MoS₂固體潤(rùn)滑軸承跑合分析

MoS₂固體潤(rùn)滑軸承因其精度高，膜層與底材結(jié)合力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦性能優(yōu)良，磨損小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高輻射、高真空、高低溫交變等環(huán)境。尤其是不宜使用油、脂潤(rùn)滑的工況，設(shè)計(jì)時(shí)軸承優(yōu)先采用固體潤(rùn)滑。MoS₂潤(rùn)滑涂層中的致密層和部分過(guò)渡層為有效潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)層。因此，MoS₂固體潤(rùn)滑軸承在正式使用前，應(yīng)進(jìn)行充分跑合，去掉柱狀層和多余過(guò)渡層，使軸承在使用前達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，降低早期失效概率。

1  MoS₂潤(rùn)滑薄膜結(jié)構(gòu)與潤(rùn)滑機(jī)理

1.1  MoS₂潤(rùn)滑薄膜結(jié)構(gòu)

MoS₂固體潤(rùn)滑膜微觀生長(zhǎng)機(jī)制按膜厚分為：致密層，過(guò)渡層，柱狀層，如圖1所示。

圖1  MoS₂潤(rùn)滑膜的微觀形態(tài)

1）致密層

濺射MoS₂復(fù)合固體潤(rùn)滑膜沉積初期是一個(gè)活性的熱擴(kuò)散過(guò)程，在此過(guò)程中濺射原子有一定的遷移，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，較大的原子運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致原子長(zhǎng)程有序排列的形成，形成4~6nm的微晶突起，基面平行于基體的微片晶表現(xiàn)為灰色區(qū)域。此時(shí)膜厚約為20~50nm，較為致密。

2）過(guò)渡層

繼續(xù)沉積薄膜，當(dāng)膜厚增加到80nm以上時(shí)，薄膜突起類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S、致密的轉(zhuǎn)化區(qū)域，該區(qū)域厚度為80~500nm。薄膜形態(tài)類似于玻璃體。

3）柱狀層

當(dāng)薄膜厚度增加到500nm以上時(shí)，薄膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為由直徑約為250nm的垂直片晶組成的柱狀層，柱狀片晶排列垂直于基體，被低密度區(qū)（微孔）縱向隔開(kāi)，形成黑體。

1.2  MoS₂潤(rùn)滑膜潤(rùn)滑機(jī)理

MoS₂為具有高度各向異性的六方晶系層狀結(jié)構(gòu)，由兩層硫原子和夾在其中的一層鉬原子組成（圖2）。每個(gè)鉬原子被處于三棱柱角上的六個(gè)等距離的硫原子包圍，鉬原子與硫原子層間距離為0.154nm，而硫?qū)娱g的厚度為0.308nm。鉬原子與硫原子以共價(jià)鍵結(jié)合，具有非常強(qiáng)的鍵合力，但硫原子層的層間結(jié)合力非常弱，表現(xiàn)為范德華力。因此，MoS₂晶體容易沿范德華力作用區(qū)域劈開(kāi)，起到潤(rùn)滑效果。

圖2  MoS₂分子結(jié)構(gòu)

2 跑合對(duì)MoS₂固體潤(rùn)滑膜形貌及潤(rùn)滑膜性能的影響

固體潤(rùn)滑其潤(rùn)滑機(jī)理為損耗型潤(rùn)滑方式，一旦損壞無(wú)自償修復(fù)能力。最頂層的柱狀層呈柱狀或針狀疏松組織，柱狀片晶之間的黏接力極弱，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，過(guò)渡層以上的柱狀層區(qū)域極易破裂（圖3），既影響軸承潤(rùn)滑性能，又易吸潮、氧化和剝落。

