WS2复合润滑膜制备及轴承性能试验分析

谢鹏飞，代彦宾，靳国栋，李超强，屈驰飞

（1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039；4.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003）

某高速电动机用微型角接触球轴承的外形尺寸为φ10 mm×φ15 mm×2.5 mm，工作温度为-196～55℃，电动机转速要在4 s内达到7 200 r／min。由于轴承工作温度极低，因此只能采用自润滑方案。国外同型号轴承的自润滑性能优异，单套轴承的启动摩擦力矩不大于0.05 N·mm，且力矩波动值不大于0.02 N·mm。文献［1］对该型号轴承用自润滑保持架的材料进行了深入研究，筛选出保持架材料的最佳配方，其自润滑性能基本满足主机的使用要求，但轴承性能与国外轴承相比仍有差距；另外，轴承在使用前需先进行5 h的低速跑合才能在工作表面形成固体润滑膜，且启动摩擦力矩的合格率低，致使研制周期长。

目前在低温、高温或真空的极端特殊环境下使用的固体润滑材料分为3种类型，即软金属、高分子和层状晶体结构物质。银、铅等软金属类润滑剂易受外来气体的影响，大多在超高真空中使用；高分子类润滑剂主要使用于高清洁度和耐腐蚀环境中，在轴承中主要作为保持架材料使用；层状晶体结构物质适用于高低温、真空用途以及在固体润滑中需要更长寿命的场合，如MoS2，WS2等。

MoS2和WS2薄膜因承载能力高、摩擦因数低、耐磨性强等优点广泛用于航天航空工业领域［2-4］。WS2薄膜性能更优、使用温度范围更宽，但纯WS2薄膜在潮湿空气中摩擦时易发生氧化，降低摩擦学性能，需通过WS2薄膜改性使轴承在大气中具有良好的润滑效果和较长的使用寿命。因此，通过工艺优化对纯WS2薄膜进行改进，制备WS2复合薄膜来提高薄膜的抗氧化和摩擦性能，以进一步改善轴承在运转初期的润滑状态，并通过轴承的测试、试验以及与国外产品对比验证轴承的性能。

1 WS2复合润滑膜的制备与检测

1.1 膜层的制备

为提高WS2薄膜的抗氧化和摩擦性能，进行了多次工艺改进试验，最终通过靶材烧结和膜层制备工艺方面的改进，制备出了耐磨性和抗氧化性更优的WS2复合润滑膜。

WS2靶材的烧结采用热等静压法，工艺流程如图1所示。该方法与传统靶材烧结工艺相比具有以下优点：

图1 热等静压烧结WS2靶材的工艺流程Fig.1 Technological process for hot isostatic pressing sintering of target material WS2

1）可以压缩成形状复杂的靶材，且烧结后靶材微观组织结构一致性好；

2）高的气体密度可以促进热交换，提高加热速度，缩短循环时间；

3）由于加热非常一致，脆性材料也可以压缩成形。

WS2薄膜分为晶态结构和非晶态结构。晶态结构WS2薄膜的晶体结构示意图如图2所示。若微晶的c轴平行于基面（∥c），称为I型结构；若微晶的c轴垂直于基面（⊥c），称为II型结构。在摩擦试验中，I型结构薄膜比II型更易于与环境中的氧气和水蒸气发生化学反应，II型结构薄膜即使暴露在潮湿的环境中，也具有较好的摩擦学性能。而非晶态结构的WS2薄膜在外界应力的作用下会转向II型结构。

图2 WS2晶体结构示意图Fig.2 Diagram of crystal structure of WS2

采用离子束纳米沉积技术制备非晶态结构的WS2薄膜，该方法不仅可以大大提高沉积膜的密度，与基底产生界面共混，提高膜层和基体材料的结合力，还可以通过调整工艺参数，制备多层薄膜。经过反复试验发现：在纯WS2薄膜中加入Ag有利于获得非晶态的WS2复合薄膜，该种薄膜的耐磨性和抗氧化能力均比纯WS2薄膜优异。

1.2 膜层性能检测

1.2.1 结合力检测

结合力是表征膜层质量的重要指标之一，为更好地检验WS2复合薄膜与基体的结合力，分别采用划格法和摩擦磨损试验来检测。

1）划格法

采用GB／T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》检测WS2复合薄膜和基材之间结合力，结果如图3所示。由图可知，沉积的WS2复合膜与基材之间的结合力良好，未出现任何剥落。

图3 划格法检测结果Fig.3 Test result of cross-cut method

2）摩擦磨损试验

WS2复合薄膜的结合力直接影响其摩擦磨损性能，因此，通过摩擦磨损试验来进一步验证WS2复合薄膜与基材之间的结合力。固体润滑膜摩擦磨损性能的评价参数主要为摩擦因数和耐久性（或寿命），耐久性一般用最大摩擦因数达到0.3时的往复次数或摩擦距离评估。采用球-盘式循环摩擦方式进行摩擦磨损试验，根据轴承的使用工况，确定试验条件及合格判据为：在轴向载荷2 N、转速500 r／min的条件下，连续运转2 h，膜层的摩擦因数不大于0.3，则膜层合格。经试验，WS2复合薄膜试验后的摩擦因数为0.1，因此，该膜层合格。

