聚晶金剛石滑動軸承的試驗研究
2009-10-16 王鎮(zhèn)泉 譚春飛 蔡鏡侖
摘要：由于聚晶金剛石硬度高，耐磨性好，磨擦系數(shù)小，熱傳導(dǎo)系數(shù)太，是一種理想的滑動軸承摩擦材料。英國已有滑動軸承牙輪鉆頭專利，我國目前也在開展此方面的研究。本文介紹了聚晶金剛石滑動軸承的摩擦機理和摩擦磨損特性以及使用性能試驗和效果。
關(guān)鍵詞：聚晶金剛石，軸承
關(guān)鍵詞：聚晶金剛石，軸承
一、緒論
聚晶金剛石以其特有的性能，在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，從磨料，刃具到電子光學(xué)等部件，聚晶金剛石的應(yīng)用正向多極化的方向發(fā)展。深入全面地開展聚晶金剮石的應(yīng)用廣度和深度的研究，必將對世界工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。為此筆者將近年來在聚晶金剛石滑動軸承方面的一些研究成果在此發(fā)表并提出一些觀點和建議，以促進這項工作的進一步開展。
由于聚晶金剛石硬度高，耐磨性好，摩擦系數(shù)小，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，是一種理想的滑動軸承摩擦材料。特別在PV值較大，潤滑條件惡劣的情況下，更有其特有的優(yōu)勢。國外在此方面的研究發(fā)展迅速，已有產(chǎn)品在石油、地質(zhì)、礦山等設(shè)備工具上應(yīng)用。美國在九十年代研制成功井下動力鉆具有PDC滑動止推軸承，并申請了PDC滑動軸承牙輪鉆頭專利。國內(nèi)也積極開展了此方面的研究工作。筆者為提高牙輪鉆頭滑動軸承的工作性能，對聚晶金剛石滑動軸承的磨擦性作了大量的試驗研究工作，初步探索了聚晶金剛石滑動軸承的摩擦機理和摩擦磨損特性。
二、聚晶金剛石用作滑動軸承摩擦材質(zhì)的可行性分析
在PV值較大，潤滑不良甚至在潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的情況下，如石油，地質(zhì)鉆井用井下工具，軸承的工作比壓大于100kg/cm2。潤滑介質(zhì)通常為含磨粒泥漿，常規(guī)材質(zhì)的軸承壽命短，有些情況下甚至不能正常運轉(zhuǎn)。在此條件下，軸承的失效原因除與工作環(huán)境有關(guān)外；摩擦材料的固有性質(zhì)也是非常關(guān)鍵因素。
根據(jù)摩擦學(xué)原理，軸承的潤滑狀態(tài)劃分為三類：流體動力潤滑、邊界潤滑和彈性流體動力潤滑。對于井下工作在含砂泥漿中的滑動軸承，一般認為是在邊界潤滑和彈性流體動力潤滑狀態(tài)下工作，因而軸承的失效原因主要為粘著磨損和磨粒磨損。
到目前為止，還沒有一種理論能夠比較準(zhǔn)確地對材質(zhì)的抗年著磨損和磨粒磨損的能力作出定量的評價。因此，筆者引用普遍的理論定性地分析聚晶金剛石用作滑動軸承摩擦材質(zhì)的可行性。
摩擦學(xué)原理認為，材料的摩擦磨損特性除與潤滑條件有關(guān)外。還與材質(zhì)的固有特性密切相關(guān)。對于粘著磨損，Archard(1953年)提出了一個衡量材質(zhì)抗粘著磨損能力的簡化計算公式：
聚晶金剛石以其特有的性能，在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，從磨料，刃具到電子光學(xué)等部件，聚晶金剛石的應(yīng)用正向多極化的方向發(fā)展。深入全面地開展聚晶金剮石的應(yīng)用廣度和深度的研究，必將對世界工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。為此筆者將近年來在聚晶金剛石滑動軸承方面的一些研究成果在此發(fā)表并提出一些觀點和建議，以促進這項工作的進一步開展。
由于聚晶金剛石硬度高，耐磨性好，摩擦系數(shù)小，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，是一種理想的滑動軸承摩擦材料。特別在PV值較大，潤滑條件惡劣的情況下，更有其特有的優(yōu)勢。國外在此方面的研究發(fā)展迅速，已有產(chǎn)品在石油、地質(zhì)、礦山等設(shè)備工具上應(yīng)用。美國在九十年代研制成功井下動力鉆具有PDC滑動止推軸承，并申請了PDC滑動軸承牙輪鉆頭專利。國內(nèi)也積極開展了此方面的研究工作。筆者為提高牙輪鉆頭滑動軸承的工作性能，對聚晶金剛石滑動軸承的磨擦性作了大量的試驗研究工作，初步探索了聚晶金剛石滑動軸承的摩擦機理和摩擦磨損特性。
