王玉榮 ,蔡美榮 ,邢喜民 ,郭 峰 ,周 峰

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,山東 青島 266520;2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;3.新疆工程學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830023)

含油軸承問(wèn)世于1870年，隨后得到廣泛發(fā)展，現(xiàn)已成為電子設(shè)備、電器設(shè)備、汽車及精密機(jī)械設(shè)備中不可或缺的組成部件[1].隨著工業(yè)界對(duì)含油軸承提出更高的要求，開發(fā)新型含油軸承迫在眉睫.含油軸承的潤(rùn)滑劑是影響軸承潤(rùn)滑性能的重要因素之一[2]，為了提高含油軸承的自潤(rùn)滑性能，則須改善灌入軸承的潤(rùn)滑劑.灌入軸承的傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑為潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑油[3].潤(rùn)滑脂是由增稠劑、基礎(chǔ)油和添加劑組成的半固體，內(nèi)部可存儲(chǔ)部分潤(rùn)滑油，并在需要時(shí)將其釋放發(fā)揮潤(rùn)滑的作用，但潤(rùn)滑脂黏度較大，不易被灌到軸承中.此外，軸承表面上的油脂過(guò)多會(huì)阻塞潤(rùn)滑油從孔中流出，從而影響潤(rùn)滑效果[4].固體潤(rùn)滑劑可用作軸承材料的粉末組分，但這些固體添加劑顆粒可能會(huì)因堵塞軸承孔而不能充分發(fā)揮潤(rùn)滑作用[5]，故也不能充分地提高軸承的潤(rùn)滑性能.儲(chǔ)存在軸承中的潤(rùn)滑油可以直接潤(rùn)滑軸承，然而，目前市場(chǎng)上的許多含油軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)黏度過(guò)低導(dǎo)致大量的潤(rùn)滑油被從軸承中甩出，導(dǎo)致軸承因潤(rùn)滑油的流失而發(fā)生潤(rùn)滑失效，造成軸承的摩擦和磨損，這極大地縮短了軸承的使用壽命.此外，被甩出或飛濺到零部件上的潤(rùn)滑油可能會(huì)與之發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致零部件出現(xiàn)硬化、膨脹及軟化等問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)造成污染問(wèn)題[3].為了解決以上問(wèn)題，作者所在課題組發(fā)展了一種新型凝膠潤(rùn)滑劑，是小分子凝膠因子通過(guò)氫鍵、范德華力及π-π堆積等相互作用發(fā)生分子自組裝形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]，把常見的基礎(chǔ)油牢固地約束于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，將液體變成類似果膠狀的半固體，實(shí)現(xiàn)了油或脂的可逆轉(zhuǎn)變.其中，凝膠因子在基礎(chǔ)油中又發(fā)揮添加劑的作用，使新型潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能、蠕變恢復(fù)和潤(rùn)滑性能[7-14]，并能有效地減少潤(rùn)滑油的泄露、爬移或揮發(fā)等問(wèn)題，使其在潤(rùn)滑領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注.

本文中使用該新型凝膠潤(rùn)滑劑替代傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油灌入到多孔鐵基和聚酰亞胺的軸承材料中，制備了一種新型自潤(rùn)滑軸承材料，并研究了其儲(chǔ)油性能和潤(rùn)滑性能.該新型含油軸承材料既可作為微儲(chǔ)油器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑，又可減少軸承的甩油問(wèn)題，提高其儲(chǔ)油性能，并改善其潤(rùn)滑性能.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

潤(rùn)滑油為PAO10和500SN (美國(guó)?？松梨诨す?，一種商業(yè)油(記為Oil)由洛陽(yáng)軸承科技有限公司提供.參照文獻(xiàn)[10]制備凝膠因子2R-2-(3,4-二氯苯基)-6-(1,2-二羥乙基)-5-羥基-N-辛基-1,3-二惡烷-4-甲酰胺(記為G8)；另一種凝膠因子十二羥基硬脂酸(記為H)購(gòu)自北京百靈威科技有限公司.

