班 君，劉秀蓮，羅 燕，趙 強(qiáng)

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150527)

0 引言

滾動(dòng)軸承是應(yīng)用極為廣泛的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)部件，其質(zhì)量好壞直接影響到產(chǎn)品的整機(jī)質(zhì)量，也是機(jī)器中易損件，許多機(jī)械故障都與軸承的狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中大約有30%機(jī)械故障是由軸承引起的。

滾動(dòng)軸承在使用過程中疲勞剝落是常見的失效形式。疲勞剝落是指滾動(dòng)軸承套圈和滾動(dòng)體表面在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，其滾動(dòng)表面金屬從金屬基體呈點(diǎn)狀或片狀剝落下來的現(xiàn)象。疲勞剝落有許多類型，對(duì)于滾動(dòng)軸承來說，主要是指接觸疲勞，其特征實(shí)一般具有一定深度和面積，使其滾動(dòng)表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，通常呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征的海灘狀紋路，產(chǎn)生部位主要出現(xiàn)在套圈滾道和滾動(dòng)體表面。引起疲勞剝落的因素有很多，一些學(xué)者認(rèn)為軸承滾道接觸疲勞主要由滾道次表面材料缺陷或冶金缺陷引起的，也有一些學(xué)者認(rèn)為是由表面缺陷和潤(rùn)滑條件引起的［1］。

滾動(dòng)軸承的滾道作為工作表面，微米級(jí)缺陷都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。在零件機(jī)械加工中，用磨削完成終加工工序的可達(dá)到80%，絕大部分零件的表面質(zhì)量由磨削加工得到，而在磨削加工中，常常會(huì)引起工件磨削燒傷，使工件的表面質(zhì)量大大降低，嚴(yán)重的磨削燒傷使零件使用壽命成倍下降，有時(shí)根本無法使用。軸承滾道的磨削工藝作為關(guān)鍵制造工序之一，磨削過程在滾道表面產(chǎn)生的不良影響將延續(xù)到軸承成品，影響軸承的使用性能，如何解決磨削燒傷是磨削加工中的一個(gè)很重要的問題［2-6］。

發(fā)動(dòng)機(jī)減速機(jī)匣外場(chǎng)使用時(shí)出現(xiàn)異常，分解檢查發(fā)現(xiàn)軸承套圈外滾道出現(xiàn)剝落。軸承內(nèi)、外圈及鋼球的材料為W9Cr4V2Mo 鋼。軸承套圈的制造過程:鍛造→車削加工→熱處理→磨削→精研→成品。W9Cr4V2Mo 鋼主要用于制造高溫軸承，其特點(diǎn)是具有高溫硬度、高溫接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性能，軸承套圈在磨削加工過程中，常常會(huì)引起零件磨削燒傷和表面缺陷。目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的失效多發(fā)生在套圈工作表面，因此控制套圈磨削加工質(zhì)量對(duì)預(yù)防軸承失效尤為重要。

本研究通過對(duì)滾道剝落損傷軸承進(jìn)行外觀檢查、成分分析、硬度檢測(cè)和金相分析等方面的分析與研究，查明了軸承外滾道發(fā)生剝落損傷的原因，可為今后分析軸承同類剝落損傷提供經(jīng)驗(yàn)與工程借鑒價(jià)值，也為軸承加工過程中如何避免磨削燒傷提出了預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

采用體視顯微鏡對(duì)軸承外觀進(jìn)行檢查，軸承整體無明顯的顏色變化。內(nèi)滾道軌跡位置正常，未見偏移，工作表面分布著形狀不規(guī)則的碾壓麻坑，無剝落現(xiàn)象(圖1)，對(duì)其酸洗檢查未發(fā)現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。外滾道面，圓周方向分布有2 處剝落帶，長(zhǎng)度分別約為1.5、4 mm，剝落位置成120°分布，具有一定深度和面積，滾道表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，并沿裂紋擴(kuò)展形成剝落，形貌見圖2。未剝落區(qū)域存在碾壓麻坑及細(xì)小裂紋(圖3)。對(duì)其經(jīng)冷酸洗檢查，剝落區(qū)域附近存在形狀不規(guī)則裂紋(圖4)。9 粒球表面存在形狀不規(guī)則的碾壓麻坑，這些是由外滾道剝落金屬經(jīng)滾動(dòng)碾壓形成的，未見剝落形貌(圖5)。

1.2 化學(xué)成分分析

采用CS-3000 碳硫分析儀、UV-8000 雙元素紫外分光光度計(jì)對(duì)軸承內(nèi)、外圈，鋼球材質(zhì)進(jìn)行成分分析，各零件成分符合相關(guān)技術(shù)要求。

1.3 硬度檢測(cè)

采用洛氏硬度計(jì)HR-150 檢測(cè)軸承內(nèi)、外圈端面硬度，滾動(dòng)體檢測(cè)球表面硬度，結(jié)果見表1，各零件硬度符合JB/T 11087—2011 要求。

