基于CrCN復(fù)合鍍層鋼球軸承的性能可靠性研究

賈貴西 常家東 李 言 袁啟龍

1.洛陽理工學(xué)院，洛陽，471023 2.西安理工大學(xué)，西安，710048

0 引言

滾動(dòng)軸承是各類機(jī)械裝備廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)件，其使用性能對(duì)主機(jī)的使用性能有非常大的影響，因而，軸承的性能可靠性研究一直倍受關(guān)注。軸承的失效一般都發(fā)生在工作接觸表面或表面層［1］，改善軸承零件接觸表面的綜合性能，是提高軸承性能可靠性的重要措施。!

表面改性技術(shù)能夠延長軸承壽命、降低摩擦力矩，是提高軸承性能可靠性的有效手段［2-3］。磁控濺射離子鍍技術(shù)是一種新型的低溫、高效表面改性技術(shù)，其鍍膜具有組織均勻致密、附著性好、制備工藝穩(wěn)定等特點(diǎn)［4］，適宜作為精密軸承零件的最終處理工序，但該技術(shù)在滾動(dòng)軸承上的應(yīng)用在國內(nèi)尚鮮見報(bào)道。

類金剛石具有力學(xué)和摩擦學(xué)性能良好、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，是一種優(yōu)良的薄膜材料［5-6］，在軸承、齒輪、航天微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，單一的類金剛石鍍層存在很大的缺陷(內(nèi)應(yīng)力大、膜-基附著強(qiáng)度低等)，限制了其在產(chǎn)品中的應(yīng)用［5-6］。通過摻入一定量附加元素到類金剛石鍍層，可以極大地提高其附著強(qiáng)度和韌性，改善其使用性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍［7-9］。鉻與鋼基體有很好的親和力，CrN鍍層具有良好的膜基結(jié)合強(qiáng)度、較高的硬度和很好的熱穩(wěn)定性，常用于提高工件表面的耐磨性［10］。

鑒于此，本文將鉻和氮兩種元素?fù)饺氲筋惤饎偸∧ぶ校瑧?yīng)用磁控濺射離子鍍技術(shù)在6204軸承鋼球表面制備CrCN復(fù)合鍍層，探討CrCN復(fù)合鍍層對(duì)軸承性能可靠性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 CrCN復(fù)合鍍層鋼球的制備

圖1為制備CrCN復(fù)合鍍層的磁控濺射設(shè)備的濺射原理示意圖。制備CrCN復(fù)合鍍層的磁控濺射靶為2個(gè)C靶和2個(gè)Cr靶，C靶和Cr靶相互間隔均布于真空室側(cè)壁，C靶和Cr靶中的C元素和Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不小于99.99%，N2的體積分?jǐn)?shù)不小于99.99%。制膜時(shí)的靶-基距約為120mm。鍍層制備過程中，試樣臺(tái)在真空室內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼球試樣在試樣臺(tái)的載物架上隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證鍍膜的均勻性和性能的一致性;對(duì)試樣施加一定的偏壓，以保證鍍層的致密性，提高制模質(zhì)量。沉積過程中的工藝參數(shù)是逐步緩慢改變的，以使制備的鍍層結(jié)構(gòu)平穩(wěn)過渡，減小制模的內(nèi)應(yīng)力。

圖1 濺射原理示意圖

鋼球試樣在放入真空室前用丙酮和酒精進(jìn)行超聲波清洗，以除去其表面的雜質(zhì)，提高膜-基附著強(qiáng)度;鍍層沉積前的本底真空度為4.0mPa，沉積時(shí)通入氬氣(體積分?jǐn)?shù)不小于99.99%)，待氣壓升至0.12Pa時(shí)，施加400V的負(fù)偏壓對(duì)基體進(jìn)行離子清洗，以獲得清潔的基體表面，并活化基體，提高膜-基的附著強(qiáng)度;沉積過程中，對(duì)基體施加90V的負(fù)偏壓。CrCN復(fù)合鍍層主要包括離子清洗、Cr打底層、Cr-C梯度過渡層和Cr-C-N納米復(fù)合工作層。在沉積Cr-C-N納米復(fù)合工作層時(shí)，C靶材電流為1.2A，Cr靶材電流為1.0A，N2的流量用光發(fā)射譜法來控制。制備的CrCN復(fù)合鍍層中，主成分元素的原子數(shù)百分比如下:C 為28.0%，Cr為64.06%，N 為7.84%，復(fù)合鍍層的厚度約為1.5μm。

