新型关节轴承材料的研究现状及展望

王彻，杨丽颖，王守仁，李文文

(济南大学，济南 250022)

关节轴承是一种结构简单、抗冲击能力强，可进行摆动运动具有调心作用的特殊滑动轴承，在汽车、船舶、航空航天等诸多领域都有广泛的应用。其性能的优劣对机械设备的使用有直接的影响。

在实际工作中，关节轴承的主要失效形式为内外圈之间的摩擦磨损[1]。目前关节轴承常用的金属材料一般为轴承钢、不锈钢、铜合金等材料，面对越来越复杂的工况，这些材料存在着一些不足。轴承钢在使用过程中容易发生腐蚀、锈蚀，对轴承性能有较大影响；不锈钢内外圈一般用于无冲击、无振动或小振动的轻载工况[2]；铜合金关节轴承有良好的承载能力，目前在飞机重要的零部件上有广泛应用，如起落架、方向舵等，但是铜合金轴承材料与其配对副的磨合性，杂质混入的可嵌入性都制约了铜合金关节轴承的发展。

随着机械设备不断朝着高温、重载、大型化方向的发展，对关节轴承性能提出了更高的要求。现对开发出的质量小、使用温度高、承载性能强、耐磨性能好的新型关节轴承材料进行了研究。

1 铝合金关节轴承材料

铝合金是一种密度小、耐腐蚀、耐磨损，在重载场合有良好性能的合金材料。常见的铝合金轴承材料可分成Al-Sn，Al-Pb，Al-Zn系列。由于Al-Zn合金在制备时节能环保、价格低廉，使得铝锌关节轴承具有很好的发展前景。这里重点介绍Al-Zn系列关节轴承材料。

文献[3]中利用含Zn元素的7075铝合金研制了挤压型铝合金自润滑关节轴承，并对关节轴承进行了有限元分析和常温工况下的摆动摩擦磨损试验。在46.4 kN的径向静载荷下其永久变形量仅为0.044 mm，而在3.7 kN的轴向静载荷下其永久变形量仅为0.083 mm，关节轴承的耐磨性与承载力P和速度V有关，用PV值表示，其值越小表示磨损率越小，摆动摩擦磨损试验测得该铅合金关节轴承的PV值为1 293.1 MPa·mm/s，与不锈钢自润滑关节轴承对比后发现铝合金自润滑关节轴承具有更好的性能。

文献[4]同样以7系Al-Zn铝合金为基体，以PTFE(聚四氟乙烯)为衬垫材料制备出铝合金自润滑关节轴承，在载荷为520，600 kN的常温条件下进行了25 000次动态磨损试验，结果表明该关节轴承的磨损量小于0.15 mm，完全满足使用工况的要求。

为进一步提升Al-Zn合金关节轴承摩擦磨损性能和力学性能，需对合金进行一定的处理。在Al-Zn合金中添加微量的稀土元素可以有效地细化合金晶粒，提升合金性能。文献[5-6]在合金中加入0.2%Er时，晶粒尺寸约为30～40 μm，随着Er含量的增加，合金硬度呈先增大后减小的趋势；而在铝锌合金中添加0.2%Ce时，合金的晶粒约为25～45 μm，合金硬度也明显增大；文献[7]在Al-Zn合金中添加少量的La，合金组织得到有效细化，力学性能、拉伸强度、伸长率都有所提高，当La含量为0.1%时，合金断口处出现韧窝，且在其周围有较明显的片层组织，合金具有较好的韧性；文献[8]采用CeO，La2O3对铝锌合金摩擦磨损特性进行强化，发现其在低速、重载条件下的摩擦因数小于0.1，磨损量低于2 mm3。

其他元素的加入可有效地增大合金硬度，进而使得合金材料具有更好的耐磨性。文献[9]发现随着Si和Zn含量的增加，铝锌合金的硬度有较大程度地增大，Zn对合金硬度的影响比Si的大，合金中的Zn含量增加1.5%，则硬度可增大25.78%。当Zn含量为11%时，合金硬度达到最高，随后开始减小。

目前，制约铝合金关节轴承使用的主要还是加工困难。铝合金材料的塑性、韧性好，但刚度低、膨胀系数大，在加工时很容易受到装夹和切削时所产生应力的影响，进而造成工件变形[10]。

