水润滑材料的发展状况及其趋势

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20世纪70年代以来，石油资源危机的出现以及船舶行业对水污染的加重，引起了人们对环境保护的重视。据有关资料统计 ，目前国内航行的船只(除了少数进口的之外)基本上都采用油润滑，如果每艘船平均每年泄漏润滑油用3.2t计，每年泄漏到江河湖泊中的润滑油高达几百万吨，极其严重地污染了水资源，破坏了生态环境 ，危及到人类的生存条件。

水作为润滑剂的优越性主要表现在无污染、来源广泛、节省能源、安全等方面，是最具有开发潜力 的润滑介质。因此 ，用水代替油作润滑介质 ，不仅节约大量的油料，还可以避免以油为润滑介质对环境造成的污染。同时用水作为润滑剂，机械设备的运行成本低，阻燃性好，易维护保养，采用专门的水润滑材料还具有降低摩擦副的摩擦 、磨损，减小振动、噪声等优势。

常温下水的运动黏度为 1 mm /s左右，仅为润滑油的1/100-1/20。低黏度的润滑剂具有摩擦阻力小，摩擦系数低等优点，但水膜的承载能力要比油膜低得多，在传统金属摩擦副表面很难形成流体动压润滑膜 ，并且水对金属的腐蚀作用也不容忽视。因此传统的金属摩擦副不能直接用于水润滑。水润滑材料 的性能是决定其工作性能和使用寿命的-个主要因素，所以水润滑技术的关键问题是正确选择水润滑条件下的摩擦副材料 。

铁梨木是最早的水润滑材料。早期船舶的设计者发现铁梨木是-种既硬又纹理好的木材。把铁梨木切成板条，组装到-个凹型槽室内作为艉管轴承，在清水中运转性能相当好。随后 ，由于铁梨木的Et益短缺以及人们对高性能水润滑轴承，特别是在含有泥沙水中的高耐磨性需求促使了橡胶基和塑料基轴承的发展。王家序等 研究了橡胶轴承在不同的水质、不同工况下的摩擦特性，其研究结果表明：在清水介质中，橡胶轴承的磨损量比较小，磨损率随载荷、速度的增大而降低，随运行时间的增长而减校在含沙量为0.15%的介质中，橡胶轴承的磨损率和摩擦系数随载荷的增大而增大 ，随运行时间的增长而降低。由此可见橡胶基轴承对泥沙不敏感，但其承载能力较低，不能干运转 ，环境温度达 70℃以上时，承载能力显著降低。

塑料基轴承综合性能相对较好，但环境温度达到 90℃以上便失去正常工作能力，且干运转能力-般。为了解决橡胶基和塑料基轴承的缺点 ，陶瓷轴承应运而生。陶瓷材料具有高硬度、高温下抗磨性好、耐腐蚀、刚度高、热膨胀系数孝导热性好、抗氧化、比强度高等优点 ，特别适用于高温、高速和腐蚀性环境等特殊诚。表 1列出了传统的几种水润滑轴承材料的优缺点。图 1为几种水润滑轴承在干燥和污水中的磨损试验结果 J。从 图中可以看出陶瓷材料性能是-般常用金属材料、高分子及其复合材料所不具备的，这极大地拓宽了陶瓷材料的应用领域，如海水和其他液体介质。目前陶瓷材料已被成功地用来制造水泵轴承等工作于水介质中的摩擦副。

作者简介：王晓雷(1963-)，男，山东滕州人，获日本东北大学博士，美国国家标准研究院、瑞士联邦理工学院访问学者，现为南京航空航天大学教授，博士生导师。获得江苏拾六大人才高峰”、青蓝工程”青年学术带头人、人口资源和社会保障部高层留学回国人才等称号。主要从事摩擦副表面设计、水润滑技术等方面的研究。

Machine Building Automation，Jun 2013，42(4)：5～8，20 ·5·· 综述与展望 · 王晓雷，等 ·水润滑材料的发展状况及其趋势表 1 几种常用水润滑轴承材料性能比较图1 不同轴承材料的磨损试验结果1 陶瓷材料的国内外研究现状1.1 陶瓷材料在水润滑条件下的摩擦学性能机械和仪表中常用的陶瓷分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷两种。氧化物陶瓷如 A1：O ，ZrO：，MgO等，它们熔点高，属于电子陶瓷，主要用作芯片、压电陶瓷等。非氧化物陶瓷如Si，N ，SiC，Sialon，WC等，这类陶瓷不但熔点高，而且硬度高，比如 即使 较软 的 Si N 的维 氏硬 度也可达1 700。

对于非氧化物陶瓷si N 和SiC来说，在水润滑条件下都能实现1氐摩擦和低磨损。Tomizama5 等对 Si N 和SiC陶瓷进行了研究，发现在-定条件下 Si N 在水中的磨损形式可转变为摩擦化学磨损。在磨损过程中，摩擦促进了Si N 与水的化学反应，并生成水解产物 Si(OH) 。其结果是，-方面Si N 陶瓷的表面变得越来越光滑，在磨损表面可以形成约70 inn厚的水膜，从而使摩擦系数降低到 l0 数量级；另-方面，胶体状的Si(OH) 的黏度远高于水，可以进-步促进全膜润滑的形成。Sasaki 的研究表明，和Si N 类似，SiC水中的自配对摩擦过程中尧生了摩擦化学反应，经过-段时间的磨合后，滑动摩擦系数能够降低到1旷 数量级。同时，他们对磨损试验中用过的水进行检查发现其呈碱性，进-步证明了摩擦化学产物的存在。