1.2 性能可靠性實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T50013《滾動(dòng)軸承壽命及性能可靠性實(shí)驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)要求，在進(jìn)行軸承接觸疲勞性能可靠性壽命實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速、載荷分別為6000r/min和7.0kN。

精密軸承要求有高的壽命可靠度(99%)，其壽命計(jì)算公式［11］為

式中，L1a為99% 可靠度下的疲勞壽命，h;α為99% 壽命可靠度修正系數(shù)，α=0.21;L10h為90% 可靠度下的疲勞壽命，h;n為實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min;F0r為實(shí)驗(yàn)軸承的額定動(dòng)載荷，kN;F為軸承的實(shí)驗(yàn)載荷，kN;ε為疲勞壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承取3。

由式(1)可知，精密6204滾動(dòng)球軸承在6000r/min和7.0kN作用下的疲勞壽命(99%可靠度)約為28h。

1.3 軸承性能可靠性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的6204軸承為同一批次、相同精度的軸承，材料為GCr15。6204軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:內(nèi)徑為20mm，外徑為47mm，寬度為14mm，鋼球個(gè)數(shù)為8，鋼球直徑為7.938mm，內(nèi)溝曲率系數(shù)為0.525，外溝曲率系數(shù)為 0.535。

6204軸承實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。此實(shí)驗(yàn)機(jī)每次實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)安裝4套實(shí)驗(yàn)軸承，其主軸由電主軸驅(qū)動(dòng)，并由變頻器來實(shí)現(xiàn)電主軸的無級(jí)調(diào)速(轉(zhuǎn)速誤差不大于1%);加載采用比例液壓加載方式(加載誤差不大于1%);用軸承專用潤滑油潤滑實(shí)驗(yàn)軸承，軸承潤滑油的溫度由油冷機(jī)自動(dòng)控制，控制溫度浮動(dòng)范圍為5℃，供油壓力為1MPa。實(shí)驗(yàn)過程中，每次實(shí)驗(yàn)安裝4套相同的軸承，軸承的外圈靜止、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。測試軸承外圈溫度和殼體振動(dòng)，并將其作為判別軸承性能和性能可靠性的基本依據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中，軸承的溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)及實(shí)驗(yàn)時(shí)間由計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢控。

2 結(jié)果與討論

2.1 CrCN復(fù)合鍍層的制備質(zhì)量

圖2 軸承實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3所示為JSM-6700F型掃描電子顯微鏡觀察得到的CrCN復(fù)合鍍層的表面形貌。可以看出，復(fù)合鍍層表面平滑，顆粒細(xì)小而均勻、排列結(jié)合致密，沒有鱗狀剝落和團(tuán)聚等缺陷。SP13800-SPA-400型原子力顯微鏡測得的復(fù)合鍍層表面粗糙度Ra=7.526nm(無鍍層基體表面粗糙度Ra=100nm)。這表明復(fù)合鍍層可以降低試樣基體表面的粗糙度，減小基體的表面缺陷。因而，采用磁控濺射技術(shù)制備出的復(fù)合鍍層提高了試樣基體的表面質(zhì)量。

