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.河南煤業化工集團有限責任公司 裝備制造事業部，河南 洛陽 471000；3.駐洛陽地區代表室，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，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，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、耐磨性強等優點被廣泛用于航天航空工業領域。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。當曲線從線性變為非線性時，斜率發生明顯變化，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。