CN113373490A - 一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法 - Google Patents

一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，属于轴承制造技术领域。本发明所述的自润滑减摩层的材料是硫化亚铁（FeS）。本发明通过采用电化学阳极氧化工艺，在轴承表面沉积一层自润滑减摩层来实现减摩作用。对比常见轴承表面减摩层制备方法，本发明自润滑减摩层的沉积速度快，减摩效果优异，制备方法简单，通过调控工艺参数较易实现自润滑减摩层生成可控，有较好的工业应用前景。本发明的制备方法只需要3～10min时间，即可生成硫化亚铁层，润滑层厚度在5～15μm。

Description

一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法
技术领域
本发明属于轴承的制造技术领域，具体涉及一种在轴承钢铁金属表面生成一层硫化物固体润滑层的制备工艺。
背景技术
随着机械传动装备的迅速发展，轴承在航海船舶、深空探测、轨道交通等重要领域承担了举足轻重的作用。在超真空、超高速、高温重载等极端工况下，轴承表面不可避免将发生乏油润滑工况，由此带来异常摩擦磨损现象，影响传动装备的运行精度与寿命。严重故障时甚至导致重大灾害，引发重大人身伤亡事故，给人民群众生产生活造成严重损失。据统计，约80％的零件失效是由于各种形式的磨损造成的，其中轴承作为典型传动装备关键基础件，轴承表面磨损带来的经济损失更是不可估量。如何提高轴承表面的自润滑性能，使其适应复杂的乏油润滑工况，成为当前轴承行业亟待解决的问题。
一种采用低温离子渗硫在钢铁零件表面形成一层FeS润滑薄膜，显著提高了钢铁零件表面的自润滑性能。但渗硫设备昂贵、成本较高，且无法适应复杂表面结构零件渗硫。
在滚动轴承表面进行低温液体渗硫，生产含硫化物固体润滑层，该方法渗硫成本低、渗层均匀，可操作性较好。但渗剂中含有有毒氰化物，渗硫速度慢、时间长，且渗硫层中含有沉积盐和氧化物等杂质，影响了渗硫层的减磨耐磨性能。
本发明通过采用电化学阳极氧化工艺，在轴承表面沉积一层固体润滑层来实现减摩作用。对比常见轴承表面减摩层制备方法，本发明无需大型昂贵设备，渗层沉积速度快，减摩效果优异，制备方法简单，不含有毒成分，通过调控工艺参数较易实现减摩层生成可控，有较好的工业应用前景。
发明内容
为了降低轴承表面减摩改性层制造成本，提高乏油工况下轴承自润滑性能，本发明提供一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法。
一种轴承表面自润滑减摩层的制备操作步骤如下：
(1)用180目、400目、1000目、2000目砂纸依次打磨轴承坯件材料表面，去除表面氧化层；
(2)在浓度98％的甲醇溶液中，超声清洗；
(3)将轴承坯件材料浸泡于浓度2％的盐酸(HCl)溶液中，进行表面微腐蚀，浸泡时间为1min～3min；
(4)对惰性材料电极进行机械打磨，至表面光亮；
(5)将电解液放入恒温水浴锅中加热，温度设置为25℃～35℃；
(6)使用直流电解设备，将轴承坯件材料接入直流电解设备的阳极，将惰性材料电极固定连接着阴极；将所述阳极和阴极均加入电解液中，开启直流电解设备，调节电流至0.5A～1.5A，沉积时间为3～10min；使轴承坯件材料的表面沉积自润滑减摩层；
(7)将表面沉积自润滑减摩层的轴承坯件材料在沸水中，超声清洗，在50℃～70℃的润滑油中浸油处理1h～2h；
处理结束，轴承坯件材料表面沉积的自润滑减摩层的厚度为5～15μm，所述自润滑减摩层即硫化亚铁润滑层。
进一步限定的技术方案如下：
步骤(1)中，所述轴承坯件材料为高碳铬钢、无铬钢、渗碳钢、不锈钢中的一种。
步骤(2)中，超声清洗条件：超声频率50kHz～100kHz、时间3min、温度20℃～30℃。
步骤(4)中，所述惰性材料为石墨、铂、铅中的一种。
