滚动轴承材料及热处理之“表面涂覆技术”

来源：轴承杂志社

滚动轴承表面处理技术，是指通过一定的手段使被处理零件的表面成分、组织、性能发生改变，以提高零件的寿命或改善其工作性能。滚动轴承表面处理技术主要有：表面涂覆、表面热处理、表面化学热处理、表面机械强化等。

表面涂覆技术包括：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、射频溅射（RF）、离子喷涂（PSC）、化学镀等。通过表面涂覆可提高轴承零件的耐磨性、接触疲劳抗力，并降低表面摩擦因数。下面介绍轴承用钢的表面涂覆技术。

1、类金刚石涂层

类金刚石（DLC）涂层由石墨结构和金刚石结构的碳构成，既具有石墨的润滑及低摩擦性能，又具有金刚石的硬度（1200HV以上），在许多工业技术中得到应用，如汽车燃料喷射系统、阀门系、齿轮和滚动轴承等，这些涂层在滑动状态下通常能表现出更好的耐磨性，而在轴承类高载荷滚动和混合接触状态下则表现较差，主要因为涂层在高载荷滚动状态下应用时裂纹在涂层的柱状组织中产生并扩展，进而导致涂层成片剥落。为避免这种断裂型磨损模式，必须消除这种晶柱状组织。优化工艺参数和涂层设计可消除涂层中亚微米级别的柱状组织，大大提高涂层在高载荷滚动和混合接触状态下的持久性，对涂层进行金属掺杂，如加入W，Ti，Cr等，在涂层中形成细小碳化物也有利提高涂层强度和耐磨性。DLC涂层代表轴承硬涂层的一个发展方向，在降低摩擦磨损、减少表面损伤，提高接触疲劳寿命方面将会越来越多地应用于各种轴承产品。近年来，涂层改性设计和实际应用成为表面涂覆的热点研究领域。

ECKELS.M,KOTZALAS.M.N,DOLL.G.L对滚子涂覆纳米复合材料类金刚石碳的滚子轴承性能进行了研究。通过非平衡磁控溅射将1 μm厚的W-aC:H涂层沉淀到滚子表面。W-aC:H涂层与钢基体之间有厚度小于1 μm的Cr过渡层以增加涂层与基体的结合力，W-aC:H涂层是一种由层厚为3~5 μm的富含钨和富含碳交替分布构成的层片结构，每个薄层里的非晶态碳氢化合物基体含有β-W2C的析出物，含量约为17%~20%。W-aC:H涂层的压痕硬度为12，弹性模量为130 GPa。试验表明，W-aC:H涂层具有很高的耐磨性及硬度，滚子涂覆W-aC:H的轴承在低Λ值下工作时可以大幅增加疲劳寿命，原因是滚道滚动接触区被涂层滚子研磨成镜面，而且可以磨平由润滑剂中污染颗粒在滚道上形成的压痕。另外，W-aC:H涂层可防止划伤及短期润滑失效的发生，也可以防止伪压痕类的磨损失效。

MUTYALA.K.C,SINGH.H, EVANS.R.D等研究了在正常、乏油及碎屑损伤条件下DLC涂层对球轴承性能的影响。所涂覆的DLC涂层有3种：WC/a-C:H，TiC/a-C和Ti/a-C:H。在正常润滑运转时，TiC/a-C涂覆钢球具有更大的扭矩降，其次是TiC/a-C:H，WC/a-C:H涂覆钢球；试验中，相比于TiC/a-C:H，TiC/a-C和未涂覆钢球，WC/a-C:H涂覆钢球能够修复滚道损伤，改善轴承碎屑损伤后的运转效率。WC/a-C:H，TiC/a-C:H和TiC/a-C涂层改善轴承的抗磨能力因子分别为3.5，1.7，1.3，超过了装配未涂覆钢球轴承在乏油条件下的因子。WC/a-C:H涂覆钢球在碎屑损伤和乏油条件下表现出了Z好的保护作用，这归因于其有利的膜转化能力。

SKF公司近年来一直在进行利用PVD在轴承套圈及滚动体表面涂覆DLC涂层的研究和应用，其涂覆的DLC涂层表面硬度比淬硬轴承钢高40%~80%、摩擦因数类似于PTFE或MoS2，具有自润滑特性，且与基体结合良好、无剥落，轴承寿命、耐磨性大幅度提高，在断油的情况下仍可正常工作，涂覆DLC的轴承被称为“NoWear bearing”，该技术早已应用于压缩机轴承、造纸机械轴承、液压马达轴承，还拟利用DLC涂层的低摩擦性能，将其应用于一些节能降耗的场合，如新能源汽车等。TIMKEN利用W-aC:H涂覆滚子，避免了滚子轴承因滚动接触面间的滑动引起的粘着磨损（涂抹）。

近年来，国内对DLC类涂层也进行了较多研究。除DLC外，西安理工大学等开发了Cr掺杂类石墨非晶碳（Graphite-like Carbon,GLC）涂层（图），通过使用Cr过渡层提高涂层与基体的结合力，并通过C/Cr多层复合成膜技术提高涂层强度，除低摩擦磨损外，且无触媒效应、脆性更低、结合强度更好，已成功应用于切削刃具，大大提高了刀具寿命。在轴承上也进行了初步的应用试验，钢球涂覆GLC的轴承试验表明：在高速下，轴承振动、温升显著降低，且DLC可作为固体润滑材料，使轴承在短时断油后仍可运转一定时间，该特性对于航空发动机轴承尤其重要。

Cr掺GLC涂层

2、固体润滑涂层

固体润滑涂层主要是涂覆?有润滑性能的软材料或层片结构材料，具有良好的润滑性能，一般应用于真空等不易使用油、脂润滑的场合。

软金属涂层有Au，Ag，Pb等，一般采用离子镀或溅射成膜，应用于高真空用滚动轴承，或用于改善保持架与滚动体间的润滑状态，如航空发动机轴承保持架镀银。

典型的层片结构材料如MoS2、石墨等，一般采用溅射或使用有机、无机黏接剂烧结成膜，MoS2一般用于高真空，石墨一般用于高温。

高分子材料以PTFE为代表，具有独特的带结构，表现出低摩擦、容易在配对面形成转移润滑膜、耐化学药品，且不易受环境介质影响，一般采用黏接剂烧结成膜，应用于清洁或耐蚀环境用轴承。

纳米金刚石处于滚动接触面时可像轴承中的滚动体一样减小摩擦，纳米金刚石涂层也可作为润滑涂层，硬度可能超过金刚石的CNx同样可作为固体润滑材料使用。

3、其他涂层

山田孝则等介绍了铁路拖动电动机用绝缘轴承。一种是在外圈外径面及端面喷涂氧化铝涂层并采用树脂封孔；一种是喷涂玻璃纤维增强PPS树脂，并在其中添加非导电的高导热填充物，提高导热性。两种涂层均具有较高的绝缘性能，可避免电蚀且温升与非涂层轴承相同，能够有效延长轴承寿命。

Р.И.ДИ介绍了利用聚合物材料提高机床主轴轴承寿命。轴承与轴承座及轴的配合面会发生摩擦腐蚀磨损，增大配合间隙，使轴承中Z大接触应力升高。在外圈上涂覆聚合物涂层后，保证外圈与轴的配合面处于弹性接触状态，在受载时涂层发生弹性变形，增加轴承中的有效承载面积，降低了Z大接触应力，进而提高轴承寿命。在外圈循环加载和局部加载时，外圈涂覆6Φ密封胶（厚度为0.125 mm）和ВК聚合物（厚度为0.09 mm）的轴承寿命分别为计算寿命的3-4倍以上。为提高轴承内的载荷分布系数，涂层的厚度应尽可能厚，且应选择低弹性模量的材料。

SKF研究了发黑对轴承性能的影响，实验室研究、轴承试验和现场经验表明：发黑提供一定的抗摩擦化学腐蚀保护，能减少氢渗透，还能增强抗潮气腐蚀损伤（如静止腐蚀）的能力。此外，当轴承在边界或混合润滑条件下出现粘着磨损、涂抹损伤或表面疲劳等失效形式时，发黑轴承钢表面提高了安全系数。SKF除了将经过发黑处理的轴承用于新设备外，还将其用作风力发电厂例行维护中常规轴承的替换品。为使轴承达到Z优性能，SKF建议内圈、外圈和滚动体都进行发黑处理。

低温离子渗硫是20世纪80年代后期出现的表面改性技术。其基本原理与离子渗氮相似，在一定的真空度下，利用高压直流电使含硫气体电离，生成的硫离子轰击工件表面，在工件表面与铁反应生成以FeS为主的10 μm左右厚的硫化物层。硫化物是良好的固体润滑剂，可有效降低钢件接触表面的摩擦系数，且其摩擦系数随载荷增大而进一步降低，因此可以大大提高重载下轴承的耐磨性，将轴承的寿命提高3倍左右。

低温磷化与渗硫的作用相似。通过把工件放置于40 ℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸渗4 h，可在工件表面获得0.05~0.25 μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面层，降低摩擦因数并提高耐磨性。经磷化的M50钢轴承在短期断油的情况下不出现卡死，提高了轴承的可靠性。

木野仲郎通过在滚动表面镀镍抑制氢的渗入，大幅度降低了钢中的氢含量，能够防止异常白色组织剥落。

节选自2020年2期《轴承》“滚动轴承材料及热处理进展与展望”