來源：軸承雜志社

滾動軸承表面處理技術，是指通過一定的手段使被處理零件的表面成分、組織、性能發生改變，以提高零件的壽命或改善其工作性能。滾動軸承表面處理技術主要有：表面涂覆、表面熱處理、表面化學熱處理、表面機械強化等。

表面涂覆技術包括：物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、射頻濺射（RF）、離子噴涂（PSC）、化學鍍等。通過表面涂覆可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，并降低表面摩擦因數。下面介紹軸承用鋼的表面涂覆技術。

1、類金剛石涂層

類金剛石（DLC）涂層由石墨結構和金剛石結構的碳構成，既具有石墨的潤滑及低摩擦性能，又具有金剛石的硬度（1200HV以上），在許多工業技術中得到應用，如汽車燃料噴射系統、閥門系、齒輪和滾動軸承等，這些涂層在滑動狀態下通常能表現出更好的耐磨性，而在軸承類高載荷滾動和混合接觸狀態下則表現較差，主要因為涂層在高載荷滾動狀態下應用時裂紋在涂層的柱狀組織中產生并擴展，進而導致涂層成片剝落。為避免這種斷裂型磨損模式，必須消除這種晶柱狀組織。優化工藝參數和涂層設計可消除涂層中亞微米級別的柱狀組織，大大提高涂層在高載荷滾動和混合接觸狀態下的持久性，對涂層進行金屬摻雜，如加入W，Ti，Cr等，在涂層中形成細小碳化物也有利提高涂層強度和耐磨性。DLC涂層代表軸承硬涂層的一個發展方向，在降低摩擦磨損、減少表面損傷，提高接觸疲勞壽命方面將會越來越多地應用于各種軸承產品。近年來，涂層改性設計和實際應用成為表面涂覆的熱點研究領域。

ECKELS.M,KOTZALAS.M.N,DOLL.G.L對滾子涂覆納米復合材料類金剛石碳的滾子軸承性能進行了研究。通過非平衡磁控濺射將1 μm厚的W-aC:H涂層沉淀到滾子表面。W-aC:H涂層與鋼基體之間有厚度小于1 μm的Cr過渡層以增加涂層與基體的結合力，W-aC:H涂層是一種由層厚為3~5 μm的富含鎢和富含碳交替分布構成的層片結構，每個薄層里的非晶態碳氫化合物基體含有β-W2C的析出物，含量約為17%~20%。W-aC:H涂層的壓痕硬度為12，彈性模量為130 GPa。試驗表明，W-aC:H涂層具有很高的耐磨性及硬度，滾子涂覆W-aC:H的軸承在低Λ值下工作時可以大幅增加疲勞壽命，原因是滾道滾動接觸區被涂層滾子研磨成鏡面，而且可以磨平由潤滑劑中污染顆粒在滾道上形成的壓痕。另外，W-aC:H涂層可防止劃傷及短期潤滑失效的發生，也可以防止偽壓痕類的磨損失效。

MUTYALA.K.C,SINGH.H, EVANS.R.D等研究了在正常、乏油及碎屑損傷條件下DLC涂層對球軸承性能的影響。所涂覆的DLC涂層有3種：WC/a-C:H，TiC/a-C和Ti/a-C:H。在正常潤滑運轉時，TiC/a-C涂覆鋼球具有更大的扭矩降，其次是TiC/a-C:H，WC/a-C:H涂覆鋼球；試驗中，相比于TiC/a-C:H，TiC/a-C和未涂覆鋼球，WC/a-C:H涂覆鋼球能夠修復滾道損傷，改善軸承碎屑損傷后的運轉效率。WC/a-C:H，TiC/a-C:H和TiC/a-C涂層改善軸承的抗磨能力因子分別為3.5，1.7，1.3，超過了裝配未涂覆鋼球軸承在乏油條件下的因子。WC/a-C:H涂覆鋼球在碎屑損傷和乏油條件下表現出了Z好的保護作用，這歸因于其有利的膜轉化能力。

SKF公司近年來一直在進行利用PVD在軸承套圈及滾動體表面涂覆DLC涂層的研究和應用，其涂覆的DLC涂層表面硬度比淬硬軸承鋼高40%~80%、摩擦因數類似于PTFE或MoS2，具有自潤滑特性，且與基體結合良好、無剝落，軸承壽命、耐磨性大幅度提高，在斷油的情況下仍可正常工作，涂覆DLC的軸承被稱為“NoWear bearing”，該技術早已應用于壓縮機軸承、造紙機械軸承、液壓馬達軸承，還擬利用DLC涂層的低摩擦性能，將其應用于一些節能降耗的場合，如新能源汽車等。TIMKEN利用W-aC:H涂覆滾子，避免了滾子軸承因滾動接觸面間的滑動引起的粘著磨損（涂抹）。

