纳米颗粒增强木质滑动轴承的制备及摩擦磨损性能研究

2018-07-07夏余平刘克非吴庆定

中南林业科技大学学报 2018年6期

王奇，蒋康，夏余平，彭博，刘克非，吴庆定

（1.中南林业科技大学材料成形技术研究所，湖南长沙 410004；2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南长沙 410015）

滑动轴承材料的发展历史已长达几个世纪，一开始人类只是利用木制或石制滑动轴承支撑旋转装置，近百年来，滑动轴承材料有了快速的发展，陆续出现了巴氏合金、铜合金、铝合金轴承材料和木质材料[1-3]等。木质滑动轴承的制备最早是将天然铁梨木用作船舶艉轴承，而后发展成为以层压胶木为主制备木质滑动轴承[4-5]。新型滑动轴承材料的开发一直是中外材料科学领域的热点[6-7]，以木质材料为基材，采用粉末冶金技术制备滑动轴承的研究尚少，国内吴庆定、彭博和夏余平等人以农林剩余物为基材采用温压成形技术制备出了木质滑动轴承[8-10]。滑动轴承作为运动副关键件，润滑（减摩）机制至关重要。而用于食品、医药和纺织机械的滑动轴承引入固体润滑机制尤为重要。笔者试图基于竹木剩余物、农作物秸秆等廉价碳汇资源，以纳米刚玉粉为增强/减摩因子成功制备出了纳米颗粒增强木质滑动轴承。由于刚玉粉具有层状六方结构，易于沿层间滑移发生塑性变形，因而具有良好的减摩性；又因微细的纳米刚玉粉弥散在滑动轴承机体中，通过温压成形体现出弥散强化作用。纳米颗粒增强木质滑动轴承作为新一代滑动轴承可望在食品、医药、纺织机械等领域部分替代粉末冶金烧结青铜含油轴承使用，从而在节约有色金属资源的同时，为竹木剩余物、农作物秸秆等廉价碳汇资源的高值利用开辟新途径，并使这类廉价碳汇资源的固碳周期得以延长，为应对全球气候变暖添砖加瓦。

1 材料与方法

1.1 实验材料

（1）木质粉末

以杨树枝丫材为基材自制，粒径≤0.25 mm、含水率12%～15%；杨树枝丫材采集于湖南汨罗江畔。

（2）纳米级刚玉粉

市售，平均粒径≤0.5 µm、纯度≥99.5%。

1.2 仪器与设备

（1）F160型粉碎机

F160型粉碎机带有十字锤片、阶梯环形碾齿和筛片，具有切、锤、碾、磨、筛等功能，用于木质粉末的制备。

（2）HX100型压模机

HX100型压模机为半自动热成形液压机，具有定时保温保压功能，用于木质滑动轴承试件的温压成形。

（3）MPV-3型摩擦试验机

MPV-3型摩擦试验机为微机控制PV摩擦试验机，用于分析测试木质滑动轴承试件的摩擦系数、磨损量与承载能力（PV值）。

（4）Nanoasem230电子显微镜

Nanoasem230电子显微镜为场发射电子显微镜，用于分析观察木质滑动轴承试件表面的磨痕形貌。

1.3 方法与步骤

1.3.1 木质粉末的制备

木质粉末的制备：首先将杨树枝丫材劈成碎片，然后将碎片放入真空干燥箱内在90℃温度下干燥8 h，控制其含水率12%～15%，再借助F160型粉碎机对干燥后的碎片进行粉碎处理，使粒度符合试验方案要求。

1.3.2 纳米颗粒增强木质滑动轴承的制备

本试验以杨木粉末为基材，以纳米级刚玉粉为增强因子，借助利用HX100型压模机采用温压成形法制备纳米颗粒增强木质滑动轴承。成形工艺条件为：成形温度160 ℃、成形压力70 MPa、保温保压时间30 min；纳米刚玉粉添加量分别为0%、2%、4%、6%、8%、10%。制备6组纳米刚玉粉含量各异的木质滑动轴承试件，试件规格为：φ50×φ35×25 （mm），如图1所示。

图1 纳米颗粒增强木质滑动轴承试件Fig.1 Samples of nano particle reinforced wooden sliding bearing

