牛榮軍 李鴻亮 周勇勇 王玉飛 鄧四二

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039)

隨著我國(guó)核電工業(yè)的發(fā)展，核泵運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的工作環(huán)境更為苛刻，對(duì)軸承材料的耐高溫性和耐磨損性提出更高的要求[1]。目前復(fù)合材料、陶瓷材料、改性高分子材料等各種新型材料不斷被開發(fā)出來并應(yīng)用到該類軸承上。通常來說，軸承材料可分為金屬和非金屬這2大類[2]，以軸承鋼和合金為代表的金屬材料和以陶瓷和橡膠為代表的非金屬材料是最常用的軸承材料。

目前，具有優(yōu)良的高溫硬度、較低的熱膨脹系數(shù)、較高的耐高溫氧化性的高溫軸承材料得到廣泛應(yīng)用。朱定一等[3]制備新型Ni3Al/石墨高溫固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料，研究其在不同溫度條件下的摩擦學(xué)性能。劉佐民[4]以高溫銷-盤試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，研究不同溫度下合金材料的磨損特性。王瑩等人[5]基于自制的高溫耐磨材料，研究復(fù)合材料在極端工況條件下的摩擦磨損性能。蔣蔚等人[6]根據(jù)軸承在高溫水中運(yùn)轉(zhuǎn)的工作條件，探討了軸承的類型選擇，通過試驗(yàn)選擇了GH05合金為套圈和鋼球材料。韓恩厚等[7]分析了在核電高溫高壓水中不銹鋼和鎳基合金的腐蝕電化學(xué)行為，以及材料表面膜的成分、組織結(jié)構(gòu)和電子特征。GATES、ANDERSSON等[8-9]開展多種陶瓷材料的摩擦學(xué)性能試驗(yàn)，探討其摩擦學(xué)性能及承載能力。LIU等[10]基于球-盤摩擦試驗(yàn)機(jī)，開展了陶瓷/不銹鋼配副間的摩擦試驗(yàn)，對(duì)比摩擦副在海水和純水條件下的摩擦特性。除了陶瓷材料，其他的軸承用新型材料如納米材料、橡膠材料等相關(guān)研究也很豐富[11-12]。通過上述文獻(xiàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，高溫環(huán)境下軸承用材料摩擦學(xué)性能的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是對(duì)于高溫、水介質(zhì)潤(rùn)滑條件下軸承材料摩擦學(xué)性能的研究很少涉及。

對(duì)于高溫、水介質(zhì)潤(rùn)滑軸承，由于軸承工況和潤(rùn)滑條件的特殊性，區(qū)別于一般的軸承用材軸承鋼，該軸承所使用的材料為GH05無磁高溫合金。GH05無磁高溫合金材料是一種鎳基的高溫合金，具有無磁、耐腐、抗磨損、高硬度等特性。為了了解該軸承在高溫、水介質(zhì)潤(rùn)滑下的摩擦磨損特性，需對(duì)其所用材料GH05無磁高溫合金的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究。基于此，本文作者首先根據(jù)應(yīng)力等效轉(zhuǎn)換，得到摩擦磨損試驗(yàn)所需試驗(yàn)參數(shù)，然后在高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開展球-盤摩擦磨損試驗(yàn)，研究GH05無磁高溫合金材料的摩擦學(xué)性能，獲取不同條件下試樣的磨損體積。在此基礎(chǔ)上基于Archard磨損模型計(jì)算材料的磨損系數(shù)，為特殊工況和潤(rùn)滑條件下軸承壽命評(píng)估提供關(guān)鍵的材料性能參數(shù)。

1 摩擦磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試樣

試驗(yàn)的高溫、水介質(zhì)潤(rùn)滑球軸承，其套圈材料為GH05無磁高溫合金。以實(shí)際軸承所使用的鋼球?yàn)樵囼?yàn)鋼球，以套圈所用材料制成的圓盤作為試驗(yàn)對(duì)摩圓盤，開展GH05無磁高溫合金材料的摩擦磨損性能試驗(yàn)，試驗(yàn)原理及試驗(yàn)鋼球與圓盤的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)圓盤和鋼球?qū)嵨?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

高溫?zé)o磁合金材料GH05制作的圓盤試樣規(guī)格為φ50 mm×6 mm，試驗(yàn)鋼球規(guī)格為φ6.3 mm。試驗(yàn)設(shè)備為高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，球盤對(duì)摩方式如圖2所示。

圖2 球盤對(duì)摩試驗(yàn)裝置局部

高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。試驗(yàn)機(jī)主要由加載模塊、測(cè)量模塊、裝夾模塊、支撐模塊、導(dǎo)軌模塊及運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)等組成。其中，試樣裝夾模塊分為試驗(yàn)鋼球安裝模塊和試驗(yàn)圓盤安裝模塊。通過徑向加載裝置給鋼球和圓盤施加徑向作用載荷，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋼球與圓盤之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用摩擦力測(cè)試模塊中的力學(xué)傳感器測(cè)量鋼球與圓盤之間的摩擦力。

