低溫高速球軸承鋼球環帶分析

李鴻亮，張旭，馬美玲，李慎華

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

某渦輪泵用滾動軸承處于液氮中，在高速和重載下工作，由于溫度限制只能采用自潤滑保持架提供轉移膜進行潤滑，工作條件十分惡劣。航天運載系統對該類軸承提出了極高的要求，因此對于此類軸承的研究是各國航天運載系統的重要環節之一[1]。在此對渦輪泵用7206角接觸球軸承在液氮臺架試驗后鋼球表面出現環帶及部分表面發黃的現象進行分析，以找出其形成原因。

1 軸承試驗條件及試驗結果

該液氮臺架試驗中軸承轉速為20 000 r/min，承受軸向、徑向載荷，采用保持架自潤滑，液氮介質冷卻。

軸承試驗至正常停車，拆下檢查時發現，大部分鋼球表面均存在不同程度的環帶(環狀運轉軌跡)，有的為單條，有的為多條；同時除一粒鋼球表面明顯變為棕黃色外，其余鋼球色澤均無明顯改變。軸承外圈光亮、色澤正常，溝道面上的環帶偏向無字端面一側，為一條分布均勻的輕微磨痕；內圈光亮，溝道面上的環帶位于溝道底部，其中半個圓周為單條磨痕，而另外半個圓周則為兩條磨痕；保持架完好，兜孔中部有輕微的磨痕，磨痕整體均勻，無異常。

2 軸承檢測

2.1 掃描電鏡檢測

選取1粒環帶比較明顯的鋼球經超聲波清洗后烘干，用JSM-6380LV掃描電鏡對其工作表面上的環帶(圖1所示的兩個硬度壓痕之間的環帶)進行變倍觀察，結果表明：

(1)在低倍條件下難以分辨環帶的具體形貌，鋼球表面的環帶與正常部位相比無顏色及表面粗糙度的明顯差別(圖2)；

圖2 鋼球環帶的低倍形貌

(2)高倍條件下發現鋼球表面的環帶與其他正常部位相比略顯粗糙，并有明顯的輾壓和磨損痕跡，其形貌如圖3所示。

圖3 鋼球高倍微觀形貌

2.2 能譜分析

采用能譜儀對圖1所示鋼球環帶處和正常部位進行微觀區域成分分析，鋼球表面的主要元素含量如表1所示。

表1 鋼球表面主要元素含量(質量分數) %

2.3 硬度及金相分析

采用HR-150A洛氏硬度計對軸承內、外圈和鋼球的硬度進行了測定，并進行了金相檢查和熱酸洗檢查。軸承零件硬度、金相組織和熱酸洗檢查結果均符合JB/T1460—2002標準，結果如表2和表3所示。

表2 軸承零件硬度檢查結果 HRC

表3 軸承零件材料及熱處理質量檢驗結果

取圖1所示整體色澤有變化的鋼球(中部)，采用特種卡具制樣腐蝕后觀察其表面金相組織，未發現有異物層、燒傷等異?，F象，鋼球表面低倍及高倍的金相組織形貌如圖4所示。

圖4 鋼球表面金相組織形貌

3 結果分析

由以上檢查結果可知，鋼球表面的環帶無明顯深度，表面粗糙度及金相組織也無明顯變化，僅在高倍下觀察時發現環帶略顯粗糙；觀察整體色澤有變化的鋼球表層金相組織，亦未發現有異物層、燒傷等異?，F象；鋼球環帶處的主要元素為Fe，O，C，Cr，正常部位的主要元素為Fe，O，C，Cr及少量的Si，兩者的不同之處在于環帶部位的O含量明顯比正常部位高，說明鋼球環帶是由于氧化作用引起的。

由于軸承直接工作在液氮中，且液氮的黏度不到水黏度的1/4[2]，難以建立起有效的流體動壓潤滑膜，只能帶走摩擦熱而不能起到潤滑作用。軸承只能靠自潤滑保持架提供轉移膜潤滑，易出現潤滑不充分；同時由于軸承在高速、重載下工作，鋼球滑動及自旋產生大量的熱，鋼球閃溫高達500～600 ℃[3]，而液氮比熱和氣化熱均很小，會在鋼球周圍形成一個蒸氣層，使得軸承內部產生的熱量很難散發出去，當鋼球進入接觸區后，鋼球表面熱量既向自身體內傳導，又與液氮發生對流換熱而冷卻，經過多次反復，鋼球表面會逐漸達到某一穩態溫度。若穩態溫度較低，就不會出現鋼球燒傷現象。

4 結束語

通過以上分析可知，本次軸承試驗結束后鋼球表面出現的環帶和棕黃色應為鋼球表面閃溫而瞬間氧化所致，但軸承穩態溫度相對較低，摩擦發熱沒有達到軸承燒傷的溫度，故內、外圈和鋼球的硬度、金相組織及熱酸洗檢查結果均符合JB/T1460—2002標準要求。