非鋼制關節軸承制造材料研究進展

孫澤，陳輝，肖光春，羅婷，劉香港

（1.齊魯工業大學（山東省科學院） 機械工程學院，濟南 250353；2.山東省機械設計研究院，濟南 250031）

關節軸承的滑動面為球面，可以實現一定角度的擺動，是需要實現一定角度傾斜運動機構的重要組成部件，其失效原因主要為內外圈的摩擦磨損［1］。關節軸承內外圈材料的選擇對其摩擦磨損、承載能力、耐沖擊和耐腐蝕等性能有重要影響。大部分自潤滑關節軸承內外圈之間存在一層潤滑層，其材料的選擇是影響自潤滑關節軸承摩擦磨損的關鍵因素。

開展關節軸承各零件材料的研究對其性能和壽命的提高有重要意義。關節軸承按承載方向、公稱接觸角和結構形式分為向心關節軸承、角接觸關節軸承、推力關節軸承和桿端關節軸承，向心關節軸承在工程中應用較廣，本文以向心關節軸承為例（下文無特殊說明的關節軸承均為向心關節軸承）介紹了關節軸承零件材料的發展現狀，歸納總結各種材料及其經過處理后的性能，并在此基礎上對關節軸承零件材料的發展趨勢進行了展望。

1 關節軸承內外圈材料

2022年7月實施的國家標準GB/T 304.9—2021《關節軸承 第9部分：通用技術規范》規定了關節軸承內外圈材料一般選用軸承鋼、不銹鋼或滲碳鋼；擠壓型外圈和鑲嵌型外圈一般采用優質碳素結構鋼、調質鋼［2］，鋼制關節軸承的應用已相對成熟。隨著機械設備的發展，一些特殊應用場合對關節軸承的摩擦性能、承載能力和耐腐蝕性等提出了更高要求。為提高關節軸承的各項性能，研究人員對各類合金在關節軸承內外圈上的應用進行了研究［3］；對于無法應用襯墊和涂層的場合，還研究了能實現自潤滑的內外圈材料。

1.1 鋁合金材料

鋁合金是一種耐腐蝕、耐磨損、質量輕的合金材料，早在1998年，國內就開始了鋁合金自潤滑關節軸承的研究，但受限于當時的技術，研究并不全面。經過十多年的發展，已有選用2 系列和7 系列鋁合金材料制備的新型鋁合金自潤滑關節軸承［4］，并得到了工程化應用；文獻［5］則通過內外圈材料為7075 鋁合金的關節軸承的性能測試，證明了其作為擠壓型自潤滑關節軸承的可行性。

鋁合金因優異的性能，質量輕的特點成為輕量化航空關節軸承的理想材料。目前，制約鋁合金關節軸承發展的最大問題是鋁合金加工時變形大，加工困難。近年來飛速發展的3D 打印技術可以有效解決鋁合金內外圈加工難的問題。文獻［6］在7075 鋁合金粉末中添加Al3Zr 核試劑顆粒制備了高強度3D 打印鋁合金，比傳統3D 打印鋁合金的強度提高了80%。隨著3D 打印技術的日趨成熟，制備高性能的鋁合金3D 打印材料可能是鋁合金關節軸承的重要研究方向。

1.2 鈦合金材料

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕等優點，在關節軸承內外圈上也有廣泛的應用前景［7］。文獻［8］將60NiTi 鈦鎳合金用于關節軸承內外圈制造，其摩擦性能與440C 不銹鋼相當，但質量較輕，耐腐蝕性好，非常適合飛機、船舶、食品機械等領域。文獻［9］發現TC4 鈦合金與PTFE/Kevlar 自潤滑織物之間的摩擦因數在0.10 ～ 0.25 之間波動，波動很大的原因為鈦合金耐磨性差，為改善鈦合金與織物之間的摩擦性能，可通過改性的方式提高鈦合金的耐磨性。

