襯墊改性對自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)性能的影響

占松華，柏耀星，邱明

(1.臺州科錦軸承有限公司，浙江 臺州 318050；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承是在內(nèi)、外圈之間鑲嵌或粘結(jié)一層自潤滑襯墊層，用襯墊層表面的自潤滑材料與鋼制內(nèi)圈的摩擦來代替鋼制內(nèi)、外圈之間的摩擦，從而實現(xiàn)其在航空航天、鐵路機械等領(lǐng)域高載荷、長壽命、免維護、易拆卸和自潤滑等方面的要求[1]。因聚四氟乙烯(PTFE)具有摩擦因數(shù)低，耐腐蝕等優(yōu)點，被用來作自潤滑墊層，但其不耐磨，限制了其作為自潤滑墊層的應(yīng)用范圍。為此，開展了大量其他功能性纖維與PTFE復(fù)合自潤滑材料的研究工作[2-5]。芳綸纖維具有高拉伸強度和高彈性模量，且價格便宜、原料易得，已被廣泛用于與PTFE復(fù)合編織，以提高其耐磨性、力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。然而，芳綸與PTFE編織的襯墊表面活性低，結(jié)晶度高，表面光滑，與黏合劑的浸潤性不好[6]，易導(dǎo)致襯墊與黏合劑之間的界面結(jié)合力差。而襯墊粘結(jié)不牢固將引起摩擦過程中襯墊起皺甚至脫落，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大、磨損加劇。

稀土元素具有獨特的化學(xué)性質(zhì)和很強的活性，稀土原子的4f電子對原子核封閉不嚴，顯示較大的有效核電荷，對其周圍原子的電子有較強的吸引力[7]，而且稀土離子是典型的硬陽離子，與PEFE中的氧、氟等有較強的結(jié)合能力，且其同配位原子之間的結(jié)合鍵多具有較強的離子鍵性。因此，對編織襯墊材料進行稀土處理可以改善材料的界面結(jié)合力及其摩擦學(xué)性能[8]。

1 試驗

1.1 原料與試驗軸承制備

向心關(guān)節(jié)軸承基本尺寸為：外圈外徑35 mm，外圈寬度12 mm，內(nèi)圈內(nèi)徑20 mm，內(nèi)圈寬度16 mm，球徑29 mm。軸承內(nèi)、外圈材料為GCrl5軸承鋼，襯墊材料選用芳綸/PTFE纖維編織而成。

制備前先對芳綸/PTFE混合纖維編織襯墊進行稀土表面改性處理，具體步驟為:(1)在室溫下將關(guān)節(jié)軸承纖維襯墊浸入丙酮溶液中浸泡10～14 h，取出后在60～80 ℃烘箱中烘干10～20 min。(2)把經(jīng)丙酮處理后的纖維襯墊浸入稀土改性劑溶液(其組分為氯化鑭化合物、去離子水、氯化銨、硝酸和尿素)中浸泡2～3 h，過濾后在80～120 ℃烘箱中烘干20～30 min。然后將烘干的襯墊用黏合劑(雙組份增強型環(huán)氧膠)粘接在外圈內(nèi)表面上，將內(nèi)圈裝上后置于100 ℃下固化4 h，制得試驗用軸承試樣。

1.2 試驗設(shè)備及方法

摩擦學(xué)性能試驗采用自制的關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損試驗機(圖1)，利用扭矩傳感器、杠桿百分表和熱電偶對試驗過程中的摩擦力矩、磨損量以及溫升的變化進行實時的記錄。制定的試驗方案為：(1)擺動頻率為2，2.5，3和3.5 Hz；(2)擺動角度為±10°；(3)對軸承施加的載荷為52 MPa;(4)實驗室環(huán)境條件為常溫。試驗過程為：(1)對不同類型關(guān)節(jié)軸承進行編號；(2)將軸承裝入試驗機靜壓15 min；(3)將扭矩傳感器、磨損量等測試部分調(diào)整到工作狀態(tài)；(4)檢測整個試驗過程并定時記錄磨損量參數(shù)；(5)軸承擺動次數(shù)為25 000次。測試完畢后通過掃描電子顯微鏡(SEM)以及能譜儀(EDS)分析襯墊磨損表面微觀形貌。

1—齒輪箱；2—搖桿；3—主軸；4—扭矩傳感器；5—熱電偶；6—軸承；7—百分表

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦試驗結(jié)果分析

圖2所示為未處理和稀土處理襯墊關(guān)節(jié)軸承在4種擺動頻率下摩擦因數(shù)、磨損量及溫升變化圖。由圖2a可知，未處理襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦因數(shù)隨擺動頻率的增加而增大，而經(jīng)稀土處理襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦因數(shù)隨著擺動頻率的增加在2～2.5 Hz時逐漸增加，但在2.5～3.5 Hz時呈減小趨勢。總體來說，稀土處理襯墊關(guān)節(jié)軸承摩擦因數(shù)較小，減摩性能較好。

圖2 對比軸承隨擺動頻率變化的摩擦學(xué)性能圖

從圖2b可知，未處理軸承磨損量隨擺動頻率的增加而增大，而稀土處理軸承磨損量有先上升后下降的趨勢；在固定接觸應(yīng)力52 MPa條件下，當擺動頻率為2～3.5 Hz時，經(jīng)稀土處理襯墊關(guān)節(jié)軸承磨損量均低于未處理襯墊軸承，這表明經(jīng)稀土處理襯墊關(guān)節(jié)軸承在上述試驗條件下具有較好的減摩及耐磨性能。從圖2c摩擦溫度變化圖可知，在4種擺動頻率下，未處理與稀土處理襯墊關(guān)節(jié)軸承都隨著擺動頻率的增加而增大，且經(jīng)稀土處理后摩擦溫度低于未處理關(guān)節(jié)軸承，說明在此條件下經(jīng)稀土處理后軸承產(chǎn)生的摩擦熱較少，溫升較小。綜合試驗軸承的摩擦學(xué)性能變化圖可知，襯墊經(jīng)稀土處理后，軸承的摩擦因數(shù)、磨損量及摩擦溫升均顯著降低，這說明襯墊經(jīng)稀土處理后摩擦學(xué)性能得到了明顯的改善與提高。

