軸表面DLC涂層對滑動軸承潤滑承載性能的影響*

張秀麗 尹忠慰 郭前建

(1.山東理工大學山東省精密制造與特種加工重點實驗室 山東淄博 255000；2.上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240)

滑動軸承廣泛應用于壓縮機、發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)機械中。隨著旋轉(zhuǎn)機械向高效、高可靠性、低噪聲、結構緊湊的方向發(fā)展，對滑動軸承的潤滑承載性能要求越來越高。為了提高滑動軸承的承載力，減小摩擦因數(shù)，除了開發(fā)合適的軸瓦材料外，在軸表面沉積減摩涂層也是一種有效方法。DLC涂層是一種有天然金剛石特性的納米復合涂層，具有低摩擦因數(shù)、高硬度、高耐磨性、良好的化學穩(wěn)定性和導熱性，可廣泛應用于刀具、模具、汽車零部件、航空航天等領域[1]。例如， SATEESH KUMAR等[2]研究了在陶瓷刀具上應用DLC和WC/C低摩擦涂層車削高硬度鋼的適用性，結果表明涂層有利于降低切削力、切削溫度和刀具磨損。王剛等人[3]、王星和程偉勝[4]分別研究了DLC涂層在活塞銷和活塞環(huán)上的應用，發(fā)現(xiàn)應用DLC涂層可有效降低功率損失，減緩零件磨損，延長零件使用壽命。廖熠等人[5]在空氣源熱泵熱水器壓縮機滑片上應用DLC涂層，發(fā)現(xiàn)其能夠降低功耗，提高壓縮機可靠性。但目前針對DLC涂層對滑動軸承潤滑承載性能影響的研究較少。俞揚飛等[6]實驗研究了航空發(fā)動機齒輪箱用三油葉滑動軸承的啟停性能，對比了軸承表面分別采用DLC涂層和澆注銅合金時的磨損情況，結果表明DLC涂層試件表現(xiàn)更優(yōu)異。但他們主要對比了軸承啟停時的磨損情況，未研究軸承的承載性能。

受懸臂結構、偏置載荷等的影響，旋轉(zhuǎn)軸會產(chǎn)生變形引起軸線傾斜，降低軸承承載力，甚至造成軸承抱死失效[7-10]。本文作者前期實驗研究了半徑間隙、轉(zhuǎn)速和軸線傾角對灰鑄鐵軸承極限承載力的影響[11-12]，發(fā)現(xiàn)軸線傾角越大，軸承極限承載力越??；在一定軸線傾角下存在最優(yōu)的半徑間隙使軸承承載力最大，為軸線傾斜工況下滑動軸承的結構設計提供了指導。為了進一步提高滑動軸承的可靠性，本文作者主要研究在軸表面沉積DLC涂層對軸線對中及傾斜工況下滑動軸承潤滑承載性能的影響。為了對比研究，文中選取了3種常用軸瓦材料：灰鑄鐵、鋁合金和聚酰亞胺(PI)涂層。灰鑄鐵、鋁合金是2種常用的金屬軸瓦材料，灰鑄鐵軸承工作時可以形成起潤滑作用的石墨層，具有一定的減摩性和耐磨性[13]；鋁合金軸承具有較高的疲勞強度和耐蝕性[14];聚酰亞胺是綜合性能最佳的高分子材料之一，PI涂層與金屬基材的附著力好，具有良好的耐磨性[15]。本文作者通過實驗研究軸線對中及傾斜工況下灰鑄鐵、鋁合金和PI涂層軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時的軸心軌跡和極限載荷，以及不同摩擦副的摩擦因數(shù)，分析軸表面DLC涂層對不同材料軸承潤滑承載性能的影響及軸承抱死失效機制，以期為工程設計人員提供指導。

1 實驗部分

1.1 實驗臺

研究采用圖1所示的滑動軸承實驗臺進行。實驗軸承直徑22 mm，長22 mm，中間有一個直徑2.5 mm的進油孔。實驗軸承通過螺栓安裝在安裝套內(nèi)，安裝套兩側(cè)各有一個端蓋用來限制潤滑油端泄量和安裝位移傳感器。2個端蓋上安裝了4個電渦流位移傳感器，位移傳感器a和c測量實驗軸承相對軸頸表面的垂直位移，位移傳感器b和d測量實驗軸承相對軸頸表面的水平位移。安裝套通過2個滾動軸承與加載環(huán)聯(lián)接，并通過繩子固定在力傳感器2上，因此在加載的同時可以定性測量實驗軸承摩擦力矩的變化。實驗裝置采用杠桿原理加載，通過旋轉(zhuǎn)手輪調(diào)節(jié)載荷大小，利用力傳感器1測量載荷值。另外，為了測試軸承在軸線傾斜工況下的性能，在實驗裝置左下部和右上部分別設置了外六角萬向球和測微頭，以施加傾斜轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)軸線傾斜角。

