CrC復(fù)合鍍層鋼球?qū)S承振動性能的影響

李 言， 賈貴西， 袁啟龍， 崔鳳奎

（1.西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048；2.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

滾動軸承作為機器設(shè)備中的一類重要基礎(chǔ)零件，其振動直接影響主機的工作性能，尤其是對于精密設(shè)備；同時，軸承發(fā)出的振動噪聲污染周圍環(huán)境，影響人們的身心健康，因而，滾動軸承減振技術(shù)一直備受關(guān)注。影響滾動軸承振動的原因比較復(fù)雜，如設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)、軸承零件制造精度，另外，潤滑狀況、安裝精度等都會對振動產(chǎn)生影響。在滾動軸承四大件中，鋼球的質(zhì)量對軸承振動影響最大［1］。近年來，隨著軸承制造和裝配工藝水平的提高，潤滑對軸承振動的影響日漸顯現(xiàn)。摩擦和振動常見于機電裝備的運行過程中，并存在耦合作用［2］。

類石墨具有很低的摩擦系數(shù)和磨損率、適中的硬度、高承載能力和優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，且與鋼鐵材料摩擦?xí)r無“觸媒效應(yīng)”，是一種自潤滑性能優(yōu)異的潤滑材料［3，4］，鉻有良好的抗氧化性能和韌性，與鋼基底的結(jié)合性能好等特點，已作為過渡層應(yīng)用于多種硬質(zhì)膜層［5］。CrC鍍層具有類石墨和鉻的綜合性能，如：高硬度、低摩擦系數(shù)、低磨損率、良好的韌性及高承載能力，在油或水中有更出色的摩擦性能，隨著載荷的增加摩擦系數(shù)相應(yīng)降低［6，7］。因此，CrC鍍層是一種理想的減摩耐磨鍍層，具有寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景［8］。

非平衡磁控濺射離子鍍是一種新型的低溫、高效表面鍍膜技術(shù)，其鍍膜有組織均勻致密、附著性好，且易于實現(xiàn)多元梯度復(fù)合涂層的設(shè)計與沉積、工藝過程穩(wěn)定等特點［9，10］。本文應(yīng)用此技術(shù)，在6204軸承鋼球表面制備CrC復(fù)合鍍層，并對CrC鍍層鋼球軸承與無鍍層軸承的振動性能進行了試驗及對比分析，探討CrC復(fù)合鍍層鋼球?qū)L動球軸承振動性能的影響。

1 試驗部分

1.1 CrC復(fù)合鍍層的制備

采用西安理工大學(xué)自制非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備制備CrC復(fù)合鍍層，圖1所示為設(shè)備濺射原理示意圖。濺射靶為兩個C靶（純度為99.99%）和Cr靶（純度為99.99%）。在勻速繞旋轉(zhuǎn)軸（工件架的中心）旋轉(zhuǎn)凸輪的作用下，使工件架有規(guī)律地高低起伏的變化，以保證基體（鋼球）在濺射靶之間隨機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對基體（鋼球）的均勻鍍膜；并對基體（鋼球）施加一定的偏壓，以保證鍍層的質(zhì)量。在濺射沉積過程中，鍍層的工藝參數(shù)是逐步線性緩慢改變，使鍍層結(jié)構(gòu)逐漸平穩(wěn)過渡。

圖1 濺射原理示意圖Fig.1 Sputtering principle of facility

鋼球試樣放入真空室前用丙酮和酒精各超聲波清洗10 min，并冷風(fēng)吹干。鍍層沉積前本底真空度為4.0×10－3Pa，沉積時通入工作氣體氬氣（純度為99.99%），待氣壓升至0.12 Pa時，施加400 V的負(fù)偏壓對基體進行離子清洗15 min，以獲得清潔表面，提高膜與基體的附著強度；沉積過程中對基體施加負(fù)偏壓90 V，以提高鍍層質(zhì)量。CrC復(fù)層鍍層由Cr底層、Cr－C過渡層和C－Cr工作層組成。沉積底層時只打開Cr靶，保證鍍層與基體有良好的結(jié)合強度；沉積過渡層時逐漸降低Cr靶的電流和增大C靶的電流，保證鍍層結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)過渡；在沉積工作層時，固定Cr靶和C靶電流。CrC復(fù)層鍍層一共沉積6.5 h，鍍層厚度約為3 μm。

