CrC复合镀层钢球对轴承振动性能的影响
发布时间：2014-09-03李言1 贾贵西1 袁启龙1 崔凤奎2
（1.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安 710048；2.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003）
摘 要：应用非平衡磁控溅射技术在6204轴承钢球表面制备出CrC复合镀层，对CrC镀层钢球轴承和无镀层钢球轴承的振动性能进行试验及对比分析。结果表明，CrC镀层钢球轴承明显降低了轴承的振动值，特别是在高速、高载荷工况情况下减振效果尤为显著；提高了轴承振动的平稳性能。（1.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安 710048；2.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003）
关键词：磁控溅射；CrC复合镀层；钢球；轴承；振动性能
动轴承作为机器设备中的一类重要基础零件，其振动直接影响主机的工作性能，尤其是对于精密设备；同时，轴承发出的振动噪声污染周围环境，影响人们的身心健康，因而，滚动轴承减振技术一直备受关注。影响滚动轴承振动的原因比较复杂，如设计参数和结构、轴承零件制造精度，另外，润滑状况、安装精度等都会对振动产生影响。在滚动轴承四大件中，钢球的质量对轴承振动影响Z大。近年来，随着轴承制造和装配工艺水平的提高，润滑对轴承振动的影响日渐显现。摩擦和振动常见于机电装备的运行过程中，并存在耦合作用。
类石墨具有很低的摩擦系数和磨损率、适中的硬度、高承载能力和优良的导热性能，且与钢铁材料摩擦时无“触媒效应”，是一种自润滑性能优异的润滑材料，铬有良好的抗氧化性能和韧性，与钢基底的结合性能好等特点，已作为过渡层应用于多种硬质膜层。CrC镀层具有类石墨和铬的综合性能，如：高硬度、低摩擦系数、低磨损率、良好的韧性及高承载能力，在油或水中有更出色的摩擦性能，随着载荷的增加摩擦系数相应降低。因此，CrC镀层是一种理想的减摩耐磨镀层，具有宽广的应用领域和广阔的应用前景。
非平衡磁控溅射离子镀是一种新型的低温、高效表面镀膜技术，其镀膜有组织均匀致密、附着性好，且易于实现多元梯度复合涂层的设计与沉积、工艺过程稳定等特点。本文应用此技术，在6204轴承钢球表面制备CrC复合镀层，并对CrC镀层钢球轴承与无镀层轴承的振动性能进行了试验及对比分析，探讨CrC复合镀层钢球对滚动球轴承振动性能的影响。
1 试验部分
1.1 CrC复合镀层的制备
采用西安理工大学自制非平衡磁控溅射离子镀设备制备CrC复合镀层，图1所示为设备溅射原理示意图。溅射靶为两个C靶（纯度为99.99%）和Cr靶（纯度为99.99%）。在匀速绕旋转轴（工件架的中心）旋转凸轮的作用下，使工件架有规律地高低起伏的变化，以保证基体（钢球）在溅射靶之间随机转动，实现对基体（钢球）的均匀镀膜；并对基体（钢球）施加一定的偏压，以保证镀层的质量。在溅射沉积过程中，镀层的工艺参数是逐步线性缓慢改变，使镀层结构逐渐平稳过渡。
