WS2固體潤滑膜軸承試驗分析

馬小梅 ，孟瑾 ，李紅濤，馬美玲

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2. 洛陽理工學院，河南 洛陽 471003；3.駐洛陽地區代表室，河南 洛陽 471039)

某主機使用的深溝球軸承6214由于工況特殊，故采用具有自潤滑性能的保持架，但在運轉初始階段滾動體與套圈溝道之間處于無潤滑狀態。為解決該軸承的早期潤滑問題，在內、外圈溝道表面均濺射了WS2固體潤滑膜。

1 試驗條件及試驗結果

試驗軸承為2套深溝球軸承6214，其中1套軸承的滾動體材料為氮化硅，另1套滾動體材料為9Cr18不銹軸承鋼。臺架試驗時軸承轉速為20 000 r/min，徑向載荷為10 kN，工作介質為水，多次啟動。

試驗結束后，2套軸承結構完好，運轉靈活。拆套后，對2套軸承的內、外圈溝道和陶瓷球、鋼球進行外觀檢查，結果發現：陶瓷球軸承外圈溝道表面有大量凹坑，且溝道表面的WS2固體潤滑膜層磨損較嚴重；而鋼球軸承外圈溝道和鋼球狀態良好，且在鋼球表面形成了較好的WS2固體轉移膜，溝道內膜層磨損較少。

2 滾動體外觀檢查

從2套試驗軸承中各取1粒滾動體，用400倍光學顯微鏡檢測其表面形貌狀態，并在超聲波清洗前、后對陶瓷球和鋼球的形貌進行對比。

圖1、圖2所示為同一陶瓷球不同部位的形貌。從圖中可看出：在陶瓷球的部分表面上沒有形成轉移膜，部分表面上有WS2轉移膜，且轉移膜分布在磨痕較深的兩側。

圖1 陶瓷球沒有形成WS2轉移膜部分形貌

圖2 陶瓷球形成WS2轉移膜部分形貌

圖3、圖4所示為試驗前、后同一鋼球表面形貌。對比圖3和圖4可看出：試驗后鋼球表面形成了相對致密的WS2轉移膜，即使在摩擦較嚴重的部位也存在WS2轉移膜。

圖3 試驗前鋼球形貌

圖4 試驗后鋼球形貌

在酒精中經10 min的超聲波清洗后，陶瓷球和鋼球表面形貌如圖5、圖6所示。可明顯看出：陶瓷球表面已基本沒有WS2固體轉移膜，而鋼球表面的WS2轉移膜依然存在。

圖5 陶瓷球表面形貌

圖6 鋼球表面形貌

3 形貌及成分檢測

3.1 光學顯微鏡檢測

用30倍光學顯微鏡檢測軸承內、外圈溝道形貌發現，2套軸承內圈溝道表面沒有明顯磨痕，表面狀態良好。外圈溝道形貌如圖7和圖8所示，陶瓷球軸承外圈溝道中有大量磨痕(凹坑)，而鋼球軸承外圈溝道狀態較好。

圖7 陶瓷球軸承外圈溝道表面形貌

圖8 鋼球軸承外圈溝道表面形貌

3.2 掃描電子顯微鏡與能譜儀檢測

采用S-4800掃描電子顯微鏡對鋼球和陶瓷球軸承外圈溝道形貌和成分進行了檢測。由于陶瓷球不導電，在用掃描電鏡檢測時存在荷電積累，因此不能檢測出陶瓷球表面形貌和成分。

3.2.1 鋼球

圖9所示為鋼球微觀區域形貌。由圖可知：鋼球的表面狀態良好，未發現粘著磨損現象，并且在鋼球表面發現類似膜層的物質。

圖9 鋼球形貌

利用能譜儀對圖9所示的鋼球微觀區域表面分別進行3個點的成分檢測，主要元素含量見表1。從表中數值可看出，在鋼球表面已經形成了一層WS2固體潤滑轉移膜。

表1 鋼球成分(質量分數) %

3.2.2 陶瓷球軸承外圈溝道

陶瓷球軸承外圈溝道微觀形貌如圖10所示。由圖可知：在溝道底部，即WS2固體膜層被磨穿了的部位和邊緣處存在很多凹坑，這與光學顯微鏡觀察到的結果一致。

圖10 陶瓷球軸承外圈溝道形貌

4 鋼球表面的納米硬度檢測

采用載荷控制模式對鋼球表面3個點進行納米硬度檢測，其中控制載荷為4 N，得到的載荷-位移深度曲線如圖11所示，3個點的彈性模量和納米硬度值見表2。

圖11 載荷-位移曲線

表2 3個點的彈性模量和納米硬度

采用載荷控制的3個點的硬度均大于10 GPa，1點和2點的硬度差別很小，3點的硬度比1點和2點大很多，有可能是打到硬質相上了，所以偏差較大。載荷-位移深度曲線也顯示出1點和2點的曲線重合度很好，3點的曲線偏離較大，這和硬度顯示的結果一致。說明經試驗后鋼球的彈性模量和硬度均沒有大的變化，鋼球表面狀態良好。

5 結論

內、外圈溝道表面均濺射有WS2固體潤滑膜的軸承在水介質中工作時，鋼球比陶瓷球更有利于其表面潤滑膜的形成。