圓柱滾子軸承打滑蹭傷的表面燒傷行為研究

金前沖，張慶，羅軍，謝向宇，徐進(jìn)

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴陽(yáng)學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院 材料磨損與腐蝕防護(hù)貴州省高校工程研究中心，貴陽(yáng) 550005)

滾動(dòng)軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械承載傳動(dòng)部件，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、高速精密機(jī)床、高鐵、航空航天等大型關(guān)鍵裝備領(lǐng)域。隨著旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)速不斷提高，以及軸承服役的工況環(huán)境(高速、高溫、重載等)日趨惡劣，燒傷失效尤為常見(jiàn)[1-3]。燒傷改變金屬表層組織，加劇接觸體間的磨損，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生接觸表面金屬黏接，甚至造成安全事故[4]。為此，許多學(xué)者對(duì)滾動(dòng)軸承燒傷進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承內(nèi)滾道燒傷進(jìn)行分析，認(rèn)為燒傷表面滑動(dòng)和黏接剝離的痕跡可能是滾子與滾道接觸區(qū)相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫所致。文獻(xiàn)[6]分析了某航空失效軸承高溫?zé)齻颍l(fā)現(xiàn)燒傷滾子和內(nèi)圈的顯微組織出現(xiàn)氧化脫碳，可能是缺乏潤(rùn)滑油引起過(guò)熱造成的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)飛機(jī)起動(dòng)機(jī)燒傷軸承宏觀形貌、硬度及金相組織綜合分析，證明啟動(dòng)時(shí)瞬間潤(rùn)滑不良是導(dǎo)致軸承零件間接觸面出現(xiàn)不同程度燒傷的原因。文獻(xiàn)[8]采用不同檢測(cè)方法對(duì)故障球軸承進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外圈燒傷區(qū)的金相組織出現(xiàn)帶狀白層。文獻(xiàn)[9]分析了失效軸承外圈的金相組織及形貌，證明裝配不當(dāng)是軸承燒傷的主要因素。文獻(xiàn)[10]研究了苛刻工況下球軸承運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)軸承燒傷與潤(rùn)滑相關(guān)。文獻(xiàn)[11-12]也對(duì)故障軸承燒傷因素進(jìn)行了分析。上述研究多集中于滾動(dòng)軸承燒傷失效分析，分析手段較單一，對(duì)滾動(dòng)軸承燒傷過(guò)程中工況變化尚不清楚，以至于不能全面認(rèn)識(shí)滾動(dòng)軸承燒傷。因此，采用滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)模擬圓柱滾子軸承燒傷情況，并利用微觀分析方法綜合分析燒傷軸承零件形貌及組織變化，以期為下一步解決滾動(dòng)軸承燒傷提供理論支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣及設(shè)備

試驗(yàn)選取成品圓柱滾子軸承，基本參數(shù)見(jiàn)表1，內(nèi)、外圈及滾子材料均為8Cr4Mo4V鋼，采用4109航空潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。

表1 軸承基本參數(shù)

試驗(yàn)采用高速滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)(圖1)，試驗(yàn)機(jī)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、信息采集與控制系統(tǒng)等組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主軸，從而帶動(dòng)試驗(yàn)軸承旋轉(zhuǎn)；加載系統(tǒng)由液壓缸活塞推動(dòng)加載環(huán)頂在軸承外圈上，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的徑向加載；采用水冷對(duì)電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑油箱及兩側(cè)支承軸承進(jìn)行冷卻；采用噴射潤(rùn)滑方式噴入密封腔體對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，再由定位凸緣下方回油孔流入外腔體，返回油箱；通過(guò)溫度傳感器、摩擦力矩傳感器、振動(dòng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)速、載荷、進(jìn)油量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)軸承運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)、溫度及摩擦力矩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速可選擇范圍為0～20 000 r/min，徑向載荷加載范圍為0～20 kN，試驗(yàn)軸承溫度監(jiān)測(cè)范圍為25～200 ℃，摩擦力矩監(jiān)測(cè)范圍為0～15 N·m。

