(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖北武漢 430070)

隨著航天、航空以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等高端技術(shù)的發(fā)展，高溫自潤滑滾動(dòng)軸承在高溫、輻射、高壓等極端條件下的摩擦、磨損與潤滑方面的研究日益引起人們的重視[1-2]。目前關(guān)于高溫自潤滑滾動(dòng)軸承的研究，主要是在保持架、滾道表面潤滑膜的改性等方面。卓會(huì)丹等[3]通過離子注入與沉淀工藝在氮化硅陶瓷球表面制備出DLC膜，研究了鍍DLC膜的角接觸球軸承在常溫至400 ℃范圍內(nèi)摩擦學(xué)性能，指出試驗(yàn)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，試樣表面的DLC膜將開始脫落。張晶[4]制備了二硫化鎢系自潤滑陶瓷球軸承，并通過試驗(yàn)說明二硫化鎢在高溫環(huán)境下具有較好的摩擦學(xué)性能和抗氧化性。賈貴西等[5]研究了鉻摻雜碳涂層對(duì)滾動(dòng)軸承性能的影響，指出適當(dāng)增加鉻元素含量可以提高涂層軸承的溫升性能、抗溫變性能和自潤滑性能。謝鵬飛等[6]采用聚四氟乙烯保持架與表面鍍WS2復(fù)合固體潤滑膜的滾動(dòng)球組合的軸承進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該軸承的摩擦力矩明顯低于某國外產(chǎn)品。目前對(duì)高溫自潤滑滾子軸承的研究，大多采用石墨和MoS2、DLC為固體潤滑劑[7]，通過在滾動(dòng)體表面涂抹固體潤滑劑形成潤滑膜從而達(dá)到自潤滑的效果。但是高溫自潤滑滾動(dòng)軸承在受到載荷、轉(zhuǎn)速、溫度等條件的影響下，滾動(dòng)體表面的潤滑膜會(huì)出現(xiàn)不同程度的剝落，從而影響潤滑效果，縮短高溫自潤滑滾動(dòng)軸承的使用壽命。所以，探索一種全新的自潤滑方式和固體潤滑劑，對(duì)于高溫自潤滑滾動(dòng)軸承的工程應(yīng)用具有重要的意義。

多孔材料是一種在表面或內(nèi)部分布大量孔隙結(jié)構(gòu)的材料,與致密材料相比，具有密度小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也能保證良好的機(jī)械性能[8-12]。本文作者制備多孔結(jié)構(gòu)的Sn-Ag-Cu高溫自潤滑滾子，其自潤滑原理模擬人體發(fā)汗的方式，在外界溫度和摩擦熱的作用下，浸漬在多孔結(jié)構(gòu)的滾子內(nèi)的固體軟金屬潤滑劑析出摩擦表面，在滾子與滾道之間的滾子阻力的作用下均勻地鋪展在摩擦表面，起到潤滑作用。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種模擬高溫平面推力滾子軸承摩擦的試驗(yàn)裝置，通過該裝置研究了不同溫度下滾子軸承的摩擦學(xué)特性。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)軸承主要由高溫自潤滑金屬陶瓷圓柱滾子、上下試驗(yàn)盤(材料均為2Cr13)、滾珠(材料為GCr15)4部分組成。其中軸承滾子制備工藝為：將純度為99.9%的Sn、Ag、Cu固體金屬粉末，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8∶7∶5的配比混合后，與預(yù)先燒結(jié)制備的多孔金屬陶瓷基體滾子、潤濕劑一同放入高溫真空熔滲裝置的石墨坩堝中，浸漬成高溫自潤滑金屬陶瓷滾子毛坯，再經(jīng)研磨加工成滾子試樣。燒制的滾子試樣在常溫下的物理機(jī)械性能如表1所示。

表1 自潤滑滾子在常溫下的物理機(jī)械性能

滾子、上下試驗(yàn)盤及滾珠的表面粗糙度Ra分別為0.09、0.30、0.30、0.60 μm。滾子的尺寸為φ10 mm×9.7 mm，上試驗(yàn)盤外徑、內(nèi)徑及厚度分別為 68、40、6 mm，滾珠直徑為8.5 mm。下試驗(yàn)盤結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 下試驗(yàn)盤尺寸Fig 1 Size of lower test plate