1.2 軸承試驗原理

所試驗滾動軸承為同一批次、相同精度的6204深溝球軸承（20 mm×47 mm×14 mm），鋼球個數(shù)為8個、直徑為7.938 mm，內(nèi)溝曲率系數(shù)0.520，外溝曲率系數(shù)為0.530，軸承材料為GCr15。軸承試驗原理與裝置如圖2所示。

圖2 6204軸承振動性能試驗原理Fig.2 Test principle of vibration performance of bearing 6204

試驗機主軸由高速無級調(diào)速電主軸直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速精度為±1﹪；加載采用比例液壓加載方式，控制加載精度為±1%。在試驗過程中，同一組試驗安裝相同的軸承，軸承的外圈靜止，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。用64號潤滑油潤滑軸承，供油壓力為1 MPa。測試軸承外圈溫度和殼體振動，以殼體振動作為判別軸承振動性能的基本依據(jù)。試驗過程中，軸承的振動、溫度和轉(zhuǎn)速等性能，試驗時間和電機電流等參數(shù)由計算機自動檢控。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)速對軸承振動的影響

圖3是在1.8 kN載荷作用下，6204軸承在不同轉(zhuǎn)速下的振動值。可以看出，隨轉(zhuǎn)速的變大，CrC鍍層鋼球軸承和無鍍層鋼球軸承的振動值都相應(yīng)的增大。但CrC鍍層軸承的振動值緩慢增大；無鍍層鍍層軸承的振動值增大比較明顯，特別是在中高轉(zhuǎn)速下振動值明顯劇烈增大。通過對兩振動曲線對比分析也可看出，在轉(zhuǎn)速低于1 500 r/min情況下，CrC鍍層鋼球軸承的振動值比無鍍層鋼球軸承的振動值還略大一點；在中高轉(zhuǎn)速作用下，CrC鍍層鋼球軸承的振動明顯比無鍍層鋼球軸承要小得多，說明CrC鍍層鋼球在中高轉(zhuǎn)速下對軸承有明顯的減振作用。

由于高速運轉(zhuǎn)的軸承會產(chǎn)生大量摩擦熱，將導(dǎo)致軸承出現(xiàn)一系列問題，如溝道和鋼球表面退火或燒傷、材料硬度的降低以及保持架引導(dǎo)面的燒蝕等［11］，影響到了軸承理想工作狀況，造成軸承的振動值隨轉(zhuǎn)速的提高而增大。CrC鍍層有優(yōu)良的低摩擦系數(shù)性能，致使CrC鍍層軸承產(chǎn)生的摩擦熱比無鍍層軸承少得多。因而，隨著轉(zhuǎn)速的提高，CrC鍍層的振動值緩慢平穩(wěn)增大，而無鍍層軸承的振動值則劇烈快速增大。

2.2 載荷對軸承振動的影響

在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，不同載荷對軸承振動影響。如圖4所示。可以看出，CrC鍍層鋼球軸承的振動值一直比較平穩(wěn)，不隨載荷的增大而變化，大約為0.41 g；無鍍層鋼球軸承的振動隨載荷的增大而有所增大，從0.57 g增加到0.71 g。可見，在不同載荷作用下，CrC鋼球鍍層軸承不隨載荷的增大而變大，鍍層軸承有明顯的減振作用，特別是在高載荷情況下減振效果更明顯。

