滑動軸承材料表面凹坑形狀對摩擦學性能的影響

張曉磊，解挺，齊永恒，武飛

(合肥工業大學 a.材料科學與工程學院;b.摩擦學研究所，合肥 230009)

滑動軸承具有工作平穩、可靠、無噪聲等優點，廣泛應用于低速重載工況下，或維護保養及加注潤滑油比較困難的運轉部位[1-2]。近年來，在機械工程領域，摩擦表面的微造型技術已成為熱點，對摩擦表面形貌的研究也得到重視[3-4]。國內外學者對表面微造型技術已經有大量的研究成果[5-10]。文獻[5]采用在碳化硅陶瓷(SiC)表面加工表面織構的方法來提高水潤滑條件下SiC 陶瓷的承載能力，結果表明, 混合有不同尺寸凹坑的織構與具有單一尺寸凹坑的織構相比, 承載能力顯著提高。文獻[6-7]的研究表明， 在一定的試驗條件下，氣泡能穩定存在于摩擦副接觸面的凹坑中。凹坑深度越大，潤滑油量越少，氣泡比例越大。此外，在面接觸條件下，從乏油潤滑到全膜潤滑的過程中，存在一個最優凹坑深度，使減阻效果最為顯著。

為了深入研究滑動軸承材料表面凹坑形狀對其摩擦學性能的影響，對滑動軸承應用較為普遍的2種不同形狀凹坑的雙金屬材料的摩擦磨損性能進行了試驗對比。

1 試驗

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行燒結，最后通過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%。試驗選取的對偶件為45#鋼制標準環件，內徑為24 mm，外徑為32 mm。

(a)圓形凹坑

1.2 試驗方法

摩擦磨損試驗在自行研制的HDM-20端面摩擦磨損試驗機上進行。該試驗機可以對試驗過程中的摩擦力矩、速度、載荷及摩擦因數連續自動測量記錄，并將測得信號傳入計算機中進行數據處理。試驗前，用砂紙對對偶件進行打磨拋光，并用丙酮將對偶件和試樣表面擦洗干凈。試驗過程中，對偶件轉動，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 結果與分析

2.1 表面凹坑形狀對摩擦因數的影響

通過試驗得出2種試樣的摩擦因數如圖3所示。由圖可知：菱形凹坑試樣的摩擦因數明顯小于圓形凹坑試樣；隨著平均線速度的增加，2種試樣的摩擦因數均逐漸降低；載荷增加時，摩擦因數均現增加的趨勢，持續一段時間后，摩擦因數降低。其原因是：首先，平均線速度不引起材料表面層性質變化時，摩擦因數幾乎與平均線速度無關，當平均線速度引起材料表面層發熱、變形和磨損時，材料表層的性質以及摩擦過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，摩擦因數隨之增大，當溫度達到可使材料軟化時，摩擦因數降低；最后，基于逐級加載的原因，載荷突然增大時，對偶件和試樣的接觸壓力增大，潤滑油部分擠出，邊界膜變薄甚至破裂，潤滑油不能及時得到補充，部分表面微凸體直接接觸，摩擦因數變大，隨著潤滑油的補充，摩擦環境逐漸趨于穩定，摩擦因數又會逐漸降低。

圖3 不同平均線速度下2種試樣的摩擦因數

為了更直觀地體現上述規律，將平均線速度分別為0.4,0.8 m/s時2種試樣的摩擦因數變化曲線提取出來，如圖4所示。

圖4 2種平均線速度下2種試樣摩擦因數的對比

2.2 表面凹坑形狀對磨損量的影響

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，每組試驗的時間不同。對于圓形凹坑試樣，其各組試驗時間分別為31，24，20，19，16 min；對于菱形凹坑試樣，其各組試驗時間則分別為34，28，24，22，17 min。試驗只是為了比較2種試樣的耐磨性，并不考察每組試驗的磨損量，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，雖然試驗時間減少，但2種試樣的磨損量均增大。當平均線速度增至0.8 m/s，試樣的磨損量均達到最大值。當平均線速度進一步升高時，磨損量略微減小。這是因為隨著平均線速度的增大，摩擦過程中產生的摩擦熱會引起表面溫度升高，使得上層銅出現軟化，造成磨損量增大。然而，隨著平均線速度的進一步升高，上層銅的應變率增加，產生一定的塑性變形，使其硬度增加、耐磨性增強，所以磨損量略微降低。此外，試驗時間的改變也會對磨損量造成一定影響。通過對比可知，菱形凹坑試樣的耐磨性更好。

2.3 表面凹坑形狀對PV值的影響

試驗中平均線速度V分別為0.2，0.4 ，0.6 ，0.8，1.0 m/s，壓強P可根據載荷和接觸面積求出，2組試驗的相關參數見表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，但有一定的波動。其原因是每次試驗時接觸區發生變化，導致接觸區凹坑數量略有偏差，因此潤滑狀態略有差異。通過對比發現，菱形凹坑試樣的PV值更高，說明其潤滑狀態良好，承載能力更高。

表1 試驗參數

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，磨痕越細小；反之，磨痕越粗糙。對于圓形凹坑試樣，隨平均線速度的增加，試樣出現局部咬合(圖7c)。對偶件和試樣在摩擦過程中，摩擦表面的溫度超過了材料的熔點，使二者發生焊接，隨著對偶件的高速旋轉，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咬合，說明其摩擦學性能較好。

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，凹坑中儲存的潤滑油不易擴散到凹坑外的摩擦表面，造成潤滑效果不佳。在擠壓及摩擦熱的作用下，潤滑油易從菱形凹坑尖角處溢出，擴散到摩擦表面，因此菱形凹坑更有利于潤滑，其摩擦學性能更好。

3 結論

1)菱形凹坑雙金屬材料的摩擦因數比圓形凹坑的低，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。

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