滑動軸承顯微硬度檢測技術(shù)及應(yīng)用

一、引言

滑動軸承是機(jī)械系統(tǒng)中關(guān)鍵的支撐部件，通過滑動摩擦實(shí)現(xiàn)軸與軸承座之間的相對運(yùn)動，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、發(fā)電設(shè)備、船舶等領(lǐng)域。其性能直接影響設(shè)備的運(yùn)行精度、可靠性和使用壽命。在滑動軸承的設(shè)計(jì)與制造中，顯微硬度是一項(xiàng)核心性能指標(biāo)——它反映了材料抵抗局部塑性變形的能力，與耐磨性、抗膠合性、疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵性能密切相關(guān)。例如，巴氏合金表層硬度不足會導(dǎo)致早期磨損，而硬度超標(biāo)可能引發(fā)脆性開裂。因此，顯微硬度檢測是滑動軸承質(zhì)量控制與失效分析的重要手段。

二、滑動軸承材料與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

滑動軸承的性能依賴于材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常見類型包括：

1. 材料分類

• 巴氏合金（白合金）：以錫或鉛為基，添加銻、銅等元素，具有良好的減摩性和順應(yīng)性，是最常用的滑動軸承表層材料（厚度通常為0.1–0.3mm）。
• 銅合金：如錫青銅、鋁青銅，具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，常用于中重載軸承（可作為整體材料或中間層）。
• 鋁合金： lightweight、導(dǎo)熱性好，適用于高速輕載場合。
• 工程塑料：如聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK），具有自潤滑性，適用于無油或低潤滑環(huán)境。

2. 多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為優(yōu)化性能，滑動軸承常采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)：

• 鋼背：提供機(jī)械強(qiáng)度（硬度約200–300HV）；
• 中間層：如銅合金（硬度約100–200HV），用于連接鋼背與表層，防止剝離；
• 工作表層：如巴氏合金（硬度約15–35HV），直接與軸接觸，需具備低硬度、高塑性。

這種結(jié)構(gòu)要求分層檢測顯微硬度，以確保各層性能滿足設(shè)計(jì)要求。

三、顯微硬度檢測基礎(chǔ)

1. 檢測原理

顯微硬度屬于壓痕硬度，通過測量一定載荷下金剛石壓頭在材料表面形成的壓痕尺寸，計(jì)算材料的硬度值。常用方法包括：

• 維氏硬度（HV）：采用正方形金字塔壓頭（頂角136°），硬度值為試驗(yàn)力除以壓痕表面積（公式：$HV = \frac{2F\sin(68°/2)}{d^2}$HV=d22Fsin(68°/2)?，其中$F$F為試驗(yàn)力，$d$d為壓痕對角線長度）。
• 努氏硬度（HK）：采用菱形金字塔壓頭（長軸與短軸比為7.11:1），硬度值為試驗(yàn)力除以壓痕投影面積（公式：$HK = \frac{1.451F}{L^2}$HK=L21.451F?，其中$L$L為壓痕長對角線長度）。

2. 設(shè)備組成

顯微硬度計(jì)主要由三部分構(gòu)成：

• 加載系統(tǒng)：提供可控的試驗(yàn)力（通常為0.01–10N，對應(yīng)1–1000g）；
• 光學(xué)系統(tǒng)：用于觀察壓痕（放大倍數(shù)通常為100–500倍）；
• 測量系統(tǒng)：通過目鏡測微尺或數(shù)字化系統(tǒng)測量壓痕尺寸。

3. 適用場景

顯微硬度的優(yōu)勢在于可檢測微小區(qū)域與薄表層，尤其適合滑動軸承的多層結(jié)構(gòu)。相比宏觀硬度（如布氏、洛氏），其壓痕尺寸?。ㄍǔ?0–100μm），不會破壞樣品或穿透表層，能準(zhǔn)確反映各層的硬度分布。

四、滑動軸承顯微硬度檢測流程

顯微硬度檢測的準(zhǔn)確性高度依賴樣品制備與測試參數(shù)選擇，以下是標(biāo)準(zhǔn)化流程：

（一）樣品制備

樣品制備是顯微硬度檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響壓痕觀察與測量精度。

1. 切割

采用線切割或金剛石砂輪切割（避免高溫），截取包含鋼背、中間層、表層的橫截面樣品（尺寸約10×10×5mm）。切割時需控制進(jìn)給速度，防止樣品變形。

2. 鑲嵌

對于小型或不規(guī)則樣品，需用熱鑲嵌（酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂）或冷鑲嵌（丙烯酸樹脂）固定，確保檢測面平整。鑲嵌時應(yīng)避免氣泡產(chǎn)生（可采用真空鑲嵌機(jī)）。

