无油润滑下高温轴承表面氮化物涂层摩擦性能研究

沈之明

摘要：氮化物涂层在高温轴承中的应用较为广泛，但由于在无油润滑条件下，摩擦因数的大小是决定涂层是否能成功应用的主要因素。本研究以GCr15轴承钢为基体材料，采用激光熔覆技术在其表面制备氮化物涂层，并与45#钢进行对比分析。通过球-盘摩擦磨损试验及显微形貌观察对摩擦机理进行探讨。结果表明：氮化物涂层的润滑性能及耐磨性能优于45#钢，且与GCr15轴承钢相比，氮化物涂层的磨损率更低。

关键词：高温轴承：氮化物涂层：摩擦性能

引言：轴承作为机械设备中的重要零部件，其工作状态直接决定着机械设备的性能，因此对轴承表面进行涂层改性以提高其综合性能已成为当前研究热点之一。氮化物涂层是一种高温下具有优异性能的涂层材料，具有良好的高温摩擦学性能，如耐磨性、抗氧化性，同时还具有耐磨损性、耐腐蚀性等。因此，氮化物涂层在轴承中的应用较为广泛。然而，由于氮化物涂层在无油润滑条件下摩擦因数的大小是决定涂层是否能成功应用的主要因素。因此，如何提高氮化物涂层在无油润滑条件下的摩擦学性能成为了近年来研究热点之一。

目前国内外学者在氮化物涂层中添加不同种类添加剂来提高其抗氧化性能和摩擦性能。Yoshiyama等人以Al2O3为添加剂，HfO2为基材制得了一种具有抗氧化性能和良好摩擦性能的氮化物涂层；Yu等人以Cr、Mo和W等为添加剂制备了具有良好摩擦性能的氮化物涂层。本文以GCr15轴承钢为基体材料，采用激光熔覆技术在其表面制备出一种氮化物涂层，并与45#钢进行对比研究。

一、实验材料及方法

实验选用GCr15轴承钢为基体材料。以5g/cm2的质量浓度配比（质量分数）的K9作为润滑剂，将适量的氮化物涂层粉末加入到润滑剂中，并将其搅拌均匀，制成氮化物涂层。采用扫描电子显微镜对涂层表面形貌进行观察分析；利用X射线衍射仪对涂层的相组成进行分析；利用显微硬度计对涂层的硬度进行测量。在无油条件下，采用OlympusEH50型高速旋转摩擦磨损试验机对涂层试样进行摩擦磨损实验，使用YG82CrMoAlN（B）作为磨损试验液，将制备好的氮化物涂层试样和45#钢试样置于干摩擦条件下进行试验。对磨损试样进行断口分析，观察并分析其磨损形貌、磨损机制以及磨痕特征。通过Image-Pro Plus软件对磨损试样的磨痕深度进行测量分析；通过显微镜观察不同条件下摩擦副表面的摩擦过程，并使用X射线衍射仪对其进行物相分析。通过扫描电子显微镜对磨痕形貌、磨损机制以及磨痕特征进行观察分析。

二、实验结果与分析

激光熔覆涂层主要由氮化物、碳化物及少量的金属氧化物组成。其磨损机理主要为磨粒磨损、粘着磨损、磨粒磨损与氧化磨损。涂层表面形貌良好，无明显划痕，且涂层表面无明显的剥落，这主要是由于激光熔覆层与基体结合紧密，涂层内部不存在明显的缺陷导致的。涂层磨损率为0.47μm/N，明显低于45#钢的0.41μm/N。这是由于激光熔覆层在基体上形成了连续的晶体结构，并且基体材料有较强的承载能力和良好的塑性变形能力，从而提高了涂层与基体的结合强度。

随着激光功率的增加，涂层的平均硬度也随之升高。当激光功率为60W时，其平均硬度达到了最高值511.2 HV0.1;当激光功率增加至90W时，其平均硬度有所下降；当激光功率增加至120W时，其平均硬度达到了最高值824.3 HV0.1。这是由于激光熔覆层中存在大量的位错和缺陷，这些缺陷对涂层组织结构和机械性能均产生重要影响。但随着激光功率增加到140W时，由于涂层表面存在大量孔洞和裂纹导致涂层硬度有所下降。

