黑色氧化涂层提升铁路轮端轴承能效的研究 | 轴承学院
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科技
2024-10-23 07:30
上海
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图源：SKF
随着全球铁路市场的不断扩大，减少能源消耗和二氧化碳排放的需求日益迫切，铁路轮端轴承单元正在不断优化，旨在进一步降低功率损耗，同时不牺牲可靠性。正在评估的解决方案之一是选择最佳的表面工程技术。结果表明，SKF摩擦学黑色氧化（Tribological Black Oxide）涂层能够显著降低轴承在低速和中速下的转矩，这对于城际列车而言尤为重要。在SKF最近的一项研究[1]中，基于单触点滚动-滑动油润滑摩擦试验机和在铁路应用相关运行条件下的油脂润滑双排轴承摩擦试验台，对比了三种SKF转化层——锌钙磷酸盐（ZnCaPh）、锰磷酸盐（MnPh）和SKF摩擦学黑色氧化（TBO）在摩擦性能方面的表现。以下是对部分结果的回顾。 涂层滚动轴承
滚动轴承上可使用多种涂层[2]，但仅有少数可用于轴承滚道[3]。有一类涂层被称为“转化涂层”，它们是通过适当的电解或非电解化学反应将轴承的铁质金属表面转化为涂层而获得的。磷化转化涂层：该涂层是表面铁与流体中的锰、锌或锌钙阳离子以及磷酸根阴离子发生化学反应的结果。对于轴承应用，锰磷酸盐或锌基磷酸盐的厚度为2–15微米[2]。值得一提的是，磷化处理涉及酸性工艺，如果处理不当可能会产生点蚀效应（从而增加表面疲劳的风险），而轴承氧化的碱性工艺（摩擦学黑色氧化）则不会出现这种情况[4]。氧化转化涂层：该涂层是钢表面铁与试剂发生化学反应的结果。它形成了一层约1微米厚的黑色层，由FeO、Fe2O3和Fe3O4的混合物组成。标准DIN 50938[5]和等效的ISO 11408[6]为该方法设定了基准。然而，需要强调的是，这两个标准都侧重于防腐蚀，并未针对获得具有滚动轴承应用所需摩擦学性能的黑色氧化层进行优化。SKF的TBO涂层是按照这些标准制作的，但采用了优化的工艺，以增强涂层的摩擦学性能。 涂层形貌与机械性能
图1展示了所研究的三种转化层的扫描电子显微镜（SEM）平面视图形貌。TBO涂层（图1a）显示出存在空隙和裂纹。空隙的形成归因于氧化物转化的性质，而裂纹则与表面应力释放有关，因为氧化物层与钢基体的热膨胀系数不同。MnPh涂层（图1b）呈现出具有5–10微米的棱柱形晶体的多晶微结构。由于磷化过程中加入了钙，ZnCaPh涂层具有晶粒均匀分布的致密微结构（图1c）。表1列出了涂层的机械性能。![]()
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往复滑动测试
使用内部研发的微动磨损试验机（图2）在纯滑动条件下测量摩擦系数。经过短暂的磨合期后，所有涂层均显示出恒定的摩擦。结果表明，在这种微动磨损条件下，转化涂层的摩擦系数较低，这可能是由于初始粗糙度峰值的平滑变得更加容易。TBO涂层板的摩擦系数最低。![]()
滚动/滑动测试
使用Wedeven Associates Machine（WAM）试验机在与圆柱和圆锥滚子轴承相关的条件下评估了滚动/滑动条件下的摩擦性能。WAM试验机以两种不同的配置使用，一种模拟轴承滚道接触，另一种模拟轴承滚子端与法兰接触。所有测试均使用40°C下粘度为32厘沲的无EP/AW添加剂矿物油作为润滑剂，温度为60°C，润滑参数λ=0.3。在滚道（图3）和法兰（图4）接触条件下可以观察到，与钢制变体相比，MnPh和ZnCaPh在从开始到持续时间结束的过程中摩擦显著降低（与转化层的磨合有关），而TBO从一开始就表现出最低的摩擦。摩擦方面的优势可以与测试后跑道内的粗糙度进行比较（表2），在滚道和法兰配置中，TBO圆盘的粗糙度都显著降低。![]()
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轴承摩擦测试
使用内部研发的试验机（图5）测量了在不同速度和负载条件下轴承的摩擦扭矩，以尽可能接近城际列车轮端轴承单元的典型条件来比较不同的转化层。由于轮端轴承单元通常是双排单元，因此测试采用了双排圆柱滚子轴承（CRB）设置（NU2207 ECP/C3和NJ 2207 ECP/C3）。选择了圆柱滚子轴承而不是圆锥滚子轴承，以便于拆卸/重新组装滚子组件以涂覆内圈和外圈。滚子组件保留了原始环，以保持C3内部径向间隙。在测试之前，每个轴承都填充了2.5克典型的铁路润滑脂，以确保相同的初始润滑脂分布。![]()
径向负载已设置为在内圈上达到1.3 GPa的接触压力，在外圈上达到1 GPa的接触压力。速度循环的轴向负载已设置为在法兰接触上达到200 MPa。速度循环的设计旨在代表城际铁路轮端单元中获得的典型线速度，并最大限度地减少润滑脂运动对测量扭矩的影响。轴向负载循环的设计旨在强调法兰的贡献，同时保持在推荐的最大轴向与径向负载比以下。经过10小时的磨合后，每个速度或轴向负载步骤的一小时分为在给定速度下顺时针旋转30分钟和逆时针旋转30分钟，并取最后20分钟的扭矩平均值。这可以对测力计中的任何偏移进行校正，从而导致标准偏差较低。磨合后，每个循环至少重复六次，每个测试至少在两组轴承上重复。在这次测试活动中，内圈和外圈保持未涂层或涂有TBO、MnPh或ZnCaPh涂层。滚子未涂层。图6展示了在双CRB设置上不同旋转速度下测得的未涂层钢环以及TBO、MnPh和ZnCaPh环的平均扭矩。平均扭矩已归一化为在未涂层环在3100转/分钟和250N轴向负载下测得的值。速度循环测试后，使用干涉仪测量了NJ2207内圈滚道和法兰的粗糙度（表3）。测量的粗糙度与新内圈滚道的平均粗糙度进行了比较。图6显示，TBO（类金刚石碳）涂层环始终导致最低转矩，这与球盘试验中的观察结果相一致。粗糙度测量表明，较低转矩可能源于内环滚道和法兰的跑合作用及其表面形貌的平滑化（表3）。这可以解释为什么在表面间分离膜较厚的高速条件下，TBO的优势有所减弱。![]()