步骤(5)中，所述电解液的配方：每100ml去离子水中添加硫代硫酸钠3～5g、乳酸2～5ml、亚硫酸钠1～3g、硫酸亚铁2～5g、柠檬酸1～2g、硫代乙酰胺0.5～1.5g、还原Fe粉1～2g。
所述所述乳酸和亚硫酸钠均为pH值调节剂；所述还原铁粉的粒度为80～100目。
步骤(7)中，超声清洗条件：超声频率10kHz～50kHz、时间3～5min。
本发明的制备原理如下：
Fe-2e-＝Fe2+
由于二价铁易被氧化为三价铁，故生成的一小部分二价铁则会被氧化为三价铁
Fe2+-e-＝Fe3+
在溶液中也伴随着硫代硫酸根的氧化与分解，硫代硫酸根得到电子后，会生成负二价硫离子
S2O3 2-+2e-＝SO3 2-+S2-
二价硫则会结合溶液中的氢离子以硫化氢的形式溶解在电解液中。
在电解设备的阴极，溶液中的氢离子则会得到电化学反应生成的这两个电子，而转化为氢气
2H++2e-＝H2↑
硫化氢在失去氢离子后转而与溶液中生成的二价铁反应，生成硫化亚铁沉淀
S2-+Fe2+＝FeS
与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明的制备方法只需要3～10min时间，即可生成硫化亚铁层，沉积速度快，润滑层厚度在5～15μm。
2.本发明通过改变电流大小、还原剂种类、pH值调剂节等可实现对润滑层生成速度、组织致密性和厚度的可调控。
3.本发明方法的电解液不含有毒元素，且在常温下就可进行合成反应。电解液配方中，加入铁(Fe)粉作为还原剂，能减少镀层表面氧化物等杂质沉积，补充电解液中铁离子(Fe2+)损耗，提高减摩层沉积速度。
具体实施案例：
下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。
实施例1
本实施例1的电解液配方为：每100ml去离子水中添加硫代硫酸钠3g、乳酸3.5ml、亚硫酸钠1g、硫酸亚铁2.5g、柠檬酸1g、硫代乙酰胺1g、还原Fe粉1g。
一种轴承表面自润滑减摩层的制备操作步骤如下：
(1)选择GCr15高碳铬钢轴承材料，将轴承材料切割成直径为50mm、厚度为5mm的圆片试样，用180目、400目、1000目、2000目砂纸依次打磨零件表面，去除表面氧化层。
(2)用浓度98％的甲醇溶液，超声清洗3min，超声波频率为70kHz、温度为25℃。
(3)将轴承坯件材料浸泡于浓度2％的盐酸(HCl)溶液中，进行表面微腐蚀，处理时间为2min。
(4)对惰性材料电极进行机械打磨，至表面光亮待用；惰性材料为石墨。
(5)将配置好的电解液放入恒温水浴锅中加热，温度设置为30℃。
(6)使用直流电解设备，电流电压置0。将处理好的零件接入设备的阳极，将惰性材料电极固定连接阴极。开启直流电解设备，逐步调节电流至0.5A，电解时间为6min。
(7)将电解处理好的轴承材料放入沸水中超声清洗4min，超声频率为30kHz，随后在60℃润滑油中浸油处理1.5h，得到1#试样。
在以上步骤(1)～(7)中，将步骤(6)中的电流分别调节到1.0A、1.5A，其它步骤保持不变，最终得到2#试样、3#试样。
本实施例1中得到的轴承表面自润滑层材料，在MFT-5000球-盘摩擦学试验机上进行干摩擦磨损实验，转速设置为150r/min，实验载荷为10N，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr。测得的沉积层厚度及摩擦磨损数据见表1。0#试样为未经电解处理的GCr15高碳铬钢轴承材料。
表1
试样编号 电流大小 电解时间 摩擦系数 磨痕深度 沉积层厚度
0# 无 无 0.2 0.032mm 无
1# 0.5A 6min 0.14 0.018mm 5μm
2# 1A 6min 0.12 0.015mm 10μm
3# 1.5A 6min 0.17 0.022mm 7μm
由表1可见，1#试样、2#试样、3#试样三种材料表面的沉积层厚度分别为5μm、10μm、7μm。与未经电解处理的0#轴承材料相比，本实施例1所述1#试样、2#试样、3#试样的摩擦系数、磨痕深度均有不同程度降低，摩擦磨损性能(摩擦系数、磨痕深度)明显改善：
