水潤滑材料的發展狀況及其趨勢

王曉雷，劉海葉，黃巍

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

0 引言

20世紀70年代以來，石油資源危機的出現以及船舶行業對水污染的加重，引起了人們對環境保護的重視。據有關資料統計［1］，目前國內航行的船只（除了少數進口的之外）基本上都采用油潤滑，如果每艘船平均每年泄漏潤滑油用3.2 t計，每年泄漏到江河湖泊中的潤滑油高達幾百萬噸，極其嚴重地污染了水資源，破壞了生態環境，危及到人類的生存條件。

水作為潤滑劑的優越性主要表現在無污染、來源廣泛、節省能源、安全等方面，是最具有開發潛力的潤滑介質。因此，用水代替油作潤滑介質，不僅節約大量的油料，還可以避免以油為潤滑介質對環境造成的污染。同時用水作為潤滑劑，機械設備的運行成本低，阻燃性好，易維護保養，采用專門的水潤滑材料還具有降低摩擦副的摩擦、磨損，減小振動、噪聲等優勢。

常溫下水的運動黏度為1 mm2/s左右，僅為潤滑油的1/100～1/20。低黏度的潤滑劑具有摩擦阻力小，摩擦系數低等優點，但水膜的承載能力要比油膜低得多，在傳統金屬摩擦副表面很難形成流體動壓潤滑膜，并且水對金屬的腐蝕作用也不容忽視。因此傳統的金屬摩擦副不能直接用于水潤滑。水潤滑材料的性能是決定其工作性能和使用壽命的一個主要因素，所以水潤滑技術的關鍵問題是正確選擇水潤滑條件下的摩擦副材料［2］。

鐵梨木是最早的水潤滑材料。早期船舶的設計者發現鐵梨木是一種既硬又紋理好的木材。把鐵梨木切成板條，組裝到一個凹型槽室內作為艉管軸承，在清水中運轉性能相當好。隨后，由于鐵梨木的日益短缺以及人們對高性能水潤滑軸承，特別是在含有泥沙水中的高耐磨性需求促使了橡膠基和塑料基軸承的發展。王家序等［3］研究了橡膠軸承在不同的水質、不同工況下的摩擦特性，其研究結果表明:在清水介質中，橡膠軸承的磨損量比較小，磨損率隨載荷、速度的增大而降低，隨運行時間的增長而減小。在含沙量為0.15%的介質中，橡膠軸承的磨損率和摩擦系數隨載荷的增大而增大，隨運行時間的增長而降低。由此可見橡膠基軸承對泥沙不敏感，但其承載能力較低，不能干運轉，環境溫度達70℃以上時，承載能力顯著降低。塑料基軸承綜合性能相對較好，但環境溫度達到90℃以上便失去正常工作能力，且干運轉能力一般。為了解決橡膠基和塑料基軸承的缺點，陶瓷軸承應運而生。陶瓷材料具有高硬度、高溫下抗磨性好、耐腐蝕、剛度高、熱膨脹系數小、導熱性好、抗氧化、比強度高等優點，特別適用于高溫、高速和腐蝕性環境等特殊場合。表1列出了傳統的幾種水潤滑軸承材料的優缺點。圖1為幾種水潤滑軸承在干燥和污水中的磨損試驗結果［4］。從圖中可以看出陶瓷材料性能是一般常用金屬材料、高分子及其復合材料所不具備的，這極大地拓寬了陶瓷材料的應用領域，如海水和其他液體介質。目前陶瓷材料已被成功地用來制造水泵軸承等工作于水介質中的摩擦副。

表1 幾種常用水潤滑軸承材料性能比較

圖1 不同軸承材料的磨損試驗結果［4］

1 陶瓷材料的國內外研究現狀

1.1 陶瓷材料在水潤滑條件下的摩擦學性能

機械和儀表中常用的陶瓷分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷兩種。氧化物陶瓷如Al2O3，ZrO2，MgO等，它們熔點高，屬于電子陶瓷，主要用作芯片、壓電陶瓷等。非氧化物陶瓷如Si3N4，SiC，Sialon，WC等，這類陶瓷不但熔點高，而且硬度高，比如即使較軟的 Si3N4的維氏硬度也可達1 700。

對于非氧化物陶瓷Si3N4和SiC來說，在水潤滑條件下都能實現低摩擦和低磨損。Tomizama［5］等對 Si3N4和SiC陶瓷進行了研究，發現在一定條件下Si3N4在水中的磨損形式可轉變為摩擦化學磨損。在磨損過程中，摩擦促進了Si3N4與水的化學反應，并生成水解產物Si（OH）4。其結果是，一方面Si3N4陶瓷的表面變得越來越光滑，在磨損表面可以形成約70 nm厚的水膜，從而使摩擦系數降低到10－2數量級;另一方面，膠體狀的Si（OH）4的黏度遠高于水，可以進一步促進全膜潤滑的形成。Sasaki［6］的研究表明，和Si3N4類似，SiC 水中的自配對摩擦過程中也發生了摩擦化學反應，經過一段時間的磨合后，滑動摩擦系數能夠降低到10－2數量級。同時，他們對磨損試驗中用過的水進行檢查發現其呈堿性，進一步證明了摩擦化學產物的存在。

磨合過程對上述材料的摩擦特性具有重要的影響。Chen等［7］研究了滑行距離對自配對的Si3N4和SiC陶瓷的摩擦特性的影響，并發現在磨合期，隨著滑行距離的增加上述陶瓷材料的磨損機制從機械磨損逐漸轉變為摩擦化學磨損。在同樣的轉速和轉動半徑下SiC陶瓷達到最低摩擦系數（0.01）所需滑行的距離為68 000圈，而Si3N4陶瓷達到最低摩擦系數（0.003 5）只需滑行16 000圈（圖2）。

圖2 自配對的Si3N4和SiC陶瓷摩擦系數隨滑動圈數的變化

關于初始粗糙度對摩擦特性的影響有兩種說法。第一種是Chen等［8］發現Si3N4和 SiC陶瓷最終穩定的摩擦系數幾乎跟初始粗糙度無關，初始粗糙度主要影響磨合期的長度，初始粗糙度越大，磨合期越長。第二種是初始粗糙度對最終的摩擦系數有影響:比如Wong等［9］用環－盤摩擦試驗裝置所得到的結論，發現原始粗糙度越小，SiC/SiC摩擦副和Si3N4/Si3N4摩擦副獲得的摩擦系數就越低;Kato和Adachi［10］的數據表明初始粗糙度和摩擦系數有關，當表面的初始粗糙度Ra≤10 nm時，就會發生低的摩擦現象;Saito等［11］也證明初始粗糙度跟摩擦系數有關。

Maurin［12］對Si3N4和SiC滑動軸承進行了研究發現，水潤滑條件下SiC軸承更容易形成光滑表面，而不需要重復的拋光加工。Anderson［13］測試了多種陶瓷材料（Al2O3，SiC，PSZ和Sialon陶瓷）制作的水潤滑軸承，結果表明:SiC軸承臨界載荷更高，摩擦副表面品質也優于其他軸承，更適于應用在需要長期運行、頻繁啟停車的工況下。

除材料之外，研究表明［14］，通過在SiC陶瓷表面加工微米尺度的凹坑陣列，即所謂表面織構，可以顯著提高其承載能力。如圖3所示，具有優化后織構的試件，在水潤滑條件下，由流體動壓潤滑狀態轉變到混合摩擦狀態下的臨界載荷比無織構試件顯著地提高了，最優織構參數的臨界載荷能夠達到無織構軸承的2倍。