1—致密層；2—過(guò)渡層；3—柱狀層；4—基體；5—斷裂區(qū)；6—有效潤(rùn)滑膜厚

圖3  MoS₂膜在摩擦過(guò)程中的形態(tài)變化

柱狀片晶的破裂和分散將形成磨屑，其中部分柱狀片晶在外力作用下將沿運(yùn)動(dòng)方向重新取向，吸附于鋼球表面形成轉(zhuǎn)移膜，為軸承提供潤(rùn)滑。大部分的磨屑會(huì)堆積于軸承溝道表面，隨著軸承運(yùn)轉(zhuǎn)形成堆積物，造成軸承摩擦力矩不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生卡滯。

MoS₂潤(rùn)滑膜的有效膜厚為0.2mm，主要由致密層和部分過(guò)渡層組成。因此，MoS₂固體潤(rùn)滑軸承裝機(jī)使用前需進(jìn)行跑合，主要目的有：

1）通過(guò)鋼球-溝道間的輾壓，能夠去除溝道表面易脫落的柱狀層及部分過(guò)渡層，使軸承提前渡過(guò)磨合期，達(dá)到良好的運(yùn)行狀態(tài)。

2）跑合后的清洗能夠把剝落的磨屑洗掉，消除因產(chǎn)生潤(rùn)滑膜磨屑堆積而造成軸承卡滯等故障隱患。

3）通過(guò)鋼球-溝道的輾壓，使下層的致密層、部分過(guò)渡層更加均勻致密，降低潤(rùn)滑膜的摩擦因數(shù)，提高軸承摩擦力矩的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)軸承潤(rùn)滑膜的磨損壽命。

軸承的跑合和清洗是MoS₂固體潤(rùn)滑軸承裝機(jī)使用前必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，需制定適宜、有效的跑合規(guī)范。

3 跑合過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題及解決措施

3.1  跑合不充分或過(guò)跑合

軸承跑合包括3個(gè)主參數(shù)：轉(zhuǎn)速、時(shí)間、載荷。其中，載荷應(yīng)盡量模擬軸承實(shí)際工作載荷。跑合總轉(zhuǎn)數(shù)=跑合轉(zhuǎn)速×跑合時(shí)間，是評(píng)價(jià)軸承跑合是否充分的關(guān)鍵指標(biāo)，跑合轉(zhuǎn)數(shù)過(guò)少，柱狀層脫落不充分，軸承裝機(jī)使用時(shí)膜層繼續(xù)脫落，影響軸承的摩擦性能；跑合轉(zhuǎn)數(shù)過(guò)多，會(huì)影響軸承壽命。固體潤(rùn)滑軸承壽命為1×10⁶～1×10⁷r數(shù)量級(jí)，原則上應(yīng)不超過(guò)0.01倍的軸承壽命（轉(zhuǎn)數(shù)），即跑合轉(zhuǎn)數(shù)為10000r左右。根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，跑合轉(zhuǎn)數(shù)至少要在7000r以上。

3.2  跑合轉(zhuǎn)速過(guò)高

對(duì)于MoS₂固體潤(rùn)滑軸承，提高其轉(zhuǎn)速（加速壽命試驗(yàn)）不會(huì)改變軸承的失效模式。軸承跑合時(shí)，為了提高跑合效率，也會(huì)采取提高轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行跑合。MoS₂固體潤(rùn)滑膜的結(jié)構(gòu)特性決定了其承受壓力的能力較強(qiáng)，6GPa壓強(qiáng)下也不會(huì)出現(xiàn)破裂；但其承受滑動(dòng)摩擦的能力較弱，轉(zhuǎn)速過(guò)高，鋼球-溝道的相對(duì)滑動(dòng)較為嚴(yán)重，會(huì)影響MoS₂固體潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑性能。

因此，跑合時(shí)應(yīng)限制軸承轉(zhuǎn)速，尤其是內(nèi)徑較大的軸承，軸承d·n值應(yīng)控制在5000～10000mm·r/min。