圖1 軸承內(nèi)滾道形貌Fig.1 Morphology of bearing inner rollaway nest

圖2 外滾道剝落形貌Fig.2 Morphology of outer rollaway nest

采用維氏硬度計(jì)TUKON2500 檢測(cè)外滾道剝落區(qū)域硬度梯度，載荷選用300 g，兩壓痕間距0.05 mm，檢測(cè)結(jié)果見圖6，可見滾道表面硬度低于心部硬度。

1.4 金相檢查

采用金相顯微鏡Axiovert200MAT 觀察軸承的顯微組織。可見，內(nèi)外圈組織為針狀馬氏體+二次碳化物+一次碳化物，均符合JB/T 1187—2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(圖7);外圈滾道表面存在二次淬回火現(xiàn)象，其深度約0.15 mm(圖7c)，心部顯微組織3 級(jí)(標(biāo)準(zhǔn)值:1～4 級(jí));鋼球顯微組織見圖7d。檢查內(nèi)外圈夾雜物，均符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖3 未剝落外滾道形貌Fig.3 Intact morphology of outer rollaway nest

圖4 外套滾道酸浸蝕后形貌Fig.4 Morphology of outer rollaway nest after acid etching

圖5 鋼球表面形貌Fig.5 Surface morphology of steel ball

1.5 應(yīng)力測(cè)試

采用XSTRE300 應(yīng)力分析儀檢測(cè)軸承零件的工作表面應(yīng)力，外圈檢測(cè)滾道剝落區(qū)及未剝落區(qū)應(yīng)力，結(jié)果見表2。外圈剝落區(qū)呈拉應(yīng)力，未剝落區(qū)呈壓應(yīng)力，但低于鋼球、內(nèi)圈應(yīng)力值。

圖6 滾道硬度梯度曲線圖Fig.6 Roll hardness gradient graph

表1 故障軸承硬度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Hardness test results of fault bearing HRC

2 分析與討論

2.1 軸承失效性質(zhì)分析

通過宏觀形貌分析，外滾道剝落具有一定深度和面積，滾道表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征的海灘狀紋路，可判斷外圈工作面剝落為接觸疲勞。

2.2 剝落原因分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，軸承基體無明顯的顏色變化外滾道剝落區(qū)域附近存在軸向形狀不規(guī)則的裂紋和剝落帶，冷酸洗檢查其滾道面分布具有燒傷特征的暗灰色;檢測(cè)外滾道硬度梯度，滾道面的HRC 硬度值比心部低1.5，說明其滾道面原始組織發(fā)生轉(zhuǎn)變符合磨削燒傷特征;用金相法觀察，外滾道剝落區(qū)域存在二次淬回火現(xiàn)象，對(duì)軸承零件工作表面的殘余應(yīng)力檢測(cè)，外圈剝落區(qū)呈拉應(yīng)力，未剝落區(qū)呈壓應(yīng)力，但低于鋼球、內(nèi)圈應(yīng)力值，通過上述宏觀、微觀分析，證明其軸承外滾道存在磨削燒傷現(xiàn)象。

圖7 內(nèi)圈顯微組織Fig.7 Microstructure of bearing

表2 軸承鋼球和內(nèi)外圈應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果Table 2 Stress testing results of bearing steel ball inner and outer rollaway nest MPa

磨削燒傷引起滾道組織發(fā)生轉(zhuǎn)變硬度降低，產(chǎn)生高溫回火層，改變了滾道表面原始組織及殘余應(yīng)力狀態(tài)，引起滾道的耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度下降，導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，首先出現(xiàn)裂紋，并進(jìn)一步擴(kuò)展沿裂紋成小的剝落坑或片狀剝落，并擴(kuò)展形成剝落帶，出現(xiàn)早疲勞失效。

軸承套圈在熱處理后需經(jīng)磨削加工，磨削過程去除單位體積切屑所消耗的能量(即磨削比能)比車削加工大20 倍，幾乎所有的能量轉(zhuǎn)化都集中在磨削區(qū)，轉(zhuǎn)化為磨削熱，使磨削區(qū)溫度急劇升高。磨削區(qū)產(chǎn)生的高溫可能導(dǎo)致多種熱損傷形式，包括工件燒傷、工件金相組織的轉(zhuǎn)變、工件表面二次淬火、表層的軟化(退火)、拉應(yīng)力、裂紋以及疲勞強(qiáng)度的降低等。其中，磨削燒傷是制約精密磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。磨削燒傷可導(dǎo)致工件表面材料的再軟化，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，嚴(yán)重降低服役零部件的疲勞壽命和應(yīng)力腐蝕性能［7］。由于磨粒對(duì)工件的切削、刻劃和摩擦作用，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，由于工件內(nèi)部金屬原子間相對(duì)位移產(chǎn)生內(nèi)摩擦而發(fā)熱，砂輪切削時(shí)相對(duì)于工件的速度很高，與工件表面產(chǎn)生劇烈的外摩擦而發(fā)熱，又因?yàn)槊款w磨料切削都是瞬間的，其熱量生成也在瞬間，又不能及時(shí)傳散，所以在磨削區(qū)域的瞬時(shí)溫度較高，在工藝參數(shù)、冷卻方法和磨料狀態(tài)選擇不當(dāng)?shù)那闆r下，磨削表面瞬間溫度可能達(dá)到材料相變點(diǎn)的溫度，套圈在磨削過程中極易出現(xiàn)相當(dāng)深的金相組織變化層(即二次淬回火層)，并伴隨出現(xiàn)很大的表面殘余應(yīng)力，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，這就是磨削的磨削燒傷。

