低溫離子滲硫表面處理對(duì)滿裝滾子軸承壽命的影響

王勁松，董玉雪，毛玉紅，張晶，石姣，姚艷書

(瓦房店軸承集團(tuán)公司 技術(shù)中心，遼寧 瓦房店 116300)

滿裝滾子軸承由于沒有保持架，滾動(dòng)表面的接觸面積較大，潤(rùn)滑條件差，使用過程中表面易產(chǎn)生磨損、燒傷，軸承易發(fā)生早期疲勞，使用壽命較低。為提高滿裝滾子軸承壽命，通過對(duì)其進(jìn)行低溫離子滲硫表面處理，以便獲得良好的減摩抗咬合性能。

1 低溫離子滲硫表面處理工藝

低溫離子滲硫表面處理原理為：將待滲硫的干凈零件放在低真空容器內(nèi)的陰極板上(載物臺(tái))，將低真空容器的外殼接陽極，在低真空容器內(nèi)通入含硫氣體，由脈沖電源在陰陽極兩端加高電壓，當(dāng)電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，硫氣氛在電場(chǎng)作用下電離成硫離子，運(yùn)動(dòng)到陰極附近時(shí)受極壓作用而加速，被加速的硫離子轟擊金屬表面，與鐵原子發(fā)生反應(yīng)形成3～30 μm的FeS滲硫?qū)覽1]。

FeS膜具有低剪切強(qiáng)度(即低干摩擦系數(shù))和高熔點(diǎn)(1 100 ℃)，是優(yōu)良的固體潤(rùn)滑劑。其有大量微孔，可貯存潤(rùn)滑油，易形成穩(wěn)定的油膜，使油膜的耐壓能力提高2～3倍，防止摩擦副之間的直接接觸。在載荷作用下，軟質(zhì)滲硫?qū)右装l(fā)生塑性變形，不但具有很低的摩擦系數(shù)(滲硫后的摩擦系數(shù)可降低20%～40%)，而且增加了承載面的實(shí)際接觸面積，從而降低了摩擦副的摩擦力，有效減少了摩擦熱[2]。

低溫離子滲硫工藝如圖1 所示。低溫離子滲硫在低溫離子滲硫爐中進(jìn)行。滲硫過程中，套圈與滾子(非套裝)放在密閉加熱爐中，套圈采用摞擺的方式。加熱、保溫及冷卻期間均保證爐內(nèi)為真空狀態(tài)。

圖1 低溫離子滲硫工藝

2 試驗(yàn)用軸承及試驗(yàn)條件

取GCr15鋼制NUP311NRV/C3軸承8套，將其中4套(編號(hào)為1#～4#)按圖1工藝進(jìn)行低溫離子滲硫表面處理，另外4套(編號(hào)為5#～8#)不處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 滲硫?qū)由疃葴y(cè)量及組織分析

在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，軸承試樣表面形成滲硫?qū)樱浜穸葹? μm。軸承滾道低溫離子滲硫后的金相照片如圖2所示。

圖2 軸承滲硫后金相組織(500×)

3.2 滲硫處理前后的性能對(duì)比

低溫離子滲硫表面處理后的軸承經(jīng)浸油后包裝發(fā)貨，所以滲硫處理為軸承的最終處理，要求軸承的尺寸、圓度、圓柱度、表面粗糙度、硬度、金相組織保持不變。為此將滲硫前后的軸承進(jìn)行對(duì)比(表1、表2)，以便檢驗(yàn)低溫離子滲硫表面處理后的軸承能否達(dá)到成品軸承的要求，從而證明低溫離子滲硫表面處理技術(shù)可以用于軸承。

表1 滲硫處理前后的內(nèi)、外圈滾道尺寸偏差、圓度、圓柱度等對(duì)比 μm

表2 滲硫處理前后1#軸承的硬度、淬火組織對(duì)比

4 疲勞壽命對(duì)比試驗(yàn)

將低溫離子滲硫處理與未滲硫處理的NUP311NRV/C3軸承各4套分別在2臺(tái)ABLT-1型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行完全壽命試驗(yàn)，為避免互相影響，每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)安裝2套被測(cè)軸承，2種軸承均獨(dú)立安裝。因試驗(yàn)機(jī)無法自動(dòng)變速，故采用恒定轉(zhuǎn)速。為了防止軸承在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生嚴(yán)重磨損和燒傷，1#，2#，5#，6#軸承載荷由低到高由人工手動(dòng)逐漸增加到試驗(yàn)條件。3#，4#，7#，8#軸承直接加載至試驗(yàn)載荷條件下試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中由計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，直至軸承疲勞失效。試驗(yàn)結(jié)果見表3，軸承疲勞失效狀態(tài)如圖3～圖6所示。

表3 疲勞壽命對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖3 未滲硫處理軸承內(nèi)圈疲勞失效

圖4 未滲硫處理軸承外圈疲勞失效

圖5 滲硫處理軸承內(nèi)圈疲勞失效

圖6 滲硫處理滾子疲勞失效(磨損燒傷)

5 結(jié)果分析

(1)低溫離子滲硫的速度較快，一般經(jīng)過1.5～4 h處理即可獲得3～20 μm左右的FeS滲硫?qū)印Ｔ摴に嚪€(wěn)定，簡(jiǎn)單且易于操作。

(2)低溫離子滲硫表面處理對(duì)軸承的形狀及尺寸、圓度、圓柱度沒有影響，表面粗糙度好于未處理軸承，減小了軸承摩擦系數(shù)和阻力。

(3)低溫離子滲硫表面處理對(duì)軸承的金相組織、硬度均沒有影響；處理后軸承的各項(xiàng)壽命指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于未處理軸承，疲勞壽命試驗(yàn)值均為未處理軸承的10倍左右，非常適用于滿裝滾子軸承。