劉耀中，張 松

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.常州光洋軸承有限公司，江蘇 常州 213002）

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，40%的滾動軸承應(yīng)用于汽車。近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和各方面對汽車性能要求的不斷提高，汽車軸承越來越小型輕量化、高速化和高效率化，使用條件越來越苛刻。軸承不僅要求低摩擦、耐磨性和耐久性的摩擦學(xué)特性，而且要求在高速、高載、高溫等條件下具有長的壽命、高的可靠性，并能實(shí)現(xiàn)免維修化、環(huán)保和低成本等。為了滿足這些要求，從軸承材料及熱處理、設(shè)計(jì)、潤滑等方面進(jìn)行了大量的探討。其中NSK公司開展的工作尤為突出。文中以NSK公司的技術(shù)研究為主題，從材料及熱處理方面，對國外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行綜述，以期有所借鑒。

1 軸承的失效形式

軸承的正常失效大致可分為疲勞剝落失效、精度喪失失效、振動噪聲超標(biāo)失效，相應(yīng)壽命為疲勞壽命、精度壽命及音質(zhì)壽命。除此之外的失效劃歸為非正常失效，如滾動軸承零件（套圈、滾動體）的斷裂、保持架的斷裂等等。其中，疲勞剝落失效為最主要的失效形式，疲勞壽命也是目前軸承設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。疲勞剝落按其起源部位可分為次表面起源型、表面起源型；按疲勞剝落發(fā)生前有無組織變化又可分為組織變化型和非組織變化型。

1.1 次表面起源型剝落

在良好的潔凈潤滑條件下，受高的滾動接觸壓力作用，位于接觸表面下一定深度的最大剪應(yīng)力處，形成疲勞源（或微裂紋），裂紋隨后向表面擴(kuò)展形成剝落。位于該區(qū)域的高硬度夾雜物（氧化物）或粗大的碳化物由于和基體的變形不協(xié)調(diào)，而優(yōu)先成為疲勞剝落的發(fā)源地。夾雜物的硬度越高，尺寸越大，越易成為疲勞源，其相應(yīng)的疲勞壽命越短。次表面起源型剝落為正常剝落，其軸承的疲勞壽命一般較長。

1.2 表面起源型剝落

在潤滑不良的情況下，滾動體和套圈之間發(fā)生金屬的直接接觸，滑動摩擦增大，使疲勞源由次表面移向表面，隨后疲勞裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，形成剝落。表面存在各種缺陷，如暴露于表面的粗大夾雜物或碳化物，可直接以這些缺陷為疲勞源，形成剝落。表面起源型剝落更常見的情形是潤滑劑中存在外來污染顆?；騻鲃蛹a(chǎn)生的磨粒等，即所謂的污染潤滑。在污染潤滑條件下，潤滑劑中的污染顆粒被輾入接觸區(qū)，在套圈或滾動體的滾動接觸面上形成壓痕，在壓痕邊沿造成高的應(yīng)力集中或裂紋，成為疲勞源。其剝落過程如圖1所示［1］。在這種剝落形式下，軸承的疲勞壽命較短。

圖1 污染潤滑條件下的疲勞剝落過程

1.3 組織變化型剝落

近年來，隨著軸承使用條件的惡化，汽車輔機(jī)軸承，如發(fā)電機(jī)軸承、皮帶輪軸承等，使用常規(guī)材料并經(jīng)常規(guī)的熱處理后，軸承的疲勞剝落壽命明顯降低。分析表明，雖然剝落起源于次表面，但在剝落發(fā)生前，其組織發(fā)生了變化。通過詳細(xì)的觀察發(fā)現(xiàn)：其組織變化又分為兩種類型。

