納米工程在軸承表面改性中的應用與展望

葛世東，魏大忠，張艷

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2. 北京控制工程研究所，北京 100086；3.沈陽飛機設計研究所， 沈陽 110035)

納米工程是20世紀80年代末誕生并正在崛起的新技術。1990年7月,在美國巴爾的摩召開了國際首屆納米科學技術會議(NanoST)。納米科技研究范圍是過去人類很少涉及的非宏觀、非微觀的中間領域,它的研究開辟了人類認識世界的新層次。納米材料與技術的發展已經得到了世界各國的高度重視，現在一般把納米材料與技術統稱為納米工程。由于在理論研究與實踐應用上,納米工程均顯示出了遠遠優于傳統技術的各種優良性能，納米工程已經逐漸成為了現代技術的一個重要發展方向[1-4]。

隨著納米科技的發展和納米材料研究的不斷深入[5-9]，具有力、熱、聲、光、電、磁等特異性能的許多低維、小尺寸、功能化的納米結構被發現能夠顯著改善材料的組織結構或賦予材料新的性能。目前大量新型的納米材料被研制出來，許多技術已經進入工業化生產階段，并取得了令人矚目的效果[10-12]。國外有關研究證明[13-14]，納米表面改性技術完全可以應用在軸承制造過程中，并大幅度提高軸承使用性能。

軸承表面的納米改性技術是提高特殊環境條件下軸承使用壽命的一種有效手段[15-17]。目前在軸承中得到應用的表面納米改性技術主要包括表面化學納米薄膜改性技術、表面離子束輔助沉積納米膜技術和表面納米晶化技術。

1 化學納米薄膜改性技術

軸承的工作面主要存在著3個表面層，由表及里依次為彈流潤滑油膜、物理表面吸附膜和表面氧化膜。

第1層為表面彈流潤滑油膜，對于許多高速電動機，由于存在表面入口區貧油、高速剪切以及電流等的影響，軸承表面很難建立起足夠厚的彈流潤滑油膜，所以僅僅依靠表面彈流潤滑油膜很難保證軸承潤滑的有效性。

第2層物理表面吸附膜是依靠金屬晶格分子對油分子的吸附構成的。通常，金屬晶格的引力場可使表面形成數十到數百層的油分子吸附層。由于吸附膜邊界潤滑時，摩擦發生在吸附膜內部分子層與層之間，因此，其油膜的性質與油品的黏度無關，而取決于吸附分子的極性。吸附膜的油膜有一定的強度，但與載荷、表面剪切速度和溫度條件有很大關系。這些通過分子吸附作用而形成的膜層，具有吸附的可逆性，既可以形成較穩定的吸附層，也會在一定的溫度和剪切速度下發生解吸現象。但是由于軸承表面的金屬氧化層極性非常弱，依靠潤滑油的黏度和內部的極性添加劑僅僅能夠改善軸承的表面潤滑狀態，其穩定性和有效性不高。

第3層的表面氧化膜與金屬表面的結合力很強，但耐磨性能非常差，基本上在發生金屬表面接觸時很快就會被破壞，很難成為軸承的有效邊界潤滑膜。

如果能夠在軸承工作表面覆蓋上一層塑性的、有極強抗剪切能力、極性極強的納米級表面化學潤滑膜，一方面可以建立起一道有效邊界化學潤滑膜，另一方面也可以有效提高物理表面吸附膜的強度和厚度，同時通過表面吸附膜對潤滑油流動性的影響，能夠改善軸承彈流油膜的表面入口區貧油狀況，提高彈流油膜厚度和有效性。目前國外幾乎所有的關于納米表面潤滑層都集中在氯、硫、磷、硼等幾種元素的有機化合物中(無機化合物反應膜強度弱、疏松)，常用的有磷酸酯和含硫磷酸酯、含氯磷酸酯和硼酸酯等。這些有機化合物許多同時也是潤滑油中的極壓添加劑，可以和表面納米薄膜起到良好的協同修復作用，有效延長軸承使用壽命。

國內外大量的摩擦磨損試驗和軸承主機試驗都證明，30～50 nm厚的表面納米磷化膜可以有效降低軸承表面的摩擦因數，減小磨損，并延長軸承的使用壽命一倍以上。其減摩延壽機理主要有以下幾個方面[18-20]：

