高速低溫軸承復合沉積膜設計分析

馬小梅，馬美玲，楊帆，李紅濤

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南煤業(yè)化工集團有限責任公司 裝備制造事業(yè)部，河南 洛陽 471000；3.駐洛陽地區(qū)代表室，河南 洛陽 471000)

某型號高速低溫軸承在以往主機試車中多次因滾動體出現黑色環(huán)帶而失效。軸承的研制不僅需要滿足苛刻工況的要求，還必須在主機啟動、關機和異常工況下具有良好的適應性。由于軸承工作時的轉速高，軸向載荷及徑向載荷均較高，因此，滾道和滾動體之間的接觸應力相當大，特別在啟動的時候，過大的接觸應力導致滾道和滾動體之間的金屬氧化膜破裂發(fā)生冷焊現象而造成整個軸承破壞。為了克服運轉初期的無潤滑狀態(tài)，避免早期燒傷，需對軸承工作表面進行改性處理，以提高軸承表面性能，減小磨損，延長壽命。

1 表面改性處理方法選擇

表面改性是通過物理或化學方法在基體表面獲得一層改性層，使基體獲得本身不具備而又必需的性能。表面改性的常用方法有物理氣相沉積、化學氣相沉積、離子注入、等離子體噴涂、激光熔覆及電子束蒸發(fā)沉積等。

對比分析后選擇物理氣相沉積中的離子束輔助沉積法，其優(yōu)點為：沉積溫度低(工藝溫度在100 ℃以內)；膜材和基材的結合強度高，幾乎對所有基材(如陶瓷、金屬、聚合物等)都有極好的附著力；膜層致密，孔洞率低；工藝控制性好，再現性高，離子轟擊與沉積參數可獨立調節(jié)，可實現理想的化學成分配比；可方便地控制生長，便于研究薄膜生長規(guī)律；可沉積納米周期的多層薄膜。

2 固體潤滑膜的選用

作為抗液氧介質冷焊的固體潤滑膜主要有二硫化鎢(WS2)和二硫化鉬(MoS2)。

同為層狀結構的WS2和MoS2薄膜作為性能優(yōu)良的固體潤滑劑，因其承載能力高、摩擦因數低、耐磨性強等優(yōu)點被廣泛用于航天航空工業(yè)領域。WS2和MoS2的性能對比見表1。

表1 WS2和MoS2的物理、化學性能對比

由表1可知，WS2具有以下優(yōu)勢：(1)耐負載能力強，高達2 000 MPa，而MoS2耐負載能力為1 667 MPa；(2)抗潮解能力強，潮濕空氣中不易氧化；(3)摩擦因數小于MoS2；(4)化學穩(wěn)定性好。

經過分析，采用離子束輔助沉積技術在軸承內、外圈滾道上沉積WS2固體潤滑膜。根據高速低溫軸承QJS7214的工況和使用要求，WS2固體潤滑膜層應達到摩擦因數≤0.10，結合力Lc>25 N，耐磨壽命≥1 h。

3 WS2固體潤滑膜層試驗及分析

3.1 往復式摩擦試驗

基于QJS7214軸承套圈材料為9Cr18軸承鋼，用兩個材料為9Cr18的試樣(尺寸為Φ20 mm×8 mm)測試WS2膜層在往復式摩擦模式下的摩擦磨損性能。

摩擦磨損試驗載荷為2 N和3 N；試驗時間設定為1 h；測試設備為UMT-2多功能摩擦磨損試驗機。

兩試樣在不同載荷下的往復式摩擦因數變化曲線如圖1和圖2所示。由圖可知，膜層的摩擦因數一直都保持在0.03～0.05，曲線很平滑，無較大波動。

圖1 1#試樣

圖2 2#試樣

3.2 膜層經過往復式摩擦后的磨痕形貌

膜層經過往復式摩擦后的磨痕形貌如圖3所示。由圖可知，膜層依然完好，無脫落，甚至無裂紋產生，說明耐摩性能很好。

圖3 膜層經過往復式摩擦后的磨痕形貌

由滑動摩擦磨損曲線和磨痕微觀結構分析可知，WS2固體潤滑膜在滑動摩擦條件下具有更低的摩擦因數，其在9Cr18鋼球上可以形成良好的轉移膜，無明顯的大塊剝離和鋸齒狀磨痕，磨痕兩邊形成很平滑的轉移磨痕，無局部粘著磨損或犁溝磨損現象。

3.3 大氣中WS2涂層摩擦磨損性能測試

為了測試WS2復合薄膜在大氣中不同載荷和轉速下的摩擦磨損性能，進行膜層磨穿結束試驗(即膜層在摩擦過程中，摩擦因數發(fā)生突變時認為膜層磨穿)，測試設備為MT-3000多功能摩擦磨損試驗機。摩擦試驗條件為：球-盤試驗，實驗室環(huán)境大氣下，載荷2 N，轉速500 r/min；摩擦因數<0.1。摩擦因數-時間變化曲線如圖4所示。

圖4 摩擦因數-時間變化曲線

檢測結果顯示，目前制備的WS2固體潤滑薄膜在大氣中運轉了60多分鐘膜層才磨穿，60 min內的摩擦因數小于0.1，摩擦過程穩(wěn)定，完全可以解決運轉初期的潤滑問題。

3.4 WS2膜層結合力的測試

采用劃痕法測量膜層的結合力，劃痕速度為(10±1)mm/min，加載速率為5～10 N/min，加載精度不低于0.03 N，得出的摩擦力-載荷曲線如圖5所示。當曲線從線性變?yōu)榉蔷€性時，斜率發(fā)生明顯變化，認為此點為拐點，這時膜層有脫落趨勢，該拐點所對應的載荷為薄膜和基材的結合力，從出現拐點的位置可以看出，薄膜和基材的結合力Lc>25 N，可以滿足軸承使用要求。

圖5 摩擦力-載荷曲線

4 結論

(1)對表面改性處理方法進行優(yōu)選并對固體潤滑膜MoS2，WS2的各種性能進行對比，最終確定高速低溫軸承采用離子束輔助沉積法進行表面改性處理，并選擇WS2作為固體潤滑膜。

(2)采用離子束輔助沉積技術在軸承內、外圈滾道上沉積WS2固體潤滑膜的方案可行。