WS2固體潤(rùn)滑膜軸承試驗(yàn)分析

馬小梅 ，孟瑾 ，李紅濤，馬美玲

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2. 洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471003；3.駐洛陽地區(qū)代表室，河南 洛陽 471039)

某主機(jī)使用的深溝球軸承6214由于工況特殊，故采用具有自潤(rùn)滑性能的保持架，但在運(yùn)轉(zhuǎn)初始階段滾動(dòng)體與套圈溝道之間處于無潤(rùn)滑狀態(tài)。為解決該軸承的早期潤(rùn)滑問題，在內(nèi)、外圈溝道表面均濺射了WS2固體潤(rùn)滑膜。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)軸承為2套深溝球軸承6214，其中1套軸承的滾動(dòng)體材料為氮化硅，另1套滾動(dòng)體材料為9Cr18不銹軸承鋼。臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)軸承轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，徑向載荷為10 kN，工作介質(zhì)為水，多次啟動(dòng)。

試驗(yàn)結(jié)束后，2套軸承結(jié)構(gòu)完好，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活。拆套后，對(duì)2套軸承的內(nèi)、外圈溝道和陶瓷球、鋼球進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：陶瓷球軸承外圈溝道表面有大量凹坑，且溝道表面的WS2固體潤(rùn)滑膜層磨損較嚴(yán)重；而鋼球軸承外圈溝道和鋼球狀態(tài)良好，且在鋼球表面形成了較好的WS2固體轉(zhuǎn)移膜，溝道內(nèi)膜層磨損較少。

2 滾動(dòng)體外觀檢查

從2套試驗(yàn)軸承中各取1粒滾動(dòng)體，用400倍光學(xué)顯微鏡檢測(cè)其表面形貌狀態(tài)，并在超聲波清洗前、后對(duì)陶瓷球和鋼球的形貌進(jìn)行對(duì)比。

圖1、圖2所示為同一陶瓷球不同部位的形貌。從圖中可看出：在陶瓷球的部分表面上沒有形成轉(zhuǎn)移膜，部分表面上有WS2轉(zhuǎn)移膜，且轉(zhuǎn)移膜分布在磨痕較深的兩側(cè)。

圖1 陶瓷球沒有形成WS2轉(zhuǎn)移膜部分形貌

圖2 陶瓷球形成WS2轉(zhuǎn)移膜部分形貌

圖3、圖4所示為試驗(yàn)前、后同一鋼球表面形貌。對(duì)比圖3和圖4可看出：試驗(yàn)后鋼球表面形成了相對(duì)致密的WS2轉(zhuǎn)移膜，即使在摩擦較嚴(yán)重的部位也存在WS2轉(zhuǎn)移膜。

圖3 試驗(yàn)前鋼球形貌

圖4 試驗(yàn)后鋼球形貌

在酒精中經(jīng)10 min的超聲波清洗后，陶瓷球和鋼球表面形貌如圖5、圖6所示?？擅黠@看出：陶瓷球表面已基本沒有WS2固體轉(zhuǎn)移膜，而鋼球表面的WS2轉(zhuǎn)移膜依然存在。

圖5 陶瓷球表面形貌

圖6 鋼球表面形貌

3 形貌及成分檢測(cè)

3.1 光學(xué)顯微鏡檢測(cè)

用30倍光學(xué)顯微鏡檢測(cè)軸承內(nèi)、外圈溝道形貌發(fā)現(xiàn)，2套軸承內(nèi)圈溝道表面沒有明顯磨痕，表面狀態(tài)良好。外圈溝道形貌如圖7和圖8所示，陶瓷球軸承外圈溝道中有大量磨痕(凹坑)，而鋼球軸承外圈溝道狀態(tài)較好。

圖7 陶瓷球軸承外圈溝道表面形貌

圖8 鋼球軸承外圈溝道表面形貌

3.2 掃描電子顯微鏡與能譜儀檢測(cè)

采用S-4800掃描電子顯微鏡對(duì)鋼球和陶瓷球軸承外圈溝道形貌和成分進(jìn)行了檢測(cè)。由于陶瓷球不導(dǎo)電，在用掃描電鏡檢測(cè)時(shí)存在荷電積累，因此不能檢測(cè)出陶瓷球表面形貌和成分。

3.2.1 鋼球

圖9所示為鋼球微觀區(qū)域形貌。由圖可知：鋼球的表面狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)粘著磨損現(xiàn)象，并且在鋼球表面發(fā)現(xiàn)類似膜層的物質(zhì)。

圖9 鋼球形貌

利用能譜儀對(duì)圖9所示的鋼球微觀區(qū)域表面分別進(jìn)行3個(gè)點(diǎn)的成分檢測(cè)，主要元素含量見表1。從表中數(shù)值可看出，在鋼球表面已經(jīng)形成了一層WS2固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜。

表1 鋼球成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.2.2 陶瓷球軸承外圈溝道

陶瓷球軸承外圈溝道微觀形貌如圖10所示。由圖可知：在溝道底部，即WS2固體膜層被磨穿了的部位和邊緣處存在很多凹坑，這與光學(xué)顯微鏡觀察到的結(jié)果一致。

圖10 陶瓷球軸承外圈溝道形貌

4 鋼球表面的納米硬度檢測(cè)

采用載荷控制模式對(duì)鋼球表面3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行納米硬度檢測(cè)，其中控制載荷為4 N，得到的載荷-位移深度曲線如圖11所示，3個(gè)點(diǎn)的彈性模量和納米硬度值見表2。

圖11 載荷-位移曲線

表2 3個(gè)點(diǎn)的彈性模量和納米硬度

采用載荷控制的3個(gè)點(diǎn)的硬度均大于10 GPa，1點(diǎn)和2點(diǎn)的硬度差別很小，3點(diǎn)的硬度比1點(diǎn)和2點(diǎn)大很多，有可能是打到硬質(zhì)相上了，所以偏差較大。載荷-位移深度曲線也顯示出1點(diǎn)和2點(diǎn)的曲線重合度很好，3點(diǎn)的曲線偏離較大，這和硬度顯示的結(jié)果一致。說明經(jīng)試驗(yàn)后鋼球的彈性模量和硬度均沒有大的變化，鋼球表面狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

內(nèi)、外圈溝道表面均濺射有WS2固體潤(rùn)滑膜的軸承在水介質(zhì)中工作時(shí)，鋼球比陶瓷球更有利于其表面潤(rùn)滑膜的形成。