通常，鈦合金含有昂貴的V，Mo 等元素，生產成本高，難以在關節軸承中廣泛應用。文獻［10］通過減少Al 含量，并用Fe 和Cr 替代V 制備了Ti?3Al?2.1Cr?1.3Fe和Ti?2.1Cr?1.3Fe進行試驗，發現Ti?3Al?2.1Cr?1.3Fe 的強度更高，抗拉強度和屈服強度可達1235，1130 MPa。文獻［11］通過減少Al，并用Cr 和Mn 替代V 制備了Ti?4.5Al?6.9Cr?2.3Mn，其斷裂強度、屈服強度分別可達1191.3，928.4 MPa，伸長率為10.7%。目前，低成本鈦合金的研究雖然有一定進展，但主要應用于汽車、體育等民用領域，仍無法推廣到對綜合性能要求高的航天領域。研究低成本、高綜合性能的鈦合金材料是鈦合金關節軸承的迫切需要。

1.3 自潤滑材料

對于襯墊、涂層無法應用的高溫、高腐蝕等場合，可將自潤滑材料置入內外圈中，甚至直接用自潤滑材料制作關節軸承的內外圈以實現自潤滑。文獻［12］設計了一種摩擦因數約0.05的鑲嵌型自潤滑關節軸承，其內圈采用鐵基合金材料，外圈采用鑄造鋁青銅材料，固體潤滑劑采用某型復合材料（其中一種成分為MoS2超細粉），經混料、烘干、壓制成形、燒結、車加工后鑲嵌在外圈內表面的孔中。文獻［13］設計了一種高溫核用自潤滑關節軸承，其結構如圖1所示，外圈為H1025不銹鋼，內圈為C96900 銅合金，將石墨粉體鑲嵌在內圈中，內外圈之間鋪設一層MoS2粉末，該結構有效降低了軸承的摩擦因數。文獻［14］設計了一種40Cr/石墨的自潤滑關節軸承，其外圈由40Cr 制成并在表面進行磷化處理，內圈由石墨擠壓燒結成形，其可以在載荷為10 kN 和傾斜擺動頻率為1 Hz 的工況下安全運轉。

圖1 鑲嵌型關節軸承模型 （1/4模型）Fig.1 Inlaid spherical plain bearing model （quarter model）

無論是將自潤滑材料直接加入內外圈還是用石墨等潤滑材料作為內外圈材料，都會對關節軸承的力學性能產生很大影響。陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的優點，作為自潤滑關節軸承內外圈材料可以有效提高關節軸承的力學性能。文獻［15］設計了Si3N4材料的關節軸承，其摩擦因數為0.03 ～ 0.20，適用于高載荷的擺動場合。文獻［16］研究發現隨著載荷和轉速的增加，Si3N4表現出更好的耐磨性和自潤滑性，適當增加載荷和轉速有利于Si3N4全陶瓷關節軸承在無潤滑條件下的運行。由于陶瓷關節軸承裝配困難，相關研究相對較少，但耐高溫、耐腐蝕的陶瓷材料是極端環境下關節軸承的理想材料，有很大的應用前景。

1.4 內外圈材料的處理工藝

為提高非自潤滑關節軸承內外圈之間的摩擦性能，對內外圈接觸面材料進行滲碳和滲氮［17］、超聲表面滾壓［18］、激光硬化［19］、表面微織構［20］等表面強化。在此基礎上，為進一步減少內外圈之間的磨損，可將微織構與超聲表面滾壓技術相結合應用于關節軸承，經該工藝處理后，關節軸承的摩擦性能提高了55%以上［21］。

為進一步改善自潤滑關節軸承的摩擦性能，許多研究人員嘗試使用其他表面處理工藝并取得了良好的改善效果：文獻［22］采用超音速火焰噴涂在自潤滑關節軸承內圈外表面噴涂了厚度約350 μm 的WC?10Co?4Cr 陶瓷涂層并測試其摩擦性能，發現陶瓷涂層具有良好的耐磨性，有效降低了PTFE 襯墊的磨損，比鍍鉻處理關節軸承的壽命提升了4 ～ 8 倍；為使關節軸承滿足大載荷直升機的技術指標要求，文獻［23］通過磁控濺射法在9Cr18 關節軸承內圈外表面分別制備了鉻摻雜類金剛石（Cr DLC）和鎢摻雜類金剛石（W DLC）的2種薄膜，240 min對磨后的掃描電鏡圖像如圖2所示，相對于9Cr18?Cr DLC，9Cr18?W DLC的摩擦過程更加平穩，更易形成自潤滑轉移膜，摩擦因數更低，耐磨性更好。