二、聚晶金剛石用作滑動軸承摩擦材質(zhì)的可行性分析
在PV值較大，潤滑不良甚至在潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的情況下，如石油，地質(zhì)鉆井用井下工具，軸承的工作比壓大于100kg/cm2。潤滑介質(zhì)通常為含磨粒泥漿，常規(guī)材質(zhì)的軸承壽命短，有些情況下甚至不能正常運轉(zhuǎn)。在此條件下，軸承的失效原因除與工作環(huán)境有關(guān)外；摩擦材料的固有性質(zhì)也是非常關(guān)鍵因素。
根據(jù)摩擦學(xué)原理，軸承的潤滑狀態(tài)劃分為三類：流體動力潤滑、邊界潤滑和彈性流體動力潤滑。對于井下工作在含砂泥漿中的滑動軸承，一般認為是在邊界潤滑和彈性流體動力潤滑狀態(tài)下工作，因而軸承的失效原因主要為粘著磨損和磨粒磨損。
到目前為止，還沒有一種理論能夠比較準(zhǔn)確地對材質(zhì)的抗年著磨損和磨粒磨損的能力作出定量的評價。因此，筆者引用普遍的理論定性地分析聚晶金剛石用作滑動軸承摩擦材質(zhì)的可行性。
摩擦學(xué)原理認為，材料的摩擦磨損特性除與潤滑條件有關(guān)外。還與材質(zhì)的固有特性密切相關(guān)。對于粘著磨損，Archard(1953年)提出了一個衡量材質(zhì)抗粘著磨損能力的簡化計算公式：
從公式可知，材料的抗粘著磨損能力與材料硬度成正比。衡量材料的抗磨粒磨損能力的簡單公式與上式類似，結(jié)論也是材料的抗磨粒磨損能力與材料硬度成正比。顯然這些理論是不全面的，材料的摩擦磨損特性還與材料的揚氏模量、摩擦系數(shù)、導(dǎo)熱性等性能有關(guān)．簡言之，材料的揚氏模量大、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱性好，其摩擦磨損特性就好。
金剛石是人類已知的Z硬物料，其莫氏硬度為10。金剛石的抗壓性能也Z強，抗壓強度為88000bar，抗磨損能力為鋼的90000倍。金剛石等硬質(zhì)材料的幾種物理、機械性能見表1。從表中明顯看出，金剛石的硬度、揚氏模量、熱導(dǎo)率遠高于鋼等硬質(zhì)材料，而摩擦系數(shù)又Z小，是做軸承摩擦副的理想材質(zhì)。因此，在惡劣工況下采用聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦材質(zhì)，以提高軸承的工作特性是可行的。
金剛石是人類已知的Z硬物料，其莫氏硬度為10。金剛石的抗壓性能也Z強，抗壓強度為88000bar，抗磨損能力為鋼的90000倍。金剛石等硬質(zhì)材料的幾種物理、機械性能見表1。從表中明顯看出，金剛石的硬度、揚氏模量、熱導(dǎo)率遠高于鋼等硬質(zhì)材料，而摩擦系數(shù)又Z小，是做軸承摩擦副的理想材質(zhì)。因此，在惡劣工況下采用聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦材質(zhì)，以提高軸承的工作特性是可行的。
表１ 金剛石等硬質(zhì)和超硬材料的幾種重要機械、物理特性
三、軸承的制造和試驗
(一)聚晶金剛石滑動軸承的制造
采用聚晶金剛石作為軸承的摩擦表面材質(zhì)有許多優(yōu)點，但存在不利因素，主要有以下二點：①聚晶金剛石的抗沖擊韌性差，受沖擊載荷時易發(fā)生崩裂：②聚晶金剛石硬度大、加工成本較高。
要將聚晶金剛石用作軸承的表面摩擦材質(zhì)，必須從制造工藝和軸承結(jié)構(gòu)上想辦法。以有效地解決上述問題。筆者解決方案如下：①采用特殊的粉未冶金工藝，將片狀聚晶金剛石牢固地鑲嵌在滑動軸承的摩擦表面，并在聚晶金剛石片的底都形成一層具有相當(dāng)硬度和彈性的合金過渡層，以吸收和傳遞聚晶金剛石受到的沖擊載荷，增加其抗沖擊的能力；②采用金剛石砂輪研磨和聚晶金剛石軸承對磨及電加工等相結(jié)合的方法對軸承表面進行加工。通過以上方法制造的聚晶金剛石滑動軸承試件見圖１。
(一)聚晶金剛石滑動軸承的制造
采用聚晶金剛石作為軸承的摩擦表面材質(zhì)有許多優(yōu)點，但存在不利因素，主要有以下二點：①聚晶金剛石的抗沖擊韌性差，受沖擊載荷時易發(fā)生崩裂：②聚晶金剛石硬度大、加工成本較高。