图6，来源：SKF
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在图6中，可以看出，在250N轴向载荷下（转速均为1800转/分钟），通过在环上应用TBO获得的轴承减摩效果比在100N轴向载荷下更为显著。这可以通过以下事实来解释：在径向和轴向受载的圆柱滚子轴承中，转矩的最大贡献来自法兰接触的滑动阻力。在这方面，对未涂层的钢环和TBO涂层环进行了轴向载荷循环测试，其中径向载荷保持不变，而轴向载荷增加，以强调摩擦的贡献。轴向载荷循环测试使用了参考润滑脂和另一种低摩擦润滑脂（Grease2），以比较在环上应用TBO与使用低摩擦润滑脂的效果（图7）。可以观察到，一方面，对于未涂层的钢环，当增加轴向载荷时，轴承转矩线性增加，因此法兰接触贡献增加；另一方面，对于TBO涂层环，轴承转矩随轴向载荷的增加而几乎不增加。与钢环相比，在低轴向载荷下，TBO使轴承摩擦减少了50%，而在高轴向载荷下，TBO使轴承摩擦比未涂层环减少了多达75%。这一观察结果与以下事实相关：在滚子-盘法兰配置中测得的摩擦降低幅度高于在球-盘滚道配置中测得的摩擦降低幅度。图6还表明，从摩擦的角度来看，在测试条件下，应用TBO的效果优于应用低摩擦润滑脂。![]()
图7，来源：SKF
图8展示了转换层跑合磨损的典型外观，在本例中，这是轴承摩擦测试后在带有TBO的内环上观察到的。![]()
最终结论
往复滑动测试、WAM滚动/滑动测试和轴承摩擦测试表明，TBO具有最佳的减摩潜力。在测试条件下，与未涂层圆盘相比，在圆盘上应用TBO可使滚道配置的摩擦系数从0.08降低到0.06（图3），使法兰接触配置的摩擦系数从0.09降低到0.02（图4）。在双圆柱滚子轴承测试中，当施加五倍高的轴向载荷（从而增加法兰接触的贡献）时，在内环和外环上应用TBO可使轴承转矩降低多达75%（与未涂层环相比）（图7）。似乎应用TBO以降低轴承摩擦的大部分益处来自于法兰接触，因为在法兰接触处，接触压力不利于跑合（与滚道接触压力相比）。结果还证实，当在较粗糙的表面应用TBO时，通过促进跑合获得的益处还伴随着表面损伤和磨损性能的增强[7]。根据操作条件的不同，TBO即使在长时间后也可能在视觉上呈现黑色（图8），并在滚动体接触区域内显得更亮且被抛光掉。即使看起来已磨损，仍有一层较薄、含氧量较高且表面平滑的涂层存在。值得强调的是，在滚动接触区域之外，TBO还将带来其他益处，如适度的防腐保护、增加的润滑剂润湿性、氢屏障等[2]。为验证、认证和工业化铁路轮对解决方案，还需要进行进一步开发。铁路工程和开发团队将采取这些额外步骤，为我们的客户提供最节能和可持续的解决方案。 参考文献
E. Broitman; A. Ruellan; R. Meeuwenoord; D. Nijboer; V. Brizmer, “Comparison of Various Conversion Layers for Improved Friction Performance of Railway Wheel-End Bearings.” Coatings 13 (2023) 1980
“SKF Coatings Catalogue.”
E. Broitman, “Coatings to Improve Bearing Performance.” Evolution (2022) 1-7.
T. von Schleinitz, K. Nentwig, C. Bruckhaus and W. Kachler, “Brünierung: Die alte neue Hochleistungsschicht,” Galvanotechnik, vol. 5, pp. 889-894, 2018.
”DIN 50938 – Black Oxide Coatings on Ferreous Metal Components – Requirements and test methods,” Deutsches Institut fur Normung e.V., Berlin, 2018.
”ISO 11408: Chemical conversion coatings – Black oxide coating on iron and steel – Specification and test methods,” International Organization for Standardization, Geneva, 1999.
V. Brizmer; K. Stadler, M. van Drogen; B. Han; C. Matta; E. Piras, “The Tribological Performance of Black Oxide Coating in Rolling/Sliding Contacts.” Tribology Transactions 60 (2017) 557–574.
