Sn-Ag-Cu自潤滑滾子軸承的高溫摩擦學特性*

(武漢理工大學機電工程學院 湖北武漢 430070)

隨著航天、航空以及火箭發動機等高端技術的發展，高溫自潤滑滾動軸承在高溫、輻射、高壓等極端條件下的摩擦、磨損與潤滑方面的研究日益引起人們的重視[1-2]。目前關于高溫自潤滑滾動軸承的研究，主要是在保持架、滾道表面潤滑膜的改性等方面。卓會丹等[3]通過離子注入與沉淀工藝在氮化硅陶瓷球表面制備出DLC膜，研究了鍍DLC膜的角接觸球軸承在常溫至400 ℃范圍內摩擦學性能，指出試驗溫度達到400 ℃時，試樣表面的DLC膜將開始脫落。張晶[4]制備了二硫化鎢系自潤滑陶瓷球軸承，并通過試驗說明二硫化鎢在高溫環境下具有較好的摩擦學性能和抗氧化性。賈貴西等[5]研究了鉻摻雜碳涂層對滾動軸承性能的影響，指出適當增加鉻元素含量可以提高涂層軸承的溫升性能、抗溫變性能和自潤滑性能。謝鵬飛等[6]采用聚四氟乙烯保持架與表面鍍WS2復合固體潤滑膜的滾動球組合的軸承進行了摩擦試驗，發現該軸承的摩擦力矩明顯低于某國外產品。目前對高溫自潤滑滾子軸承的研究，大多采用石墨和MoS2、DLC為固體潤滑劑[7]，通過在滾動體表面涂抹固體潤滑劑形成潤滑膜從而達到自潤滑的效果。但是高溫自潤滑滾動軸承在受到載荷、轉速、溫度等條件的影響下，滾動體表面的潤滑膜會出現不同程度的剝落，從而影響潤滑效果，縮短高溫自潤滑滾動軸承的使用壽命。所以，探索一種全新的自潤滑方式和固體潤滑劑，對于高溫自潤滑滾動軸承的工程應用具有重要的意義。

多孔材料是一種在表面或內部分布大量孔隙結構的材料,與致密材料相比，具有密度小、質量輕的優點，同時也能保證良好的機械性能[8-12]。本文作者制備多孔結構的Sn-Ag-Cu高溫自潤滑滾子，其自潤滑原理模擬人體發汗的方式，在外界溫度和摩擦熱的作用下，浸漬在多孔結構的滾子內的固體軟金屬潤滑劑析出摩擦表面，在滾子與滾道之間的滾子阻力的作用下均勻地鋪展在摩擦表面，起到潤滑作用。同時，設計了一種模擬高溫平面推力滾子軸承摩擦的試驗裝置，通過該裝置研究了不同溫度下滾子軸承的摩擦學特性。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗軸承主要由高溫自潤滑金屬陶瓷圓柱滾子、上下試驗盤(材料均為2Cr13)、滾珠(材料為GCr15)4部分組成。其中軸承滾子制備工藝為：將純度為99.9%的Sn、Ag、Cu固體金屬粉末，按照質量分數為8∶7∶5的配比混合后，與預先燒結制備的多孔金屬陶瓷基體滾子、潤濕劑一同放入高溫真空熔滲裝置的石墨坩堝中，浸漬成高溫自潤滑金屬陶瓷滾子毛坯，再經研磨加工成滾子試樣。燒制的滾子試樣在常溫下的物理機械性能如表1所示。

表1 自潤滑滾子在常溫下的物理機械性能

滾子、上下試驗盤及滾珠的表面粗糙度Ra分別為0.09、0.30、0.30、0.60 μm。滾子的尺寸為φ10 mm×9.7 mm，上試驗盤外徑、內徑及厚度分別為 68、40、6 mm，滾珠直徑為8.5 mm。下試驗盤結構尺寸如圖1所示。

圖1 下試驗盤尺寸Fig 1 Size of lower test plate

1.2 試樣組合與試驗方法

圖2(a)所示為外購的81208型普通軸承的銅制保持架，在500 ℃溫度中經過短時間摩擦試驗后的斷裂圖片，試驗表明銅制保持架在高溫環境下易發生損壞而無法正常工作。為了利用XP-2型數控高溫摩擦試驗機對自潤滑平面推力軸承進行高溫滾動摩擦試驗，設計了如圖2(b)所示的試驗零件組合結構：在下試驗盤的圓槽中，放入小于軸承滾子直徑的滾珠將滾子隔開。由于滾珠的直徑小于滾子的直徑，在試驗中不承受試驗載荷，并且滾珠的滾動摩擦阻力很小，因此滾珠和圓槽的組合相當于軸承中保持架的作用，能保證滾子在試驗中沿著下試驗盤上的圓槽進行公轉和自轉。

