納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承的制備及摩擦磨損性能研究

王 奇，蔣 康 ，夏余平，彭 博 ，劉克非 ，吳慶定

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料成形技術(shù)研究所，湖南 長沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015）

滑動軸承材料的發(fā)展歷史已長達(dá)幾個世紀(jì)，一開始人類只是利用木制或石制滑動軸承支撐旋轉(zhuǎn)裝置，近百年來，滑動軸承材料有了快速的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了巴氏合金、銅合金、鋁合金軸承材料和木質(zhì)材料[1-3]等。木質(zhì)滑動軸承的制備最早是將天然鐵梨木用作船舶艉軸承，而后發(fā)展成為以層壓膠木為主制備木質(zhì)滑動軸承[4-5]。新型滑動軸承材料的開發(fā)一直是中外材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點[6-7]，以木質(zhì)材料為基材，采用粉末冶金技術(shù)制備滑動軸承的研究尚少，國內(nèi)吳慶定、彭博和夏余平等人以農(nóng)林剩余物為基材采用溫壓成形技術(shù)制備出了木質(zhì)滑動軸承[8-10]?；瑒虞S承作為運動副關(guān)鍵件，潤滑（減摩）機(jī)制至關(guān)重要。而用于食品、醫(yī)藥和紡織機(jī)械的滑動軸承引入固體潤滑機(jī)制尤為重要。筆者試圖基于竹木剩余物、農(nóng)作物秸稈等廉價碳匯資源，以納米剛玉粉為增強(qiáng)/減摩因子成功制備出了納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承。由于剛玉粉具有層狀六方結(jié)構(gòu)，易于沿層間滑移發(fā)生塑性變形，因而具有良好的減摩性；又因微細(xì)的納米剛玉粉彌散在滑動軸承機(jī)體中，通過溫壓成形體現(xiàn)出彌散強(qiáng)化作用。納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承作為新一代滑動軸承可望在食品、醫(yī)藥、紡織機(jī)械等領(lǐng)域部分替代粉末冶金燒結(jié)青銅含油軸承使用，從而在節(jié)約有色金屬資源的同時，為竹木剩余物、農(nóng)作物秸稈等廉價碳匯資源的高值利用開辟新途徑，并使這類廉價碳匯資源的固碳周期得以延長，為應(yīng)對全球氣候變暖添磚加瓦。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

（1）木質(zhì)粉末

以楊樹枝丫材為基材自制，粒徑≤0.25 mm、含水率12%～15%；楊樹枝丫材采集于湖南汨羅江畔。

（2）納米級剛玉粉

市售，平均粒徑≤0.5 μm、純度≥99.5%。

1.2 儀器與設(shè)備

（1）F160型粉碎機(jī)

F160型粉碎機(jī)帶有十字錘片、階梯環(huán)形碾齒和篩片，具有切、錘、碾、磨、篩等功能，用于木質(zhì)粉末的制備。

（2）HX100型壓模機(jī)

HX100型壓模機(jī)為半自動熱成形液壓機(jī)，具有定時保溫保壓功能，用于木質(zhì)滑動軸承試件的溫壓成形。

（3）MPV-3型摩擦試驗機(jī)

MPV-3型摩擦試驗機(jī)為微機(jī)控制PV摩擦試驗機(jī)，用于分析測試木質(zhì)滑動軸承試件的摩擦系數(shù)、磨損量與承載能力（PV值）。

（4）Nanoasem230電子顯微鏡

Nanoasem230電子顯微鏡為場發(fā)射電子顯微鏡，用于分析觀察木質(zhì)滑動軸承試件表面的磨痕形貌。

1.3 方法與步驟

1.3.1 木質(zhì)粉末的制備

木質(zhì)粉末的制備：首先將楊樹枝丫材劈成碎片，然后將碎片放入真空干燥箱內(nèi)在90℃溫度下干燥8 h，控制其含水率12%～15%，再借助F160型粉碎機(jī)對干燥后的碎片進(jìn)行粉碎處理，使粒度符合試驗方案要求。

1.3.2 納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承的制備

本試驗以楊木粉末為基材，以納米級剛玉粉為增強(qiáng)因子，借助利用HX100型壓模機(jī)采用溫壓成形法制備納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承。成形工藝條件為：成形溫度160 ℃、成形壓力70 MPa、保溫保壓時間30 min；納米剛玉粉添加量分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%。制備6組納米剛玉粉含量各異的木質(zhì)滑動軸承試件，試件規(guī)格為：φ50×φ35×25 （mm），如圖1所示。