1.3.1 常規(guī)型組織變化

GCr15鋼制軸承在準(zhǔn)高溫（100～200℃）及接觸應(yīng)力作用下，接觸表面下出現(xiàn)白色腐蝕區(qū)（White Etching Area，WEA）或白色條帶，具有一定的方向性（圖2），其為低硬度的鐵素體區(qū)，該區(qū)內(nèi)粒狀碳化物消失，并在鄰近區(qū)域析出針狀（或網(wǎng)狀）碳化物，成為黑色腐蝕區(qū)（Dark Etching Area，DEA），當(dāng)該區(qū)存在夾雜物時(shí)，白色區(qū)域可呈以夾雜物對稱分布的蝴蝶狀。一般，白色區(qū)域分布于原奧氏體晶粒內(nèi)。白亮區(qū)成為后來的疲勞源。其形成機(jī)制是高溫及應(yīng)力作用下，碳原子的擴(kuò)散能力提高，馬氏體發(fā)生回火，硬度降低。軸承壽命僅為常溫下壽命的1／10左右。同時(shí)，耐磨性及尺寸精度和配合間隙變差，甚至發(fā)生軸承卡死。

圖2 常規(guī)型組織變化剝落

1.3.2 特異型組織變化

另一類組織變化如圖3所示。白色組織及隨后出現(xiàn)的裂紋傾向于優(yōu)先發(fā)生在原始晶界上，呈橢圓形不規(guī)則形態(tài)。這多發(fā)生在汽車動力傳動系統(tǒng)及其周圍的輔助設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、皮帶輪）用軸承中，該類軸承工作溫度、速度及載荷均較高，且有電流或電荷存在。較常規(guī)型組織變化發(fā)生的疲勞剝落而言，其疲勞壽命大幅度下降，約為計(jì)算壽命的1／10。有研究認(rèn)為：該類白色組織剝落是由氫引起的，是一種氫致脆性剝落。其產(chǎn)生機(jī)理如圖4所示［2］。處于接觸面間的潤滑劑或潤滑油在高溫高壓下或受電流（電荷）的放電的影響，并受接觸金屬的催化作用，發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)分解而產(chǎn)生氫原子或離子，氫原子吸附于接觸面并向金屬內(nèi)擴(kuò)散，在最大剪應(yīng)力區(qū)的微小缺陷處聚集，使局部材料的強(qiáng)度減弱，最終形成白色組織剝落。原奧氏體晶界為氫擴(kuò)散和聚集的優(yōu)先部位，故白色組織優(yōu)先在該處形成。

值得注意的是，這兩類組織變化型剝落有時(shí)會在同一軸承中出現(xiàn)，不少研究均把兩者統(tǒng)稱為組織變化型剝落，但兩者從產(chǎn)生的機(jī)理到對軸承壽命的影響有著很大的區(qū)別。另外，在水混入的潤滑條件下，關(guān)于水的作用尚無統(tǒng)一的認(rèn)識。有的研究認(rèn)為，混入潤滑劑中的水降低了潤滑劑的黏度，使?jié)櫥瑺顟B(tài)劣化，并且水分解產(chǎn)生氫原子，引發(fā)氫致脆性剝落；有的研究認(rèn)為，水削弱了滾動表面金屬的強(qiáng)度，在表面的非金屬夾雜物處形成疲勞源，并沿原奧氏體晶界向內(nèi)擴(kuò)展，為表面起源型剝落，與氫引起的白色組織次表面剝落不同，機(jī)理見圖5［3］。

圖3 特異型組織變化剝落

圖4 特異型組織變化剝落機(jī)理

圖5 水混入潤滑條件下的剝落

2 材料及熱處理長壽命技術(shù)

根據(jù)軸承的工況條件不同，其失效形式不同，所采用的材料及熱處理長壽命措施各異。

2.1 次表面起源型剝落的長壽命技術(shù)

