基于C摻雜CrN涂層滾動軸承的摩擦特性研究＊

賈貴西

（洛陽理工學院 機械工程學院，河南 洛陽 471023）

滾動軸承的摩擦特性影響軸承的振動、噪聲、性能可靠性等，對主機的工作性能有重大的影響，因此，提高摩擦學特性是滾動軸承在設計制造時倍受關注的一個重要課題。近年來，隨著軸承制造、裝配等技術的提高，摩擦和潤滑對滾動軸承使用特性的影響日漸顯現。相關研究表明，由表面改性技術制備的具有自潤滑特性的固體涂層可以提高潤滑效果、減小摩擦磨損、減小接觸沖擊力、降低溫升等作用，是提高滾動軸承使用性能的一項重要措施。

氮化鉻涂層具有優良的耐磨性、韌性及附著力等，還有晶粒結構精細、熱穩定性好等特點，常被用于提零件工作表面的耐磨性、延長使用壽命；碳元素具有低摩擦系數和磨損率、高承載能力等，是一種優異的自潤滑材料。因此，氮化鉻涂層中摻碳是一種理想的耐磨減摩涂層，有廣闊的應用領域和應用前景。非平衡封閉合場磁控濺射技術是一種物理氣相沉積制膜技術，其鍍膜具有沉積溫度低、易實現多元梯度沉積等工藝優點，適宜作為軸承零件的最后一道制造工藝。

為此，本文應用磁控濺射技術及設備，在滾動軸承零件接觸表面制備C摻CrN涂層，研究該涂層的摩擦學性能，對C摻CrN涂層軸承的摩擦力矩性能進行測試及分析，探討C摻CrN涂層對滾動軸承摩擦特性的影響規律。

1 涂層制備

圖1所示為磁控濺射技術制備C摻CrN涂層的濺射原理示意圖。涂層材料鉻和碳元素為固體靶材、氮元素為氣態，它們的純度均不小于99.99%.在濺射鍍膜時，鉻和碳元素通過磁控靶濺射出涂層的鉻離子和碳離子，氮元素由光發射譜法控制直接通入真空箱與濺射出的離子進行反應，并一起沉積到待鍍的鋼球基體表面。在濺射沉積過程中，靶-基距約為110～120 mm；并對試樣施加負偏壓為75 V，以保證涂層的質量。

圖1 磁控濺射原理圖

試樣前處理方案：①試樣在放入真空室前用酒精和丙酮進行超聲波清洗，以除去試樣基體表面的雜質，以得到清潔的表面，提高膜-基附著強度；②試樣涂層沉積時的本底真空度約為4.0×10-3Pa，制膜時的工作氣體為氬氣（流量為20 sccm，純度≥99.99%）。涂層試樣制備方案：①離子清洗。對基體施加－400 V的偏壓，Cr靶電流為0.3A，清洗時間為30 min，其目的是進一步清潔表面，并活化基體，提高膜-基結合強度。②基-膜結合層。將基體偏壓調至－90 V，Cr靶電流調至為2.0A，制膜時間為10 min，其目的是保證膜-基結合強度良好。③梯度過渡層。將基體偏壓調至－65 V，用5 min的時間將Cr靶電流和C靶電流分別線性調至工作層電流，N元素由光發射譜法控制，其目的是膜層結構平穩過渡，減少膜層的內應力。④工作層。Cr靶電流為1.0A、C靶電流為1.2A，制備時間為4 h。

2 結果與分析

2.1 涂層的機械性能

2.1.1 硬度及韌性

用HΧS-1000型維氏硬度測量儀測試了涂層和GCr15基體的硬度，涂層的硬度為1412 HV，基體的硬度為926 HV，表明涂層極大提高了基體接觸面的硬度。涂層壓痕形貌如圖2所示。可以看出，涂層壓痕表面形貌完好，沒有發生破裂現象，說明表明涂層具有良好的韌性。涂層的高硬度和良好的韌性，可以提高接觸面的耐磨性、提高基體接觸面的抗沖擊能力，可以提高基體接觸面的綜合機械性能。

圖2 涂層的壓痕形貌

2.1.2 摩擦特性

在2 N和5 N載荷作用下，測試了涂層和GCr15基體的滑動干摩擦系數，其測試數據如圖3所示。

圖3 涂層和基體的摩擦系數曲線

由測試數據可知，在測試過程中，在2 N作用時，涂層的摩擦系數變化范圍大約為0.15～0.18（增加了0.03），GCr15基體的摩擦系數變化范圍大約為0.25～0.34（增加了0.09），涂層的摩擦系數約相當于基體的55%（涂層摩擦系數增加值約相當于基體的33%）；而在5 N作用時，涂層的摩擦系數變化范圍大約為0.16～0.25（增加了0.09），GCr15基體的摩擦系數變化范圍為0.41～0.74（增加了0.33），涂層的摩擦系數僅相當于基體的35%（涂層摩擦系數增加值約相當于基體的27%）。另外，測試曲線還顯示，涂層的摩擦系數曲線波動明顯比GCr15基體小，特別是在高載荷作用下。從以上測試數據可以看出，涂層明顯降低了接觸面摩擦系數及其波動性，提高了接觸面摩擦系數的平穩性、耐磨性和載荷能力。

表1 干摩擦時無涂層軸承和涂層軸承的摩擦力矩

2.2 涂層軸承的摩擦力矩

對涂層軸承和無涂層軸承的摩擦特性進行了裝機測試，測試結果如表1所示。

從表1中可以看出，涂層明顯地改善了軸承表面的特性摩擦，使啟動摩擦力矩和動態摩擦力矩都明顯降低，這樣一方面可以極大地起到節能效果，減小動力輸入；另一方面可以減小軸承的溫升，使軸承保持其性能穩定可靠性。

3 結論

通過對C摻雜CrN涂層的機械性能及其軸承的摩擦力矩的試驗分析表明：①與基體材料相比，制備的C摻雜CrN涂層具有較高的硬度及良好的韌性、高的載荷能力等，使其具有良好的低摩擦系數和摩擦系數的穩定性；②與無涂層軸承相比，涂層軸承的啟動摩擦力矩和動態摩擦力矩都明顯減小，摩擦力矩的減小可以減小軸承的溫升，使軸承性能穩定可靠，同時，也可以減小輸入動力、節約能源等。

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