WS2復(fù)合潤滑膜制備及軸承性能試驗分析

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(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)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(zhuǎn)速要在4 s內(nèi)達(dá)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(yōu)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(xiàn)［1］對該型號軸承用自潤滑保持架的材料進(jìn)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(jìn)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(huán)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(jié)構(gòu)物質(zhì)。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(huán)境中，在軸承中主要作為保持架材料使用；層狀晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)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(shù)低、耐磨性強等優(yōu)點廣泛用于航天航空工業(yè)領(lǐng)域［2-4］。WS2薄膜性能更優(yōu)、使用溫度范圍更寬，但純WS2薄膜在潮濕空氣中摩擦?xí)r易發(fā)生氧化，降低摩擦學(xué)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(yōu)化對純WS2薄膜進(jìn)行改進(jìn)，制備WS2復(fù)合薄膜來提高薄膜的抗氧化和摩擦性能，以進(jìn)一步改善軸承在運轉(zhuǎn)初期的潤滑狀態(tài)，并通過軸承的測試、試驗以及與國外產(chǎn)品對比驗證軸承的性能。

1 WS2復(fù)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(jìn)行了多次工藝改進(jìn)試驗，最終通過靶材燒結(jié)和膜層制備工藝方面的改進(jìn)，制備出了耐磨性和抗氧化性更優(yōu)的WS2復(fù)合潤滑膜。

WS2靶材的燒結(jié)采用熱等靜壓法，工藝流程如圖1所示。該方法與傳統(tǒng)靶材燒結(jié)工藝相比具有以下優(yōu)點：

圖1 熱等靜壓燒結(jié)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(fù)雜的靶材，且燒結(jié)后靶材微觀組織結(jié)構(gòu)一致性好；

2）高的氣體密度可以促進(jìn)熱交換，提高加熱速度，縮短循環(huán)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(tài)結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。晶態(tài)結(jié)構(gòu)WS2薄膜的晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；若微晶的c軸垂直于基面（⊥c），稱為II型結(jié)構(gòu)。在摩擦試驗中，I型結(jié)構(gòu)薄膜比II型更易于與環(huán)境中的氧氣和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，II型結(jié)構(gòu)薄膜即使暴露在潮濕的環(huán)境中，也具有較好的摩擦學(xué)性能。而非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的WS2薄膜在外界應(yīng)力的作用下會轉(zhuǎn)向II型結(jié)構(gòu)。

圖2 WS2晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of crystal structure of WS2

采用離子束納米沉積技術(shù)制備非晶態(tài)結(jié)構(gòu)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(chǎn)生界面共混，提高膜層和基體材料的結(jié)合力，還可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，制備多層薄膜。經(jīng)過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)：在純WS2薄膜中加入Ag有利于獲得非晶態(tài)的WS2復(fù)合薄膜，該種薄膜的耐磨性和抗氧化能力均比純WS2薄膜優(yōu)異。

1.2 膜層性能檢測

1.2.1 結(jié)合力檢測

結(jié)合力是表征膜層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，為更好地檢驗WS2復(fù)合薄膜與基體的結(jié)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(fù)合薄膜和基材之間結(jié)合力，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，沉積的WS2復(fù)合膜與基材之間的結(jié)合力良好，未出現(xiàn)任何剝落。

圖3 劃格法檢測結(jié)果Fig.3 Test result of cross-cut method

2）摩擦磨損試驗

WS2復(fù)合薄膜的結(jié)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(jìn)一步驗證WS2復(fù)合薄膜與基材之間的結(jié)合力。固體潤滑膜摩擦磨損性能的評價參數(shù)主要為摩擦因數(shù)和耐久性（或壽命），耐久性一般用最大摩擦因數(shù)達(dá)到0.3時的往復(fù)次數(shù)或摩擦距離評估。采用球-盤式循環(huán)摩擦方式進(jìn)行摩擦磨損試驗，根據(jù)軸承的使用工況，確定試驗條件及合格判據(jù)為：在軸向載荷2 N、轉(zhuǎn)速500 r／min的條件下，連續(xù)運轉(zhuǎn)2 h，膜層的摩擦因數(shù)不大于0.3，則膜層合格。經(jīng)試驗，WS2復(fù)合薄膜試驗后的摩擦因數(shù)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(nèi)、外圈膜層形貌和成分進(jìn)行局部抽檢，檢測結(jié)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(xiàn)象。