2.1.1 提高鋼的潔凈度，改善夾雜物的分布

對于易發(fā)生次表面起源型剝落的軸承，如潔凈潤滑及密封良好的軸承，其壽命主要取決于材料中夾雜物的類型、數(shù)量及尺寸。其中，氧化物型（Al2O3，SiO2等）和Ti型（TiN）非金屬夾雜物是有害的，其縮短軸承壽命，尤其是粗大的硬脆夾雜物對接觸疲勞的壽命影響最大，夾雜物的尺寸越大，與基體的硬度差別越大，其危害越大。因而，為了延長軸承壽命，有效的方法是減少非金屬夾雜物量，其中最有效的方法是降低鋼中的Ti和氧含量。通過鋼包精煉、真空脫氣、改善制鋼條件降低非金屬夾雜物等雜質(zhì)和氧含量，可有效提高鋼的潔凈度和疲勞壽命。當(dāng)氧含量由30×10-6降低到10×10-6以下時(shí)，軸承壽命提高20～30倍以上。如NSK開發(fā)的Z鋼、KOYO生產(chǎn)的高精煉鋼HRS（high refining steel），其軸承的壽命為標(biāo)準(zhǔn)鋼制軸承的3倍，等同于特殊重熔鋼的壽命（如VAR，ESR）。

近年來的研究還發(fā)現(xiàn)：即使是鋼的氧含量降至10×10-6以下，甚至是6×10-6以下，其疲勞壽命仍具有分散性，即少數(shù)的軸承壽命仍很低，影響了軸承的可靠性；同時(shí)，進(jìn)一步降低氧含量將大大增加成本。其原因是盡管鋼的整體氧含量很低、非金屬夾雜物的總量很少，但仍存在極少量的大尺寸非金屬夾雜物，在一定的條件下導(dǎo)致軸承的早期疲勞剝落。為此，最近日本采用了一些新的夾雜物評定控制方法，如極限法統(tǒng)計(jì)（The statistics of extremes method）、NSK-ISD法（NSK-inclusion size distribution discriminating method）等。采用這些評估方法可以改善煉鋼工藝和條件來減少非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸，控制夾雜物的尺寸和分布，尤其是控制大尺寸夾雜物的數(shù)量。如NSK在采用NSK-ISD法評定夾雜物的試驗(yàn)基礎(chǔ)上確立SNRP（SANYO New Refining Process）煉鋼方法，生產(chǎn)出EP鋼。該鋼的氧含量為5×10-6左右，夾雜物分布及尺寸均勻，壽命長（L10為Z鋼的5倍以上）、壽命分散性大大減小，使可靠性大大提高。

另外，除非金屬夾雜物外，粗大的碳化物同樣也是疲勞剝落的優(yōu)先源區(qū)，尤其是在高純度鋼中，其對壽命和可靠性的影響更加突出。因此，國外公司在煉鋼時(shí)采用了多種措施來改善碳化物的分布，如澆注時(shí)采用電磁攪拌、采用大尺寸的連鑄等。此外，結(jié)合鍛造，采用等溫球化退火也可進(jìn)一步細(xì)化均勻碳化物。

2.1.2 改進(jìn)合金成分提高基體強(qiáng)度

在潔凈潤滑條件下，次表面起源的剝落也可由最大切應(yīng)力處基體的疲勞而引起。在這種情況下，延長疲勞壽命的有效途徑是通過合金元素的最佳化來強(qiáng)化材料的基體，防止基體疲勞的發(fā)生。如KOYO開發(fā)的GT鋼，其是在SUJ2的基礎(chǔ)上添加Si，Ni，提高了基體強(qiáng)度、韌性，同時(shí)提高了抗回火穩(wěn)定性，在潔凈潤滑條件下其軸承的疲勞壽命約為標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的6倍以上。GT鋼用于制造在重載、潤滑條件下或小型輕量化條件下使用的軸承。NSK開發(fā)的SHJ5是在GCr15的基礎(chǔ)上增加了鉻含量。

2.2 表面起源型剝落的長壽命技術(shù)

