新型關(guān)節(jié)軸承材料的研究現(xiàn)狀及展望

王徹，楊麗穎，王守仁，李文文

(濟(jì)南大學(xué)，濟(jì)南 250022)

關(guān)節(jié)軸承是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗沖擊能力強(qiáng)，可進(jìn)行擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)具有調(diào)心作用的特殊滑動(dòng)軸承，在汽車(chē)、船舶、航空航天等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其性能的優(yōu)劣對(duì)機(jī)械設(shè)備的使用有直接的影響。

在實(shí)際工作中，關(guān)節(jié)軸承的主要失效形式為內(nèi)外圈之間的摩擦磨損[1]。目前關(guān)節(jié)軸承常用的金屬材料一般為軸承鋼、不銹鋼、銅合金等材料，面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的工況，這些材料存在著一些不足。軸承鋼在使用過(guò)程中容易發(fā)生腐蝕、銹蝕，對(duì)軸承性能有較大影響；不銹鋼內(nèi)外圈一般用于無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)或小振動(dòng)的輕載工況[2]；銅合金關(guān)節(jié)軸承有良好的承載能力，目前在飛機(jī)重要的零部件上有廣泛應(yīng)用，如起落架、方向舵等，但是銅合金軸承材料與其配對(duì)副的磨合性，雜質(zhì)混入的可嵌入性都制約了銅合金關(guān)節(jié)軸承的發(fā)展。

隨著機(jī)械設(shè)備不斷朝著高溫、重載、大型化方向的發(fā)展，對(duì)關(guān)節(jié)軸承性能提出了更高的要求?，F(xiàn)對(duì)開(kāi)發(fā)出的質(zhì)量小、使用溫度高、承載性能強(qiáng)、耐磨性能好的新型關(guān)節(jié)軸承材料進(jìn)行了研究。

1 鋁合金關(guān)節(jié)軸承材料

鋁合金是一種密度小、耐腐蝕、耐磨損，在重載場(chǎng)合有良好性能的合金材料。常見(jiàn)的鋁合金軸承材料可分成Al-Sn，Al-Pb，Al-Zn系列。由于Al-Zn合金在制備時(shí)節(jié)能環(huán)保、價(jià)格低廉，使得鋁鋅關(guān)節(jié)軸承具有很好的發(fā)展前景。這里重點(diǎn)介紹Al-Zn系列關(guān)節(jié)軸承材料。

文獻(xiàn)[3]中利用含Zn元素的7075鋁合金研制了擠壓型鋁合金自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，并對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行了有限元分析和常溫工況下的擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)。在46.4 kN的徑向靜載荷下其永久變形量?jī)H為0.044 mm，而在3.7 kN的軸向靜載荷下其永久變形量?jī)H為0.083 mm，關(guān)節(jié)軸承的耐磨性與承載力P和速度V有關(guān)，用PV值表示，其值越小表示磨損率越小，擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)得該鉛合金關(guān)節(jié)軸承的PV值為1 293.1 MPa·mm/s，與不銹鋼自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承對(duì)比后發(fā)現(xiàn)鋁合金自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承具有更好的性能。

文獻(xiàn)[4]同樣以7系A(chǔ)l-Zn鋁合金為基體，以PTFE(聚四氟乙烯)為襯墊材料制備出鋁合金自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，在載荷為520，600 kN的常溫條件下進(jìn)行了25 000次動(dòng)態(tài)磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明該關(guān)節(jié)軸承的磨損量小于0.15 mm，完全滿足使用工況的要求。

為進(jìn)一步提升Al-Zn合金關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能和力學(xué)性能，需對(duì)合金進(jìn)行一定的處理。在Al-Zn合金中添加微量的稀土元素可以有效地細(xì)化合金晶粒，提升合金性能。文獻(xiàn)[5-6]在合金中加入0.2%Er時(shí)，晶粒尺寸約為30～40 μm，隨著Er含量的增加，合金硬度呈先增大后減小的趨勢(shì)；而在鋁鋅合金中添加0.2%Ce時(shí)，合金的晶粒約為25～45 μm，合金硬度也明顯增大；文獻(xiàn)[7]在Al-Zn合金中添加少量的La，合金組織得到有效細(xì)化，力學(xué)性能、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率都有所提高，當(dāng)La含量為0.1%時(shí)，合金斷口處出現(xiàn)韌窩，且在其周?chē)休^明顯的片層組織，合金具有較好的韌性；文獻(xiàn)[8]采用CeO，La2O3對(duì)鋁鋅合金摩擦磨損特性進(jìn)行強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)其在低速、重載條件下的摩擦因數(shù)小于0.1，磨損量低于2 mm3。

