離子濺射WS2涂層對(duì)軸承性能的影響

張彥合，周琳，劉文勝，朱志斌

(洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

離子濺射WS2涂層是軸承的一種先進(jìn)表面潤(rùn)滑方法。WS2以分子狀態(tài)牢固地與基材結(jié)合成一體，可以顯著地降低摩擦因數(shù)、減少磨損，有效解決軸承的早期潤(rùn)滑問(wèn)題。由于離子濺射WS2表面處理是軸承零件加工的最終處理工序，其會(huì)引起軸承零件表面形狀誤差和表面粗糙度的變化，進(jìn)而影響軸承精度和使用性能。因此，必須對(duì)鍍膜后的軸承溝道圓度、溝形誤差、表面波紋度和表面粗糙度等的變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)成套軸承旋轉(zhuǎn)精度和使用性能的變化進(jìn)行測(cè)試分析，以保證軸承在主機(jī)上使用的可靠性。

1 WS2涂層鍍膜原理

離子濺射WS2涂層的工作原理為：首先使用13.5 MHz和2 kW的射頻濺射儀及氬氣凈化系統(tǒng)，在鍍膜室抽至高真空后(氣壓8×10-5Pa),充入氬氣至工作氣壓4.0 Pa；接通旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使工件旋轉(zhuǎn)，離子轟擊清理工件表面15 min；然后對(duì)靶施加400～1 000 V的負(fù)電壓，產(chǎn)生輝光發(fā)電，氬離子轟擊靶材表面，使靶材原子從靶表面濺射下來(lái)，向工件遷移，遷移過(guò)程中部分被電離，并在工件負(fù)偏壓的作用下沉積于工件表面，形成涂層。靶由WS2粉烘干后與硫壓制而成，WS2粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 90%～99%，硫?yàn)?%～10% 。

利用上述射頻濺射離子鍍膜工藝形成的WS2涂層膜厚僅為0.5 μm，硬度30 HRC，膜最高承載可達(dá)到100 kPa，滑動(dòng)摩擦因數(shù)動(dòng)態(tài)僅為0.03，靜態(tài)為0.07，在正常的大氣壓下潤(rùn)滑溫度為-273～650 ℃，是良好的干膜潤(rùn)滑劑，可有效解決表面磨損。

利用球-盤(pán)摩擦、磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)(鋼球直徑12.7 mm，鋼球固定，盤(pán)試樣旋轉(zhuǎn)[1])，結(jié)果表明：WS2涂層具有優(yōu)異的減摩耐磨性能，鍍膜后磨損率從2.486×10-5g/m降到0.399×10-5g/m，摩擦因數(shù)從0.29降到0.035 5。

2 試驗(yàn)

選取同批次的8套6308ETN1軸承用于試驗(yàn)，套圈和鋼球材料均為GCr15，保持架材料為聚酰胺PA66-GF25。采用射頻濺射離子鍍膜工藝對(duì)其中4套軸承進(jìn)行離子濺射WS2表面處理，鍍膜位置為內(nèi)、外圈溝道，膜厚為0.5 μm。

將8套軸承逐一編號(hào)，其中1#～4#為鍍膜軸承，5#～8#為未鍍膜軸承。將其分為2組，先后裝入同一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。第1組1#，2#軸承分別安裝在1，2號(hào)位； 3#，4#軸承分別安裝在3，4號(hào)位；第2組5#，6#軸承分別安裝在1，2號(hào)位， 7#，8#軸承分別安裝在3，4號(hào)位。試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)潤(rùn)滑油路，軸承轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，徑向載荷為2 kN，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8 h。試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—試驗(yàn)軸；2—襯套；3—1號(hào)位軸承；4—2號(hào)位軸承；5—載荷體；6—3號(hào)位軸承；7—4號(hào)位軸承

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

用Taylor輪廓儀、圓度儀等檢測(cè)軸承內(nèi)、外溝道鍍膜前后的圓度、表面波紋度、表面粗糙度、溝形誤差及溝曲率半徑的變化，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1鍍膜前后內(nèi)、外溝道圓度、表面波紋度及溝形誤差對(duì)比 μm