表面起源型剝落主要發(fā)生在潤滑油膜形成不充分或潤滑劑污染的條件下，如變速系統(tǒng)軸承、輪轂軸承等。有效的方法是改善潤滑條件，如使用能夠確保潤滑油膜充分形成的高黏度潤滑劑，或利用良好的密封阻止異物混入潤滑劑，或增加潤滑劑過濾系統(tǒng)等，使表面起源型剝落轉(zhuǎn)換為壽命較長的次表面起源型剝落。但這些措施有時(shí)受到諸多限制，如增加潤滑劑黏度意味著攪拌阻力及相應(yīng)的功耗增大，軸承安裝部位不允許設(shè)置密封或過濾裝置等。只有從材料及熱處理方面采取措施，實(shí)現(xiàn)長壽命化。

對于常見污染潤滑條件下發(fā)生表面起源型剝落，其壽命的降低程度取決于表面壓痕的尺寸及邊緣的形狀。壓痕尺寸越大，邊緣曲率越小，應(yīng)力集中越大，壽命越低。提高壽命的有效途徑是減小壓痕尺寸，增大壓痕邊緣曲率。一方面可通過合金化提高基體強(qiáng)度或通過表面覆膜材料提高表面硬度，減小壓痕尺寸，但增加了材料成本和制造成本。另一方面是增加殘余奧氏體的含量，減小壓痕邊緣的應(yīng)力集中。圖6為殘余奧氏體量與壽命的關(guān)系［4］。壽命隨殘余奧氏體的增加而增加，殘余奧氏體到達(dá)30%～40%時(shí)，壽命最高。提高殘余奧氏體含量的方法有兩類：一類方法是調(diào)整GCr15鋼的合金成分或進(jìn)行特殊的淬回火熱處理，使熱處理后的軸承零件中保留一定量的穩(wěn)定的殘余奧氏體，利用易變形的殘余奧氏體降低壓痕的邊緣效應(yīng)，使起源于壓痕邊沿的表面疲勞源不易形成和擴(kuò)展。NSK的NSJ2鋼及KOYO的SH技術(shù)正是基于這一理論開發(fā)的。另一類方法是采取表面碳氮共滲處理。首先，對鋼的成分進(jìn)行調(diào)整，提高Si，Mn含量以提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性，加入Mo以細(xì)化碳化物、碳氮化物。其次是嚴(yán)格控制滲碳或碳氮共滲工藝，使零件處理后在其表面得到較多的殘余奧氏體（約30%～35%）和大量細(xì)小的碳化物、碳氮化物。一方面，大量細(xì)小的碳化物、碳氮化物可保證表面的硬度和耐磨性使壓痕不易形成；另一方面，即使形成壓痕，較多的穩(wěn)定的殘余奧氏體也可降低其邊緣效應(yīng)，阻止疲勞源的形成和擴(kuò)展?；谶@一理論，NSK，KOYO分別開發(fā)了對軸承鋼進(jìn)行碳氮共滲的UR技術(shù)及KE技術(shù)；NSK開發(fā)了采用中碳合金鋼碳氮共滲的TF系列技術(shù)（HTF，STF，NTF）。這些技術(shù)大大提高了軸承在污染潤滑條件下的壽命，如NSK采用HTF技術(shù)生產(chǎn)的圓錐滾子軸承在污染潤滑條件下的疲勞壽命為普通軸承的10倍。

圖6 殘余奧氏體量與表面起源型剝落壽命的關(guān)系

2.3 組織變化型剝落的長壽命技術(shù)

對于常規(guī)型組織變化剝落，如采用M50類高溫用材料，則必然增加軸承的成本。提高準(zhǔn)高溫工作條件下軸承壽命的有效而廉價(jià)的途徑是在GCr15的成分基礎(chǔ)上適當(dāng)提高Cr，Si，Mo等阻止碳擴(kuò)散的元素含量，以阻止白色腐蝕區(qū)的形成來提高高溫性能。為此，NTN及KOYO分別開發(fā)了準(zhǔn)高溫軸承鋼NTJ2（SUJ2的基礎(chǔ)上提高了鉻含量），KUJ7（1.0Si，2.0Cr，0.5Mo），其在150～180℃的工作溫度下壽命、尺寸穩(wěn)定性等均優(yōu)于200℃高溫回火處理的GCr15（SUJ2）；NSK開發(fā)了SBS1（0.5 Si，0.3Mo），在130℃下L10為SUJ2的1.5～3倍。這類準(zhǔn)高溫鋼特別適合于制造汽車發(fā)動機(jī)主軸、發(fā)電機(jī)用軸承。