其他元素的加入可有效地增大合金硬度，進(jìn)而使得合金材料具有更好的耐磨性。文獻(xiàn)[9]發(fā)現(xiàn)隨著Si和Zn含量的增加，鋁鋅合金的硬度有較大程度地增大，Zn對(duì)合金硬度的影響比Si的大，合金中的Zn含量增加1.5%，則硬度可增大25.78%。當(dāng)Zn含量為11%時(shí)，合金硬度達(dá)到最高，隨后開(kāi)始減小。

目前，制約鋁合金關(guān)節(jié)軸承使用的主要還是加工困難。鋁合金材料的塑性、韌性好，但剛度低、膨脹系數(shù)大，在加工時(shí)很容易受到裝夾和切削時(shí)所產(chǎn)生應(yīng)力的影響，進(jìn)而造成工件變形[10]。

2 TiAl合金關(guān)節(jié)軸承材料

TiAl基合金具有密度低、熔點(diǎn)高、硬度高、抗腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，在高溫環(huán)境中具有良好的力學(xué)性能，如高溫抗蠕變性能[11],這使得TiAl基合金完全有可能成為高溫、重載工況下理想的關(guān)節(jié)軸承材料。

但是，TiAl基材料本身的室溫塑性、熱變形能力、耐磨性和抗氧化性較差[12]，嚴(yán)重制約了TiAl基合金關(guān)節(jié)軸承的加工制造和使用范圍。而改善TiAl基材料性能一般有2種途徑：一是改變TiAl合金的成形技術(shù)，二是在合金中添加其他元素。

目前TiAl合金的制備技術(shù)主要分以下3種：鑄造、鑄錠冶金和粉末冶金。文獻(xiàn)[13]通過(guò)鑄造技術(shù)制備出Ti-(40-44)Al-(3-6)Nb-(W,Cr)-Si-C合金，發(fā)現(xiàn)不論在室溫還是高溫條件下，這一系列的TiAl合金的拉伸強(qiáng)度和抗氧化性都要比普通的TiAl基合金表現(xiàn)的更加優(yōu)異。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鑄造成形和鑄錠冶金的合金組織都存在一定的缺陷，如組織偏析、晶粒粗大等，一般需進(jìn)行一定的熱處理以改善合金的綜合性能。

粉末冶金是一種近凈成形技術(shù)，用這種方式可制備出微觀組織均勻、細(xì)化，力學(xué)性能優(yōu)異的TiAl基關(guān)節(jié)軸承合金。文獻(xiàn)[14]利用預(yù)合金粉末熱等靜壓技術(shù)制備出Ti-45Al-8Nb-0.2Si-0.3B合金，該合金具有微觀組織細(xì)小、致密度較高、力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱溫度低于相變溫度時(shí)，提高合金致密度的主要途徑是粉末顆粒的流動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和重排；當(dāng)溫度達(dá)到相變溫度時(shí)，粉末顆粒接觸面處會(huì)發(fā)生塑性變形，使TiAl預(yù)合金粉末基體相對(duì)致密度迅速提高。隨著致密化過(guò)程的進(jìn)行，合金內(nèi)部的孔隙將不斷減小，合金的力學(xué)性能將會(huì)得到顯著強(qiáng)化。

文獻(xiàn)[15]以真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，選用62% BaF2-38%CaF2共晶體為固體潤(rùn)滑劑制備出具有良好的高溫力學(xué)性能和微觀組織結(jié)構(gòu)的TiAl基自潤(rùn)滑材料，并以此為基礎(chǔ)制備出TiAl基自潤(rùn)滑推力關(guān)節(jié)軸承，對(duì)其進(jìn)行高溫摩擦磨損試驗(yàn)和摩擦磨損有限元仿真分析。結(jié)果表明，該自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承在高溫摩擦磨損試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的承載性能和高溫自潤(rùn)滑性能。

