軸表面DLC涂層對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑承載性能的影響*

張秀麗 尹忠慰 郭前建

(1.山東理工大學(xué)山東省精密制造與特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東淄博 255000；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240)

滑動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中。隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高效、高可靠性、低噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊的方向發(fā)展，對(duì)滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑承載性能要求越來(lái)越高。為了提高滑動(dòng)軸承的承載力，減小摩擦因數(shù)，除了開(kāi)發(fā)合適的軸瓦材料外，在軸表面沉積減摩涂層也是一種有效方法。DLC涂層是一種有天然金剛石特性的納米復(fù)合涂層，具有低摩擦因數(shù)、高硬度、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，可廣泛應(yīng)用于刀具、模具、汽車零部件、航空航天等領(lǐng)域[1]。例如， SATEESH KUMAR等[2]研究了在陶瓷刀具上應(yīng)用DLC和WC/C低摩擦涂層車削高硬度鋼的適用性，結(jié)果表明涂層有利于降低切削力、切削溫度和刀具磨損。王剛等人[3]、王星和程偉勝[4]分別研究了DLC涂層在活塞銷和活塞環(huán)上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用DLC涂層可有效降低功率損失，減緩零件磨損，延長(zhǎng)零件使用壽命。廖熠等人[5]在空氣源熱泵熱水器壓縮機(jī)滑片上應(yīng)用DLC涂層，發(fā)現(xiàn)其能夠降低功耗，提高壓縮機(jī)可靠性。但目前針對(duì)DLC涂層對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑承載性能影響的研究較少。俞揚(yáng)飛等[6]實(shí)驗(yàn)研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱用三油葉滑動(dòng)軸承的啟停性能，對(duì)比了軸承表面分別采用DLC涂層和澆注銅合金時(shí)的磨損情況，結(jié)果表明DLC涂層試件表現(xiàn)更優(yōu)異。但他們主要對(duì)比了軸承啟停時(shí)的磨損情況，未研究軸承的承載性能。

受懸臂結(jié)構(gòu)、偏置載荷等的影響，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)產(chǎn)生變形引起軸線傾斜，降低軸承承載力，甚至造成軸承抱死失效[7-10]。本文作者前期實(shí)驗(yàn)研究了半徑間隙、轉(zhuǎn)速和軸線傾角對(duì)灰鑄鐵軸承極限承載力的影響[11-12]，發(fā)現(xiàn)軸線傾角越大，軸承極限承載力越小；在一定軸線傾角下存在最優(yōu)的半徑間隙使軸承承載力最大，為軸線傾斜工況下滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。為了進(jìn)一步提高滑動(dòng)軸承的可靠性，本文作者主要研究在軸表面沉積DLC涂層對(duì)軸線對(duì)中及傾斜工況下滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑承載性能的影響。為了對(duì)比研究，文中選取了3種常用軸瓦材料：灰鑄鐵、鋁合金和聚酰亞胺(PI)涂層。灰鑄鐵、鋁合金是2種常用的金屬軸瓦材料，灰鑄鐵軸承工作時(shí)可以形成起潤(rùn)滑作用的石墨層，具有一定的減摩性和耐磨性[13]；鋁合金軸承具有較高的疲勞強(qiáng)度和耐蝕性[14];聚酰亞胺是綜合性能最佳的高分子材料之一，PI涂層與金屬基材的附著力好，具有良好的耐磨性[15]。本文作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究軸線對(duì)中及傾斜工況下灰鑄鐵、鋁合金和PI涂層軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時(shí)的軸心軌跡和極限載荷，以及不同摩擦副的摩擦因數(shù)，分析軸表面DLC涂層對(duì)不同材料軸承潤(rùn)滑承載性能的影響及軸承抱死失效機(jī)制，以期為工程設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

