基于C掺杂CrN涂层滚动轴承的摩擦特性研究＊

贾贵西

（洛阳理工学院 机械工程学院，河南 洛阳 471023）

滚动轴承的摩擦特性影响轴承的振动、噪声、性能可靠性等，对主机的工作性能有重大的影响，因此，提高摩擦学特性是滚动轴承在设计制造时倍受关注的一个重要课题。近年来，随着轴承制造、装配等技术的提高，摩擦和润滑对滚动轴承使用特性的影响日渐显现。相关研究表明，由表面改性技术制备的具有自润滑特性的固体涂层可以提高润滑效果、减小摩擦磨损、减小接触冲击力、降低温升等作用，是提高滚动轴承使用性能的一项重要措施。

氮化铬涂层具有优良的耐磨性、韧性及附着力等，还有晶粒结构精细、热稳定性好等特点，常被用于提零件工作表面的耐磨性、延长使用寿命；碳元素具有低摩擦系数和磨损率、高承载能力等，是一种优异的自润滑材料。因此，氮化铬涂层中掺碳是一种理想的耐磨减摩涂层，有广阔的应用领域和应用前景。非平衡封闭合场磁控溅射技术是一种物理气相沉积制膜技术，其镀膜具有沉积温度低、易实现多元梯度沉积等工艺优点，适宜作为轴承零件的最后一道制造工艺。

为此，本文应用磁控溅射技术及设备，在滚动轴承零件接触表面制备C掺CrN涂层，研究该涂层的摩擦学性能，对C掺CrN涂层轴承的摩擦力矩性能进行测试及分析，探讨C掺CrN涂层对滚动轴承摩擦特性的影响规律。

1 涂层制备

图1所示为磁控溅射技术制备C掺CrN涂层的溅射原理示意图。涂层材料铬和碳元素为固体靶材、氮元素为气态，它们的纯度均不小于99.99%.在溅射镀膜时，铬和碳元素通过磁控靶溅射出涂层的铬离子和碳离子，氮元素由光发射谱法控制直接通入真空箱与溅射出的离子进行反应，并一起沉积到待镀的钢球基体表面。在溅射沉积过程中，靶-基距约为110～120 mm；并对试样施加负偏压为75 V，以保证涂层的质量。

图1 磁控溅射原理图

试样前处理方案：①试样在放入真空室前用酒精和丙酮进行超声波清洗，以除去试样基体表面的杂质，以得到清洁的表面，提高膜-基附着强度；②试样涂层沉积时的本底真空度约为4.0×10-3Pa，制膜时的工作气体为氩气（流量为20 sccm，纯度≥99.99%）。涂层试样制备方案：①离子清洗。对基体施加－400 V的偏压，Cr靶电流为0.3A，清洗时间为30 min，其目的是进一步清洁表面，并活化基体，提高膜-基结合强度。②基-膜结合层。将基体偏压调至－90 V，Cr靶电流调至为2.0A，制膜时间为10 min，其目的是保证膜-基结合强度良好。③梯度过渡层。将基体偏压调至－65 V，用5 min的时间将Cr靶电流和C靶电流分别线性调至工作层电流，N元素由光发射谱法控制，其目的是膜层结构平稳过渡，减少膜层的内应力。④工作层。Cr靶电流为1.0A、C靶电流为1.2A，制备时间为4 h。

2 结果与分析

2.1 涂层的机械性能

2.1.1 硬度及韧性

用HΧS-1000型维氏硬度测量仪测试了涂层和GCr15基体的硬度，涂层的硬度为1412 HV，基体的硬度为926 HV，表明涂层极大提高了基体接触面的硬度。涂层压痕形貌如图2所示。可以看出，涂层压痕表面形貌完好，没有发生破裂现象，说明表明涂层具有良好的韧性。涂层的高硬度和良好的韧性，可以提高接触面的耐磨性、提高基体接触面的抗冲击能力，可以提高基体接触面的综合机械性能。