圖1 納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承試件Fig.1 Samples of nano particle reinforced wooden sliding bearing

1.3.3 試樣檢測

利用摩擦試驗機(jī)對納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承試件的摩擦系數(shù)、磨損量和承載能力等性能進(jìn)行檢測，利用掃描電子顯微鏡觀察試件的磨痕表面形貌，分析納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承的磨損行為與潤滑機(jī)理。具體檢測方法為：

（1）摩擦系數(shù)與磨耗量：選擇自潤滑方式，試驗載荷固定為400 N、轉(zhuǎn)速900 r/min。首先將試件（納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承）固定于試驗裝置設(shè)定的摩擦副鋼軸套內(nèi)，然后將軸套固定于試驗機(jī)上，取摩擦系數(shù)曲線較穩(wěn)定段作為有效值；將試件旋轉(zhuǎn)1 000 r（轉(zhuǎn)）后的質(zhì)量損失值作為磨耗量試驗結(jié)果，單位為mg/1000r。

（2）承載能力（極限PV值）：采用PV值法[14-15]測試試件的承載能力。極限PV值的測定采用定速變載試驗法，根據(jù)試驗方法推薦值將轉(zhuǎn)速選定為100 m·min-1。按照滑動軸承PV值評定測試方法規(guī)定，在試驗過程中出現(xiàn)（①摩擦力矩或者溫度劇增；②磨損量達(dá)到被檢測材料的極限值；③溫度升高到被檢測材料的限定值）三者情況之一時，試驗停止。

極限壓強(qiáng)根據(jù)下列公式計算：

式中：P為極限壓強(qiáng)，N/mm2；L為試件高度，mm；D為試件內(nèi)徑，mm；W為極限負(fù)荷，N。

極限負(fù)荷的取法為：符合上述情況①時，前一級負(fù)荷增加10%為極限負(fù)荷；符合情況②和③時，該級負(fù)荷即為極限負(fù)荷。極限壓強(qiáng)P乘以鋼軸套在試件表面的相對滑移線速度V即為極限PV值，滑動線速度可由下列公式計算：

式中：D為鋼軸套外徑，mm；N為主4軸轉(zhuǎn)速，r/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米剛玉粉含量對試件摩擦系數(shù)的影響

圖2(a)-(f)分別是納米級剛玉粉含量為0%～10%的6個試件摩擦磨損試驗曲線。不難看出，試件（a）-（d）的試驗曲線均在經(jīng)過一段時間的震蕩后趨于平穩(wěn)，將這段時間視為磨合期；而試件（e）-（f）的磨合期直到試驗結(jié)束也未結(jié)束。

圖2(a)試驗曲線對應(yīng)試件不含納米剛玉粉，其在試驗進(jìn)行到約6 min(360 s)時出現(xiàn)短暫平穩(wěn)區(qū)（持續(xù)到10 min(600 s)），而后急劇攀升，經(jīng)過小幅震蕩后摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.4～0.5之間。

圖2 試件摩擦系數(shù)試驗曲線Fig.2 Test curve of friction coeff i cient

圖2(b)試驗曲線對應(yīng)試件含納米剛玉粉2%，其試驗進(jìn)程首先表現(xiàn)為通過小幅震蕩大幅攀升直到約420 s；然后小幅震蕩下降，約540 s時將摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.25附近。

圖2(c)試驗曲線對應(yīng)試件含納米剛玉粉4%，其試驗進(jìn)程首先表現(xiàn)為前720 s呈現(xiàn)無規(guī)則大幅震蕩，然后將摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.12～0.18之間。

圖2(d)試驗曲線對應(yīng)試件含納米剛玉粉6%，其試驗進(jìn)程表現(xiàn)為前20 s無震蕩直線上升將摩擦系數(shù)拉高到約0.4，而后曲線下降直至420 s將摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.11附近。

圖2(e)-(f)試驗曲線對應(yīng)試件含納米剛玉粉8%～10%，其試驗進(jìn)程均表現(xiàn)為大幅震蕩，直至試驗結(jié)束（約60～70 min后）才趨于平緩。

