关节轴承固体润滑处理工艺

段欣生;陈蓉;买楠楠;王子君

【摘 要】A solid-lubrication technology of joint bearing was introduced.A solid lubrication film was prepared,which used inorganic salt and active metal ions as the binders to improve the compression strength and heat resistance properties of film layer,used graphite and molybdenum disulfide composite materials as the lubricant to improve the bearing loading capacity and the lubrication performance of the joint bearings under different working conditions.The lubrication film of the bearing inner ring surface treated by solid lubrication is uniform and has good use effect.Test result shows that the formed solid lubrication film has strong binding force with the metal substrate,which can meet the requirements of bearing loading capacity and lubrication performance of joint bearing under the special working conditions.%介绍一种关节轴承固体润滑处理技术，制备的固体润滑膜以无机盐和活性金属离子为黏结剂，提高了膜层的耐压强度和耐温性能；以石墨和二硫化钼复合材料为润滑剂，提高了关节轴承在不同工况条件下的承载能力和润滑性。经固体润滑处理的轴承内圈外表面润滑膜层均匀、外观细致，实际使用效果良好。经检测，形成的固体润滑膜与金属基体有较强的结合力，在特殊工况条件下能够满足承载和润滑性能的要求。 【期刊名称】《润滑与密封》 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】4页(P116-119)

【关键词】关节轴承;固体润滑;摩擦磨损;摩擦因数 【作 者】段欣生;陈蓉;买楠楠;王子君

【作者单位】洛阳轴研科技股份有限公司 河南洛阳 471039;洛阳轴研科技股份有限公司 河南洛阳 471039;洛阳轴研科技股份有限公司 河南洛阳 471039;洛阳轴研科技股份有限公司 河南洛阳 471039 【正文语种】中 文 【中图分类】TH133.33

关节轴承是球面滑动轴承，由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成。根据其不同的类型和结构，可以承受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向同时存在的联合负荷。因为关节轴承的球形滑动接触面积大，倾斜角大，大多数关节轴承采取了特殊的工艺处理方法。固体润滑处理就是其中的一种，由于轴承经过固体润滑处理后，摩擦因数可有效降低，磨损量也随之减少，适用于长期低速转动、摆动和调心运动以及启动频繁的工况条件。

本文作者介绍了一种关节轴承固体润滑处理技术，并通过试验测试了制备的固体润滑膜的摩擦学性能和结合力。

固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油(脂)，隔离相对运动的摩擦面以达到减摩和耐磨的目的。这种能够降低摩擦、减少磨损的固体物质称为固体润滑剂。可作为固体润滑剂的物质有石墨、二硫化钼等层状固体物质，塑料和树脂等高分子材料，软金属及各种化合物等。利用固体润滑剂进行润滑的方法称为固体润滑[1]。

固体润滑剂通过胶黏剂与工件结合，形成固体润滑膜，膜层的结合力与胶黏剂黏结方式相关，胶黏剂的黏接机制主要有机械理论、化学理论和吸附理论3种。

机械理论：黏接前，除了对被黏接件的黏结面进行清洗外，还需要将黏接面进行粗化。 粗化的目的，一方面是增加黏接面积，增强黏接力，另一个重要作用就是增大胶黏剂与被黏接件表面的嵌合作用，形成无数个嵌合点， 从而大大提高黏接强度[2]。

化学理论：胶黏剂与被胶接物能通过化学反应而得到满意的结合。无机胶黏剂中的磷酸组分和氧化铜组分起反应，生成含有等离子的混合液体。胶黏剂固化初期，胶黏剂中的铜离子在金属表面发生取代反应： 3Cu2++2Al→2A13++3Cu↓ 2Cu2++2Fe→2Fe2++2Cu↓

随着胶黏剂的固化，反应逐渐减慢，当胶黏剂完全固化后，反应停止。反应的结果是金属表层部分被溶解，在溶解部位产生金属铜的沉积，在金属表面形成相互渗透的过渡层，使金属表面和胶黏剂结合紧密，从而增大黏接强度。过渡层经高温处理后，表面产生氧化铜层，黏接剂和金属有氧化铜作“桥梁”，提高了工件的黏接强度。在胶黏剂内部，氧化铜作为磷酸氢盐生长的基础，形成一个呈星芒状的集合体，互相穿插，将整个胶黏剂结合起来[3]。

吸附理论：黏合键的形成可分为2个阶段：第一阶段是胶黏剂分子通过微布朗运动迁移至被胶接物表面，胶黏剂分子的极性基团向被胶接物中的极性基团靠近。第二阶段是吸附过程，当胶黏剂与被胶接物之间的距离小于0.5 nm时，分子间引力发生作用而相互吸附。分子间引力就是范德华力与氢键力，而这种力的存在与其他分子无关，因而能用胶黏剂胶接多种材料。

