牛荣军 李鸿亮 周勇勇 王玉飞 邓四二
(1.河南科技大学机电工程学院 河南洛阳 471003；
2.洛阳轴承研究所有限公司 河南洛阳 471039)
随着我国核电工业的发展，核泵运转轴承的工作环境更为苛刻，对轴承材料的耐高温性和耐磨损性提出更高的要求[1]。目前复合材料、陶瓷材料、改性高分子材料等各种新型材料不断被开发出来并应用到该类轴承上。通常来说，轴承材料可分为金属和非金属这2大类[2]，以轴承钢和合金为代表的金属材料和以陶瓷和橡胶为代表的非金属材料是最常用的轴承材料。
目前，具有优良的高温硬度、较低的热膨胀系数、较高的耐高温氧化性的高温轴承材料得到广泛应用。朱定一等[3]制备新型Ni3Al/石墨高温固体自润滑复合材料，研究其在不同温度条件下的摩擦学性能。刘佐民[4]以高温销-盘试验机为试验平台，研究不同温度下合金材料的磨损特性。王莹等人[5]基于自制的高温耐磨材料，研究复合材料在极端工况条件下的摩擦磨损性能。蒋蔚等人[6]根据轴承在高温水中运转的工作条件，探讨了轴承的类型选择，通过试验选择了GH05合金为套圈和钢球材料。韩恩厚等[7]分析了在核电高温高压水中不锈钢和镍基合金的腐蚀电化学行为，以及材料表面膜的成分、组织结构和电子特征。GATES、ANDERSSON等[8-9]开展多种陶瓷材料的摩擦学性能试验，探讨其摩擦学性能及承载能力。LIU等[10]基于球-盘摩擦试验机，开展了陶瓷/不锈钢配副间的摩擦试验，对比摩擦副在海水和纯水条件下的摩擦特性。除了陶瓷材料，其他的轴承用新型材料如纳米材料、橡胶材料等相关研究也很丰富[11-12]。通过上述文献分析可以发现，高温环境下轴承用材料摩擦学性能的研究已经取得了一定的进展，但是对于高温、水介质润滑条件下轴承材料摩擦学性能的研究很少涉及。
对于高温、水介质润滑轴承，由于轴承工况和润滑条件的特殊性，区别于一般的轴承用材轴承钢，该轴承所使用的材料为GH05无磁高温合金。GH05无磁高温合金材料是一种镍基的高温合金，具有无磁、耐腐、抗磨损、高硬度等特性。为了了解该轴承在高温、水介质润滑下的摩擦磨损特性，需对其所用材料GH05无磁高温合金的摩擦学性能进行研究。基于此，本文作者首先根据应力等效转换，得到摩擦磨损试验所需试验参数，然后在高温摩擦磨损试验机上开展球-盘摩擦磨损试验，研究GH05无磁高温合金材料的摩擦学性能，获取不同条件下试样的磨损体积。在此基础上基于Archard磨损模型计算材料的磨损系数，为特殊工况和润滑条件下轴承寿命评估提供关键的材料性能参数。
1.1 试验试样
试验的高温、水介质润滑球轴承，其套圈材料为GH05无磁高温合金。以实际轴承所使用的钢球为试验钢球，以套圈所用材料制成的圆盘作为试验对摩圆盘，开展GH05无磁高温合金材料的摩擦磨损性能试验，试验原理及试验钢球与圆盘的实物图如图1所示。
图1 试验原理及试验圆盘和钢球实物
1.2 试验设备
高温无磁合金材料GH05制作的圆盘试样规格为φ50 mm×6 mm，试验钢球规格为φ6.3 mm。试验设备为高温摩擦磨损试验机，球盘对摩方式如图2所示。
图2 球盘对摩试验装置局部
高温摩擦磨损试验机的结构原理如图3所示。试验机主要由加载模块、测量模块、装夹模块、支撑模块、导轨模块及运转电机等组成。其中，试样装夹模块分为试验钢球安装模块和试验圆盘安装模块。通过径向加载装置给钢球和圆盘施加径向作用载荷，电机带动转台运动实现钢球与圆盘之间的相对运动，利用摩擦力测试模块中的力学传感器测量钢球与圆盘之间的摩擦力。
