1. 传统技术

轴套、导套等作往复运动的机械零部件，因合金摩擦系数高容易导致磨损失效，传统的自润滑工艺主要是镶嵌石墨（图1）、多孔贮油技术（图2）。但此类轴承存在以下缺点：1）轴套表面打孔降低了承载能力；2）润滑仅在孔及其周边区域；3）镶嵌的润滑物多为单一的石墨或MoS₂，润滑性能有限，而复合润滑物制备工艺又比较复杂。

图1 打孔镶嵌润滑物技术 图2 打孔贮油轴套

2. 喷涂技术

目前日本大同工业精密株式会（图3）、美国辉门（图4）、欧洲米巴（5）等集团采用的是多聚物喷涂技术。

图3大同轴套（内表面） 图4辉门轴套（内表面） 图5米巴轴套（内表面）

由于PVD磁控溅射技术涂层沉积效率低、涂层材料靶材利用率一般不超过40%，且尺寸较大的机械零部件难以沉积涂层（设备尺寸限制），虽然多聚物涂层性能不及PVD涂层，但已有的研究表明，多聚物涂层干摩擦系数低于0.1，疲劳承载能力大于90MPa。国外多聚物涂层在启停10万次后，磨损降低674.35%^[1] 。（Uehara S., Costa S.M.C., Da Silva Pra?a M.S., Dos S.F.M., New polymeric coated engine bearings for marginal lubrication conditions [J], 2011, 36:0189.）

由上海交通大学优秀博士曹均研制的多聚物涂层技术，如图6所示，该轴套经过测试具有以下特征：1)干摩擦系数0.10；2)使用温度-30至220℃；3）承载能力超过85MPa；4）表面粗糙度Ra小于0.8微米；5）涂层表面均匀性小于±3μm。

图6 铜合金轴套（内表面）

3. 试验测试

由于曲面测试不方便，此次试验以面试验为考察目标，对涂层干摩擦性能进行测试。

利用Rtec平面摩擦磨损试验机考核不同厚度涂层的摩擦磨损性能，首先根据涂料喷涂工艺对平面试样进行超声清洗除油、平面喷砂处理和预热处理，然后在相同条件下制备自润滑涂层，如图7所示，对制备的3种涂层厚度为6±2 μm，12±2 μm和24±2 μm的试样分别标记为A1, A2和A3。图示可见，涂层表面光滑平整，且随着涂层厚度的增加涂层颜色也越深。

图 7三种不同厚度涂层试样

对涂层进行平面摩擦磨损试验，每种涂层进行三次试验取平均值，试验参数如表1所示。测得不同涂层厚度的涂层摩擦系数曲线如图8所示。不同厚度的平均摩擦系数关系为A2，即随着涂层厚度的增加，摩擦系数呈先降低后增大趋势，涂层厚度为12±2 μm的摩擦系数最低。

表1 涂层摩擦试验参数

载荷 滑动速度 时间 试验环境 对磨副

376.8N 300 r/min 10 min 25/200 ℃ ?4 mm钢销

图 8三种不同厚度涂层摩擦系数

图9三种不同厚度涂层磨痕

经过摩擦试验后，三种不同厚度的涂层摩擦接触磨痕如图9所示。随着涂层厚度的增加，在相同条件摩擦工况下的摩擦磨痕与涂层厚度成正比关系。24±2 μm厚度的涂层磨痕约1.5倍大小于12±2 μm厚度的涂层磨痕。观察发现厚度为6±2 μm的涂层磨痕出现涂层磨破情况，涂层破裂为细小的沟状。说明涂层越薄涂层越不耐磨。在与硬质摩擦副摩擦工作时软涂层越薄，其抵抗变形能力越差，涂层越容易被撕裂破损。A1涂层的摩擦系数从第5分钟开始逐渐上升，说明在第5分钟涂层开始撕裂破损。

图10 三种不同厚度涂层摩擦阻碍

如图10所示为不同厚度涂层在摩擦接触过程中的摩擦阻碍示意图，当软涂层与硬质的对磨副接触时，软涂层在接触面受到接触压力作用变形。涂层越厚，摩擦副周边的软涂层变形越大，在摩擦副运动前进方向涂层阻碍变形越大，因此24±2 μm厚的涂层磨痕比其他两种厚度涂层的磨痕面积大。由于涂层变形和在摩擦副前进方向的阻碍随软涂层的厚度增大，因此24±2 μm厚的涂层的摩擦系数高于12±2 μm涂层的摩擦系数。

对轴瓦进行涂层结合强度测试，首先在轴瓦中央厚度区域、两边的45度区域进行划格，对轴瓦进行水煮再粘贴撕拉试验（图11），水开后持续15分钟。对其他轴瓦进行油煮再粘贴撕拉试验（图12），油温加热到150℃，持续15分钟，清洗除油后再撕拉试验。油牌号为10w-40。

水煮结合强度测试（图11）

油煮结合强度测试（图12）

进一步进行弯曲结合强度测试，结果如图13所示：

图13 轴瓦弯曲涂层结合强度测试

无论是水煮、油煮还是弯曲测试，轴瓦涂层均未发生脱落。

4. 装机测试

对轴瓦进行装机测试，转速为3000r/min，负载30MPa。试验机如图14所示，试验结果如图15所示。

图14 装机测试

图15 300小时装机结果

装机结果表明涂层性能良好。

5. 总结

[1] 相对于镶嵌技术和电镀技术，多聚物涂层技术无论是自润滑性，还是承载能力都具有优势，虽然性能不及PVD技术，但喷涂工艺简单、生产效率高、价格便宜。

[2] 现有涂层疲劳强度超过85MPa，可满足多数工况使用要求，涂层主要是由改性树脂和纳米润滑及陶瓷耐磨材料组成，具有良好的潜藏性。

[3] 涂层具有良好的自润滑性能，且长期在220℃温况下服役。

[4] 多聚物涂层可以提高启停摩擦磨损性能，能够承受短期在无油工况服役，且提高在无油的干摩擦工况寿命。

[5] 涂层无论是水煮、油煮还是弯曲工况测试，涂层都没有剥落现象，结合强度满足使用要求。

[6] 装机测试表明轴瓦具有良好的润滑和耐磨功能，300小时测试涂层无明显磨损变化特征出现。

[7] 涂层具有良好的润滑耐磨性能，主要是提高启停阶段贫油润滑甚至无油干摩擦工况，但长期服役仍建议在油润滑工况下使用。