聚晶金刚石滑动轴承的试验研究
2009-10-16 王镇泉 谭春飞 蔡镜仑
摘要：由于聚晶金刚石硬度高，耐磨性好，磨擦系数小，热传导系数太，是一种理想的滑动轴承摩擦材料。英国已有滑动轴承牙轮钻头专利，我国目前也在开展此方面的研究。本文介绍了聚晶金刚石滑动轴承的摩擦机理和摩擦磨损特性以及使用性能试验和效果。
关键词：聚晶金刚石，轴承
关键词：聚晶金刚石，轴承
一、绪论
聚晶金刚石以其特有的性能，在各个工业领域的应用越来越广泛，从磨料，刃具到电子光学等部件，聚晶金刚石的应用正向多极化的方向发展。深入全面地开展聚晶金剐石的应用广度和深度的研究，必将对世界工业的发展产生巨大的影响。为此笔者将近年来在聚晶金刚石滑动轴承方面的一些研究成果在此发表并提出一些观点和建议，以促进这项工作的进一步开展。
由于聚晶金刚石硬度高，耐磨性好，摩擦系数小，热传导系数大，是一种理想的滑动轴承摩擦材料。特别在PV值较大，润滑条件恶劣的情况下，更有其特有的优势。国外在此方面的研究发展迅速，已有产品在石油、地质、矿山等设备工具上应用。美国在九十年代研制成功井下动力钻具有PDC滑动止推轴承，并申请了PDC滑动轴承牙轮钻头专利。国内也积极开展了此方面的研究工作。笔者为提高牙轮钻头滑动轴承的工作性能，对聚晶金刚石滑动轴承的磨擦性作了大量的试验研究工作，初步探索了聚晶金刚石滑动轴承的摩擦机理和摩擦磨损特性。
二、聚晶金刚石用作滑动轴承摩擦材质的可行性分析
在PV值较大，润滑不良甚至在润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的情况下，如石油，地质钻井用井下工具，轴承的工作比压大于100kg/cm2。润滑介质通常为含磨粒泥浆，常规材质的轴承寿命短，有些情况下甚至不能正常运转。在此条件下，轴承的失效原因除与工作环境有关外；摩擦材料的固有性质也是非常关键因素。
根据摩擦学原理，轴承的润滑状态划分为三类：流体动力润滑、边界润滑和弹性流体动力润滑。对于井下工作在含砂泥浆中的滑动轴承，一般认为是在边界润滑和弹性流体动力润滑状态下工作，因而轴承的失效原因主要为粘着磨损和磨粒磨损。
到目前为止，还没有一种理论能够比较准确地对材质的抗年着磨损和磨粒磨损的能力作出定量的评价。因此，笔者引用普遍的理论定性地分析聚晶金刚石用作滑动轴承摩擦材质的可行性。
摩擦学原理认为，材料的摩擦磨损特性除与润滑条件有关外。还与材质的固有特性密切相关。对于粘着磨损，Archard(1953年)提出了一个衡量材质抗粘着磨损能力的简化计算公式：
聚晶金刚石以其特有的性能，在各个工业领域的应用越来越广泛，从磨料，刃具到电子光学等部件，聚晶金刚石的应用正向多极化的方向发展。深入全面地开展聚晶金剐石的应用广度和深度的研究，必将对世界工业的发展产生巨大的影响。为此笔者将近年来在聚晶金刚石滑动轴承方面的一些研究成果在此发表并提出一些观点和建议，以促进这项工作的进一步开展。
由于聚晶金刚石硬度高，耐磨性好，摩擦系数小，热传导系数大，是一种理想的滑动轴承摩擦材料。特别在PV值较大，润滑条件恶劣的情况下，更有其特有的优势。国外在此方面的研究发展迅速，已有产品在石油、地质、矿山等设备工具上应用。美国在九十年代研制成功井下动力钻具有PDC滑动止推轴承，并申请了PDC滑动轴承牙轮钻头专利。国内也积极开展了此方面的研究工作。笔者为提高牙轮钻头滑动轴承的工作性能，对聚晶金刚石滑动轴承的磨擦性作了大量的试验研究工作，初步探索了聚晶金刚石滑动轴承的摩擦机理和摩擦磨损特性。