從上述(a)-(f)試驗曲線變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：

①含4%～6%納米剛玉粉試件的摩擦磨損性能具有明顯的優(yōu)勢，磨合期僅為7～12 min(約420～720 s),摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.1～0.2之間；特別是含6%納米剛玉粉試件，不僅磨合期短，而且磨合期過后其摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.11（波動曲線近乎水平線），說明由含6%納米剛玉粉的試件與鋼軸套組成的摩擦副表面因固體潤滑膜的形成，進(jìn)而表現(xiàn)出良好的減磨和抗粘著性能[10-11]。

②不含納米剛玉粉試件在試驗初期的摩擦磨損性能表現(xiàn)優(yōu)異，試驗進(jìn)行到約6 min時便出現(xiàn)平直穩(wěn)定區(qū)，摩擦系數(shù)與含6%納米剛玉粉試件處于同一水平；說明該試件表面存在薄薄的固體潤滑層（碳化層），固而表現(xiàn)出短暫的良好減磨和抗粘著性能[10-11]，當(dāng)薄薄的固體潤滑層磨損剝落后，摩擦系數(shù)便出現(xiàn)飆升[9]。

③納米剛玉粉含量＜4%時，試件的摩擦磨損性能與不添加納米剛玉粉的試件相比具有一定程度的改善，但因納米剛玉粉含量偏低，摩擦副表面難以形成連續(xù)、穩(wěn)定的固體潤滑膜，致使摩擦副表面出現(xiàn)溫升、燒蝕、剝落→愈合→再燒蝕、再剝落的周期循環(huán)，固而有試驗曲線在420 s后呈現(xiàn)出小幅震蕩的水平帶區(qū)（摩擦系數(shù)波動帶寬0.05）[9]。

④納米剛玉粉含量＞6%時，試件試驗曲線出現(xiàn)全程大幅震蕩，其可能的原因在于過量的納米剛玉粉顆粒導(dǎo)致試件基體喪失連續(xù)性，致使摩擦副表面出現(xiàn)難以愈合的燒蝕與剝落現(xiàn)象，使得納米剛玉粉的減磨和抗粘著性能難以體現(xiàn)[9]。

2.2 納米剛玉粉含量對試件磨耗量的影響

納米剛玉粉添加量對試件磨耗量的影響如圖3所示。不難發(fā)現(xiàn)：相同試驗力條件下，未添加納米剛玉粉試件磨耗量高達(dá)60 mg/1 000 r；隨著納米剛玉粉含量增加，試件的磨耗量首先急劇下降，但當(dāng)含量增加到6%時其磨耗量維持26 mg/1 000 r基本不變，取得極小值，與未添加納米剛玉粉試件相比降低幅度超過50%。

圖3 納米剛玉粉含量對試件磨耗量的影響Fig.3 Effect of nano alumina powder content on the wear of sample

2.3 納米剛玉粉含量對試件承載能力的影響

按照標(biāo)準(zhǔn)GB7948—1987（塑料軸承極限PV值試驗方法）和JB/T7381—2010（粉末冶金含油軸承PV值測定方法），對試件的極限載荷進(jìn)行了試驗考察，試驗臺轉(zhuǎn)速與加載級差數(shù)據(jù)列于表1，并附列了經(jīng)計算獲得的PV值。

表1 試驗臺轉(zhuǎn)速和加載級差Table 1 Test rig speed and load differential

極限載荷試驗?zāi)Σ亮刈兓€如圖4所示。試驗前期1 100 s為摩擦副磨合階段，這段時間內(nèi)的摩擦力矩曲線并不平穩(wěn)，磨合階段過后的曲線趨于穩(wěn)定，試驗正式開始，此時的載荷大小為1.47 MPa（1 178 N），1 700 s后將載荷增加至2.94 MPa（2 356 N）時，出現(xiàn)了摩擦力矩劇增的情況，極限載荷摸索試驗終止。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB7948—1987（塑料軸承極限PV值試驗方法）相關(guān)規(guī)定，認(rèn)為試件在滑動速度為100 m·min-1情況下的極限載荷為1.47(1+10%) MPa，此時極限 PV 值為 161.7 MPa·m·min-1。當(dāng)實際工況的PV值大于許用PV值時，過高的載荷可能導(dǎo)致潤滑膜的破裂，從而損壞軸承；因此，許用PV值一般取極限PV值的1/2～1/3，試件在滑動速度為100 m·min-1時的極限許用PV值取80 MPa·m·min-1足矣，即許用極限載荷可認(rèn)定為0.8 MPa（641 N）。輕紡機(jī)械的實際工況載荷一般不超過0.5 MPa（400 N），說明研制的納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承在一定工況下可勝任輕紡機(jī)械的工作要求[11]。

