新型關節軸承材料的研究現狀及展望

王徹，楊麗穎，王守仁，李文文

(濟南大學，濟南 250022)

關節軸承是一種結構簡單、抗沖擊能力強，可進行擺動運動具有調心作用的特殊滑動軸承，在汽車、船舶、航空航天等諸多領域都有廣泛的應用。其性能的優劣對機械設備的使用有直接的影響。

在實際工作中，關節軸承的主要失效形式為內外圈之間的摩擦磨損[1]。目前關節軸承常用的金屬材料一般為軸承鋼、不銹鋼、銅合金等材料，面對越來越復雜的工況，這些材料存在著一些不足。軸承鋼在使用過程中容易發生腐蝕、銹蝕，對軸承性能有較大影響；不銹鋼內外圈一般用于無沖擊、無振動或小振動的輕載工況[2]；銅合金關節軸承有良好的承載能力，目前在飛機重要的零部件上有廣泛應用，如起落架、方向舵等，但是銅合金軸承材料與其配對副的磨合性，雜質混入的可嵌入性都制約了銅合金關節軸承的發展。

隨著機械設備不斷朝著高溫、重載、大型化方向的發展，對關節軸承性能提出了更高的要求。現對開發出的質量小、使用溫度高、承載性能強、耐磨性能好的新型關節軸承材料進行了研究。

1 鋁合金關節軸承材料

鋁合金是一種密度小、耐腐蝕、耐磨損，在重載場合有良好性能的合金材料。常見的鋁合金軸承材料可分成Al-Sn，Al-Pb，Al-Zn系列。由于Al-Zn合金在制備時節能環保、價格低廉，使得鋁鋅關節軸承具有很好的發展前景。這里重點介紹Al-Zn系列關節軸承材料。

文獻[3]中利用含Zn元素的7075鋁合金研制了擠壓型鋁合金自潤滑關節軸承，并對關節軸承進行了有限元分析和常溫工況下的擺動摩擦磨損試驗。在46.4 kN的徑向靜載荷下其永久變形量僅為0.044 mm，而在3.7 kN的軸向靜載荷下其永久變形量僅為0.083 mm，關節軸承的耐磨性與承載力P和速度V有關，用PV值表示，其值越小表示磨損率越小，擺動摩擦磨損試驗測得該鉛合金關節軸承的PV值為1 293.1 MPa·mm/s，與不銹鋼自潤滑關節軸承對比后發現鋁合金自潤滑關節軸承具有更好的性能。

文獻[4]同樣以7系Al-Zn鋁合金為基體，以PTFE(聚四氟乙烯)為襯墊材料制備出鋁合金自潤滑關節軸承，在載荷為520，600 kN的常溫條件下進行了25 000次動態磨損試驗，結果表明該關節軸承的磨損量小于0.15 mm，完全滿足使用工況的要求。

為進一步提升Al-Zn合金關節軸承摩擦磨損性能和力學性能，需對合金進行一定的處理。在Al-Zn合金中添加微量的稀土元素可以有效地細化合金晶粒，提升合金性能。文獻[5-6]在合金中加入0.2%Er時，晶粒尺寸約為30～40 μm，隨著Er含量的增加，合金硬度呈先增大后減小的趨勢；而在鋁鋅合金中添加0.2%Ce時，合金的晶粒約為25～45 μm，合金硬度也明顯增大；文獻[7]在Al-Zn合金中添加少量的La，合金組織得到有效細化，力學性能、拉伸強度、伸長率都有所提高，當La含量為0.1%時，合金斷口處出現韌窩，且在其周圍有較明顯的片層組織，合金具有較好的韌性；文獻[8]采用CeO，La2O3對鋁鋅合金摩擦磨損特性進行強化，發現其在低速、重載條件下的摩擦因數小于0.1，磨損量低于2 mm3。

其他元素的加入可有效地增大合金硬度，進而使得合金材料具有更好的耐磨性。文獻[9]發現隨著Si和Zn含量的增加，鋁鋅合金的硬度有較大程度地增大，Zn對合金硬度的影響比Si的大，合金中的Zn含量增加1.5%，則硬度可增大25.78%。當Zn含量為11%時，合金硬度達到最高，隨后開始減小。

目前，制約鋁合金關節軸承使用的主要還是加工困難。鋁合金材料的塑性、韌性好，但剛度低、膨脹系數大，在加工時很容易受到裝夾和切削時所產生應力的影響，進而造成工件變形[10]。

2 TiAl合金關節軸承材料

TiAl基合金具有密度低、熔點高、硬度高、抗腐蝕性好、熱膨脹系數低等特點，在高溫環境中具有良好的力學性能，如高溫抗蠕變性能[11],這使得TiAl基合金完全有可能成為高溫、重載工況下理想的關節軸承材料。

但是，TiAl基材料本身的室溫塑性、熱變形能力、耐磨性和抗氧化性較差[12]，嚴重制約了TiAl基合金關節軸承的加工制造和使用范圍。而改善TiAl基材料性能一般有2種途徑：一是改變TiAl合金的成形技術，二是在合金中添加其他元素。

目前TiAl合金的制備技術主要分以下3種：鑄造、鑄錠冶金和粉末冶金。文獻[13]通過鑄造技術制備出Ti-(40-44)Al-(3-6)Nb-(W,Cr)-Si-C合金，發現不論在室溫還是高溫條件下，這一系列的TiAl合金的拉伸強度和抗氧化性都要比普通的TiAl基合金表現的更加優異。但是，在實際生產中發現鑄造成形和鑄錠冶金的合金組織都存在一定的缺陷，如組織偏析、晶粒粗大等，一般需進行一定的熱處理以改善合金的綜合性能。

粉末冶金是一種近凈成形技術，用這種方式可制備出微觀組織均勻、細化，力學性能優異的TiAl基關節軸承合金。文獻[14]利用預合金粉末熱等靜壓技術制備出Ti-45Al-8Nb-0.2Si-0.3B合金，該合金具有微觀組織細小、致密度較高、力學性能優異的特點。研究發現當加熱溫度低于相變溫度時，提高合金致密度的主要途徑是粉末顆粒的流動、轉動和重排；當溫度達到相變溫度時，粉末顆粒接觸面處會發生塑性變形，使TiAl預合金粉末基體相對致密度迅速提高。隨著致密化過程的進行，合金內部的孔隙將不斷減小，合金的力學性能將會得到顯著強化。

文獻[15]以真空熱壓燒結技術，選用62% BaF2-38%CaF2共晶體為固體潤滑劑制備出具有良好的高溫力學性能和微觀組織結構的TiAl基自潤滑材料，并以此為基礎制備出TiAl基自潤滑推力關節軸承，對其進行高溫摩擦磨損試驗和摩擦磨損有限元仿真分析。結果表明，該自潤滑關節軸承在高溫摩擦磨損試驗中表現出良好的承載性能和高溫自潤滑性能。

在TiAl基材料中添加其他元素，對合金進行成分設計可有效提升合金性能。TiAl基合金的高溫強度、室溫塑性、抗蠕變性都與材料的微觀組織有關。元素B，Mo和Y可有效地細化合金晶粒，顯著提升合金的力學性能。B元素凝固時發生枝晶斷裂以及固溶的B原子阻礙層片側向長大進而促進了合金細化晶粒[16]。文獻[17]發現Mo元素在凝固過程中析出高熔點的MoAl5，Mo3Al8和MoO3相，阻礙晶粒長大進而達到細化晶粒的作用。Y通過抑制TiO2的生長，從而細化TiAl基合金的室溫組織，有效地提高了TiAl基合金的抗彎強度和室溫塑性[18]。

為進一步提升TiAl基關節軸承的高溫力學性能，文獻[19]在TiAl合金中添加不同含量的Nb，在900 ℃下發現隨著Nb含量的增加，TiAl合金抗拉強度先增大后減小，當Nb含量為7%時合金高溫抗拉強度達到最大值587 MPa。在TiAl基材料中添加一定的硬質顆粒如TiC可細化晶粒，從而有效改善合金韌性，TiC均勻分布在TiAl材料中可顯著提升合金耐磨性和承載能力[20]，這對延長關節軸承的使用壽命有著重要意義。

目前TiAl基關節軸承的研制還在起步階段，但TiAl基合金在高溫、重載的環境中有良好的性能，所以未來TiAl基關節軸承必將有長足的發展，特別是在航空航天等惡劣的工況下。

3 自潤滑關節軸承材料

自潤滑材料的性能直接影響關節軸承的磨損性能和使用壽命。目前常見的自潤滑關節軸承材料主要有高分子基復合自潤滑材料、金屬基自潤滑復合材料、陶瓷基自潤滑復合材料。

在高分子基復合自潤滑材料中，目前使用最普遍的關節軸承襯墊材料是PTFE，其具有比強度高、抗腐蝕能力強、性能穩定等特點，在常溫條件下有良好的潤滑效果。據了解，PTFE編織材料所形成的潤滑膜在常溫條件下可經受超過1×106次摩擦，其摩擦因數僅為0.04，但在高溫狀態下編織復合材料會出現變形、開裂和熱疲勞等現象，加劇材料的摩擦磨損[21]。

為進一步提升PTFE材料的性能，文獻[22]采用不同的編織工藝制備PTFE/芳綸纖維自潤滑編織襯墊，在高頻重載條件下對自潤滑關節軸承進行摩擦學特性研究，發現PTFE纖維和芳綸纖維相互交織而成的襯墊有良好摩擦學性能，其耐磨性提升40.4%，摩擦時溫升下降37.2%。但是PTFE/芳綸纖維編織襯墊表面活性低，與黏合劑的浸潤性不好，造成襯墊黏結不牢固，襯墊容易出現皺褶脫落等從而導致潤滑不足，摩擦因數增大，磨損加劇[23]。

對PTFE/芳綸纖維進行改性處理可有效提升其黏合和摩擦磨損性能。經氧化鈰處理后的襯墊，其纖維表面活性基團的濃度和纖維表面粗糙度都有所提升，有效改善了纖維與黏合劑之間的浸潤性，使得襯墊與基體間的界面黏結力有顯著地提高[24]。同時發現經過氧化鈰處理的PTFE/芳綸纖維復合編織襯墊，在較短時間內其磨損表面可形成一層完整的潤滑膜，有效改善了關節軸承的磨損狀況[25]。

文獻[26]發現PTFE/芳綸自潤滑襯墊通過甘油醚接枝改性處理后，襯墊的磨損量、摩擦因數和摩擦溫升比未處理的自潤滑襯墊均明顯下降，特別是磨損量在相同工況下降1/4；隨試驗過程中擺動頻率的提高，襯墊的成膜性能也有所提高。研究還發現PTFE/芳綸編織物的紋路對自潤滑襯墊性能也有較大影響。文獻[27]應用有限元仿真軟件ABAQUS模擬關節軸承PTFE/芳綸編織襯墊在編織角度為45°和90°時的接觸應力和變形情況，結果表明：在相同載荷下，編織角度為45°時編織襯墊變形量比90°時的大，可有效減小應力集中，使襯墊的受力更加均勻；同時研究發現，由于內圈的阻礙作用，襯墊位移與接觸應力成反比，編織角度為45°時的位移量更小。

金屬基自潤滑復合材料是指將高溫固體潤滑劑與金屬基體進行燒結熔合制備出高溫自潤滑材料，或在金屬基表面制備出高溫自潤滑涂層材料。目前常用的高溫固體潤滑劑有CaF2，BaF2，MoS2，WS2，BN等。文獻[28]分析在400 ℃高溫條件下WS2，MoS2復合涂層的摩擦學性能，發現在300 N，155 r/min條件下有復合涂層基體的摩擦因數為0.045左右，其可有效降低合金本身的摩擦磨損情況。

文獻[29]在關節軸承表面噴涂不同組分的MoS2/石墨固體潤滑涂層，在旋轉擺動的條件下對不同固體潤滑劑成分的關節軸承進行試驗，結果表明：當MoS2與石墨的配比為3∶1時，復合膜的潤滑效果最佳，且在擺動頻率為3 Hz時摩擦因數僅為0.04左右，相對于沒有噴涂潤滑涂層的關節軸承，磨損量下降50%左右，摩擦溫度下降40 ℃，極大延長關節軸承的使用壽命。同時研究發現,MoS2/石墨復合涂層可有效提高關節軸承在不同工況條件下的承載能力和潤滑性，固體潤滑膜和金屬基體有良好的結合力。經處理后的關節軸承的潤滑膜細致、均勻，在使用中有優異的潤滑效果[30]。

文獻[31]以第2代TiAl為基體添加62%BaF2-38%CaF2的共晶材料為固體潤滑劑,利用真空熱壓燒結技術制備出TiAl高溫自潤滑材料,并分析該合金材料的高溫摩擦學性能，發現62%BaF2-38%CaF2在600 ℃時有良好的高溫自潤滑性能，當材料受熱后，固體潤滑劑在基體表面膨脹、溢出，然后在摩擦副的作用下62%BaF2-38%CaF2鋪展開，并最終在基體表面形成一層完整的潤滑膜，從而達到潤滑效果。

陶瓷基自潤滑復合材料是以陶瓷為骨架的自潤滑材料，該材料具有高硬度、高強度、高剛度、低密度和優異的化學穩定特性，也有良好的減摩耐磨特性[32-33]。文獻[34-35]指出，CaF2在高溫狀態下由脆性變成塑性，使得CaF2在500 ℃時有良好的潤滑性，同時在900 ℃高溫狀態下仍有優異的抗氧化性，是一種高溫環境中性能穩定的固體潤滑劑。

文獻[36]采用粉末治金技術利用冷壓燒結工藝制備出Al2O3/TiC/ CaF2自潤滑復合陶瓷材料作為內外圈材料，并與Al2O3/TiC復合陶瓷材料摩擦磨損特性進行對比分析。結果表明：Al2O3/TiC/CaF2復合陶瓷材料力學性能優于同等條件下制備的Al2O3/TiC復合陶瓷材料，在相同工況下Al2O3/TiC/CaF2復合陶瓷材料的磨損量和磨損率都大幅下降。同時在CaF2的作用下，在摩擦副表面形成一層平整、光滑的自潤滑層，起到有效減磨效果。

文獻[37]采用真空熱壓燒結工藝制備一種添加納米固體潤滑劑CaF2的自潤滑陶瓷材料，研究其25～600 ℃下的摩擦磨損性能。發現自潤滑陶瓷材料的摩擦因數與磨損率隨環境溫度的升高而逐漸降低，常溫下其磨損機理為磨粒磨損，高溫下磨粒磨損和黏著磨損并存。

目前，關節軸承自潤滑材料還存在諸多問題亟待解決，如高溫、高頻、重載和腐蝕等混合復雜工況下的自潤滑軸承材料失效制約自潤滑關節軸承的發展，同時自潤滑關節軸承材料的潤滑效果不穩定性也對自潤滑關節軸承使用壽命有著嚴重的影響。

4 結束語

鋁合金、鈦鋁合金、自潤滑材料在惡劣的環境中都有良好的耐磨損和力學性能，很符合高速重載關節軸承的工況要求。但是上述新型關節軸承材料還面臨著諸多問題，所以，在此提出這些新型關節軸承材料未來的發展方向。

鋁合金關節軸承材料需從2個方面進行：1)改善鋁合金材料本身的性質，通過添加不同材料和成形方式，制備出易加工、使用性能良好的鋁合金關節軸承材料；2)目前國內對薄壁鋁合金關節軸承套圈精加工技術還不成熟，需進一步分析鋁合金關節軸承的加工難點，不斷改善加工工藝路線，設計出最優的鋁合金關節軸承加工方案。

TiAl基關節軸承材料還處于研制階段，需解決的問題有：1)改善TiAl基合金的室溫塑性、抗氧化性以減小合金的加工難度；2)進一步提升TiAl合金的力學和摩擦磨損性能，研究TiAl合金高溫時的摩擦磨損機理，為高溫重載的TiAl基關節軸承的研制提供基礎；3)改善TiAl合金材料的制備方式和加工方式，以進一步降低TiAl成本，為TiAl合金關節軸承的大規模應用提供基礎。

對于自潤滑關節軸承材料：1)研究在不同工況條件下的自潤滑襯墊的磨損機理，優化自潤滑襯墊材料的成分、結構，以提高關節軸承的耐磨性；2)解決固體潤滑劑和基體間的相容性差，改善因固體潤滑劑造成基體孔隙增多以及固體潤滑劑與基體結合力不足的問題；3)對自潤滑關節軸承在不同溫度、速度、載荷等多因素工況條件下的摩擦磨損特性進行更深入研究，設計出高溫、重載時持續穩定的自潤滑關節軸承材料。

關節軸承摩擦磨損是一個復雜的問題，需分析不同關節軸承材料在不同工況下的摩擦磨損機理，為關節軸承的研究提供理論基礎。開發承載能力強、耐磨損、潤滑效果好、使用范圍廣的關節軸承，深入研究防軸承磨損失效技術將會成為未來重要的發展趨勢。