滑動(dòng)軸承材料表面凹坑形狀對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

張曉磊，解挺，齊永恒，武飛

(合肥工業(yè)大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.摩擦學(xué)研究所，合肥 230009)

滑動(dòng)軸承具有工作平穩(wěn)、可靠、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低速重載工況下，或維護(hù)保養(yǎng)及加注潤(rùn)滑油比較困難的運(yùn)轉(zhuǎn)部位[1-2]。近年來(lái)，在機(jī)械工程領(lǐng)域，摩擦表面的微造型技術(shù)已成為熱點(diǎn)，對(duì)摩擦表面形貌的研究也得到重視[3-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)表面微造型技術(shù)已經(jīng)有大量的研究成果[5-10]。文獻(xiàn)[5]采用在碳化硅陶瓷(SiC)表面加工表面織構(gòu)的方法來(lái)提高水潤(rùn)滑條件下SiC 陶瓷的承載能力，結(jié)果表明, 混合有不同尺寸凹坑的織構(gòu)與具有單一尺寸凹坑的織構(gòu)相比, 承載能力顯著提高。文獻(xiàn)[6-7]的研究表明， 在一定的試驗(yàn)條件下，氣泡能穩(wěn)定存在于摩擦副接觸面的凹坑中。凹坑深度越大，潤(rùn)滑油量越少，氣泡比例越大。此外，在面接觸條件下，從乏油潤(rùn)滑到全膜潤(rùn)滑的過(guò)程中，存在一個(gè)最優(yōu)凹坑深度，使減阻效果最為顯著。

為了深入研究滑動(dòng)軸承材料表面凹坑形狀對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響，對(duì)滑動(dòng)軸承應(yīng)用較為普遍的2種不同形狀凹坑的雙金屬材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

將鋼板制成雙金屬材料基體，然后將銅粉鋪在鋼板上進(jìn)行燒結(jié)，最后通過(guò)軋制工藝在上層銅板上分別軋制圓形凹坑和菱形凹坑，如圖1所示。試樣尺寸為35 mm×35 mm×2.1 mm，凹坑深度為0.55 mm，凹坑面積占比為9.2%。試驗(yàn)選取的對(duì)偶件為45#鋼制標(biāo)準(zhǔn)環(huán)件，內(nèi)徑為24 mm，外徑為32 mm。

(a)圓形凹坑

1.2 試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)在自行研制的HDM-20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦力矩、速度、載荷及摩擦因數(shù)連續(xù)自動(dòng)測(cè)量記錄，并將測(cè)得信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)前，用砂紙對(duì)對(duì)偶件進(jìn)行打磨拋光，并用丙酮將對(duì)偶件和試樣表面擦洗干凈。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)偶件轉(zhuǎn)動(dòng)，試樣保持靜止，接觸形式為面接觸。摩擦副示意圖如圖2所示。

圖2 摩擦副示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 表面凹坑形狀對(duì)摩擦因數(shù)的影響

通過(guò)試驗(yàn)得出2種試樣的摩擦因數(shù)如圖3所示。由圖可知：菱形凹坑試樣的摩擦因數(shù)明顯小于圓形凹坑試樣；隨著平均線速度的增加，2種試樣的摩擦因數(shù)均逐漸降低；載荷增加時(shí)，摩擦因數(shù)均現(xiàn)增加的趨勢(shì)，持續(xù)一段時(shí)間后，摩擦因數(shù)降低。其原因是：首先，平均線速度不引起材料表面層性質(zhì)變化時(shí)，摩擦因數(shù)幾乎與平均線速度無(wú)關(guān)，當(dāng)平均線速度引起材料表面層發(fā)熱、變形和磨損時(shí)，材料表層的性質(zhì)以及摩擦過(guò)程中表面間的相互作用隨之改變；其次，隨著平均線速度的增加，摩擦表面溫度急劇升高，摩擦因數(shù)隨之增大，當(dāng)溫度達(dá)到可使材料軟化時(shí)，摩擦因數(shù)降低；最后，基于逐級(jí)加載的原因，載荷突然增大時(shí)，對(duì)偶件和試樣的接觸壓力增大，潤(rùn)滑油部分?jǐn)D出，邊界膜變薄甚至破裂，潤(rùn)滑油不能及時(shí)得到補(bǔ)充，部分表面微凸體直接接觸，摩擦因數(shù)變大，隨著潤(rùn)滑油的補(bǔ)充，摩擦環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定，摩擦因數(shù)又會(huì)逐漸降低。

圖3 不同平均線速度下2種試樣的摩擦因數(shù)

