化工機(jī)械設(shè)備軸承合金表面微造型對(duì)摩擦磨損性能的影響

劉慶超，李美群，張英豪

（大慶石化公司a.水氣廠；b.檢測(cè)公司，黑龍江 大慶 163714）

0 引言

滑動(dòng)軸承是工程領(lǐng)域廣泛使用的摩擦副之一，由于其精度高、抗沖擊效果好、噪聲小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、通用機(jī)械等行業(yè)較為常見(jiàn)。ZCuSn10P1 合金材料是一類(lèi)常用軸承合金，在制造柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)壓潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承中應(yīng)用較多。而滑動(dòng)軸承在復(fù)雜惡劣工況下往往發(fā)生磨粒磨損、刮傷、膠合、疲勞剝落等失效破壞情況，軸承合金的失效破壞主要源于磨屑、潤(rùn)滑不足或者振動(dòng)等。ZCuSn10P1 合金主要的磨損形式為磨粒磨損和輕微黏著磨損［1］。

為了改善摩擦表面的潤(rùn)滑摩擦性能，科研人員從不同方面進(jìn)行了研究，如材料的選擇、潤(rùn)滑油的改進(jìn)等，都取得了一定研究成果。近年來(lái)表面微造型技術(shù)由于能夠有效改善摩擦表面摩擦學(xué)性能而成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)，在軸承及密封［2-4］、發(fā)動(dòng)機(jī)［5－6］等方面得到了廣泛研究及嘗試。表面微造型技術(shù)是通過(guò)機(jī)械加工、電加工等方式在摩擦表面根據(jù)一定的軌跡和形狀加工出微凹坑或者微凹槽等特征［7］。表面造型的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在潤(rùn)滑條件良好情況下，表面微凹坑可以作為一個(gè)一個(gè)的“儲(chǔ)油腔”，可以連續(xù)不斷地向摩擦表面供給潤(rùn)滑油；收集磨損過(guò)程產(chǎn)生的細(xì)小磨粒，從一定程度上改善磨損；利于形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，極大地提高軸承承載能力。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)金屬材料表面微造型減摩性能做過(guò)研究，Ronen等［5］在理論計(jì)算的基礎(chǔ)之上，建立了表面微造型潤(rùn)滑摩擦理論模型，研究表明，微凹坑面積密度和凹坑深度都對(duì)摩擦磨損有不同程度影響，且微凹坑深度對(duì)摩擦性能的影響大于微凹坑密度。劉一靜等［7］對(duì)均勻分布表面微凹坑進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)表明在最優(yōu)表面微凹坑造型幾何參數(shù)下表面微造型試樣摩擦系數(shù)降低37.8%。馬晨波等［8］對(duì)表面微造型處理試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)下時(shí)，表面織構(gòu)試樣摩擦系數(shù)反而增大。

本文以ZCuSn10P1 合金材料為研究對(duì)象，利用電路板制作機(jī)上的孔加工工藝在ZCuSn10P1 合金材料表面制作出微凹坑，微凹坑直徑為250 μm，微凹坑間距及深度由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制，表面微凹坑造型完畢后，利用拋光設(shè)備對(duì)試樣表面拋光處理，取出加工毛刺。將不同微凹坑參數(shù)下試樣在美國(guó)進(jìn)口UMT-2 型摩擦磨損平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究微凹坑參數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)的影響，從而得到對(duì)ZCuSn10P1 合金減摩效果最好的微凹坑工藝參數(shù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試樣材料選擇ZCuSn10P1 合金，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。ZCuSn10P1 是典型的錫磷青銅，是以電解銅為原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，通過(guò)氣壓離心鑄造加工而成。待處理試樣直徑為40 mm，厚度5 mm，利用線切割加工。如圖1 所示，所有試樣表面均分別經(jīng)200?！?000＃的金相砂紙打磨并用金相試樣磨拋機(jī)進(jìn)行拋光處理，采用顆粒直徑0.5 nm 的拋光粉和拋光劑，拋光成鏡面，拋光后表面粗糙度為0.05 μm，然后用99.7%無(wú)水乙醇清洗后吹干，放入干燥箱進(jìn)行保存，最后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的自然時(shí)效處理，試樣中由機(jī)加工引起的殘余應(yīng)力達(dá)到最低水平，同時(shí)要保證上下表面的平行度。

