賈貴西

（洛陽(yáng)理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

滾動(dòng)軸承的摩擦特性影響軸承的振動(dòng)、噪聲、性能可靠性等，對(duì)主機(jī)的工作性能有重大的影響，因此，提高摩擦學(xué)特性是滾動(dòng)軸承在設(shè)計(jì)制造時(shí)倍受關(guān)注的一個(gè)重要課題。近年來(lái)，隨著軸承制造、裝配等技術(shù)的提高，摩擦和潤(rùn)滑對(duì)滾動(dòng)軸承使用特性的影響日漸顯現(xiàn)。相關(guān)研究表明，由表面改性技術(shù)制備的具有自潤(rùn)滑特性的固體涂層可以提高潤(rùn)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(dòng)軸承使用性能的一項(xiàng)重要措施。

氮化鉻涂層具有優(yōu)良的耐磨性、韌性及附著力等，還有晶粒結(jié)構(gòu)精細(xì)、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，常被用于提零件工作表面的耐磨性、延長(zhǎng)使用壽命；碳元素具有低摩擦系數(shù)和磨損率、高承載能力等，是一種優(yōu)異的自潤(rùn)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(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景。非平衡封閉合場(chǎng)磁控濺射技術(shù)是一種物理氣相沉積制膜技術(shù)，其鍍膜具有沉積溫度低、易實(shí)現(xiàn)多元梯度沉積等工藝優(yōu)點(diǎn)，適宜作為軸承零件的最后一道制造工藝。

為此，本文應(yīng)用磁控濺射技術(shù)及設(shè)備，在滾動(dòng)軸承零件接觸表面制備C摻CrN涂層，研究該涂層的摩擦學(xué)性能，對(duì)C摻CrN涂層軸承的摩擦力矩性能進(jìn)行測(cè)試及分析，探討C摻CrN涂層對(duì)滾動(dòng)軸承摩擦特性的影響規(guī)律。

1 涂層制備

圖1所示為磁控濺射技術(shù)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(tài)，它們的純度均不小于99.99%.在濺射鍍膜時(shí)，鉻和碳元素通過(guò)磁控靶濺射出涂層的鉻離子和碳離子，氮元素由光發(fā)射譜法控制直接通入真空箱與濺射出的離子進(jìn)行反應(yīng)，并一起沉積到待鍍的鋼球基體表面。在濺射沉積過(guò)程中，靶-基距約為110～120 mm；并對(duì)試樣施加負(fù)偏壓為75 V，以保證涂層的質(zhì)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(jìn)行超聲波清洗，以除去試樣基體表面的雜質(zhì)，以得到清潔的表面，提高膜-基附著強(qiáng)度；②試樣涂層沉積時(shí)的本底真空度約為4.0×10-3Pa，制膜時(shí)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(duì)基體施加－400 V的偏壓，Cr靶電流為0.3A，清洗時(shí)間為30 min，其目的是進(jìn)一步清潔表面，并活化基體，提高膜-基結(jié)合強(qiáng)度。②基-膜結(jié)合層。將基體偏壓調(diào)至－90 V，Cr靶電流調(diào)至為2.0A，制膜時(shí)間為10 min，其目的是保證膜-基結(jié)合強(qiáng)度良好。③梯度過(guò)渡層。將基體偏壓調(diào)至－65 V，用5 min的時(shí)間將Cr靶電流和C靶電流分別線性調(diào)至工作層電流，N元素由光發(fā)射譜法控制，其目的是膜層結(jié)構(gòu)平穩(wěn)過(guò)渡，減少膜層的內(nèi)應(yīng)力。④工作層。Cr靶電流為1.0A、C靶電流為1.2A，制備時(shí)間為4 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層的機(jī)械性能

2.1.1 硬度及韌性

用HΧS-1000型維氏硬度測(cè)量?jī)x測(cè)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(méi)有發(fā)生破裂現(xiàn)象，說(shuō)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(jī)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(cè)試了涂層和GCr15基體的滑動(dòng)干摩擦系數(shù)，其測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 涂層和基體的摩擦系數(shù)曲線

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

表1 干摩擦?xí)r無(wú)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(duì)涂層軸承和無(wú)涂層軸承的摩擦特性進(jìn)行了裝機(jī)測(cè)試，測(cè)試結(jié)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(dòng)摩擦力矩和動(dòng)態(tài)摩擦力矩都明顯降低，這樣一方面可以極大地起到節(jié)能效果，減小動(dòng)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(wěn)定可靠性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)C摻雜CrN涂層的機(jī)械性能及其軸承的摩擦力矩的試驗(yàn)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(shù)和摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性；②與無(wú)涂層軸承相比，涂層軸承的啟動(dòng)摩擦力矩和動(dòng)態(tài)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(wěn)定可靠，同時(shí)，也可以減小輸入動(dòng)力、節(jié)約能源等。

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