圖2(a) 銅制保 圖2(b) 下試驗盤、滾子、 持架 滾珠組合結構Fig 2(a) Copper Fig 2(b) Composite structure of cage lower test plate,roller and ball

試驗裝夾結構的原理簡圖如圖3所示。上試驗盤由試驗機的旋轉主軸驅動，下試驗盤軸向固定不動，試驗載荷F通過上試驗盤作用在上下試驗盤與滾子之間，試驗溫度由電阻絲加熱爐控制，摩擦力則通過固定在下試驗盤支承座上的傳感器檢測并傳送給計算機顯示和保存。試驗溫度分別設定為400、500、600 ℃，主軸轉速設定為100 r/min，載荷為200 N。試驗前用丙酮對滾子、滾珠和試驗盤進行超聲波清洗，消除試樣表面吸附物的影響。

圖3 試驗原理簡圖Fig 3 Experimental schematic diagram

試驗過程中的滾動摩擦因數由計算機采集系統自動記錄和顯示，試驗后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、電子探針(EDS)對下試驗盤滾道的表面形貌、滾道槽內形成的潤滑膜成分進行分析。

2 結果分析與討論

2.1 溫度對自潤滑滾子軸承摩擦因數的影響

圖4示出了高溫自潤滑滾子軸承在載荷200 N、轉速100 r/min下，試驗溫度分別為400、500、600 ℃時摩擦因數隨試驗時間的變化曲線。

圖4 400～600 ℃溫度下滾子軸承摩擦因數變化曲線Fig 4 Friction coefficient curves of rolling bearings at the temperature from 400 ℃to 600 ℃

由圖4可知，滾子軸承的摩擦因數隨著試驗溫度的上升而降低，當溫度上升到600 ℃時，摩擦因數降低至0.024，并持續保持著良好的潤滑效果。

2.2 磨損表面形貌和成分分析

圖5所示為自潤滑滾子與下試驗盤在400 ℃溫度下滾動摩擦試驗后，槽內滾動摩擦表面的SEM圖。

圖 5 400 ℃溫度下摩擦磨損試驗后下試驗盤摩擦表面SEM照片Fig 5 SEM photographs of the friction surface of lower test plate after friction and wear test at 400 ℃ (a)surface morphology of lower test plate;(b)local magnification of friction surface

由圖5(a)可知，下試驗盤槽內摩擦表面只有少量零星散落分布的潤滑膜，從圖5(b)可以看出400 ℃時摩擦試驗盤磨損表面有明顯的磨損痕跡(白色高亮部分)。對圖5(a)中區域1和2進行EDS成分分析后，結果如表2所示?？芍?，區域1主要由Fe、Cr、O以及少量的Sn、Ag、Cu元素組成，其中Fe、Cr原子分數占大約71%，而固體潤滑劑成分Sn、Ag、Cu只占7%，說明溫度為400 ℃時，只有少量固體潤滑劑從滾子表面的孔隙中析出形成潤滑膜[13]，下試驗盤表面大部分還是基體材料；區域2中沒有潤滑劑合金，只有少量O元素成分。區域1、區域2的成分分析結果說明：在溫度為400 ℃時，相互接觸的潤滑區域內只有少量潤滑劑合金析出并參與潤滑，而非潤滑區域內沒有潤滑成分，自潤滑滾子與試驗盤直接接觸，導致滾子軸承的摩擦因數偏高(如圖4所示)。

表2 各區域譜圖的原子分數

圖6所示是試驗溫度為500 ℃時摩擦試驗后下試驗盤的SEM表面形貌圖。

圖 6 500 ℃溫度下摩擦磨損試驗后下試驗盤摩擦 表面SEM照片Fig 6 SEM photographs of the friction surface of lower test plate after friction and wear test at 500 ℃ (a)surface morphology of lower test plate;(b)local magnification of friction surface

由圖6(b)可知，下試驗盤表面的潤滑膜覆蓋率比溫度為400 ℃時高，潤滑膜外觀平整光滑，但是仍然可以看出有潤滑膜破壞后形成的剝落痕跡。由圖6(a)中區域3和區域4的EDS譜圖分析結果可知(如表2所示)，區域4為非潤滑區，區域3為潤滑區域。區域3表面的主要成分為Fe、Cr、O、Ag、Cu、Sn，其中固體潤滑劑Sn、Ag、Cu三者總的原子比上升到了20%左右，O原子的百分比上升到40.4%左右。分析可知，這是由于500 ℃溫度已接近高溫自潤滑滾子中的潤滑劑合金的熔點，有部分Sn、Ag、Cu從滾子中析出并在摩擦力的作用下均勻地涂覆在摩擦表面上，而下試驗盤的Fe和Cr和與環境中的O元素在高溫下發生氧化還原反應，生成具有潤滑作用的的Fe2O3、Cr2O3氧化物[14-15]，在摩擦表面上形成了一層復合的潤滑膜。因此與溫度為400 ℃的情況相比，在500 ℃時滾子和試驗盤之間的摩擦因數值從0.037下降至更低值0.025。