1.3.3 试样检测

利用摩擦试验机对纳米颗粒增强木质滑动轴承试件的摩擦系数、磨损量和承载能力等性能进行检测，利用扫描电子显微镜观察试件的磨痕表面形貌，分析纳米颗粒增强木质滑动轴承的磨损行为与润滑机理。具体检测方法为：

（1）摩擦系数与磨耗量：选择自润滑方式，试验载荷固定为400 N、转速900 r/min。首先将试件（纳米颗粒增强木质滑动轴承）固定于试验装置设定的摩擦副钢轴套内，然后将轴套固定于试验机上，取摩擦系数曲线较稳定段作为有效值；将试件旋转1 000 r（转）后的质量损失值作为磨耗量试验结果，单位为mg/1000r。

（2）承载能力（极限PV值）：采用PV值法[14-15]测试试件的承载能力。极限PV值的测定采用定速变载试验法，根据试验方法推荐值将转速选定为100 m·min-1。按照滑动轴承PV值评定测试方法规定，在试验过程中出现（①摩擦力矩或者温度剧增；②磨损量达到被检测材料的极限值；③温度升高到被检测材料的限定值）三者情况之一时，试验停止。

极限压强根据下列公式计算：

式中：P为极限压强，N/mm2；L为试件高度，mm；D为试件内径，mm；W为极限负荷，N。

极限负荷的取法为：符合上述情况①时，前一级负荷增加10%为极限负荷；符合情况②和③时，该级负荷即为极限负荷。极限压强P乘以钢轴套在试件表面的相对滑移线速度V即为极限PV值，滑动线速度可由下列公式计算：

式中：D为钢轴套外径，mm；N为主4轴转速，r/min。

2 结果与分析

2.1 纳米刚玉粉含量对试件摩擦系数的影响

图2(a)-(f)分别是纳米级刚玉粉含量为0%～10%的6个试件摩擦磨损试验曲线。不难看出，试件（a）-（d）的试验曲线均在经过一段时间的震荡后趋于平稳，将这段时间视为磨合期；而试件（e）-（f）的磨合期直到试验结束也未结束。

图2(a)试验曲线对应试件不含纳米刚玉粉，其在试验进行到约6 min(360 s)时出现短暂平稳区（持续到10 min(600 s)），而后急剧攀升，经过小幅震荡后摩擦系数稳定在0.4～0.5之间。

图2 试件摩擦系数试验曲线Fig.2 Test curve of friction coeff i cient

图2(b)试验曲线对应试件含纳米刚玉粉2%，其试验进程首先表现为通过小幅震荡大幅攀升直到约420 s；然后小幅震荡下降，约540 s时将摩擦系数稳定在0.25附近。

图2(c)试验曲线对应试件含纳米刚玉粉4%，其试验进程首先表现为前720 s呈现无规则大幅震荡，然后将摩擦系数稳定在0.12～0.18之间。

图2(d)试验曲线对应试件含纳米刚玉粉6%，其试验进程表现为前20 s无震荡直线上升将摩擦系数拉高到约0.4，而后曲线下降直至420 s将摩擦系数稳定在0.11附近。

图2(e)-(f)试验曲线对应试件含纳米刚玉粉8%～10%，其试验进程均表现为大幅震荡，直至试验结束（约60～70 min后）才趋于平缓。

从上述(a)-(f)试验曲线变化规律发现：

①含4%～6%纳米刚玉粉试件的摩擦磨损性能具有明显的优势，磨合期仅为7～12 min(约420～720 s),摩擦系数稳定在0.1～0.2之间；特别是含6%纳米刚玉粉试件，不仅磨合期短，而且磨合期过后其摩擦系数稳定在0.11（波动曲线近乎水平线），说明由含6%纳米刚玉粉的试件与钢轴套组成的摩擦副表面因固体润滑膜的形成，进而表现出良好的减磨和抗粘着性能[10-11]。

②不含纳米刚玉粉试件在试验初期的摩擦磨损性能表现优异，试验进行到约6 min时便出现平直稳定区，摩擦系数与含6%纳米刚玉粉试件处于同一水平；说明该试件表面存在薄薄的固体润滑层（碳化层），固而表现出短暂的良好减磨和抗粘着性能[10-11]，当薄薄的固体润滑层磨损剥落后，摩擦系数便出现飙升[9]。