圖3 高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理

利用三維形貌掃描儀對(duì)磨損后的試樣進(jìn)行掃描，獲取磨損試樣表面形貌，計(jì)算試樣的磨損體積，分析試樣的摩擦磨損性能，探討磨損系數(shù)與載荷、轉(zhuǎn)速等參數(shù)之間的關(guān)系，并求解高溫?zé)o磁合金材料GH05在不同條件下的磨損系數(shù)。

1.3 試驗(yàn)載荷確定

鋼球與滾道間的接觸為曲面-曲面接觸(見圖4(a))，而試驗(yàn)鋼球與試驗(yàn)圓盤之間的接觸為曲面-平面接觸(見圖4(b))，二者接觸狀態(tài)并不相同。為了更好地模擬真實(shí)工況，需要對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換處理。首先，計(jì)算實(shí)際工況條件下球與滾道間的接觸應(yīng)力；然后，根據(jù)接觸應(yīng)力等效原則，將鋼球與滾道之間的作用載荷進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，計(jì)算得到試驗(yàn)球與試驗(yàn)圓盤具有相同接觸應(yīng)力時(shí)所需要的試驗(yàn)載荷。

圖4 球-面接觸狀態(tài)比較

根據(jù)滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)原理[13]，可以求解得到實(shí)際工況條件下軸承受載最大滾動(dòng)體所承受的接觸載荷Qmax，進(jìn)而可以求解得到受載最大滾動(dòng)體與內(nèi)圈之間的最大接觸應(yīng)力pcmax。然后根據(jù)應(yīng)力等效原則，求解得到球-盤試驗(yàn)的試驗(yàn)載荷。當(dāng)已經(jīng)求解得到最大接觸應(yīng)力pcmax后，試驗(yàn)載荷Q可通過下式計(jì)算：

(1)

1.4 試驗(yàn)速度確定

通過控制滑滾比來控制相對(duì)滑動(dòng)速度，從而模擬鋼球與滾道之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到試驗(yàn)時(shí)球與盤之間的相對(duì)滑動(dòng)速度為

us=0.5s(vi+vb)

(2)

式中：us為試驗(yàn)球與盤間的相對(duì)滑動(dòng)速度；vi為滾道接觸點(diǎn)線速度；vb為鋼球接觸點(diǎn)線速度；s為滑滾比，文中取0.01。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摩擦特性分析

圖5所示為高溫300 ℃，不同載荷下摩擦因數(shù)-時(shí)間歷程曲線。通過圖5可知：

圖5 載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響(300 ℃)

(1)不同載荷條件下，摩擦因數(shù)整體變化趨勢(shì)均一致，即在試驗(yàn)初始階段，摩擦因數(shù)增大，然后隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦因數(shù)減小，最終摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。

(2)不同載荷條件下的摩擦因數(shù)均趨于一致，在0.54左右波動(dòng)。這說明載荷對(duì)材料摩擦因數(shù)的影響不大，同種材料的摩擦因數(shù)在不同載荷條件下基本一樣。

圖6所示為載荷50 N，不同溫度下的摩擦因數(shù)-時(shí)間歷程曲線。由圖6可知：

圖6 溫度對(duì)摩擦因數(shù)的影響(50 N)

(1)當(dāng)溫度為300 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)在試驗(yàn)初始階段增大，然后隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦因數(shù)減小，在試驗(yàn)進(jìn)行到400 s時(shí)，摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定，最終摩擦因數(shù)在0.53左右波動(dòng)。

(2)當(dāng)溫度為25 ℃(室溫)時(shí)，在摩擦試驗(yàn)初期階段摩擦因數(shù)較小，隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦因數(shù)波動(dòng)性變大，波動(dòng)范圍為0.22～0.55。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，相比于高溫300 ℃，溫度為25 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性較差，波動(dòng)性大。這說明，對(duì)于高溫?zé)o磁合金GH05，其摩擦因數(shù)在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性比在常溫條件下好。

圖7所示為載荷50 N，不同潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)-時(shí)間歷程曲線。由圖7可知：

圖7 潤(rùn)滑對(duì)摩擦因數(shù)的影響(50 N，300 ℃)

(1)水介質(zhì)潤(rùn)滑條件下，試驗(yàn)初期階段材料的摩擦因數(shù)不斷變大，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦因數(shù)逐漸穩(wěn)定，最終在0.35左右波動(dòng)。整體來看，整個(gè)試驗(yàn)過程中摩擦因數(shù)的波動(dòng)性小，整體穩(wěn)定性好。

(2)干摩擦狀態(tài)下的摩擦因數(shù)波動(dòng)性大，波動(dòng)范圍為0.25～0.58。相比于水介質(zhì)潤(rùn)滑狀態(tài)，干摩擦狀態(tài)下的摩擦因數(shù)波動(dòng)性大，規(guī)律性差，整個(gè)摩擦試驗(yàn)過程的穩(wěn)定性差。這說明潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)材料摩擦因數(shù)的影響比較大，較好的潤(rùn)滑條件可以減小摩擦因數(shù)，改善材料的摩擦性能。