1.2.2 轴承样件沉积膜层的检测

采用扫描电子显微镜对内、外圈膜层形貌和成分进行局部抽检，检测结果如图4所示。由图可知，轴承工作表面的膜层分布均匀，无大颗粒和剥落现象。

图4 WS2膜层扫描电镜照片Fig.4 Scanning electron micrograph of WS2 film

2 轴承性能测试

为验证表面沉积WS2复合薄膜后轴承的性能，选择4套轴承（编号A，B，C，D），其中A与B，C与D分别配对使用，在轴承沉积WS2复合薄膜前后测试其启动摩擦力矩。

2.1 设备及条件

1）仪器：YZC-Ⅱ型摩擦力矩测试仪；

2）轴向载荷：3 N；

3）条件：轴承在不加润滑油的条件下测试，每套轴承正、反转各测试5个点。

2.2 测试结果

4套轴承沉积WS2复合薄膜前后的启动摩擦力矩平均值及波动值见表1。由表可知，沉积WS2薄膜后的启动摩擦力矩整体降低，波动值大幅度下降。

表1 启动摩擦力矩平均值及波动性对比Tab.1 Contrast of average value and volatility of startup friction torque N·mm

3 轴承试验分析

轴承工作转速为7 200 r／min，仅通过启动摩擦力矩测试无法验证WS2复合薄膜对轴承运转初期润滑的改善作用，还需进行轴承的高速运转试验来进一步验证WS2薄膜的润滑性能。

3.1 试验方案

采用固体润滑保持架的轴承在装机前需要先进行低速预跑合，待轴承工作表面形成固体润滑膜后方能在高速下运转。若WS2薄膜能够改善轴承运转初期的润滑状态，则轴承可直接在高速下运转。选取2套同型号未沉积WS2薄膜的轴承（编号E，F），再从之前测试过的4套沉积WS2薄膜轴承中任意选取2套（C，D），轴向载荷设定为5 N，在ZYS-202上进行跑合试验，具体试验方案见表2。

表2 试验方案Tab.2 Test schemes

3.2 试验结果分析

轴承启动摩擦力矩曲线分别如图5、图6所示。由于重点研究复合沉积WS2薄膜轴承的性能，因此C，D轴承的启动摩擦力矩测试次数较多。

图5 E，F轴承启动摩擦力矩曲线Fig.5 Startup friction torque curves of bearings E and F

图6 C，D轴承启动摩擦力矩曲线Fig.6 Startup friction torque curves of bearings C and D

由图5、图6可知：E，F轴承在性能试验过程中摩擦力矩的波动较大，约为0.09 N·mm，试验结束后2套轴承的启动摩擦力矩分别为0.034，0.053 N·mm；C，D轴承未经过预跑和，但在性能验过程中摩擦力矩的波动较小，约为0.05 N·mm，试验结束后2套轴承的启动摩擦力矩分别为0.025，0.018 N·mm，说明WS2复合薄膜有效改善了轴承高速运转初期的润滑状态。

试验后分解轴承，并对沟道形貌进行光学及扫描电镜观察，结果如图7、图8所示。

图7 试验轴承外圈沟道照片Fig.7 Outer ring raceway photos of test bearings

图8 沟道表面扫描电镜照片Fig.8 Scanning electron micrographs of raceway surface

由图7、图8可知，2种轴承沟道内均形成了致密的固体润滑膜；采用WS2复合薄膜的轴承形成的固体润滑膜更加细密。

4 与国外轴承对比

对比试验后D轴承与国外同型号轴承的摩擦力矩，结果见表3。

表3 启动摩擦力矩对比Tab.3 Contrast of startup friction torque N·mm

由表3可知，采用自润滑保持架和WS2复合固体润滑膜相结合的润滑方案，轴承的摩擦力矩更小且更稳定，与国外同型号轴承相比，摩擦力矩的平均值和波动值均有明显降低。

5 结论

为提高某高速电动机用转子轴承的润滑性能，采用WS2作为固体润滑材料，经工艺研究，制备了满足轴承使用要求的WS2复合薄膜。通过对轴承性能的测试、试验以及与国外轴承对比，得出以下结论：

1）采用WS2复合薄膜后，轴承启动摩擦力矩明显降低且波动范围变小。

2）采用WS2复合薄膜的轴承无需进行低速预跑和，可直接在高速下运转，大大节省了低速跑合时间，提高了生产效率和合格率；经过100 h的性能试验后，轴承启动摩擦力矩更小，套圈工作表面形成的固体润滑膜更加致密细腻，提高了轴承的可靠性。

3）通过采用WS2复合固体润滑膜和自润滑保持架相结合的润滑方案，轴承的摩擦力矩更小且更稳定，与国外产品相比明显减小。

轴承交付用户单位后，随主机进行了性能测试和环境试验，轴承性能稳定，满足使用要求，现已基本替代进口产品。