在TiAl基材料中添加其他元素，對(duì)合金進(jìn)行成分設(shè)計(jì)可有效提升合金性能。TiAl基合金的高溫強(qiáng)度、室溫塑性、抗蠕變性都與材料的微觀組織有關(guān)。元素B，Mo和Y可有效地細(xì)化合金晶粒，顯著提升合金的力學(xué)性能。B元素凝固時(shí)發(fā)生枝晶斷裂以及固溶的B原子阻礙層片側(cè)向長(zhǎng)大進(jìn)而促進(jìn)了合金細(xì)化晶粒[16]。文獻(xiàn)[17]發(fā)現(xiàn)Mo元素在凝固過(guò)程中析出高熔點(diǎn)的MoAl5，Mo3Al8和MoO3相，阻礙晶粒長(zhǎng)大進(jìn)而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。Y通過(guò)抑制TiO2的生長(zhǎng)，從而細(xì)化TiAl基合金的室溫組織，有效地提高了TiAl基合金的抗彎強(qiáng)度和室溫塑性[18]。

為進(jìn)一步提升TiAl基關(guān)節(jié)軸承的高溫力學(xué)性能，文獻(xiàn)[19]在TiAl合金中添加不同含量的Nb，在900 ℃下發(fā)現(xiàn)隨著Nb含量的增加，TiAl合金抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)Nb含量為7%時(shí)合金高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值587 MPa。在TiAl基材料中添加一定的硬質(zhì)顆粒如TiC可細(xì)化晶粒，從而有效改善合金韌性，TiC均勻分布在TiAl材料中可顯著提升合金耐磨性和承載能力[20]，這對(duì)延長(zhǎng)關(guān)節(jié)軸承的使用壽命有著重要意義。

目前TiAl基關(guān)節(jié)軸承的研制還在起步階段，但TiAl基合金在高溫、重載的環(huán)境中有良好的性能，所以未來(lái)TiAl基關(guān)節(jié)軸承必將有長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是在航空航天等惡劣的工況下。

3 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承材料

自潤(rùn)滑材料的性能直接影響關(guān)節(jié)軸承的磨損性能和使用壽命。目前常見(jiàn)的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承材料主要有高分子基復(fù)合自潤(rùn)滑材料、金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料、陶瓷基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。

在高分子基復(fù)合自潤(rùn)滑材料中，目前使用最普遍的關(guān)節(jié)軸承襯墊材料是PTFE，其具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在常溫條件下有良好的潤(rùn)滑效果。據(jù)了解，PTFE編織材料所形成的潤(rùn)滑膜在常溫條件下可經(jīng)受超過(guò)1×106次摩擦，其摩擦因數(shù)僅為0.04，但在高溫狀態(tài)下編織復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)變形、開(kāi)裂和熱疲勞等現(xiàn)象，加劇材料的摩擦磨損[21]。

為進(jìn)一步提升PTFE材料的性能，文獻(xiàn)[22]采用不同的編織工藝制備PTFE/芳綸纖維自潤(rùn)滑編織襯墊，在高頻重載條件下對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行摩擦學(xué)特性研究，發(fā)現(xiàn)PTFE纖維和芳綸纖維相互交織而成的襯墊有良好摩擦學(xué)性能，其耐磨性提升40.4%，摩擦?xí)r溫升下降37.2%。但是PTFE/芳綸纖維編織襯墊表面活性低，與黏合劑的浸潤(rùn)性不好，造成襯墊黏結(jié)不牢固，襯墊容易出現(xiàn)皺褶脫落等從而導(dǎo)致潤(rùn)滑不足，摩擦因數(shù)增大，磨損加劇[23]。

對(duì)PTFE/芳綸纖維進(jìn)行改性處理可有效提升其黏合和摩擦磨損性能。經(jīng)氧化鈰處理后的襯墊，其纖維表面活性基團(tuán)的濃度和纖維表面粗糙度都有所提升，有效改善了纖維與黏合劑之間的浸潤(rùn)性，使得襯墊與基體間的界面黏結(jié)力有顯著地提高[24]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)氧化鈰處理的PTFE/芳綸纖維復(fù)合編織襯墊，在較短時(shí)間內(nèi)其磨損表面可形成一層完整的潤(rùn)滑膜，有效改善了關(guān)節(jié)軸承的磨損狀況[25]。

