謝向宇，方明偉，羅軍，徐進(jìn)，陳煜

（1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550000；2.貴陽學(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 550005；3.貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽 561102）

目前，航空發(fā)動機軸承的dm·n值為2×106mm·r/min，隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，dm·n值越來越大，軸承的服役工況越來越苛刻，使軸承早期失效愈加頻繁［1-3］。其中，蹭傷已成為航空發(fā)動機軸承早期失效的主要因素［4］。軸承滑蹭的研究始于20世紀(jì)60年代，文獻(xiàn)［5-8］利用靜力學(xué)或動力學(xué)方法計算分析了不同軸承參數(shù)對滾動軸承打滑的影響，力學(xué)模型的建立使得軸承分析越來越精確，但求解變得越來越復(fù)雜。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，軸承力學(xué)分析軟件如CYBEAN，COBRA，BEAST等用以輔助分析［9］，力學(xué)求解速度得到顯著提升。近年來學(xué)者們通過試驗?zāi)M研究各種工況參數(shù)對軸承打滑的影響［10-11］，但因航空發(fā)動機軸承服役工況復(fù)雜，通過試驗?zāi)M或力學(xué)分析很難完全反映航空發(fā)動機軸承的實際服役工況，以往的研究成果不能全面地分析軸承蹭傷。

現(xiàn)通過試驗，對比分析航空發(fā)動機蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承的形貌，研究航空發(fā)動機軸承的蹭傷特征。

1 試驗

1.1 試樣

試樣分別來源于航空發(fā)動機制造廠和修理廠的服役未蹭傷軸承和蹭傷軸承，其為外圈無擋邊的9D1002926N圓柱滾子軸承，引導(dǎo)方式為外圈引導(dǎo)，滾子數(shù)為30個，保持架材料為硅青銅QSi3.5-3-1.5，表面鍍銀，套圈、滾子材料均為Cr4Mo4V。

1.2 試驗設(shè)備及方法

利用FEI Quanta 250 FEG型掃描電子顯微鏡觀察增傷的微觀形貌；試樣沿徑向切割，經(jīng)鑲嵌、磨拋、腐蝕（4%硝酸酒精溶液），置于ZEISS Axio Vert.A1型金相顯微鏡下觀察金相組織；利用Taylor PGI 420型輪廓儀測量內(nèi)圈及滾子輪廓。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

服役未蹭傷軸承的宏觀形貌如圖1所示。由圖可知，外圈表面無明顯剝落和變形（圖1a），保持架引導(dǎo)面有細(xì)微的劃痕，其與滾子的接觸面處存在部分凹陷（圖1b），內(nèi)圈滾道（圖1c）和滾子表面光潔（圖1d），未見異常磨損。

圖1 服役未蹭傷軸承宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of bearing without skidding damage under service

蹭傷軸承的宏觀形貌如圖2所示。由圖可知，外圈表面無明顯剝落和變形（圖2a）；保持架的引導(dǎo)面有細(xì)微劃痕，其與滾子的接觸面處亦出現(xiàn)凹陷（圖2b），這可能是高速運轉(zhuǎn)的結(jié)果；內(nèi)圈滾道可見色差明顯的蹭傷部位，損傷區(qū)域不均勻，呈周向分布，約占內(nèi)圈滾道面積的1/3，且偏向擋邊一側(cè)（圖2c）；滾子柱面出現(xiàn)整周的明顯褐色帶，靠近滾子端面（圖2d）。測量該軸承的30個滾子，色帶的寬度均為2.9 mm，但與內(nèi)圈滾道的蹭傷區(qū)域尺寸不對應(yīng)。滾子色帶的形成可能源于局部溫度偏高，附著在蹭傷軸承滾子表面的油膜氧化，致使淺褐色的氧化膜產(chǎn)物沉積［12］。

圖2 蹭傷軸承的宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of bearing with skidding damage

2.2 微觀形貌

服役未蹭傷軸承內(nèi)圈和滾子的微觀形貌如圖3所示。由圖可知，內(nèi)圈表面有少量劃痕，劃痕方向與滾動方向一致，且內(nèi)圈表面分布有較多的小麻坑（圖3a），推測為大顆粒碳化物脫落所致；滾子表面有均勻的細(xì)小劃痕，麻坑的數(shù)量少、尺寸小且分布均勻（圖3b）。

