WS2復合潤滑膜制備及軸承性能試驗分析

2016-07-24 13:22:00謝鵬飛代彥賓靳國棟李超強屈馳飛

軸承 2016年5期

謝鵬飛，代彥賓，靳國棟，李超強，屈馳飛

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南洛陽 471039；4.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003）

某高速電動機用微型角接觸球軸承的外形尺寸為φ10 mm×φ15 mm×2.5 mm，工作溫度為-196～55℃，電動機轉速要在4 s內達到7 200 r／min。由于軸承工作溫度極低，因此只能采用自潤滑方案。國外同型號軸承的自潤滑性能優異，單套軸承的啟動摩擦力矩不大于0.05 N·mm，且力矩波動值不大于0.02 N·mm。文獻［1］對該型號軸承用自潤滑保持架的材料進行了深入研究，篩選出保持架材料的最佳配方，其自潤滑性能基本滿足主機的使用要求，但軸承性能與國外軸承相比仍有差距；另外，軸承在使用前需先進行5 h的低速跑合才能在工作表面形成固體潤滑膜，且啟動摩擦力矩的合格率低，致使研制周期長。

目前在低溫、高溫或真空的極端特殊環境下使用的固體潤滑材料分為3種類型，即軟金屬、高分子和層狀晶體結構物質。銀、鉛等軟金屬類潤滑劑易受外來氣體的影響，大多在超高真空中使用；高分子類潤滑劑主要使用于高清潔度和耐腐蝕環境中，在軸承中主要作為保持架材料使用；層狀晶體結構物質適用于高低溫、真空用途以及在固體潤滑中需要更長壽命的場合，如MoS2，WS2等。

MoS2和WS2薄膜因承載能力高、摩擦因數低、耐磨性強等優點廣泛用于航天航空工業領域［2-4］。WS2薄膜性能更優、使用溫度范圍更寬，但純WS2薄膜在潮濕空氣中摩擦時易發生氧化，降低摩擦學性能，需通過WS2薄膜改性使軸承在大氣中具有良好的潤滑效果和較長的使用壽命。因此，通過工藝優化對純WS2薄膜進行改進，制備WS2復合薄膜來提高薄膜的抗氧化和摩擦性能，以進一步改善軸承在運轉初期的潤滑狀態，并通過軸承的測試、試驗以及與國外產品對比驗證軸承的性能。

1 WS2復合潤滑膜的制備與檢測

1.1 膜層的制備

為提高WS2薄膜的抗氧化和摩擦性能，進行了多次工藝改進試驗，最終通過靶材燒結和膜層制備工藝方面的改進，制備出了耐磨性和抗氧化性更優的WS2復合潤滑膜。

WS2靶材的燒結采用熱等靜壓法，工藝流程如圖1所示。該方法與傳統靶材燒結工藝相比具有以下優點：

圖1 熱等靜壓燒結WS2靶材的工藝流程Fig.1 Technological process for hot isostatic pressing sintering of target material WS2

1）可以壓縮成形狀復雜的靶材，且燒結后靶材微觀組織結構一致性好；

2）高的氣體密度可以促進熱交換，提高加熱速度，縮短循環時間；

3）由于加熱非常一致，脆性材料也可以壓縮成形。

WS2薄膜分為晶態結構和非晶態結構。晶態結構WS2薄膜的晶體結構示意圖如圖2所示。若微晶的c軸平行于基面（∥c），稱為I型結構；若微晶的c軸垂直于基面（⊥c），稱為II型結構。在摩擦試驗中，I型結構薄膜比II型更易于與環境中的氧氣和水蒸氣發生化學反應，II型結構薄膜即使暴露在潮濕的環境中，也具有較好的摩擦學性能。而非晶態結構的WS2薄膜在外界應力的作用下會轉向II型結構。

圖2 WS2晶體結構示意圖Fig.2 Diagram of crystal structure of WS2

采用離子束納米沉積技術制備非晶態結構的WS2薄膜，該方法不僅可以大大提高沉積膜的密度，與基底產生界面共混，提高膜層和基體材料的結合力，還可以通過調整工藝參數，制備多層薄膜。經過反復試驗發現：在純WS2薄膜中加入Ag有利于獲得非晶態的WS2復合薄膜，該種薄膜的耐磨性和抗氧化能力均比純WS2薄膜優異。

