滾動軸承材料及熱處理之“表面涂覆技術(shù)”

來源：軸承雜志社

滾動軸承表面處理技術(shù)，是指通過一定的手段使被處理零件的表面成分、組織、性能發(fā)生改變，以提高零件的壽命或改善其工作性能。滾動軸承表面處理技術(shù)主要有：表面涂覆、表面熱處理、表面化學(xué)熱處理、表面機械強化等。

表面涂覆技術(shù)包括：物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、射頻濺射（RF）、離子噴涂（PSC）、化學(xué)鍍等。通過表面涂覆可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，并降低表面摩擦因數(shù)。下面介紹軸承用鋼的表面涂覆技術(shù)。

1、類金剛石涂層

類金剛石（DLC）涂層由石墨結(jié)構(gòu)和金剛石結(jié)構(gòu)的碳構(gòu)成，既具有石墨的潤滑及低摩擦性能，又具有金剛石的硬度（1200HV以上），在許多工業(yè)技術(shù)中得到應(yīng)用，如汽車燃料噴射系統(tǒng)、閥門系、齒輪和滾動軸承等，這些涂層在滑動狀態(tài)下通常能表現(xiàn)出更好的耐磨性，而在軸承類高載荷滾動和混合接觸狀態(tài)下則表現(xiàn)較差，主要因為涂層在高載荷滾動狀態(tài)下應(yīng)用時裂紋在涂層的柱狀組織中產(chǎn)生并擴展，進而導(dǎo)致涂層成片剝落。為避免這種斷裂型磨損模式，必須消除這種晶柱狀組織。優(yōu)化工藝參數(shù)和涂層設(shè)計可消除涂層中亞微米級別的柱狀組織，大大提高涂層在高載荷滾動和混合接觸狀態(tài)下的持久性，對涂層進行金屬摻雜，如加入W，Ti，Cr等，在涂層中形成細小碳化物也有利提高涂層強度和耐磨性。DLC涂層代表軸承硬涂層的一個發(fā)展方向，在降低摩擦磨損、減少表面損傷，提高接觸疲勞壽命方面將會越來越多地應(yīng)用于各種軸承產(chǎn)品。近年來，涂層改性設(shè)計和實際應(yīng)用成為表面涂覆的熱點研究領(lǐng)域。

ECKELS.M,KOTZALAS.M.N,DOLL.G.L對滾子涂覆納米復(fù)合材料類金剛石碳的滾子軸承性能進行了研究。通過非平衡磁控濺射將1 μm厚的W-aC:H涂層沉淀到滾子表面。W-aC:H涂層與鋼基體之間有厚度小于1 μm的Cr過渡層以增加涂層與基體的結(jié)合力，W-aC:H涂層是一種由層厚為3~5 μm的富含鎢和富含碳交替分布構(gòu)成的層片結(jié)構(gòu)，每個薄層里的非晶態(tài)碳氫化合物基體含有β-W2C的析出物，含量約為17%~20%。W-aC:H涂層的壓痕硬度為12，彈性模量為130 GPa。試驗表明，W-aC:H涂層具有很高的耐磨性及硬度，滾子涂覆W-aC:H的軸承在低Λ值下工作時可以大幅增加疲勞壽命，原因是滾道滾動接觸區(qū)被涂層滾子研磨成鏡面，而且可以磨平由潤滑劑中污染顆粒在滾道上形成的壓痕。另外，W-aC:H涂層可防止劃傷及短期潤滑失效的發(fā)生，也可以防止偽壓痕類的磨損失效。

MUTYALA.K.C,SINGH.H, EVANS.R.D等研究了在正常、乏油及碎屑損傷條件下DLC涂層對球軸承性能的影響。所涂覆的DLC涂層有3種：WC/a-C:H，TiC/a-C和Ti/a-C:H。在正常潤滑運轉(zhuǎn)時，TiC/a-C涂覆鋼球具有更大的扭矩降，其次是TiC/a-C:H，WC/a-C:H涂覆鋼球；試驗中，相比于TiC/a-C:H，TiC/a-C和未涂覆鋼球，WC/a-C:H涂覆鋼球能夠修復(fù)滾道損傷，改善軸承碎屑損傷后的運轉(zhuǎn)效率。WC/a-C:H，TiC/a-C:H和TiC/a-C涂層改善軸承的抗磨能力因子分別為3.5，1.7，1.3，超過了裝配未涂覆鋼球軸承在乏油條件下的因子。WC/a-C:H涂覆鋼球在碎屑損傷和乏油條件下表現(xiàn)出了Z好的保護作用，這歸因于其有利的膜轉(zhuǎn)化能力。

SKF公司近年來一直在進行利用PVD在軸承套圈及滾動體表面涂覆DLC涂層的研究和應(yīng)用，其涂覆的DLC涂層表面硬度比淬硬軸承鋼高40%~80%、摩擦因數(shù)類似于PTFE或MoS2，具有自潤滑特性，且與基體結(jié)合良好、無剝落，軸承壽命、耐磨性大幅度提高，在斷油的情況下仍可正常工作，涂覆DLC的軸承被稱為“NoWear bearing”，該技術(shù)早已應(yīng)用于壓縮機軸承、造紙機械軸承、液壓馬達軸承，還擬利用DLC涂層的低摩擦性能，將其應(yīng)用于一些節(jié)能降耗的場合，如新能源汽車等。TIMKEN利用W-aC:H涂覆滾子，避免了滾子軸承因滾動接觸面間的滑動引起的粘著磨損（涂抹）。

