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，膜層與底材結合力強，化學穩(wěn)定性好，摩擦性能優(yōu)良，磨損小等優(yōu)點被廣泛應用于高輻射、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，設計時軸承優(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構層。因此，MoS₂固體潤滑軸承在正式使用前，應進行充分跑合，去掉柱狀層和多余過渡層，使軸承在使用前達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，降低早期失效概率。

1 MoS₂潤滑薄膜結構與潤滑機理

1.1 MoS₂潤滑薄膜結構

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

圖1 MoS₂潤滑膜的微觀形態(tài)

1）致密層

濺射MoS₂復合固體潤滑膜沉積初期是一個活性的熱擴散過程，在此過程中濺射原子有一定的遷移，當溫度足夠高時，較大的原子運動會導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，當膜厚增加到80nm以上時，薄膜突起類結構轉變?yōu)榈容S、致密的轉化區(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

當薄膜厚度增加到500nm以上時，薄膜結構轉化為由直徑約為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潤滑膜潤滑機理

MoS₂為具有高度各向異性的六方晶系層狀結構，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，而硫層間的厚度為0.308nm。鉬原子與硫原子以共價鍵結合，具有非常強的鍵合力，但硫原子層的層間結合力非常弱，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。

圖2 MoS₂分子結構

2 跑合對MoS₂固體潤滑膜形貌及潤滑膜性能的影響

固體潤滑其潤滑機理為損耗型潤滑方式，一旦損壞無自償修復能力。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，軸承運轉時，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

圖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動方向重新取向，吸附于鋼球表面形成轉移膜，為軸承提供潤滑。大部分的磨屑會堆積于軸承溝道表面，隨著軸承運轉形成堆積物，造成軸承摩擦力矩不穩(wěn)定，嚴重時甚至會發(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固體潤滑軸承裝機使用前需進行跑合，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，達到良好的運行狀態(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，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：轉速、時間、載荷。其中，載荷應盡量模擬軸承實際工作載荷。跑合總轉數=跑合轉速×跑合時間，是評價軸承跑合是否充分的關鍵指標，跑合轉數過少，柱狀層脫落不充分，軸承裝機使用時膜層繼續(xù)脫落，影響軸承的摩擦性能；跑合轉數過多，會影響軸承壽命。固體潤滑軸承壽命為1×10⁶～1×10⁷r數量級，原則上應不超過0.01倍的軸承壽命（轉數），即跑合轉數為10000r左右。根據應用經驗，跑合轉數至少要在7000r以上。

3.2 跑合轉速過高

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

因此，跑合時應限制軸承轉速，尤其是內徑較大的軸承，軸承d·n值應控制在5000～10000mm·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（根據摩擦痕跡）。跑合帶寬度裕量不足會影響軸承使用，因此應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、載荷計算誤差的影響，軸承實際工作載荷與跑合設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關鍵措施^[5-7]：跑合載荷在一定范圍(涵蓋軸承工作載荷范圍)內有規(guī)律地變化，會使鋼球運動軌跡在溝道上產生相對位移，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。

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。