進(jìn)口自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的組織與性能分析

李如琰

(上海市軸承技術(shù)研究所，上海 201801)

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承因其高承載、自調(diào)心、免維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)范圍廣等綜合性能，越來(lái)越受到航空等高端領(lǐng)域的青睞[1-3]。國(guó)內(nèi)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的研制起步晚于歐美國(guó)家，因此有必要詳細(xì)了解進(jìn)口軸承的質(zhì)量，借鑒歐美較為成熟的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，制定國(guó)內(nèi)企業(yè)研制生產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)對(duì)進(jìn)口軸承的材料成分、組織、殘余奧氏體含量和承載、磨損性能進(jìn)行檢測(cè)分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)選用歐洲某公司內(nèi)徑分別為6，10，12，20，25，35，50，60 mm的標(biāo)準(zhǔn)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，內(nèi)、外圈材料分別為440C，17-4PH。

1.2 試驗(yàn)方法

分別將內(nèi)、外圈金相制樣使用苦味酸腐蝕，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察內(nèi)圈橫、縱截面及外圈橫截面的組織形貌。采用X射線(xiàn)殘余應(yīng)力儀XSTRESS 3000測(cè)定軸承的殘余奧氏體含量。采用HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)測(cè)試軸承的硬度，每個(gè)試樣測(cè)定5個(gè)點(diǎn)，取平均值為其硬度值。

測(cè)試內(nèi)徑6，25 mm軸承的密合度、襯墊剝離強(qiáng)度，分別進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)，常溫、低溫及高溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)，液體污染擺動(dòng)磨損試驗(yàn)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 套圈材料化學(xué)成分

2.1.1 內(nèi)圈材料化學(xué)成分

內(nèi)圈的化學(xué)成分見(jiàn)表1，由表可知，其符合標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS5630J《Steel,Corrosion-Resistant,Bars,Wire,and Forgings 17Cr-0.52Mo(0.95-1.20C)(SAE 51440C)》。對(duì)比國(guó)內(nèi)材料G102Cr18Mo的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3086—2008《高碳鉻軸承鋼》可知，SAE AMS5630J中合金元素Ni和Cu的含量稍有增加，Ni主要是增加淬回火后殘余奧氏體含量，降低硬度[4]，Cu可提高鋼材耐大氣腐蝕和耐酸腐蝕性能[5]。

表1 內(nèi)圈的化學(xué)成分

2.1.2 外圈材料化學(xué)成分

外圈的化學(xué)成分見(jiàn)表2，由表可知，其符合標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS5643《Steel,Corrosion-Resistant,Bars,Wire,Forgings,Mechanical Tubing,and Rings 16Cr-4.0Ni-0.30Cb(Nb)-4.0Cu Solution Heat Treated,Precipitation Hardenable》。對(duì)比國(guó)內(nèi)材料05Cr17Ni4Cu4Nb的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》可知，二者要求基本一致。

表2 外圈的化學(xué)成分

2.2 組織形貌

2.2.1 內(nèi)圈橫截面組織形貌

進(jìn)口軸承橫截面組織形貌如圖1所示。由圖可知，組織中存在大量塊狀一次碳化物(圖1a中黑色箭頭所指)和細(xì)小的球形二次碳化物；隨著軸承內(nèi)徑的增大，一次碳化物含量增加，塊狀一次碳化物也略有增大，內(nèi)徑60 mm軸承中的一次碳化物尺寸較大，且數(shù)量較多。根據(jù)JB/T 1460—2011《滾動(dòng)軸承 高碳鉻不銹鋼軸承零件 熱處理技術(shù)條件》，圖1a—圖1c中的顯微組織符合第2級(jí)別圖中的4級(jí)；圖1d的顯微組織符合第2級(jí)別圖中的3級(jí)。由此表明，不同規(guī)格的軸承橫截面組織形貌相近。

圖1 內(nèi)圈橫截面組織形貌

內(nèi)圈橫截面SEM圖如圖2所示。由圖可知，組織均由一次碳化物(圖2a中黑色箭頭所指)、二次碳化物(圖2a中白色箭頭所指)、馬氏體和少量殘余奧氏體組成。其中，二次碳化物較為細(xì)小，呈球形分布，且數(shù)量較多，均勻彌散在基體中；內(nèi)徑25 mm軸承中二次碳化物的尺寸約為600 nm，內(nèi)徑50 mm軸承中二次碳化物的尺寸約為900 nm。細(xì)小的碳化物能提高基體的韌性、耐磨性，增強(qiáng)抗塑性變形和裂紋形成、擴(kuò)展的能力。此外，基體中可見(jiàn)針狀馬氏體，且較為細(xì)小，其越細(xì)小，基體中形成的晶界越多，從而阻礙微裂紋的形成和擴(kuò)展，提高材料的耐磨性能[6]。

圖2 內(nèi)圈橫截面組織SEM圖

2.2.2 內(nèi)圈縱截面組織形貌

內(nèi)圈縱截面組織形貌如圖3所示。由圖可知，縱截面上共晶碳化物呈帶狀分布。根據(jù)GB/T 14979—1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》[2]，內(nèi)徑25 mm軸承符合5級(jí)(圖3a)，內(nèi)徑35 mm軸承符合2級(jí)(圖3b)，內(nèi)徑50 mm軸承符合5級(jí)(圖3c)，內(nèi)徑60 mm軸承符合3級(jí)(圖3d)。內(nèi)圈共晶碳化物分布由原材料狀態(tài)決定，當(dāng)軸承用于沖擊載荷等特殊工況時(shí)，應(yīng)慎重選擇原材料。

圖3 內(nèi)圈縱截面組織形貌

2.2.3 內(nèi)圈殘余奧氏體含量

不同內(nèi)徑的內(nèi)圈殘余奧氏體含量如圖4所示。由圖可知，試樣的殘余奧氏體含量較穩(wěn)定，為6.5%～8.7%，且隨著內(nèi)徑的增大略有減少。

圖4 不同內(nèi)徑的內(nèi)圈殘余奧氏體含量

2.2.4 外圈橫截面組織形貌

外圈顯微組織如圖5所示。由圖可知，外圈組織由回火馬氏體、δ-鐵素體、少量殘余奧氏體組成，外圈材料17-4PH為馬氏體沉淀硬化不銹鋼。根據(jù)CB/T 1209—1992《0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)馬氏體沉淀硬化不銹鋼金相檢驗(yàn)》，該組織符合級(jí)別G5，相當(dāng)于GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》的級(jí)別10。

2.3 套圈硬度

套圈硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知，內(nèi)圈硬度為54.5～57.5 HRC，外圈硬度為35.2～39.3 HRC。EN2755《航空航天系列 軸承 耐蝕鋼關(guān)節(jié)軸承帶自潤(rùn)滑襯墊 常溫高載荷》規(guī)定，內(nèi)圈硬度應(yīng)為55～62 HRC，外圈擠壓前硬度為28～37 HRC?？紤]到外圈變形工藝中的冷作硬化因素，由檢測(cè)數(shù)據(jù)推測(cè)，進(jìn)口軸承零件熱處理的控制范圍是：內(nèi)圈55～58 HRC，外圈30～34 HRC。

2.4 軸承性能測(cè)試分析

2.4.1 密合度

軸承密合度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。由表可知，內(nèi)徑12 mm軸承的│tn-ti│值為0.05 mm，符合EN2755標(biāo)準(zhǔn)要求；內(nèi)徑20 mm軸承的│tn-ti│值為0.11 mm，超標(biāo)；如果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE AS81820《Bearings,Plain,Self-Aligning,Self-Lubricating,Low Speed Oscillation》，有過(guò)壓現(xiàn)象，但未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值0.127 mm，是允許的。

表4 軸承密合度

2.4.2 剝離強(qiáng)度

從外圈內(nèi)球面上剝離襯墊，剝離是在粘結(jié)襯墊的整個(gè)寬度上進(jìn)行。剝離的襯墊與粘結(jié)面成140°±40°，測(cè)量使襯墊開(kāi)始剝離的最小力。剝離強(qiáng)度計(jì)算時(shí)襯墊寬度值取外圈寬度值減去2倍倒角尺寸。檢測(cè)內(nèi)徑12,20 mm進(jìn)口軸承的剝離強(qiáng)度分別為0.82，1.225 N/mm，均符合SAE AS81820中不小于0.35 N/mm的要求。

2.4.3 徑向額定靜載荷和極限靜載荷

對(duì)軸承進(jìn)行徑向靜態(tài)加載試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表可知，內(nèi)徑10,6 mm軸承在額定靜載荷下的總變形量超標(biāo)，其他軸承均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)后，軸承均未出現(xiàn)破壞及內(nèi)圈脫出現(xiàn)象。

表5 徑向額定靜載荷和極限靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

SAE AS81820標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的額定靜載荷試驗(yàn)的“總變形量”考核的是“內(nèi)外圈的彈性變形+襯墊的彈、塑性變形”，“永久變形量”考核的是“襯墊的塑性變形”，內(nèi)徑10,6 mm軸承的總變形量超差，應(yīng)是軸承外圈、襯墊的彈性變形超標(biāo)。

2.4.4 軸向額定靜載荷和極限載荷

軸承的軸向靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表可知，內(nèi)徑20 mm軸承的永久變形量為0.14 mm，大于允許值，其他軸承均符合要求。試驗(yàn)后，軸承均未出現(xiàn)破壞及內(nèi)圈脫出現(xiàn)象。

表6 軸向額定靜載荷和極限靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

2.4.5 常溫、低溫和高溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)

軸承經(jīng)常溫、低溫和高溫25 000次擺動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表可知，軸承經(jīng)常溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)后，磨損量均在允許值范圍內(nèi)；-55 ℃低溫下擺動(dòng)磨損試驗(yàn)后，內(nèi)徑25,20 mm軸承磨損量超出允許值；163 ℃高溫下擺動(dòng)磨損試驗(yàn)后，軸承的磨損量均符合允許值。另分別將軸承經(jīng)5種航空液體(航空渦輪引擎油、除冰液、液壓傳動(dòng)用礦物燃料、磷酸酯液壓燃料和防凍液)污染后再進(jìn)行25 000次擺動(dòng)磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，軸承的磨損量均在允許值范圍內(nèi)，符合產(chǎn)品要求。

表7 常溫、低溫和高溫?cái)[動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1)進(jìn)口軸承的套圈材料的化學(xué)元素、熱處理工藝與國(guó)內(nèi)同類(lèi)材料相當(dāng)；二次碳化物較為細(xì)小，呈球形分布，數(shù)量較多。

2)進(jìn)口軸承馬氏體呈針狀分布，且較為細(xì)小。不同規(guī)格進(jìn)口軸承內(nèi)圈硬度為54.5～57.5 HRC，外圈硬度為35.2～39.3 HRC。

3)進(jìn)口軸承的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求；密合度、徑/軸向靜載荷項(xiàng)目中超標(biāo)的個(gè)別軸承，可能與該軸承的批質(zhì)量一致性相關(guān)。低溫磨損試驗(yàn)中個(gè)別軸承的磨損量超標(biāo)，表明該軸承自潤(rùn)滑襯墊材料的低溫摩擦性能欠佳。