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高速重載軸承和自潤滑涂層技術(shù)研討會綜述

2019-09-24
李淑欣1，2，樊冬1，2，束學(xué)道1，2，余豐1，2
（1.寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315211；2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點實驗室，浙江寧波 315211）
　　摘　要：本文對2019高速重載軸承和自潤滑涂層技術(shù)研討會進行綜述。來自中國和烏克蘭的30余名專家學(xué)者出席了本次會議。會議圍繞高速重載軸承和自潤滑涂層技術(shù)進行研討，烏克蘭科學(xué)院代表團的兩位院士分別就超高溫陶瓷和微波材料等新型材料的研發(fā)技術(shù)作了主題報告，寧波大學(xué)代表團的兩位教授也分別做了“滾動接觸疲勞下軸承材料微觀失效機理研究”和“軋機重載軸承微尺度控制延壽技術(shù)研究”等報告。本次會議展示了中烏專家在表面涂層技術(shù)和軸承延壽等方面的Z新研究成果。 
　　關(guān)鍵詞：高速重載軸承；延壽；自潤滑涂層；會議
　　軸承是航空發(fā)動機的重要基礎(chǔ)性零部件，而高溫、高壓、疲勞、磨損等復(fù)雜、嚴苛的環(huán)境嚴重影響軸承的使用壽命，提高航空發(fā)動機軸承的使用壽命一直是科學(xué)研究的熱點問題。本屆高速重載軸承和自潤滑涂層技術(shù)研討會是中國和烏克蘭的專家學(xué)者針對極端環(huán)境下的軸承失效機理及自潤滑涂層技術(shù)進行的研討交流會，會議旨在為航空航天、機械工業(yè)的發(fā)展提供學(xué)術(shù)意見。
　　此次學(xué)術(shù)會議于2019年6月10日在寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院順利召開。會議由寧波大學(xué)主辦，寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院承辦，浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點實驗室、寧波市機械工程學(xué)會和寧波大學(xué)學(xué)報（理工版）協(xié)辦。會議主席由寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院副院長彭文飛副教授擔(dān)任。 
　　開幕式上，寧波大學(xué)副校長邵千鈞教授、機械工程與力學(xué)學(xué)院院長鄭榮躍教授和寧波市科協(xié)學(xué)會部葉旭光主任分別致歡迎詞，對烏克蘭專家的來訪表示熱烈歡迎。烏克蘭國家科學(xué)院材料問題研究所中國研究中心主任葉宏光副教授也發(fā)表了熱情洋溢的講話。中烏雙方專家學(xué)者在本次會議中針對表面涂層技術(shù)和軸承延壽等方面的合作發(fā)展交換了意見。
　　1　會議概述 
　　1.1超高溫陶瓷
　　以硼化物、碳化硅或氮化物等耐火化合物作為主要成分的超高溫陶瓷在極端條件下具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗高溫氧化性能，故其在核火箭發(fā)動機中扮演著反應(yīng)堆容器的關(guān)鍵角色。因此，超高溫陶瓷材料的研發(fā)對我國具有重要的戰(zhàn)略意義。 
　　烏克蘭格里戈利耶夫院士的研究表明超高溫陶瓷的活化燒結(jié)是共晶體系的固相燒結(jié)。在高溫下，組分的熱特性與單相狀態(tài)的熱特性顯著不同，并且原子間鍵顯著弱化，原子的熱振動幅度增加。這種現(xiàn)象是共晶體系中邊界體積擴散活性增加的主要原因，并且使升溫（粉末燒結(jié)、蠕變等）的速率增加。目前，格里戈利耶夫院士已研發(fā)出一種通過真空燒結(jié)而不是通常的熱壓技術(shù)獲得鋯硼基化物的陶瓷新技術(shù)，可以獲得與高壓所得陶瓷相同的機械性能，并且溫度相當(dāng)?shù)停?900~1950℃）。 