2 TiAl合金关节轴承材料

TiAl基合金具有密度低、熔点高、硬度高、抗腐蚀性好、热膨胀系数低等特点，在高温环境中具有良好的力学性能，如高温抗蠕变性能[11],这使得TiAl基合金完全有可能成为高温、重载工况下理想的关节轴承材料。

但是，TiAl基材料本身的室温塑性、热变形能力、耐磨性和抗氧化性较差[12]，严重制约了TiAl基合金关节轴承的加工制造和使用范围。而改善TiAl基材料性能一般有2种途径：一是改变TiAl合金的成形技术，二是在合金中添加其他元素。

目前TiAl合金的制备技术主要分以下3种：铸造、铸锭冶金和粉末冶金。文献[13]通过铸造技术制备出Ti-(40-44)Al-(3-6)Nb-(W,Cr)-Si-C合金，发现不论在室温还是高温条件下，这一系列的TiAl合金的拉伸强度和抗氧化性都要比普通的TiAl基合金表现的更加优异。但是，在实际生产中发现铸造成形和铸锭冶金的合金组织都存在一定的缺陷，如组织偏析、晶粒粗大等，一般需进行一定的热处理以改善合金的综合性能。

粉末冶金是一种近净成形技术，用这种方式可制备出微观组织均匀、细化，力学性能优异的TiAl基关节轴承合金。文献[14]利用预合金粉末热等静压技术制备出Ti-45Al-8Nb-0.2Si-0.3B合金，该合金具有微观组织细小、致密度较高、力学性能优异的特点。研究发现当加热温度低于相变温度时，提高合金致密度的主要途径是粉末颗粒的流动、转动和重排；当温度达到相变温度时，粉末颗粒接触面处会发生塑性变形，使TiAl预合金粉末基体相对致密度迅速提高。随着致密化过程的进行，合金内部的孔隙将不断减小，合金的力学性能将会得到显著强化。

文献[15]以真空热压烧结技术，选用62% BaF2-38%CaF2共晶体为固体润滑剂制备出具有良好的高温力学性能和微观组织结构的TiAl基自润滑材料，并以此为基础制备出TiAl基自润滑推力关节轴承，对其进行高温摩擦磨损试验和摩擦磨损有限元仿真分析。结果表明，该自润滑关节轴承在高温摩擦磨损试验中表现出良好的承载性能和高温自润滑性能。

在TiAl基材料中添加其他元素，对合金进行成分设计可有效提升合金性能。TiAl基合金的高温强度、室温塑性、抗蠕变性都与材料的微观组织有关。元素B，Mo和Y可有效地细化合金晶粒，显著提升合金的力学性能。B元素凝固时发生枝晶断裂以及固溶的B原子阻碍层片侧向长大进而促进了合金细化晶粒[16]。文献[17]发现Mo元素在凝固过程中析出高熔点的MoAl5，Mo3Al8和MoO3相，阻碍晶粒长大进而达到细化晶粒的作用。Y通过抑制TiO2的生长，从而细化TiAl基合金的室温组织，有效地提高了TiAl基合金的抗弯强度和室温塑性[18]。

为进一步提升TiAl基关节轴承的高温力学性能，文献[19]在TiAl合金中添加不同含量的Nb，在900 ℃下发现随着Nb含量的增加，TiAl合金抗拉强度先增大后减小，当Nb含量为7%时合金高温抗拉强度达到最大值587 MPa。在TiAl基材料中添加一定的硬质颗粒如TiC可细化晶粒，从而有效改善合金韧性，TiC均匀分布在TiAl材料中可显著提升合金耐磨性和承载能力[20]，这对延长关节轴承的使用寿命有着重要意义。

目前TiAl基关节轴承的研制还在起步阶段，但TiAl基合金在高温、重载的环境中有良好的性能，所以未来TiAl基关节轴承必将有长足的发展，特别是在航空航天等恶劣的工况下。