(1)油膜強度顯著增加。研究認為在納米薄膜潤滑狀態下, 油膜除了吸附膜和動壓膜外, 還存在兼有流體膜和吸附膜二者性質的有序液體膜。潤滑膜被約束在摩擦表面之間狹窄的區域中, 由于載荷和表面能作用, 在摩擦剪切過程中潤滑膜分子結構將向有序排列發生變化。隨著運行時間的延長, 有序排列的分子越來越多, 因而靠近表面的分子層有序度增加, 當達到表面力有效作用范圍時, 有序膜的厚度趨于穩定。這種有序排列的分子膜是有序液體膜, 它比液體相的分子有序度高, 故不易流動, 但它又兼有液體的性質, 在流體動力效應作用下, 既能夠支承載荷,又能減少端泄。所以油膜強度的顯著增加，大大降低了高速滾動對油膜的破壞，增強了油膜的潤滑可靠性。

(2)軸承潤滑系統的自修復效應。納米表面處理使一般的軸承不可修復的潤滑系統變成一個有一定自修復功能的可修復的潤滑系統，軸承在運轉過程中，其潤滑狀態實際上是隨機的，整個潤滑過程也是一個隨機過程，油膜破壞的情況隨時有可能發生，只是在不同的系統中發生的概率不同而已。一般的潤滑系統在受到瞬時干擾，油膜被破壞后所經歷的過程為：油膜被瞬時破壞→工作表面發生接觸→發生劇烈的摩擦磨損→環境溫度升高并產生大量磨損物→油膜恢復→油膜變薄并發生磨粒磨損→摩擦磨損變的越來越嚴重→整個潤滑系統失效。而經表面納米磷化膜處理后的系統在受到瞬時干擾，油膜被破壞后所經歷的過程為：油膜被瞬時破壞→工作表面被表面薄層隔開→進入邊界固體潤滑→未發生嚴重的摩擦磨損，未產生磨損物→油膜恢復→潤滑系統恢復正常。故軸承表面經過納米薄膜處理后，軸承的表面潤滑系統由不可修復的開環系統，變成具有一定可修復概率的閉環系統，有效提高了軸承表面潤滑的可靠性，延長了軸承的使用壽命。

2 離子束輔助沉積納米膜技術

硬質納米薄膜具有優異的抗摩擦磨損性能、高熱導率、低摩擦因數和熱膨脹系數。在軸承應用領域，通常厚度為幾納米到幾微米。硬質薄膜為了達到耐磨、防腐、耐熱和抗氧化等目的，其材料往往采用一些過渡族金屬與非金屬構成的化合物、金屬間化合物等。根據化學鍵性質可將其分為: (1)共價鍵薄膜，具有極高的硬度，例如金剛石、CBN薄膜等; (2)離子鍵薄膜，具有較好的化學穩定性，例如A12O3、 MgO薄膜等; (3)金屬鍵薄膜，具有較好的綜合性能，例如TiN, TiC, VC薄膜等。這些簡單結構的硬質薄膜存在與基體結合力較差，成核密度較低，綜合性能不高的缺點，但可以通過采用多膜層的設計，經過沉積過渡層、預氮化等處理，獲得綜合性能良好的復合多層膜。

納米多層超硬薄膜的制備一般采用各種PVD技術，按靶材原子出射方式主要分為濺射法(濺射離子鍍)和弧蒸發法(等離子或弧離子鍍)?；≌舭l法是使陰極很小一部分區域受到高能弧的瞬時加熱迅速汽化，濺射則是靶材被高能束中性粒子碰撞出射。蒸發所需的溫度要比濺射高出許多。在真空多弧離子沉積中，多點蒸發的離化率較高，一般可達70%～90%, 而磁控濺射的離化率一般只有1%～5%。但真空電弧沉積存在大顆粒液滴、調制周期不易精確控制、膜層表面粗糙等缺點。濺射法則存在低離化率的問題，成膜強度和效率不高。

復合離子輔助沉積納米多層膜技術將離子注入的優點和濺射離子鍍薄膜技術的長處相結合。離子束能把設計的元素注入到基底和沉積的膜層；增加改性層的厚度；大大提高沉積膜層的密度，使結構更加致密，從而提高基體的表面硬度，降低摩擦因數，提高抗磨損和耐腐蝕性能，還能大大提高膜層與基底的結合力，一般比常規PVD沉積膜層的結合力提高3～5倍，極大地提高了工件的使用壽命，是一項有良好應用前景的表面鍍膜技術。