3. 研磨

采用金相砂紙（粒度從粗到細(xì)：180#→400#→800#→1200#）進(jìn)行濕磨，去除切割痕跡。研磨時需保持樣品與砂紙垂直，避免磨面傾斜。

4. 拋光

用金剛石拋光膏（粒度從15μm→6μm→1μm）在拋光機(jī)上進(jìn)行機(jī)械拋光，直至表面無劃痕、呈鏡面狀態(tài)（Ra≤0.02μm）。拋光后用無水乙醇清洗樣品，避免殘留拋光膏。

5. 腐蝕（可選）

若需觀察組織（如巴氏合金的晶粒結(jié)構(gòu)），可采用化學(xué)腐蝕劑：

• 巴氏合金：5%硝酸酒精溶液（腐蝕10–30秒）；
• 銅合金：FeCl?+HCl溶液（腐蝕30–60秒）。
  腐蝕后用清水沖洗，無水乙醇脫水，吹風(fēng)機(jī)吹干。

（二）測試參數(shù)選擇

根據(jù)滑動軸承材料與表層厚度，選擇合適的試驗(yàn)力與保持時間：

注意：試驗(yàn)力應(yīng)確保壓痕深度不超過表層厚度的1/3（避免穿透至中間層），壓痕間距不小于壓痕對角線長度的3倍（避免相互影響）。

（三）測試位置確定

滑動軸承的顯微硬度檢測需覆蓋關(guān)鍵區(qū)域：

1. 表層：沿圓周方向均勻選取5–10個點(diǎn)（避開邊緣與缺陷），測量表層硬度；
2. 中間層：在表層與鋼背之間的過渡區(qū)域選取3–5個點(diǎn)，檢查結(jié)合強(qiáng)度；
3. 鋼背：在樣品底部選取2–3個點(diǎn)，驗(yàn)證基體強(qiáng)度；
4. 硬度梯度：沿截面深度方向（從表層到鋼背）每隔0.1mm測量一次，繪制硬度分布曲線（如圖1所示）。

圖1 巴氏合金滑動軸承硬度梯度曲線（表層硬度18–25HV，中間層60–80HV，鋼背220–280HV）

（四）壓痕測量與記錄

1. 壓痕觀察：通過顯微硬度計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)（放大200–500倍）找到清晰的壓痕，調(diào)整焦距使壓痕邊緣銳利；
2. 尺寸測量：用目鏡測微尺或數(shù)字化系統(tǒng)測量壓痕對角線長度（維氏）或長對角線長度（努氏），重復(fù)測量2次取平均值；
3. 硬度計(jì)算：根據(jù)公式自動計(jì)算硬度值（現(xiàn)代顯微硬度計(jì)可直接顯示結(jié)果）；
4. 記錄信息：包括樣品編號、材料類型、試驗(yàn)力、保持時間、測試位置、硬度值等（示例見表1）。

五、不同材料滑動軸承的檢測要點(diǎn)

1. 巴氏合金滑動軸承

• 關(guān)鍵：避免試驗(yàn)力過大導(dǎo)致壓痕穿透表層（如25g試驗(yàn)力對應(yīng)的壓痕深度約10μm，僅為表層厚度的1/10–1/3）；
• 注意：巴氏合金易產(chǎn)生“軟點(diǎn)”（成分偏析），需增加測試點(diǎn)數(shù)（≥8個）以確保代表性；
• 標(biāo)準(zhǔn)：參考GB/T 1174–2013《滑動軸承 白合金軸瓦技術(shù)條件》（巴氏合金表層硬度15–35HV）。

2. 銅合金滑動軸承

• 關(guān)鍵：關(guān)注硬度均勻性（偏差≤10%），避免出現(xiàn)硬相（如δ相）導(dǎo)致脆性；
• 注意：銅合金為整體材料，可采用較大試驗(yàn)力（50–200g），但需避開鑄造缺陷（如氣孔、夾雜）；
• 標(biāo)準(zhǔn)：參考GB/T 13809–2017《滑動軸承 銅合金軸套技術(shù)條件》（錫青銅硬度≥80HV）。