第一、与未经电解处理的0#轴承材料相比，1#试样、2#试样、3#试样三种材料的摩擦系数分别降低了30％、40％、15％。
第二、与未经电解处理的0#轴承材料相比，1#试样、2#试样、3#试样三种材料的磨痕深度分别降低了44％、53％、31％。
实施例2
本实施例2中一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其电解液配方为：每100ml去离子水中添加硫代硫酸钠4g、乳酸4ml、亚硫酸钠2g、硫酸亚铁4g、柠檬酸1g、硫代乙酰胺1g、还原Fe粉1.5g。
一种轴承表面自润滑减摩层的制备操作步骤如下：
(1)选择GCr15高碳铬钢轴承材料，将轴承材料切割成直径为50mm、厚度为5mm的圆片试样，用180目、400目、1000目、2000目砂纸依次打磨零件表面，去除表面氧化层。
(2)用浓度98％的甲醇溶液，超声清洗3min，超声频率为70kHz、温度为25℃。
(3)将轴承坯件材料浸泡于浓度2％的盐酸(HCl)溶液中，进行表面微腐蚀，处理时间为2min。
(4)对惰性材料电极进行机械打磨，至表面光亮待用；惰性材料为石墨。
(5)将配置好的电解液放入恒温水浴锅中加热，温度设置为30℃。
(6)使用直流电解设备，电流电压置0。将处理好的零件接入设备的阳极，将惰性材料电极固定连接阴极。开启直流电解设备，逐步调节电流至0.5A，电解时间为3min。
(7)将电解处理好的轴承材料放入沸水中超声清洗4min，超声频率为30kHz，随后在60℃润滑油中浸油处理1.5h，得到4#试样。
在以上步骤(1)～(7)中，将步骤(6)中的电解时间分别调节到6min、9min，其它步骤保持不变，最终得到5#试样、6#试样。
本实施例2中得到的轴承表面自润滑层材料，在MFT-5000球-盘摩擦学试验机上进行干摩擦磨损实验，转速设置为150r/min，实验载荷为10N，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr。测得的沉积层厚度及摩擦磨损数据见表2。0#试样为未经电解处理的GCr15高碳铬钢轴承材料。
表2
试样编号 电流大小 电解时间 摩擦系数 磨痕深度 沉积层厚度
0# 无 无 0.2 0.032mm 无
4# 1A 3min 0.16 0.019mm 7μm
5# 1A 6min 0.11 0.014mm 12μm
6# 1A 9min 0.09 0.013mm 13μm
由表2可见，4#试样、5#试样、6#试样三种材料表面的沉积层厚度分别为7μm、12μm、13μm。与未经电解处理的0#轴承材料相比，本实施例2所述4#试样、5#试样、6#试样的摩擦系数、磨痕深度均有不同程度降低，摩擦磨损性能(摩擦系数、磨痕深度)明显改善：
第一、与未经电解处理的0#轴承材料相比，4#试样、5#试样、6#试样三种材料的摩擦系数分别降低了20％、45％、55％。
第二、与未经电解处理的0#轴承材料相比，4#试样、5#试样、6#试样三种材料的磨痕深度分别降低了41％、56％、59％。
实施例3
本实施例3中一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其电解液配方为：电解液按每100ml去离子水中添加硫代硫酸钠5g、乳酸4ml、亚硫酸钠2g、硫酸亚铁5g、柠檬酸1g、硫代乙酰胺1g、还原Fe粉2g。
本实施例3一种轴承表面自润滑减摩层的制备操作步骤同实施例二，通过调节不同电解时间3min、6min、9min，得到的试样编号依次为7#试样、8#试样、9#试样。
本实施例3中得到的轴承表面自润滑层材料，在MFT-5000球-盘摩擦学试验机上进行干摩擦磨损实验，转速设置为150r/min，实验载荷为10N，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr。测得的沉积层厚度及摩擦磨损数据见表3。0#试样为未经电解处理的GCr15高碳铬钢轴承材料。
