MoS₂固体润滑轴承跑合分析

MoS₂固体润滑轴承因其精度高，膜层与底材结合力强，化学稳定性好，摩擦性能优良，磨损小等优点被广泛应用于高辐射、高真空、高低温交变等环境。尤其是不宜使用油、脂润滑的工况，设计时轴承优先采用固体润滑。MoS₂润滑涂层中的致密层和部分过渡层为有效润滑结构层。因此，MoS₂固体润滑轴承在正式使用前，应进行充分跑合，去掉柱状层和多余过渡层，使轴承在使用前达到稳定工作状态，降低早期失效概率。

1  MoS₂润滑薄膜结构与润滑机理

1.1  MoS₂润滑薄膜结构

MoS₂固体润滑膜微观生长机制按膜厚分为：致密层，过渡层，柱状层，如图1所示。

图1  MoS₂润滑膜的微观形态

1）致密层

溅射MoS₂复合固体润滑膜沉积初期是一个活性的热扩散过程，在此过程中溅射原子有一定的迁移，当温度足够高时，较大的原子运动会导致原子长程有序排列的形成，形成4~6nm的微晶突起，基面平行于基体的微片晶表现为灰色区域。此时膜厚约为20~50nm，较为致密。

2）过渡层

继续沉积薄膜，当膜厚增加到80nm以上时，薄膜突起类结构转变为等轴、致密的转化区域，该区域厚度为80~500nm。薄膜形态类似于玻璃体。

3）柱状层

当薄膜厚度增加到500nm以上时，薄膜结构转化为由直径约为250nm的垂直片晶组成的柱状层，柱状片晶排列垂直于基体，被低密度区（微孔）纵向隔开，形成黑体。

1.2  MoS₂润滑膜润滑机理

MoS₂为具有高度各向异性的六方晶系层状结构，由两层硫原子和夹在其中的一层钼原子组成（图2）。每个钼原子被处于三棱柱角上的六个等距离的硫原子包围，钼原子与硫原子层间距离为0.154nm，而硫层间的厚度为0.308nm。钼原子与硫原子以共价键结合，具有非常强的键合力，但硫原子层的层间结合力非常弱，表现为范德华力。因此，MoS₂晶体容易沿范德华力作用区域劈开，起到润滑效果。

图2  MoS₂分子结构

2 跑合对MoS₂固体润滑膜形貌及润滑膜性能的影响

固体润滑其润滑机理为损耗型润滑方式，一旦损坏无自偿修复能力。最顶层的柱状层呈柱状或针状疏松组织，柱状片晶之间的黏接力极弱，轴承运转时，过渡层以上的柱状层区域极易破裂（图3），既影响轴承润滑性能，又易吸潮、氧化和剥落。

1—致密层；2—过渡层；3—柱状层；4—基体；5—断裂区；6—有效润滑膜厚

图3  MoS₂膜在摩擦过程中的形态变化

柱状片晶的破裂和分散将形成磨屑，其中部分柱状片晶在外力作用下将沿运动方向重新取向，吸附于钢球表面形成转移膜，为轴承提供润滑。大部分的磨屑会堆积于轴承沟道表面，随着轴承运转形成堆积物，造成轴承摩擦力矩不稳定，严重时甚至会发生卡滞。

MoS₂润滑膜的有效膜厚为0.2mm，主要由致密层和部分过渡层组成。因此，MoS₂固体润滑轴承装机使用前需进行跑合，主要目的有：

1）通过钢球-沟道间的辗压，能够去除沟道表面易脱落的柱状层及部分过渡层，使轴承提前渡过磨合期，达到良好的运行状态。

2）跑合后的清洗能够把剥落的磨屑洗掉，消除因产生润滑膜磨屑堆积而造成轴承卡滞等故障隐患。

3）通过钢球-沟道的辗压，使下层的致密层、部分过渡层更加均匀致密，降低润滑膜的摩擦因数，提高轴承摩擦力矩的稳定性，延长轴承润滑膜的磨损寿命。

轴承的跑合和清洗是MoS₂固体润滑轴承装机使用前必不可少的一个环节，需制定适宜、有效的跑合规范。

3 跑合过程中常见的问题及解决措施

3.1  跑合不充分或过跑合

轴承跑合包括3个主参数：转速、时间、载荷。其中，载荷应尽量模拟轴承实际工作载荷。跑合总转数=跑合转速×跑合时间，是评价轴承跑合是否充分的关键指标，跑合转数过少，柱状层脱落不充分，轴承装机使用时膜层继续脱落，影响轴承的摩擦性能；跑合转数过多，会影响轴承寿命。固体润滑轴承寿命为1×10⁶～1×10⁷r数量级，原则上应不超过0.01倍的轴承寿命（转数），即跑合转数为10000r左右。根据应用经验，跑合转数至少要在7000r以上。