利用離子束輔助沉積技術交替沉積超硬和強韌性納米多層膜，從而制備出具有超高硬度和高韌性的膜層，克服了常規PVD技術制備的膜層存在高硬度低韌性和高韌性低硬度的缺陷。在納米多層膜制備過程中，離子輔助沉積技術還可以制備梯度層的過渡層，從而極大地提高了膜層與基體的結合力，使膜層的結合力從30～40 N提高到100 N以上，利用多層膜材料具有較強的界面效應、層與層之間的耦合效應等性質，使其顯示出與單層膜許多不同的特性。通過離子反沖注入預沉積一定厚度的過渡層，然后再沉積膜層，可明顯改善膜層與基底的結合力，并且在適當的條件下，基體和過渡層之間可形成Fe，C，N和Ti的偽擴散層，避免膜層和基底之間結合，因為與基底元素不同的材料膜層與基底結合時，由于各元素的差異性，膜層與基底會有一個分界層。而元素逐漸過渡的過渡層可以提高膜層與基底的結合力，降低界面和鍍層的內應力，阻止界面區裂紋的擴展。

2.1 膜層的表面結構

復合離子輔助沉積納米多層膜的表面結構如圖1所示。高能量離子的轟擊，使沉積的TiC膜中的原子進行重新擴散并改變擴散方向，加速了晶核的形成和遷移速率，使原子又重新合并沿一定的方向再結晶，最終形成了膜層表面的織構結構。網狀交織的纖維狀結構能阻止膜層失效時裂紋沿表面橫向的迅速擴展，通過后面的劃痕試驗也可以看出，這種織構的膜層劃痕只有很細小的脫落痕跡，沒有以柱狀晶生長的膜層沿橫向大塊脫落的現象。

圖1 離子輔助沉積納米多層膜表面組織結構

2.2 沉積TiCN膜的摩擦因數

采用蘭州化學物理研究所多功能摩擦試驗機進行摩擦磨損測試，測試條件為：直徑3 mm的 Si3N4球，轉速1 000 r/min，載荷2 N，溫度200 ℃，濕度40%，測試結果如圖2所示。

圖2 試樣表面的摩擦曲線

由圖2可知，沒有涂層試樣的摩擦曲線波動很大，摩擦因數較大(0.6左右)；有TiCN膜層的摩擦曲線比較平滑，摩擦因數也較小(0.2左右)。

2.3 沉積TiCN膜的硬度

采用美國MTS公司的納米壓痕儀(Nano Indenter XP)，使用金剛石三棱錐玻氏壓針(Berkovich tip)[21]進行沉積TiCN膜的硬度測試，加載曲線和硬度曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 加載曲線

圖4 硬度曲線

離子束輔助沉積的膜層密度大，晶粒小，側壓過程中膜層內的位錯很難被移動，因此沉積膜層的硬度值比較高；晶粒的晶界比較小，而且膜層為多層結構，外力作用時層與層之間的耦合力相互作用，多層沉積膜表現出很好的韌性和彈性。

2.4 沉積TiCN膜的結合力

采用WS-88多功能劃痕儀在每個試樣上進行3次劃擦，在超出設備的極限載荷100 N下，仍沒有膜層脫落，劃痕曲線沒有凸峰。對劃擦后的劃痕進行電鏡掃描(圖5)，可以觀察到劃痕十分平滑和均勻，劃痕兩邊沒有鋸齒狀的邊緣，說明膜層與基底的結合性能好。

圖5 離子輔助沉積納米多層TiCN膜劃痕

由上述分析可以看出，采用復合離子束輔助沉積技術制造的多層納米復合膜各方面性能優良，具有卓越的表面耐摩擦磨損性能。復合離子輔助沉積納米多層膜技術制備的TiCN，TiC，DLC薄膜已經成功應用在航天、航空軸承上，軸承的磨損壽命普遍提高3～10倍。

3 表面納米晶化技術

對于多晶材料，采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能，使粗晶組織逐漸細化至納米量級，其主要特征為：晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大，納米結構表層與基體之間不存在界面，與處理前相比，材料的外形尺寸基本不變[22-23]。