图2 涂层的压痕形貌

2.1.2 摩擦特性

在2 N和5 N载荷作用下，测试了涂层和GCr15基体的滑动干摩擦系数，其测试数据如图3所示。

图3 涂层和基体的摩擦系数曲线

由测试数据可知，在测试过程中，在2 N作用时，涂层的摩擦系数变化范围大约为0.15～0.18（增加了0.03），GCr15基体的摩擦系数变化范围大约为0.25～0.34（增加了0.09），涂层的摩擦系数约相当于基体的55%（涂层摩擦系数增加值约相当于基体的33%）；而在5 N作用时，涂层的摩擦系数变化范围大约为0.16～0.25（增加了0.09），GCr15基体的摩擦系数变化范围为0.41～0.74（增加了0.33），涂层的摩擦系数仅相当于基体的35%（涂层摩擦系数增加值约相当于基体的27%）。另外，测试曲线还显示，涂层的摩擦系数曲线波动明显比GCr15基体小，特别是在高载荷作用下。从以上测试数据可以看出，涂层明显降低了接触面摩擦系数及其波动性，提高了接触面摩擦系数的平稳性、耐磨性和载荷能力。

表1 干摩擦时无涂层轴承和涂层轴承的摩擦力矩

2.2 涂层轴承的摩擦力矩

对涂层轴承和无涂层轴承的摩擦特性进行了装机测试，测试结果如表1所示。

从表1中可以看出，涂层明显地改善了轴承表面的特性摩擦，使启动摩擦力矩和动态摩擦力矩都明显降低，这样一方面可以极大地起到节能效果，减小动力输入；另一方面可以减小轴承的温升，使轴承保持其性能稳定可靠性。

3 结论

通过对C掺杂CrN涂层的机械性能及其轴承的摩擦力矩的试验分析表明：①与基体材料相比，制备的C掺杂CrN涂层具有较高的硬度及良好的韧性、高的载荷能力等，使其具有良好的低摩擦系数和摩擦系数的稳定性；②与无涂层轴承相比，涂层轴承的启动摩擦力矩和动态摩擦力矩都明显减小，摩擦力矩的减小可以减小轴承的温升，使轴承性能稳定可靠，同时，也可以减小输入动力、节约能源等。

参考文献：

［1］Teng Y N，Ma H，Wen B C.Study on vibration friction mechanism and vibration response analysis based on vibration compaction system［J］.Applied Mechanics and Materials，2009，16（19）：84-87.

［2］安学利，周建中，张勇传.摩擦系数对轴向推力作用下碰摩转子振动特性的影响［J］.华北电力大学学报（自然科学版），2008，35（05）： 31-35.

［3］严珩志，王红志，钟掘.谐波振动下线接触弹流润滑的仿真及分析［J］.摩擦学学报，2002，22（01）：62-65.

［4］Franklin S E，Baranowska J.Conditions affecting the sliding tribological performance of selected coatings for high vacuum bearing applications［J］.Wear，2007（263）：1300-1305.

［5］梁波，葛世东，王煊良.轴承表面改性技术的发展及其应用［J］.轴承，2003（04）：42-46.

［6］胡鹏飞，蒋百灵，李洪涛.碳靶电流对CrCN镀层摩擦系数的影响［J］.功能材料，2011，42（01）：175-178.

［7］Sua Y L，Liu T H，Su C T，et al.Effect of chromium content on the dry machining performance of magnetron sputtered CrxC coatings［J］.Materials Science and Engineering A，2004，364（1-2）：188-197.

［8］徐滨士，谭俊，陈建敏.表面工程领域科学技术发展［J］.中国表面工程，2011，24（02）：1-12.

［9］LIN Jianliang，Sproul William D，WEI Ronghua，et al.Diamond like carbon films deposited by HiPIMS using oscillatory voltage pulses［J］.Surface&Coatings Technology，2014（258）：1212-1222.