粉末冶金鐵基材料(多孔鐵基軸承材料)購(gòu)自廣東省中山市翔宇粉末冶金制品有限公司，其尺寸為Φ24 mm×8 mm，各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6% C、1.5% Cu和96.9% Fe，平均密度為5.75～5.85 ɡ/cm3，軸承的含油量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))可達(dá)5%～10%.多孔聚酰亞胺類軸承材料由洛陽(yáng)軸承科技有限公司提供，其孔的平均尺寸約為1 μm，軸承的含油量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))可達(dá)12%～15%.四種不同規(guī)格的微孔材料(平均孔徑分別為約5、10、20和30 μm)購(gòu)自寶雞銀高金屬材料有限公司，其尺寸均為Φ24 mm×7 mm，含油量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))可達(dá)5%～8%.

1.2 凝膠潤(rùn)滑劑的制備

圖1展示了兩種凝膠因子的分子結(jié)構(gòu)，選擇500SN、PAO10和Oil作為基礎(chǔ)油，將一定質(zhì)量濃度的凝膠因子G8或H分別添加到相應(yīng)的基礎(chǔ)油中，加熱攪拌直至完全溶解，然后冷卻至室溫即形成凝膠.由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的G8和98%的500SN組成的凝膠潤(rùn)滑劑標(biāo)記為2% A，由2%的G8和98%的PAO組成的凝膠潤(rùn)滑劑標(biāo)記為2% B，由3%的H和97%的PAO組成的凝膠潤(rùn)滑劑標(biāo)記為3% B，由2%的H和98%的Oil組成的凝膠潤(rùn)滑劑標(biāo)記為2% C，本文中的含量都是指質(zhì)量分?jǐn)?shù).圖2示出了以凝膠因子G8為例的2% PAO凝膠自組裝示意圖，根據(jù)之前報(bào)道可知，超分子凝膠因子通過(guò)分子之間的氫鍵、范德華力、疏水相互作用及π-π堆積等相互作用發(fā)生超分子自組裝形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將PAO潤(rùn)滑油束縛在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，從而獲得具有熱可逆性、蠕變恢復(fù)和觸變性能的油凝膠潤(rùn)滑劑.

Fig.1 Molecular structures of (2R)-2-(3,4-dichlorophenyl)-6-(1,2-dihydroxyethyl)-5-hydroxy-N-octyl-1,3-dioxane-4-carboxamide (G8) and 12-Hydroxystearic acid (H)圖1 2R-2-(3,4-二氯苯基)-6-(1,2-二羥乙基)-5-羥基-N-辛基-1,3-二惡烷-4-甲酰胺(G8)和十二羥基硬脂酸(H)的分子結(jié)構(gòu)

Fig.2 Self-assembled schematic diagram of PAO gel圖2 PAO凝膠的自組裝示意圖

1.3 含浸凝膠自潤(rùn)滑軸承材料的制備

使用CW1200-CW1800 SiC砂紙拋光多孔鐵基和聚酰亞胺軸承材料直至表面粗糙度達(dá)到0.5 μm，然后，用丙酮或石油醚超聲清洗，干燥24 h備用.以相同的方式對(duì)四種微孔材料(5、10、20和30 μm)進(jìn)行拋光和超聲清洗.圖3分別展示了未灌入潤(rùn)滑劑的多孔聚酰亞胺軸承材料(Porous poly-based bearing materials)和多孔鐵基軸承材料以及孔徑為20 μm微孔材料表面形貌的光學(xué)顯微鏡照片.

Fig.3 Optical micrographs of (a) oil-free porous poly-based bearing materials,(b) oil-free porous iron-based bearing materials and(c) oil-free 20 μm microporous materials圖3 (a)未灌入潤(rùn)滑劑的多孔聚酰亞胺軸承材料、(b)多孔鐵基軸承材料和(c) 20 μm微孔材料表面形貌的光學(xué)顯微鏡照片

圖4展示了含浸凝膠的多孔軸承材料和微孔材料的制備過(guò)程：(1)取20 g制備好的凝膠潤(rùn)滑劑添加到100 mL燒杯中，然后，將盛有凝膠的燒杯放入110 ℃的真空干燥箱中；(2)待凝膠變成液體后(約8～15 min)，將拋光后的空白多孔鐵基和多孔聚酰亞胺軸承及三種微孔材料分別放入盛有凝膠的燒杯中，保持真空干燥箱的溫度在110 ℃左右，打開真空泵，并將壓力表調(diào)節(jié)至0.08～0.09 MPa，30 min后關(guān)閉真空泵;(3)在110 ℃和0.08～0.09 MPa的真空干燥箱中，軸承和微孔材料被浸泡在液態(tài)凝膠中2～3 h，使液態(tài)凝膠潤(rùn)滑劑通過(guò)孔被灌入到軸承材料中；(4)最后關(guān)閉真空干燥箱電源，打開真空干燥箱蓋，待溫度冷卻至室溫后取出樣品，并用吸油紙擦去表面上多余的凝膠，即可獲得含浸凝膠的自潤(rùn)滑軸承材料.