圖2 9Cr18關節軸承內圈外表面磨損后的掃描電鏡圖像Fig.2 Scanning electron microscope after wear of inner ring outer surface of 9Cr18 spherical plain bearing

合金材料通常需要進行各種處理以滿足關節軸承的使用要求。文獻［4］為提高鋁合金的表面強度、耐磨性、耐蝕性和使用壽命，在軸承成形后對接觸表面進行了硬質陽極化和鉻酸陽極化處理。文獻［9］發現可以通過鈦合金的改性處理減少堆積碎片，從而減少鈦合金表面的劃傷和襯墊的磨損。文獻［24］將熱氧（Thermal Oxidative，TO）處理應用于Ti6Al4V 合金，使Ti6Al4V 合金的磨損率下降了2 個數量級。文獻［25］對Ti6Al4V 合金進行了激光表面織構（Laser Surface Texture， LST）和TO 雙相處理，如圖3 所示，LST?TO 雙相處理后的Ti6Al4V 合金（DT?Ti6Al4V）摩擦因數有所上升，但耐磨性得到了顯著提高，與未處理的材料相比，磨損率下降了95.2%，與單獨的LST 或TO 處理相比，磨損率也大幅下降。

圖3 Ti6Al4V，LST?Ti6Al4V，TO?Ti6Al4V 和DT?Ti6Al4V樣品的平均摩擦因數和磨損率Fig.3 Average friction coefficient and wear rate of Ti6Al4V，LST?Ti6Al4V， TO?Ti6Al4V and DT?Ti6Al4V samples

對內外圈材料進行處理的目的是提高其耐腐蝕性并降低磨損，從而提高關節軸承的壽命。隨著材料科學的發展，將來勢必會出現更先進的材料處理工藝，將其應用在關節軸承中以提高軸承壽命，是關節軸承材料的一個重要研究方向。

2 襯墊材料

目前，自潤滑關節軸承的襯墊材料有聚四氟乙烯（PTFE）纖維織物復合材料、聚合物及其填充復合材料、金屬背襯層狀復合材料3 類［26］。其中金屬背襯層狀復合材料加工工藝復雜，產品精度和質量不易控制，對其研究的很少。

2.1 PTFE纖維織物復合材料

PTFE 具有摩擦因數小，潤滑性能好，化學性能穩定等優點，是一種理想的潤滑材料，但其耐磨性差，蠕變率高，往往需要與其他增強纖維編織在一起使用。PTFE 纖維織物襯墊由PTFE 纖維與其他高性能增強纖維編織成形，再用樹脂填充纖維間的縫隙?；w材料需具有一定的抗熱變形能力，通常選用熱固性樹脂作為黏結劑，常用樹脂有酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、環氧樹脂等［26］。目前，主要通過改變編織工藝、增強纖維類型、填料類型和界面改性等方法來提高PTFE 纖維織物復合材料的摩擦磨損性能［27］。