2.2 磨損特性分析

圖8—10分別給出高溫干摩擦狀態(tài)、常溫干摩擦狀態(tài)和常溫水介質(zhì)潤(rùn)滑3種狀態(tài)下，圓盤試樣在對(duì)摩120 min后，采用三維形貌儀掃描得到的試樣表面形貌。

對(duì)比圖8—10所示的磨圓盤試樣的磨損形貌可知：

圖8 高溫干摩擦下磨損形貌

(1)隨載荷的增大，磨損痕跡變得越來越明顯，圓盤磨損程度也越來越嚴(yán)重，磨痕深度和寬度均增大。

(2)溫度對(duì)材料磨損特性具有影響，隨著溫度的升高，GH05材料的耐磨性降低。高溫環(huán)境下，合金材料的硬度降低，摩擦副產(chǎn)生較大塑性變形，黏著磨損加重，從而導(dǎo)致材料磨損系數(shù)增加。

(3)相比于常溫干摩擦，常溫水介質(zhì)潤(rùn)滑條件下，圓盤試樣的磨痕較淺，磨損程度較小。水介質(zhì)能夠在摩擦副表面形成一定潤(rùn)滑膜，起到減磨作用，從而改善了材料的磨損性能，提高了材料的耐磨性。

圖9 常溫干摩擦下磨損形貌

圖10 常溫水介質(zhì)潤(rùn)滑下磨損形貌

2.3 磨損系數(shù)計(jì)算

根據(jù)圓盤試樣表面形貌掃描的結(jié)果，分別計(jì)算不同載荷、潤(rùn)滑條件、溫度下圓盤試樣的磨損體積，結(jié)果如圖11所示?？芍合嗤囼?yàn)載荷下，高溫300 ℃干摩擦條件下圓盤試樣的磨損體積最大，常溫25 ℃干摩擦條件下的磨損體積次之，常溫水介質(zhì)潤(rùn)滑介質(zhì)潤(rùn)滑下的磨損體積最小，這說明在水介質(zhì)潤(rùn)滑條件改善了對(duì)磨摩擦副的磨損情況，且溫度越高磨損越嚴(yán)重。

圖11 載荷、溫度和潤(rùn)滑對(duì)磨損體積的影響

根據(jù)Archard磨損理論[14-15]，磨損系數(shù)可由下式計(jì)算：

(3)

式中：V為磨損體積；Q為試驗(yàn)載荷；v為對(duì)摩副間的相對(duì)滑動(dòng)線速度；t為對(duì)摩時(shí)間。

將計(jì)算得到的不同條件下的磨損體積和對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)載荷等參數(shù)值代入到公式(3)中，可以計(jì)算得到不同溫度以及不同潤(rùn)滑狀態(tài)下材料的磨損系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 磨損系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出：相同試驗(yàn)載荷下，圓盤試樣在高溫300 ℃干摩擦條件下的磨損體積最大，在常溫水介質(zhì)潤(rùn)滑條件下的磨損體積最小；對(duì)于高溫?zé)o磁合金材料GH05，其磨損系數(shù)在高溫300 ℃干摩擦條件下取值范圍為1.93×10-7～3.02×10-7mm2/N。高溫環(huán)境對(duì)軸承材料的磨損具有重要影響，高溫環(huán)境下的磨損系數(shù)明顯高于室溫條件下材料的磨損系數(shù)，如干摩擦條件下兩者相差1.17～1.77倍。高溫環(huán)境下，合金材料的硬度降低，摩擦副產(chǎn)生較大塑性變形，黏著磨損加重，從而導(dǎo)致材料磨損系數(shù)增加，在高溫環(huán)境下要考慮磨損對(duì)軸承性能的影響。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于軸承用材料高溫?zé)o磁合金GH05，相比于常溫條件，高溫環(huán)境下摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍小，穩(wěn)定性更強(qiáng)，相比于干摩擦狀態(tài)，水介質(zhì)潤(rùn)滑介質(zhì)條件下摩擦因數(shù)小，穩(wěn)定性好，規(guī)律性強(qiáng)。

(2)相同載荷條件，高溫?zé)o磁合金GH05試樣的磨損體積在高溫300 ℃干摩擦條件下最大，在常溫25 ℃干摩擦條件下次之，在常溫水介質(zhì)潤(rùn)滑條件下最小。

(3)對(duì)于高溫?zé)o磁合金材料GH05，當(dāng)載荷從50 N變化到150 N時(shí)，其磨損系數(shù)在高溫300 ℃干摩擦條件下變化范圍為1.93×10-7～3.02×10-7mm2/N，在常溫25 ℃干摩擦條件下變化范圍為1.78×10-7～2.89×10-7mm2/N，在常溫25 ℃水介質(zhì)潤(rùn)滑條件下變化范圍為1.09×10-7～2.58×10-7mm2/N。