對于特異型白色組織剝落，其本質(zhì)是氫致脆性，不利于潤滑劑的分解、氫的擴(kuò)散及聚集的因素或措施均能提高壽命。主要采取的措施有：

（1）接觸面鍍鎳，利用鍍鎳膜和在滾動接觸過程中鎳向內(nèi)部擴(kuò)散形成的富鎳層阻止氫向金屬中滲入，從而使鋼中氫含量控制在發(fā)生氫致脆性剝落的臨界氫含量Hc以下，壽命可提高4倍左右。

（2）提高鋼中鉻含量，利用鉻降低氫在鋼中的擴(kuò)散速率和在微缺陷處的聚集，原理見圖7［1］。NSK在SUJ2的成分基礎(chǔ)上適當(dāng)增加鉻含量，開發(fā)了SHJ5，在清潔脂潤滑環(huán)境中，發(fā)生白色組織剝落的壽命為SUJ2的4倍以上。

圖7 鉻的作用機(jī)理

（3）采用特殊的碳氮共滲，一方面利用碳氮共滲在表層形成大的壓應(yīng)力，阻止氫的滲入和擴(kuò)散；另一方面利用密集細(xì)小的碳氮化物減少磨損，進(jìn)而減少新鮮的金屬表面的形成，降低金屬的催化作用，使氫不易生成。如NSK開發(fā)的含鉻較高的SHX3，施以特殊碳氮共滲（STF技術(shù)），其白色組織剝落壽命為SUJ2的10倍以上。

（4）利用其他覆膜技術(shù)，如鍍氮化鈦、離子注入等，或減少金屬的直接接觸以抑制氫的生成，或阻止氫的滲入。圖8為外圈滾道涂覆氧化物涂層的壽命試驗(yàn)結(jié)果，通過在滾道上形成氧化膜，避免新鮮金屬表面接觸，控制摩擦化學(xué)反應(yīng)，抑制氫的產(chǎn)生，大幅度提高壽命。

（5）在有電流或電荷存在的場合（如發(fā)電機(jī)軸承、電動機(jī)軸承），一方面可采取絕緣措施，如采用陶瓷滾動體，或在外圈外徑面上涂覆氧化鋁或樹脂，減少金屬間的接觸或阻斷電流通路，壽命明顯提高，見圖9［2］。另一方面使用加入納米碳的導(dǎo)電脂，形成通電回路，連續(xù)綜合靜電，減小內(nèi)、外圈的電位差，避免放電現(xiàn)象發(fā)生，達(dá)到限制氫產(chǎn)生的目的。其作用機(jī)理見圖10。

NSK的長壽命技術(shù)如圖11所示［1］。

3 結(jié)束語

汽車中所用軸承種類較多，使用的部位及相應(yīng)的工況各異，其失效形式千變?nèi)f化，且隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和對汽車性能要求的不斷提高，軸承的工況越來越惡劣，對軸承的性能要求也越來越高、越來越多樣化。將不斷出現(xiàn)新的問題需要去認(rèn)識、去研究和解決。每個(gè)軸承制造企業(yè)應(yīng)根據(jù)用戶的要求，針對產(chǎn)品中出現(xiàn)的問題，尋求一套切實(shí)可行、行之有效的解決方案。

圖8 外圈滾道面涂覆氧化鋁后的壽命

圖9 采用陶瓷球后的壽命

圖10 導(dǎo)電脂的作用機(jī)理

圖11 NSK軸承長壽命技術(shù)