圖7所示為600 ℃時摩擦之后下試驗盤的表面形貌圖。

圖 7 600 ℃溫度下摩擦磨損試驗后下試驗盤摩擦表面SEM 照片Fig 7 SEM photographs of the friction surface of lower test plate after friction and wear test at 600 ℃ (a)surface morphology of lower test plate;(b)local magnification of friction surface

圖7(b)顯示在下試驗盤上有較多完整的潤滑膜，而潤滑膜剝落的痕跡已經很少。相應地，由表2可以看出，在圖7(a)區域5中潤滑膜的主要成分為Sn、Ag、Cu、O和部分Fe、Cr等，并且固體潤滑劑合金的比例已達到36%，其中Sn和Ag的原子百分比大約占了28%。這是由于600 ℃溫度已經達到了潤滑劑合金的熔點，大量的潤滑劑合金開始以融熔態形式出現，涂覆在試驗盤表面上形成潤滑膜，進一步降低摩擦因數。區域6為非潤滑區域，由表2可知該區域除了含有大量Fe和Cr成分以外，還有少量Sn、Ag成分，說明600 ℃的高溫已使滾子中析出的潤滑劑合金更容易涂覆到更多的摩擦表面上。

通過圖5、6、7所示的下試驗盤表面形貌圖以及表2所列表面成分的原子百分比可以看出，溫度和潤滑劑合金的熔點是影響高溫自潤滑滾子軸承摩擦學特性的主要因素。滾子軸承摩擦試驗溫度不同(400、500、600 ℃)，在下試驗盤摩擦表面形成的潤滑膜中的原子百分比也不同，潤滑膜將呈現出不同的潤滑效果，最終導致不同的摩擦現象和磨損機制。當Sn-Ag-Cu系自潤滑材料潤滑劑合金的熔點為600 ℃左右時，滾動摩擦試驗達到穩定后，下試驗盤溝槽中的摩擦表面可分為潤滑區域和非潤滑區域。試驗為400 ℃時，在摩擦表面只有少量潤滑膜與少量氧化物起潤滑作用，潤滑效果較差，存在自潤滑滾子與試驗盤基體直接接觸發生黏著磨損的現象。當試驗溫度為500 ℃時，摩擦表面潤滑膜破壞后未能及時重新形成完整的潤滑膜，滾子和試驗盤基體仍有部分直接接觸，因此還會產生部分黏著磨損與氧化磨損，潤滑效果中等。當試驗溫度為600 ℃時，大量潤滑劑從滾子中析出并覆蓋在摩擦表面上，使得基體與滾子接觸的機會減少，并且阻擋了基體中的Fe和Cr與外界的O元素相接觸，摩擦表面上的氧化物逐漸減少,因此黏著磨損和氧化磨損得到進一步減輕，潤滑膜破壞后能得到及時修復，因此摩擦表面潤滑膜的剝落痕跡明顯減輕，潤滑效果最好。

針對高溫自潤滑滾子軸承在不同溫度下表現出的摩擦學特性，在工程實際應用中，可以采用高溫自潤滑材料滾珠代替試驗中的GCr15滾珠，通過調整燒結材料的配比和設計潤滑劑合金熔點的方法，確保高溫滾動摩擦過程中，摩擦表面有足夠多的潤滑劑析出并形成連續的潤滑膜。

3 結論

(1)提出了一種利用滾珠隔離承載滾子的無保持架軸承結構，利用該結構進行了推力滾子軸承的高溫試驗研究。

(2)試驗溫度在400～600 ℃之間時，Sn-Ag-Cu系自潤滑金屬陶瓷滾子與2Cr13試驗盤之間的滾動摩擦因數與溫度成反比關系，溫度為600 ℃時摩擦因數降低至0.024。

(3)軸承的工作溫度和自潤滑多孔材料中潤滑合金的熔點是影響高溫自潤滑滾子軸承摩擦學特性的主要因素。當試驗溫度達到潤滑劑合金熔點時，大量潤滑劑析出并在摩擦表面形成潤滑膜,阻止材料發生黏著與氧化磨損，摩擦與磨損均達到一個較低的狀態。