疲勞點蝕是滾動軸承的主要失效形式，提高滾動軸承的接觸疲勞壽命一直是國內(nèi)外學者研究的熱點。影響疲勞點蝕的因素除了軸承的材料和結構外，使用的潤滑油的性能也起著重要的作用。近年來，國內(nèi)、外的研究集中在如何提高軸承的性能^[1-3]，而關于潤滑油性能，特別是含不同類型添加劑的潤滑油性能對接觸疲勞壽命的影響研究的較少。陳銘^[4]等設計了四球機改裝的接觸疲勞試驗機，初步考察了少量添加劑對接觸疲勞的影響；宋世遠^[5]等用Barwell提出的四球機改裝的接觸疲勞試驗方法研究了6種不同類型的添加劑對接觸疲勞的影響?？梢姡壳瓣P于潤滑油的性能對接觸疲勞壽命的影響研究不僅試驗方法不同，而且研究的添加劑種類各異，提出的作用機理也不同，尚未取得一致的看法。

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

1 試驗條件

1.1 試驗機原理

圖1為球-棒疲勞試驗機的結構原理簡圖。加載砝碼P通過加載杠桿經(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進一步放大，使試驗鋼球和試驗鋼棒之間產(chǎn)生較大的相互作用力F。試驗機的核心部位在球與棒的接觸處，因為是點接觸，所以加載砝碼P經(jīng)兩次放大后可使球與棒之間產(chǎn)生很大的接觸應力。

試件潤滑簡單，只需將潤滑油加入機座7內(nèi)的油室中即可，但油面要高過接觸點。油室的容積很小，潤滑油消耗很少。

1.2 試件和油樣

試驗中選擇?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滾動軸承疲勞壽命的影響，選擇了4種類型的潤滑油添加劑，分別以重量份數(shù)1%添加到10#機械油中。試驗用添加劑和油樣代號如表1所示。試驗油溫控制在60℃。試驗的接觸應力為6.85Gpa。

表1 試驗用添加劑油樣

種類	極壓抗磨劑		防銹劑	降凝劑	10#機械油
添加劑代號	T305	T308	T747	T803
油樣代號	T305	T308	T747	T803	10#油

2 試驗結果

2.1 威布爾統(tǒng)計參數(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)計參數(shù)，結果如表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#機械油相比，有些添加劑對試件疲勞壽命有明顯提高（如T305、T803等），而有些添加劑對試件疲勞壽命沒有提高（如T308）。

表2 球-棒試驗的威布爾統(tǒng)計參數(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 疲勞點蝕的微觀形貌

圖3是在掃描電子顯微鏡下得到的點蝕電鏡照片。在圖3(a)中可以看到鋼球的點蝕形狀基本都是豆狀的凹坑，從圖上可以看到在點蝕坑內(nèi)有“魚鱗”狀或“貝殼”狀的花紋，此花紋即是裂紋的擴展痕跡。在圖3(b)中可以看到材料內(nèi)部的缺陷，缺陷處的強度大幅度降低，當有循環(huán)載荷作用時，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，說明在試驗過程中發(fā)生了表面材料的轉移。

3 添加劑作用機理分析

從試驗結果來看，與10#機械油相比，極壓抗磨劑T305的抗疲勞性能比其他添加劑總體上要好，但含有極性基團的降凝劑T803對疲勞壽命的提高也很大，防銹劑T747、極壓抗磨劑T308對疲勞壽命也有提高。

對于極壓抗磨劑，T305同時含有磷、硫和氮這幾種活性元素，但其也可以歸結為磷系的極壓抗磨劑，其作用機理是：在邊界潤滑條件下，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，生成含硫的無機膜或在有氧化鐵存在下形成極壓化學反應膜，從而起到抗疲勞的作用。T308為磷系極壓抗磨劑。它的作用機理是通過在摩擦表面上發(fā)生水解和熱解膜，形成含磷化合物的反應膜，起到抗疲勞作用。

對于降凝劑T803和防銹劑T747的抗疲勞機理，可以認為其分子中的極性基團吸附在摩擦表面，形成物理吸附膜和化學反應膜，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 結論

本文對比研究了10#機械油及4中不同添加劑潤滑下GCr15軸承鋼球和GCr15鋼棒接觸疲勞壽命性能，通過對實驗結果的分析，得出以下結論：

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

(2)掃描電鏡分析表明，含有添加劑潤滑的鋼球疲勞點蝕凹坑內(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的抗磨作用是通過生成化學反應膜實現(xiàn)的，而含有極性基團的添加劑T803的抗磨作用是通過形成表面吸附膜來實現(xiàn)的。