3 自润滑关节轴承材料

自润滑材料的性能直接影响关节轴承的磨损性能和使用寿命。目前常见的自润滑关节轴承材料主要有高分子基复合自润滑材料、金属基自润滑复合材料、陶瓷基自润滑复合材料。

在高分子基复合自润滑材料中，目前使用最普遍的关节轴承衬垫材料是PTFE，其具有比强度高、抗腐蚀能力强、性能稳定等特点，在常温条件下有良好的润滑效果。据了解，PTFE编织材料所形成的润滑膜在常温条件下可经受超过1×106次摩擦，其摩擦因数仅为0.04，但在高温状态下编织复合材料会出现变形、开裂和热疲劳等现象，加剧材料的摩擦磨损[21]。

为进一步提升PTFE材料的性能，文献[22]采用不同的编织工艺制备PTFE/芳纶纤维自润滑编织衬垫，在高频重载条件下对自润滑关节轴承进行摩擦学特性研究，发现PTFE纤维和芳纶纤维相互交织而成的衬垫有良好摩擦学性能，其耐磨性提升40.4%，摩擦时温升下降37.2%。但是PTFE/芳纶纤维编织衬垫表面活性低，与黏合剂的浸润性不好，造成衬垫黏结不牢固，衬垫容易出现皱褶脱落等从而导致润滑不足，摩擦因数增大，磨损加剧[23]。

对PTFE/芳纶纤维进行改性处理可有效提升其黏合和摩擦磨损性能。经氧化铈处理后的衬垫，其纤维表面活性基团的浓度和纤维表面粗糙度都有所提升，有效改善了纤维与黏合剂之间的浸润性，使得衬垫与基体间的界面黏结力有显著地提高[24]。同时发现经过氧化铈处理的PTFE/芳纶纤维复合编织衬垫，在较短时间内其磨损表面可形成一层完整的润滑膜，有效改善了关节轴承的磨损状况[25]。

文献[26]发现PTFE/芳纶自润滑衬垫通过甘油醚接枝改性处理后，衬垫的磨损量、摩擦因数和摩擦温升比未处理的自润滑衬垫均明显下降，特别是磨损量在相同工况下降1/4；随试验过程中摆动频率的提高，衬垫的成膜性能也有所提高。研究还发现PTFE/芳纶编织物的纹路对自润滑衬垫性能也有较大影响。文献[27]应用有限元仿真软件ABAQUS模拟关节轴承PTFE/芳纶编织衬垫在编织角度为45°和90°时的接触应力和变形情况，结果表明：在相同载荷下，编织角度为45°时编织衬垫变形量比90°时的大，可有效减小应力集中，使衬垫的受力更加均匀；同时研究发现，由于内圈的阻碍作用，衬垫位移与接触应力成反比，编织角度为45°时的位移量更小。

金属基自润滑复合材料是指将高温固体润滑剂与金属基体进行烧结熔合制备出高温自润滑材料，或在金属基表面制备出高温自润滑涂层材料。目前常用的高温固体润滑剂有CaF2，BaF2，MoS2，WS2，BN等。文献[28]分析在400 ℃高温条件下WS2，MoS2复合涂层的摩擦学性能，发现在300 N，155 r/min条件下有复合涂层基体的摩擦因数为0.045左右，其可有效降低合金本身的摩擦磨损情况。

文献[29]在关节轴承表面喷涂不同组分的MoS2/石墨固体润滑涂层，在旋转摆动的条件下对不同固体润滑剂成分的关节轴承进行试验，结果表明：当MoS2与石墨的配比为3∶1时，复合膜的润滑效果最佳，且在摆动频率为3 Hz时摩擦因数仅为0.04左右，相对于没有喷涂润滑涂层的关节轴承，磨损量下降50%左右，摩擦温度下降40 ℃，极大延长关节轴承的使用寿命。同时研究发现,MoS2/石墨复合涂层可有效提高关节轴承在不同工况条件下的承载能力和润滑性，固体润滑膜和金属基体有良好的结合力。经处理后的关节轴承的润滑膜细致、均匀，在使用中有优异的润滑效果[30]。