典型的关节轴承如图1所示，对关节轴承进行固体润滑处理的是内圈外球面。所使用的固体润滑剂是石墨和二硫化钼复合润滑剂，其结构分别如图2、3所示。石墨是典型的层状结构，碳原子成层排列，每个碳与相邻的碳之间等距相连，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠

置形成层状结构，这种结构降低了摩擦副的摩擦阻力，可有效降低摩擦因数与磨损量；二硫化钼是具有层状的六方点阵结构，原子与原子之间由强化学键连接，而层间S原子则由弱的分子键相连接，并且S—S层间隔较大。在摩擦磨损过程中，S—S键之间剪切强度低，很容易沿S—S面滑动，而表现出很好的润滑性能[4]。 固体润滑膜制备时充分考虑了上述3种机制，认为在胶黏剂胶黏、固化过程中3种理论过程同时进行，所以在喷涂处理前对工件进行了前处理，对喷涂工艺及配方进行了调整，有利于胶黏剂与工件牢固结合。

在烧杯中加入蒸馏水，缓慢加入适量磷酸,搅拌均匀后加入适量氢氧化铝和少量氧化铜，加热到反应开始停止加热，搅拌至烧杯中无固体颗粒存在。反应过程中要根据需要及时加入蒸馏水，使反应持续进行又要防止反应过于激烈。静置24 h后，取上层澄清透明溶液即所需胶黏剂。

将胶体石墨和二硫化钼粉过滤去除结块和粗颗粒，各称取适量混合均匀，加入胶黏剂中，使石墨和二硫化钼充分与胶黏剂接触均匀，加适当蒸馏水，用玻璃棒搅拌，使润滑剂和胶黏剂在蒸馏水中均匀分散。 将轴承内圈用清洗剂去除油污。在容器中加入蒸

将处理过的轴承零件干燥后进行喷涂处理。喷涂过程中要保持胶黏剂和固体润滑剂混合均匀。调节喷枪，保持一定的空气压力；喷枪和轴承要保持适当的距离。喷涂后的工件涂层要均匀、细致。

固化温度对涂层同基体的结合强度具有重要影响，通常高温固化有利于提高界面结合强度[5]。将涂覆复合润滑层的工件加热到180 ℃，保温2 h固化，自然冷却后取出，包装。

喷涂处理前后关节轴承内圈外观对比如图4所示，可以看出，处理过的工件表面呈浅灰色，有磨砂感；未喷涂的内圈表面洁净、光亮。

把TIMKEN试环按照轴承内圈的处理工艺进行表面处理后，在TIMKEN试验机上

进行环、块摩擦试验，测定试环表面涂层的摩擦力及摩擦因数。试环尺寸为φ49.2 mm；试块尺寸为12.3 mm×12.3 mm×19 mm。涂层与金属基体的结合力试验采用尺寸为φ30 mm×5 mm的金属试块，按与轴承零件相同的处理工艺，喷涂固体润滑膜后，在拉力试验机上进行润滑膜层拉伸试验来测定结合力。 试验条件：载荷为7.4 N,主轴转速为200 r/min,试验时间为60 min。每3 min记录一次摩擦力，求得平均摩擦力f； 摩擦因数μ由下式计算：

经过60 min的摩擦试验，所有涂覆润滑层的试环膜层均未失效，摩擦试验前后试验环、块外观分别如图5、6所示。

TIMKEN摩擦试验还在黏结剂、喷涂工艺、试环、试块都相同的条件下，对单一润滑剂和复合润滑剂的摩擦磨损性能进行了测试和比较。涂覆不同润滑剂的TIMKEN试环摩擦磨损试验结果，如表1所示。

可以看出：复合涂层的减磨效果好于石墨和二硫化钼涂层，具有协同效应[6-7]。 采用美国英斯特朗公司生产的INSTRON5944型电子万能材料拉压试验机，对涂覆复合润滑膜层的试块进行结合力试验，测得膜层与基体的结合力约为1 800 N，说明膜层与机体的结合得很好。

介绍了一种关节轴承固体润滑处理工艺，形成的固体润滑膜与金属基体有较强的结合力。该固体润滑膜以无机盐和活性金属离子为黏结剂，可以有效提高膜层的耐压强度和耐温性能；以石墨和二硫化钼复合材料为润滑剂，提高了关节轴承在不同工况条件下的承载能力和润滑性。该工艺具有高效廉价，不受关节轴承形状尺寸限制，工艺可靠度高等优点。参考文献