钢球试样放入真空室前用丙酮和酒精各超声波清洗10min，并冷风吹干。镀层沉积前本底真空度为4.0×10-3Pa，沉积时通入工作气体氩气（纯度为99.99%），待气压升至0.12Pa时，施加400V的负偏压对基体进行离子清洗15min，以获得清洁表面，提高膜与基体的附着强度；沉积过程中对基体施加负偏压90V，以提高镀层质量。CrC复层镀层由Cr底层、Cr-C过渡层和Cr-C工作层组成。沉积底层时只打开Cr靶，保证镀层与基体有良好的结合强度；沉积过渡层时逐渐降低Cr靶的电流和增大C靶的电流，保证镀层结构的平稳过渡；在沉积工作层时，固定Cr靶和C靶电流。CrC复层镀层一共沉积6.5h，镀层厚度约为3μm。
1.2 轴承试验原理
所试验滚动轴承为同一批次、相同精度的6204深沟球轴承（20mm×47mm×14mm），钢球个数为8个、直径为7.938mm，内沟曲率系数0.520，外沟曲率系数为0.530，轴承材料为GCr15。轴承试验原理与装置如图2所示。
1.2 轴承试验原理
所试验滚动轴承为同一批次、相同精度的6204深沟球轴承（20mm×47mm×14mm），钢球个数为8个、直径为7.938mm，内沟曲率系数0.520，外沟曲率系数为0.530，轴承材料为GCr15。轴承试验原理与装置如图2所示。
试验机主轴由高速无级调速电主轴直接驱动，转速精度为±1%；加载采用比例液压加载方式，控制加载精度为±1%。在试验过程中，同一组试验安装相同的轴承，轴承的外圈静止，内圈旋转。用64号润滑油润滑轴承，供油压力为1MPa。测试轴承外圈温度和壳体振动，以壳体振动作为判别轴承振动性能的基本依据。试验过程中，轴承的振动、温度和转速等性能，试
验时间和电机电流等参数由计算机自动检控。
2 试验结果与分析
2.1 转速对轴承振动的影响
图3是在1.8kN载荷作用下，6204轴承在不同转速下的振动值。可以看出，随转速的变大，CrC镀层钢球轴承和无镀层钢球轴承的振动值都相应的增大。但CrC镀层轴承的振动值缓慢增大；无镀层镀层轴承的振动值增大比较明显，特别是在中高转速下振动值明显剧烈增大。通过对两振动曲线对比分析也可看出，在转速低于1500r/min情况下，CrC镀层钢球轴承的振动值比无镀层钢球轴承的振动值还略大一点；在中高转速作用下，CrC镀层钢球轴承的振动明显比无镀层钢球轴承要小得多，说明CrC镀层钢球在中高转速下对轴承有明显的减振作用。
由于高速运转的轴承会产生大量摩擦热，将导致轴承出现一系列问题，如沟道和钢球表面退火或烧伤、材料硬度的降低以及保持架引导面的烧蚀等，影响到了轴承理想工作状况，造成轴承的振动值随转速的提高而增大。CrC镀层有优良的低摩擦系数性能，致使CrC镀层轴承产生的摩擦热比无镀层轴承少得多。因而，随着转速的提高，CrC镀层的振动值缓慢平稳增大，而无镀层轴承的振动值则剧烈快速增大。
2.2 载荷对轴承振动的影响
在转速为6000r/min，不同载荷对轴承振动影响。如图4所示。可以看出，CrC镀层钢球轴承的振动值一直比较平稳，不随载荷的增大而变化，大约为0.41g；无镀层钢球轴承的振动随载荷的增大而有所增大，从0.57g增加到0.71g。可见，在不同载荷作用下，CrC钢球镀层轴承不随载荷的增大而变大，镀层轴承有明显的减振作用，特别是在高载荷情况下减振效果更明显。
CrC镀层钢球轴承的振动不随载荷的增大而变大，是由于CrC镀层有较高的硬度（大约2700HV）和良好的韧性，因而有良好的抗变形能力。在一定的载荷范围内，镀层钢球不随载荷的增大而产生几何变形，轴承振动值也就不随载荷的变化而变化。
2.3 温度对轴承振动的影响