二、聚晶金刚石用作滑动轴承摩擦材质的可行性分析
在PV值较大，润滑不良甚至在润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的情况下，如石油，地质钻井用井下工具，轴承的工作比压大于100kg/cm2。润滑介质通常为含磨粒泥浆，常规材质的轴承寿命短，有些情况下甚至不能正常运转。在此条件下，轴承的失效原因除与工作环境有关外；摩擦材料的固有性质也是非常关键因素。
根据摩擦学原理，轴承的润滑状态划分为三类：流体动力润滑、边界润滑和弹性流体动力润滑。对于井下工作在含砂泥浆中的滑动轴承，一般认为是在边界润滑和弹性流体动力润滑状态下工作，因而轴承的失效原因主要为粘着磨损和磨粒磨损。
到目前为止，还没有一种理论能够比较准确地对材质的抗年着磨损和磨粒磨损的能力作出定量的评价。因此，笔者引用普遍的理论定性地分析聚晶金刚石用作滑动轴承摩擦材质的可行性。
摩擦学原理认为，材料的摩擦磨损特性除与润滑条件有关外。还与材质的固有特性密切相关。对于粘着磨损，Archard(1953年)提出了一个衡量材质抗粘着磨损能力的简化计算公式：
从公式可知，材料的抗粘着磨损能力与材料硬度成正比。衡量材料的抗磨粒磨损能力的简单公式与上式类似，结论也是材料的抗磨粒磨损能力与材料硬度成正比。显然这些理论是不全面的，材料的摩擦磨损特性还与材料的扬氏模量、摩擦系数、导热性等性能有关．简言之，材料的扬氏模量大、摩擦系数小、导热性好，其摩擦磨损特性就好。
金刚石是人类已知的Z硬物料，其莫氏硬度为10。金刚石的抗压性能也Z强，抗压强度为88000bar，抗磨损能力为钢的90000倍。金刚石等硬质材料的几种物理、机械性能见表1。从表中明显看出，金刚石的硬度、扬氏模量、热导率远高于钢等硬质材料，而摩擦系数又Z小，是做轴承摩擦副的理想材质。因此，在恶劣工况下采用聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦材质，以提高轴承的工作特性是可行的。
金刚石是人类已知的Z硬物料，其莫氏硬度为10。金刚石的抗压性能也Z强，抗压强度为88000bar，抗磨损能力为钢的90000倍。金刚石等硬质材料的几种物理、机械性能见表1。从表中明显看出，金刚石的硬度、扬氏模量、热导率远高于钢等硬质材料，而摩擦系数又Z小，是做轴承摩擦副的理想材质。因此，在恶劣工况下采用聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦材质，以提高轴承的工作特性是可行的。
表１ 金刚石等硬质和超硬材料的几种重要机械、物理特性
三、轴承的制造和试验
(一)聚晶金刚石滑动轴承的制造
采用聚晶金刚石作为轴承的摩擦表面材质有许多优点，但存在不利因素，主要有以下二点：①聚晶金刚石的抗冲击韧性差，受冲击载荷时易发生崩裂：②聚晶金刚石硬度大、加工成本较高。
要将聚晶金刚石用作轴承的表面摩擦材质，必须从制造工艺和轴承结构上想办法。以有效地解决上述问题。笔者解决方案如下：①采用特殊的粉未冶金工艺，将片状聚晶金刚石牢固地镶嵌在滑动轴承的摩擦表面，并在聚晶金刚石片的底都形成一层具有相当硬度和弹性的合金过渡层，以吸收和传递聚晶金刚石受到的冲击载荷，增加其抗冲击的能力；②采用金刚石砂轮研磨和聚晶金刚石轴承对磨及电加工等相结合的方法对轴承表面进行加工。通过以上方法制造的聚晶金刚石滑动轴承试件见图１。
(一)聚晶金刚石滑动轴承的制造
