大氣環(huán)境下濺射MoS2/Ti膜708C角接觸球軸承壽命試驗

張凱鋒，周暉，胡繼星，桑瑞鵬，萬志華

(蘭州空間技術物理研究所 表面工程技術重點實驗室，蘭州 730000)

MoS2具有典型的層狀結構，層內的Mo，S原子以較強的化學鍵結合，而層與層之間的作用力則是很弱的范德華力，這種結構使其層間較易滑動，具有優(yōu)異的潤滑特性。20世紀70年代，文獻 [1]將磁控濺射方法制備的MoS2薄膜成功應用于空間飛行器活動機構中，該研究成果引起了研究者們的強烈興趣。隨后的研究表明，濺射MoS2薄膜的摩擦學性能受多種因素影響，如沉積工藝、摻雜元素的種類以及存儲環(huán)境等，其中摻雜元素成為MoS2薄膜改性研究的一項重點內容。文獻[2]研究了在濺射沉積MoS2的同時，共沉積一些金屬元素，如Cr，Co，Ni和Ti等，能顯著提高薄膜在真空環(huán)境中的潤滑性能和磨損壽命。文獻[3]通過共沉積金屬Ti的方式，不僅可以提高濺射MoS2薄膜的潤滑壽命，還可以有效減小大氣環(huán)境存儲時水汽對其造成的負面影響。

盡管研究者們對濺射MoS2薄膜的制備工藝和摩擦學已經開展了大量的研究工作[2，4]，但對其在空間活動件中的基本潤滑過程和性能退化過程仍缺乏深入研究。隨著我國航天器設計壽命的普遍提高，對軸承等零部件的加速壽命試驗技術的要求更加迫切。直接開展真空環(huán)境下軸承加速壽命試驗研究耗時、耗力，且真空環(huán)境中引入的不穩(wěn)定因素增多，對機理分析和研究帶來諸多不確定性。盡管MoS2固體潤滑膜在大氣環(huán)境下的磨損機理與在真空環(huán)境下有所不同，但在大氣環(huán)境下進行短期模擬試驗可對后續(xù)真空環(huán)境試驗參數(shù)，如軸向載荷、轉速等的選擇提供參考。相對于真空環(huán)境下的試驗，大氣環(huán)境下的試驗臺更容易搭建，采集系統(tǒng)、線纜互相的干涉更易于去除；加載方式更為靈活，對故障的觀測更直觀。

下文以濺射潤滑膜MoS2/Ti的708C角接觸球軸承為對象，開展大氣環(huán)境下的加速壽命試驗研究，通過表面形貌、成分分析等手段研究不同軸向載荷對軸承潤滑壽命的影響，為真空環(huán)境下開展加速壽命試驗，確定適宜的軸向載荷提供參考。

1 試驗

試驗采用708C/P4型角接觸球軸承，內、外圈及球體材料均為9Cr18鋼，保持架為聚四氟乙烯基復合材料。軸承溝道濺射有MoS2/Ti潤滑膜，鍍膜工藝與膜參數(shù)參見文獻[5-6]。

試驗臺架結構如圖1所示，主要由電動機、聯(lián)軸器、軸、支承軸承、加載軸承、被試軸承、加載砝碼以及加載滑輪等組成。其中，被試軸承安裝在電動機遠端的軸承座中；電動機近端軸承為支承軸承；砝碼通過滑輪與位于軸中間位置的加載軸承連接，并把砝碼的重力通過加載軸承傳遞給被試軸承。試驗過程中可通過調節(jié)砝碼的重量控制被試軸承的軸向載荷，試驗施加的軸向載荷分別為40，50，60及70 N，轉速均為2 000 r/min。當紅褐色磨屑大量出現(xiàn)時，停止試驗。

圖1 大氣環(huán)境軸承試驗臺示意圖

試驗過程中分別采用CSM光學顯微鏡和X射線光電子能譜(XPS)觀察磨損面形貌與成分。

2 試驗結果與分析

2.1 滾動接觸表面形貌

初始跑合后，軸承內溝道和鋼球滾動接觸表面初始形貌如圖2所示，可觀察到軸承滾動接觸面均勻覆蓋一層潤滑膜。

圖2 軸承滾動接觸面初始形貌

708C軸承在轉速為2 000 r/min，軸向載荷分別為40，50，60及70 N的工況下，試驗相應轉數(shù)后軸承磨損表面形貌照片如圖3～圖6所示。試驗結束后，各滾動接觸面上原均布的膜層幾乎完全被破壞，隨著軸向載荷的增大，內溝道與鋼球表面剩余的潤滑劑呈遞減趨勢。軸向載荷為40 N時(圖3)，滾動接觸面上剩余的潤滑劑仍清晰可見，但與初始膜相比，剩余潤滑劑的分布已不連續(xù)，且內溝道中的潤滑劑向溝道兩邊轉移；軸向載荷為50 N時(圖4)，內溝道金屬表面已完全裸露，表面剩余的潤滑劑已經很少，但球表面的潤滑劑仍清晰可見；軸向載荷為60 N時(圖5)，內溝道和球表面已觀察不到潤滑劑，且內溝道表面出現(xiàn)了裂紋。然而，當軸向載荷為70 N時(圖6)，在內溝道表面發(fā)現(xiàn)大量剩余的潤滑膜，但潤滑膜有大片脫落的現(xiàn)象，且脫落區(qū)域金屬基底完全裸露，鋼球表面幾乎觀察不到潤滑劑。