3.2  跑合转速过高

对于MoS₂固体润滑轴承，提高其转速（加速寿命试验）不会改变轴承的失效模式。轴承跑合时，为了提高跑合效率，也会采取提高转速的方法进行跑合。MoS₂固体润滑膜的结构特性决定了其承受压力的能力较强，6GPa压强下也不会出现破裂；但其承受滑动摩擦的能力较弱，转速过高，钢球-沟道的相对滑动较为严重，会影响MoS₂固体润滑膜的润滑性能。

因此，跑合时应限制轴承转速，尤其是内径较大的轴承，轴承d·n值应控制在5000～10000mm·r/min。

3.3  跑合带宽度裕量不足

轴承跑合前，润滑膜呈乌黑无光泽，跑合后润滑膜应是略带光泽的暗灰色，有效跑合区域，即跑合带很易识别（根据摩擦痕迹）。跑合带宽度裕量不足会影响轴承使用，因此应该在前期跑合时解决该问题。

轴承跑合时，一般是模拟轴承实际工作载荷，以保证套圈跑合区与工作接触区基本重合。受装配误差、使用温度、载荷计算误差的影响，轴承实际工作载荷与跑合设定载荷肯定存在一定误差，如果轴承跑合时以单一定载荷进行跑合，可能会造成工作时的接触轨迹超出跑合带范围，从而导致跑合带边缘的膜层继续脱落。

采用变载荷跑合是提高跑合带宽度裕量的一项关键措施^[5-7]：跑合载荷在一定范围(涵盖轴承工作载荷范围)内有规律地变化，会使钢球运动轨迹在沟道上产生相对位移，使跑合带宽度加大，确保轴承工作时接触轨迹始终处于跑合带范围内。

工作需要的跑合带宽度和跑合时需要形成的跑合带宽度如图4所示。

图4  跑合带宽度示意图

3.4  跑合带宽度均匀性差

跑合带宽窄不一致，均匀性较差，超过一定范围也会影响轴承使用。

跑合带宽度一致性是反映轴承跑合情况的综合性指标，主要受以下3个方面影响：1)轴承装配质量；2)轴承沟形加工质量；3)轴承跑合工装加工精度。

因此，轴承跑合后，应在显微镜下观察、评估跑合带宽度分布均匀性。跑合带宽度较为均匀的，说明轴承跑合情况良好；反之，应对跑合工装精度及轴承装配情况进行复查，再次跑合。跑合后仍不合格的，说明轴承加工沟形较差，需根据具体情况决定轴承是否继续使用。

3.5  跑合后清洗不干净

跑合前后需要对轴承套圈和球进行清洗。尤其是跑合后，剥落的磨屑会堆积于沟道表面，若清洗不干净，会造成沟道表面MoS₂堆积，影响轴承使用。

最好采用石油醚/无水乙醇对跑合后的MoS₂固体润滑轴承进行清洗。过程清洗时可采用汽油，但时间要尽量短；正式装配前，需用石油醚/无水乙醇进行清洗。

对于可分离轴承，跑合前后应用绸布/无尘纸对沟道进行擦拭，擦拭时应注意保护沟道，不能使用锐器直接接触沟道，用力不宜过大；对于不可分离轴承，跑合前用绸布/无尘纸擦拭沟道，跑合后多次清洗。清洗完成后，应及时对轴承进行干燥处理。

3.6  跑合后存放方法不合理

尽量在真空环境下进行轴承跑合；在大气环境下跑合，应保证跑合环境十分清洁，避免外部杂质、油污、纤维等进入轴承。

跑合完成后，应及时对轴承进行干燥真空包装，并将封装后的轴承置于真空干燥器具中保存，尽量减少轴承暴露于外界环境的时间。

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