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1. 傳統技術

軸套、導套等作往復運動的機械零部件，因合金摩擦系數高容易導致磨損失效，傳統的自潤滑工藝主要是鑲嵌石墨（圖1）、多孔貯油技術（圖2）。但此類軸承存在以下缺點：1）軸套表面打孔降低了承載能力；2）潤滑僅在孔及其周邊區域；3）鑲嵌的潤滑物多為單一的石墨或MoS₂，潤滑性能有限，而復合潤滑物制備工藝又比較復雜。

圖1 打孔鑲嵌潤滑物技術 圖2 打孔貯油軸套

2. 噴涂技術

目前日本大同工業精密株式會（圖3）、美國輝門（圖4）、歐洲米巴（5）等集團采用的是多聚物噴涂技術。

圖3大同軸套（內表面） 圖4輝門軸套（內表面） 圖5米巴軸套（內表面）

由于PVD磁控濺射技術涂層沉積效率低、涂層材料靶材利用率一般不超過40%，且尺寸較大的機械零部件難以沉積涂層（設備尺寸限制），雖然多聚物涂層性能不及PVD涂層，但已有的研究表明，多聚物涂層干摩擦系數低于0.1，疲勞承載能力大于90MPa。國外多聚物涂層在啟停10萬次后，磨損降低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.）

由上海交通大學優秀博士曹均研制的多聚物涂層技術，如圖6所示，該軸套經過測試具有以下特征：1)干摩擦系數0.10；2)使用溫度-30至220℃；3）承載能力超過85MPa；4）表面粗糙度Ra小于0.8微米；5）涂層表面均勻性小于±3μm。

圖6 銅合金軸套（內表面）

3. 試驗測試

由于曲面測試不方便，此次試驗以面試驗為考察目標，對涂層干摩擦性能進行測試。

利用Rtec平面摩擦磨損試驗機考核不同厚度涂層的摩擦磨損性能，首先根據涂料噴涂工藝對平面試樣進行超聲清洗除油、平面噴砂處理和預熱處理，然后在相同條件下制備自潤滑涂層，如圖7所示，對制備的3種涂層厚度為6±2 μm，12±2 μm和24±2 μm的試樣分別標記為A1, A2和A3。圖示可見，涂層表面光滑平整，且隨著涂層厚度的增加涂層顏色也越深。

圖 7三種不同厚度涂層試樣

對涂層進行平面摩擦磨損試驗，每種涂層進行三次試驗取平均值，試驗參數如表1所示。測得不同涂層厚度的涂層摩擦系數曲線如圖8所示。不同厚度的平均摩擦系數關系為A2，即隨著涂層厚度的增加，摩擦系數呈先降低后增大趨勢，涂層厚度為12±2 μm的摩擦系數最低。

表1 涂層摩擦試驗參數

載荷 滑動速度 時間 試驗環境 對磨副

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

圖 8三種不同厚度涂層摩擦系數

圖9三種不同厚度涂層磨痕

經過摩擦試驗后，三種不同厚度的涂層摩擦接觸磨痕如圖9所示。隨著涂層厚度的增加，在相同條件摩擦工況下的摩擦磨痕與涂層厚度成正比關系。24±2 μm厚度的涂層磨痕約1.5倍大小于12±2 μm厚度的涂層磨痕。觀察發現厚度為6±2 μm的涂層磨痕出現涂層磨破情況，涂層破裂為細小的溝狀。說明涂層越薄涂層越不耐磨。在與硬質摩擦副摩擦工作時軟涂層越薄，其抵抗變形能力越差，涂層越容易被撕裂破損。A1涂層的摩擦系數從第5分鐘開始逐漸上升，說明在第5分鐘涂層開始撕裂破損。

圖10 三種不同厚度涂層摩擦阻礙

如圖10所示為不同厚度涂層在摩擦接觸過程中的摩擦阻礙示意圖，當軟涂層與硬質的對磨副接觸時，軟涂層在接觸面受到接觸壓力作用變形。涂層越厚，摩擦副周邊的軟涂層變形越大，在摩擦副運動前進方向涂層阻礙變形越大，因此24±2 μm厚的涂層磨痕比其他兩種厚度涂層的磨痕面積大。由于涂層變形和在摩擦副前進方向的阻礙隨軟涂層的厚度增大，因此24±2 μm厚的涂層的摩擦系數高于12±2 μm涂層的摩擦系數。

對軸瓦進行涂層結合強度測試，首先在軸瓦中央厚度區域、兩邊的45度區域進行劃格，對軸瓦進行水煮再粘貼撕拉試驗（圖11），水開后持續15分鐘。對其他軸瓦進行油煮再粘貼撕拉試驗（圖12），油溫加熱到150℃，持續15分鐘，清洗除油后再撕拉試驗。油牌號為10w-40。

水煮結合強度測試（圖11）

油煮結合強度測試（圖12）

進一步進行彎曲結合強度測試，結果如圖13所示：

圖13 軸瓦彎曲涂層結合強度測試

無論是水煮、油煮還是彎曲測試，軸瓦涂層均未發生脫落。

4. 裝機測試

對軸瓦進行裝機測試，轉速為3000r/min，負載30MPa。試驗機如圖14所示，試驗結果如圖15所示。

圖14 裝機測試

圖15 300小時裝機結果

裝機結果表明涂層性能良好。

5. 總結

[1] 相對于鑲嵌技術和電鍍技術，多聚物涂層技術無論是自潤滑性，還是承載能力都具有優勢，雖然性能不及PVD技術，但噴涂工藝簡單、生產效率高、價格便宜。

[2] 現有涂層疲勞強度超過85MPa，可滿足多數工況使用要求，涂層主要是由改性樹脂和納米潤滑及陶瓷耐磨材料組成，具有良好的潛藏性。

[3] 涂層具有良好的自潤滑性能，且長期在220℃溫況下服役。

[4] 多聚物涂層可以提高啟停摩擦磨損性能，能夠承受短期在無油工況服役，且提高在無油的干摩擦工況壽命。

[5] 涂層無論是水煮、油煮還是彎曲工況測試，涂層都沒有剝落現象，結合強度滿足使用要求。

[6] 裝機測試表明軸瓦具有良好的潤滑和耐磨功能，300小時測試涂層無明顯磨損變化特征出現。

[7] 涂層具有良好的潤滑耐磨性能，主要是提高啟停階段貧油潤滑甚至無油干摩擦工況，但長期服役仍建議在油潤滑工況下使用。