1—主軸伺服電動(dòng)機(jī)；2—高速主軸；3—摩擦力矩傳感器；4，10—前、后支承軸承；5—試驗(yàn)軸承；6，8—溫度傳感器；7—加載系統(tǒng)；9—振動(dòng)傳感器

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)工況：徑向載荷0.2～1.0 kN，進(jìn)油量0.542～4.332 L/min，主軸轉(zhuǎn)速0～20 000 r/min。

利用Taylor PGI 420型輪廓儀分析燒傷軸承輪廓，用FEI Quanta 250FEG型掃描電子顯微鏡分析燒傷區(qū)域的微觀形貌，用ZEISS Axio Vert.A1型金相顯微鏡觀察其金相組織，用EM-1000VP顯微硬度儀檢測(cè)軸承硬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圓柱滾子軸承燒傷狀態(tài)曲線如圖2所示,由圖可知：主軸加速過(guò)程中，摩擦力矩、振動(dòng)加速度、溫度都呈上升趨勢(shì)，試驗(yàn)軸承及潤(rùn)滑油溫度變化曲線滯后于摩擦力矩和振動(dòng)加速度。隨著主軸轉(zhuǎn)速不斷增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到18 000 r/min時(shí)，軸承的摩擦力矩及振動(dòng)加速度突然呈近線性增長(zhǎng)，軸承溫度也大幅度升高，可能是由于滾子和滾道接觸表面發(fā)生了打滑蹭傷[13-14]，使兩接觸表面產(chǎn)生大量摩擦熱；主軸轉(zhuǎn)速加速到20 000 r/min過(guò)程中，摩擦力矩、振動(dòng)加速度及軸承溫度持續(xù)增加，可能是蹭傷造成內(nèi)圈滾道與滾子接觸面間的潤(rùn)滑油膜破裂，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)，高速狀態(tài)使溫度激增；當(dāng)主軸在20 000 r/min下穩(wěn)速運(yùn)行一段時(shí)間后，振動(dòng)加速度和摩擦力矩逐漸減少，但潤(rùn)滑油溫度和試驗(yàn)軸承溫度繼續(xù)增加，最終滾子和滾道接觸表面出現(xiàn)燒傷[15]。

圖2 軸承燒傷狀態(tài)曲線圖

2.2 宏觀形貌

燒傷軸承的宏觀形貌如圖3所示。燒傷區(qū)呈深黑色，無(wú)金屬光澤，不規(guī)則片狀分布，多集中于內(nèi)滾道中間位置，且表面粗糙，有明顯的塑性變形(圖3a)，說(shuō)明高速蹭傷導(dǎo)致內(nèi)圈表面的閃溫分布不均勻，部分區(qū)域表面狀態(tài)惡化，從而表面出現(xiàn)燒傷失效；內(nèi)圈非燒傷區(qū)表面泛黃，可能是高溫運(yùn)轉(zhuǎn)下表層潤(rùn)滑油氧化物沉積的結(jié)果。滾子燒傷區(qū)域沿圓周均勻分布，有2條黑色色帶，最大帶寬約為5 mm，可能是軸承接觸表面局部高溫導(dǎo)致滾子嚴(yán)重變色，且色帶朝向不一致，這是軸承裝配時(shí)滾子裝反所致；滾子表面有輕微磨損，無(wú)明顯異常(圖3b)。