為了更直觀地體現(xiàn)上述規(guī)律，將平均線速度分別為0.4,0.8 m/s時(shí)2種試樣的摩擦因數(shù)變化曲線提取出來(lái)，如圖4所示。

圖4 2種平均線速度下2種試樣摩擦因數(shù)的對(duì)比

2.2 表面凹坑形狀對(duì)磨損量的影響

2種試樣在不同平均線速度下的磨損量如圖5所示。隨著平均線速度的增大，每組試驗(yàn)的時(shí)間不同。對(duì)于圓形凹坑試樣，其各組試驗(yàn)時(shí)間分別為31，24，20，19，16 min；對(duì)于菱形凹坑試樣，其各組試驗(yàn)時(shí)間則分別為34，28，24，22，17 min。試驗(yàn)只是為了比較2種試樣的耐磨性，并不考察每組試驗(yàn)的磨損量，所以這是可行的。

圖5 不同平均線速度下2種試樣的磨損量

由圖5可知，隨著平均線速度的增大，雖然試驗(yàn)時(shí)間減少，但2種試樣的磨損量均增大。當(dāng)平均線速度增至0.8 m/s，試樣的磨損量均達(dá)到最大值。當(dāng)平均線速度進(jìn)一步升高時(shí)，磨損量略微減小。這是因?yàn)殡S著平均線速度的增大，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)引起表面溫度升高，使得上層銅出現(xiàn)軟化，造成磨損量增大。然而，隨著平均線速度的進(jìn)一步升高，上層銅的應(yīng)變率增加，產(chǎn)生一定的塑性變形，使其硬度增加、耐磨性增強(qiáng)，所以磨損量略微降低。此外，試驗(yàn)時(shí)間的改變也會(huì)對(duì)磨損量造成一定影響。通過(guò)對(duì)比可知，菱形凹坑試樣的耐磨性更好。

2.3 表面凹坑形狀對(duì)PV值的影響

試驗(yàn)中平均線速度V分別為0.2，0.4 ，0.6 ，0.8，1.0 m/s，壓強(qiáng)P可根據(jù)載荷和接觸面積求出，2組試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，2種試樣的PV值如圖6所示。由圖可以看出，2種試樣的PV值均隨線速度的增大呈增大的趨勢(shì)，但有一定的波動(dòng)。其原因是每次試驗(yàn)時(shí)接觸區(qū)發(fā)生變化，導(dǎo)致接觸區(qū)凹坑數(shù)量略有偏差，因此潤(rùn)滑狀態(tài)略有差異。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，菱形凹坑試樣的PV值更高，說(shuō)明其潤(rùn)滑狀態(tài)良好，承載能力更高。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖6 不同平均線速度下2種試樣的PV值

2.4 表面凹坑形狀對(duì)磨痕形貌的影響

不同平均線速度下2種試樣的磨痕形貌分別如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，平均線速度越大，磨痕越細(xì)小；反之，磨痕越粗糙。對(duì)于圓形凹坑試樣，隨平均線速度的增加，試樣出現(xiàn)局部咬合(圖7c)。對(duì)偶件和試樣在摩擦過(guò)程中，摩擦表面的溫度超過(guò)了材料的熔點(diǎn)，使二者發(fā)生焊接，隨著對(duì)偶件的高速旋轉(zhuǎn)，焊接部位逐漸撕扯脫落，形成咬合痕跡。由圖8可知，菱形凹坑試樣未出現(xiàn)咬合，說(shuō)明其摩擦學(xué)性能較好。

圖7 圓形凹坑試樣的表面磨痕形貌

圖8 菱形凹坑試樣的表面磨痕形貌

此外，由于圓形凹坑的形狀圓滑，凹坑中儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油不易擴(kuò)散到凹坑外的摩擦表面，造成潤(rùn)滑效果不佳。在擠壓及摩擦熱的作用下，潤(rùn)滑油易從菱形凹坑尖角處溢出，擴(kuò)散到摩擦表面，因此菱形凹坑更有利于潤(rùn)滑，其摩擦學(xué)性能更好。

3 結(jié)論

1)菱形凹坑雙金屬材料的摩擦因數(shù)比圓形凹坑的低，耐磨性更好。

2)菱形凹坑雙金屬材料的PV值比圓形凹坑的大，承載能力更強(qiáng)。

3)菱形凹坑雙金屬材料的潤(rùn)滑性能比圓形凹坑的好，潤(rùn)滑油更易擴(kuò)散至摩擦表面，摩擦學(xué)性能更好。