襯墊的氧化鈰改性處理對自潤滑關節軸承粘接性能的影響

苗艷偉，邱明，康鵬飛，李迎春，陳龍

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003;2.新昌縣產品質量監督檢驗所，浙江 新昌 312500)

自潤滑關節軸承是一種在外圈內球面鑲嵌或粘接一層自潤滑襯墊層的球面滑動軸承，具有自調心、免維護、長壽命及承載力大等特點，廣泛應用于航空航天、輕工業、鐵路等領域[1-3]。聚四氟乙烯(PTFE)具有韌性好、低摩擦等優點，是關節軸承自潤滑襯墊層的理想材料，但因耐磨性較差，大大限制了其作為自潤滑襯墊層的應用范圍。為此，國內外許多學者開展了大量其他功能性纖維與PTFE復合編織自潤滑材料的研究工作[4-6]。由于芳綸纖維具有比強度高、比模量高、耐高溫等優異性能，已被廣泛用于與PTFE復合編織自潤滑材料，以提高耐磨性和力學性能。然而，芳綸纖維作為粘接面，表面活性低，結晶度高，與黏合劑的浸潤性不好[7]，導致襯墊與基體間的界面結合力差，進而影響軸承襯墊自潤滑性能的發揮。稀土氧化物具有特殊的電子層結構和突出的化學活性[8-9]，與芳綸纖維表面的C，O，N有較強的絡合能力。鑒于此，下文使用氧化鈰對PTFE/芳綸復合編織襯墊進行改性處理，以改善其與基體的界面結合力，進而提高自潤滑關節軸承的使用性能。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗選用GE40ET-2RS型自潤滑關節軸承，結構如圖1所示。自潤滑關節軸承內、外圈的材料均為GCr15軸承鋼；襯墊由PTFE/芳綸纖維復合編織而成(其中富含PTFE的一面作為摩擦面，另一面作為粘接面)。為了保證襯墊材料的一致性，在一塊編織布上裁剪出試驗所需的襯墊(其中襯墊的編織紋路應與剝離方向垂直，且裁剪時需保證編織紋路與裁剪方向的夾角為60°)。在把襯墊粘接到外圈內球面之前，需對襯墊進行預處理，即將襯墊在常溫稀土氧化鈰溶液(主要由HNO3，CO(NH2)2，NH4Cl，CeO2以及去離子水按一定比例配制而成)中浸泡1～2 h；隨后在80～100 ℃烘箱中烘烤2～3 h，再置于空氣中平衡24 h。最后，將經過氧化鈰改性處理的襯墊用黏合劑 (優選的最佳配比[10]黏合劑) 粘接到外圈內球面上，裝入內圈后置于80～100 ℃下固化3～4 h，完成軸承試樣的制備。

圖1 自潤滑關節軸承

1.2 試驗方法

剝離強度值是衡量襯墊粘接質量的重要指標之一，剝離強度測試示意圖如圖2所示。利用自制的剝離夾具將關節軸承試樣夾持在Instron5944型電子萬能材料試驗機上，并以一定的速度向外拉伸，將纖維襯墊從關節軸承外圈內球面上剝離下來。

圖2 剝離強度測試示意圖

考慮到剝離曲線波動的影響，試驗利用Origin軟件對剝離曲線進行求積處理以計算剝離強度，其計算式為

(1)

式中：C為剝離曲線圖上單位高度所代表的載荷，N/mm；S為剝離曲線求積的面積，mm2；L為襯墊剝離的長度，mm；B為剝離試樣的寬度，mm。

參照美國航空標準SAE-AS 81820制定的試驗方案為：剝離角度140°±40°，剝離速度19 mm/min，采集間隔2 ms，可以夾持的襯墊長度80 mm，剝離長度75 mm左右。剝離前需進行襯墊黏附度檢驗，保證襯墊90%緊緊黏附；剝離后進行牢靠性檢驗，不允許有外接圓直徑相當于外圈寬度25%或6.35 mm(取其中較小者)的未粘接區。

1.3 微觀分析

利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分析襯墊粘接面的微觀物理化學變化。

2 結果與討論

2.1 改性處理對粘接性能的影響

利用自制的關節軸承剝離夾具對氧化鈰改性處理前、后的試樣進行剝離強度試驗，重復測試10次并取平均值，結果見表1。從表中數據可知，改性處理后試樣的剝離強度相比改性前提高了約22%。

表1 試樣剝離試驗結果

氧化鈰改性處理前、后襯墊的剝離曲線如圖3所示。從圖中可以看出，與改性前相比，經氧化鈰改性處理后，襯墊的剝離力得到了明顯提高。

圖3 襯墊剝離曲線的變化趨勢

由圖3可知，襯墊經氧化鈰改性處理后的剝離曲線波動較小，剝離載荷較大，表明剝離過程中剝離載荷變化比較平穩，襯墊的粘接質量得到明顯提高；而未處理軸承的剝離曲線波動較大，且在剝離過程中出現了2處較為明顯的凹谷，凹谷處剝離載荷最小值僅為2.5 N，此處粘接力較小，極易導致軸承襯墊從基體上脫落，進而影響軸承的使用性能與可靠性。

2.2 微觀分析

襯墊改性處理前、后粘接面的SEM照片和EDS圖如圖4和圖5所示。

圖4 襯墊粘接面的SEM照片

圖5 襯墊粘接面的EDS圖

從圖中可以看出，改性前襯墊粘接面的芳綸纖維清晰可見，表面光滑(圖4a)；襯墊經氧化鈰改性處理后，襯墊粘接面的芳綸纖維形態結構變化顯著(圖4b)。分析認為，稀土元素具有突出的化學活性，可將改性劑中的含氧活性基團引入到纖維襯墊表面(從圖中C和O元素的含量對比可知)，增大了纖維表面活性基團的濃度，并且使得纖維表面粗糙度變大，進而改善了纖維與黏合劑之間的浸潤性, 從而增強了襯墊與外圈界面的結合力，提高了襯墊的粘接性能。

3 結論

(1) 與未處理的襯墊相比，襯墊經氧化鈰改性處理后的粘接質量明顯提高，剝離強度增加22%，且剝離曲線波動平穩，剝離載荷較大。

(2) 微觀分析表明，襯墊粘接強度的提高是由于氧化鈰改性處理增大了纖維表面活性基團的濃度及表面粗糙度，明顯改善了纖維與黏合劑之間的浸潤性。