CN114164341B - 一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法 - Google Patents

一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114164341B
CN114164341B CN202110705651.0A CN202110705651A CN114164341B CN 114164341 B CN114164341 B CN 114164341B CN 202110705651 A CN202110705651 A CN 202110705651A CN 114164341 B CN114164341 B CN 114164341B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bearing
improving
treatment method
surface treatment
rolling bearing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110705651.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114164341A (zh
Inventor
尹龙承
周丽娜
马欣新
张传伟
张静静
张兴洪
付中元
刘明
王黎钦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202110705651.0A priority Critical patent/CN114164341B/zh
Publication of CN114164341A publication Critical patent/CN114164341A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114164341B publication Critical patent/CN114164341B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)

Abstract

一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，本发明涉及滚动轴承表面改性处理领域。本发明要解决现有提高摩擦副表面润滑性能方法，产生的表面织构微米级的凹坑会引起轴承滚道面的疲劳剥落，引起轴承的早期失效的技术问题。方法：一、超声清洗：二、等离子体刻蚀处理：三、将真空室内气压恢复常压，取出轴承套圈，完成。本发明采用等离子体技术对轴承钢表面进行刻蚀，制备出碳化物凸出于马氏体基体的表面微观结构。润滑油存储在马氏体基体被刻蚀掉后形成的凹坑内，凸出的碳化物起到支撑载荷的作用。提高航空发动机主轴轴承在高温、高速、重载服役环境下的油润滑性能，延长轴承的服役寿命。本发明处理的轴承套圈用于航空发动机主轴轴承中。