Fig.4 Schematic diagram of preparation process of the gel-impregnated porous bearing materials and microporous materials圖4 含浸凝膠的多孔軸承和微孔材料的制備過(guò)程示意圖

1.4 離心測(cè)試和摩擦學(xué)測(cè)試

將含浸凝膠和基礎(chǔ)油的多孔軸承材料及微孔材料分別放到離心管中，然后使用TG16-WS高速離心機(jī)進(jìn)行離心測(cè)試.離心試驗(yàn)中離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 000～6 000 r/min或1 000～7 000 r/min，每15 min增加1 000 r/min.在離心試驗(yàn)前后，分別測(cè)含浸凝膠潤(rùn)滑劑軸承的質(zhì)量以計(jì)算每個(gè)轉(zhuǎn)速下軸承材料的離心質(zhì)量損失.使用產(chǎn)自英國(guó)的Stift-Scheibe-Tribometer (TRB)摩擦機(jī)評(píng)價(jià)含浸凝膠和基礎(chǔ)油自潤(rùn)滑軸承材料的摩擦學(xué)性能.選用往復(fù)模式，球是直徑為6 mm的AISI 52100軸承鋼，其硬度約為700～800 HV；下底固定盤是含浸基礎(chǔ)油和凝膠的鐵基軸承材料和多孔聚酰亞胺.鋼球的粗糙度約為0.02 μm，下底固定盤的粗糙度約為0.5 μm.

2 結(jié)果與討論

2.1 含浸凝膠自潤(rùn)滑軸承材料

用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試未灌入潤(rùn)滑劑的空白多孔聚酰亞胺軸承材料(平均孔徑約為1 μm)和微孔材料(平均孔徑約為20 μm)的形貌，結(jié)果如圖5所示.具有良好熱可逆和觸變性能的凝膠填充到上述多孔和微孔材料中形成自潤(rùn)滑軸承材料，因?yàn)樵赟EM測(cè)試中的抽真空環(huán)節(jié)，灌入到軸承材料中的潤(rùn)滑劑很容易揮發(fā)出來(lái)，污染儀器甚至導(dǎo)致儀器出現(xiàn)故障，所以無(wú)法使用SEM觀察灌入油和凝膠的多孔及微孔軸承材料的形貌.但是，可以使用兩種工業(yè)方法證明凝膠已被填充到多孔軸承和微孔材料中，這兩種方法分別是測(cè)量灌入潤(rùn)滑劑前后軸承的質(zhì)量變化和觀察加熱過(guò)程中軸承表面上是否出現(xiàn)液滴.通過(guò)以下公式計(jì)算多孔軸承材料中灌入油或油凝膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[15-16]：，其中w(m)是指多孔軸承材料或微孔材料中不同潤(rùn)滑劑含油量的質(zhì)量百分比，m1是指灌入潤(rùn)滑劑后軸承材料的總質(zhì)量，m0是指灌入潤(rùn)滑劑前軸承材料的原始質(zhì)量.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(1)灌入基礎(chǔ)油和凝膠前后，多孔軸承和微孔材料的質(zhì)量確實(shí)都發(fā)生了變化；(2)在加熱過(guò)程中，灌入油和凝膠的多孔軸承材料及微孔材料的表面均會(huì)出現(xiàn)一些小液滴，而未灌入潤(rùn)滑劑的多孔軸承材料和微孔材料在加熱時(shí)則沒(méi)有出現(xiàn)此現(xiàn)象.這些試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明凝膠和基礎(chǔ)油油已經(jīng)被灌入到多孔軸承材料和微孔材料中.表1中列出了多孔軸承材料和微孔材料灌入七種潤(rùn)滑劑后含油量的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 多孔軸承材料和微孔材料加入不同潤(rùn)滑劑后的含油量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 The oil content of porous bearing materials and microporous materials after adding different lubricants (mass fraction)

Fig.5 SEM micrographs of (a) oil-free porous poly-based bearing materials and (b) oil-free microporous materials (20 μm)圖5 未灌入潤(rùn)滑劑的(a)多孔聚酰亞胺軸承材料和(b)微孔材料(平均孔徑約為20 μm)形貌的SEM照片