图3 高温摩擦磨损试验机结构原理
利用三维形貌扫描仪对磨损后的试样进行扫描，获取磨损试样表面形貌，计算试样的磨损体积，分析试样的摩擦磨损性能，探讨磨损系数与载荷、转速等参数之间的关系，并求解高温无磁合金材料GH05在不同条件下的磨损系数。
1.3 试验载荷确定
钢球与滚道间的接触为曲面-曲面接触(见图4(a))，而试验钢球与试验圆盘之间的接触为曲面-平面接触(见图4(b))，二者接触状态并不相同。为了更好地模拟真实工况，需要对试验参数进行等效转换处理。首先，计算实际工况条件下球与滚道间的接触应力；
然后，根据接触应力等效原则，将钢球与滚道之间的作用载荷进行等效转换，计算得到试验球与试验圆盘具有相同接触应力时所需要的试验载荷。
图4 球-面接触状态比较
根据滚动轴承设计原理[13]，可以求解得到实际工况条件下轴承受载最大滚动体所承受的接触载荷Qmax，进而可以求解得到受载最大滚动体与内圈之间的最大接触应力pcmax。然后根据应力等效原则，求解得到球-盘试验的试验载荷。当已经求解得到最大接触应力pcmax后，试验载荷Q可通过下式计算：
(1)
1.4 试验速度确定
通过控制滑滚比来控制相对滑动速度，从而模拟钢球与滚道之间的运动状态，得到试验时球与盘之间的相对滑动速度为
us=0.5s(vi+vb)
(2)
式中：us为试验球与盘间的相对滑动速度；
vi为滚道接触点线速度；
vb为钢球接触点线速度；
s为滑滚比，文中取0.01。
2.1 摩擦特性分析
图5所示为高温300 ℃，不同载荷下摩擦因数-时间历程曲线。通过图5可知：
图5 载荷对摩擦因数的影响(300 ℃)
(1)不同载荷条件下，摩擦因数整体变化趋势均一致，即在试验初始阶段，摩擦因数增大，然后随着试验的进行，摩擦因数减小，最终摩擦因数趋于稳定。
(2)不同载荷条件下的摩擦因数均趋于一致，在0.54左右波动。这说明载荷对材料摩擦因数的影响不大，同种材料的摩擦因数在不同载荷条件下基本一样。
图6所示为载荷50 N，不同温度下的摩擦因数-时间历程曲线。由图6可知：
图6 温度对摩擦因数的影响(50 N)
(1)当温度为300 ℃时，摩擦因数在试验初始阶段增大，然后随着试验的进行，摩擦因数减小，在试验进行到400 s时，摩擦因数基本稳定，最终摩擦因数在0.53左右波动。
(2)当温度为25 ℃(室温)时，在摩擦试验初期阶段摩擦因数较小，随着摩擦试验的进行，摩擦因数波动性变大，波动范围为0.22～0.55。
在整个试验过程中，相比于高温300 ℃，温度为25 ℃时的摩擦因数稳定性较差，波动性大。这说明，对于高温无磁合金GH05，其摩擦因数在高温环境下的稳定性比在常温条件下好。
图7所示为载荷50 N，不同润滑条件下的摩擦因数-时间历程曲线。由图7可知：
图7 润滑对摩擦因数的影响(50 N，300 ℃)
(1)水介质润滑条件下，试验初期阶段材料的摩擦因数不断变大，随着试验的进行，摩擦因数逐渐稳定，最终在0.35左右波动。整体来看，整个试验过程中摩擦因数的波动性小，整体稳定性好。
(2)干摩擦状态下的摩擦因数波动性大，波动范围为0.25～0.58。相比于水介质润滑状态，干摩擦状态下的摩擦因数波动性大，规律性差，整个摩擦试验过程的稳定性差。这说明润滑状态对材料摩擦因数的影响比较大，较好的润滑条件可以减小摩擦因数，改善材料的摩擦性能。