文献[31]以第2代TiAl为基体添加62%BaF2-38%CaF2的共晶材料为固体润滑剂,利用真空热压烧结技术制备出TiAl高温自润滑材料,并分析该合金材料的高温摩擦学性能，发现62%BaF2-38%CaF2在600 ℃时有良好的高温自润滑性能，当材料受热后，固体润滑剂在基体表面膨胀、溢出，然后在摩擦副的作用下62%BaF2-38%CaF2铺展开，并最终在基体表面形成一层完整的润滑膜，从而达到润滑效果。

陶瓷基自润滑复合材料是以陶瓷为骨架的自润滑材料，该材料具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和优异的化学稳定特性，也有良好的减摩耐磨特性[32-33]。文献[34-35]指出，CaF2在高温状态下由脆性变成塑性，使得CaF2在500 ℃时有良好的润滑性，同时在900 ℃高温状态下仍有优异的抗氧化性，是一种高温环境中性能稳定的固体润滑剂。

文献[36]采用粉末治金技术利用冷压烧结工艺制备出Al2O3/TiC/ CaF2自润滑复合陶瓷材料作为内外圈材料，并与Al2O3/TiC复合陶瓷材料摩擦磨损特性进行对比分析。结果表明：Al2O3/TiC/CaF2复合陶瓷材料力学性能优于同等条件下制备的Al2O3/TiC复合陶瓷材料，在相同工况下Al2O3/TiC/CaF2复合陶瓷材料的磨损量和磨损率都大幅下降。同时在CaF2的作用下，在摩擦副表面形成一层平整、光滑的自润滑层，起到有效减磨效果。

文献[37]采用真空热压烧结工艺制备一种添加纳米固体润滑剂CaF2的自润滑陶瓷材料，研究其25～600 ℃下的摩擦磨损性能。发现自润滑陶瓷材料的摩擦因数与磨损率随环境温度的升高而逐渐降低，常温下其磨损机理为磨粒磨损，高温下磨粒磨损和黏着磨损并存。

目前，关节轴承自润滑材料还存在诸多问题亟待解决，如高温、高频、重载和腐蚀等混合复杂工况下的自润滑轴承材料失效制约自润滑关节轴承的发展，同时自润滑关节轴承材料的润滑效果不稳定性也对自润滑关节轴承使用寿命有着严重的影响。

4 结束语

铝合金、钛铝合金、自润滑材料在恶劣的环境中都有良好的耐磨损和力学性能，很符合高速重载关节轴承的工况要求。但是上述新型关节轴承材料还面临着诸多问题，所以，在此提出这些新型关节轴承材料未来的发展方向。

铝合金关节轴承材料需从2个方面进行：1)改善铝合金材料本身的性质，通过添加不同材料和成形方式，制备出易加工、使用性能良好的铝合金关节轴承材料；2)目前国内对薄壁铝合金关节轴承套圈精加工技术还不成熟，需进一步分析铝合金关节轴承的加工难点，不断改善加工工艺路线，设计出最优的铝合金关节轴承加工方案。

TiAl基关节轴承材料还处于研制阶段，需解决的问题有：1)改善TiAl基合金的室温塑性、抗氧化性以减小合金的加工难度；2)进一步提升TiAl合金的力学和摩擦磨损性能，研究TiAl合金高温时的摩擦磨损机理，为高温重载的TiAl基关节轴承的研制提供基础；3)改善TiAl合金材料的制备方式和加工方式，以进一步降低TiAl成本，为TiAl合金关节轴承的大规模应用提供基础。

对于自润滑关节轴承材料：1)研究在不同工况条件下的自润滑衬垫的磨损机理，优化自润滑衬垫材料的成分、结构，以提高关节轴承的耐磨性；2)解决固体润滑剂和基体间的相容性差，改善因固体润滑剂造成基体孔隙增多以及固体润滑剂与基体结合力不足的问题；3)对自润滑关节轴承在不同温度、速度、载荷等多因素工况条件下的摩擦磨损特性进行更深入研究，设计出高温、重载时持续稳定的自润滑关节轴承材料。

关节轴承摩擦磨损是一个复杂的问题，需分析不同关节轴承材料在不同工况下的摩擦磨损机理，为关节轴承的研究提供理论基础。开发承载能力强、耐磨损、润滑效果好、使用范围广的关节轴承，深入研究防轴承磨损失效技术将会成为未来重要的发展趋势。