2.2 含浸凝膠自潤(rùn)滑軸承材料的儲(chǔ)油性能

利用高速離心試驗(yàn)評(píng)價(jià)了含浸凝膠和潤(rùn)滑油的多孔軸承材料和微孔材料的儲(chǔ)油能力[16]，圖6顯示了灌入不同凝膠和基礎(chǔ)油的多孔聚酰亞胺和鐵基軸承材料的離心質(zhì)量損失結(jié)果.試驗(yàn)的離心速度從1 000到7 000 r/min，其中以1 000 r/min的間隔逐步增速，且在每個(gè)轉(zhuǎn)速下持續(xù)15 min的離心測(cè)試.從圖6(a～c)可得，灌入不同潤(rùn)滑劑的多孔聚酰亞胺軸承材料在每種速度下的離心質(zhì)量損失按從大到小的順序排列為500SN＞2% A、PAO＞3% B、Oil＞2% C.結(jié)果表明灌入基礎(chǔ)油的多孔聚酰亞胺軸承材料的離心質(zhì)量損失遠(yuǎn)大于灌入凝膠的軸承材料.從圖6(d～f)得到類似結(jié)果，灌入基礎(chǔ)油多孔鐵基軸承的離心質(zhì)量損失遠(yuǎn)大于灌入凝膠的軸承材料.此外，對(duì)比鐵基軸承和聚酰亞胺軸承材料的離心質(zhì)量損失發(fā)現(xiàn)，灌入凝膠的鐵基軸承材料的離心質(zhì)量損失遠(yuǎn)大于聚酰亞胺軸承材料，這說(shuō)明含浸凝膠的聚酰亞胺軸承材料具有更好的儲(chǔ)油性能.

Fig.6 Variations of centrifuged mass loss with centrifugal speed of the porous poly-based bearing materials impregnated with(a) 500SN and 2% A,(b) PAO and 3% B,and (c) oil and 2% C.Variations of centrifuged mass loss with centrifugal speed of the porous iron-based bearing materials impregnated with (d) 500SN and 2% A,(e) PAO and 3% B,and (f) oil and 2% C圖6 灌入(a) 500SN和2% A、(b)PAO和3% B以及(c) oil和2% C的多孔聚酰亞胺軸承材料的離心質(zhì)量損失隨離心速度的變化；灌入(d) 500SN和2% A、(e) PAO和3% B以及(f) oil和2% C的多孔鐵基軸承材料的離心質(zhì)量損失隨離心速度的變化

灌入PAO和3% B的多孔聚酰亞胺軸承材料的初始含油量相同，但經(jīng)上述離心試驗(yàn)后，含浸凝膠軸承最終含油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于含浸基礎(chǔ)油軸承，結(jié)果列于表2中，幾乎是基礎(chǔ)油的1.5倍，這說(shuō)明灌入凝膠后形成的自潤(rùn)滑聚酰亞胺軸承材料具有更好的儲(chǔ)油性能.含浸凝膠的鐵基軸承材料與聚酰亞胺軸承材料具有相似的結(jié)果，初始的含油量相同，離心之后，灌入凝膠的多孔鐵基軸承材料的最終含油量幾乎是灌入基礎(chǔ)油的兩倍.表3中列出了灌入PAO和3% B的多孔聚酰亞胺軸承材料在離心速度從1 000至7 000 r/min的離心質(zhì)量損失數(shù)值.從表3中發(fā)現(xiàn)，含浸凝膠的聚酰亞胺軸承材料在每個(gè)離心轉(zhuǎn)速后的質(zhì)量損失都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于含浸基礎(chǔ)油的.表4中列出了灌入PAO和3% B的多孔鐵基軸承材料在離心速度從1 000到6 000 r/min的質(zhì)量損失數(shù)值.結(jié)論與聚酰亞胺軸承材料相似，含浸凝膠的多孔鐵基軸承材料在每個(gè)離心轉(zhuǎn)速后的質(zhì)量損失均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含浸基礎(chǔ)油的.這些結(jié)果表明無(wú)論是多孔鐵基軸承材料還是聚酰亞胺軸承材料，灌入凝膠潤(rùn)滑劑都可以有效地減少軸承材料的甩油問(wèn)題，從而提高軸承材料的儲(chǔ)油能力.

