衬垫的氧化铈改性处理对自润滑关节轴承粘接性能的影响

苗艳伟，邱明，康鹏飞，李迎春，陈龙

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003;2.新昌县产品质量监督检验所，浙江 新昌 312500)

自润滑关节轴承是一种在外圈内球面镶嵌或粘接一层自润滑衬垫层的球面滑动轴承，具有自调心、免维护、长寿命及承载力大等特点，广泛应用于航空航天、轻工业、铁路等领域[1-3]。聚四氟乙烯(PTFE)具有韧性好、低摩擦等优点，是关节轴承自润滑衬垫层的理想材料，但因耐磨性较差，大大限制了其作为自润滑衬垫层的应用范围。为此，国内外许多学者开展了大量其他功能性纤维与PTFE复合编织自润滑材料的研究工作[4-6]。由于芳纶纤维具有比强度高、比模量高、耐高温等优异性能，已被广泛用于与PTFE复合编织自润滑材料，以提高耐磨性和力学性能。然而，芳纶纤维作为粘接面，表面活性低，结晶度高，与黏合剂的浸润性不好[7]，导致衬垫与基体间的界面结合力差，进而影响轴承衬垫自润滑性能的发挥。稀土氧化物具有特殊的电子层结构和突出的化学活性[8-9]，与芳纶纤维表面的C，O，N有较强的络合能力。鉴于此，下文使用氧化铈对PTFE/芳纶复合编织衬垫进行改性处理，以改善其与基体的界面结合力，进而提高自润滑关节轴承的使用性能。

1 试验

1.1 试样制备

试验选用GE40ET-2RS型自润滑关节轴承，结构如图1所示。自润滑关节轴承内、外圈的材料均为GCr15轴承钢；衬垫由PTFE/芳纶纤维复合编织而成(其中富含PTFE的一面作为摩擦面，另一面作为粘接面)。为了保证衬垫材料的一致性，在一块编织布上裁剪出试验所需的衬垫(其中衬垫的编织纹路应与剥离方向垂直，且裁剪时需保证编织纹路与裁剪方向的夹角为60°)。在把衬垫粘接到外圈内球面之前，需对衬垫进行预处理，即将衬垫在常温稀土氧化铈溶液(主要由HNO3，CO(NH2)2，NH4Cl，CeO2以及去离子水按一定比例配制而成)中浸泡1～2 h；随后在80～100 ℃烘箱中烘烤2～3 h，再置于空气中平衡24 h。最后，将经过氧化铈改性处理的衬垫用黏合剂 (优选的最佳配比[10]黏合剂) 粘接到外圈内球面上，装入内圈后置于80～100 ℃下固化3～4 h，完成轴承试样的制备。

图1 自润滑关节轴承

1.2 试验方法

剥离强度值是衡量衬垫粘接质量的重要指标之一，剥离强度测试示意图如图2所示。利用自制的剥离夹具将关节轴承试样夹持在Instron5944型电子万能材料试验机上，并以一定的速度向外拉伸，将纤维衬垫从关节轴承外圈内球面上剥离下来。

图2 剥离强度测试示意图

考虑到剥离曲线波动的影响，试验利用Origin软件对剥离曲线进行求积处理以计算剥离强度，其计算式为

(1)

式中：C为剥离曲线图上单位高度所代表的载荷，N/mm；S为剥离曲线求积的面积，mm2；L为衬垫剥离的长度，mm；B为剥离试样的宽度，mm。

参照美国航空标准SAE-AS 81820制定的试验方案为：剥离角度140°±40°，剥离速度19 mm/min，采集间隔2 ms，可以夹持的衬垫长度80 mm，剥离长度75 mm左右。剥离前需进行衬垫黏附度检验，保证衬垫90%紧紧黏附；剥离后进行牢靠性检验，不允许有外接圆直径相当于外圈宽度25%或6.35 mm(取其中较小者)的未粘接区。

1.3 微观分析

利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析衬垫粘接面的微观物理化学变化。

2 结果与讨论

2.1 改性处理对粘接性能的影响

利用自制的关节轴承剥离夹具对氧化铈改性处理前、后的试样进行剥离强度试验，重复测试10次并取平均值，结果见表1。从表中数据可知，改性处理后试样的剥离强度相比改性前提高了约22%。

表1 试样剥离试验结果

氧化铈改性处理前、后衬垫的剥离曲线如图3所示。从图中可以看出，与改性前相比，经氧化铈改性处理后，衬垫的剥离力得到了明显提高。

图3 衬垫剥离曲线的变化趋势

由图3可知，衬垫经氧化铈改性处理后的剥离曲线波动较小，剥离载荷较大，表明剥离过程中剥离载荷变化比较平稳，衬垫的粘接质量得到明显提高；而未处理轴承的剥离曲线波动较大，且在剥离过程中出现了2处较为明显的凹谷，凹谷处剥离载荷最小值仅为2.5 N，此处粘接力较小，极易导致轴承衬垫从基体上脱落，进而影响轴承的使用性能与可靠性。

2.2 微观分析

衬垫改性处理前、后粘接面的SEM照片和EDS图如图4和图5所示。

图4 衬垫粘接面的SEM照片

图5 衬垫粘接面的EDS图

从图中可以看出，改性前衬垫粘接面的芳纶纤维清晰可见，表面光滑(图4a)；衬垫经氧化铈改性处理后，衬垫粘接面的芳纶纤维形态结构变化显著(图4b)。分析认为，稀土元素具有突出的化学活性，可将改性剂中的含氧活性基团引入到纤维衬垫表面(从图中C和O元素的含量对比可知)，增大了纤维表面活性基团的浓度，并且使得纤维表面粗糙度变大，进而改善了纤维与黏合剂之间的浸润性, 从而增强了衬垫与外圈界面的结合力，提高了衬垫的粘接性能。

3 结论

(1) 与未处理的衬垫相比，衬垫经氧化铈改性处理后的粘接质量明显提高，剥离强度增加22%，且剥离曲线波动平稳，剥离载荷较大。

(2) 微观分析表明，衬垫粘接强度的提高是由于氧化铈改性处理增大了纤维表面活性基团的浓度及表面粗糙度，明显改善了纤维与黏合剂之间的浸润性。