低溫離子滲硫表面處理對滿裝滾子軸承壽命的影響

王勁松，董玉雪，毛玉紅，張晶，石姣，姚艷書

(瓦房店軸承集團公司 技術中心，遼寧 瓦房店 116300)

滿裝滾子軸承由于沒有保持架，滾動表面的接觸面積較大，潤滑條件差，使用過程中表面易產生磨損、燒傷，軸承易發生早期疲勞，使用壽命較低。為提高滿裝滾子軸承壽命，通過對其進行低溫離子滲硫表面處理，以便獲得良好的減摩抗咬合性能。

1 低溫離子滲硫表面處理工藝

低溫離子滲硫表面處理原理為：將待滲硫的干凈零件放在低真空容器內的陰極板上(載物臺)，將低真空容器的外殼接陽極，在低真空容器內通入含硫氣體，由脈沖電源在陰陽極兩端加高電壓，當電壓達到某一數值時，硫氣氛在電場作用下電離成硫離子，運動到陰極附近時受極壓作用而加速，被加速的硫離子轟擊金屬表面，與鐵原子發生反應形成3～30 μm的FeS滲硫層[1]。

FeS膜具有低剪切強度(即低干摩擦系數)和高熔點(1 100 ℃)，是優良的固體潤滑劑。其有大量微孔，可貯存潤滑油，易形成穩定的油膜，使油膜的耐壓能力提高2～3倍，防止摩擦副之間的直接接觸。在載荷作用下，軟質滲硫層易發生塑性變形，不但具有很低的摩擦系數(滲硫后的摩擦系數可降低20%～40%)，而且增加了承載面的實際接觸面積，從而降低了摩擦副的摩擦力，有效減少了摩擦熱[2]。

低溫離子滲硫工藝如圖1 所示。低溫離子滲硫在低溫離子滲硫爐中進行。滲硫過程中，套圈與滾子(非套裝)放在密閉加熱爐中，套圈采用摞擺的方式。加熱、保溫及冷卻期間均保證爐內為真空狀態。

圖1 低溫離子滲硫工藝

2 試驗用軸承及試驗條件

取GCr15鋼制NUP311NRV/C3軸承8套，將其中4套(編號為1#～4#)按圖1工藝進行低溫離子滲硫表面處理，另外4套(編號為5#～8#)不處理。

3 試驗結果

3.1 滲硫層深度測量及組織分析

在光學顯微鏡下觀察發現，軸承試樣表面形成滲硫層，其厚度為5 μm。軸承滾道低溫離子滲硫后的金相照片如圖2所示。

圖2 軸承滲硫后金相組織(500×)

3.2 滲硫處理前后的性能對比

低溫離子滲硫表面處理后的軸承經浸油后包裝發貨，所以滲硫處理為軸承的最終處理，要求軸承的尺寸、圓度、圓柱度、表面粗糙度、硬度、金相組織保持不變。為此將滲硫前后的軸承進行對比(表1、表2)，以便檢驗低溫離子滲硫表面處理后的軸承能否達到成品軸承的要求，從而證明低溫離子滲硫表面處理技術可以用于軸承。

表1 滲硫處理前后的內、外圈滾道尺寸偏差、圓度、圓柱度等對比 μm

表2 滲硫處理前后1#軸承的硬度、淬火組織對比

4 疲勞壽命對比試驗

將低溫離子滲硫處理與未滲硫處理的NUP311NRV/C3軸承各4套分別在2臺ABLT-1型試驗機上進行完全壽命試驗，為避免互相影響，每臺試驗機安裝2套被測軸承，2種軸承均獨立安裝。因試驗機無法自動變速，故采用恒定轉速。為了防止軸承在啟動瞬間產生嚴重磨損和燒傷，1#，2#，5#，6#軸承載荷由低到高由人工手動逐漸增加到試驗條件。3#，4#，7#，8#軸承直接加載至試驗載荷條件下試驗。試驗過程中由計算機自動監控軸承的運轉情況，直至軸承疲勞失效。試驗結果見表3，軸承疲勞失效狀態如圖3～圖6所示。

表3 疲勞壽命對比試驗結果

圖3 未滲硫處理軸承內圈疲勞失效

圖4 未滲硫處理軸承外圈疲勞失效

圖5 滲硫處理軸承內圈疲勞失效

圖6 滲硫處理滾子疲勞失效(磨損燒傷)

5 結果分析

(1)低溫離子滲硫的速度較快，一般經過1.5～4 h處理即可獲得3～20 μm左右的FeS滲硫層。該工藝穩定，簡單且易于操作。

(2)低溫離子滲硫表面處理對軸承的形狀及尺寸、圓度、圓柱度沒有影響，表面粗糙度好于未處理軸承，減小了軸承摩擦系數和阻力。

(3)低溫離子滲硫表面處理對軸承的金相組織、硬度均沒有影響；處理后軸承的各項壽命指標均遠遠好于未處理軸承，疲勞壽命試驗值均為未處理軸承的10倍左右，非常適用于滿裝滾子軸承。