表2 離心試驗(yàn)前灌入PAO和3% B的多孔聚酰亞胺和鐵基軸承材料的初始含油量和離心測(cè)試后的最終含油量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 The initial oil content (mass fraction) of porous poly-based and iron-based bearing material filled with PAO and 3% B before the centrifugal experiment and their final oil content after the centrifugal experiment

表3 不同離心轉(zhuǎn)速下，灌入PAO和3% B多孔聚酰亞胺軸承材料的離心質(zhì)量損失Table 3 The centrifuged mass loss of porous poly-based bearing materials impregnated with PAO and 3% B at each speed

表4 不同離心轉(zhuǎn)速下，灌入PAO和3% B的多孔鐵基軸承材料的離心質(zhì)量損失Table 4 The centrifuged mass loss of porous iron-based bearing materials impregnated with PAO and 3% B at each speed

為進(jìn)一步研究具有不同尺寸孔徑的軸承材料的儲(chǔ)油性能，制備了四種含浸PAO和3% B的自潤(rùn)滑微孔材料，并完成了其離心試驗(yàn).其中，離心試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速?gòu)? 000增至6 000 r/min，以1 000 r/min的間隔逐步進(jìn)行增速，且在每個(gè)轉(zhuǎn)速下持續(xù)進(jìn)行15 min的測(cè)試.圖7(a～d)所示為灌入PAO和3% B的微孔材料(5、10、20和30 μm)的離心質(zhì)量損失，從圖7中可以看出，在每種速度下，四種含浸3% B的微孔材料的離心質(zhì)量損失均遠(yuǎn)小于含浸PAO的質(zhì)量損失.表5列出了不同種類的灌入PAO和3% B微孔材料的初始含油量和離心試驗(yàn)后的最終含油量，從表5中可以發(fā)現(xiàn)，初始含油量相同，但離心試驗(yàn)后，所有灌入PAO的微孔材料的最終含油量均遠(yuǎn)小于同種灌入凝膠的微孔材料.其中，含浸3% B的5 μm微孔材料的最終含油量是含浸PAO的4倍多，含浸3% B的10 μm微孔材料的最終含油量是含浸PAO的5倍多，含浸3% B的20和30 μm微孔材料的最終含油量分別也是含浸PAO的5倍多.這些結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明含浸凝膠潤(rùn)滑劑的不同尺寸微孔材料都可以通過(guò)減少高速運(yùn)轉(zhuǎn)下潤(rùn)滑油的質(zhì)量損失改善其儲(chǔ)油性能.

表5 灌入PAO和3% B的微孔材料離心前后的含油量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 5 The oil content (mass fraction) of microporous materials impregnated with PAO and 3% B before and after the centrifugal experiment

Fig.7 Variations of centrifuged mass loss with centrifugal speed of microporous materials impregnated with PAO and 3% B:(a) 5 μm microporous material;(b) 10 μm microporous material;(c) 20 μm microporous material;(d) 30 μm microporous material圖7 灌入PAO和3% B的不同孔徑的微孔材料離心質(zhì)量損失隨離心轉(zhuǎn)速的變化：(a) 5 μm微孔材料；(b) 10 μm微孔材料；(c) 20 μm微孔材料；(d) 30 μm微孔材料

以上這些離心試驗(yàn)結(jié)果均表明，利用凝膠代替含油軸承中使用的傳統(tǒng)潤(rùn)滑油，將凝膠潤(rùn)滑劑灌入到多孔軸承和微孔材料中形成自潤(rùn)滑復(fù)合材料，因凝膠潤(rùn)滑劑具有“自約束”性能，從而減少了高速運(yùn)轉(zhuǎn)下含油軸承的甩油、泄露和揮發(fā)問(wèn)題，提高了軸承的儲(chǔ)油穩(wěn)定性，為凝膠作為含油軸承或保持架材料的新型潤(rùn)滑劑提供了可能.

2.3 含浸凝膠自潤(rùn)滑軸承材料的摩擦學(xué)性能

在室溫和不同載荷下，研究灌入凝膠和基礎(chǔ)油的多孔聚酰亞胺和鐵基軸承自潤(rùn)滑材料的潤(rùn)滑性能.以灌入PAO和3% B潤(rùn)滑劑的軸承材料為例，在TRB上進(jìn)行了球-盤摩擦試驗(yàn).圖8和圖9分別示出了灌入PAO和3% B的多孔聚酰亞胺和鐵基軸承材料在不同載荷下的摩擦系數(shù)曲線，其中每個(gè)值或每條曲線代表3次測(cè)試的平均值.