Description

一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法
技术领域
本发明涉及滚动轴承表面改性处理领域。
背景技术
随着航空发动机技术的进步，航空发动机主轴轴承需要承受的温度、载荷、转速都大幅提高。为了提高航空发动机主轴轴承的性能和使用寿命，需要从轴承结构设计、轴承材料、加工制造工艺等各方面综合考虑。轴承滚动体与滚道接触界面的润滑状况对轴承的可靠性和传动系统寿命影响十分显著。正常工况下，轴承滚动体与滚道之间处于混合润滑状态，油膜润滑和粗糙峰接触共存。此种工况下，轴承的磨损极小，轴承可以长期稳定运行。当润滑油供给系统发生故障时，轴承滚动体与滚道之间进入干摩擦状态，摩擦系数迅速升高，产生大量的摩擦热，轴承发生严重的磨损。如果润滑油供给系统不能及时恢复供油或者不能及时停机，将会导致整个传动系统发生故障。因此，提高轴承在短时间断油情况下维持正常运行的能力对提高轴承的性能和使用寿命具有重要意义。
目前提高摩擦副表面润滑性能的方法主要有制备低摩擦系数涂层法和表面微织构法，或者二种方法的结合。虽然现有的表面微织构技术和涂层技术在小载荷、低转速的关节轴承或滑动轴承上获得了成功的应用，但是都无法应用于高速、重载的滚动轴承。因为在高速、重载工况下，表面织构微米级的凹坑会引起轴承滚道面的疲劳剥落，引起轴承的早期失效。而受减磨涂层与滚道基体材料之间结合力的制约，减磨涂层也无法应用到高速、重载滚动轴承。
发明内容
本发明要解决现有提高摩擦副表面润滑性能方法，产生的表面织构微米级的凹坑会引起轴承滚道面的疲劳剥落，引起轴承的早期失效的技术问题，而提供一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法。
一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，具体按以下步骤进行：
步骤一、超声清洗：将轴承套圈进行乙醇超声清洗；
步骤二、等离子体刻蚀处理：将步骤一清洗处理后的轴承套圈放入真空室内，进行抽真空，然后通入工作气体，控制气压为0.01～5Pa，采用射频激发等离子体，采用负高压脉冲驱动离子刻蚀轴承套圈，控制射频功率为10～2000W，等离子体密度为1×108～1×1012cm-3，刻蚀电压为1～100kV，刻蚀电流为0.1～2000μA/cm2，刻蚀时间为0.1～50h；
步骤三、将真空室内气压恢复常压，取出轴承套圈，完成一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法。
为了提高航空发动机主轴承的性能和使用寿命，一般选用含有大量碳化物或者渗碳后含有大量碳化物的高合金轴承钢，例如，8Cr4Mo4V钢、G13Cr4Mo4Ni4V钢渗碳、M50钢、M50NiL钢渗碳、CSS-42L钢或BG801钢渗碳等。经过热处理后，钢中的微观组织由大量的碳化物弥散分布于马氏体基体中构成。碳化物的硬度在20-30GPa之间，远高于马氏体的硬度(大约9GPa)。碳化物可以提高轴承钢的耐磨性能。
由于碳化物和马氏体组织的材料学性质不同，在相同的等离子体刻蚀条件下，等离子体对马氏体的刻蚀速率远大于碳化物。经过等离子体刻蚀后，形成碳化物凸出于马氏体基体5-50nm的三维微观形貌。
本发明的有益效果是：
本发明克服了现有表面微织构技术的缺点，提供一种纳米级尺度的表面改性处理方法，通过等离子体技术，将含有大量碳化物的轴承钢表面的马氏体组织刻蚀掉纳米量级深度，制备出碳化物凸出于马氏体基体的微结构。利用刻蚀掉马氏体基体形成的凹坑存储润滑油，凸出的碳化物起到支撑载荷的作用，减少因接触应力而导致的油膜破裂，对油膜起到保护作用。该方法可以提高航空发动机主轴轴承在高温、高速、重载服役环境下的油润滑性能，延长轴承的服役寿命。
本发明方法对表面含有大量碳化物的轴承钢表面进行刻蚀，制备出碳化物凸出于马氏体基体20nm左右的表面微观结构，润滑油能够存储在马氏体基体被刻蚀掉后形成的凹坑内，经检测相对于未处理轴承套圈，本发明处理后的轴承套圈的表面润滑状态可以得到显著改善。
本发明工艺兼容性好，直接对正常工艺流程生产加工完的轴承套圈进行处理。在不影响轴承精度的情况下，可以显著改善轴承润滑性能，延长轴承的使用寿命。
本发明处理的轴承套圈用于航空发动机主轴轴承中。
附图说明
图1为实施例一处理后的轴承套圈的扫描电子显微镜照片；
图2为实施例一处理后的试样表面摩擦系数随时间变化分析图(转速3200r/min，旋转半径6.5mm)；
图3为未处理试样表面摩擦系数随时间变化分析图(转速3200r/min，旋转半径6.5mm)。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，具体按以下步骤进行：
步骤一、超声清洗：将轴承套圈进行乙醇超声清洗；
步骤二、等离子体刻蚀处理：将步骤一清洗处理后的轴承套圈放入真空室内，进行抽真空，然后通入工作气体，控制气压为0.01～5Pa，采用射频激发等离子体，采用负高压脉冲驱动离子刻蚀轴承套圈，控制射频功率为10～2000W，等离子体密度为1×108～1×1012cm-3，刻蚀电压为1～100kV，刻蚀电流为0.1～2000μA/cm2，刻蚀时间为0.1～50h；
步骤三、将真空室内气压恢复常压，取出轴承套圈，完成一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中每次超声清洗10min，清洗3次。其它具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述轴承套圈采用含有碳化物的轴承钢加工完成的。其它具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述轴承套圈采用的轴承钢为8Cr4Mo4V钢、G13Cr4Mo4Ni4V钢渗碳、M50钢、M50NiL钢渗碳、CSS-42L钢或BG801钢渗碳制造。其它具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二抽真空，当气压达到5×10-4Pa，然后通入工作气体。其它具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二通入工作气体，控制气压为0.1～0.2Pa。其它具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二通入工作气体，控制气压为0.15Pa。其它具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二控制射频功率为600W，等离子体密度为5×109cm-3。其它具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二控制工刻蚀电压为30kV，刻蚀电流为0.15μA/cm2，刻蚀时间为20h。其它具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二所述工作气体为Ar、N2、He和Ne中的一种或者其中几种气体的混合。其它具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，具体按以下步骤进行：
步骤一、超声清洗：将轴承套圈进行乙醇超声清洗，每次超声清洗10min，清洗3次；所述轴承套圈采用BG801钢制造；
步骤二、等离子体刻蚀处理：将步骤一清洗处理后的轴承套圈放入真空室内，进行抽真空，当气压达到5×10-4Pa，通入氩气，控制气压为0.2Pa，采用射频激发等离子体，采用负高压脉冲驱动离子刻蚀轴承套圈，控制射频功率为600W，等离子体密度为5×109cm-3，刻蚀电压为30kV，刻蚀电流为0.15μA/cm2，刻蚀时间为20h；
步骤三、将真空室内气压恢复常压，取出轴承套圈，完成一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法。
本实施例处理后的轴承套圈的扫描电显镜照片如图1所示，轴承套圈表面碳化物凸出于马氏体基体20nm左右。
将采用BG801钢加工的圆盘形试样按照实施例一的表面处理方法进行处理，检测本方法对改善轴承套圈材料表面油润滑性能的效果，进行如下实验：采用球-盘摩擦试验机，以4mm的WC硬质合金球为对磨副；将待测试样丙酮超声清洗好后，安装在球-盘摩擦试验机水平的旋转样品台上；在安装好的试样表面先均匀涂一层4050航空润滑油；每次实验从静止开始，选择不同的接触应力和转速，监测摩擦系数随时间的变化情况。
在离心力、润滑油粘滞力共同作用下，油膜的厚度将随着接触应力和转速的增加而逐渐变薄；润滑状态将从混合润滑状态向干摩擦逐渐过渡。通过摩擦系数变化判断材料表面的油润滑性能。
图2为本实施例处理后的试样表面摩擦系数随时间变化分析图(转速3200r/min，旋转半径6.5mm)，从图中可以看出，当接触应力小于等于2.4GPa时，摩擦系数一直维持在0.08以下。当接触应力达到2.7GPa时，前290s内，摩擦系数低于0.1，之后，摩擦系数增加到0.3。
图3为未处理试样表面摩擦系数随时间变化分析图(转速3200r/min，旋转半径6.5mm)，从图中可以看出，在接触应力为2.4GPa时，前500s内摩擦系数低于0.1；当接触应力2.7GPa时，前97s内，摩擦系数低于0.1。
对比图2和图3的实验结果表明：本发明方法采用等离子体技术对表面含有大量碳化物的轴承钢表面进行刻蚀，制备出碳化物凸出于马氏体基体20nm左右的表面微观结构，润滑油能够存储在马氏体基体被刻蚀掉后形成的凹坑内，凸出的碳化物起到支撑载荷的作用。因此，等离子体刻蚀后获得的碳化物微凸结构能够显著改善材料表面的润滑状态，增强轴承钢表面的抗断油能力，从而提高航空发动机主轴轴承在高温、高速、重载服役环境下的油润滑性能，延长轴承的服役寿命。