圖3 燒傷軸承宏觀形貌

燒傷軸承和新軸承輪廓對(duì)比如圖4所示。由圖可知：與新軸承相比，燒傷軸承內(nèi)圈輪廓不對(duì)稱(chēng)，存在嚴(yán)重偏磨，損傷嚴(yán)重區(qū)域?qū)捈s3.5 mm，最大磨損深度約14.9 μm(圖4a)，與宏觀燒傷區(qū)域?qū)?yīng)；燒傷軸承滾子素線輪廓呈凹形，最大磨損深度約10.2 μm(圖4b)。相比之下，內(nèi)圈滾道磨損更為嚴(yán)重。由此證明，內(nèi)圈和滾子發(fā)生磨損，且燒傷區(qū)磨損更嚴(yán)重，顯然二者存在接觸磨損，這可能與軸承輕載打滑伴隨的受載變化有關(guān)，特別是非承載區(qū)滾子受到離心力作用，在溫度、潤(rùn)滑等耦合作用下，滾子與內(nèi)圈滾道產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，發(fā)生直接接觸[16]。

圖4 燒傷軸承與新軸承的滾子和內(nèi)圈輪廓對(duì)比

2.3 微觀形貌

內(nèi)圈滾道和滾子燒傷區(qū)的微觀形貌分別如圖5、圖6所示。由圖可知：內(nèi)圈滾道損傷區(qū)域出現(xiàn)大面積蜂窩狀剝落，剝落坑形態(tài)各異，沿滾動(dòng)方向分布，且局部材料有黏接轉(zhuǎn)移、相對(duì)滑移的痕跡(圖5a)；放大燒傷區(qū)剝落坑可見(jiàn)，剝落坑周邊顏色較深，可能有異物，坑底凹凸不平，出現(xiàn)大量不規(guī)則的龜裂，可能是滾道表面的快速剝落導(dǎo)致(圖5b)。滾子燒傷區(qū)主要是麻點(diǎn)和剝落坑，麻點(diǎn)密集分布，剝落坑參差不齊且顏色較黑(圖6a)，對(duì)黑色剝落坑放大發(fā)現(xiàn)，剝落坑底部及附近區(qū)域表面出現(xiàn)明顯的微裂紋，其長(zhǎng)度約40 μm(圖6b)，微裂紋深約9.75 μm，且縱向擴(kuò)展(圖6c)。

圖5 燒傷軸承內(nèi)圈滾道微觀形貌

圖6 燒傷軸承滾子微觀形貌

軸承鋼短時(shí)間運(yùn)行一般不會(huì)發(fā)生疲勞，由裂紋的萌生及延伸趨勢(shì)可以推斷：作用在內(nèi)圈滾道表面的應(yīng)力較大，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加及燒傷過(guò)程中溫升，位于應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)材料積累的微觀塑性變形越來(lái)越多，達(dá)到一定程度后產(chǎn)生微裂紋[17]。對(duì)比可知，燒傷軸承內(nèi)圈磨損較為嚴(yán)重，可能內(nèi)圈接觸面局部溫度迅速升高，滾子與內(nèi)圈間隙減小或消失，不利于潤(rùn)滑和冷卻，從而進(jìn)一步加劇磨損。內(nèi)圈與滾子表面微觀形貌磨損程度的差異性可能是由于打滑蹭傷持續(xù)時(shí)間短，滾子隨保持架公轉(zhuǎn)的同時(shí)高速自轉(zhuǎn)，因此減少了滾子與內(nèi)圈同一接觸點(diǎn)的磨損，滾子和內(nèi)圈磨損程度不同。根據(jù)上述分析可以確定，燒傷軸承接觸表面發(fā)生了黏著磨損、磨粒磨損及滾動(dòng)接觸疲勞。

2.4 金相組織

內(nèi)圈燒傷區(qū)域金相組織如圖7所示，基體組織主要是針狀馬氏體、殘余奧氏體、一次碳化物和二次碳化物，其燒傷區(qū)域發(fā)現(xiàn)深約140 μm的白層，推測(cè)是二次淬火馬氏體和殘余奧氏體[6-7]，且有一定網(wǎng)狀過(guò)渡區(qū)，組織晶粒邊界清晰可見(jiàn)。