　　他在超高溫陶瓷的壓縮實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著蠕變過程的進行，ZrB2-SiC陶瓷能保持65％壓下量而不被破壞，其活化能為6.3eV。另外，在1800℃的溫度下，陶瓷發(fā)生高溫強化，強度達到800~1000MPa[1]。目前，格里戈利耶夫院士開發(fā)的超高溫陶瓷已在渦輪發(fā)動機部件、航天器用材、玄武巖纖維、電站和熱力廠的煤鍋爐等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 
　　1.2微波材料
　　微波材料應(yīng)用于微波頻段電路（主要是UHF、SHF頻段，300MHz~300GHz），是作為介質(zhì)材料并能完成一種或多種功能的陶瓷材料，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星廣播、雷達、軍事戰(zhàn)斗機等領(lǐng)域。
　　對于微波材料而言，較高的相對介電常數(shù)能有效解決設(shè)備微小型化的問題；高品質(zhì)因數(shù)值能有效增強通訊系統(tǒng)的敏感性；諧振頻率隨溫度變化幅度較小能提高器件的穩(wěn)定性。基于微波材料的這些特性，比羅烏斯院士研制了符合性能要求的單相和多相微波介質(zhì)以及介質(zhì)諧振器[2]。他的相關(guān)研究成果已用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的器件中。另外，在他的研究中，利用水溶液沉淀法獲得的納米分散M型鋇鐵氧體BaFe12O19粒子在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。與其相關(guān)的納米熱療（HT）法能有效損傷惡性腫瘤細胞，磁化粒子對于提高潰爛傷口的修復(fù)和牙周炎的治療均有良好的功效。目前，他的研究工作已被很多國家用來治療惡性腫瘤。
　　1.3電子輻射技術(shù)
　　隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，具有復(fù)雜特性的功能材料日漸重要。鑒于傳統(tǒng)的材料制備工藝無法將不同特性的材料進行組合，電子輻射技術(shù)填補了該領(lǐng)域的空白。研究者們可以有效地利用鋁箔材料和蒸汽相涂層技術(shù)來制備多功能材料。
　　烏克蘭Pratt&Whitney公司總經(jīng)理、巴頓研究所所長烏斯季諾夫教授基于電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)研發(fā)了準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的Al-Cu-Fe合金[4]。該合金具有高硬度、低熱傳導(dǎo)、低表面能量和較低摩擦系數(shù)等極不尋常的特性組合，能在干燥摩擦區(qū)域減少表面磨損，可防止真空冷焊。該項技術(shù)還可有效解決熱壓塑料產(chǎn)品制造過程中，模具表面受損和產(chǎn)品幾何尺寸改變等問題。
　　另外，傳統(tǒng)的融合技術(shù)難以獲得跨金屬連接的化合物，這使得制造如管道連接中由鋼鐵和鈦組成的結(jié)構(gòu)變得很困難。烏斯季諾夫利用擴散焊接方法制備了鈦-鋼雙金屬化合物，其可以滿足安裝連接的要求，且具有高強度和可塑性的優(yōu)點[5]。
　　1.4銅基自潤滑耐磨材料
　　銅基自潤滑耐磨材料的制備要求包括：（1）銅基體可通過附加能承受載荷和高接觸壓力的材料來增加強度和硬度，并降低銅的固有可塑性；（2）必須附加固體潤滑劑，使其在摩擦接觸處形成保護層來減少磨損。
　　烏克蘭基輔理工學(xué)院卡瓦里琴科教授在空氣和真空中對比研究了不同溫度下附加不同數(shù)量固體潤滑劑（MoS2或MoSe2）的銅基復(fù)合材料對試樣的磨損機理和特性的影響[6]。他參與研發(fā)的自潤滑復(fù)合摩擦材料SKAMIPM-301已確保“和平號”軌道空間站R-400超高頻輻射測量系統(tǒng)摩擦單元在5a內(nèi)的可靠運行[7]。 
　　在無潤滑條件下，卡瓦里琴科教授對鋁（1100）、鉬、不銹鋼（304）、鉭、鈦等金屬材料和銅（182）相互滑動過程中的摩擦學(xué)行為進行了研究。發(fā)現(xiàn)鋁的抗磨損能力Z小，可能是由于其與銅的親和性、高延展性及低剪切強度造成的；鉬、不銹鋼和鉭的摩擦系數(shù)值較大，主要是由于氧化屑的堆積；鈦具有良好的溶解性，易與銅發(fā)生磨損，但其強度高，不會造成嚴重的滑動損傷。 
　　1.5熱涂層材料
　　在現(xiàn)代飛機的設(shè)計應(yīng)用中，極端條件下使用的特殊涂層材料發(fā)揮著重要的作用。烏克蘭安東諾夫國有企業(yè)副總材料師安東紐克副教授比較研究了傳統(tǒng)航空工業(yè)使用的電鍍涂料和烏方新型研發(fā)的耐磨涂料材料（等離子體、離子-等離子體等）的摩擦學(xué)性能，以及新舊涂層對鈦合金疲勞性能的影響。結(jié)果表明，新型涂層較傳統(tǒng)涂層而言具有更優(yōu)的耐磨性，疲勞試驗研究發(fā)現(xiàn)新型涂料能增加鈦合金的疲勞強度，如等離子體涂料能使試樣的疲勞強度達到鈦合金B(yǎng)T22的水平。
　　安東紐克副教授還介紹了具有高摩擦學(xué)性能和耐交變載荷的涂層制備技術(shù)。該技術(shù)可應(yīng)用于不同的金屬、非金屬或高熔點材料，應(yīng)用效率高且孔隙率較低。該涂層具有高耐磨性和耐腐蝕性，且對基材結(jié)構(gòu)強度和疲勞性能的影響極小。
　　1.6滾動接觸疲勞失效機理
　　軸承在高速列車、風(fēng)力發(fā)電機、航空航天等領(lǐng)域中具有重要的作用?？梢哉f，軸承是機械工業(yè)的核心，但是軸承發(fā)生故障的概率卻很高。據(jù)報道，風(fēng)力發(fā)電機中近40%的故障與齒輪箱中的軸承有關(guān)，更換或維修費用高昂。
　　寧波大學(xué)李淑欣教授研究發(fā)現(xiàn)軸承在滾動接觸疲勞作用下失效表面的組織形貌不同。軸承的失效模式主要歸類為軸向裂紋、表面點蝕、表面白色蝕刻層和亞表面白色蝕刻區(qū)。在歷經(jīng)數(shù)十萬次循環(huán)后，材料表面會出現(xiàn)大量點蝕凹坑。李淑欣教授研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)交變剪應(yīng)力是造成點蝕的主要原因。她首先對表面白色蝕刻層（WEL）進行了成分分析，發(fā)現(xiàn)硬度有所增加，但其主要成分仍是體心立方晶（BCC）馬氏體，組織并沒有相變[8]。然后對亞表面的白色蝕刻區(qū)域（WEA）進行掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）、透射電子顯微鏡（TEM）、聚焦離子束（FIB）等觀察分析，發(fā)現(xiàn)WEA組織發(fā)生了納米晶化和馬氏體向奧氏體相變。她將納米晶化歸因于剪切大變形下的動態(tài)再結(jié)晶，該轉(zhuǎn)變過程主要包括塑性變形定位、晶粒伸長、亞晶粒和等軸晶的形成。另外，馬氏體相變?yōu)閵W氏體也是由剪切主導(dǎo)的大塑性變形導(dǎo)致，使體心立方晶（BCC）發(fā)生了向面心立方晶（FCC）的轉(zhuǎn)變[9-10]。
　　Z后，李淑欣教授指出雖然關(guān)于滾動接觸疲勞下軸承材料微觀失效機理的研究已有一些進展，但是如何解決軸承微觀結(jié)構(gòu)改變問題還有待進一步研究。
　　1.7軋機重載軸承
　　從寶鋼、鞍鋼、武鋼、本鋼等企業(yè)收集的信息發(fā)現(xiàn)軋機軸承存在使用壽命短、容易出現(xiàn)大面積疲勞剝落等問題；在操作側(cè)，軸承的失效率明顯高于驅(qū)動側(cè)；90%的軸承從輥體側(cè)的排和第二排滾子及其對應(yīng)的外滾子路徑處產(chǎn)生疲勞剝落。
　　針對上述問題，寧波大學(xué)束學(xué)道教授基于微尺度軋機控制理論，對軋機系統(tǒng)，包括構(gòu)件的彈性變形和熱變形以及運動副之間的間隙，進行1mm以下，0.01mm甚至0.001mm范圍內(nèi)的行為控制[11]。彈性微尺度行為控制理論是基于剛性構(gòu)件的假設(shè)，一般情況下，在中、低載荷作用下，構(gòu)件剛度較大，設(shè)計時作為剛體得到的結(jié)果與實際相符。但對于重載機構(gòu)或構(gòu)件相對剛性的機構(gòu)，構(gòu)件上發(fā)生的彈性變形遠遠超過剛度假定的允許極限，影響或破壞了機構(gòu)的靜可靠性。
　　通過對軋機微尺度等效軋輥系統(tǒng)進行綜合原理和機構(gòu)在空載和重載下自由度的變化進行分析，束學(xué)道教授闡明了軋機軸承、推力軸承和軋機軸向調(diào)整螺紋的異常偏心加載機理，為軋機微尺度可控靜桿系統(tǒng)的研制和設(shè)計提供了科學(xué)的方法，同時為有效解決軋機軸承等重大設(shè)備事故提供了新思路和新途徑。
　　他在報告中分別對三腳架式高剛性軋機、方柱式高剛性軋機、空間自定位高剛性軋機、紅環(huán)軋機、DANELI卡盤軋機在空載和軋制狀態(tài)時的微尺度行為和性能進行分析，并采用自行開發(fā)的軸承邊界元特殊計算程序計算了軸承的載荷特性。在軋機設(shè)計中，軋輥系統(tǒng)在軋制狀態(tài)下具有自定位特性，保證了軋機的微尺度行為可控。軋機微尺度動態(tài)設(shè)計理論是對傳統(tǒng)以強度和剛度要求為核心的軋機設(shè)計理論的新的補充，對現(xiàn)代軋機設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用。
　　1.8重載滑動軸承表面涂層
　　提高軸承使用壽命的常見表面處理工藝有電鍍、磁控濺射、粘接自潤滑襯墊、鑲嵌固體自潤滑物等，但電鍍污染環(huán)境，磁控濺射薄膜生產(chǎn)效率低且靶材利用效率低，由芳綸纖維組成的襯墊不耐高溫，鑲嵌結(jié)構(gòu)降低軸承結(jié)構(gòu)強度。軸承表面處理亟需一種新的滿足綠色和大規(guī)模生產(chǎn)要求的材料。
　　寧波大學(xué)曹均博士研發(fā)了寬溫域、具有持續(xù)耐磨減摩性能的多聚物涂層材料，并采用液體噴涂技術(shù)，針對MoS2/PI多聚物涂層的厚度、摩擦學(xué)性能和疲勞強度進行對比研究。結(jié)果表明，MoS2/PI聚合物涂層的疲勞強度大于97MPa，與無涂層軸承相比，6000r·min-1以下的使用壽命提高了446.29%，其摩擦學(xué)性能、力學(xué)性能和防腐性能均優(yōu)于電鍍層[12]。該項技術(shù)已在安徽美達機電實業(yè)有限公司、上海祥生貝克軸瓦有限公司推廣使用。
　　2　總結(jié)
　　隨著機械工業(yè)，尤其是高速列車和航空航天工業(yè)的發(fā)展，滿足高速、重載等極端環(huán)境下服役要求的軸承技術(shù)研發(fā)對提高航空發(fā)動機的安全性、可靠性及壽命至關(guān)重要。此次會議的召開為高溫軸承材料的研究與應(yīng)用發(fā)展，以及選材、設(shè)計、壽命評估和結(jié)構(gòu)完整性評定等提供了諸多具有重要參考價值的研究成果與技術(shù)。
　　本次會議得到了寧波大學(xué)浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點實驗室、寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)處、寧波市機械工程學(xué)會和寧波大學(xué)學(xué)報（理工版）的支持。
　　參考文獻：
　　[1] Grigoriev O N, Galanov B A, Kotenko V A, et al. Mechanical properties of ZrB2-SiC (ZrSi2) ceramics[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2010, 30(11): 2173-2181.
　　[2] Belous A, Ovchar O, Durilin D, et al. High