1.2 膜層性能檢測

1.2.1 結合力檢測

結合力是表征膜層質量的重要指標之一，為更好地檢驗WS2復合薄膜與基體的結合力，分別采用劃格法和摩擦磨損試驗來檢測。

1）劃格法

采用GB／T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》檢測WS2復合薄膜和基材之間結合力，結果如圖3所示。由圖可知，沉積的WS2復合膜與基材之間的結合力良好，未出現任何剝落。

圖3 劃格法檢測結果Fig.3 Test result of cross-cut method

2）摩擦磨損試驗

WS2復合薄膜的結合力直接影響其摩擦磨損性能，因此，通過摩擦磨損試驗來進一步驗證WS2復合薄膜與基材之間的結合力。固體潤滑膜摩擦磨損性能的評價參數主要為摩擦因數和耐久性（或壽命），耐久性一般用最大摩擦因數達到0.3時的往復次數或摩擦距離評估。采用球-盤式循環摩擦方式進行摩擦磨損試驗，根據軸承的使用工況，確定試驗條件及合格判據為：在軸向載荷2 N、轉速500 r／min的條件下，連續運轉2 h，膜層的摩擦因數不大于0.3，則膜層合格。經試驗，WS2復合薄膜試驗后的摩擦因數為0.1，因此，該膜層合格。

1.2.2 軸承樣件沉積膜層的檢測

采用掃描電子顯微鏡對內、外圈膜層形貌和成分進行局部抽檢，檢測結果如圖4所示。由圖可知，軸承工作表面的膜層分布均勻，無大顆粒和剝落現象。

圖4 WS2膜層掃描電鏡照片Fig.4 Scanning electron micrograph of WS2 film

2 軸承性能測試

為驗證表面沉積WS2復合薄膜后軸承的性能，選擇4套軸承（編號A，B，C，D），其中A與B，C與D分別配對使用，在軸承沉積WS2復合薄膜前后測試其啟動摩擦力矩。

2.1 設備及條件

1）儀器：YZC-Ⅱ型摩擦力矩測試儀；

2）軸向載荷：3 N；

3）條件：軸承在不加潤滑油的條件下測試，每套軸承正、反轉各測試5個點。

2.2 測試結果

4套軸承沉積WS2復合薄膜前后的啟動摩擦力矩平均值及波動值見表1。由表可知，沉積WS2薄膜后的啟動摩擦力矩整體降低，波動值大幅度下降。

表1 啟動摩擦力矩平均值及波動性對比Tab.1 Contrast of average value and volatility of startup friction torque N·mm

3 軸承試驗分析

軸承工作轉速為7 200 r／min，僅通過啟動摩擦力矩測試無法驗證WS2復合薄膜對軸承運轉初期潤滑的改善作用，還需進行軸承的高速運轉試驗來進一步驗證WS2薄膜的潤滑性能。

3.1 試驗方案

采用固體潤滑保持架的軸承在裝機前需要先進行低速預跑合，待軸承工作表面形成固體潤滑膜后方能在高速下運轉。若WS2薄膜能夠改善軸承運轉初期的潤滑狀態，則軸承可直接在高速下運轉。選取2套同型號未沉積WS2薄膜的軸承（編號E，F），再從之前測試過的4套沉積WS2薄膜軸承中任意選取2套（C，D），軸向載荷設定為5 N，在ZYS-202上進行跑合試驗，具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案Tab.2 Test schemes

3.2 試驗結果分析

軸承啟動摩擦力矩曲線分別如圖5、圖6所示。由于重點研究復合沉積WS2薄膜軸承的性能，因此C，D軸承的啟動摩擦力矩測試次數較多。

圖5 E，F軸承啟動摩擦力矩曲線Fig.5 Startup friction torque curves of bearings E and F

圖6 C，D軸承啟動摩擦力矩曲線Fig.6 Startup friction torque curves of bearings C and D

由圖5、圖6可知：E，F軸承在性能試驗過程中摩擦力矩的波動較大，約為0.09 N·mm，試驗結束后2套軸承的啟動摩擦力矩分別為0.034，0.053 N·mm；C，D軸承未經過預跑和，但在性能驗過程中摩擦力矩的波動較小，約為0.05 N·mm，試驗結束后2套軸承的啟動摩擦力矩分別為0.025，0.018 N·mm，說明WS2復合薄膜有效改善了軸承高速運轉初期的潤滑狀態。

試驗后分解軸承，并對溝道形貌進行光學及掃描電鏡觀察，結果如圖7、圖8所示。