在不同工况下（干摩擦、水润滑、油润滑）均表现出了不同的摩擦学性能。在干摩擦条件下，由于材料表面存在较多的磨粒和划痕，摩擦因数较大；在水润滑条件下，由于水润滑膜厚度较大、润滑条件相对较好；在油润滑条件下则表现出了较好的摩擦学性能。这主要是由于干摩擦和水润滑下材料表面存在较多的磨粒和划痕。

三、试验材料及方法

采用GCr15轴承钢，并对其进行表面热处理，然后用高功率光纤激光器在其表面制备氮化物涂层。激光熔覆设备为瑞士Bruker公司的YLS-2000激光熔覆系统，采用多光束模式，每束激光功率为6 kW，扫描速度为2000 mm/min。熔覆层厚度为20~30μm，共制备了3组氮化物涂层，采用金相显微镜、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等对涂层进行形貌及成分分析。采用球-盘摩擦磨损试验机对氮化物涂层及45#钢试样进行球-盘摩擦磨损试验。球-盘摩擦副材料为HV300型多功能球-盘摩擦磨损试验机（HV-300）。试验条件为：载荷10N、转速150r/min；滑动速度0~100 mm/min；载荷0~100N、转速0~300r/min。试验材料分别取GCr15和45#钢各2块。试验采用HV-300型多功能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验

[1]。

四、氮化物涂层制备

氮化物涂层的制备主要分为3个过程：激光熔覆、热喷涂及等离子喷涂。激光熔覆过程中，由于激光功率较低，材料表面温度较低，因此不能直接在基体上进行激光熔覆；热喷涂过程中，涂层厚度不大，涂层与基体间的结合主要依靠粘着力，因此在涂层上进行热喷涂时，涂层与基体的粘结效果较好；等离子喷涂过程中，等离子体中的氧会消耗掉部分能量，因此在涂层上进行等离子喷涂时，涂层与基体的粘结效果不是很好。

（一）涂层表面形貌及粗糙度

涂层表面形貌对摩擦性能有重要影响，表面粗糙度是衡量涂层质量的重要指标。当涂层表面粗糙度较小时，与基体间的粘结效果较好，从而在摩擦过程中不易发生剥落、断裂等现象；但当涂层表面粗糙度较大时，则会造成与基体间的粘结强度较弱，从而在摩擦过程中容易发生剥落、断裂等现象。随着激光功率的增加，涂层表面形貌由凹坑逐渐转变为球状颗粒，且涂层表面粗糙度增大，从而导致与基体间的粘结强度减小。由于激光功率越大，能量密度越高，表面温度越高，则粉末与基体间的粘结强度越弱，因此在涂层表面上形成的球状颗粒较少。同时由于激光功率的增加会使基体温度升高，在一定程度上会使粉末发生熔化现象。在烧结过程中粉末与基体间产生了熔融接触，且由于热膨胀系数不同以及熔点不同等因素的影响，导致部分熔融物质被挤出基体。因此在烧结过程中粉末与基体间易形成网状结构。因此当激光功率较大时容易出现球状颗粒较多、表面粗糙度较大的现象。

（二）涂层结合强度

氮化物涂层的结合强度主要由涂层与基体的结合强度决定。结合强度越大，涂层与基体之间的结合越牢固，抗拉强度也越大，但是过高的结合强度会导致涂层易碎、开裂等问题。根据本实验的目的，选择了几种常见材料进行氮化物涂层制备，并对其进行了一系列对比实验。氮化物涂层的结合强度都远高于基体材料，尤其是在WC、TiN等材料上制备的氮化物涂层与基体之间的结合强度都超过了100 MPa。在本实验中，选用WC作为基底材料制备氮化物涂层。WC是一种性能优良的工程塑料，其热硬性好，机械性能优异。WC作为基底材料制备氮化物涂层可以很好地解决基体与涂层之间的粘结问题，提高其抗拉强度和抗变形能力[2]。