圖3 軸向載荷40 N運轉2.16×107 r后滾動接觸面形貌

圖4 軸向載荷50 N運轉1.15×107 r后滾動接觸面形貌

圖5 軸向載荷60 N運轉6.48×106 r后滾動接觸面形貌

圖6 軸向載荷70 N運轉4.80×105 r后滾動接觸面形貌

分析結果表明，當軸向載荷為70 N時，磨損形貌已明顯發(fā)生變化，說明軸承在該工況下磨損機理已發(fā)生變化。

2.2 磨損過渡帶形貌分析

在對滾動接觸面進行形貌分析過程中發(fā)現(xiàn)，內溝道側面存在明顯的磨損過渡帶。為了進一步研究不同載荷對軸承潤滑過程的影響，對不同載荷試驗后的軸承內圈磨損過渡帶進行顯微分析。不同軸向載荷試驗后內圈磨損過渡帶的形貌如圖7所示。

圖7 不同軸向載荷試驗后內溝道磨損過渡帶形貌

由圖可知，施加40和50 N軸向載荷時，溝底磨損區(qū)域和溝道側面磨損區(qū)域均出現(xiàn)明顯的潤滑膜磨損痕跡，并存在有少量的潤滑膜，且溝道側面剩余的潤滑劑要比溝底的多一些，而施加50 N軸向載荷試驗后溝道側面剩余的潤滑膜比軸向加載40 N時更均勻；施加60 N軸向載荷時，盡管溝底磨損區(qū)域剩余的潤滑膜更少，但溝道側面剩余的潤滑膜更為致密；施加70 N軸向載荷時，溝底部有大片潤滑膜，溝道側面的潤滑膜更為致密和均勻，其形貌與軸承跑合后形成的初始潤滑膜接近。

綜上所述表明，軸承內圈的磨損過程隨著軸向載荷的增大而加劇，軸向載荷 70 N時潤滑膜出現(xiàn)大片脫落現(xiàn)象，說明該工況下潤滑過程已發(fā)生明顯變化；球表面的磨損隨著軸向載荷的增加而加劇；從磨損面過渡帶的形貌可以看出，內溝道側面的磨損程度隨著軸向載荷的增加而減弱，特別是施加60和70 N軸向載荷試驗后的內溝道側面潤滑膜仍然比較致密，這可能與軸向載荷增大使軸承在運轉過程中沿軸向的擺動幅度減小有關[7]。

2.3 滾動接觸面成分分析

濺射MoS2/Ti膜軸承經跑合后內溝道表面XPS分析圖譜如圖8所示。表面元素主要有S，Mo，Ti，F(xiàn)，C，O和Si等，其中S，Mo及Ti是濺射MoS2/Ti膜的主要組成元素；F，C，O，Si及N等是聚四氟乙烯基自潤滑材料的組成元素，主要來源于軸承跑合過程中自潤滑材料的轉移[7-9]。該結果與圖2顯微分析一致，表明跑合后的軸承磨損面均勻覆蓋了一層MoS2/Ti潤滑膜。

圖8 試驗前軸承內溝道初始成分

為了進一步研究試驗后滾動接觸面的成分，對軸向加載40 N試驗后的軸承內溝道進行XPS分析(圖9)。結果是表面元素成分有Fe，S，Mo，Ti，F(xiàn)，C，O和Si等，其中，F(xiàn)e為表面主要組成元素，說明潤滑膜被磨穿，基底已基本裸露。這表明大氣環(huán)境下濺射MoS2/Ti膜 708C軸承在運轉過程中，潤滑膜的持續(xù)磨損和消耗可能是導致潤滑失效的原因之一。

圖9 試驗后軸承內溝道成分

2.4 磨損率分析

分別對各組試驗軸承的球，保持架及內、外圈稱重，并計算磨損率。不同軸向載荷時各部分的磨損率曲線如圖10所示。

圖10 軸承各部分磨損率曲線

由圖可知，保持架磨損率最大，內圈次之，外圈最小；磨損率隨軸向載荷的增大均呈增大趨勢，但球和內、外溝道磨損率增加趨勢較緩。這可能是因聚四氟乙烯保持架材料具有優(yōu)良的轉移性能，在球與保持架兜孔持續(xù)接觸的應力作用下，聚四氟乙烯持續(xù)轉移至球，并通過球再轉移至內、外溝道，在此過程可能造成聚四氟乙烯材料“邊轉移，邊消耗”。保持架磨損率曲線的上升趨勢表明，軸向載荷為50，60和70 N時，保持架的磨損率呈較好的線性關系，而軸向載荷為40 N時保持架磨損率很低。

2.5 潤滑壽命分析

不同軸向載荷時的潤滑壽命曲線如圖11所示。可以看出，在載荷為40，50，60及70 N時，708C軸承潤滑壽命分別為2.16×107，1.15×107，6.48×106和4.8×105r。軸向加載40 N時壽命最長，而50～ 70 N時壽命則急劇下降，這一趨勢與圖10中保持架磨損率曲線趨勢一致。

圖11 潤滑壽命曲線

3 結論

(1)濺射MoS2/Ti膜的708C軸承在軸向載荷為40，50，60及70 N，轉速為2 000 r/min時，滾動接觸面上普遍存在一條清晰可見的磨損帶，且磨損程度隨著軸向載荷的增大而加劇，但當軸向載荷為70 N時，滾動接觸面上的潤滑膜大片脫落，說明潤滑過程已經發(fā)生明顯的變化。

(2)滾動接觸表面成分分析表明，濺射MoS2/Ti膜708C軸承大氣環(huán)境下潤滑膜的持續(xù)磨損和消耗可能是導致其潤滑失效的重要原因之一。

(3)軸承各部分的磨損率隨軸向載荷的增加均呈增大趨勢，其中保持架的磨損率最大，內圈次之，外圈磨損率最小；球和內、外溝道的磨損率增加趨勢較緩慢。