2.1.1 編織工藝

PTFE 纖維織物復合材料常采用的編織結構有平紋、斜紋和緞紋3 種。文獻［28］將Kevlar/PTFE 織物分為潤滑區、增強區和鍵接區，制備了平紋、1/3 斜紋和8/5 緞紋3 種形式的Kevlar/PTFE織物，如圖4 所示。在輕載場合，織物的磨損區域位于潤滑區，平紋織構在潤滑區內PTFE 的占比最低，形成穩定潤滑膜需要消耗更多的織物材料，故輕載場合下平紋織構磨損量最大；在重載場合，織物的磨損區域會進入增強區，在增強區PTFE 的占比最高，平紋織構只需要較少的織物材料便可形成穩定的潤滑膜，故重載場合下平紋織構擁有最好的潤滑性能。文獻［29］進一步制備了2/2 雙斜紋、1/3 斜紋、4 枚緞紋和4 枚加強緞紋4 種相同組織循環數和紗線支數的PTFE/S?玻璃纖維織物，如圖5 所示：PTFE/S?玻璃纖維織物材料的摩擦性能與紗線的拔出性能、織物的結構完整性密切相關；4 枚加強緞紋織物緯向和經向的紗線拔出性能最好，拉伸強度最高，耐磨性能最優，結構最完整且連續交叉點最多；2/2 雙斜紋織物自潤滑復合材料的耐磨性能和力學性能最差。

圖4 不同結構織物的剖視圖Fig.4 Sectional view of fabrics with different structures

圖5 PTFE/S?玻璃纖維織物示意圖Fig.5 Diagram of PTFE/S?fiber glass fabrics

除織物結構外，織物密度、編織方向等也會對襯墊的摩擦性能產生影響：文獻［30］測試了不同織物密度的PTFE/Kevlar 復合材料的摩擦性能，發現當織物密度從每英寸65 根減少到50 根時，材料磨損率下降約14.4%，摩擦因數提高了6.1%；文獻［31］制備2種不同斜紋取向的PTFE/Kevlar 織物并測試了各自的摩擦性能，發現向左傾斜的斜紋織物在低PV值時摩擦性能更好，摩擦性能受施加載荷的影響更大，最適合低載荷的場合，向右傾斜的斜紋織物則在高PV值時表現出更好的摩擦性能，摩擦性能受滑動速度的影響更大，適用于滑動速度較低的場合。

選擇合適的編織工藝將顯著改善PTFE 纖維織物襯墊關節軸承的摩擦性能。

2.1.2 增強纖維類型

PTFE 的增強纖維種類很多，如耐高溫性能良好的芳綸纖維，高強度低摩擦的碳纖維，高強度又耐高溫的玻璃纖維等。文獻［32］研究了Kevlar、玻璃纖維和棉纖維增強PTFE 的摩擦性能，發現在考慮較小摩擦因數和較低溫度時，玻璃纖維具有最好的減摩性；在考慮耐磨性時，玻璃纖維最差，石棉纖維次之，芳綸纖維最好，僅有輕微的黏著磨損。文獻［33］研究了一種基體為酚醛樹脂的PTFE/聚酯織物，該織物在重載時磨損量很大，但在高速滑動下仍能保持良好的潤滑性能，適用于高速和低載荷的場合。

目前常用的增強纖維都存在一定的缺陷，尋找一種擁有良好力學性能，耐高溫、摩擦性能好的增強纖維是PTFE 纖維織物襯復合材料的一個重要方向。

2.1.3 填料類型

為使織物復合材料獲得更好的摩擦磨損性能，許多研究人員在織物復合材料中添加無機納米粒子、固體潤滑劑等各類填料進行研究。文獻［34］研究了添加石墨、石墨烯和氧化石墨烯（GO）對PTFE/Nomex 織物/酚醛復合材料性能的影響，如圖6 所示，石墨、石墨烯、GO 的最佳含量（質量分數，下同）分別為4%，2%，2%；當含量均為4%時，在載荷（壓強）為85 MPa，滑動速度為0.364 m/s 的工況下，添加GO 的織物表現出最好的力學性能和耐磨性。文獻［35］發現添加適當的銑削瀝青碳纖維可在保持PTFE/Kevlar 織物復合材料低摩擦因數的同時，提高其耐磨性。文獻［36］采用2?巰基苯并咪唑（MB）減少臭氧氧化對航空用織物復合材料摩擦性能和使用壽命的影響，發現MB 可有效提高織物復合材料的摩擦性能和耐臭氧性能，其最佳含量為4%，在不同臭氧老化時間下，可使自潤滑織物復合材料的磨損率降低42.4% ～ 61.8%。