Claims (8)

1.一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
步骤一、超声清洗：将轴承套圈进行乙醇超声清洗；
步骤二、等离子体刻蚀处理：将步骤一清洗处理后的轴承套圈放入真空室内，进行抽真空，然后通入工作气体，控制气压为0.01～5Pa，采用射频激发等离子体，采用负高压脉冲驱动离子刻蚀轴承套圈，控制射频功率为10～2000W，等离子体密度为1×108～1×1012cm-3，刻蚀电压为1～100kV，刻蚀电流为0.1～2000μA/cm2，刻蚀时间为0.1～50h；将含有大量碳化物的轴承钢表面的马氏体组织刻蚀掉纳米量级深度，制备出碳化物凸出于马氏体基体的微结构；
步骤三、将真空室内气压恢复常压，取出轴承套圈，完成一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法；
步骤一所述轴承套圈采用含有碳化物的轴承钢加工完成的；
步骤一所述轴承套圈采用的轴承钢为8Cr4Mo4V钢、G13Cr4Mo4Ni4V钢渗碳、M50钢、M50NiL钢渗碳、CSS-42L钢或BG801钢渗碳制造。
2.根据权利要求1所述的一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于步骤一中每次超声清洗10min，清洗3次。
3.根据权利要求1所述的一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于步骤二抽真空，当气压达到5×10-4 Pa，然后通入工作气体。
4.根据权利要求1所述的一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于步骤二通入工作气体，控制气压为0.1~0.2Pa。
5.根据权利要求4所述的一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于步骤二通入工作气体，控制气压为0.15Pa。
6.根据权利要求1所述的一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于步骤二控制射频功率为600W，等离子体密度为5×109cm-3。
7.根据权利要求1所述的一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于步骤二控制工刻蚀电压为30kV，刻蚀电流为0.15μA/cm2，刻蚀时间为20h。
8.根据权利要求1所述的一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法，其特征在于步骤二所述工作气体为Ar、N2、He和Ne中的一种或者其中几种气体的混合。
CN202110705651.0A 2021-06-24 2021-06-24 一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法 Active CN114164341B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110705651.0A CN114164341B (zh) 2021-06-24 2021-06-24 一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110705651.0A CN114164341B (zh) 2021-06-24 2021-06-24 一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114164341A CN114164341A (zh) 2022-03-11
CN114164341B true CN114164341B (zh) 2023-03-28