研究采用圖1所示的滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)軸承直徑22 mm，長(zhǎng)22 mm，中間有一個(gè)直徑2.5 mm的進(jìn)油孔。實(shí)驗(yàn)軸承通過(guò)螺栓安裝在安裝套內(nèi)，安裝套兩側(cè)各有一個(gè)端蓋用來(lái)限制潤(rùn)滑油端泄量和安裝位移傳感器。2個(gè)端蓋上安裝了4個(gè)電渦流位移傳感器，位移傳感器a和c測(cè)量實(shí)驗(yàn)軸承相對(duì)軸頸表面的垂直位移，位移傳感器b和d測(cè)量實(shí)驗(yàn)軸承相對(duì)軸頸表面的水平位移。安裝套通過(guò)2個(gè)滾動(dòng)軸承與加載環(huán)聯(lián)接，并通過(guò)繩子固定在力傳感器2上，因此在加載的同時(shí)可以定性測(cè)量實(shí)驗(yàn)軸承摩擦力矩的變化。實(shí)驗(yàn)裝置采用杠桿原理加載，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪調(diào)節(jié)載荷大小，利用力傳感器1測(cè)量載荷值。另外，為了測(cè)試軸承在軸線傾斜工況下的性能，在實(shí)驗(yàn)裝置左下部和右上部分別設(shè)置了外六角萬(wàn)向球和測(cè)微頭，以施加傾斜轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)軸線傾斜角。

圖1 滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig 1 Sliding bearing test rig

實(shí)驗(yàn)軸承的潤(rùn)滑油采用日本出光多效能機(jī)械油Daphne Super Multi oil 10，通過(guò)蠕動(dòng)泵供給，流量設(shè)置為50 mL/min。潤(rùn)滑油溫度通過(guò)水浴控制在(35±1) ℃，此時(shí)潤(rùn)滑油黏度約為0.01 Pa·s。軸承承載力實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)軸的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 200 r/min。

1.2 實(shí)驗(yàn)軸承和實(shí)驗(yàn)軸

圖2所示為實(shí)驗(yàn)軸承，由軸承套和軸瓦組成，軸承套材料為45鋼，軸承A軸瓦材料為HT250灰鑄鐵，由鑄件加工而成，軸承B和C軸瓦為日本大同工業(yè)公司的產(chǎn)品，軸瓦B是鋁合金，含6%Sn、6%Si、1%Cu，軸瓦C基體為鋁合金，表面噴涂一層PI涂層。表1給出了實(shí)驗(yàn)軸承直徑和表面粗糙度的測(cè)量值。軸承直徑約為22.048 mm。軸承A通過(guò)精鏜加工內(nèi)孔，可獲得較小表面粗糙度；軸承B和C軸瓦加工余量較小，采用內(nèi)圓磨削工藝，表面粗糙度較大。

圖2 不同軸瓦材料的實(shí)驗(yàn)軸承Fig 2 Test bearings with different bushing material

表1 實(shí)驗(yàn)軸承參數(shù)Table 1 Test bearing parameters

圖3所示為實(shí)驗(yàn)軸，一根為40Cr鋼軸，實(shí)驗(yàn)部分軸頸直徑為21.995 mm，表面粗糙度為Ra0.09～0.12 μm；另一根軸基體材料是40Cr鋼，通過(guò)物理氣相沉積(PVD)方法在實(shí)驗(yàn)部分軸頸表面形成一層1.98 μm厚的DLC涂層，直徑為21.996 mm，表面粗糙度為Ra0.08～0.11 μm。各軸承與軸的間隙為26～27.5 μm。

圖3 實(shí)驗(yàn)軸Fig 3 Test shafts

1.3 軸心位置和軸線傾角的確定

圖4 間隙圓及坐標(biāo)系Fig 4 Clearance circle and coordinate system

軸線對(duì)中工況下處于動(dòng)壓潤(rùn)滑時(shí)，若傳感器測(cè)量值為a1、b1、c1、d1，則軸承中面上軸心在間隙圓中的坐標(biāo)值為

(1)

軸心偏心率和偏位角為

(2)

軸線傾斜工況下，若傳感器測(cè)量值為a2、b2、c2、d2，則軸線傾角由下式計(jì)算得到：

(c2-c1)-(a2-a1)=l×tanβ

(3)

其中l(wèi)為兩側(cè)傳感器之間的水平距離。

由于實(shí)際加載時(shí)軸會(huì)產(chǎn)生變形，傳感器測(cè)量值受軸變形的影響，因此在軸承抱死實(shí)驗(yàn)之后需做一次靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，記錄軸不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)傳感器測(cè)量值隨載荷的變化,然后在處理軸承抱死實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)消除軸變形對(duì)傳感器測(cè)量值的影響。

1.4 軸承極限載荷的確定

軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，若不施加傾斜轉(zhuǎn)矩，默認(rèn)軸承工作在軸線對(duì)中工況。在該工況下，增加載荷的同時(shí)監(jiān)測(cè)力傳感器2的測(cè)量值Fm，當(dāng)載荷增大至Fm不能保持穩(wěn)定并快速增長(zhǎng)時(shí)，該載荷被確定為極限載荷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，接近極限載荷時(shí)，每次加載98 N。每個(gè)載荷下，軸承運(yùn)行至少10 min以觀察Fm是否穩(wěn)定。

確定某一軸線傾角下的軸承極限載荷時(shí)，首先預(yù)估該軸線傾角下的極限載荷，并對(duì)軸承加載，記錄此時(shí)位移傳感器的測(cè)量值；然后調(diào)整測(cè)微頭增大軸線傾角，記錄位移傳感器測(cè)量值并計(jì)算傾斜角，直到傾斜角為目標(biāo)值。若摩擦力矩穩(wěn)定，則增加載荷，調(diào)整傾斜角至目標(biāo)值，直至軸承抱死失效。當(dāng)傾斜角未達(dá)到目標(biāo)值軸承已抱死，則降低載荷，直到傾斜角度為目標(biāo)值時(shí)發(fā)生抱死失效。每個(gè)傾斜角下，實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

1.5 摩擦性能實(shí)驗(yàn)

由于圖1的實(shí)驗(yàn)臺(tái)不能準(zhǔn)確測(cè)量摩擦因數(shù)，文中利用RTEC MFT-5000摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)通過(guò)銷盤接觸方式測(cè)量了3種軸瓦材料分別與40Cr鋼和DLC涂層的摩擦因數(shù)。上試樣為直徑6 mm的圓柱銷，鑄鐵材料直接加工為圓柱銷，鋁合金和PI材料通過(guò)軸瓦切割成片壓平后粘貼在圓柱銷表面，磨拋后試樣表面粗糙度約為Ra0.3 μm。下試樣為40Cr鋼和DLC涂層的圓盤，表面粗糙度約為Ra0.5 μm，試樣固定在液槽底部，液槽內(nèi)倒入10號(hào)潤(rùn)滑油，液面高于摩擦表面20 mm。實(shí)驗(yàn)前用乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行超聲清洗。實(shí)驗(yàn)時(shí)銷的偏心距離為17.5 mm，圓盤轉(zhuǎn)速設(shè)為100 r/min，實(shí)驗(yàn)載荷依次設(shè)為21、42、64、85、106和127 N，對(duì)應(yīng)比壓為1～6 MPa。實(shí)驗(yàn)在常溫(25 ℃)下進(jìn)行，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次并取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

圖5表示了在油潤(rùn)滑條件下HT250、鋁合金和PI 3種材料的銷分別與40Cr鋼盤和DLC涂層盤接觸時(shí)的摩擦因數(shù)。隨載荷增大，不同摩擦副的摩擦因數(shù)都先增大后減小。3種材料的銷與40Cr鋼盤接觸時(shí)，摩擦因數(shù)在載荷約為50 N時(shí)達(dá)到最大值，依次為0.181、0.217、0.188。3種材料與DLC涂層盤接觸時(shí)，摩擦因數(shù)在載荷約為64 N時(shí)達(dá)到最大值，依次為0.129、0.19、0.185。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在40Cr鋼表面噴涂DLC涂層后，HT250和鋁合金的摩擦因數(shù)大幅減小，而PI的摩擦因數(shù)在載荷小于70 N時(shí)略減小，載荷大于70 N時(shí)增大。這表明DLC涂層與鑄鐵、鋁等金屬材料配合時(shí)摩擦因數(shù)較小，而與PI高分子材料配合時(shí)摩擦因數(shù)較大，這可能是由于DLC是由碳元素組成，而PI由碳氧氮元素組成，元素相近的摩擦副摩擦因數(shù)較大。

2.2 滑動(dòng)軸承軸心軌跡

圖6表示了軸線對(duì)中工況下3種材料軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時(shí)偏心率和偏位角隨載荷的變化。可知，偏心率小于0.7時(shí)，軸承的承載力很低；偏心率大于0.9時(shí)，軸承承載力隨偏心率的增大急劇增大。鋁合金軸承與DLC涂層軸配合時(shí)，載荷大于2.2 kN時(shí)，軸承偏心率大于1，說(shuō)明鋁合金軸承發(fā)生磨損(詳見(jiàn)下文軸承和軸表面磨痕分析)。在低載荷下，偏位角約為60°，但由于低載荷條件下軸承剛度較小，不同摩擦副的初始偏位角差異較大；隨載荷增大，偏位角最終減小到10°～20°。對(duì)比圖6(a)和圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，各軸承的ε-F曲線在低載荷時(shí)差異不大，摩擦副材料主要影響軸承在重載工況下的潤(rùn)滑承載性能，HT250軸承和鋁合金軸承與DLC涂層軸配合時(shí)偏心率減小。這是由于輕載時(shí)，軸承形成動(dòng)壓油膜，摩擦副不發(fā)生直接接觸，材料對(duì)軸承性能影響較小。重載工況下摩擦副存在接觸，軸承處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦副材料直接影響軸承的潤(rùn)滑承載性能。摩擦副的摩擦因數(shù)減小，軸承偏心率減小，有利于提高軸承承載力。

圖7對(duì)比了3種材料軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時(shí)，在一定載荷下隨軸線傾角增大軸承中面的軸心軌跡，以及軸承抱死時(shí)軸線在軸承中面的投影。圖中圓表示間隙圓，斜線表示軸線在軸承中面的投影，左(右)點(diǎn)為軸承左(右)端面上的軸心，斜線中點(diǎn)處的曲線表示隨傾角增大軸承中面軸心的軌跡。圖上標(biāo)注了對(duì)應(yīng)的載荷Fs和極限傾角βs。可以看出，隨傾斜角增大，軸頸首先與軸承右下邊緣接觸，在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以感覺(jué)到增大傾角所需的力矩增大；隨后，間隙圓內(nèi)的軸承中面軸心向上移動(dòng)，偏心率減小，這說(shuō)明載荷一定時(shí)，軸線傾斜使偏心率減小，與理論研究規(guī)律相吻合[11]。極限傾角βs時(shí)軸承右端面的軸心移動(dòng)到間隙圓之外，這說(shuō)明在垂直載荷和傾斜扭矩的作用下軸承在接觸區(qū)域發(fā)生了變形。

圖7 隨軸線傾角增大軸承中面的軸心軌跡及極限傾角時(shí)軸線在軸承中面的投影Fig 7 Shaft center locus as misaligned angle increases and the projection of shaft centerline on midplane of bearing when seizure happens

表2總結(jié)了圖7中的軸心位移Δdjc和軸承邊緣變形tdef。軸心位移Δdjc即軸承中面上軸心初始位置和最終位置的絕對(duì)距離，軸承邊緣變形tdef等于極限傾角時(shí)軸承右端面上軸心位置超出間隙圓的徑向距離。

表2 圖7中軸承中面軸心位移Δdjc和邊緣變形tdef

對(duì)比表2中的結(jié)果可以看出，載荷較小時(shí)，極限傾角較大，軸心位移也較大，這是由于軸心在輕載時(shí)更容易移動(dòng)。除HT250軸承與DLC涂層軸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果外，隨極限傾角增大，其他實(shí)驗(yàn)軸承邊緣變形都增大，這是因?yàn)檩^大軸線傾角時(shí)極限載荷較小，因此軸承抱死時(shí)需有更大的變形和更大的接觸面積。由表2還可以看出，與40Cr鋼軸配合時(shí)，HT250軸承和鋁合金軸承抱死失效時(shí)邊緣變形量為2.2～2.8 μm，而與DLC涂層軸配合時(shí)鋁合金軸承邊緣變形量大于3.3 μm，鑄鐵軸承邊緣變形量大于6.9 μm，這說(shuō)明由于DLC涂層與鑄鐵和鋁合金的摩擦因數(shù)較小，軸承抱死需要更大的變形和更大的接觸面積。對(duì)于HT250軸承與DLC涂層軸的實(shí)驗(yàn)，極限載荷和軸承邊緣變形都很大，其軸承變形隨軸線傾角增大而減小可以用圖7解釋，當(dāng)載荷為4 900 N時(shí)，其偏心率隨傾角增大變化很小；當(dāng)載荷為2 940 N時(shí)，偏心率變化較大，使得軸承邊緣變形減小。

2.3 滑動(dòng)軸承極限載荷

圖8示出了3種材料軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時(shí)的極限載荷Fs隨軸線傾角β的變化曲線，其中比壓ps=Fs/(DL)。可以看出，β=0時(shí)，與40Cr鋼軸配合時(shí)，HT250軸承、鋁合金軸承、PI涂層軸承的極限比壓分別是9.6、3.7和6.4 MPa；與DLC涂層軸配合時(shí)，HT250軸承的極限比壓超過(guò)10 MPa(大于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的載荷范圍)，鋁合金軸承和PI涂層軸承的極限比壓分別是7.8 MPa(增大1.1倍)和3.6 MPa(減小44%)。這表明由于HT250和鋁合金與DLC涂層的摩擦因數(shù)相比與40Cr鋼的摩擦因數(shù)較小，因而2種材料滑動(dòng)軸承的極限載荷增大；而由于重載工況下PI與DLC涂層的摩擦因數(shù)相比與40Cr鋼的摩擦因數(shù)大，因而軸承的極限載荷減小。

圖8 不同摩擦副的極限載荷Fig 8 Load carrying capacity of different friction pairs

圖5中鋁合金和PI與DLC涂層的摩擦因數(shù)相近，但與DLC涂層軸配合時(shí)，PI涂層軸承的極限載荷小于鋁合金軸承，這主要是因?yàn)镻I涂層軸承的表面粗糙度比鋁合金軸承大，一定程度上增大了摩擦因數(shù)。

2.4 軸承和軸表面磨痕

圖9對(duì)比了實(shí)驗(yàn)前后軸承內(nèi)表面情況。實(shí)驗(yàn)后軸承內(nèi)表面磨痕清晰可見(jiàn)，其中與40Cr鋼軸實(shí)驗(yàn)后，軸承只有少量磨痕；與DLC涂層軸實(shí)驗(yàn)后，HT250軸承和鋁合金軸承的磨合區(qū)域增大，這主要是因?yàn)樗鼈兣cDLC涂層軸的抱死載荷大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加，而實(shí)驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)，磨合面積越大。但實(shí)驗(yàn)后HT250軸承直徑變化不大，而鋁合金軸承直徑增大3 μm，這說(shuō)明HT250軸承比鋁合金軸承更耐磨損。圖10示出了實(shí)驗(yàn)后兩根軸的表面情況。40Cr鋼軸有磨合痕跡，DLC涂層軸無(wú)可見(jiàn)磨痕，這是由于DLC涂層硬度高，耐磨性好。

圖9 實(shí)驗(yàn)前后軸承表面Fig 9 Bearing inner surface before and after tests

圖10 實(shí)驗(yàn)后軸表面情況Fig 10 Shaft surface before and after tests

3 結(jié)論

(1)相較與40Cr鋼盤接觸時(shí)，HT250和鋁合金與DLC涂層接觸時(shí)的摩擦因數(shù)大幅減小，而載荷大于70 N時(shí)PI的摩擦因數(shù)增大。

(2)一定載荷下，隨軸線傾角增大，軸承中面偏心率減小，軸承在接觸邊緣發(fā)生變形；與40Cr鋼軸配合時(shí)，HT250和鋁合金軸承抱死失效時(shí)邊緣變形量為2.2～2.8 μm，而與DLC涂層軸配合時(shí)鋁合金軸承邊緣變形量大于3.3 μm，鑄鐵軸承邊緣變形量大于6.9 μm；摩擦副摩擦因數(shù)越小，軸承抱死失效時(shí)邊緣變形越大。

(3)軸線對(duì)中工況下，與40Cr鋼軸配合時(shí)，HT250軸承、鋁合金軸承、PI涂層軸承的極限比壓分別是9.6、3.7和6.4 MPa；與DLC涂層軸配合時(shí)，HT250軸承的極限比壓大于10 MPa，鋁合金軸承和PI涂層軸承的極限比壓分別是7.8、3.6 MPa。軸表面DLC涂層提高了HT250和鋁合金軸承的極限載荷，但減小了PI涂層軸承的極限載荷。摩擦副摩擦因數(shù)越小，軸承的極限載荷越大。

(4)DLC涂層硬度高，耐磨性好，實(shí)驗(yàn)后軸表面無(wú)可見(jiàn)磨痕。