近年來，國內對DLC類涂層也進行了較多研究。除DLC外，西安理工大學等開發了Cr摻雜類石墨非晶碳（Graphite-like Carbon,GLC）涂層（圖），通過使用Cr過渡層提高涂層與基體的結合力，并通過C/Cr多層復合成膜技術提高涂層強度，除低摩擦磨損外，且無觸媒效應、脆性更低、結合強度更好，已成功應用于切削刃具，大大提高了刀具壽命。在軸承上也進行了初步的應用試驗，鋼球涂覆GLC的軸承試驗表明：在高速下，軸承振動、溫升顯著降低，且DLC可作為固體潤滑材料，使軸承在短時斷油后仍可運轉一定時間，該特性對于航空發動機軸承尤其重要。

Cr摻GLC涂層

2、固體潤滑涂層

固體潤滑涂層主要是涂覆?有潤滑性能的軟材料或層片結構材料，具有良好的潤滑性能，一般應用于真空等不易使用油、脂潤滑的場合。

軟金屬涂層有Au，Ag，Pb等，一般采用離子鍍或濺射成膜，應用于高真空用滾動軸承，或用于改善保持架與滾動體間的潤滑狀態，如航空發動機軸承保持架鍍銀。

典型的層片結構材料如MoS2、石墨等，一般采用濺射或使用有機、無機黏接劑燒結成膜，MoS2一般用于高真空，石墨一般用于高溫。

高分子材料以PTFE為代表，具有獨特的帶結構，表現出低摩擦、容易在配對面形成轉移潤滑膜、耐化學藥品，且不易受環境介質影響，一般采用黏接劑燒結成膜，應用于清潔或耐蝕環境用軸承。

納米金剛石處于滾動接觸面時可像軸承中的滾動體一樣減小摩擦，納米金剛石涂層也可作為潤滑涂層，硬度可能超過金剛石的CNx同樣可作為固體潤滑材料使用。

3、其他涂層

山田孝則等介紹了鐵路拖動電動機用絕緣軸承。一種是在外圈外徑面及端面噴涂氧化鋁涂層并采用樹脂封孔；一種是噴涂玻璃纖維增強PPS樹脂，并在其中添加非導電的高導熱填充物，提高導熱性。兩種涂層均具有較高的絕緣性能，可避免電蝕且溫升與非涂層軸承相同，能夠有效延長軸承壽命。

Р.И.ДИ介紹了利用聚合物材料提高機床主軸軸承壽命。軸承與軸承座及軸的配合面會發生摩擦腐蝕磨損，增大配合間隙，使軸承中Z大接觸應力升高。在外圈上涂覆聚合物涂層后，保證外圈與軸的配合面處于彈性接觸狀態，在受載時涂層發生彈性變形，增加軸承中的有效承載面積，降低了Z大接觸應力，進而提高軸承壽命。在外圈循環加載和局部加載時，外圈涂覆6Φ密封膠（厚度為0.125 mm）和ВК聚合物（厚度為0.09 mm）的軸承壽命分別為計算壽命的3-4倍以上。為提高軸承內的載荷分布系數，涂層的厚度應盡可能厚，且應選擇低彈性模量的材料。

SKF研究了發黑對軸承性能的影響，實驗室研究、軸承試驗和現場經驗表明：發黑提供一定的抗摩擦化學腐蝕保護，能減少氫滲透，還能增強抗潮氣腐蝕損傷（如靜止腐蝕）的能力。此外，當軸承在邊界或混合潤滑條件下出現粘著磨損、涂抹損傷或表面疲勞等失效形式時，發黑軸承鋼表面提高了安全系數。SKF除了將經過發黑處理的軸承用于新設備外，還將其用作風力發電廠例行維護中常規軸承的替換品。為使軸承達到Z優性能，SKF建議內圈、外圈和滾動體都進行發黑處理。

低溫離子滲硫是20世紀80年代后期出現的表面改性技術。其基本原理與離子滲氮相似，在一定的真空度下，利用高壓直流電使含硫氣體電離，生成的硫離子轟擊工件表面，在工件表面與鐵反應生成以FeS為主的10 μm左右厚的硫化物層。硫化物是良好的固體潤滑劑，可有效降低鋼件接觸表面的摩擦系數，且其摩擦系數隨載荷增大而進一步降低，因此可以大大提高重載下軸承的耐磨性，將軸承的壽命提高3倍左右。

低溫磷化與滲硫的作用相似。通過把工件放置于40 ℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸滲4 h，可在工件表面獲得0.05~0.25 μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面層，降低摩擦因數并提高耐磨性。經磷化的M50鋼軸承在短期斷油的情況下不出現卡死，提高了軸承的可靠性。

木野仲郎通過在滾動表面鍍鎳抑制氫的滲入，大幅度降低了鋼中的氫含量，能夠防止異常白色組織剝落。

節選自2020年2期《軸承》“滾動軸承材料及熱處理進展與展望”