1.2 試樣組合與試驗(yàn)方法

圖2(a)所示為外購的81208型普通軸承的銅制保持架，在500 ℃溫度中經(jīng)過短時(shí)間摩擦試驗(yàn)后的斷裂圖片，試驗(yàn)表明銅制保持架在高溫環(huán)境下易發(fā)生損壞而無法正常工作。為了利用XP-2型數(shù)控高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)自潤滑平面推力軸承進(jìn)行高溫滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如圖2(b)所示的試驗(yàn)零件組合結(jié)構(gòu)：在下試驗(yàn)盤的圓槽中，放入小于軸承滾子直徑的滾珠將滾子隔開。由于滾珠的直徑小于滾子的直徑，在試驗(yàn)中不承受試驗(yàn)載荷，并且滾珠的滾動(dòng)摩擦阻力很小，因此滾珠和圓槽的組合相當(dāng)于軸承中保持架的作用，能保證滾子在試驗(yàn)中沿著下試驗(yàn)盤上的圓槽進(jìn)行公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。

圖2(a) 銅制保 圖2(b) 下試驗(yàn)盤、滾子、 持架 滾珠組合結(jié)構(gòu)Fig 2(a) Copper Fig 2(b) Composite structure of cage lower test plate,roller and ball

試驗(yàn)裝夾結(jié)構(gòu)的原理簡圖如圖3所示。上試驗(yàn)盤由試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸驅(qū)動(dòng)，下試驗(yàn)盤軸向固定不動(dòng)，試驗(yàn)載荷F通過上試驗(yàn)盤作用在上下試驗(yàn)盤與滾子之間，試驗(yàn)溫度由電阻絲加熱爐控制，摩擦力則通過固定在下試驗(yàn)盤支承座上的傳感器檢測并傳送給計(jì)算機(jī)顯示和保存。試驗(yàn)溫度分別設(shè)定為400、500、600 ℃，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為100 r/min，載荷為200 N。試驗(yàn)前用丙酮對(duì)滾子、滾珠和試驗(yàn)盤進(jìn)行超聲波清洗，消除試樣表面吸附物的影響。

圖3 試驗(yàn)原理簡圖Fig 3 Experimental schematic diagram

試驗(yàn)過程中的滾動(dòng)摩擦因數(shù)由計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄和顯示，試驗(yàn)后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、電子探針(EDS)對(duì)下試驗(yàn)盤滾道的表面形貌、滾道槽內(nèi)形成的潤滑膜成分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 溫度對(duì)自潤滑滾子軸承摩擦因數(shù)的影響

圖4示出了高溫自潤滑滾子軸承在載荷200 N、轉(zhuǎn)速100 r/min下，試驗(yàn)溫度分別為400、500、600 ℃時(shí)摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線。

圖4 400～600 ℃溫度下滾子軸承摩擦因數(shù)變化曲線Fig 4 Friction coefficient curves of rolling bearings at the temperature from 400 ℃to 600 ℃

由圖4可知，滾子軸承的摩擦因數(shù)隨著試驗(yàn)溫度的上升而降低，當(dāng)溫度上升到600 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)降低至0.024，并持續(xù)保持著良好的潤滑效果。

2.2 磨損表面形貌和成分分析

圖5所示為自潤滑滾子與下試驗(yàn)盤在400 ℃溫度下滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)后，槽內(nèi)滾動(dòng)摩擦表面的SEM圖。

圖 5 400 ℃溫度下摩擦磨損試驗(yàn)后下試驗(yàn)盤摩擦表面SEM照片F(xiàn)ig 5 SEM photographs of the friction surface of lower test plate after friction and wear test at 400 ℃ (a)surface morphology of lower test plate;(b)local magnification of friction surface