表1 ZCuSn10P1 合金的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和力學(xué)性能

利用電路板孔加工方法在待處理試樣表面進(jìn)行微凹坑加工，試樣分為4 組：未處理試樣；微凹坑深度固定為25 μm，面積密度分別為0%、5%、10%、15%；載荷為10 N，微凹坑深度分別為5 μm、15 μm、25 μm 和35 μm；面積密度固定為15%，微凹坑深度固定為25 μm，載荷分別為10 N、20 N 和30 N。摩擦試驗(yàn)在UMT-2 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用銷(xiāo)盤(pán)往復(fù)摩擦形式，圓形試樣被固定在底座上，底座下端有傳動(dòng)裝置，在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下，由凸輪機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為往復(fù)滑動(dòng)，試樣隨著底盤(pán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 面積密度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

微凹坑面積密度反映了表面微凹坑的疏密程度，是表面微造型中的重要參數(shù)。表面微凹坑面積密度對(duì)摩擦磨損性能的改善具有顯著地影響。圖1所示為當(dāng)微凹坑深度為25 μm、載荷為10 N 時(shí)，微凹坑面積密度對(duì)ZCuSn10P1 合金材料摩擦磨損性能的影響。從圖中可以看出，微凹坑深度和載荷固定情況下，減摩效果最好的試樣對(duì)應(yīng)微凹坑面積密度為10%，減摩效果最差的試樣為未處理試樣，表面微凹坑造型試樣的摩擦因數(shù)均比未凹坑造型樣的摩擦因數(shù)小，可見(jiàn)微凹坑造型確實(shí)能夠起到減摩抗磨效果。本文用摩擦因數(shù)平均值來(lái)表征減摩效果。將不同微凹坑面積密度下摩擦因數(shù)的平均值進(jìn)行對(duì)比，凹坑面積密度分別為15%、10%、5%、0%（未處理），對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)分別為0.27、0.23、0.35、0.40。從對(duì)比中能夠發(fā)現(xiàn)凹坑面積密度為10%的試樣減摩效果最好，此時(shí)減摩效果比未處理試樣提高20%；其次為凹坑面積密度5%的試樣，減摩性能提高約13%，而未處理試樣的減摩效果是最差的，通過(guò)對(duì)摩擦因數(shù)的分析可以得出微凹坑造型確實(shí)起到了減摩潤(rùn)滑的作用，充當(dāng)了潤(rùn)滑過(guò)程中的“儲(chǔ)油器”和“儲(chǔ)屑腔”。

圖1 微凹坑面積密度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

2.2 微凹坑深度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

根據(jù)上面的數(shù)據(jù)可得到對(duì)應(yīng)的不同深度下的參數(shù)，可以看出深度為25 μm的微凹坑造型試樣要比其他深度微凹坑試樣的潤(rùn)滑性能更好。本文中對(duì)4 種不同深度微凹坑造型下試樣的摩擦因數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)載荷為10N 下的深度的最優(yōu)值還需要大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)同種載荷、不同深度下的微凹坑造型進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，才能得出最優(yōu)解。表2 列出了在各種不同凹坑參數(shù)下的平均摩擦因數(shù)數(shù)值。從表2中可以知道隨著凹坑面積密度增大，平均摩擦因數(shù)先減小后增大，在凹坑面積密度為10%時(shí)達(dá)到最小值，而未處理試樣的平均摩擦因數(shù)是最大的。

表2 不同凹坑參數(shù)下的平均摩擦因數(shù)

