摩擦學(xué)知識有益于改善滾動軸承性能，提高其壽命。國外知名軸承企業(yè)均比較重視摩擦學(xué)在滾動軸承中的應(yīng)用,而國內(nèi)軸承企業(yè)對摩擦學(xué)認(rèn)識不夠，摩擦學(xué)與滾動軸承的聯(lián)系較少，與國外軸承企業(yè)的差距較大。當(dāng)前國內(nèi)軸承產(chǎn)量較大，質(zhì)量不高。要實現(xiàn)軸承行業(yè)從產(chǎn)量大國到質(zhì)量強國的轉(zhuǎn)變，需重視摩擦學(xué)在滾動軸承上的應(yīng)用。只要努力改進，未來摩擦學(xué)在滾動軸承中的應(yīng)用必居于世界軸承企業(yè)的前列。