在载荷为1.8kN、转速为6000r/min，及温升为10℃（从30℃到40℃）的情况下，测试CrC镀层钢球轴承和无镀层钢球轴承的振动值变化情况（如图5所示）。从图中可以看出，CrC镀层钢球轴承的振动不随温度的变化而变化，在测试过程中振动值一直稳定在0.41g左右，没有大的波动。而无镀层轴承在测试过程中振动值不稳定，有较大的波动，且振动值随温度变化而有所变大，即从0.81g增加到0.90g。镀层钢球轴承的振动值大约相当于无镀层钢球轴承50％。
验时间和电机电流等参数由计算机自动检控。
2 试验结果与分析
2.1 转速对轴承振动的影响
图3是在1.8kN载荷作用下，6204轴承在不同转速下的振动值。可以看出，随转速的变大，CrC镀层钢球轴承和无镀层钢球轴承的振动值都相应的增大。但CrC镀层轴承的振动值缓慢增大；无镀层镀层轴承的振动值增大比较明显，特别是在中高转速下振动值明显剧烈增大。通过对两振动曲线对比分析也可看出，在转速低于1500r/min情况下，CrC镀层钢球轴承的振动值比无镀层钢球轴承的振动值还略大一点；在中高转速作用下，CrC镀层钢球轴承的振动明显比无镀层钢球轴承要小得多，说明CrC镀层钢球在中高转速下对轴承有明显的减振作用。
由于高速运转的轴承会产生大量摩擦热，将导致轴承出现一系列问题，如沟道和钢球表面退火或烧伤、材料硬度的降低以及保持架引导面的烧蚀等，影响到了轴承理想工作状况，造成轴承的振动值随转速的提高而增大。CrC镀层有优良的低摩擦系数性能，致使CrC镀层轴承产生的摩擦热比无镀层轴承少得多。因而，随着转速的提高，CrC镀层的振动值缓慢平稳增大，而无镀层轴承的振动值则剧烈快速增大。
2.2 载荷对轴承振动的影响
在转速为6000r/min，不同载荷对轴承振动影响。如图4所示。可以看出，CrC镀层钢球轴承的振动值一直比较平稳，不随载荷的增大而变化，大约为0.41g；无镀层钢球轴承的振动随载荷的增大而有所增大，从0.57g增加到0.71g。可见，在不同载荷作用下，CrC钢球镀层轴承不随载荷的增大而变大，镀层轴承有明显的减振作用，特别是在高载荷情况下减振效果更明显。
CrC镀层钢球轴承的振动不随载荷的增大而变大，是由于CrC镀层有较高的硬度（大约2700HV）和良好的韧性，因而有良好的抗变形能力。在一定的载荷范围内，镀层钢球不随载荷的增大而产生几何变形，轴承振动值也就不随载荷的变化而变化。
2.3 温度对轴承振动的影响
在载荷为1.8kN、转速为6000r/min，及温升为10℃（从30℃到40℃）的情况下，测试CrC镀层钢球轴承和无镀层钢球轴承的振动值变化情况（如图5所示）。从图中可以看出，CrC镀层钢球轴承的振动不随温度的变化而变化，在测试过程中振动值一直稳定在0.41g左右，没有大的波动。而无镀层轴承在测试过程中振动值不稳定，有较大的波动，且振动值随温度变化而有所变大，即从0.81g增加到0.90g。镀层钢球轴承的振动值大约相当于无镀层钢球轴承50％。
在一定温度范围内，温升对镀层钢球轴承的振动性能没有影响。镀层钢球对轴承有良好减振作用，有良好的振动平稳性。
3 结论
本文通过对CrC镀层钢球轴承与无镀层轴承的振动性能对比试验及分析，可以得出：CrC镀层钢球可以保证轴承有低振动性能和振动平稳性能，特别是轴承在高转速、高载荷运转的情况下，CrC镀层对轴承减振性能尤为明显，这对于保证主机有良好性能精度是十分重要的。
3 结论
本文通过对CrC镀层钢球轴承与无镀层轴承的振动性能对比试验及分析，可以得出：CrC镀层钢球可以保证轴承有低振动性能和振动平稳性能，特别是轴承在高转速、高载荷运转的情况下，CrC镀层对轴承减振性能尤为明显，这对于保证主机有良好性能精度是十分重要的。
来源：《振动与冲击》2011年10期