圖6 石墨、石墨烯和氧化石墨烯對PTFE/Nomex 織物/酚醛復合材料性能的影響Fig.6 Effects of graphite， graphene and graphene oxide on properties of PTFE / Nomex fabric/phenolic composites

多種填料之間具有一定的協同效應，使用2種以上填料時，材料性能更優，文獻［37］研究了石墨/石墨烯對PTFE/Nomex 酚醛樹脂基織物摩擦性能的影響，如圖7 所示，在石墨烯正向滾動效應和石墨賦予材料高承載能力的協同作用下，石墨/石墨烯填充復合材料的摩擦磨損性能優于單一填充的復合材料。文獻［38］制備了PA40@SiO2含油微膠囊（PSMS）并研究其對PTFE/芳綸織物復合材料摩擦性能的影響，PSMS 顯著降低了PTFE/芳綸織物復合材料的磨損，當PSMS 含量為6%時的摩擦性能最好，摩擦因數和磨損率分別下降了42.9%和31.5%，壽命提高了5.3倍。

圖7 PTFE/Nomex織物復合材料的摩擦因數和磨損率Fig.7 Friction coefficient and wear rate of PTFE/Nomex fabric composites

各類填料顯著改善了PTFE 纖維織物復合材料的摩擦性能，主要發展方向是嘗試新的填料類型或添加種類較多的填料使PTFE 纖維織物復合材料獲得更好的摩擦性能。

2.1.4 界面修飾和黏結性

由于纖維織物表面具有化學惰性，纖維織物與基材的黏結性較差，從而影響了襯墊的摩擦性能。提高織物黏結性的常用方法有物理改性、化學改性和構建納米材料界面。

物理改性采用物理手段改變纖維織物的結構，以提高織物的黏附能力。文獻［39］將PTFE/芳綸混合編織的纖維襯墊在超聲波清洗槽中進行超聲波處理以降低纖維的表面能，并提高織物黏結性，超聲改性有效改善了襯墊自潤滑關節軸承摩擦磨損時的成膜性能，其摩擦因數最大降低7%，磨損率最大降低31%，且只發生了黏著磨損。可通過空氣等離子改性［40］、冷凍處理［41］等物理改性方式提高織物的黏結性。

化學改性采用化學方法提高纖維表面活性或粗糙度，以提高織物黏結性。文獻［42］利用鈉一萘絡合物去除PTFE/Kevlar 織物中PTFE 表面的C?F鍵，改性后材料的摩擦因數更加穩定，PTFE轉移膜更加完整。按照圖8的反應機理，文獻［43］將聚多巴胺/碳化硅/聚乙烯亞胺（PDA/SiC/PEI）功能涂層的混合物沉積到PTFE/玻璃織物表面，通過增加織物表面粗糙度和引入大量的胺官能團改善了PTFE/玻璃織物與酚醛樹脂基質之間的界面黏合，使織物/基質界面的黏附性增強了47.8%。

圖8 PDA/SiC/PEI共沉積工藝的可能反應機理示意圖Fig.8 Diagram of possible reaction mechanism of PDA/SiC/PEI codeposition process

在織物表面構建納米界面可以提高織物的黏結性，從而改善襯墊的摩擦性能。文獻［44］通過一步水熱法將排列好的NiFe 層狀雙氫氧化合物（NiFe?LDH）納米片引入PTFE/Nomex 織物表面以提高織物表面粗糙度和活躍性，使織物的剝離強度和抗拉強度分別提高了14.4%和11.9%。

上述方法顯著提高了織物的黏結性，但工藝十分復雜，增加了襯墊的制備難度；因此，尋找一種工藝簡單且能夠顯著改善織物黏結性的處理方式對于PTFE織物復合材料的發展十分重要。

2.1.5 小結

經過編織工藝、增強纖維類型、填料類型和界面改性方法的研究，PTFE 纖維織物復合材料的摩擦磨損性能已得到了一定的提高。然而，由于影響PTFE 纖維織物復合材料性能的因素眾多，而且有些因素的影響機理尚不明確，目前尚未找到各個工藝的最優組合。因此，確定PTFE 纖維織物復合材料摩擦性能影響因素的作用機理，從而進一步制造出低摩擦因數、低磨損率的襯墊材料是PTFE 纖維織物復合材料在關節軸承應用中的主要發展方向。