圖3 服役未蹭傷軸承內(nèi)圈和滾子的微觀形貌Fig.3 Micromorphology of inner ring and roller for bearing without skidding damage under service

蹭傷軸承內(nèi)圈和滾子的微觀形貌如圖4所示。由圖可知，內(nèi)圈光滑區(qū)域與粗糙區(qū)域呈疏密程度不一的分界（圖4a），損傷區(qū)域表面不平整且布滿形態(tài)大小各異的剝落坑，剝落坑在中心位置處最深，邊緣較淺且剝層方向不一（圖4b）；滾子表面布滿長且密的劃痕，劃痕方向與滾子運動方向一致，并有剝落坑貫穿劃痕（圖4c）；對應(yīng)宏觀上滾子色帶位置出現(xiàn)犁溝與磨屑（圖4d），這表明蹭傷軸承可能發(fā)生了磨粒磨損和粘著磨損。

圖4 蹭傷軸承內(nèi)圈和滾子的微觀形貌Fig.4 Micromorphology of inner ring and roller for bearing with skidding damage

2.3 金相組織分析

蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承的金相組織如圖5所示。由圖可知，內(nèi)圈和滾子均有均勻的基體組織，由馬氏體＋殘余奧氏體＋一次碳化物＋二次碳化物組成。服役未蹭傷軸承的內(nèi)圈（圖5a）和滾子（圖5c）的金相組織均正常；蹭傷軸承內(nèi)圈蹭傷剖面有不連續(xù)的白層，厚度為2～3μm（圖5b），滾子沿色帶處的剖面可見連續(xù)白層，厚度約為5 μm（圖5d）。白層組織出現(xiàn)源于內(nèi)圈和滾子滑蹭過程中局部溫度升高至奧氏體化溫度，之后淬火形成了燒傷層——二次淬火層，由于其耐腐蝕性較強，故金相組織呈現(xiàn)為白色［13］。內(nèi)圈呈不連續(xù)的白層，可能是由于白層的質(zhì)脆性導(dǎo)致局部發(fā)生了崩落。

圖5 蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承的金相組織Fig.5 Metallographic structure of bearing with and without skidding damage under service

2.4 軸承輪廓分析

為驗證軸承的輪廓變化，對比分析新軸承、蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承內(nèi)圈滾道和滾子輪廓，如圖6所示。由圖可知，服役未蹭傷軸承內(nèi)圈輪廓形狀呈凸型，而蹭傷軸承內(nèi)圈的輪廓接近水平，新軸承輪廓高度約10μm，未蹭傷軸承輪廓高度為5μm，蹭傷軸承內(nèi)圈高度為2μm（圖6a），表明服役軸承內(nèi)圈輪廓均有磨損，而蹭傷軸承內(nèi)圈磨損更嚴(yán)重。滾子素線輪廓為圓弧修緣型，對比新軸承的滾子素線，未蹭傷軸承的滾子較粗糙，但總體輪廓保持一致，而蹭傷軸承的滾子形狀發(fā)生了部分變化（圖6b），磨損部分的寬度約3 mm，與滾子宏觀色帶對應(yīng)。蹭傷軸承內(nèi)圈和滾子輪廓的變化說明滾子在內(nèi)圈滾道發(fā)生了嚴(yán)重的相對滑動，可以預(yù)測，滾子和內(nèi)外圈的磨損會進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致軸承卡死。

圖6 新軸承、未蹭傷軸承、蹭傷軸承的內(nèi)圈和滾子的輪廓對比Fig.6 Comparison of profile among new bearing，bearing with and without skidding damage

3 結(jié)論

1）蹭傷軸承和服役未蹭傷軸承在宏觀、微觀形貌存在顯著差異，蹭傷軸承內(nèi)圈損傷面呈現(xiàn)密布的剝落坑，滾子覆著整周的色帶，且磨損嚴(yán)重。

2）蹭傷軸承內(nèi)圈和滾子的金相組織均由馬氏體＋殘余奧氏體＋一次碳化物＋二次碳化物組成，且蹭傷表面存在燒傷層。

3）蹭傷軸承內(nèi)圈和滾子輪廓整體變化顯著，有磨損加劇的趨勢。