圖3 不同參數微凹坑的摩擦系數和承載力

1.2 陶瓷材料的表面改性及水潤滑技術

1.2.1 離子注入法

由于表面工程技術的發展，一些表面改性技術被應用于改善陶瓷材料的摩擦學性能。離子注入是改善構件表面摩擦學特性的一種有效手段。Nastasi等［15］發現，用N+注入SiC，TiB2或B4C陶瓷，可以降低它們的摩擦系數和磨損率，而以N+注入Al2O3陶瓷則使摩擦系數和磨損率都增大。他們認為，N+注入不同陶瓷后的效應與其能否同陶瓷形成“類氮化物”鍵（Nitridelike bonds）的熱力學傾向有關，容易形成這種化學鍵就有利于降低陶瓷的摩擦和磨損。袁英光等［16］研究了水潤滑下N+注入SiC陶瓷表面的摩擦學特性，研究發現N+注入SiC陶瓷可降低表面摩擦系數和磨損率。N+注入SiC陶瓷前后SiC球的截面磨損形狀均為一拋物面狀的連續溝槽，不同的是溝槽的寬度和深度發生變化，且注入N+后磨損的深度低于未注入的深度。磨痕的深度隨滑行速度的增加而降低，隨載荷的增加而增加，且磨損機制為機械和摩擦化學共存的混合磨損。

1.2.2 表面涂層

Zhou 等［17，18］在 SiC 盤的表面分別沉積一層 a － CNx薄膜、a－C薄膜和BCN薄膜，讓沉積薄膜的SiC盤與SiC球在水中對摩，比較各涂層的摩擦特性。發現a－CNx/SiC組成的摩擦副的平均摩擦系數最低，大約為0.015。作者進一步比較了水潤滑條件下a－CNx/SiC，SiC/SiC摩擦副的摩擦特性（圖4），a－CNx/SiC摩擦副的磨合期比SiC/SiC摩擦副的磨合期短，且在低速時，a－CNx/SiC摩擦副具有更低的摩擦系數。由此可見，陶瓷表面特定的涂層可有效改善其在水潤滑中的摩擦磨損性能。

圖4 兩種摩擦副在不同速度下摩擦系數隨滑行距離的變化

1.3 陶瓷類復合材料的研究

盡管陶瓷材料具有強度高、硬度高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優異性能，但也有其難以克服的缺點，如對磨粒的嵌藏性較差，且陶瓷很脆，承受沖擊的能力差。而金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷材料的特點，具有較高的硬度、耐磨性、紅硬性、優良的化學穩定性，而且還有一定的韌性和強度，被認為是一種可行的陶瓷替代材料，目前主要當作硬質合金刀具使用。

WC－Co基硬質合金作為研究最早的金屬陶瓷，由于具有很高的硬度（HRA80～92），極高的抗壓強度（600 kg/mm2），已經應用于許多領域。

Quercia等人［19］比較了WC－Co硬質合金、不完全穩定氧化鋯（Mg－PSZ）、無電鍍Ni－P表面涂層和SAE4140鋼的摩擦磨損性能，并且做了耐腐蝕實驗。發現WC－Co硬質合金的耐磨性能最好，但在SiC微細顆粒的氣流沖蝕下發生了較大的腐蝕，原因是其中的金屬粘結劑Co易被腐蝕導致材料的損失。Mari等人［20］研究了溫度和切削速度對WC－Co刀具的影響，發現當切削速度和溫度都很高時，WC－Co的性能迅速惡化，產生這種現象的原因是WC－Co在高溫時抗氧化性能差，并且發生了塑性變形。且由于W和Co資源的短缺，促使了無鎢金屬陶瓷的研制與開發。

Ti（C，N）是一種新型的金屬陶瓷材料，它的主要成分是TiC，通過加入納米TiN粉末改性，利用真空燒結工藝制備。它是金屬與陶瓷的復合材料，由金屬粘結相和陶瓷主相組成，兼有金屬和陶瓷材料的特點。

自20世紀80年代以來，Ti（C，N）基金屬陶瓷獲得了迅速的發展。目前，Ti（C，N）基金屬陶瓷應用于加工領域已成現實，已制成各種微型可轉位刀片，用于精鏜孔和精孔加工以及“以車代磨”等精加工領域，還可用于各類發動機的高溫部件，如心輪軸、熱噴嘴以及活塞環等。且已開始應用在噴氣發動機、渦輪發動機上，甚至民用汽油、柴油發動機也能發現金屬陶瓷的身影。