表2 鍍膜前后內(nèi)、外溝道溝曲率半徑及表面粗糙度對(duì)比 μm

用軸承測(cè)量?jī)xB013，B014及游隙儀X093等檢測(cè)軸承鍍膜前后的精度和游隙的變化，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鍍膜前后軸承的旋轉(zhuǎn)精度及游隙對(duì)比 μm

從測(cè)試結(jié)果看，鍍膜前后軸承的旋轉(zhuǎn)精度、游隙及溝道圓度、溝形誤差、溝曲率半徑變化均不大，溝道表面波紋度及表面粗糙度略微降低，說(shuō)明離子濺射WS2表面處理對(duì)軸承精度影響不大。對(duì)于普通軸承，鍍膜后的套圈可不檢測(cè)直接裝配成套；但對(duì)振動(dòng)噪聲有特殊要求的軸承，應(yīng)嚴(yán)格控制套圈溝道的表面波紋度及表面粗糙度，以確保鍍膜軸承質(zhì)量滿足要求。

4 溫升對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果分析

溫升是衡量軸承性能的重要指標(biāo)之一，較低的溫升可以使軸承在高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)。在同一試驗(yàn)機(jī)和相同工況下對(duì)比軸承的溫升指標(biāo)，以確定軸承鍍層的潤(rùn)滑性能。軸承鍍膜前、后的溫升曲線如圖2所示。

圖2 軸承鍍膜前后溫升曲線圖

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8 h，鍍膜軸承的最高溫升為10 ℃，平均溫升為7.75 ℃；而未鍍膜軸承的最高溫升為15 ℃，平均溫升為13.25 ℃，這表明 WS2涂層潤(rùn)滑效果明顯。

按上述試驗(yàn)條件對(duì)鍍膜軸承進(jìn)行加強(qiáng)試驗(yàn)，軸承每連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8 h停機(jī)0.5 h，共運(yùn)轉(zhuǎn)32 h后停機(jī)將軸承拆下。用B013，B014測(cè)量?jī)x及X093游隙儀等檢測(cè)軸承的精度和游隙，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前后軸承的精度及游隙基本沒(méi)有變化，在無(wú)潤(rùn)滑介質(zhì)、輕載、短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，WS2涂層對(duì)軸承精度及游隙基本沒(méi)有影響。隨后解體軸承并進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，鍍膜軸承套圈溝道與鋼球接觸位置有明顯的磨損痕跡，嚴(yán)重的地方已將涂層的蘭灰色逐漸磨損掉，露出GCr15基體磨加工表面的光亮色。用X射線熒光分析儀X-Suppereme 8000、手持式合金分析儀S1 Sorter、掃描電子顯微鏡及能譜分析儀JSM-6610LV對(duì)WS2涂層磨損表面進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磨損后W元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由試驗(yàn)前的0.91%降低到0.39%，S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由試驗(yàn)前的0.218%降低到0.108%，并且在鋼球上檢測(cè)到了W元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%)和S元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.079%)，在鋼球表面形成了WS2轉(zhuǎn)移膜。

5 結(jié)論

(1)采用射頻濺射離子鍍膜工藝對(duì)軸承零件進(jìn)行離子濺射WS2表面處理(膜厚0.5 μm)，對(duì)軸承零件精度、成品精度及游隙基本沒(méi)有影響，但是對(duì)于高精密軸承或有特殊要求的軸承，應(yīng)該嚴(yán)格控制套圈溝道表面波紋度及表面粗糙度。

(2)在無(wú)任何潤(rùn)滑介質(zhì)的情況下，WS2涂層可以有效減小摩擦，降低溫升，顯著提高軸承的潤(rùn)滑性能，但WS2涂層磨損較快，只能解決軸承早期的潤(rùn)滑問(wèn)題。

(3)鍍膜軸承工作時(shí)，溝道上的WS2涂層會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，在鋼球表面形成WS2轉(zhuǎn)移膜。