圖3 CrCN鍍層的表面形貌

2.2 鍍層軸承的性能可靠性

圖4所示為鍍層軸承性能和無鍍層軸承性能可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖4可以看出:在軸承穩(wěn)定工作時(shí)間內(nèi)，鍍層軸承的振動(dòng)值大約為0.50g，無鍍層軸承的振動(dòng)值大約在0.76g;鍍層軸承的振動(dòng)值的波動(dòng)小，無鍍層軸承的振動(dòng)值有大的鋸齒狀的波動(dòng)。由此可見，鍍層降低了軸承的振動(dòng)值，提高了振動(dòng)的穩(wěn)定性，這說明CrCN復(fù)合鍍層能夠提高軸承的性能及性能可靠性。

圖4 性能可靠性實(shí)驗(yàn)

由鍍層軸承性能可靠性進(jìn)行的測試結(jié)果(圖4a)可以看出，鍍層軸承的耐磨性振動(dòng)曲線大致可分為3個(gè)階段:第一階段是0～46h，此階段鍍層軸承的振動(dòng)非常穩(wěn)定，顯示CrCN復(fù)合鍍層完好，鍍層軸承在穩(wěn)定工作;第二階段大約是46～48h，鍍層軸承的振動(dòng)已有逐漸變大的趨勢，表明CrCN復(fù)合鍍層逐漸被破壞;48h后為第三階段，鍍層軸承的振動(dòng)明顯快速增大，可以認(rèn)定CrCN復(fù)合鍍層已破壞。可見，鍍層軸承的性能可靠性壽命為46～48h，而精密軸承要求其可靠性壽命為28h，因而，制備的CrCN復(fù)合鍍層鋼球軸承的性能可靠性壽命完全滿足精密軸承的壽命可靠性相關(guān)要求。另外，還可根據(jù)精密軸承使用工況條件的不同，適當(dāng)增加CrCN鍍層制備厚度，以提高鍍層軸承的耐磨性和性能可靠性。

實(shí)驗(yàn)過程中油冷機(jī)設(shè)置的工作溫度變化范圍為5℃，這使實(shí)驗(yàn)軸承的溫度呈現(xiàn)出鋸齒狀的波動(dòng)。溫度的波動(dòng)是導(dǎo)致無鍍層軸承的振動(dòng)呈現(xiàn)明顯鋸齒狀的主要直接原因之一，溫度的變化對(duì)無鍍層軸承的性能可靠性影響是非常大的。

2.3 軸承的失效分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)軸承的失效進(jìn)行了觀察分析，從觀察各個(gè)失效的軸承情況來看:鍍層軸承的內(nèi)外圈滾道看不到任何失效，都完好如初，而鋼球上的復(fù)合鍍層幾乎已磨損完，復(fù)合鍍層磨損形貌如圖5a所示，無鍍層軸承的失效特征如圖5b所示，可以看出其失效形式主要是疲勞剝落失效。用X射線能譜分析方法對(duì)圖5a選區(qū)的元素含量(能量)進(jìn)行了分析，其分析結(jié)果如圖6所示，材料表層元素主要為鐵元素，此外還含有鉻元素和碳元素，此時(shí)的元素含量已不是前述的復(fù)合鍍層的各元素含量，這表明鍍層軸承的失效主要是由于鍍層的磨損失效。

圖5 軸承失效形貌

圖6 選區(qū)元素的含量

鍍層軸承的主要失效形式是鍍層的磨損失效，因而，提高鍍層耐磨性是提高鍍層軸承的性能可靠性的關(guān)鍵。可以采取提高鍍層硬度、耐磨性、韌性、膜-基附著強(qiáng)度，減小鍍層的摩擦因數(shù)和殘余拉應(yīng)力，適當(dāng)增大鍍層的厚度等措施，來提高鍍層的性能可靠性，進(jìn)而提高鍍層軸承的性能可靠性。

3 結(jié)論

(1)采用磁控濺射離子鍍技術(shù)制備的CrCN復(fù)合鍍層能夠極大地提高軸承的性能及性能可靠性，是提高軸承性能及性能可靠性的有效途徑。

(2)鍍層軸承的失效形式是鍍層的磨損失效，提高鍍層的耐磨損性能和減小鍍層磨損量的措施都可以提高鍍層軸承的性能可靠性。

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