離子濺射WS2涂層對軸承性能的影響

張彥合，周琳，劉文勝，朱志斌

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

離子濺射WS2涂層是軸承的一種先進表面潤滑方法。WS2以分子狀態牢固地與基材結合成一體，可以顯著地降低摩擦因數、減少磨損，有效解決軸承的早期潤滑問題。由于離子濺射WS2表面處理是軸承零件加工的最終處理工序，其會引起軸承零件表面形狀誤差和表面粗糙度的變化，進而影響軸承精度和使用性能。因此，必須對鍍膜后的軸承溝道圓度、溝形誤差、表面波紋度和表面粗糙度等的變化規律進行系統分析，對成套軸承旋轉精度和使用性能的變化進行測試分析，以保證軸承在主機上使用的可靠性。

1 WS2涂層鍍膜原理

離子濺射WS2涂層的工作原理為：首先使用13.5 MHz和2 kW的射頻濺射儀及氬氣凈化系統，在鍍膜室抽至高真空后(氣壓8×10-5Pa),充入氬氣至工作氣壓4.0 Pa；接通旋轉機構使工件旋轉，離子轟擊清理工件表面15 min；然后對靶施加400～1 000 V的負電壓，產生輝光發電，氬離子轟擊靶材表面，使靶材原子從靶表面濺射下來，向工件遷移，遷移過程中部分被電離，并在工件負偏壓的作用下沉積于工件表面，形成涂層。靶由WS2粉烘干后與硫壓制而成，WS2粉質量分數為 90%～99%，硫為1%～10% 。

利用上述射頻濺射離子鍍膜工藝形成的WS2涂層膜厚僅為0.5 μm，硬度30 HRC，膜最高承載可達到100 kPa，滑動摩擦因數動態僅為0.03，靜態為0.07，在正常的大氣壓下潤滑溫度為-273～650 ℃，是良好的干膜潤滑劑，可有效解決表面磨損。

利用球-盤摩擦、磨損試驗機進行試驗(鋼球直徑12.7 mm，鋼球固定，盤試樣旋轉[1])，結果表明：WS2涂層具有優異的減摩耐磨性能，鍍膜后磨損率從2.486×10-5g/m降到0.399×10-5g/m，摩擦因數從0.29降到0.035 5。

2 試驗

選取同批次的8套6308ETN1軸承用于試驗，套圈和鋼球材料均為GCr15，保持架材料為聚酰胺PA66-GF25。采用射頻濺射離子鍍膜工藝對其中4套軸承進行離子濺射WS2表面處理，鍍膜位置為內、外圈溝道，膜厚為0.5 μm。

將8套軸承逐一編號，其中1#～4#為鍍膜軸承，5#～8#為未鍍膜軸承。將其分為2組，先后裝入同一臺試驗機進行試驗。第1組1#，2#軸承分別安裝在1，2號位； 3#，4#軸承分別安裝在3，4號位；第2組5#，6#軸承分別安裝在1，2號位， 7#，8#軸承分別安裝在3，4號位。試驗時關閉試驗機潤滑油路，軸承轉速為5 000 r/min，徑向載荷為2 kN，連續運轉8 h。試驗機結構如圖1所示。

1—試驗軸；2—襯套；3—1號位軸承；4—2號位軸承；5—載荷體；6—3號位軸承；7—4號位軸承

3 試驗結果與分析

用Taylor輪廓儀、圓度儀等檢測軸承內、外溝道鍍膜前后的圓度、表面波紋度、表面粗糙度、溝形誤差及溝曲率半徑的變化，結果見表1和表2。

表1鍍膜前后內、外溝道圓度、表面波紋度及溝形誤差對比 μm

表2 鍍膜前后內、外溝道溝曲率半徑及表面粗糙度對比 μm

用軸承測量儀B013，B014及游隙儀X093等檢測軸承鍍膜前后的精度和游隙的變化，結果見表3。

表3 鍍膜前后軸承的旋轉精度及游隙對比 μm

從測試結果看，鍍膜前后軸承的旋轉精度、游隙及溝道圓度、溝形誤差、溝曲率半徑變化均不大，溝道表面波紋度及表面粗糙度略微降低，說明離子濺射WS2表面處理對軸承精度影響不大。對于普通軸承，鍍膜后的套圈可不檢測直接裝配成套；但對振動噪聲有特殊要求的軸承，應嚴格控制套圈溝道的表面波紋度及表面粗糙度，以確保鍍膜軸承質量滿足要求。

4 溫升對比試驗及結果分析

溫升是衡量軸承性能的重要指標之一，較低的溫升可以使軸承在高轉速下長時間的運轉。在同一試驗機和相同工況下對比軸承的溫升指標，以確定軸承鍍層的潤滑性能。軸承鍍膜前、后的溫升曲線如圖2所示。

圖2 軸承鍍膜前后溫升曲線圖

通過試驗數據可以看出，軸承連續運轉8 h，鍍膜軸承的最高溫升為10 ℃，平均溫升為7.75 ℃；而未鍍膜軸承的最高溫升為15 ℃，平均溫升為13.25 ℃，這表明 WS2涂層潤滑效果明顯。

按上述試驗條件對鍍膜軸承進行加強試驗，軸承每連續運轉8 h停機0.5 h，共運轉32 h后停機將軸承拆下。用B013，B014測量儀及X093游隙儀等檢測軸承的精度和游隙，發現試驗前后軸承的精度及游隙基本沒有變化，在無潤滑介質、輕載、短時間運轉的情況下，WS2涂層對軸承精度及游隙基本沒有影響。隨后解體軸承并進行檢查發現，鍍膜軸承套圈溝道與鋼球接觸位置有明顯的磨損痕跡，嚴重的地方已將涂層的蘭灰色逐漸磨損掉，露出GCr15基體磨加工表面的光亮色。用X射線熒光分析儀X-Suppereme 8000、手持式合金分析儀S1 Sorter、掃描電子顯微鏡及能譜分析儀JSM-6610LV對WS2涂層磨損表面進行分析，結果發現磨損后W元素的質量分數由試驗前的0.91%降低到0.39%，S元素的質量分數由試驗前的0.218%降低到0.108%，并且在鋼球上檢測到了W元素(質量分數為0.23%)和S元素(質量分數為0.079%)，在鋼球表面形成了WS2轉移膜。

5 結論

(1)采用射頻濺射離子鍍膜工藝對軸承零件進行離子濺射WS2表面處理(膜厚0.5 μm)，對軸承零件精度、成品精度及游隙基本沒有影響，但是對于高精密軸承或有特殊要求的軸承，應該嚴格控制套圈溝道表面波紋度及表面粗糙度。

(2)在無任何潤滑介質的情況下，WS2涂層可以有效減小摩擦，降低溫升，顯著提高軸承的潤滑性能，但WS2涂層磨損較快，只能解決軸承早期的潤滑問題。

(3)鍍膜軸承工作時，溝道上的WS2涂層會發生轉移，在鋼球表面形成WS2轉移膜。