圖4 WS2膜層掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 Scanning electron micrograph of WS2 film

2 軸承性能測試

為驗證表面沉積WS2復(fù)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(fù)合薄膜前后測試其啟動摩擦力矩。

2.1 設(shè)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(zhuǎn)各測試5個點。

2.2 測試結(jié)果

4套軸承沉積WS2復(fù)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(zhuǎn)速為7 200 r／min，僅通過啟動摩擦力矩測試無法驗證WS2復(fù)合薄膜對軸承運轉(zhuǎn)初期潤滑的改善作用，還需進(jìn)行軸承的高速運轉(zhuǎn)試驗來進(jìn)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(jìn)行低速預(yù)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(zhuǎn)。若WS2薄膜能夠改善軸承運轉(zhuǎn)初期的潤滑狀態(tài)，則軸承可直接在高速下運轉(zhuǎn)。選取2套同型號未沉積WS2薄膜的軸承（編號E，F(xiàn)），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(shè)定為5 N，在ZYS-202上進(jìn)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(jié)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(fù)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(shù)較多。

圖5 E，F(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(jīng)過預(yù)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(jié)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(fù)合薄膜有效改善了軸承高速運轉(zhuǎn)初期的潤滑狀態(tài)。

試驗后分解軸承，并對溝道形貌進(jìn)行光學(xué)及掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 試驗軸承外圈溝道照片F(xiàn)ig.7 Outer ring raceway photos of test bearings

圖8 溝道表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 Scanning electron micrographs of raceway surface

由圖7、圖8可知，2種軸承溝道內(nèi)均形成了致密的固體潤滑膜；采用WS2復(fù)合薄膜的軸承形成的固體潤滑膜更加細(xì)密。

4 與國外軸承對比

對比試驗后D軸承與國外同型號軸承的摩擦力矩，結(jié)果見表3。

表3 啟動摩擦力矩對比Tab.3 Contrast of startup friction torque N·mm

由表3可知，采用自潤滑保持架和WS2復(fù)合固體潤滑膜相結(jié)合的潤滑方案，軸承的摩擦力矩更小且更穩(wěn)定，與國外同型號軸承相比，摩擦力矩的平均值和波動值均有明顯降低。

5 結(jié)論

為提高某高速電動機用轉(zhuǎn)子軸承的潤滑性能，采用WS2作為固體潤滑材料，經(jīng)工藝研究，制備了滿足軸承使用要求的WS2復(fù)合薄膜。通過對軸承性能的測試、試驗以及與國外軸承對比，得出以下結(jié)論：

1）采用WS2復(fù)合薄膜后，軸承啟動摩擦力矩明顯降低且波動范圍變小。

2）采用WS2復(fù)合薄膜的軸承無需進(jìn)行低速預(yù)跑和，可直接在高速下運轉(zhuǎn)，大大節(jié)省了低速跑合時間，提高了生產(chǎn)效率和合格率；經(jīng)過100 h的性能試驗后，軸承啟動摩擦力矩更小，套圈工作表面形成的固體潤滑膜更加致密細(xì)膩，提高了軸承的可靠性。

3）通過采用WS2復(fù)合固體潤滑膜和自潤滑保持架相結(jié)合的潤滑方案，軸承的摩擦力矩更小且更穩(wěn)定，與國外產(chǎn)品相比明顯減小。

軸承交付用戶單位后，隨主機進(jìn)行了性能測試和環(huán)境試驗，軸承性能穩(wěn)定，滿足使用要求，現(xiàn)已基本替代進(jìn)口產(chǎn)品。