表面納米化使材料表面(和整體)的力學和化學性能得到不同程度改善。表面納米晶層的硬度顯著提高，并隨著深度的增加而逐漸減小，與顯微組織未發生變化的心部相比，表面下亞微晶層的硬度也明顯提高，使材料的耐摩擦磨損性能和抗沖擊性能提高。同時表面納米晶化也使材料表面的化學性能發生變化，表面附近區域高體積分數的晶界為原子擴散提供了理想的通道，有助于大幅提高材料表面化學元素的滲入濃度和深度，使降低化學處理溫度和減少保溫時間成為可能，有利于對精密零件實施有效的表面化學處理。

3.1 表面機械加工處理法

在外加載荷的重復作用下，材料表面的粗晶組織在不同方向產生強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級。這種由表面機械加工處理導致的表面自身納米化的過程包括：材料表面通過局部強烈塑性變形而產生大量的缺陷，如位錯、孿晶、層錯和剪切帶；當位錯密度增至一定程度時，發生湮沒、重組，形成具有亞微米或納米尺度的亞晶，另外隨著溫度的升高，表面具有高形變儲能的組織也會發生再結晶，形成納米晶；此過程不斷發展，最終形成晶體學取向呈隨機分布的納米晶組織。

總體來說，能夠使材料表面產生局部往復強烈塑性變形的表面處理技術都具有實現表面納米化的潛力。如超聲噴丸、表面機械加工技術和一些常規技術如普通噴丸、沖擊和機械研磨等，利用這些技術已分別在純鐵、低碳鋼和不銹鋼等常規金屬材料上制備出納米結構表層。另外，利用激光脈沖產生的沖擊波也可以使材料發生強烈塑性變形，并促使晶粒細化。不同的制備工藝和參數對納米結構表層的厚度和納米晶的尺寸有著重要影響，在一定的溫度下進行表面處理或在材料上施加一定的應力有可能加速納米化的進程。

3.2 非平衡熱力學法

將材料快速加熱，使材料的表面達到熔化或相變溫度，再進行急劇冷卻，通過動力學控制來提高形核率、抑制晶粒長大速率，可以在材料的表面獲得納米晶組織。用于實現快速加熱-冷卻的方法主要有激光加熱和電子輻射等。

3.3 實例驗證

采用表面噴丸方法對20套6307軸承進行表面晶化處理，試驗結果見表1和表2。試驗結果表明，軸承表面有明顯的殘余壓應力，表面硬度也有一定提高。

表1 表面殘余壓應力

表2 表面硬度 HRC

對表面強化和未強化的軸承在相同的試樣條件下，同時在2臺ZYS-6型滾動接觸疲勞試驗機上進行壽命加速試驗，試驗條件為：試驗最大壓力4.5 GPa，轉速10 000 r/min，噴油潤滑(30#機油)，強化組與未強化組試件各為20件。壽命試驗數據處理后得，未強化組：L10=220 min，L63.2=720 min，e=1.80；強化組：L10=420 min，L63.2=1 060 min，e=2.0。強化后軸承壽命提高了91%，軸承疲勞壽命離散性減小。

4 結束語

隨著機械工業的發展，對軸承壽命和可靠性的要求越來越高，傳統的軸承材料已經越來越難以適應這些應用要求。納米科技使人類改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，這標志著人類的科學技術進入了一個新時代，同時也為提高軸承性能開辟了一條嶄新的道路。

大量的試驗表明，納米表面技術可以顯著提高軸承表面的耐摩擦磨損能力，延長軸承使用壽命，在軸承加工制造方面具有廣闊的研究應用前景。除了以上介紹的幾種技術，納米金屬材料改性技術、納米陶瓷材料改性技術、納米高分子材料改性技術、納米潤滑油添加劑技術、表面噴涂納米材料技術等在國外也已經取得了重大進展，各種采用納米粉末改性的金屬、陶瓷材料、高分子材料，納米改性的潤滑油和潤滑脂，采用表面納米噴涂技術的絕緣軸承等，已經在國外的高端軸承上取得了成功的應用。而我國在這些方面還存在著較大差距，急需在這些方面加大研究力度，縮小與國外先進軸承技術的差距。