2.3 載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響

為研究不同加載載荷條件下ZCuSn10P1 合金表面微凹坑造型摩擦磨損性能，對(duì)微凹坑面積密度為10%，微凹坑深度為25 μm 處理試樣及未處理試樣分別在20 N、30 N 載荷條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在一定載荷范圍內(nèi)，隨著載荷的增加，未處理試樣及微凹坑造型試樣摩擦因數(shù)呈增大趨勢(shì)，20 N 和30 N 載荷工況下，微凹坑試樣的摩擦因數(shù)分別比10 N 載荷工況下增加28%和37%。摩擦因數(shù)是評(píng)判摩擦表面潤(rùn)滑狀態(tài)的重要參數(shù)，從Streibeck 曲線中可以知道，在中載及重載工況下，試樣表面可能處于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)，眾多微凹坑在富油潤(rùn)滑狀態(tài)下形成的一個(gè)一個(gè)的微動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)被抵消，另外，在中載及重載條件下，由于摩擦試樣的配對(duì)副未進(jìn)行凹坑造型處理，油膜極易發(fā)生破壞，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加。因此，表面微凹坑造型并不是對(duì)所有載荷工況都適用。

2.4 磨損形貌

圖3（a）～（d）所示為利用共聚焦顯微鏡測(cè)得的不同面積密度微凹坑造型試樣磨損形貌，圖3（a）～（d）分別對(duì)應(yīng)微凹坑面積密度為0%、5%、10%、15%，從中可以看出，微凹坑面積密度為0%（未處理）時(shí)，表面磨損較嚴(yán)重，其磨痕深度最大達(dá)到136.6 μm，磨痕寬度為350 μm；當(dāng)微凹坑面積密度為5%時(shí)，磨損狀況相比處理試樣得到一定程度改善，磨痕深度和寬度分別減小為120 μm 和302 μm；隨著微凹坑面積密度的增加，當(dāng)微凹坑面積密度達(dá)到10%時(shí)，試樣表面磨痕深度和寬度進(jìn)一步減小，分別為72.8 μm 和138 μm，但是當(dāng)微凹坑面積密度再增大到15%時(shí)，試樣表面的摩擦磨損狀況又變惡劣，磨痕的深度和寬度較微凹坑面積密度10%時(shí)又變大。ZCuSn10P1 軸承合金表面微凹坑造型能夠改善摩擦磨損性能的主要原因在于：1）微凹坑可以收集磨損過(guò)程產(chǎn)生的磨粒，從而降低了磨粒磨損作用；2）表面微凹坑能夠提高軸承承載能力，有效減小摩擦因數(shù)；3）表面微凹坑在試樣表面形成微動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，也能降低表面摩擦因數(shù)，改善摩擦磨損性能。

圖2 不同載荷下微凹坑試樣與未處理試樣摩擦因數(shù)對(duì)比

圖3 不同面積密度微凹坑造型試樣磨損形貌

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)ZCuSn10P1 軸承合金進(jìn)行不同工藝參數(shù)下表面微凹坑造型及摩擦磨損試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

1）在特定載荷及工況下，通過(guò)表面微凹坑造型處理后，ZCuSn10P1 軸承合金摩擦磨損性能得到改善，摩擦因數(shù)明顯降低，微凹坑同時(shí)起到了減磨、收集磨粒的作用，且表面微凹坑造型能夠使得承載能力提高。

2）微凹坑面積密度及微凹坑深度是控制微凹坑后摩擦磨損性能的重要指標(biāo)參數(shù)，在本試驗(yàn)中，微凹坑面積密度為10%，深度為25 μm 時(shí)的減磨效果最佳，摩擦因數(shù)降低最為顯著。

3）摩擦表面微凹坑造型對(duì)承受的載荷具有一定敏感性，載荷較高時(shí)，微凹坑造型形成的微動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)降低，導(dǎo)致摩擦磨損較重，所以開(kāi)展載荷對(duì)微凹坑造型的抗磨損研究極其重要。

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