疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承的主要失效形式，提高滾動(dòng)軸承的接觸疲勞壽命一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。影響疲勞點(diǎn)蝕的因素除了軸承的材料和結(jié)構(gòu)外，使用的潤(rùn)滑油的性能也起著重要的作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)、外的研究集中在如何提高軸承的性能^[1-3]，而關(guān)于潤(rùn)滑油性能，特別是含不同類型添加劑的潤(rùn)滑油性能對(duì)接觸疲勞壽命的影響研究的較少。陳銘^[4]等設(shè)計(jì)了四球機(jī)改裝的接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，初步考察了少量添加劑對(duì)接觸疲勞的影響；宋世遠(yuǎn)^[5]等用Barwell提出的四球機(jī)改裝的接觸疲勞試驗(yàn)方法研究了6種不同類型的添加劑對(duì)接觸疲勞的影響?？梢?，目前關(guān)于潤(rùn)滑油的性能對(duì)接觸疲勞壽命的影響研究不僅試驗(yàn)方法不同，而且研究的添加劑種類各異，提出的作用機(jī)理也不同，尚未取得一致的看法。

因此，本文作者利用自行研制的球-棒疲勞試驗(yàn)機(jī)，模擬軸承的受力情況，研究了5種類型潤(rùn)滑油添加劑對(duì)滾動(dòng)軸承材料抗疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)機(jī)原理

圖1為球-棒疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖。加載砝碼P通過(guò)加載杠桿經(jīng)第一次放大后傳遞給加載套5，產(chǎn)生力W，再經(jīng)錐形環(huán)8進(jìn)一步放大，使試驗(yàn)鋼球和試驗(yàn)鋼棒之間產(chǎn)生較大的相互作用力F。試驗(yàn)機(jī)的核心部位在球與棒的接觸處，因?yàn)槭屈c(diǎn)接觸，所以加載砝碼P經(jīng)兩次放大后可使球與棒之間產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力。

試件潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，只需將潤(rùn)滑油加入機(jī)座7內(nèi)的油室中即可，但油面要高過(guò)接觸點(diǎn)。油室的容積很小，潤(rùn)滑油消耗很少。

1.2 試件和油樣

試驗(yàn)中選擇?11mm的GCr15鋼棒，粗糙度Ra=0.4μm。選用?11.113mm的GCr15軸承鋼球，粗糙度Ry=0.16μm。

為了研究不同添加劑對(duì)滾動(dòng)軸承疲勞壽命的影響，選擇了4種類型的潤(rùn)滑油添加劑，分別以重量份數(shù)1%添加到10#機(jī)械油中。試驗(yàn)用添加劑和油樣代號(hào)如表1所示。試驗(yàn)油溫控制在60℃。試驗(yàn)的接觸應(yīng)力為6.85Gpa。

表1 試驗(yàn)用添加劑油樣

種類	極壓抗磨劑		防銹劑	降凝劑	10#機(jī)械油
添加劑代號(hào)	T305	T308	T747	T803
油樣代號(hào)	T305	T308	T747	T803	10#油

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 威布爾統(tǒng)計(jì)參數(shù)及威布爾分布圖

獲得疲勞壽命數(shù)據(jù)后，求解威布爾分布統(tǒng)計(jì)參數(shù)，結(jié)果如表2所示。繪出的疲勞壽命威布爾分布圖，如圖2所示。由表2及圖2可知，與10#機(jī)械油相比，有些添加劑對(duì)試件疲勞壽命有明顯提高（如T305、T803等），而有些添加劑對(duì)試件疲勞壽命沒(méi)有提高（如T308）。

表2 球-棒試驗(yàn)的威布爾統(tǒng)計(jì)參數(shù)

油樣	威布爾斜率 K	特征壽命 （105次）	L10壽命 （105次）	L50壽命 （105次）
10#油	1.2468	33.277	5.4738	24.802
T305	1.0369	103.230	11.784	72.497
T308	2.7722	31.524	14.007	27.635
T747	2.0807	33.137	11.236	27.785
T803	1.9034	60.354	18.503	49.783

2.2 疲勞點(diǎn)蝕的微觀形貌

圖3是在掃描電子顯微鏡下得到的點(diǎn)蝕電鏡照片。在圖3(a)中可以看到鋼球的點(diǎn)蝕形狀基本都是豆?fàn)畹陌伎樱瑥膱D上可以看到在點(diǎn)蝕坑內(nèi)有“魚鱗”狀或“貝殼”狀的花紋，此花紋即是裂紋的擴(kuò)展痕跡。在圖3(b)中可以看到材料內(nèi)部的缺陷，缺陷處的強(qiáng)度大幅度降低，當(dāng)有循環(huán)載荷作用時(shí)，此處就容易成為裂紋源。在圖3(c)中可以看到一些很微小的摩擦吸附物，說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了表面材料的轉(zhuǎn)移。

3 添加劑作用機(jī)理分析

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，與10#機(jī)械油相比，極壓抗磨劑T305的抗疲勞性能比其他添加劑總體上要好，但含有極性基團(tuán)的降凝劑T803對(duì)疲勞壽命的提高也很大，防銹劑T747、極壓抗磨劑T308對(duì)疲勞壽命也有提高。

對(duì)于極壓抗磨劑，T305同時(shí)含有磷、硫和氮這幾種活性元素，但其也可以歸結(jié)為磷系的極壓抗磨劑，其作用機(jī)理是：在邊界潤(rùn)滑條件下，摩擦表面受到摩擦、熱、外逸電子、自我催化等作用，與摩擦表面發(fā)生反應(yīng)，生成含硫的無(wú)機(jī)膜或在有氧化鐵存在下形成極壓化學(xué)反應(yīng)膜，從而起到抗疲勞的作用。T308為磷系極壓抗磨劑。它的作用機(jī)理是通過(guò)在摩擦表面上發(fā)生水解和熱解膜，形成含磷化合物的反應(yīng)膜，起到抗疲勞作用。

對(duì)于降凝劑T803和防銹劑T747的抗疲勞機(jī)理，可以認(rèn)為其分子中的極性基團(tuán)吸附在摩擦表面，形成物理吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜，減少了鋼球與鋼棒接觸面之間的直接摩擦，從而提高了疲勞壽命。

4 結(jié)論

本文對(duì)比研究了10#機(jī)械油及4中不同添加劑潤(rùn)滑下GCr15軸承鋼球和GCr15鋼棒接觸疲勞壽命性能，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

(1)四種添加劑均能提高10#機(jī)械油的抗疲勞性能，其中以極壓抗磨劑T305和含有極性基團(tuán)的降凝劑T803效果較好。

(2)掃描電鏡分析表明，含有添加劑潤(rùn)滑的鋼球疲勞點(diǎn)蝕凹坑內(nèi)有“魚鱗”狀或“貝殼”狀的花紋特征。此花紋即是裂紋的擴(kuò)展痕跡。還可看到成為裂紋源的材料內(nèi)部缺陷及微小的摩擦吸附物。

(3)含有硫磷等活性元素的添加劑T305的抗磨作用是通過(guò)生成化學(xué)反應(yīng)膜實(shí)現(xiàn)的，而含有極性基團(tuán)的添加劑T803的抗磨作用是通過(guò)形成表面吸附膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。