文獻(xiàn)[26]發(fā)現(xiàn)PTFE/芳綸自潤(rùn)滑襯墊通過(guò)甘油醚接枝改性處理后，襯墊的磨損量、摩擦因數(shù)和摩擦溫升比未處理的自潤(rùn)滑襯墊均明顯下降，特別是磨損量在相同工況下降1/4；隨試驗(yàn)過(guò)程中擺動(dòng)頻率的提高，襯墊的成膜性能也有所提高。研究還發(fā)現(xiàn)PTFE/芳綸編織物的紋路對(duì)自潤(rùn)滑襯墊性能也有較大影響。文獻(xiàn)[27]應(yīng)用有限元仿真軟件ABAQUS模擬關(guān)節(jié)軸承PTFE/芳綸編織襯墊在編織角度為45°和90°時(shí)的接觸應(yīng)力和變形情況，結(jié)果表明：在相同載荷下，編織角度為45°時(shí)編織襯墊變形量比90°時(shí)的大，可有效減小應(yīng)力集中，使襯墊的受力更加均勻；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)圈的阻礙作用，襯墊位移與接觸應(yīng)力成反比，編織角度為45°時(shí)的位移量更小。

金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料是指將高溫固體潤(rùn)滑劑與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)熔合制備出高溫自潤(rùn)滑材料，或在金屬基表面制備出高溫自潤(rùn)滑涂層材料。目前常用的高溫固體潤(rùn)滑劑有CaF2，BaF2，MoS2，WS2，BN等。文獻(xiàn)[28]分析在400 ℃高溫條件下WS2，MoS2復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在300 N，155 r/min條件下有復(fù)合涂層基體的摩擦因數(shù)為0.045左右，其可有效降低合金本身的摩擦磨損情況。

文獻(xiàn)[29]在關(guān)節(jié)軸承表面噴涂不同組分的MoS2/石墨固體潤(rùn)滑涂層，在旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的條件下對(duì)不同固體潤(rùn)滑劑成分的關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)MoS2與石墨的配比為3∶1時(shí)，復(fù)合膜的潤(rùn)滑效果最佳，且在擺動(dòng)頻率為3 Hz時(shí)摩擦因數(shù)僅為0.04左右，相對(duì)于沒(méi)有噴涂潤(rùn)滑涂層的關(guān)節(jié)軸承，磨損量下降50%左右，摩擦溫度下降40 ℃，極大延長(zhǎng)關(guān)節(jié)軸承的使用壽命。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),MoS2/石墨復(fù)合涂層可有效提高關(guān)節(jié)軸承在不同工況條件下的承載能力和潤(rùn)滑性，固體潤(rùn)滑膜和金屬基體有良好的結(jié)合力。經(jīng)處理后的關(guān)節(jié)軸承的潤(rùn)滑膜細(xì)致、均勻，在使用中有優(yōu)異的潤(rùn)滑效果[30]。

文獻(xiàn)[31]以第2代TiAl為基體添加62%BaF2-38%CaF2的共晶材料為固體潤(rùn)滑劑,利用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出TiAl高溫自潤(rùn)滑材料,并分析該合金材料的高溫摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)62%BaF2-38%CaF2在600 ℃時(shí)有良好的高溫自潤(rùn)滑性能，當(dāng)材料受熱后，固體潤(rùn)滑劑在基體表面膨脹、溢出，然后在摩擦副的作用下62%BaF2-38%CaF2鋪展開(kāi)，并最終在基體表面形成一層完整的潤(rùn)滑膜，從而達(dá)到潤(rùn)滑效果。

陶瓷基自潤(rùn)滑復(fù)合材料是以陶瓷為骨架的自潤(rùn)滑材料，該材料具有高硬度、高強(qiáng)度、高剛度、低密度和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定特性，也有良好的減摩耐磨特性[32-33]。文獻(xiàn)[34-35]指出，CaF2在高溫狀態(tài)下由脆性變成塑性，使得CaF2在500 ℃時(shí)有良好的潤(rùn)滑性，同時(shí)在900 ℃高溫狀態(tài)下仍有優(yōu)異的抗氧化性，是一種高溫環(huán)境中性能穩(wěn)定的固體潤(rùn)滑劑。