要將聚晶金剛石用作軸承的表面摩擦材質(zhì)，必須從制造工藝和軸承結(jié)構(gòu)上想辦法。以有效地解決上述問題。筆者解決方案如下：①采用特殊的粉未冶金工藝，將片狀聚晶金剛石牢固地鑲嵌在滑動軸承的摩擦表面，并在聚晶金剛石片的底都形成一層具有相當(dāng)硬度和彈性的合金過渡層，以吸收和傳遞聚晶金剛石受到的沖擊載荷，增加其抗沖擊的能力；②采用金剛石砂輪研磨和聚晶金剛石軸承對磨及電加工等相結(jié)合的方法對軸承表面進行加工。通過以上方法制造的聚晶金剛石滑動軸承試件見圖１。
(二)試驗設(shè)備與方案
1．試驗設(shè)備
試驗主體設(shè)備采用自制SDN-I型滑動軸承摩擦磨損試驗架，其工作原理見圖2。主要儀器包括：溫度壓力、扭矩傳感器和HP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。SDN一1型滑動軸承摩擦磨損試驗架的總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖２。
1．試驗設(shè)備
試驗主體設(shè)備采用自制SDN-I型滑動軸承摩擦磨損試驗架，其工作原理見圖2。主要儀器包括：溫度壓力、扭矩傳感器和HP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。SDN一1型滑動軸承摩擦磨損試驗架的總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖２。
2．試驗方案
為檢驗聚晶金剛石滑動軸承在重載、潤滑不良以及在潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的工況條件下的工作能力，試驗方案如下：
①選用不同材質(zhì)配對摩擦副在不同潤滑條件下進行對比試驗。不同配對材質(zhì)包括：軸承鋼滲硼合金、銀錳合金、鈷鉻鎢合金、硬質(zhì)合金及聚晶金剛石；不同潤滑(冷卻)介質(zhì)包括：清水、MoS2潤滑脂和含砂泥漿( 200目SiO2含量3％)。
②選用不同材質(zhì)配對摩擦副在不同工況下進行對比試驗。
四．試驗結(jié)果與分析
通過一系列試驗研究，取得了許多有益的試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)統(tǒng)計分析如下：
(一)在清水潤滑冷卻條件下的試驗結(jié)果
在清承潤滑(冷卻)條件下，選用軸承鋼作對比試驗，由試驗結(jié)果統(tǒng)計得出的軸承摩擦扭矩隨比壓變化的關(guān)系曲線如圖4所示。從試驗結(jié)果可以看出，隨著比壓的增加，軸承摩擦扭矩均有上升趨勢，但輛承鋼與軸承鋼配對摩擦副的摩擦扭矩隨比壓增加而增加的幅度遠大于聚晶金剛石與聚晶金剛石配對摩擦副，呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)比壓P小于150Kg/cm2左右時，軸承鋼軸承還能正常工作，但已發(fā)生粘著磨損。當(dāng)比壓P大于150Kg/cm2左右時，軸承鋼軸承開始發(fā)生嚴重的粘著磨損以至咬合而失效。從試驗后的試件可以觀察到在試件的表面有嚴重的劃痕和剝蝕的痕跡，而聚晶金剛石滑動摩擦副的摩擦扭矩隨比壓增加而增加的幅度較為平緩，觀察試驗后的試件我們發(fā)現(xiàn)試件的摩擦表面光滑如鏡。由此可知，聚晶金剛石滑動摩擦副在試驗范圍內(nèi)沒有發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損。
為檢驗聚晶金剛石滑動軸承在重載、潤滑不良以及在潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的工況條件下的工作能力，試驗方案如下：
①選用不同材質(zhì)配對摩擦副在不同潤滑條件下進行對比試驗。不同配對材質(zhì)包括：軸承鋼滲硼合金、銀錳合金、鈷鉻鎢合金、硬質(zhì)合金及聚晶金剛石；不同潤滑(冷卻)介質(zhì)包括：清水、MoS2潤滑脂和含砂泥漿( 200目SiO2含量3％)。
②選用不同材質(zhì)配對摩擦副在不同工況下進行對比試驗。
四．試驗結(jié)果與分析
通過一系列試驗研究，取得了許多有益的試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)統(tǒng)計分析如下：
(一)在清水潤滑冷卻條件下的試驗結(jié)果
在清承潤滑(冷卻)條件下，選用軸承鋼作對比試驗，由試驗結(jié)果統(tǒng)計得出的軸承摩擦扭矩隨比壓變化的關(guān)系曲線如圖4所示。從試驗結(jié)果可以看出，隨著比壓的增加，軸承摩擦扭矩均有上升趨勢，但輛承鋼與軸承鋼配對摩擦副的摩擦扭矩隨比壓增加而增加的幅度遠大于聚晶金剛石與聚晶金剛石配對摩擦副，呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)比壓P小于150Kg/cm2左右時，軸承鋼軸承還能正常工作，但已發(fā)生粘著磨損。當(dāng)比壓P大于150Kg/cm2左右時，軸承鋼軸承開始發(fā)生嚴重的粘著磨損以至咬合而失效。從試驗后的試件可以觀察到在試件的表面有嚴重的劃痕和剝蝕的痕跡，而聚晶金剛石滑動摩擦副的摩擦扭矩隨比壓增加而增加的幅度較為平緩，觀察試驗后的試件我們發(fā)現(xiàn)試件的摩擦表面光滑如鏡。由此可知，聚晶金剛石滑動摩擦副在試驗范圍內(nèi)沒有發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損。
（二）在泥漿潤滑（冷卻）條件下的試驗結(jié)果
鑒于普通硬質(zhì)材料摩擦副都必須在密封潤滑條件下工作，因我們選擇了硬質(zhì)合金與硬質(zhì)合金配對摩擦副在含砂泥漿潤滑（冷卻）條件下對比試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。
鑒于普通硬質(zhì)材料摩擦副都必須在密封潤滑條件下工作，因我們選擇了硬質(zhì)合金與硬質(zhì)合金配對摩擦副在含砂泥漿潤滑（冷卻）條件下對比試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。
從試驗結(jié)果可以看出，隨著比壓的增加，軸承摩擦扭矩均有上升趨勢，但硬質(zhì)合金軸承的摩擦扭矩隨比壓增加而增加的上升幅度也遠大于聚晶金剛石與聚晶金剛石配對摩擦副，呈指數(shù)關(guān)系，與在清水潤滑(冷卻)條件下的情況基本一致。所不同的是，此時的摩擦扭矩相對較大，這主要是由于泥漿中的高硬度SiO2砂粒導(dǎo)致硬質(zhì)合金軸承發(fā)生了輕微的磨粒磨損所致。觀察試驗后的試件，在硬質(zhì)合金軸承試件的表面發(fā)現(xiàn)有細微的劃痕，經(jīng)電鏡分析為輕微蘑粒磨損所致。而聚晶金剛石軸承的摩擦表面仍光滑如鏡，沒有發(fā)現(xiàn)有任何磨粒磨損跡象。
(三)在MoS2潤滑脂密封潤滑條件下的試驗結(jié)果
由于現(xiàn)有滑動軸承基本都是在密封潤滑條件下工作，因此我們選用油田和礦山鉆探工具上使用廣泛的鈷鉻鎢合金與銀錳合金配對摩擦副及滲硼合金鋼與銀錳合金配對摩擦副在MoS2潤滑脂密封潤滑條件下對比試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。圖6表示三種不同材質(zhì)配對摩擦副在MoS2潤滑脂密封潤滑條件下軸承的摩擦溫度T隨軸承PV值變化而變化的關(guān)系曲線。
(三)在MoS2潤滑脂密封潤滑條件下的試驗結(jié)果
由于現(xiàn)有滑動軸承基本都是在密封潤滑條件下工作，因此我們選用油田和礦山鉆探工具上使用廣泛的鈷鉻鎢合金與銀錳合金配對摩擦副及滲硼合金鋼與銀錳合金配對摩擦副在MoS2潤滑脂密封潤滑條件下對比試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。圖6表示三種不同材質(zhì)配對摩擦副在MoS2潤滑脂密封潤滑條件下軸承的摩擦溫度T隨軸承PV值變化而變化的關(guān)系曲線。
從圖6可以看出，鈷鉻鎢合金與銀錳合金配對摩擦副和滲硼合金鋼與銀錳合金配對摩擦副的摩擦溫度T在PV值較小時隨PV值增加而上升的幅度較小，當(dāng)PV值太于150kg/cm2，m/s時，上升幅度明顯加大，此時軸承摩擦溫度有可能超過現(xiàn)有潤滑脂的正常工作溫度范圍而使軸承過早失效。而聚晶金剛石軸承的摩擦溫度T與PV值成線性關(guān)系，在較小PV值時其摩擦溫度略高于另外兩對摩擦副的摩擦溫度，這是由于聚晶金剛石與聚晶金剛石配對摩擦副屬于硬對硬配對摩擦副。而另外兩對屬于硬對軟配對摩擦副所致。當(dāng)PV值小于175kg/m 2，m/s時，其摩擦溫度低于230℃，現(xiàn)有高溫潤滑脂還能正常發(fā)揮效用。
綜合上述試驗結(jié)果可以看出：
1．在多種介質(zhì)潤滑(冷卻)條件下聚晶金剛石滑動軸承均能正常工作；
2．聚晶金剛石滑動軸承的承載能力能夠滿足現(xiàn)行工況條件的要求；
3．聚晶金剛石滑動軸承的抗粘著磨損和磨粒磨損能力Z強；
4．在載荷較大、潤滑不良甚至潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的情況下，采用聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦材質(zhì)是可行的；
5．采用特殊的粉末冶金工藝制造片狀聚晶金剛石滑動軸承是可行的。
五 結(jié)論與建議
(1)結(jié)論
1．采用聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦表面材質(zhì)是可行的；
2．在PV值較大潤滑不良甚至潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的情況下．采用
聚晶金剛石滑動軸承的有發(fā)展前景的。
(2)建議
聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦副表面材質(zhì)的應(yīng)用前景是非常廣闊的，但要用于工業(yè)批量生產(chǎn)還有許多工作要做，為加快聚晶金剛石滑動軸承的應(yīng)用研究，盡早將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，在此特提出以下幾點建議：
1．繼續(xù)深人地研究聚晶金剛石摩擦副的摩擦磨損機理：
2．研制適臺于滑動軸承要求的聚晶金剛石，包括理想的物理、機槭性能和幾何形狀；
3．研究和探索適合工業(yè)批量生產(chǎn)、成本低廉的聚晶金剛石摩擦副的制造新工藝和新方法。
參考文獻：
《摩擦學(xué)原理應(yīng)用》[英JD．F摩爾著]；
《中國超硬材料發(fā)展戰(zhàn)咯研討會論文集》1993年11月；
《硬質(zhì)合金滑動軸承在牙輪鉆頭中的應(yīng)用研究》石油大學(xué)，翁行芳；
《新型牙輪鉆頭滑動軸承的試驗研究》石油大學(xué)(北京)，譚春飛。
綜合上述試驗結(jié)果可以看出：
1．在多種介質(zhì)潤滑(冷卻)條件下聚晶金剛石滑動軸承均能正常工作；
2．聚晶金剛石滑動軸承的承載能力能夠滿足現(xiàn)行工況條件的要求；
3．聚晶金剛石滑動軸承的抗粘著磨損和磨粒磨損能力Z強；
4．在載荷較大、潤滑不良甚至潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的情況下，采用聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦材質(zhì)是可行的；
5．采用特殊的粉末冶金工藝制造片狀聚晶金剛石滑動軸承是可行的。
五 結(jié)論與建議
(1)結(jié)論
1．采用聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦表面材質(zhì)是可行的；
2．在PV值較大潤滑不良甚至潤滑介質(zhì)中含有大量強研磨性磨粒的情況下．采用
聚晶金剛石滑動軸承的有發(fā)展前景的。
(2)建議
聚晶金剛石作為滑動軸承摩擦副表面材質(zhì)的應(yīng)用前景是非常廣闊的，但要用于工業(yè)批量生產(chǎn)還有許多工作要做，為加快聚晶金剛石滑動軸承的應(yīng)用研究，盡早將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，在此特提出以下幾點建議：
1．繼續(xù)深人地研究聚晶金剛石摩擦副的摩擦磨損機理：
2．研制適臺于滑動軸承要求的聚晶金剛石，包括理想的物理、機槭性能和幾何形狀；
3．研究和探索適合工業(yè)批量生產(chǎn)、成本低廉的聚晶金剛石摩擦副的制造新工藝和新方法。
參考文獻：
《摩擦學(xué)原理應(yīng)用》[英JD．F摩爾著]；
《中國超硬材料發(fā)展戰(zhàn)咯研討會論文集》1993年11月；
《硬質(zhì)合金滑動軸承在牙輪鉆頭中的應(yīng)用研究》石油大學(xué)，翁行芳；
《新型牙輪鉆頭滑動軸承的試驗研究》石油大學(xué)(北京)，譚春飛。