五、涂层显微组织

GCr15轴承钢表面制备的涂层组织结构主要为硬质相（γ-N），该硬质相在基体上均匀分布，且随着涂层厚度的增加，硬质相的含量也逐渐增多。涂层表面主要为较粗大的柱状晶（α-N），而在涂层的中心位置是由细小的等轴晶（γ-N）组成。GCr15轴承钢表面制备的氮化物涂层在界面处出现明显的裂纹和剥落现象，这可能是由于基体表面形成的氮化物颗粒（γ-N）在裂纹周围聚集所致。而氮化物颗粒在裂纹附近会发生剥落，这是由于材料中存在较大的应力集中。对于基体来说，其硬度和韧性均较低，当其受到剪切力时，涂层容易出现开裂现象。

45#钢表面制备的氮化物涂层为致密、平整且连续的状态。在界面处几乎没有出现明显的裂纹和剥落现象，其原因可能是由于基体表面形成了厚度较大、密度较高的氮化物层，使得界面处形成了较为致密且连续的氮化物层。同时涂层与基体之间也没有出现明显分离现象。这说明45#钢表面氮化物涂层具有良好的结合力。

经激光熔覆后表面形成了连续致密且连续分布的氮化物涂层。涂层与基体之间没有明显分离现象，这是由于基体表面氮化物颗粒之间具有良好的粘结性能。此外，激光熔覆后涂层表面晶粒大小也较为均匀且无明显差异。这可能是由于激光熔覆技术本身具有良好的均匀性和重复性等特点所导致[3]。

六、摩擦磨损性能对比分析

45#钢的摩擦因数为0.59,说明氮化物涂层比45#钢具有更低的摩擦因数。在球-盘试验中，氮化物涂层的磨损量比45#钢低，这主要是由于氮化物涂层具有较高的硬度和强度，能够有效地抵御磨损。氮化物涂层在整个试验过程中都具有较高的耐磨性能。氮化物涂层的磨损率为0.35g/μm·h，比45#钢（0.27g/μm·h）的磨损率（0.23g/μm·h）低得多。这是因为氮化物涂层具有较高的硬度和强度，可以有效地抵抗磨粒磨损；同时涂层与基体结合紧密，可以有效地阻止磨粒的进一步磨损。因此，氮化物涂层具有更低的磨损率。

在整个试验过程中，氮化物涂层都保持了良好的耐磨性，这与其高硬度、高强度有密切关系。这说明了氮化物涂层和基体之间没有发生剥离现象。这是由于氮化物涂层主要由α-N、γ-N和少量Cr组成，在高温条件下保持稳定不变；同时在高温作用下产生的热膨胀系数（K）很小，不会发生相变；此外还具有良好的耐热性、热稳定性和抗氧化性，能承受一定温度范围内发生的各种化学反应及热应力等作用。因此在高温下工作时具有良好的抗氧化性和耐磨性[4]。

结语：氮化物涂层在无油润滑下具有较好的润滑性能及耐磨性，且能有效地提高轴承的使用寿命，能够满足高温轴承的使用需求。球-盘摩擦磨损试验表明，氮化物涂层能够降低基体GCr15在摩擦过程中的磨损率，且涂层在磨损后具有较低的摩擦因数及较好的表面硬度。氮化物涂层能够有效地改善基体与涂层之间的结合强度，且随着摩擦因数的增大，其耐磨性能逐渐提高。GCr15基体材料本身具有较好的硬度、较好的韧性及较低的塑性，且热处理工艺也能有效改善基体材料性能，从而影响氮化物涂层性能。研究发现，氮化物涂层与GCr15基体之间存在良好的冶金结合，且在无油润滑条件下摩擦因数更低，从而保证了氮化物涂层在高温轴承中的成功应用。

参考文献：

[1]杨晟.含油/无油润滑下高温轴承表面氮化物涂层摩擦性能研究[D].哈尔滨工业大学,2020.

[2]周丽娜,杨晓峰,刘明,童锐,王文雪.8Cr4Mo4V高温轴承钢热处理及表面改性技术的研究进展[J].轴承,2021(08):1-10.

[3]金圣展.高温环境用外球面双列滚子轴承的研制与性能试验[D].哈尔滨工业大学,2020.

[4]王丹丹.DLC对高温轴承钢表面接触疲劳能力影响的试验评价[D].哈尔滨工业大学,2018.