由圖5(a)可知，下試驗(yàn)盤槽內(nèi)摩擦表面只有少量零星散落分布的潤滑膜，從圖5(b)可以看出400 ℃時(shí)摩擦試驗(yàn)盤磨損表面有明顯的磨損痕跡(白色高亮部分)。對(duì)圖5(a)中區(qū)域1和2進(jìn)行EDS成分分析后，結(jié)果如表2所示。可知，區(qū)域1主要由Fe、Cr、O以及少量的Sn、Ag、Cu元素組成，其中Fe、Cr原子分?jǐn)?shù)占大約71%，而固體潤滑劑成分Sn、Ag、Cu只占7%，說明溫度為400 ℃時(shí)，只有少量固體潤滑劑從滾子表面的孔隙中析出形成潤滑膜[13]，下試驗(yàn)盤表面大部分還是基體材料；區(qū)域2中沒有潤滑劑合金，只有少量O元素成分。區(qū)域1、區(qū)域2的成分分析結(jié)果說明：在溫度為400 ℃時(shí)，相互接觸的潤滑區(qū)域內(nèi)只有少量潤滑劑合金析出并參與潤滑，而非潤滑區(qū)域內(nèi)沒有潤滑成分，自潤滑滾子與試驗(yàn)盤直接接觸，導(dǎo)致滾子軸承的摩擦因數(shù)偏高(如圖4所示)。

表2 各區(qū)域譜圖的原子分?jǐn)?shù)

圖6所示是試驗(yàn)溫度為500 ℃時(shí)摩擦試驗(yàn)后下試驗(yàn)盤的SEM表面形貌圖。

圖 6 500 ℃溫度下摩擦磨損試驗(yàn)后下試驗(yàn)盤摩擦 表面SEM照片F(xiàn)ig 6 SEM photographs of the friction surface of lower test plate after friction and wear test at 500 ℃ (a)surface morphology of lower test plate;(b)local magnification of friction surface

由圖6(b)可知，下試驗(yàn)盤表面的潤滑膜覆蓋率比溫度為400 ℃時(shí)高，潤滑膜外觀平整光滑，但是仍然可以看出有潤滑膜破壞后形成的剝落痕跡。由圖6(a)中區(qū)域3和區(qū)域4的EDS譜圖分析結(jié)果可知(如表2所示)，區(qū)域4為非潤滑區(qū)，區(qū)域3為潤滑區(qū)域。區(qū)域3表面的主要成分為Fe、Cr、O、Ag、Cu、Sn，其中固體潤滑劑Sn、Ag、Cu三者總的原子比上升到了20%左右，O原子的百分比上升到40.4%左右。分析可知，這是由于500 ℃溫度已接近高溫自潤滑滾子中的潤滑劑合金的熔點(diǎn)，有部分Sn、Ag、Cu從滾子中析出并在摩擦力的作用下均勻地涂覆在摩擦表面上，而下試驗(yàn)盤的Fe和Cr和與環(huán)境中的O元素在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成具有潤滑作用的的Fe2O3、Cr2O3氧化物[14-15]，在摩擦表面上形成了一層復(fù)合的潤滑膜。因此與溫度為400 ℃的情況相比，在500 ℃時(shí)滾子和試驗(yàn)盤之間的摩擦因數(shù)值從0.037下降至更低值0.025。

圖7所示為600 ℃時(shí)摩擦之后下試驗(yàn)盤的表面形貌圖。

圖 7 600 ℃溫度下摩擦磨損試驗(yàn)后下試驗(yàn)盤摩擦表面SEM 照片F(xiàn)ig 7 SEM photographs of the friction surface of lower test plate after friction and wear test at 600 ℃ (a)surface morphology of lower test plate;(b)local magnification of friction surface