該軸承的材料為W9Cr4V2Mo 鋼，磨削加工性差，因組織中含有大量的碳化物和金屬間化合物，其導(dǎo)熱率低，軸承零件在磨削過程中，大的砂輪進(jìn)給量、砂輪軸的跳動(dòng)、切削液供給不充分、砂輪磨粒鈍化均易使零件產(chǎn)生磨削燒傷，另外熱處理時(shí)淬火溫度過高而造成軸承零件的組織過熱、晶粒粗大、殘余奧氏體量較多、回火不及時(shí)或不充分、零件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力較大，出現(xiàn)變形超差，如套圈出現(xiàn)橢圓，長(zhǎng)、短軸磨削量不同，長(zhǎng)軸磨削量小，短軸磨削去除量大，也能產(chǎn)生磨削燒傷。軸承屬精密零件，套圈的磨削由粗磨、細(xì)磨、終磨等工序完成［8］，這些工序中粗磨工序進(jìn)給量最大，磨削力也會(huì)隨之增加，參加切削的磨粒數(shù)量多，砂輪與滾道接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，塑性應(yīng)變程度越大，磨削熱越多，因而使磨削熱集中在滾道表面，易產(chǎn)生磨削燒傷。而細(xì)磨、終磨等工序磨削進(jìn)給量相對(duì)粗磨進(jìn)給量少，產(chǎn)生燒傷的程度較輕。所以軸承套圈滾道產(chǎn)生磨削燒傷是粗磨工序產(chǎn)生的。

2.3 改進(jìn)措施

磨削燒傷對(duì)軸承的使用壽命影響非常大，具有燒傷的軸承，工作壽命僅為幾到幾十小時(shí)，要滿足軸承的設(shè)計(jì)壽命，燒傷是不允許存在的［9］。因此要嚴(yán)格控制磨削加工工藝各參數(shù)，選擇合理的磨削參數(shù)，如進(jìn)給量、零件和砂輪線速度、冷卻方式、磨削深度和電主軸功率等，從源頭上減少和避免零件燒傷。

同時(shí)加強(qiáng)軸承零件的質(zhì)量檢測(cè)和監(jiān)控，用科學(xué)的方法檢測(cè)燒傷，是軸承零件質(zhì)量控制過程中的重要環(huán)節(jié)，采用冷酸洗法檢測(cè)磨削燒傷，是最簡(jiǎn)便通用的控制磨削燒傷方法，過去冷酸洗檢查工序在粗磨后，由于光潔度的影響，磨削燒傷顯示特征不明顯，存在漏檢現(xiàn)象，通過試驗(yàn)，將冷酸洗檢查工序改在終磨后，經(jīng)過驗(yàn)證，漏檢現(xiàn)象減少，同時(shí)采用磁彈儀檢測(cè)，將磨削燒傷加以區(qū)分，由于磨削燒傷的物理表現(xiàn)，主要是因零件表面金相組織結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的回火層所引起的硬度下降，以及在零件表面出現(xiàn)的殘余應(yīng)力(拉應(yīng)力)，磁彈儀對(duì)它們都能作出敏感的反映，并能判斷磨削工藝狀況，從而確保軸承產(chǎn)品中的質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是預(yù)防軸承早期失效的積極有效措施。

3 結(jié)論

1)軸承外圈滾道為接觸疲勞剝落。

2)軸承外圈滾道接觸疲勞剝落的原因?yàn)?磨削燒傷引起滾道面組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生高溫回火層，改變了滾道的表面原始組織及殘余應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度下降，在使用過程中會(huì)造成局部應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋，并擴(kuò)展使軸承出現(xiàn)早期疲勞失效。

3)選擇合理的磨削參數(shù)，如進(jìn)給量、零件和砂輪線速度、冷卻方式、磨削深度和電主軸功率等，從源頭減少和避免零件燒傷。

4)采用冷酸洗法與磁彈儀相結(jié)合，可有效地檢測(cè)磨削燒傷。

［1］全國(guó)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 24611—2009 滾動(dòng)軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］夏新濤，馬偉，頡譚成，等.滾動(dòng)軸承制造工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:157-201.

［3］孫智，江利，應(yīng)鵬展.失效分析:基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:227-229.

［4］王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:53-55.

［5］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008:239-241.

［6］周志瀾，馬純民.航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承失效分析與預(yù)防［M］.北京:科學(xué)出版社，1998:133-137.

［7］全國(guó)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 11087—2011 滾動(dòng)軸承 鎢系高溫軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:1-5.

［8］馬亞良，陳仁竹.軸承制造技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:84-103.

［9］田秋梅，田殿軍，王世民.軸承零件磨削燒傷和磨削裂紋鑒別［J］.哈爾濱軸承，2009:15-17.