近年來，國內(nèi)對DLC類涂層也進行了較多研究。除DLC外，西安理工大學(xué)等開發(fā)了Cr摻雜類石墨非晶碳（Graphite-like Carbon,GLC）涂層（圖），通過使用Cr過渡層提高涂層與基體的結(jié)合力，并通過C/Cr多層復(fù)合成膜技術(shù)提高涂層強度，除低摩擦磨損外，且無觸媒效應(yīng)、脆性更低、結(jié)合強度更好，已成功應(yīng)用于切削刃具，大大提高了刀具壽命。在軸承上也進行了初步的應(yīng)用試驗，鋼球涂覆GLC的軸承試驗表明：在高速下，軸承振動、溫升顯著降低，且DLC可作為固體潤滑材料，使軸承在短時斷油后仍可運轉(zhuǎn)一定時間，該特性對于航空發(fā)動機軸承尤其重要。

Cr摻GLC涂層

2、固體潤滑涂層

固體潤滑涂層主要是涂覆?有潤滑性能的軟材料或?qū)悠Y(jié)構(gòu)材料，具有良好的潤滑性能，一般應(yīng)用于真空等不易使用油、脂潤滑的場合。

軟金屬涂層有Au，Ag，Pb等，一般采用離子鍍或濺射成膜，應(yīng)用于高真空用滾動軸承，或用于改善保持架與滾動體間的潤滑狀態(tài)，如航空發(fā)動機軸承保持架鍍銀。

典型的層片結(jié)構(gòu)材料如MoS2、石墨等，一般采用濺射或使用有機、無機黏接劑燒結(jié)成膜，MoS2一般用于高真空，石墨一般用于高溫。

高分子材料以PTFE為代表，具有獨特的帶結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出低摩擦、容易在配對面形成轉(zhuǎn)移潤滑膜、耐化學(xué)藥品，且不易受環(huán)境介質(zhì)影響，一般采用黏接劑燒結(jié)成膜，應(yīng)用于清潔或耐蝕環(huán)境用軸承。

納米金剛石處于滾動接觸面時可像軸承中的滾動體一樣減小摩擦，納米金剛石涂層也可作為潤滑涂層，硬度可能超過金剛石的CNx同樣可作為固體潤滑材料使用。

3、其他涂層

山田孝則等介紹了鐵路拖動電動機用絕緣軸承。一種是在外圈外徑面及端面噴涂氧化鋁涂層并采用樹脂封孔；一種是噴涂玻璃纖維增強PPS樹脂，并在其中添加非導(dǎo)電的高導(dǎo)熱填充物，提高導(dǎo)熱性。兩種涂層均具有較高的絕緣性能，可避免電蝕且溫升與非涂層軸承相同，能夠有效延長軸承壽命。

Р.И.ДИ介紹了利用聚合物材料提高機床主軸軸承壽命。軸承與軸承座及軸的配合面會發(fā)生摩擦腐蝕磨損，增大配合間隙，使軸承中Z大接觸應(yīng)力升高。在外圈上涂覆聚合物涂層后，保證外圈與軸的配合面處于彈性接觸狀態(tài)，在受載時涂層發(fā)生彈性變形，增加軸承中的有效承載面積，降低了Z大接觸應(yīng)力，進而提高軸承壽命。在外圈循環(huán)加載和局部加載時，外圈涂覆6Φ密封膠（厚度為0.125 mm）和ВК聚合物（厚度為0.09 mm）的軸承壽命分別為計算壽命的3-4倍以上。為提高軸承內(nèi)的載荷分布系數(shù)，涂層的厚度應(yīng)盡可能厚，且應(yīng)選擇低彈性模量的材料。

SKF研究了發(fā)黑對軸承性能的影響，實驗室研究、軸承試驗和現(xiàn)場經(jīng)驗表明：發(fā)黑提供一定的抗摩擦化學(xué)腐蝕保護，能減少氫滲透，還能增強抗潮氣腐蝕損傷（如靜止腐蝕）的能力。此外，當軸承在邊界或混合潤滑條件下出現(xiàn)粘著磨損、涂抹損傷或表面疲勞等失效形式時，發(fā)黑軸承鋼表面提高了安全系數(shù)。SKF除了將經(jīng)過發(fā)黑處理的軸承用于新設(shè)備外，還將其用作風(fēng)力發(fā)電廠例行維護中常規(guī)軸承的替換品。為使軸承達到Z優(yōu)性能，SKF建議內(nèi)圈、外圈和滾動體都進行發(fā)黑處理。

低溫離子滲硫是20世紀80年代后期出現(xiàn)的表面改性技術(shù)。其基本原理與離子滲氮相似，在一定的真空度下，利用高壓直流電使含硫氣體電離，生成的硫離子轟擊工件表面，在工件表面與鐵反應(yīng)生成以FeS為主的10 μm左右厚的硫化物層。硫化物是良好的固體潤滑劑，可有效降低鋼件接觸表面的摩擦系數(shù)，且其摩擦系數(shù)隨載荷增大而進一步降低，因此可以大大提高重載下軸承的耐磨性，將軸承的壽命提高3倍左右。

低溫磷化與滲硫的作用相似。通過把工件放置于40 ℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸滲4 h，可在工件表面獲得0.05~0.25 μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面層，降低摩擦因數(shù)并提高耐磨性。經(jīng)磷化的M50鋼軸承在短期斷油的情況下不出現(xiàn)卡死，提高了軸承的可靠性。

木野仲郎通過在滾動表面鍍鎳抑制氫的滲入，大幅度降低了鋼中的氫含量，能夠防止異常白色組織剝落。

節(jié)選自2020年2期《軸承》“滾動軸承材料及熱處理進展與展望”