圖7(b)顯示在下試驗(yàn)盤上有較多完整的潤滑膜，而潤滑膜剝落的痕跡已經(jīng)很少。相應(yīng)地，由表2可以看出，在圖7(a)區(qū)域5中潤滑膜的主要成分為Sn、Ag、Cu、O和部分Fe、Cr等，并且固體潤滑劑合金的比例已達(dá)到36%，其中Sn和Ag的原子百分比大約占了28%。這是由于600 ℃溫度已經(jīng)達(dá)到了潤滑劑合金的熔點(diǎn)，大量的潤滑劑合金開始以融熔態(tài)形式出現(xiàn)，涂覆在試驗(yàn)盤表面上形成潤滑膜，進(jìn)一步降低摩擦因數(shù)。區(qū)域6為非潤滑區(qū)域，由表2可知該區(qū)域除了含有大量Fe和Cr成分以外，還有少量Sn、Ag成分，說明600 ℃的高溫已使?jié)L子中析出的潤滑劑合金更容易涂覆到更多的摩擦表面上。

通過圖5、6、7所示的下試驗(yàn)盤表面形貌圖以及表2所列表面成分的原子百分比可以看出，溫度和潤滑劑合金的熔點(diǎn)是影響高溫自潤滑滾子軸承摩擦學(xué)特性的主要因素。滾子軸承摩擦試驗(yàn)溫度不同(400、500、600 ℃)，在下試驗(yàn)盤摩擦表面形成的潤滑膜中的原子百分比也不同，潤滑膜將呈現(xiàn)出不同的潤滑效果，最終導(dǎo)致不同的摩擦現(xiàn)象和磨損機(jī)制。當(dāng)Sn-Ag-Cu系自潤滑材料潤滑劑合金的熔點(diǎn)為600 ℃左右時(shí)，滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定后，下試驗(yàn)盤溝槽中的摩擦表面可分為潤滑區(qū)域和非潤滑區(qū)域。試驗(yàn)為400 ℃時(shí)，在摩擦表面只有少量潤滑膜與少量氧化物起潤滑作用，潤滑效果較差，存在自潤滑滾子與試驗(yàn)盤基體直接接觸發(fā)生黏著磨損的現(xiàn)象。當(dāng)試驗(yàn)溫度為500 ℃時(shí)，摩擦表面潤滑膜破壞后未能及時(shí)重新形成完整的潤滑膜，滾子和試驗(yàn)盤基體仍有部分直接接觸，因此還會(huì)產(chǎn)生部分黏著磨損與氧化磨損，潤滑效果中等。當(dāng)試驗(yàn)溫度為600 ℃時(shí)，大量潤滑劑從滾子中析出并覆蓋在摩擦表面上，使得基體與滾子接觸的機(jī)會(huì)減少，并且阻擋了基體中的Fe和Cr與外界的O元素相接觸，摩擦表面上的氧化物逐漸減少,因此黏著磨損和氧化磨損得到進(jìn)一步減輕，潤滑膜破壞后能得到及時(shí)修復(fù)，因此摩擦表面潤滑膜的剝落痕跡明顯減輕，潤滑效果最好。

針對(duì)高溫自潤滑滾子軸承在不同溫度下表現(xiàn)出的摩擦學(xué)特性，在工程實(shí)際應(yīng)用中，可以采用高溫自潤滑材料滾珠代替試驗(yàn)中的GCr15滾珠，通過調(diào)整燒結(jié)材料的配比和設(shè)計(jì)潤滑劑合金熔點(diǎn)的方法，確保高溫滾動(dòng)摩擦過程中，摩擦表面有足夠多的潤滑劑析出并形成連續(xù)的潤滑膜。

3 結(jié)論

(1)提出了一種利用滾珠隔離承載滾子的無保持架軸承結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推力滾子軸承的高溫試驗(yàn)研究。

(2)試驗(yàn)溫度在400～600 ℃之間時(shí)，Sn-Ag-Cu系自潤滑金屬陶瓷滾子與2Cr13試驗(yàn)盤之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)與溫度成反比關(guān)系，溫度為600 ℃時(shí)摩擦因數(shù)降低至0.024。

(3)軸承的工作溫度和自潤滑多孔材料中潤滑合金的熔點(diǎn)是影響高溫自潤滑滾子軸承摩擦學(xué)特性的主要因素。當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到潤滑劑合金熔點(diǎn)時(shí)，大量潤滑劑析出并在摩擦表面形成潤滑膜,阻止材料發(fā)生黏著與氧化磨損，摩擦與磨損均達(dá)到一個(gè)較低的狀態(tài)。