圖8(a～d)顯示了不同載荷下，灌入油和凝膠的多孔聚酰亞胺自潤(rùn)滑軸承材料隨滑動(dòng)循環(huán)次數(shù)的平均摩擦系數(shù)曲線.從圖8中得出，三種多孔聚酰亞胺自潤(rùn)滑材料在2、4、6和8 N載荷下的平均摩擦系數(shù)按從大到小的排序?yàn)闊o(wú)油＞含PAO＞含3% B，這表明含浸凝膠的多孔聚酰亞胺自潤(rùn)滑軸承材料具有更好的減摩性能.此外，在每種載荷下，含浸凝膠的多孔聚酰亞胺軸承材料始終具有非常小且穩(wěn)定的摩擦系數(shù).相比之下，載荷為2和4 N時(shí)，灌入凝膠的多孔聚酰亞胺軸承材料的摩擦系數(shù)低于灌入基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)；載荷為6和8 N時(shí)，灌入凝膠的多孔聚酰亞胺軸承的摩擦系數(shù)略低于灌入基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù).其中，無(wú)油空白、含PAO和含凝膠的多孔聚酰亞胺軸承材料在載荷為2、4、6和8 N下的平均摩擦系數(shù)列于表6中.這些結(jié)果表明，與未灌入潤(rùn)滑油的多孔聚酰亞胺軸承材料相比，含浸凝膠的聚酰亞胺軸承材料可以更好地減少軸承材料的摩擦和磨損，實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑.圖9(a～d)顯示不同載荷下，灌入油和凝膠的多孔鐵基自潤(rùn)滑軸承材料的平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)循環(huán)次數(shù)的變化.表7中列出無(wú)油空白、含PAO和含凝膠的多孔鐵基軸承材料在載荷為2、4、6和8 N下的平均摩擦系數(shù).盡管含浸PAO和3%B的多孔鐵基軸承的摩擦系數(shù)值相近，但未灌入潤(rùn)滑油的多孔鐵基軸承的摩擦系數(shù)(0.50～0.55)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于含浸凝膠的摩擦系數(shù)(0.15～0.18).無(wú)論載荷為2、4、6還是8 N，含浸凝膠的多孔鐵基自潤(rùn)滑軸承材料的摩擦系數(shù)都低且曲線平穩(wěn)，這表明含浸凝膠的多孔鐵基軸承材料也具有良好的潤(rùn)滑性能.

表7 無(wú)油、含PAO和凝膠的多孔鐵基軸承材料在不同載荷下的平均摩擦系數(shù)(頻率：1 Hz，行程：10 mm，溫度：25 ℃；循環(huán)次數(shù)：1 800；載荷：2、4、6和8 N)Table 7 Average friction coefficient of porous iron-based bearing materials impregnated with blank block,PAO and 3% B under different loads (frequency:1 Hz,stroke:10 mm,temperature:25 ℃,sliding cycles:1 800,load:2,4,6 and 8 N)

Fig.8 Friction coefficient of porous poly-based bearing materials impregnated with 3% B,PAO and blank block under different loads:(a) 2 N;(b) 4 N;(c) 6 N;(d) 8 N (frequency:1 Hz,stroke:10 mm,temperature:25 ℃,sliding cycles:1 800)圖8 含3% B，PAO和空白的多孔聚酰亞胺軸承材料在不同載荷下的摩擦系數(shù)：(a) 2 N；(b) 4 N；(c) 6 N；(d) 8 N(頻率：1 Hz，行程：10 mm，溫度：25 ℃，循環(huán)次數(shù)：1 800)

Fig.9 Friction coefficient of porous iron-based bearing materials impregnated with 3% B,PAO and blank block under different loads:(a) 2 N;(b) 4 N;(c) 6 N;(d) 8 N (frequency:1 Hz,stroke:10 mm,temperature:25 ℃,sliding cycles:1 800)圖9 含3% B、PAO和空白的多孔鐵基軸承材料在不同載荷下的摩擦系數(shù)：(a) 2 N；(b) 4 N；(c) 6 N；(d) 8 N (頻率：1 Hz，行程：10 mm，溫度：25 ℃，循環(huán)次數(shù)：1 800)