圖4 試件極限載荷測試過程中摩擦力矩變化曲線Fig.4 The change curve of friction torque during the test of limit load test

2.4 試件摩擦副表面微觀形貌

圖5為不含納米剛玉粉和含6%納米剛玉粉的木質(zhì)滑動軸承的表面磨痕形貌圖。

圖5 試樣表面磨痕形貌(SEM×5000)Fig.5 Surface wear morphology of sample surface

顯而易見，不含納米剛玉粉試件的表面最粗糙，出現(xiàn)了很多細(xì)小磨粒，磨痕較深，犁溝較寬，粘著撕裂痕跡明顯，磨損嚴(yán)重；而含6%納米剛玉粉的試件表面光滑，未出現(xiàn)明顯的粘著與劃痕，說明最佳含量納米剛玉粉顆粒均勻分布于試件基體中形成了性能良好的固體潤滑界面，表現(xiàn)出較好的減磨、耐磨及抗粘著特性，固而摩擦系數(shù)明顯降低，為摩擦副穩(wěn)定運行提供有力保障。

3 結(jié)論與討論

以楊木粉末為基材、納米剛玉粉為增強(qiáng)因子，采用溫壓成形技術(shù)制備的納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承的摩擦系數(shù)、磨耗量和承載能力等性能的影響規(guī)律明顯，主要結(jié)論如下：

（1）納米剛玉粉對木質(zhì)滑動軸承的摩擦磨損性能具有明顯的改善作用，當(dāng)納米剛玉粉含量為6%時效果最佳。

（2）納米剛玉粉顆粒均勻分布于木質(zhì)基體中形成固體潤滑界面，使試件的減磨、耐磨及抗粘著特性得到明顯改善，固而使試件摩擦系數(shù)明顯降低，為摩擦副的穩(wěn)定運行提供了有力保障。

（3）含6%納米剛玉粉的木質(zhì)滑動軸承試件短的磨合期（約7 min）、小的摩擦系數(shù)（約0.11）和高達(dá) 161.7 MPa·m·min-1的極限 PV 值表明，納米顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承材料可望在一定工況下替代燒結(jié)青銅用于輕紡機(jī)械。

本研究結(jié)果，對生物質(zhì)材料與其他異質(zhì)材料的復(fù)合、木質(zhì)材料的高附加值利用具有很好的參考價值。

[1]李紹中.自潤滑減摩材料的發(fā)展、特性分析與選擇[J].汽車科技,2001(1):11-15.

[2]彭 盼.幾種水潤滑尾軸承材料的摩擦學(xué)試驗研究[D].湖北:武漢理工大學(xué),2013.

[3]陳 眾.水潤滑軸承材料研究現(xiàn)狀[J].機(jī)電技術(shù),2009(2):27-29.

[4]劉應(yīng)虎.MCS-2-1層壓膠木船舶尾軸承材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].船舶工程,1980, (1):43-54.

[5]上海船廣.采用層壓膠木作尾軸承——對五十余艘樺木層壓板MCS-2-1尾軸承船舶檢修時調(diào)查總結(jié)[J].造船技術(shù),1982(5): 27-29.

[6]陳 焱.水潤滑軸承材料研究現(xiàn)狀[J].機(jī)電技術(shù),2009(2):27-29.

[7]張 紅,吳慶定,彭 博.C-stalk/Cu復(fù)合材料的溫壓成形與表征[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(8):101-105.

[8]吳慶定,梁 盛,向仕龍,等.木質(zhì)粉末高密度滑動軸承無膠溫壓成形結(jié)合機(jī)理研究[J].中國粉體技術(shù),2012,18(2):1-6.

[9]彭 博.顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承的制備與性能研究[D].長沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2016.

[10]夏余平,王 奇,彭 博,等.顆粒增強(qiáng)木質(zhì)滑動軸承成形工藝研究[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué),2016,(S1):4-12.

[11]韓鳳麟,賈成廠.燒結(jié)金屬含油軸承[M].北京:北京化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[12]吳慶定,張 紅,夏余平.一種木質(zhì)滑動軸承及其制備工藝[P].中國專利:201410606391.1.