Chen等 研究了滑行距离对自配对的 Si N 和 SiC陶瓷的摩· 6·擦特陛的影响，并发现在磨合期，随着滑行距离的增加上述陶瓷材料的磨损机制从机械磨损逐渐转变为摩擦化学磨损。

在同样的转速和转动半径下 SiC陶瓷达到最低摩擦系数(0.01)所需滑行的距离为68 000圈，而Si，N 陶瓷达到最低摩擦系数(0.003 5)只需滑行 16 000圈(图2)。

sliding distance L.× 1 0 mSliding cycles N.× 1 0 cycles图2 自配对的 si。N4和SiC陶瓷摩擦 系数随滑动圈数的变化关于初始粗糙度对摩擦特性的影响有两种说法。第- 种是 Chen等 发现 Si N 和 SiC陶瓷最终稳定的摩擦系数几乎跟初始粗糙度无关，初始粗糙度主要影响磨合期的长度，初始粗糙度越大，磨合期越长。第二种是初始粗糙度对最终的摩擦系数有影响：比如 Wong等 用环-盘摩擦试验装置所得到的结论，发现原始粗糙度越小，SiC/SiC摩擦副和 Si N /Si N 摩擦副获得的摩擦系数就越低；Kato和 Adachi l 的数据表明初始粗糙度和摩擦系数有关，当表面的初始粗糙度 如 ≤10 nm时，就会发生低的摩擦现象；Saito等 也证明初始粗糙度跟摩擦系数有关。

Maurinl 对 Si N 和 SiC滑动轴承进行了研究发现，水润滑条件下 SiC轴承更容易形成光滑表面，而不需要重复的 抛 光 加 工。Anderson13]测 试 了 多 种 陶瓷 材 料(A1 O ，SiC，PSZ和 Sialon陶瓷)制作的水润滑轴承，结果表明：SiC轴承临界载荷更高，摩擦副表面品质也优于其他轴承，更适于应用在需要长期运行、频繁启停车的工况下。

除材料之外，研究表明 ，通过在 SiC陶瓷表面加工微米尺度的凹坑阵列，即所谓表面织构，可以显著提高其承载能力。如图3所示，具有优化后织构的试件，在水润滑条件下，由流体动压润滑状态转变到混合摩擦状态下的临界载荷0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500LoadW N图3 不同参数微凹坑的摩擦系数和承载力htp：fZZHD.chinajourna1.net.C[1 E-mail：ZZHD###chainajouma1.net.oil《机械帝J造与自动化》TT lI - Q00 I10 0.I· 综述与展望 · 王晓雷，等 ·水润滑材料的发展状况及其趋势比无织构试件显著地提高了，最优织构参数的临界载荷能够达到无织构轴承的2倍。

1-2 陶瓷材料的表面改性及水润滑技术1.2.1 离子注入法由于表面工程技术的发展，-些表面改性技术被应用于改善陶瓷材料的摩擦学性能。离子注入是改善构件表面摩擦学特性的-种有效手段。Nastasi等” 发现，用 N 注入SiC，TiB 或B C陶瓷，可以降低它们的摩擦系数和磨损率，而以N 注入A1：O，陶瓷则使摩擦系数和磨损率都增大。他们认为，N 注入不同陶瓷后的效应与其能否同陶瓷形成类氮化物”键(Nitridelike bonds)的热力学倾向有关，容易形成这种化学键就有利于降低陶瓷的摩擦和磨损。袁英光等 研究了水润滑下 N 注入 SiC陶瓷表面的摩擦学特性，研究发现N 注入 SiC陶瓷可降低表面摩擦系数和磨损率。N 注入 SiC陶瓷前后SiC球的截面磨损形状均为-抛物面状的连续沟槽 ，不同的是沟槽的宽度和深度发生变化，且注入 N 后磨损的深度低于未注入的深度。磨痕的深度随滑行速度的增加而降低，随载荷的增加而增加，且磨损机制为机械和摩擦化学共存的混合磨损。

1.2.2 表面涂层Zhou等 17，18J在 SiC盘的表面分别沉积-层 a-CNx薄膜、a-C薄膜和 BCN薄膜 ，让沉积薄膜的 SiC盘与 SiC球在水中对摩，比较各涂层 的摩擦特性。发现 a-CNx/SiC组成的摩擦副的平均摩擦系数最低，大约为 0.015。作者进-步比较了水润滑条件下 a-CNx/SiC，SiC/SiC摩擦副的摩擦特性(图4)，a-CNx/SiC摩擦副的磨合期比SiC/SiC摩擦副的磨合期短，且在低速时，a-CNx/SiC摩擦副具有更低的摩擦系数。由此可见，陶瓷表面特定的涂层可有效改善其在水润滑中的摩擦磨损性能。

Sliding cycles，X 1 0 cycles图4 两种摩擦副在不同速度下摩擦系数随滑行距离的变化1.3 陶瓷类复合材料的研究尽管陶瓷材料具有强度高、硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，但也有其难以克服的缺点 ，如对磨粒MachineBuilding Automation，Jun 2013，42(4)：5-8，20的嵌藏性较差，且陶瓷很脆，承受冲击的能力差。而金属陶瓷兼有金属和陶瓷材料的特点，具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性，而