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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，化學穩定性好，摩擦性能優良，磨損小等優點被廣泛應用于高輻射、高真空、高低溫交變等環境。尤其是不宜使用油、脂潤滑的工況，設計時軸承優先采用固體潤滑。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定工作狀態，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

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為灰色區域。此時膜厚約為20~50nm，較為致密。

2）過渡層

繼續沉積薄膜，當膜厚增加到80nm以上時，薄膜突起類結構轉變為等軸、致密的轉化區域，該區域厚度為80~500nm。薄膜形態類似于玻璃體。

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（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，表現為范德華力。因此，MoS₂晶體容易沿范德華力作用區域劈開，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；6—有效潤滑膜厚

圖3  MoS₂膜在摩擦過程中的形態變化

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定，嚴重時甚至會發生卡滯。

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。

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節，需制定適宜、有效的跑合規范。

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，以保證套圈跑合區與工作接觸區基本重合。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。

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，主要受以下3個方面影響：1)軸承裝配質量；2)軸承溝形加工質量；3)軸承跑合工裝加工精度。

因此，軸承跑合后，應在顯微鏡下觀察、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，應對跑合工裝精度及軸承裝配情況進行復查，再次跑合。跑合后仍不合格的，說明軸承加工溝形較差，需根據具體情況決定軸承是否繼續使用。

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/無水乙醇進行清洗。

對于可分離軸承，跑合前后應用綢布/無塵紙對溝道進行擦拭，擦拭時應注意保護溝道，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，應及時對軸承進行干燥處理。

3.6  跑合后存放方法不合理

盡量在真空環境下進行軸承跑合；在大氣環境下跑合，應保證跑合環境十分清潔，避免外部雜質、油污、纖維等進入軸承。

跑合完成后，應及時對軸承進行干燥真空包裝，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境的時間。

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