③纳米刚玉粉含量＜4%时，试件的摩擦磨损性能与不添加纳米刚玉粉的试件相比具有一定程度的改善，但因纳米刚玉粉含量偏低，摩擦副表面难以形成连续、稳定的固体润滑膜，致使摩擦副表面出现温升、烧蚀、剥落→愈合→再烧蚀、再剥落的周期循环，固而有试验曲线在420 s后呈现出小幅震荡的水平带区（摩擦系数波动带宽0.05）[9]。

④纳米刚玉粉含量＞6%时，试件试验曲线出现全程大幅震荡，其可能的原因在于过量的纳米刚玉粉颗粒导致试件基体丧失连续性，致使摩擦副表面出现难以愈合的烧蚀与剥落现象，使得纳米刚玉粉的减磨和抗粘着性能难以体现[9]。

2.2 纳米刚玉粉含量对试件磨耗量的影响

纳米刚玉粉添加量对试件磨耗量的影响如图3所示。不难发现：相同试验力条件下，未添加纳米刚玉粉试件磨耗量高达60 mg/1 000 r；随着纳米刚玉粉含量增加，试件的磨耗量首先急剧下降，但当含量增加到6%时其磨耗量维持26 mg/1 000 r基本不变，取得极小值，与未添加纳米刚玉粉试件相比降低幅度超过50%。

图3 纳米刚玉粉含量对试件磨耗量的影响Fig.3 Effect of nano alumina powder content on the wear of sample

2.3 纳米刚玉粉含量对试件承载能力的影响

按照标准GB7948—1987（塑料轴承极限PV值试验方法）和JB/T7381—2010（粉末冶金含油轴承PV值测定方法），对试件的极限载荷进行了试验考察，试验台转速与加载级差数据列于表1，并附列了经计算获得的PV值。

表1 试验台转速和加载级差Table 1 Test rig speed and load differential

极限载荷试验摩擦力矩变化曲线如图4所示。试验前期1 100 s为摩擦副磨合阶段，这段时间内的摩擦力矩曲线并不平稳，磨合阶段过后的曲线趋于稳定，试验正式开始，此时的载荷大小为1.47 MPa（1 178 N），1 700 s后将载荷增加至2.94 MPa（2 356 N）时，出现了摩擦力矩剧增的情况，极限载荷摸索试验终止。

根据标准GB7948—1987（塑料轴承极限PV值试验方法）相关规定，认为试件在滑动速度为100 m·min-1情况下的极限载荷为1.47(1+10%) MPa，此时极限 PV 值为 161.7 MPa·m·min-1。当实际工况的PV值大于许用PV值时，过高的载荷可能导致润滑膜的破裂，从而损坏轴承；因此，许用PV值一般取极限PV值的1/2～1/3，试件在滑动速度为100 m·min-1时的极限许用PV值取80 MPa·m·min-1足矣，即许用极限载荷可认定为0.8 MPa（641 N）。轻纺机械的实际工况载荷一般不超过0.5 MPa（400 N），说明研制的纳米颗粒增强木质滑动轴承在一定工况下可胜任轻纺机械的工作要求[11]。

图4 试件极限载荷测试过程中摩擦力矩变化曲线Fig.4 The change curve of friction torque during the test of limit load test

2.4 试件摩擦副表面微观形貌

图5为不含纳米刚玉粉和含6%纳米刚玉粉的木质滑动轴承的表面磨痕形貌图。

图5 试样表面磨痕形貌(SEM×5000)Fig.5 Surface wear morphology of sample surface

显而易见，不含纳米刚玉粉试件的表面最粗糙，出现了很多细小磨粒，磨痕较深，犁沟较宽，粘着撕裂痕迹明显，磨损严重；而含6%纳米刚玉粉的试件表面光滑，未出现明显的粘着与划痕，说明最佳含量纳米刚玉粉颗粒均匀分布于试件基体中形成了性能良好的固体润滑界面，表现出较好的减磨、耐磨及抗粘着特性，固而摩擦系数明显降低，为摩擦副稳定运行提供有力保障。