CrC鍍層鋼球軸承的振動不隨載荷的增大而變大，是由于CrC鍍層有較高的硬度（大約2 700 HV）和良好的韌性，因而有良好的抗變形能力。在一定的載荷范圍內(nèi)，鍍層鋼球不隨載荷的增大而產(chǎn)生幾何變形，軸承振動值也就不隨載荷的變化而變化。

2.3 溫度對軸承振動的影響

在載荷為1.8 kN、轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，及溫升為10℃（從30℃到40℃）的情況下，測試CrC鍍層鋼球軸承和無鍍層鋼球軸承的振動值變化情況（如圖5所示）。從圖中可以看出，CrC鍍層鋼球軸承的振動不隨溫度的變化而變化，在測試過程中振動值一直穩(wěn)定在0.41 g左右，沒有大的波動。而無鍍層軸承在測試過程中振動值不穩(wěn)定，有較大的波動，且振動值隨溫度變化而有所變大，即從0.81 g增加到0.90 g。鍍層鋼球軸承的振動值大約相當(dāng)于無鍍層鋼球軸承50%。

圖3 轉(zhuǎn)速對6204軸承振動的影響Fig.3 Effect of speed on vibration of bearing 6204

圖4 載荷對6204軸承振動的影響Fig.4 Effect of loads on vibration of bearing 6204

圖5 溫度對6204軸承振動的影響Fig.5 Effect of temperature on vibration of bearing 6204

在一定溫度范圍內(nèi)，溫升對鍍層鋼球軸承的振動性能沒有影響。鍍層鋼球?qū)S承有良好減振作用，有良好的振動平穩(wěn)性。

3 結(jié)論

本文通過對CrC鍍層鋼球軸承與無鍍層軸承的振動性能對比試驗及分析，可以得出：CrC鍍層鋼球可以保證軸承有低振動性能和振動平穩(wěn)性能，特別是軸承在高轉(zhuǎn)速、高載荷運轉(zhuǎn)的情況下，CrC鍍層對軸承減振性能尤為明顯，這對于保證主機有良好性能精度是十分重要的。

［1］朱重黨.低噪聲微型深溝球軸承的設(shè)計［J］.軸承，2002，7－11.

［2］嚴(yán)珩志，王紅志，鐘 掘.諧波振動下線接觸彈流潤滑的仿真及分析［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2002，22（1）：62－65.

［3］Yang S，Teer D G.Investigation of sputtered carbon/chromium multi-layered coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2000，131：412 －416.

［4］Sua Y L，Liu T H，Su C T，et al.Effect of chromium content on the dry machining performance of magnetron sputtered CrxC coatings［J］.Materials Science and Engineering A，2004，364（1－2）：188－197.

［5］Singh V，Palshin V，Tittsworth R C，et al.Local structure of composite Cr-containing diamond-like carbon thin films［J］.Carbon，2006，44（7）：1280－1286.

［6］ Stallard J，Mercs D，Jarratt M，et al.A study of the tribological behaviour of three carbon-based coatings，tested in air，water and oil environments at high loads［J］.Surface and Coatings Technology，2004，177－178：545－551.

［7］ Camino D，Jones A H S，Mercs D，et al.High performance sputtered carbon coatings for wear resistant applications［J］.Vacuum，1999，52：125－131.

［8］ Yang S，Camino D，Jones A H S，et al.Deposition and tribological behaviour of sputtered carbon hard coatings［ J］.Surface and Coatings Technology，2000，124：110－116.

［9］Zhou J，Wu Z，Liu Z H.Influence and determinative factors of ion-to-atom arrival ratio in unbalanced magnetron sputtering systems［J］. Journal of University of Science and Technology，2008，15（6）：775 －781.

［10］ Kelly P J，Arnell R D，Ahmed W，et al.Novel engineering coatings produced by closed filed unbalanced magnetron sputtering［J］.Materials＆ Design，2003，4（17）：215.

［11］宋浩嵐.高溫高速球軸承的設(shè)計分析［J］.軸承，2003，3：8－10.