2.2 微觀分析

圖3為襯墊未處理與稀土處理的關(guān)節(jié)軸承在擺動頻率3.5 Hz、接觸應(yīng)力52 MPa下磨損表面SEM照片。從圖中可知，對襯墊進行稀土處理改性后，明顯改善了混合纖維編織襯墊的減摩耐磨性能，充分發(fā)揮了PTFE纖維編織襯墊的自潤滑功能，在相同工況條件下，纖維編織襯墊經(jīng)稀土處理后磨損情況相對于未處理較輕。

圖3 未處理襯墊與稀土處理襯墊磨損后的SEM照片

圖3a為襯墊未處理關(guān)節(jié)軸承磨損后SEM照片，由圖可以看出，未處理關(guān)節(jié)軸承襯墊已經(jīng)遭到嚴重破壞，襯墊材料中PTFE纖維磨損比較嚴重(已基本被磨穿)，襯墊基體材料芳綸纖維編織凸出部分已經(jīng)散亂開來，并且已有不少纖維絲被磨斷，襯墊表面表現(xiàn)出大量被磨斷散亂開的纖維絲。從200倍圖中可知，襯墊表面依然有許多褶皺以及片狀脫落物，這是摩擦后沒有磨完的轉(zhuǎn)移膜，正是這些遺留轉(zhuǎn)移膜存在，使得軸承襯墊還存在一定的自潤滑功能，沒有導(dǎo)致軸承立即失效。可見在未處理條件下，軸承在受到較大載荷和擺動頻率后，襯墊材料發(fā)生了較嚴重的磨粒磨損，一部分纖維基體材料已經(jīng)被撕裂甚至脫落，大量的脫落物在軸承連續(xù)工作條件下轉(zhuǎn)變?yōu)槟バ迹徊糠终掣皆谳S承內(nèi)圈外表面的配副上，一部分隨著轉(zhuǎn)動被擠壓排擠出來。并由圖4a襯墊未處理能譜圖可知，纖維編織襯墊上可以清晰地看到從關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外球面上轉(zhuǎn)移過來的大量鐵元素與鉻元素，說明未處理軸承發(fā)生了較重的粘著磨損，其摩擦狀態(tài)較為惡劣，此時并沒有充分發(fā)揮PTFE轉(zhuǎn)移膜的潤滑作用，并在熱、壓力以及擺動頻率的作用下使得關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈上的鐵元素和鉻元素逐漸轉(zhuǎn)移鑲嵌于襯墊纖維材料間的縫隙中，進而產(chǎn)生磨粒磨損，加劇了軸承的磨損。隨著PTFE纖維自潤滑材料被磨完，芳綸纖維基體材料被磨斷，纖維襯墊遭到了嚴重破壞，自潤滑功能下降直至喪失，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承摩擦因數(shù)增大，摩擦溫度升高，磨損加劇，最終導(dǎo)致軸承失效。

圖4 襯墊未處理與稀土處理能譜照片

圖3b為襯墊經(jīng)稀土處理的關(guān)節(jié)軸承磨損后SEM照片，從圖中可見，在接觸壓力52 MPa，擺動頻率3.5 Hz條件下磨損后，襯墊比較光滑平整。從35倍SEM照片可以看出，經(jīng)稀土處理后的軸承襯墊磨損表面相對于未處理襯墊略微磨損，而芳綸纖維基體材料已初步顯露出來，說明稀土處理襯墊經(jīng)磨損后受到的破壞較輕。從200倍SEM照片可以得知，雖然可以明顯看出芳綸纖維基體材料被壓平，纖維束出現(xiàn)散亂，磨損過程中發(fā)生了輕微的粘著磨損(圖4b)，但并沒有出現(xiàn)未處理襯墊的芳綸纖維撕裂、磨斷現(xiàn)象；而且從圖中可以明顯看到皺褶狀及片狀起潤滑作用的PTFE轉(zhuǎn)移膜的存在，正是這些完好的轉(zhuǎn)移膜改善了關(guān)節(jié)軸承摩擦狀態(tài)，使其摩擦因數(shù)、磨損量以及摩擦溫度較低。可見，處理后軸承摩擦學(xué)性能較優(yōu)，這是由于稀土處理能改善纖維編織襯墊的減摩耐磨性能，并充分發(fā)揮襯墊自潤滑功能的作用。

3 結(jié)論

(1)通過對軸承摩擦因數(shù)、磨損量、摩擦溫度的對比分析發(fā)現(xiàn)，稀土處理襯墊改善了軸承在試驗過程中的摩擦磨損性能。

(2)稀土處理可以增強PTFE襯墊的減摩耐磨性能。

(3)通過微觀分析，未經(jīng)改性處理軸承襯墊的磨損機制主要為磨粒磨損、粘著磨損；而稀土處理軸承襯墊主要發(fā)生粘著磨損，這是由于襯墊經(jīng)稀土表面改性后自潤滑功能得到增強，進而具有較好的摩擦磨損性能。