Family

ID=80476405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110705651.0A Active CN114164341B (zh) 2021-06-24 2021-06-24 一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114164341B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4601592A (en) * 1982-03-17 1986-07-22 The Timken Company Tapered roller bearing capable of sustained operation without lubricant replenishment
JP2008260998A (ja) * 2007-04-11 2008-10-30 Ntn Corp 転がり接触面の表面加工方法
JP2010180971A (ja) * 2009-02-06 2010-08-19 Nsk Ltd 転がり軸受及びその製造方法
CN102134696A (zh) * 2011-03-03 2011-07-27 哈尔滨工业大学 Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法
RU2712661C1 (ru) * 2018-12-29 2020-01-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Способ формирования трибологического покрытия

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4601592A (en) * 1982-03-17 1986-07-22 The Timken Company Tapered roller bearing capable of sustained operation without lubricant replenishment
JP2008260998A (ja) * 2007-04-11 2008-10-30 Ntn Corp 転がり接触面の表面加工方法
JP2010180971A (ja) * 2009-02-06 2010-08-19 Nsk Ltd 転がり軸受及びその製造方法
CN102134696A (zh) * 2011-03-03 2011-07-27 哈尔滨工业大学 Cr4Mo4V钢轴承碳氮等离子体基离子升温注渗方法
RU2712661C1 (ru) * 2018-12-29 2020-01-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Способ формирования трибологического покрытия

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
华希俊等.织构化表面固体润滑性能试验.《江苏大学学报(自然科学版)》.2014,第35卷(第01期),第91-95页. *
张剑等.等离子弧淬火表面网格对摩擦性能影响的研究.《润滑与密封》.2007,第第32卷卷(第第32卷期),第43-45页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114164341A (zh) 2022-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Rolling contact silicon nitride bearing technology: a review of recent research
WO2006134878A1 (ja) ショットピーニング処理方法
EP0685439A2 (en) Seal or bearing
JPH01279119A (ja) 機械部材
JP6040700B2 (ja) 転がり軸受
Amanov et al. Preliminary study of the effect of micro-scale dimple size on friction and wear under oil-lubricated sliding contact
Arslan et al. Effect of change in temperature on the tribological performance of micro surface textured DLC coating
Shepard et al. The effects of ion implantation on friction and wear of metals
Hadfield et al. The effect of the test machine on the failure mode in lubricated rolling contact of silicon nitride
JPWO2015128973A1 (ja) 転がり軸受
JP6095090B2 (ja) 摺動方法、摺動構造の製造方法、摺動構造およびデバイス
CN1625656A (zh) 含油烧结滑动轴承
CN114164341B (zh) 一种提高滚动轴承油润滑性能的表面处理方法
JP5176378B2 (ja) 転がり摺動部材およびこれを用いた転動装置
JP2008274353A (ja) 転がり軸受
Pearson et al. The role of carbides in performance of high-alloy bearing steels
CN110629155A (zh) 镍铬钼钢表面机械化学渗碳处理硬耐磨涂层的制备方法
JP2007327632A (ja) 転がり摺動部材及び転動装置
CN112639312A (zh) 多列自动调心滚子轴承及具备多列自动调心滚子轴承的风力发电用主轴支承装置
Cao et al. Rolling contact fatigue properties of SAE 8620 steel after case carburizing
Shankar et al. Frictional characteristics of diamond like carbon and tungsten carbide/carbon coated high carbon high chromium steel against carbon in dry sliding conformal contact for mechanical seals
JPH08232964A (ja) 転がり部品とその製造方法
Sato et al. Tribological Properties of Bronze Containing Micro Sized Sulfide-Application of Atomic Force Microscopy
JP6015251B2 (ja) 転がり軸受
Cao et al. Effect of different machining processes on the tool surface integrity and fatigue life

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant