襯墊改性對自潤滑關節軸承摩擦學性能的影響

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，河南 洛陽 471003)

自潤滑關節軸承是在內、外圈之間鑲嵌或粘結一層自潤滑襯墊層，用襯墊層表面的自潤滑材料與鋼制內圈的摩擦來代替鋼制內、外圈之間的摩擦，從而實現其在航空航天、鐵路機械等領域高載荷、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)具有摩擦因數低，耐腐蝕等優點，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用范圍。為此，開展了大量其他功能性纖維與PTFE復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復合編織，以提高其耐磨性、力學性能和尺寸穩定性。然而，芳綸與PTFE編織的襯墊表面活性低，結晶度高，表面光滑，與黏合劑的浸潤性不好[6]，易導致襯墊與黏合劑之間的界面結合力差。而襯墊粘結不牢固將引起摩擦過程中襯墊起皺甚至脫落，導致摩擦因數增大、磨損加劇。

稀土元素具有獨特的化學性質和很強的活性，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、氟等有較強的結合能力，且其同配位原子之間的結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合力及其摩擦學性能[8]。

1 試驗

1.1 原料與試驗軸承制備

向心關節軸承基本尺寸為：外圈外徑35 mm，外圈寬度12 mm，內圈內徑20 mm，內圈寬度16 mm，球徑29 mm。軸承內、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)在室溫下將關節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(雙組份增強型環氧膠)粘接在外圈內表面上，將內圈裝上后置于100 ℃下固化4 h，制得試驗用軸承試樣。

1.2 試驗設備及方法

摩擦學性能試驗采用自制的關節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)實驗室環境條件為常溫。試驗過程為：(1)對不同類型關節軸承進行編號；(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整到工作狀態；(4)檢測整個試驗過程并定時記錄磨損量參數；(5)軸承擺動次數為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 結果與討論

2.1 摩擦試驗結果分析

圖2所示為未處理和稀土處理襯墊關節軸承在4種擺動頻率下摩擦因數、磨損量及溫升變化圖。由圖2a可知，未處理襯墊自潤滑關節軸承摩擦因數隨擺動頻率的增加而增大，而經稀土處理襯墊關節軸承的摩擦因數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，稀土處理襯墊關節軸承摩擦因數較小，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；在固定接觸應力52 MPa條件下，當擺動頻率為2～3.5 Hz時，經稀土處理襯墊關節軸承磨損量均低于未處理襯墊軸承，這表明經稀土處理襯墊關節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節軸承都隨著擺動頻率的增加而增大，且經稀土處理后摩擦溫度低于未處理關節軸承，說明在此條件下經稀土處理后軸承產生的摩擦熱較少，溫升較小。綜合試驗軸承的摩擦學性能變化圖可知，襯墊經稀土處理后，軸承的摩擦因數、磨損量及摩擦溫升均顯著降低，這說明襯墊經稀土處理后摩擦學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節軸承在擺動頻率3.5 Hz、接觸應力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為襯墊未處理關節軸承磨損后SEM照片，由圖可以看出，未處理關節軸承襯墊已經遭到嚴重破壞，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散亂開來，并且已有不少纖維絲被磨斷，襯墊表面表現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移膜，正是這些遺留轉移膜存在，使得軸承襯墊還存在一定的自潤滑功能，沒有導致軸承立即失效。可見在未處理條件下，軸承在受到較大載荷和擺動頻率后，襯墊材料發生了較嚴重的磨粒磨損，一部分纖維基體材料已經被撕裂甚至脫落，大量的脫落物在軸承連續工作條件下轉變為磨屑，一部分粘附在軸承內圈外表面的配副上，一部分隨著轉動被擠壓排擠出來。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節軸承內圈外球面上轉移過來的大量鐵元素與鉻元素，說明未處理軸承發生了較重的粘著磨損，其摩擦狀態較為惡劣，此時并沒有充分發揮PTFE轉移膜的潤滑作用，并在熱、壓力以及擺動頻率的作用下使得關節軸承內圈上的鐵元素和鉻元素逐漸轉移鑲嵌于襯墊纖維材料間的縫隙中，進而產生磨粒磨損，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，導致關節軸承摩擦因數增大，摩擦溫度升高，磨損加劇，最終導致軸承失效。

圖4 襯墊未處理與稀土處理能譜照片

圖3b為襯墊經稀土處理的關節軸承磨損后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，纖維束出現散亂，磨損過程中發生了輕微的粘著磨損(圖4b)，但并沒有出現未處理襯墊的芳綸纖維撕裂、磨斷現象；而且從圖中可以明顯看到皺褶狀及片狀起潤滑作用的PTFE轉移膜的存在，正是這些完好的轉移膜改善了關節軸承摩擦狀態，使其摩擦因數、磨損量以及摩擦溫度較低。可見，處理后軸承摩擦學性能較優，這是由于稀土處理能改善纖維編織襯墊的減摩耐磨性能，并充分發揮襯墊自潤滑功能的作用。

3 結論

(1)通過對軸承摩擦因數、磨損量、摩擦溫度的對比分析發現，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生粘著磨損，這是由于襯墊經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。