2.2 聚合物及其填充復合材料

聚合物及其填充復合材料主要是PTFE基復合材料，因PTFE耐磨性和力學性能較差，研究人員嘗試加入多種類型的填料改善復合材料的摩擦性能和力學性能。文獻［45］發現PTFE+17%玻璃纖維、PTFE+25%青銅、PTFE+35%碳在不同滑動速度和載荷下的摩擦磨損性能均顯著優于純PTFE，PTFE+17%玻璃纖維的摩擦磨損性能最佳，摩擦因數和磨損率分別比純PTFE降低15%和98%。研究人員還將尼龍6（PA6）［46］，LaF3/CeF3［47］、納米SiO2［48］、石墨烯［49］等用作PTFE 的填充材料，研究發現PTFE 的性能均得到了一定程度的提升。目前，聚合物及其填充復合材料的主要研究方向仍是尋找合適的填充物，從而獲得最佳的摩擦性能和力學性能。

3 涂層材料

隨著航空航天事業的蓬勃發展，研究人員越來越重視在惡劣的太空環境（高真空、寬溫度范圍、原子氧、紫外線輻射等）中實現關鍵運動部件的高可靠性和長使用壽命。涂層技術能夠很好地應對太空環境［50］，大量學者對涂層自潤滑關節軸承進行了研究：文獻［51］用無機磷酸鹽作為黏結劑制備了MoS2和石墨的混合物，并以不同的噴涂壓力將混合物涂覆到關節軸承內圈外表面作為關節軸承的自潤滑涂層，當噴槍壓強為0.2 MPa，MoS2與石墨的質量比為3∶1 時，關節軸承在2.5 ～ 3.0 Hz 下表現出優異的摩擦性能，摩擦因數約0.04 和磨損高度約17 μm；文獻［52］制備了MoS2?TiO2涂層并測試其在不同條件下的摩擦性能，由于MoS2和TiO2的協同作用，復合MoS2?TiO2涂層比純MoS2涂層的摩擦性能更好，且當TiO2含量為15%時，涂層在較高的接觸壓力和滑動速度下表現出最低的摩擦因數和磨損率。

目前，涂層材料的摩擦性能一般不如襯墊材料，這是涂層自潤滑關節軸承沒有襯墊自潤滑關節軸承應用廣泛的主要原因，研究出更低摩擦因數的涂層材料是涂層自潤滑關節軸承發展的重中之重。

4 結束語

目前已有許多關節軸承材料的研究，使關節軸承的性能得到一定程度的提升，但現有關節軸承材料存在一些不足，仍需進一步研究：

1）關節軸承內外圈材料。除目前應用廣泛的常規鋼制材料外，具有優良性能的鋁合金和鈦合金是關節軸承內外圈材料的合適之選；提高鋁合金的加工性能（如采用3D 打印技術）是鋁合金關節軸承的重要發展方向；采用低成本的元素替代鈦合金中的V，Mo 等昂貴元素制備出高性能且耐磨損的鈦合金材料是鈦合金關節軸承的迫切需要；應用先進材料處理工藝提高關節軸承的使用壽命，是關節軸承內外圈材料的發展趨勢。

2）襯墊和涂層材料。PTFE 纖維織物復合材料襯墊擁有優異的摩擦性能，具有最廣闊的應用前景，影響PTFE 纖維織物復合材料摩擦的因素眾多且關系復雜，在考慮眾多影響因素的情況下，制備出性能最優的襯墊材料是關節軸承材料的重要任務；設計制造方便，摩擦性能好，耐高溫、耐腐蝕的材料是襯墊和涂層材料的主要研究方向。

3）陶瓷材料摩擦性能好，耐高溫、耐腐蝕，特別適合高溫、高腐蝕等極端環境，在關節軸承上有廣闊的應用前景。