圖7 燒傷內(nèi)圈金相組織

對(duì)白層區(qū)域及非白層區(qū)域各取3個(gè)點(diǎn)測(cè)量維氏硬度，發(fā)現(xiàn)白層區(qū)域硬度比非白層區(qū)域硬度高約110 HV(表2)，可能是因?yàn)榘讓咏M織中馬氏體與奧氏體間存在共格關(guān)系，由于兩者晶格常數(shù)的差異，形成馬氏體時(shí)二次奧氏體點(diǎn)陣發(fā)生強(qiáng)烈畸變，從而導(dǎo)致該區(qū)域硬度較大。白層區(qū)域不易被腐蝕，可能是由于燒傷區(qū)域組織馬氏體-奧氏體界面間表面能趨于零，腐蝕劑不易在白層組織上產(chǎn)生電化學(xué)的原電池，故該區(qū)域腐蝕較輕[18]。

表2 燒傷軸承內(nèi)圈基體白層區(qū)域與非白層區(qū)域硬度對(duì)比

結(jié)合軸承試驗(yàn)結(jié)果可知，軸承打滑蹭傷后，接觸表面會(huì)產(chǎn)生局部高溫，并釋放大量不能及時(shí)被潤(rùn)滑油冷卻的摩擦熱量產(chǎn)生的“閃溫”，使內(nèi)圈與滾子接觸區(qū)局部表層溫度超過(guò)奧氏體轉(zhuǎn)化溫度；由于組織中一次馬氏體比例較低，未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體比例較高，當(dāng)奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)少量馬氏體不能為轉(zhuǎn)變的奧氏體提供足夠的碳原子，造成轉(zhuǎn)變的奧氏體穩(wěn)定性較差，在后續(xù)潤(rùn)滑油冷卻過(guò)程中大部分的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊瘃R氏體[19],由此可知，軸承打滑蹭傷造成的內(nèi)圈燒傷層是二次淬火層。

滾子燒傷區(qū)域金相組織如圖8所示，組織均勻，燒傷區(qū)出現(xiàn)連續(xù)不斷的白層，深約8 μm。白層(二次淬火層)是一種復(fù)雜多相高彌散組織，在滾動(dòng)、沖擊、打滑作用下產(chǎn)生，該能量以較快速度轉(zhuǎn)化為熱量，形成點(diǎn)狀熱源，在金屬顯微體積中形成復(fù)雜淬火、回火效應(yīng)。多次機(jī)械沖擊不僅使表層組織發(fā)生變化，甚至影響更深區(qū)域的組織[18]，因?yàn)榘讓咏M織硬度較高、質(zhì)地較脆，因此白層組織整體連續(xù)，局部剝落。

圖8 燒傷滾子金相組織

對(duì)比圖7和圖8可知，內(nèi)圈與滾子心部組織均為8Cr4Mo4V鋼的正常組織，但燒傷軸承內(nèi)圈和滾子的表層和次表層組織有所區(qū)別，主要體現(xiàn)在白層組織的厚度和分布。此外，正常組織和白層組織區(qū)域的硬度變化進(jìn)一步證實(shí)了打滑蹭傷對(duì)軸承燒傷的影響：軸承打滑蹭傷后，接觸表面的“閃溫”使內(nèi)圈與滾子接觸區(qū)局部表層奧氏體等組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕认鄬?duì)略高的復(fù)雜多相高彌散組織。相較而言，內(nèi)圈二次淬火層較深，燒傷比較嚴(yán)重。

3 結(jié)論

1)圓柱滾子軸承發(fā)生打滑蹭傷后，主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加會(huì)使軸承表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。

2) 燒傷軸承的宏觀形貌及輪廓變化顯著，內(nèi)圈滾道磨損比滾子嚴(yán)重，燒傷區(qū)局部呈大面積剝落坑并伴隨大量裂紋。

3) 打滑蹭傷造成的滾子和內(nèi)圈燒傷層均為二次淬火層，其組織硬度高，耐腐蝕內(nèi)圈燒傷比滾子更嚴(yán)重。