3. 塑料滑動軸承

• 關(guān)鍵：采用極小試驗(yàn)力（1–10g），避免壓痕變形（塑料易發(fā)生彈性回復(fù)）；
• 注意：測試前需將樣品在23℃、50%濕度環(huán)境下放置24小時（消除濕度影響）；
• 標(biāo)準(zhǔn)：參考GB/T 3960–2016《塑料 滑動摩擦系數(shù)的測定》（PTFE硬度≥15HV）。

六、誤差來源與控制

顯微硬度檢測的誤差主要來自樣品制備、測試操作與環(huán)境因素，需采取以下控制措施：

1. 樣品制備誤差

• 劃痕：研磨時逐步減小砂紙粒度，拋光采用1μm以下金剛石膏；
• 熱影響：切割時采用冷卻液，避免樣品升溫導(dǎo)致組織變化；
• 鑲嵌缺陷：使用真空鑲嵌機(jī)，確保鑲嵌材料與樣品緊密結(jié)合。

2. 測試操作誤差

• 試驗(yàn)力選擇不當(dāng)：根據(jù)表層厚度計(jì)算最大允許試驗(yàn)力（公式：$F_{max} = \frac{3h^2 \cdot HV}{2\sin(68°/2)}$Fmax?=2sin(68°/2)3h2⋅HV?，其中$h$h為表層厚度）；
• 壓痕位置偏差：避免在樣品邊緣（距離邊緣≥2mm）、缺陷（氣孔、裂紋）處測試；
• 測量誤差：定期校準(zhǔn)目鏡測微尺（用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺），數(shù)字化系統(tǒng)需每年檢定一次。

3. 環(huán)境因素誤差

• 溫度：測試環(huán)境溫度應(yīng)控制在20–25℃（溫度變化會影響材料的塑性變形）；
• 濕度：相對濕度≤60%（避免樣品表面銹蝕或塑料吸潮）；
• 振動：顯微硬度計(jì)需放置在穩(wěn)固的工作臺上，遠(yuǎn)離振動源（如機(jī)床、空壓機(jī)）。

七、結(jié)果分析與判定

1. 硬度值對比

將測試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對比（如GB/T 1174–2013、ASTM E384–21），判斷是否合格。例如，某巴氏合金滑動軸承表層硬度要求為18–25HV，若測試平均值為21.3HV（見表1），則判定為合格。

2. 硬度梯度分析

通過硬度梯度曲線可判斷層間結(jié)合質(zhì)量：

• 若表層與中間層的硬度突變（如表層硬度20HV，中間層突然升至150HV），可能是鍍層與中間層結(jié)合不良；
• 若表層硬度分布不均勻（偏差＞15%），可能是電鍍或鑄造工藝存在問題（如成分偏析）。

3. 不合格原因排查

• 硬度偏低：可能是材料成分不符（如巴氏合金中錫含量過高）、熱處理不足（如銅合金退火溫度過高）；
• 硬度偏高：可能是冷加工過度（如鋼背冷軋變形）、鍍層厚度不足（壓痕穿透至中間層）；
• 硬度波動大：可能是材料夾雜（如銅合金中的氧化物）、鑄造缺陷（如巴氏合金中的氣孔）。

八、結(jié)論與展望

顯微硬度檢測是滑動軸承質(zhì)量控制的核心技術(shù)，其優(yōu)勢在于能準(zhǔn)確測量薄表層、微小區(qū)域的硬度，揭示多層結(jié)構(gòu)的性能分布。隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，自動化顯微硬度檢測系統(tǒng)（如結(jié)合機(jī)器視覺的自動定位、自動測量）正逐步應(yīng)用于滑動軸承生產(chǎn)，可提高檢測效率與重復(fù)性；數(shù)字化硬度分析軟件（如硬度梯度曲線自動繪制、不合格點(diǎn)標(biāo)記）則能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與追溯。

未來，隨著滑動軸承材料（如陶瓷基復(fù)合材料、高熵合金）的創(chuàng)新，顯微硬度檢測技術(shù)將進(jìn)一步向納米級（如納米硬度計(jì)）擴(kuò)展，以滿足更薄表層（＜0.1mm）的檢測需求。

參考文獻(xiàn)

GB/T 4340.2–2012 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第2部分：顯微硬度試驗(yàn)》；
ASTM E384–21 《Standard Test Method for Microhardness of Materials》；
GB/T 1174–2013 《滑動軸承 白合金軸瓦技術(shù)條件》；
王正品. 金屬材料硬度檢測技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

（注：文中示意圖可根據(jù)實(shí)際需求補(bǔ)充，如需引用圖片請注明來源。）