文獻(xiàn)[36]采用粉末治金技術(shù)利用冷壓燒結(jié)工藝制備出Al2O3/TiC/ CaF2自潤(rùn)滑復(fù)合陶瓷材料作為內(nèi)外圈材料，并與Al2O3/TiC復(fù)合陶瓷材料摩擦磨損特性進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：Al2O3/TiC/CaF2復(fù)合陶瓷材料力學(xué)性能優(yōu)于同等條件下制備的Al2O3/TiC復(fù)合陶瓷材料，在相同工況下Al2O3/TiC/CaF2復(fù)合陶瓷材料的磨損量和磨損率都大幅下降。同時(shí)在CaF2的作用下，在摩擦副表面形成一層平整、光滑的自潤(rùn)滑層，起到有效減磨效果。

文獻(xiàn)[37]采用真空熱壓燒結(jié)工藝制備一種添加納米固體潤(rùn)滑劑CaF2的自潤(rùn)滑陶瓷材料，研究其25～600 ℃下的摩擦磨損性能。發(fā)現(xiàn)自潤(rùn)滑陶瓷材料的摩擦因數(shù)與磨損率隨環(huán)境溫度的升高而逐漸降低，常溫下其磨損機(jī)理為磨粒磨損，高溫下磨粒磨損和黏著磨損并存。

目前，關(guān)節(jié)軸承自潤(rùn)滑材料還存在諸多問(wèn)題亟待解決，如高溫、高頻、重載和腐蝕等混合復(fù)雜工況下的自潤(rùn)滑軸承材料失效制約自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的發(fā)展，同時(shí)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承材料的潤(rùn)滑效果不穩(wěn)定性也對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承使用壽命有著嚴(yán)重的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁合金、鈦鋁合金、自潤(rùn)滑材料在惡劣的環(huán)境中都有良好的耐磨損和力學(xué)性能，很符合高速重載關(guān)節(jié)軸承的工況要求。但是上述新型關(guān)節(jié)軸承材料還面臨著諸多問(wèn)題，所以，在此提出這些新型關(guān)節(jié)軸承材料未來(lái)的發(fā)展方向。

鋁合金關(guān)節(jié)軸承材料需從2個(gè)方面進(jìn)行：1)改善鋁合金材料本身的性質(zhì)，通過(guò)添加不同材料和成形方式，制備出易加工、使用性能良好的鋁合金關(guān)節(jié)軸承材料；2)目前國(guó)內(nèi)對(duì)薄壁鋁合金關(guān)節(jié)軸承套圈精加工技術(shù)還不成熟，需進(jìn)一步分析鋁合金關(guān)節(jié)軸承的加工難點(diǎn)，不斷改善加工工藝路線，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的鋁合金關(guān)節(jié)軸承加工方案。

TiAl基關(guān)節(jié)軸承材料還處于研制階段，需解決的問(wèn)題有：1)改善TiAl基合金的室溫塑性、抗氧化性以減小合金的加工難度；2)進(jìn)一步提升TiAl合金的力學(xué)和摩擦磨損性能，研究TiAl合金高溫時(shí)的摩擦磨損機(jī)理，為高溫重載的TiAl基關(guān)節(jié)軸承的研制提供基礎(chǔ)；3)改善TiAl合金材料的制備方式和加工方式，以進(jìn)一步降低TiAl成本，為T(mén)iAl合金關(guān)節(jié)軸承的大規(guī)模應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

對(duì)于自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承材料：1)研究在不同工況條件下的自潤(rùn)滑襯墊的磨損機(jī)理，優(yōu)化自潤(rùn)滑襯墊材料的成分、結(jié)構(gòu)，以提高關(guān)節(jié)軸承的耐磨性；2)解決固體潤(rùn)滑劑和基體間的相容性差，改善因固體潤(rùn)滑劑造成基體孔隙增多以及固體潤(rùn)滑劑與基體結(jié)合力不足的問(wèn)題；3)對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承在不同溫度、速度、載荷等多因素工況條件下的摩擦磨損特性進(jìn)行更深入研究，設(shè)計(jì)出高溫、重載時(shí)持續(xù)穩(wěn)定的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承材料。

關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需分析不同關(guān)節(jié)軸承材料在不同工況下的摩擦磨損機(jī)理，為關(guān)節(jié)軸承的研究提供理論基礎(chǔ)。開(kāi)發(fā)承載能力強(qiáng)、耐磨損、潤(rùn)滑效果好、使用范圍廣的關(guān)節(jié)軸承，深入研究防軸承磨損失效技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。