摘要：利用自制的球-棒疲劳试验机研究了4种添加剂对GCr15轴承钢球接触疲劳性能的影响，并借助于扫描电镜分析了不同添加剂对轴承钢球接触疲劳的作用机理。结果表明，4中添加剂都不同程度地提高了GCr15轴承钢球的接触疲劳寿命，其中以含磷的极压添加剂T305和含有活性基因的降凝剂T903效果为佳。

关键词：GCr15轴承钢球，接触疲劳，润滑油添加剂，球-棒疲劳试验机

Effects of Lubrication Additive on Contact Fatigue Life of Steel Bearing Rolling Element

Song Baoyu   Qu Jianjun   Zhang Feng   Qi Yulin
(Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

Abstract: Effects of four kinds of lubrication additives on contact fatigue properties of GCr15 chrome steel balls were evaluated on a self-made ball-rod contact fatigue tester. The anti-fatigue mechanisms of these additives were analyzed by means of SEM. The test results showed that all of these additives can raise the contact fatigue life of GCr15 steel bearing element to a certain extent. Especially the action of T305 extreme pressure additive and T803 anti-solidifying additive were better.

Keywords: GCr15 Chrome Steel Balls, Contact Fatigue, Lubrication Additive, Ball-rod Contact Fatigue Tester

疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式，提高滚动轴承的接触疲劳寿命一直是国内外学者研究的热点。影响疲劳点蚀的因素除了轴承的材料和结构外，使用的润滑油的性能也起着重要的作用。近年来，国内、外的研究集中在如何提高轴承的性能^[1-3]，而关于润滑油性能，特别是含不同类型添加剂的润滑油性能对接触疲劳寿命的影响研究的较少。陈铭^[4]等设计了四球机改装的接触疲劳试验机，初步考察了少量添加剂对接触疲劳的影响；宋世远^[5]等用Barwell提出的四球机改装的接触疲劳试验方法研究了6种不同类型的添加剂对接触疲劳的影响。可见，目前关于润滑油的性能对接触疲劳寿命的影响研究不仅试验方法不同，而且研究的添加剂种类各异，提出的作用机理也不同，尚未取得一致的看法。

因此，本文作者利用自行研制的球-棒疲劳试验机，模拟轴承的受力情况，研究了5种类型润滑油添加剂对滚动轴承材料抗疲劳性能的影响。

1 试验条件

1.1 试验机原理

图1为球-棒疲劳试验机的结构原理简图。加载砝码P通过加载杠杆经第一次放大后传递给加载套5，产生力W，再经锥形环8进一步放大，使试验钢球和试验钢棒之间产生较大的相互作用力F。试验机的核心部位在球与棒的接触处，因为是点接触，所以加载砝码P经两次放大后可使球与棒之间产生很大的接触应力。

试件润滑简单，只需将润滑油加入机座7内的油室中即可，但油面要高过接触点。油室的容积很小，润滑油消耗很少。

1.2 试件和油样

试验中选择Փ11mm的GCr15钢棒，粗糙度Ra=0.4μm。选用Փ11.113mm的GCr15轴承钢球，粗糙度Ry=0.16μm。

为了研究不同添加剂对滚动轴承疲劳寿命的影响，选择了4种类型的润滑油添加剂，分别以重量份数1%添加到10#机械油中。试验用添加剂和油样代号如表1所示。试验油温控制在60℃。试验的接触应力为6.85Gpa。

表1 试验用添加剂油样

种类	极压抗磨剂		防锈剂	降凝剂	10#机械油
添加剂代号	T305	T308	T747	T803
油样代号	T305	T308	T747	T803	10#油

2 试验结果

2.1 威布尔统计参数及威布尔分布图

获得疲劳寿命数据后，求解威布尔分布统计参数，结果如表2所示。绘出的疲劳寿命威布尔分布图，如图2所示。由表2及图2可知，与10#机械油相比，有些添加剂对试件疲劳寿命有明显提高（如T305、T803等），而有些添加剂对试件疲劳寿命没有提高（如T308）。

表2 球-棒试验的威布尔统计参数

油样	威布尔斜率 K	特征寿命 （105次）	L10寿命 （105次）	L50寿命 （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 疲劳点蚀的微观形貌

图3是在扫描电子显微镜下得到的点蚀电镜照片。在图3(a)中可以看到钢球的点蚀形状基本都是豆状的凹坑，从图上可以看到在点蚀坑内有“鱼鳞”状或“贝壳”状的花纹，此花纹即是裂纹的扩展痕迹。在图3(b)中可以看到材料内部的缺陷，缺陷处的强度大幅度降低，当有循环载荷作用时，此处就容易成为裂纹源。在图3(c)中可以看到一些很微小的摩擦吸附物，说明在试验过程中发生了表面材料的转移。

3 添加剂作用机理分析

从试验结果来看，与10#机械油相比，极压抗磨剂T305的抗疲劳性能比其他添加剂总体上要好，但含有极性基团的降凝剂T803对疲劳寿命的提高也很大，防锈剂T747、极压抗磨剂T308对疲劳寿命也有提高。

对于极压抗磨剂，T305同时含有磷、硫和氮这几种活性元素，但其也可以归结为磷系的极压抗磨剂，其作用机理是：在边界润滑条件下，摩擦表面受到摩擦、热、外逸电子、自我催化等作用，与摩擦表面发生反应，生成含硫的无机膜或在有氧化铁存在下形成极压化学反应膜，从而起到抗疲劳的作用。T308为磷系极压抗磨剂。它的作用机理是通过在摩擦表面上发生水解和热解膜，形成含磷化合物的反应膜，起到抗疲劳作用。

对于降凝剂T803和防锈剂T747的抗疲劳机理，可以认为其分子中的极性基团吸附在摩擦表面，形成物理吸附膜和化学反应膜，减少了钢球与钢棒接触面之间的直接摩擦，从而提高了疲劳寿命。

4 结论

本文对比研究了10#机械油及4中不同添加剂润滑下GCr15轴承钢球和GCr15钢棒接触疲劳寿命性能，通过对实验结果的分析，得出以下结论：

(1)四种添加剂均能提高10#机械油的抗疲劳性能，其中以极压抗磨剂T305和含有极性基团的降凝剂T803效果较好。

(2)扫描电镜分析表明，含有添加剂润滑的钢球疲劳点蚀凹坑内有“鱼鳞”状或“贝壳”状的花纹特征。此花纹即是裂纹的扩展痕迹。还可看到成为裂纹源的材料内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剂T305的抗磨作用是通过生成化学反应膜实现的，而含有极性基团的添加剂T803的抗磨作用是通过形成表面吸附膜来实现的。

参考文献：

[1] 康乃正，毛志远。高应力水平下滚动轴承疲劳寿命试验研究. 材料科学与工程，1996, (9): 45 – 49。

[2] 柴田正道。影响滚动疲劳的各种因素. 国外轴承技术，1996, (2): 32 – 40。

[3] 郑春林，丁锡康，刘晖。滚动轴承的快速疲劳寿命试验及可靠性分析. 轴承，1996, (1): 24 – 28。

[4] 陈铭。润滑油添加剂的复合作用对接触疲劳的影响. 机械设计与研究，2000, (3): 56 – 59。

[5] 宋世远，于江，李子存等。润滑油性能对接触疲劳性能的研究. 润滑与密封，2000, (2): 52 – 53。