表6 無(wú)油、含PAO和凝膠的多孔聚酰亞胺軸承材料在不同載荷下的平均摩擦系數(shù)(頻率：1 Hz，行程：10 mm，溫度：25 ℃；循環(huán)次數(shù)：1 800；載荷：2、4、6和8 N)Table 6 Average friction coefficient of porous poly-based bearing materials impregnated with blank block,PAO and 3%B under different loads (frequency:1 Hz,stroke:10 mm,temperature:25 ℃,sliding cycles:1 800,load:2,4,6 and 8 N)

從以上試驗(yàn)結(jié)果得出，將具有特殊物理化學(xué)性能的凝膠潤(rùn)滑劑灌入到多孔聚酰亞胺和鐵基軸承材料中形成的新型軸承材料，與含浸潤(rùn)滑油的軸承材料相比，其不僅可以提高儲(chǔ)油穩(wěn)定性，還在一定程度上改善含油軸承本身的潤(rùn)滑性能.這是因?yàn)樵谀Σ吝^(guò)程中，在摩擦熱的作用下，凝膠由半固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，從軸承材料的微孔中滲出，起到自潤(rùn)滑作用.

2.4 含浸凝膠自潤(rùn)滑軸承材料的潤(rùn)滑機(jī)理

為了探究含浸凝膠自潤(rùn)滑軸承材料的潤(rùn)滑機(jī)理，以含浸凝膠的多孔鐵基軸承材料為例，對(duì)其在摩擦測(cè)試后的磨斑進(jìn)行紅外測(cè)試.同時(shí)，將相同凝膠涂在無(wú)孔鐵基軸承材料上，在相同條件下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試后的磨斑也進(jìn)行紅外測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)孔鐵基材料磨痕的紅外測(cè)試結(jié)果與多孔鐵基材料相似，這就排除了材料孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑油膜的影響.在圖10的鐵基軸承材料磨斑的紅外光譜中，1 462和1 350 cm-1處的峰分別歸因于C=O和-OH (R1-CH(R2)-OH)的伸縮振動(dòng)[17-19]，可以推測(cè)這些官能團(tuán)完全來(lái)源于凝膠因子.這表明在摩擦副表面上有含羧酸和羥基的化合物，并進(jìn)一步表明凝膠因子可吸附于摩擦副表面并形成1層吸附膜，阻隔摩擦副的直接接觸從而抑制磨損.

Fig.10 FTIR spectrum of porous iron-based bearing materials impregnated with gel after tribological experiment圖10 摩擦測(cè)試后含浸凝膠的鐵基軸承材料上磨斑的紅外光譜

上述摩擦學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，含浸凝膠潤(rùn)滑劑的多孔鐵基軸承材料具有良好的減摩性能.根據(jù)紅外結(jié)果并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[19-21]，形成含浸凝膠潤(rùn)滑劑多孔軸承材料的接觸界面的假設(shè)示意圖，如圖11所示.可以推測(cè)在摩擦過(guò)程中，在強(qiáng)剪切和摩擦熱作用下，凝膠變成液體，從多孔軸承材料中滲出，凝膠因子吸附在多孔軸承材料表面并形成有效的保護(hù)膜，阻止了摩擦副之間的直接接觸，從而起到減摩抗磨作用.

Fig.11 Proposed schematic diagram for the contact interface of the gel-impregnated porous bearing materials圖11 含浸凝膠的多孔軸承材料接觸界面的假設(shè)示意圖

3 結(jié)論

本文中制備了新型含浸凝膠的自潤(rùn)滑軸承材料，并研究了制備工藝、儲(chǔ)油性能和潤(rùn)滑性能，研究結(jié)果如下：

a.利用具有獨(dú)特物理化學(xué)性能和潤(rùn)滑性能的凝膠潤(rùn)滑劑替代傳統(tǒng)潤(rùn)滑油灌入到多孔軸承材料和微孔材料中可獲得自潤(rùn)滑軸承材料.

b.新型含浸凝膠的自潤(rùn)滑軸承材料可減少高速運(yùn)轉(zhuǎn)下含油軸承的甩油和泄露問(wèn)題，提高軸承的儲(chǔ)油性能.

c.含浸凝膠潤(rùn)滑劑的多孔鐵基和聚酰亞胺軸承材料具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能.在摩擦熱的作用下，凝膠從半固體變?yōu)橐后w，從軸承材料的孔中滲出，實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑.