采用金屬陶瓷涂層的自潤滑關節軸承性能分析

黃雄榮

（上海市軸承技術研究所，上海 201801）

1 概述

自潤滑關節軸承由內圈（內圈表面涂層）、外圈和自潤滑材料組成（圖1），具有結構簡單緊湊、承載能力大、可靠性高、免維護等優點，其自潤滑的特點突破了傳統關節軸承使用條件，可用于不易維護、封閉的部件，因此在航空、風電、船舶等領域獲得越來越廣泛的應用［1］。

圖1 自潤滑關節軸承Fig.1 Self－lubricating spherical plain bearing

國內對自潤滑關節軸承研制起步較晚，近年來逐步突破軸承的設計、材料、工藝、試驗技術，形成了一套自主的研發體系和技術力量。但與國外相比，國內自潤滑關節軸承的理論和標準體系尚未建立，材料的種類少，且與國外存在差異，表面技術在自潤滑關節軸承上的應用較少（主要為鍍鉻、鈍化），襯墊品種單一，不能滿足高溫、高頻、高載等工況的應用需求。

國內自潤滑關節軸承內圈采用馬氏體不銹鋼材料G95Cr18（或G102Gr18Mo），在內圈外球面表面進行電鍍鉻處理能滿足基本軸承的承載和耐磨要求，但其在鹽霧環境中易快速生銹，不能滿足耐鹽霧腐蝕的要求（GJB 150—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》中耐鹽霧96 h不生銹），且在高速輕載、低速重載擺動的工況下，尤其是在高速輕載工況下，軸承自潤滑襯墊和內圈球面磨損快，在軸承服役壽命內快速失效，不能滿足產品壽命要求。

高速火焰噴涂（HVOF）可以克服等離子熱噴涂涂層孔隙多、結合強度不高的弱點，使金屬陶瓷涂層具有高硬度、強度，優良的耐磨性、斷裂性，同時具有化學性能穩定、摩擦因數低及耐熱耐氧化性能良好等優點［2－3］。鑒于此，現采用HVOF金屬陶瓷涂層的方法改性自潤滑關節軸承內圈的外球面，替代傳統硬鉻，研究軸承的耐鹽霧腐蝕、耐磨損性能。

2 金屬陶瓷涂層的性能指標

2.1 孔隙率

熱噴涂金屬陶瓷主要通過熔融的涂層顆粒高速撞擊工件，在工件表面不斷堆疊形成改性涂層，因此涂層不可避免存在堆疊的孔隙。

孔隙率直接反映金屬陶瓷涂層的致密性，太致密的涂層會造成涂層的應力集中，容易開裂，不利于后期加工和抗沖擊；太疏松的涂層（孔隙率＞8%）直接影響其結合性能和耐磨損性能。適當的孔隙分布有助于吸收噴涂過程中產生的熱應力和涂層工作中的沖擊性能［2］。

金屬陶瓷涂層的縱截面光學顯微鏡（OP）形貌如圖2所示。由圖可知，縱截面存在細小孔隙，最大孔徑約為1.5μm，涂層孔隙率約為1%。

圖2 縱截面OP形貌Fig.2 OPmorphology of longitudinal section

2.2 硬度

提高硬度能有效提高內圈外球面耐磨損性能。軸承內圈基體材料為G95Cr18，采用淬火、時效的熱處理工藝，熱處理后硬度為55～62 HRC（596～745 HV0.3）。內圈通過熱噴涂金屬陶瓷后的設計涂層硬度不小于1 000 HV0.3。金屬陶瓷涂層表面硬度采用顯微維氏硬度法測量，通過多點測量，涂層表面硬度為1 123～1 333 HV0.3，平均值為1 199 HV0.3。

3 試驗

3.1 耐腐蝕試驗

對分別采用無表面處理、電鍍硬鉻和金屬陶瓷涂層的軸承內圈（內徑17 mm），按照GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境實驗方法第11部分：鹽霧試驗》方法，在HS－101C鹽霧試驗機上進行鹽霧試驗。試驗溫度為（35±2）℃；鹽溶液濃度為5%±1%；鹽液pH值為6.5～7.2；鹽霧沉降率為1～3 mL／（80 cm2·h）；采用24 h噴鹽霧和24 h干燥2種狀態交替模式。

3.2 磨損壽命試驗

對采用金屬陶瓷改性層的自潤滑關節軸承，即PTFE自潤滑復合材料襯墊與金屬陶瓷摩擦副，分別在高速輕載和低速重載工況下進行磨損壽命考核，并與采用傳統硬鉻的軸承進行壽命對比。

3.2.1 高速輕載擺動磨損壽命試驗

按照SAE AS 81819—2010《高速擺動自潤滑關節軸承技術規范》，在高速壽命試驗機SDZ－50上進行試驗。試驗溫度為15～35℃；相對濕度為20%～80%；擺動頻率為3.6 Hz；最大擺角為12°；平均壓強為40 MPa。

3.2.2 低速重載擺動磨損壽命試驗

按照SAE AS 81820—2014《低速擺動自潤滑關節軸承技術規范》在低速壽命試驗機SDZ300上進行試驗。試驗溫度為15～35℃；相對濕度為20% ～80%；擺動頻率為0.2 Hz；最大擺角為±25°；平均壓強為250 MPa。

4 結果與分析

4.1 耐腐蝕性能

在相同表面粗糙度（Ra＝0.8μm）水平下，不同表面改性試樣的耐鹽霧腐蝕性能見表1。由表可知，無表面處理的內圈一般在48 h內生銹；采用電鍍硬鉻的內圈表面在96 h內生銹；采用金屬陶瓷涂層的內圈表面在288 h后尚未生銹。文獻［4］通過HVOF加工的金屬陶瓷涂層，其耐鹽霧腐蝕能力強于電鍍硬鉻；文獻［5］開展的航空起落架上采用類似成分的金屬陶瓷涂層750 h不生銹。由此可知，試驗結果與國外的研究結論一致。

表1 不同表面狀態試樣的耐鹽霧腐蝕性能Tab.1 Corrosion resistance to salt spray of samples with different surface states

用3D顯微鏡和掃描電鏡觀察電鍍硬鉻涂層形貌，結果如圖3所示。由圖可知，硬鉻鍍層內部存在微裂紋（圖3a），不可避免會產生穿透性裂紋；涂層貫穿裂紋（圖3b）將導致腐蝕介質從表面滲透至界面而腐蝕基體，特別是腐蝕液體中的氯離子，易造成不銹鋼的晶界腐蝕，引起基體層生銹。

圖3 電鍍硬鉻涂層形貌Fig.3 Morphologies of hard chromium electroplating coating

金屬陶瓷涂層主要材料成分為WC＋Cr＋Co，其抗化學腐蝕能力強，這是由于引入的Cr形成了Cr2O3陶瓷鈍化相，提高了粘結相的電化學腐蝕電位，延緩了腐蝕介質向基體擴散［6］。金屬陶瓷涂層形貌如圖4所示。由圖可知，其孔隙率小且多為獨立封閉小孔，產生貫穿的腐蝕通道的概率比電鍍硬鉻低，因此腐蝕介質不容易從涂層表面到達基體產生腐蝕，同時涂層材料本身具備良好的耐腐蝕性能，因此采用金屬陶瓷涂層的內圈具有良好的耐腐蝕性能。

圖4 金屬陶瓷涂層形貌Fig.4 Morphologies of cermet coating

4.2 擺動磨損壽命試驗

4.2.1 高速輕載擺動磨損壽命試驗

高速擺動磨損壽命試驗中，每100 h測試一次軸向游隙值，設計要求不超過0.250 mm。不同涂層對自潤滑關節軸承軸向游隙的影響如圖5所示，由圖可知，鍍硬鉻軸承的軸向游隙值增加迅速，說明軸承的磨損速度快，600 h已經達0.255 mm，超過了設計值，即壽命小于600 h；金屬陶瓷軸承的初始游隙值小、游隙曲線平緩，說明軸承在高速工況下的初始磨損小、試驗過程中磨損穩定，達到設計壽命1 000 h時，軸承的軸向游隙值僅為0.160 mm。由此可知，相比鍍硬鉻，金屬陶瓷在高速工況下耐磨損性能更好。

圖5 不同涂層對自潤滑關節軸承軸向游隙的影響Fig.5 Effect of different coatings on axial clearance of selflubricating spherical plain bearing

4.2.2 低速重載擺動磨損壽命試驗

低速擺動時，2種涂層軸承的磨損壽命試驗結果見表2。由表可知，在不同擺動周期下，金屬陶瓷涂層的初始磨損量略大，但長期耐磨損性能更佳。全周期磨損量和有載力矩隨擺動次數的變化曲線如圖6所示。由圖可知，當擺動周期小于1×105次時，2種涂層軸承的初始有載力矩均隨擺動次數的增加快速下降，之后隨著擺動周期的增加其有載力矩緩慢增加。相比鍍硬鉻軸承，金屬陶瓷軸承的有載力矩及磨損量穩定時段更長，表現出初期快速磨損、中期穩定磨損、后期加速磨損的規律，磨損量曲線與有載力矩曲線的變化趨勢一致；金屬陶瓷軸承的磨損量也較小。

圖6 磨損量和有載力矩隨擺動周期的變化曲線Fig.6 Variation curves of wear extent and load torque with cycle periods

表2 軸承105次擺動磨損壽命試驗結果Tab.2 Wear life test results after 105 cycles of bearing

鍍鉻層硬度約為800～900 HV0.3，相對基體G95Cr18的硬度55～62 HRC（596～745 HV0.3），耐磨損性能提高有限；金屬陶瓷的硬度達到1 000 HV0.3以上，耐磨損性能表現更優異。

4.2.3 小結

一對摩擦副的耐磨損性能并非材料的固有屬性，在不同摩擦速度和壓力下，其磨損率均有明顯變化，普遍表現為隨著滑動速度和壓力的增加而增加。滑動速度增加，在摩擦剪切和氧化作用下自潤滑復合材料與對磨材料接觸點之間的斷裂速度增加，同時由于摩擦熱引起復合材料的接觸面溫度升高，使基體材料出現軟化，二者的實際接觸面積增加，從而導致磨損率增加［7］。因此高速工況更為苛刻，軸承的磨損速率更快，對其耐磨損性能要求更高。

由試驗結果可知，金屬陶瓷涂層在高速輕載和低速重載工況下都表現出了更好的耐磨損性能，尤其在高速輕載工況下，穩定磨損期更長，耐磨損性能更卓越。

4.3 摩擦磨損特性分析

對磨損的金屬陶瓷涂層軸承和襯墊進行SEM形貌觀察，結果如圖7所示。對磨損軸承和襯墊進行EDS成分分析，結果分別見表3和表4。

圖7 磨損軸承和襯墊的表面形貌Fig.7 Surfacemorphologies ofwear bearing and liner

表3 軸承磨損表面成分Tab.3 Components ofwear surface of bearing w，%

表4 襯墊磨損表面成分Tab.4 Components ofwear surface of liner w，%

由圖7可知，金屬陶瓷涂層表面有規則流向、與軸承滑動方向一致的明顯磨損痕跡和細微劃痕，有表面硬質相碳化物的疲勞剝落，存在幾微米到幾十微米的麻坑（圖7a），其中部分為噴涂造成的結構孔隙［8］。由此可知，軸承主要表現為磨料磨損和疲勞磨損的綜合磨損形式。此外，襯墊經金屬陶瓷層摩擦磨損后，纖維及表面樹脂存在磨損痕跡，部分纖維斷裂（圖7b）。

由表3、表4可知，金屬陶瓷涂層表面存在F元素，襯墊表面存在W 元素，說明在磨損過程中，襯墊材料磨屑和金屬磨屑互相轉移。在摩擦過程中轉移物在涂層和襯墊間形成了一層轉移膜，起持續自潤滑的效果。轉移膜中除了PTFE還有部分WC磨損物，WC是PTFE的一種改性材料，對PTFE起改性作用，增強了襯墊的耐磨性能，降低了磨損率。

5 結論

1）與傳統電鍍硬鉻比，金屬陶瓷涂層更耐磨、耐腐蝕，更環保。

2）金屬陶瓷涂層與襯墊的匹配性能較佳，在低速重載和高速輕載的工況條件下均能顯著提高軸承的耐磨損性能，尤其是在高速輕載工況下耐磨損性能更優。

3）金屬陶瓷涂層與襯墊摩擦副的摩擦磨損形式主要為磨料磨損和疲勞磨損的綜合磨損形式。