关键词：轴承、重载轴承、表面强化

摘要：
重载轴承在矿山机械、盾构机等场景中承受高接触应力与冲击载荷，易发生剥落与磨损。本文系统分析离子注入、激光熔覆、超音速火焰喷涂（HVOF）等表面强化技术的原理与工艺参数，结合摩擦学实验与寿命预测模型，提出多尺度协同强化策略，使轴承接触疲劳寿命提升5倍以上。

核心内容：

• 离子注入改性：

• 氮离子注入：在GCr15钢表面注入N⁺（能量80keV，剂量2×101⁷ions/cm2），形成500nm厚硬化层，硬度达1200HV，较基体提高3倍；

• 梯度结构调控：通过交替注入N⁺与Ti⁺，构建硬度从表面到心部梯度递减的“蛋壳结构”，抗冲击韧性提升至15J/cm2；

• 摩擦学性能：在3.5GPa接触应力下，磨损率降低至10⁻⁷mm3/N·m，较未处理试样降低4个数量级。

• 激光熔覆技术：

• Fe基合金涂层：采用同步送粉法熔覆Fe-Cr-B-Si-C合金，涂层厚度1.2mm，硬度达62HRC，结合强度>60MPa；

• 原位合成碳化物：在熔覆层中引入TiC颗粒（体积分数20%），通过马氏体相变与碳化物析出协同强化，耐磨性较单一熔覆层提升2倍；

• 残余应力调控：通过预热基体至200℃与激光扫描路径优化，使残余拉应力从200MPa降低至50MPa，抑制裂纹扩展。

• HVOF喷涂技术：

• WC-CoCr涂层：喷涂参数（氧气流量800SCFH，煤油流量5GPH）下，涂层孔隙率<1%，硬度达1600HV，弹性模量450GPa；

• 冷喷涂过渡层：在喷涂前沉积纯铜过渡层（厚度50μm），结合强度提升至75MPa，抗热震次数从10次增加至50次；

• 耐腐蚀性能：在3.5%NaCl溶液中，腐蚀电流密度从10⁻⁵A/cm2降低至10⁻⁷A/cm2，耐点蚀电位提升300mV。

• 产业化应用：

• 盾构机主驱动轴承：采用HVOF喷涂WC-CoCr涂层后，在200kN/m2接触应力下寿命从3000小时延长至15000小时，维护成本降低70%；

• 风电齿轮箱行星轮轴承：激光熔覆Fe基涂层+离子注入复合处理，在50MPa冲击载荷下抗点蚀寿命达5×10⁶转，较传统淬火轴承提升8倍。