2.2 磨损特性分析
图8—10分别给出高温干摩擦状态、常温干摩擦状态和常温水介质润滑3种状态下，圆盘试样在对摩120 min后，采用三维形貌仪扫描得到的试样表面形貌。
对比图8—10所示的磨圆盘试样的磨损形貌可知：
图8 高温干摩擦下磨损形貌
(1)随载荷的增大，磨损痕迹变得越来越明显，圆盘磨损程度也越来越严重，磨痕深度和宽度均增大。
(2)温度对材料磨损特性具有影响，随着温度的升高，GH05材料的耐磨性降低。高温环境下，合金材料的硬度降低，摩擦副产生较大塑性变形，黏着磨损加重，从而导致材料磨损系数增加。
(3)相比于常温干摩擦，常温水介质润滑条件下，圆盘试样的磨痕较浅，磨损程度较小。水介质能够在摩擦副表面形成一定润滑膜，起到减磨作用，从而改善了材料的磨损性能，提高了材料的耐磨性。
图9 常温干摩擦下磨损形貌
图10 常温水介质润滑下磨损形貌
2.3 磨损系数计算
根据圆盘试样表面形貌扫描的结果，分别计算不同载荷、润滑条件、温度下圆盘试样的磨损体积，结果如图11所示。可知：相同试验载荷下，高温300 ℃干摩擦条件下圆盘试样的磨损体积最大，常温25 ℃干摩擦条件下的磨损体积次之，常温水介质润滑介质润滑下的磨损体积最小，这说明在水介质润滑条件改善了对磨摩擦副的磨损情况，且温度越高磨损越严重。
图11 载荷、温度和润滑对磨损体积的影响
根据Archard磨损理论[14-15]，磨损系数可由下式计算：
(3)
式中：V为磨损体积；
Q为试验载荷；
v为对摩副间的相对滑动线速度；
t为对摩时间。
将计算得到的不同条件下的磨损体积和对应的试验载荷等参数值代入到公式(3)中，可以计算得到不同温度以及不同润滑状态下材料的磨损系数，计算结果如表1所示。
表1 磨损系数计算结果
由表1可以看出：相同试验载荷下，圆盘试样在高温300 ℃干摩擦条件下的磨损体积最大，在常温水介质润滑条件下的磨损体积最小；
对于高温无磁合金材料GH05，其磨损系数在高温300 ℃干摩擦条件下取值范围为1.93×10-7～3.02×10-7mm2/N。高温环境对轴承材料的磨损具有重要影响，高温环境下的磨损系数明显高于室温条件下材料的磨损系数，如干摩擦条件下两者相差1.17～1.77倍。高温环境下，合金材料的硬度降低，摩擦副产生较大塑性变形，黏着磨损加重，从而导致材料磨损系数增加，在高温环境下要考虑磨损对轴承性能的影响。
(1)对于轴承用材料高温无磁合金GH05，相比于常温条件，高温环境下摩擦因数波动范围小，稳定性更强，相比于干摩擦状态，水介质润滑介质条件下摩擦因数小，稳定性好，规律性强。
(2)相同载荷条件，高温无磁合金GH05试样的磨损体积在高温300 ℃干摩擦条件下最大，在常温25 ℃干摩擦条件下次之，在常温水介质润滑条件下最小。
(3)对于高温无磁合金材料GH05，当载荷从50 N变化到150 N时，其磨损系数在高温300 ℃干摩擦条件下变化范围为1.93×10-7～3.02×10-7mm2/N，在常温25 ℃干摩擦条件下变化范围为1.78×10-7～2.89×10-7mm2/N，在常温25 ℃水介质润滑条件下变化范围为1.09×10-7～2.58×10-7mm2/N。
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