Mondal等人［21］將Ti（C，N）基金屬陶瓷粉末用熱離子噴涂到WC－Co硬質合金表面，改善了WC－Co硬質合金基體的抗氧化性能和高溫抗塑性變形性能。

在水潤滑下，對Ti（C，N）基金屬陶瓷與Si3N4配對的摩擦副進行了深入的研究［22，23］，比較了在載荷為2 N和5 N下的實驗現象。當載荷為2 N時，在相同的條件下重復多次實驗，最終的摩擦系數都可以達到0.005以下（圖5），且磨損表面變得極為光滑，這表明Ti（C，N）基金屬陶瓷與Si3N4在對摩時潤滑狀態可以達到流體動壓潤滑。而在載荷為5 N時，在相同的條件下重復40次發現:磨合12 h后，得到低的摩擦系數（0.001）的占20%;而即使磨合24 h之后也仍未達到該摩擦系數的占80%，作者推測該高摩擦系數主要來源于摩擦副間的機械磨損。

圖5 在載荷2N時Ti（C，N）/Si3N4在水中的摩擦系數

2 應用舉例

橡膠軸承已被成功地應用于船舶推進系統，替代傳統的金屬軸承，并廣泛應用于水泵、水輪機、洗衣機、排灌機械和海洋機械等設施。例如，在立式多級冷凝水泵的級間曾采用以尼龍9材料制成的水潤滑軸承;在立式艙底水泵的下端曾采用以尼龍1 010材料制成的水潤滑軸承;在立式多級給水泵的下端曾采用以聚四氟乙烯材料制成的水潤滑軸承;在離心污水泵結構中采用了以聚酸亞胺材料制成的水潤滑軸承。

水潤滑陶瓷滑動軸承作為滑動軸承的一個系列，以其無污染、耐高溫、抗磨效果好、低成本、結構簡單等優點在船舶水輪機、鉆探渦輪機、礦石濕選裝置、海流發電機、石油化工等行業中具有廣闊的應用前景。

在日本，陶瓷的應用相當的廣泛，由于陶瓷具有良好的抗腐蝕性和在海水中的滑行性能較好，且對于由海底漂浮的泥沙引起的磨損有優越的耐磨作用。如日本的三菱重工采用燒結WC陶瓷加工的海水泵內的活塞套筒，可在6 000 m深的海底苛刻環境下正常工作，經過連續工作4 000 h后，WC陶瓷部件狀態良好，含有雜質和泥沙的海水對它的磨損和腐蝕作用非常小。Si3N4和SiC材料也被制作成軸承，應用在河水泵中。煤燃鍋爐中的灰刮板輸送機（采用燒結的WC套筒作為軸，Al2O3作為軸承材料），高溫氦中的熱交換器管板，用物理沉積法沉積一層TiN涂層的油墨泵［4］。

人們在SiC推力軸承的接觸面上加工了螺旋形溝槽（如圖6，圖7）。這樣的設計，使得在水潤滑時SiC推力軸承的接觸表面由于溝槽的“泵站”作用促進了流體膜的形成，從而提高了負載能力，而且溝槽有助于將水中的泥沙等雜質排出。經過實驗檢驗，獲得了很好的使用效果［24］。

圖6 SiC推力軸承［24］

圖7 SiC推力軸承裝配圖［24］

3 總結與展望

本文回顧了幾種常用水潤滑材料，同時對相應材料的水潤滑軸承（如:橡膠軸承、塑料軸承和陶瓷軸承）及其成功應用進行了簡要介紹。現有研究表明，上述水潤滑軸承具有廣闊的應用前景。然而由于金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的雙重特點，其水潤滑特性已逐漸受到研究者的關注。現有研究已表明，在特定的條件下，金屬陶瓷具有較為理想的水潤滑特性（低摩擦，低磨損）。從而可以推出在特定的條件下金屬陶瓷的發展前景是相當可觀的，應用前景非常廣闊。

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