WS2固体润滑膜轴承试验分析

2011-07-24马小梅孟瑾李红涛马美玲

轴承 2011年12期

关键词：钢球外圈形貌

马小梅，孟瑾，李红涛，马美玲

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2. 洛阳理工学院，河南洛阳 471003；3.驻洛阳地区代表室，河南洛阳 471039)

某主机使用的深沟球轴承6214由于工况特殊，故采用具有自润滑性能的保持架，但在运转初始阶段滚动体与套圈沟道之间处于无润滑状态。为解决该轴承的早期润滑问题，在内、外圈沟道表面均溅射了WS2固体润滑膜。

1 试验条件及试验结果

试验轴承为2套深沟球轴承6214，其中1套轴承的滚动体材料为氮化硅，另1套滚动体材料为9Cr18不锈轴承钢。台架试验时轴承转速为20 000 r/min，径向载荷为10 kN，工作介质为水，多次启动。

试验结束后，2套轴承结构完好，运转灵活。拆套后，对2套轴承的内、外圈沟道和陶瓷球、钢球进行外观检查，结果发现：陶瓷球轴承外圈沟道表面有大量凹坑，且沟道表面的WS2固体润滑膜层磨损较严重；而钢球轴承外圈沟道和钢球状态良好，且在钢球表面形成了较好的WS2固体转移膜，沟道内膜层磨损较少。

2 滚动体外观检查

从2套试验轴承中各取1粒滚动体，用400倍光学显微镜检测其表面形貌状态，并在超声波清洗前、后对陶瓷球和钢球的形貌进行对比。

图1、图2所示为同一陶瓷球不同部位的形貌。从图中可看出：在陶瓷球的部分表面上没有形成转移膜，部分表面上有WS2转移膜，且转移膜分布在磨痕较深的两侧。

图1 陶瓷球没有形成WS2转移膜部分形貌

图2 陶瓷球形成WS2转移膜部分形貌

图3、图4所示为试验前、后同一钢球表面形貌。对比图3和图4可看出：试验后钢球表面形成了相对致密的WS2转移膜，即使在摩擦较严重的部位也存在WS2转移膜。

图3 试验前钢球形貌

图4 试验后钢球形貌

在酒精中经10 min的超声波清洗后，陶瓷球和钢球表面形貌如图5、图6所示。可明显看出：陶瓷球表面已基本没有WS2固体转移膜，而钢球表面的WS2转移膜依然存在。

图5 陶瓷球表面形貌

图6 钢球表面形貌

3 形貌及成分检测

3.1 光学显微镜检测

用30倍光学显微镜检测轴承内、外圈沟道形貌发现，2套轴承内圈沟道表面没有明显磨痕，表面状态良好。外圈沟道形貌如图7和图8所示，陶瓷球轴承外圈沟道中有大量磨痕(凹坑)，而钢球轴承外圈沟道状态较好。

图7 陶瓷球轴承外圈沟道表面形貌

图8 钢球轴承外圈沟道表面形貌

3.2 扫描电子显微镜与能谱仪检测

采用S-4800扫描电子显微镜对钢球和陶瓷球轴承外圈沟道形貌和成分进行了检测。由于陶瓷球不导电，在用扫描电镜检测时存在荷电积累，因此不能检测出陶瓷球表面形貌和成分。

3.2.1 钢球

图9所示为钢球微观区域形貌。由图可知：钢球的表面状态良好，未发现粘着磨损现象，并且在钢球表面发现类似膜层的物质。

图9 钢球形貌

利用能谱仪对图9所示的钢球微观区域表面分别进行3个点的成分检测，主要元素含量见表1。从表中数值可看出，在钢球表面已经形成了一层WS2固体润滑转移膜。

表1 钢球成分(质量分数) %

3.2.2 陶瓷球轴承外圈沟道

陶瓷球轴承外圈沟道微观形貌如图10所示。由图可知：在沟道底部，即WS2固体膜层被磨穿了的部位和边缘处存在很多凹坑，这与光学显微镜观察到的结果一致。

图10 陶瓷球轴承外圈沟道形貌

4 钢球表面的纳米硬度检测

采用载荷控制模式对钢球表面3个点进行纳米硬度检测，其中控制载荷为4 N，得到的载荷-位移深度曲线如图11所示，3个点的弹性模量和纳米硬度值见表2。

图11 载荷-位移曲线

表2 3个点的弹性模量和纳米硬度

采用载荷控制的3个点的硬度均大于10 GPa，1点和2点的硬度差别很小，3点的硬度比1点和2点大很多，有可能是打到硬质相上了，所以偏差较大。载荷-位移深度曲线也显示出1点和2点的曲线重合度很好，3点的曲线偏离较大，这和硬度显示的结果一致。说明经试验后钢球的弹性模量和硬度均没有大的变化，钢球表面状态良好。