3.3  跑合帶寬度裕量不足

軸承跑合前，潤(rùn)滑膜呈烏黑無(wú)光澤，跑合后潤(rùn)滑膜應(yīng)是略帶光澤的暗灰色，有效跑合區(qū)域，即跑合帶很易識(shí)別（根據(jù)摩擦痕跡）。跑合帶寬度裕量不足會(huì)影響軸承使用，因此應(yīng)該在前期跑合時(shí)解決該問(wèn)題。

軸承跑合時(shí)，一般是模擬軸承實(shí)際工作載荷，以保證套圈跑合區(qū)與工作接觸區(qū)基本重合。受裝配誤差、使用溫度、載荷計(jì)算誤差的影響，軸承實(shí)際工作載荷與跑合設(shè)定載荷肯定存在一定誤差，如果軸承跑合時(shí)以單一定載荷進(jìn)行跑合，可能會(huì)造成工作時(shí)的接觸軌跡超出跑合帶范圍，從而導(dǎo)致跑合帶邊緣的膜層繼續(xù)脫落。

采用變載荷跑合是提高跑合帶寬度裕量的一項(xiàng)關(guān)鍵措施^[5-7]：跑合載荷在一定范圍(涵蓋軸承工作載荷范圍)內(nèi)有規(guī)律地變化，會(huì)使鋼球運(yùn)動(dòng)軌跡在溝道上產(chǎn)生相對(duì)位移，使跑合帶寬度加大，確保軸承工作時(shí)接觸軌跡始終處于跑合帶范圍內(nèi)。

工作需要的跑合帶寬度和跑合時(shí)需要形成的跑合帶寬度如圖4所示。

圖4  跑合帶寬度示意圖

3.4  跑合帶寬度均勻性差

跑合帶寬窄不一致，均勻性較差，超過(guò)一定范圍也會(huì)影響軸承使用。

跑合帶寬度一致性是反映軸承跑合情況的綜合性指標(biāo)，主要受以下3個(gè)方面影響：1)軸承裝配質(zhì)量；2)軸承溝形加工質(zhì)量；3)軸承跑合工裝加工精度。

因此，軸承跑合后，應(yīng)在顯微鏡下觀察、評(píng)估跑合帶寬度分布均勻性。跑合帶寬度較為均勻的，說(shuō)明軸承跑合情況良好；反之，應(yīng)對(duì)跑合工裝精度及軸承裝配情況進(jìn)行復(fù)查，再次跑合。跑合后仍不合格的，說(shuō)明軸承加工溝形較差，需根據(jù)具體情況決定軸承是否繼續(xù)使用。

3.5  跑合后清洗不干凈

跑合前后需要對(duì)軸承套圈和球進(jìn)行清洗。尤其是跑合后，剝落的磨屑會(huì)堆積于溝道表面，若清洗不干凈，會(huì)造成溝道表面MoS₂堆積，影響軸承使用。

最好采用石油醚/無(wú)水乙醇對(duì)跑合后的MoS₂固體潤(rùn)滑軸承進(jìn)行清洗。過(guò)程清洗時(shí)可采用汽油，但時(shí)間要盡量短；正式裝配前，需用石油醚/無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗。

對(duì)于可分離軸承，跑合前后應(yīng)用綢布/無(wú)塵紙對(duì)溝道進(jìn)行擦拭，擦拭時(shí)應(yīng)注意保護(hù)溝道，不能使用銳器直接接觸溝道，用力不宜過(guò)大；對(duì)于不可分離軸承，跑合前用綢布/無(wú)塵紙擦拭溝道，跑合后多次清洗。清洗完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行干燥處理。

3.6  跑合后存放方法不合理

盡量在真空環(huán)境下進(jìn)行軸承跑合；在大氣環(huán)境下跑合，應(yīng)保證跑合環(huán)境十分清潔，避免外部雜質(zhì)、油污、纖維等進(jìn)入軸承。

跑合完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行干燥真空包裝，并將封裝后的軸承置于真空干燥器具中保存，盡量減少軸承暴露于外界環(huán)境的時(shí)間。

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