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MoS2固體潤滑軸承跑合分析

MoS2固體潤滑軸承跑合分析


MoS2固體潤滑軸承因其精度高,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、脂潤滑的工況,設(shè)計(jì)時軸承優(yōu)先采用固體潤滑。MoS2潤滑涂層中的致密層和部分過渡層為有效潤滑結(jié)構(gòu)層。因此,MoS2固體潤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潤滑薄膜結(jié)構(gòu)與潤滑機(jī)理

1.1  MoS2潤滑薄膜結(jié)構(gòu)

MoS2固體潤滑膜微觀生長機(jī)制按膜厚分為:致密層,過渡層,柱狀層,如圖1所示。

1  MoS2潤滑膜的微觀形態(tài)

1)致密層

濺射MoS2復(fù)合固體潤滑膜沉積初期是一個活性的熱擴(kuò)散過程,在此過程中濺射原子有一定的遷移,當(dāng)溫度足夠高時,較大的原子運(yùn)動會導(dǎo)致原子長程有序排列的形成,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。此時膜厚約為20~50nm,較為致密。

2)過渡層

繼續(xù)沉積薄膜,當(dāng)膜厚增加到80nm以上時,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,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,形成黑體。

1.2  MoS2潤滑膜潤滑機(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)。每個鉬原子被處于三棱柱角上的六個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,起到潤滑效果。

2  MoS2分子結(jié)構(gòu)

2 跑合對MoS2固體潤滑膜形貌及潤滑膜性能的影響

固體潤滑其潤滑機(jī)理為損耗型潤滑方式,一旦損壞無自償修復(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,過渡層以上的柱狀層區(qū)域極易破裂(圖3),既影響軸承潤滑性能,又易吸潮、氧化和剝落。

1致密層;2過渡層;3柱狀層;4基體;5斷裂區(qū);6有效潤滑膜厚

3  MoS2膜在摩擦過程中的形態(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,為軸承提供潤滑。大部分的磨屑會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)重時甚至?xí)l(fā)生卡滯。

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

1)通過鋼球-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渡層,使軸承提前渡過磨合期,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)生潤滑膜磨屑堆積而造成軸承卡滯等故障隱患。

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

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

3 跑合過程中常見的問題及解決措施

3.1  跑合不充分或過跑合

軸承跑合包括3個主參數(shù):轉(zhuǎn)速、時間、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×跑合時間,是評價軸承跑合是否充分的關(guān)鍵指標(biāo),跑合轉(zhuǎn)數(shù)過少,柱狀層脫落不充分,軸承裝機(jī)使用時膜層繼續(xù)脫落,影響軸承的摩擦性能;跑合轉(zhuǎn)數(shù)過多,會影響軸承壽命。固體潤滑軸承壽命為1×1061×107r數(shù)量級,原則上應(yīng)不超過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)速過高

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

因此,跑合時應(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500010000mm·r/min。

3.3  跑合帶寬度裕量不足

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

軸承跑合時,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,如果軸承跑合時以單一定載荷進(jìn)行跑合,可能會造成工作時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,會使鋼球運(yùn)動軌跡在溝道上產(chǎn)生相對位移,使跑合帶寬度加大,確保軸承工作時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需要形成的跑合帶寬度如圖4所示。

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,超過一定范圍也會影響軸承使用。

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、評估跑合帶寬度分布均勻性。跑合帶寬度較為均勻的,說明軸承跑合情況良好;反之,應(yīng)對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

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

最好采用石油醚/無水乙醇對跑合后的MoS2固體潤滑軸承進(jìn)行清洗。過程清洗時可采用汽油,但時間要盡量短;正式裝配前,需用石油醚/無水乙醇進(jìn)行清洗。

對于可分離軸承,跑合前后應(yīng)用綢布/無塵紙對溝道進(jìn)行擦拭,擦拭時應(yīng)注意保護(hù)溝道,不能使用銳器直接接觸溝道,用力不宜過大;對于不可分離軸承,跑合前用綢布/無塵紙擦拭溝道,跑合后多次清洗。清洗完成后,應(yīng)及時對軸承進(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)及時對軸承進(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)境的時間。


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