表3
试样编号 电流大小 电解时间 摩擦系数 磨痕深度 沉积层厚度
0# 无 无 0.2 0.032mm 无
7# 1A 3min 0.15 0.017mm 8μm
8# 1A 6min 0.09 0.013mm 14μm
9# 1A 9min 0.08 0.012mm 15μm
由表3可见，7#试样、8#试样、9#试样三种材料表面的沉积层厚度分别为8μm、14μm、15μm。与未经电解处理的0#轴承材料相比，本实施例3所述7#试样、8#试样、9#试样的摩擦系数、磨痕深度均有不同程度降低，摩擦磨损性能(摩擦系数、磨痕深度)明显改善：
第一、与未经电解处理的0#轴承材料相比，7#试样、8#试样、9#试样三种材料的摩擦系数分别降低了25％、55％、60％。
第二、与未经电解处理的0#轴承材料相比，7#试样、8#试样、9#试样三种材料的磨痕深度分别降低了47％、59％、63％。
本发明通过采用电化学阳极氧化工艺，在轴承表面沉积一层固体润滑层来实现减摩作用。本发明无需大型昂贵设备，渗层沉积速度快，减摩效果优异，制备方法简单，通过调控工艺参数较易实现减摩层生成可控，有较好的工业应用前景。当然，根据实际需要，本发明所述减摩层的制备方法在上述范围还可以包含更多的实施例，本发明并不限于上述具体的实施例。

Claims (7)

1.一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其特征在于操作步骤如下：
（1）用180目、400目、1000目、2000目砂纸依次打磨轴承坯件材料表面，去除表面氧化层；
（2）在浓度98%的甲醇溶液中，超声清洗；
（3）将轴承坯件材料浸泡于浓度2%的盐酸（HCl）溶液中，进行表面微腐蚀，浸泡时间为1min～3min；
（4）对惰性材料电极进行机械打磨，至表面光亮；
（5）将电解液放入恒温水浴锅中加热，温度设置为25℃～35℃；
（6）使用直流电解设备，将轴承坯件材料接入直流电解设备的阳极，将惰性材料电极固定连接着阴极；将所述阳极和阴极均加入电解液中，开启直流电解设备，调节电流至0.5A～1.5A，沉积时间为3～10min；使轴承坯件材料的表面沉积自润滑减摩层；
（7）将表面沉积自润滑减摩层的轴承坯件材料在沸水中，超声清洗，在50℃～70℃的润滑油中浸油处理1h～2h；
处理结束，轴承坯件材料表面沉积的自润滑减摩层的厚度为5～15μm，所述自润滑减摩层即硫化亚铁润滑层。
2.根据权利要求1所述的一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述轴承坯件材料为高碳铬钢、无铬钢、渗碳钢、不锈钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，超声清洗条件：超声频率50 kHz～100 kHz、时间3min、温度20℃～30℃。
4.根据权利要求1所述的一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述惰性材料为石墨、铂、铅中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，所述电解液的配方：每100ml去离子水中添加硫代硫酸钠3～5g、乳酸2～5ml、亚硫酸钠1～3g、硫酸亚铁2～5g、柠檬酸1～2g、硫代乙酰胺0.5～1.5g、还原Fe粉1～2g。
6.根据权利要求5所述的一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其特征在于：所述所述乳酸和亚硫酸钠均为pH值调节剂；所述还原铁粉的粒度为80～100目。
7.根据权利要求1所述的一种轴承表面自润滑减摩层的制备方法，其特征在于：步骤（7）中，超声清洗条件：超声频率10 kHz～50 kHz、时间3～5min。
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