采用聚晶金刚石作为轴承的摩擦表面材质有许多优点，但存在不利因素，主要有以下二点：①聚晶金刚石的抗冲击韧性差，受冲击载荷时易发生崩裂：②聚晶金刚石硬度大、加工成本较高。
要将聚晶金刚石用作轴承的表面摩擦材质，必须从制造工艺和轴承结构上想办法。以有效地解决上述问题。笔者解决方案如下：①采用特殊的粉未冶金工艺，将片状聚晶金刚石牢固地镶嵌在滑动轴承的摩擦表面，并在聚晶金刚石片的底都形成一层具有相当硬度和弹性的合金过渡层，以吸收和传递聚晶金刚石受到的冲击载荷，增加其抗冲击的能力；②采用金刚石砂轮研磨和聚晶金刚石轴承对磨及电加工等相结合的方法对轴承表面进行加工。通过以上方法制造的聚晶金刚石滑动轴承试件见图１。
(二)试验设备与方案
1．试验设备
试验主体设备采用自制SDN-I型滑动轴承摩擦磨损试验架，其工作原理见图2。主要仪器包括：温度压力、扭矩传感器和HP数据采集系统。SDN一1型滑动轴承摩擦磨损试验架的总体结构示意图见图２。
1．试验设备
试验主体设备采用自制SDN-I型滑动轴承摩擦磨损试验架，其工作原理见图2。主要仪器包括：温度压力、扭矩传感器和HP数据采集系统。SDN一1型滑动轴承摩擦磨损试验架的总体结构示意图见图２。
2．试验方案
为检验聚晶金刚石滑动轴承在重载、润滑不良以及在润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的工况条件下的工作能力，试验方案如下：
①选用不同材质配对摩擦副在不同润滑条件下进行对比试验。不同配对材质包括：轴承钢渗硼合金、银锰合金、钴铬钨合金、硬质合金及聚晶金刚石；不同润滑(冷却)介质包括：清水、MoS2润滑脂和含砂泥浆( 200目SiO2含量3％)。
②选用不同材质配对摩擦副在不同工况下进行对比试验。
四．试验结果与分析
通过一系列试验研究，取得了许多有益的试验数据，现统计分析如下：
(一)在清水润滑冷却条件下的试验结果
在清承润滑(冷却)条件下，选用轴承钢作对比试验，由试验结果统计得出的轴承摩擦扭矩随比压变化的关系曲线如图4所示。从试验结果可以看出，随着比压的增加，轴承摩擦扭矩均有上升趋势，但辆承钢与轴承钢配对摩擦副的摩擦扭矩随比压增加而增加的幅度远大于聚晶金刚石与聚晶金刚石配对摩擦副，呈指数关系。当比压P小于150Kg/cm2左右时，轴承钢轴承还能正常工作，但已发生粘着磨损。当比压P大于150Kg/cm2左右时，轴承钢轴承开始发生严重的粘着磨损以至咬合而失效。从试验后的试件可以观察到在试件的表面有严重的划痕和剥蚀的痕迹，而聚晶金刚石滑动摩擦副的摩擦扭矩随比压增加而增加的幅度较为平缓，观察试验后的试件我们发现试件的摩擦表面光滑如镜。由此可知，聚晶金刚石滑动摩擦副在试验范围内没有发生粘着磨损和磨粒磨损。
为检验聚晶金刚石滑动轴承在重载、润滑不良以及在润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的工况条件下的工作能力，试验方案如下：
①选用不同材质配对摩擦副在不同润滑条件下进行对比试验。不同配对材质包括：轴承钢渗硼合金、银锰合金、钴铬钨合金、硬质合金及聚晶金刚石；不同润滑(冷却)介质包括：清水、MoS2润滑脂和含砂泥浆( 200目SiO2含量3％)。
②选用不同材质配对摩擦副在不同工况下进行对比试验。
四．试验结果与分析
通过一系列试验研究，取得了许多有益的试验数据，现统计分析如下：
(一)在清水润滑冷却条件下的试验结果
在清承润滑(冷却)条件下，选用轴承钢作对比试验，由试验结果统计得出的轴承摩擦扭矩随比压变化的关系曲线如图4所示。从试验结果可以看出，随着比压的增加，轴承摩擦扭矩均有上升趋势，但辆承钢与轴承钢配对摩擦副的摩擦扭矩随比压增加而增加的幅度远大于聚晶金刚石与聚晶金刚石配对摩擦副，呈指数关系。当比压P小于150Kg/cm2左右时，轴承钢轴承还能正常工作，但已发生粘着磨损。当比压P大于150Kg/cm2左右时，轴承钢轴承开始发生严重的粘着磨损以至咬合而失效。从试验后的试件可以观察到在试件的表面有严重的划痕和剥蚀的痕迹，而聚晶金刚石滑动摩擦副的摩擦扭矩随比压增加而增加的幅度较为平缓，观察试验后的试件我们发现试件的摩擦表面光滑如镜。由此可知，聚晶金刚石滑动摩擦副在试验范围内没有发生粘着磨损和磨粒磨损。
（二）在泥浆润滑（冷却）条件下的试验结果
鉴于普通硬质材料摩擦副都必须在密封润滑条件下工作，因我们选择了硬质合金与硬质合金配对摩擦副在含砂泥浆润滑（冷却）条件下对比试验，试验结果如图5所示。
鉴于普通硬质材料摩擦副都必须在密封润滑条件下工作，因我们选择了硬质合金与硬质合金配对摩擦副在含砂泥浆润滑（冷却）条件下对比试验，试验结果如图5所示。
从试验结果可以看出，随着比压的增加，轴承摩擦扭矩均有上升趋势，但硬质合金轴承的摩擦扭矩随比压增加而增加的上升幅度也远大于聚晶金刚石与聚晶金刚石配对摩擦副，呈指数关系，与在清水润滑(冷却)条件下的情况基本一致。所不同的是，此时的摩擦扭矩相对较大，这主要是由于泥浆中的高硬度SiO2砂粒导致硬质合金轴承发生了轻微的磨粒磨损所致。观察试验后的试件，在硬质合金轴承试件的表面发现有细微的划痕，经电镜分析为轻微蘑粒磨损所致。而聚晶金刚石轴承的摩擦表面仍光滑如镜，没有发现有任何磨粒磨损迹象。
(三)在MoS2润滑脂密封润滑条件下的试验结果
由于现有滑动轴承基本都是在密封润滑条件下工作，因此我们选用油田和矿山钻探工具上使用广泛的钴铬钨合金与银锰合金配对摩擦副及渗硼合金钢与银锰合金配对摩擦副在MoS2润滑脂密封润滑条件下对比试验，试验结果如图6所示。图6表示三种不同材质配对摩擦副在MoS2润滑脂密封润滑条件下轴承的摩擦温度T随轴承PV值变化而变化的关系曲线。
(三)在MoS2润滑脂密封润滑条件下的试验结果
由于现有滑动轴承基本都是在密封润滑条件下工作，因此我们选用油田和矿山钻探工具上使用广泛的钴铬钨合金与银锰合金配对摩擦副及渗硼合金钢与银锰合金配对摩擦副在MoS2润滑脂密封润滑条件下对比试验，试验结果如图6所示。图6表示三种不同材质配对摩擦副在MoS2润滑脂密封润滑条件下轴承的摩擦温度T随轴承PV值变化而变化的关系曲线。
从图6可以看出，钴铬钨合金与银锰合金配对摩擦副和渗硼合金钢与银锰合金配对摩擦副的摩擦温度T在PV值较小时随PV值增加而上升的幅度较小，当PV值太于150kg/cm2，m/s时，上升幅度明显加大，此时轴承摩擦温度有可能超过现有润滑脂的正常工作温度范围而使轴承过早失效。而聚晶金刚石轴承的摩擦温度T与PV值成线性关系，在较小PV值时其摩擦温度略高于另外两对摩擦副的摩擦温度，这是由于聚晶金刚石与聚晶金刚石配对摩擦副属于硬对硬配对摩擦副。而另外两对属于硬对软配对摩擦副所致。当PV值小于175kg/m 2，m/s时，其摩擦温度低于230℃，现有高温润滑脂还能正常发挥效用。
综合上述试验结果可以看出：
1．在多种介质润滑(冷却)条件下聚晶金刚石滑动轴承均能正常工作；
2．聚晶金刚石滑动轴承的承载能力能够满足现行工况条件的要求；
3．聚晶金刚石滑动轴承的抗粘着磨损和磨粒磨损能力Z强；
4．在载荷较大、润滑不良甚至润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的情况下，采用聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦材质是可行的；
5．采用特殊的粉末冶金工艺制造片状聚晶金刚石滑动轴承是可行的。
五 结论与建议
(1)结论
1．采用聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦表面材质是可行的；
2．在PV值较大润滑不良甚至润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的情况下．采用
聚晶金刚石滑动轴承的有发展前景的。
(2)建议
聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦副表面材质的应用前景是非常广阔的，但要用于工业批量生产还有许多工作要做，为加快聚晶金刚石滑动轴承的应用研究，尽早将科研成果转化为生产力，在此特提出以下几点建议：
1．继续深人地研究聚晶金刚石摩擦副的摩擦磨损机理：
2．研制适台于滑动轴承要求的聚晶金刚石，包括理想的物理、机槭性能和几何形状；
3．研究和探索适合工业批量生产、成本低廉的聚晶金刚石摩擦副的制造新工艺和新方法。
参考文献：
《摩擦学原理应用》[英JD．F摩尔著]；
《中国超硬材料发展战咯研讨会论文集》1993年11月；
《硬质合金滑动轴承在牙轮钻头中的应用研究》石油大学，翁行芳；
《新型牙轮钻头滑动轴承的试验研究》石油大学(北京)，谭春飞。
综合上述试验结果可以看出：
1．在多种介质润滑(冷却)条件下聚晶金刚石滑动轴承均能正常工作；
2．聚晶金刚石滑动轴承的承载能力能够满足现行工况条件的要求；
3．聚晶金刚石滑动轴承的抗粘着磨损和磨粒磨损能力Z强；
4．在载荷较大、润滑不良甚至润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的情况下，采用聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦材质是可行的；
5．采用特殊的粉末冶金工艺制造片状聚晶金刚石滑动轴承是可行的。
五 结论与建议
(1)结论
1．采用聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦表面材质是可行的；
2．在PV值较大润滑不良甚至润滑介质中含有大量强研磨性磨粒的情况下．采用
聚晶金刚石滑动轴承的有发展前景的。
(2)建议
聚晶金刚石作为滑动轴承摩擦副表面材质的应用前景是非常广阔的，但要用于工业批量生产还有许多工作要做，为加快聚晶金刚石滑动轴承的应用研究，尽早将科研成果转化为生产力，在此特提出以下几点建议：
1．继续深人地研究聚晶金刚石摩擦副的摩擦磨损机理：
2．研制适台于滑动轴承要求的聚晶金刚石，包括理想的物理、机槭性能和几何形状；
3．研究和探索适合工业批量生产、成本低廉的聚晶金刚石摩擦副的制造新工艺和新方法。
参考文献：
《摩擦学原理应用》[英JD．F摩尔著]；
《中国超硬材料发展战咯研讨会论文集》1993年11月；
《硬质合金滑动轴承在牙轮钻头中的应用研究》石油大学，翁行芳；
《新型牙轮钻头滑动轴承的试验研究》石油大学(北京)，谭春飞。