圖1 滑動軸承實驗臺Fig 1 Sliding bearing test rig

實驗軸承的潤滑油采用日本出光多效能機械油Daphne Super Multi oil 10，通過蠕動泵供給，流量設置為50 mL/min。潤滑油溫度通過水浴控制在(35±1) ℃，此時潤滑油黏度約為0.01 Pa·s。軸承承載力實驗時，實驗軸的轉(zhuǎn)速設置為1 200 r/min。

1.2 實驗軸承和實驗軸

圖2所示為實驗軸承，由軸承套和軸瓦組成，軸承套材料為45鋼，軸承A軸瓦材料為HT250灰鑄鐵，由鑄件加工而成，軸承B和C軸瓦為日本大同工業(yè)公司的產(chǎn)品，軸瓦B是鋁合金，含6%Sn、6%Si、1%Cu，軸瓦C基體為鋁合金，表面噴涂一層PI涂層。表1給出了實驗軸承直徑和表面粗糙度的測量值。軸承直徑約為22.048 mm。軸承A通過精鏜加工內(nèi)孔，可獲得較小表面粗糙度；軸承B和C軸瓦加工余量較小，采用內(nèi)圓磨削工藝，表面粗糙度較大。

圖2 不同軸瓦材料的實驗軸承Fig 2 Test bearings with different bushing material

表1 實驗軸承參數(shù)Table 1 Test bearing parameters

圖3所示為實驗軸，一根為40Cr鋼軸，實驗部分軸頸直徑為21.995 mm，表面粗糙度為Ra0.09～0.12 μm；另一根軸基體材料是40Cr鋼，通過物理氣相沉積(PVD)方法在實驗部分軸頸表面形成一層1.98 μm厚的DLC涂層，直徑為21.996 mm，表面粗糙度為Ra0.08～0.11 μm。各軸承與軸的間隙為26～27.5 μm。

圖3 實驗軸Fig 3 Test shafts

1.3 軸心位置和軸線傾角的確定

圖4 間隙圓及坐標系Fig 4 Clearance circle and coordinate system

軸線對中工況下處于動壓潤滑時，若傳感器測量值為a1、b1、c1、d1，則軸承中面上軸心在間隙圓中的坐標值為

(1)

軸心偏心率和偏位角為

(2)

軸線傾斜工況下，若傳感器測量值為a2、b2、c2、d2，則軸線傾角由下式計算得到：

(c2-c1)-(a2-a1)=l×tanβ

(3)

其中l(wèi)為兩側(cè)傳感器之間的水平距離。

由于實際加載時軸會產(chǎn)生變形，傳感器測量值受軸變形的影響，因此在軸承抱死實驗之后需做一次靜態(tài)標定實驗，記錄軸不轉(zhuǎn)動時傳感器測量值隨載荷的變化,然后在處理軸承抱死實驗數(shù)據(jù)時消除軸變形對傳感器測量值的影響。

1.4 軸承極限載荷的確定

軸轉(zhuǎn)動時，若不施加傾斜轉(zhuǎn)矩，默認軸承工作在軸線對中工況。在該工況下，增加載荷的同時監(jiān)測力傳感器2的測量值Fm，當載荷增大至Fm不能保持穩(wěn)定并快速增長時，該載荷被確定為極限載荷。實驗過程中，接近極限載荷時，每次加載98 N。每個載荷下，軸承運行至少10 min以觀察Fm是否穩(wěn)定。

確定某一軸線傾角下的軸承極限載荷時，首先預估該軸線傾角下的極限載荷，并對軸承加載，記錄此時位移傳感器的測量值；然后調(diào)整測微頭增大軸線傾角，記錄位移傳感器測量值并計算傾斜角，直到傾斜角為目標值。若摩擦力矩穩(wěn)定，則增加載荷，調(diào)整傾斜角至目標值，直至軸承抱死失效。當傾斜角未達到目標值軸承已抱死，則降低載荷，直到傾斜角度為目標值時發(fā)生抱死失效。每個傾斜角下，實驗重復2次以減小實驗誤差。

1.5 摩擦性能實驗

由于圖1的實驗臺不能準確測量摩擦因數(shù)，文中利用RTEC MFT-5000摩擦磨損實驗機通過銷盤接觸方式測量了3種軸瓦材料分別與40Cr鋼和DLC涂層的摩擦因數(shù)。上試樣為直徑6 mm的圓柱銷，鑄鐵材料直接加工為圓柱銷，鋁合金和PI材料通過軸瓦切割成片壓平后粘貼在圓柱銷表面，磨拋后試樣表面粗糙度約為Ra0.3 μm。下試樣為40Cr鋼和DLC涂層的圓盤，表面粗糙度約為Ra0.5 μm，試樣固定在液槽底部，液槽內(nèi)倒入10號潤滑油，液面高于摩擦表面20 mm。實驗前用乙醇溶液對試樣進行超聲清洗。實驗時銷的偏心距離為17.5 mm，圓盤轉(zhuǎn)速設為100 r/min，實驗載荷依次設為21、42、64、85、106和127 N，對應比壓為1～6 MPa。實驗在常溫(25 ℃)下進行，為減小實驗誤差，每組實驗重復3次并取平均值。

2 實驗結果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

圖5表示了在油潤滑條件下HT250、鋁合金和PI 3種材料的銷分別與40Cr鋼盤和DLC涂層盤接觸時的摩擦因數(shù)。隨載荷增大，不同摩擦副的摩擦因數(shù)都先增大后減小。3種材料的銷與40Cr鋼盤接觸時，摩擦因數(shù)在載荷約為50 N時達到最大值，依次為0.181、0.217、0.188。3種材料與DLC涂層盤接觸時，摩擦因數(shù)在載荷約為64 N時達到最大值，依次為0.129、0.19、0.185。對比可以發(fā)現(xiàn)，在40Cr鋼表面噴涂DLC涂層后，HT250和鋁合金的摩擦因數(shù)大幅減小，而PI的摩擦因數(shù)在載荷小于70 N時略減小，載荷大于70 N時增大。這表明DLC涂層與鑄鐵、鋁等金屬材料配合時摩擦因數(shù)較小，而與PI高分子材料配合時摩擦因數(shù)較大，這可能是由于DLC是由碳元素組成，而PI由碳氧氮元素組成，元素相近的摩擦副摩擦因數(shù)較大。

2.2 滑動軸承軸心軌跡

圖6表示了軸線對中工況下3種材料軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時偏心率和偏位角隨載荷的變化?？芍?，偏心率小于0.7時，軸承的承載力很低；偏心率大于0.9時，軸承承載力隨偏心率的增大急劇增大。鋁合金軸承與DLC涂層軸配合時，載荷大于2.2 kN時，軸承偏心率大于1，說明鋁合金軸承發(fā)生磨損(詳見下文軸承和軸表面磨痕分析)。在低載荷下，偏位角約為60°，但由于低載荷條件下軸承剛度較小，不同摩擦副的初始偏位角差異較大；隨載荷增大，偏位角最終減小到10°～20°。對比圖6(a)和圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，各軸承的ε-F曲線在低載荷時差異不大，摩擦副材料主要影響軸承在重載工況下的潤滑承載性能，HT250軸承和鋁合金軸承與DLC涂層軸配合時偏心率減小。這是由于輕載時，軸承形成動壓油膜，摩擦副不發(fā)生直接接觸，材料對軸承性能影響較小。重載工況下摩擦副存在接觸，軸承處于混合潤滑狀態(tài)，摩擦副材料直接影響軸承的潤滑承載性能。摩擦副的摩擦因數(shù)減小，軸承偏心率減小，有利于提高軸承承載力。

圖7對比了3種材料軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時，在一定載荷下隨軸線傾角增大軸承中面的軸心軌跡，以及軸承抱死時軸線在軸承中面的投影。圖中圓表示間隙圓，斜線表示軸線在軸承中面的投影，左(右)點為軸承左(右)端面上的軸心，斜線中點處的曲線表示隨傾角增大軸承中面軸心的軌跡。圖上標注了對應的載荷Fs和極限傾角βs?？梢钥闯?，隨傾斜角增大，軸頸首先與軸承右下邊緣接觸，在實驗時可以感覺到增大傾角所需的力矩增大；隨后，間隙圓內(nèi)的軸承中面軸心向上移動，偏心率減小，這說明載荷一定時，軸線傾斜使偏心率減小，與理論研究規(guī)律相吻合[11]。極限傾角βs時軸承右端面的軸心移動到間隙圓之外，這說明在垂直載荷和傾斜扭矩的作用下軸承在接觸區(qū)域發(fā)生了變形。

圖7 隨軸線傾角增大軸承中面的軸心軌跡及極限傾角時軸線在軸承中面的投影Fig 7 Shaft center locus as misaligned angle increases and the projection of shaft centerline on midplane of bearing when seizure happens

表2總結了圖7中的軸心位移Δdjc和軸承邊緣變形tdef。軸心位移Δdjc即軸承中面上軸心初始位置和最終位置的絕對距離，軸承邊緣變形tdef等于極限傾角時軸承右端面上軸心位置超出間隙圓的徑向距離。

表2 圖7中軸承中面軸心位移Δdjc和邊緣變形tdef

對比表2中的結果可以看出，載荷較小時，極限傾角較大，軸心位移也較大，這是由于軸心在輕載時更容易移動。除HT250軸承與DLC涂層軸的實驗結果外，隨極限傾角增大，其他實驗軸承邊緣變形都增大，這是因為較大軸線傾角時極限載荷較小，因此軸承抱死時需有更大的變形和更大的接觸面積。由表2還可以看出，與40Cr鋼軸配合時，HT250軸承和鋁合金軸承抱死失效時邊緣變形量為2.2～2.8 μm，而與DLC涂層軸配合時鋁合金軸承邊緣變形量大于3.3 μm，鑄鐵軸承邊緣變形量大于6.9 μm，這說明由于DLC涂層與鑄鐵和鋁合金的摩擦因數(shù)較小，軸承抱死需要更大的變形和更大的接觸面積。對于HT250軸承與DLC涂層軸的實驗，極限載荷和軸承邊緣變形都很大，其軸承變形隨軸線傾角增大而減小可以用圖7解釋，當載荷為4 900 N時，其偏心率隨傾角增大變化很??；當載荷為2 940 N時，偏心率變化較大，使得軸承邊緣變形減小。

2.3 滑動軸承極限載荷

圖8示出了3種材料軸承分別與40Cr鋼軸和DLC涂層軸配合時的極限載荷Fs隨軸線傾角β的變化曲線，其中比壓ps=Fs/(DL)?？梢钥闯?，β=0時，與40Cr鋼軸配合時，HT250軸承、鋁合金軸承、PI涂層軸承的極限比壓分別是9.6、3.7和6.4 MPa；與DLC涂層軸配合時，HT250軸承的極限比壓超過10 MPa(大于實驗臺的載荷范圍)，鋁合金軸承和PI涂層軸承的極限比壓分別是7.8 MPa(增大1.1倍)和3.6 MPa(減小44%)。這表明由于HT250和鋁合金與DLC涂層的摩擦因數(shù)相比與40Cr鋼的摩擦因數(shù)較小，因而2種材料滑動軸承的極限載荷增大；而由于重載工況下PI與DLC涂層的摩擦因數(shù)相比與40Cr鋼的摩擦因數(shù)大，因而軸承的極限載荷減小。

圖8 不同摩擦副的極限載荷Fig 8 Load carrying capacity of different friction pairs

圖5中鋁合金和PI與DLC涂層的摩擦因數(shù)相近，但與DLC涂層軸配合時，PI涂層軸承的極限載荷小于鋁合金軸承，這主要是因為PI涂層軸承的表面粗糙度比鋁合金軸承大，一定程度上增大了摩擦因數(shù)。

2.4 軸承和軸表面磨痕

圖9對比了實驗前后軸承內(nèi)表面情況。實驗后軸承內(nèi)表面磨痕清晰可見，其中與40Cr鋼軸實驗后，軸承只有少量磨痕；與DLC涂層軸實驗后，HT250軸承和鋁合金軸承的磨合區(qū)域增大，這主要是因為它們與DLC涂層軸的抱死載荷大，實驗時間增加，而實驗時間越長，磨合面積越大。但實驗后HT250軸承直徑變化不大，而鋁合金軸承直徑增大3 μm，這說明HT250軸承比鋁合金軸承更耐磨損。圖10示出了實驗后兩根軸的表面情況。40Cr鋼軸有磨合痕跡，DLC涂層軸無可見磨痕，這是由于DLC涂層硬度高，耐磨性好。

圖9 實驗前后軸承表面Fig 9 Bearing inner surface before and after tests

圖10 實驗后軸表面情況Fig 10 Shaft surface before and after tests

3 結論

(1)相較與40Cr鋼盤接觸時，HT250和鋁合金與DLC涂層接觸時的摩擦因數(shù)大幅減小，而載荷大于70 N時PI的摩擦因數(shù)增大。

(2)一定載荷下，隨軸線傾角增大，軸承中面偏心率減小，軸承在接觸邊緣發(fā)生變形；與40Cr鋼軸配合時，HT250和鋁合金軸承抱死失效時邊緣變形量為2.2～2.8 μm，而與DLC涂層軸配合時鋁合金軸承邊緣變形量大于3.3 μm，鑄鐵軸承邊緣變形量大于6.9 μm；摩擦副摩擦因數(shù)越小，軸承抱死失效時邊緣變形越大。

(3)軸線對中工況下，與40Cr鋼軸配合時，HT250軸承、鋁合金軸承、PI涂層軸承的極限比壓分別是9.6、3.7和6.4 MPa；與DLC涂層軸配合時，HT250軸承的極限比壓大于10 MPa，鋁合金軸承和PI涂層軸承的極限比壓分別是7.8、3.6 MPa。軸表面DLC涂層提高了HT250和鋁合金軸承的極限載荷，但減小了PI涂層軸承的極限載荷。摩擦副摩擦因數(shù)越小，軸承的極限載荷越大。

(4)DLC涂層硬度高，耐磨性好，實驗后軸表面無可見磨痕。