發電機軸承中白色組織剝落現象的探討

劉斌，牛玉周，郭長建

(人本集團 技術中心，上海 201411)

目前轎車發電機輸出功率一般都在1 kW以上，其工作電流在70～110 A(有的甚至超過200 A)，發電機軸承工作溫度通常可達150～180 ℃。大的輸出功率必然對發電機軸承提出更高要求。對這些高效能、高溫下使用的軸承進行失效分析時發現，大部分軸承中都產生了一種新型的早期剝落現象——“白色組織剝落”，也稱之為“氫脆剝落”。通常這種剝落在滾動面次表層一定深度內出現黑色針狀或者白色條帶狀的異常組織[1]。

由于這種白色組織剝落與軸承鋼常見的疲勞剝落的現象和發生的機理不一樣，因此，所采取的對策也迥然不同。下文通過試驗對發電機軸承中出現的白色組織剝落現象進行探討，以期提出相應的對策。

1 白色組織剝落的特征

對此類軸承進行失效分析時發現，這種白色組織剝落現象主要發生在汽車發電機、張緊輪及電磁離合器等工作溫度高、運轉速度高的惡劣環境中，而且通常只發生在固定的零件上，即僅在外圈或者內圈上。盡管早期發現的這種剝落面積都比較小，但對剝落區域的宏觀觀察發現，存在有大量的沿軸向分布的微小裂紋，如圖1所示，其中圖1a為早期發現的剝落坑形貌，大小一般(1～2) mm×(2～4) mm，圖1b中箭頭所指部位均為材料剝落導致的裂紋。

圖1 內圈溝道材料剝落及裂紋形貌

將剝落區域切開后，對其截面進行微觀觀察，可以發現：早期的白色組織剝落在滾動面次表層一定深度內出現樹枝狀、呈網絡分布的黑色針狀組織，而這種剝落發展到后期時黑色針狀組織將轉變成白色條帶狀組織。觀察還發現，黑色針狀組織或者白色組織通常起源于溝道次表面大約為最大剪切應力Z0位置附近[2]，發電機用深溝球軸承6303，6203等的異常組織通常起始于距溝道表面70～100 μm位置處，這些異常組織通常沿著平行于溝道面方向發展，但也有觀察到沿心部和表面擴展的現象，擴展深度甚至超過250 μm。圖2所示為樹枝狀的黑色組織和平行于溝道表面的條帶狀白色組織。

圖2 內圈溝道面剝落區表層白色組織形貌

對黑色針狀組織用掃描電子顯微鏡SEM觀察可以發現，黑色針狀組織發生在最大剪切應力Z0位置附近區域，在二次電子圖像中為樹枝狀分布的裂紋，但二次電子圖像和背散射圖像中均沒有觀察到白色組織與基體組織明顯的區別，如圖3所示。圖3a為黑色組織的二次電子圖像，圖3b為同時存在黑色組織和白色組織的背散射圖像。

圖3 內圈溝道面剝落區白色組織SEM圖像

2 剝落機理

對于軸承次表面出現的異常組織而導致的剝落，即 “白色組織剝落”，其機理目前主要有2種觀點：一是復雜應力狀態影響觀點，二是氫原子侵入影響觀點[1]。本案認為，發電機軸承中出現的異常組織導致的剝落是由于氫原子的侵入，在氫原子作用下產生微小裂紋，并以該裂紋為起點產生顯微組織變化，下面通過試驗進行驗證。

2.1 試驗條件及方案

試驗材料為GCr15軸承鋼。RX氣氛加熱淬火：密封井式爐，加熱溫度(840±5)℃，RX氣氛為甲烷和空氣按一定比例混合，得到由23.7%CO，31.6%H2及44.7%N2組成的氣氛[3]。真空淬火：加熱溫度(840±5)℃，真空度<0.1 Pa。試驗方案見表1。

表1 試驗方案

2.2 試驗結果及分析

方案1為在RX氣氛中加熱淬火，試驗后樣品切開觀察顯微組織，發現有黑色針狀組織(圖4a)。由于本方案中含有大量的氫原子，黑色針狀組織的出現是受氫原子的影響。

圖4 黑色針狀組織及其加熱到300 ℃后的組織形貌

方案2為真空加熱淬火，試驗后樣品切開觀察顯微組織，未發現黑色針狀、帶狀組織及少量白色條帶狀組織。

方案3為淬火后立即回火，試驗后樣品切開觀察顯微組織，未發現黑色針狀、帶狀組織。其原因是：淬火時部分氫原子擴散侵入至材料基體表面，淬火后立即回火，氫原子非常容易逸出，所以樣品未出現黑色針狀或帶狀組織。

將發電機軸承試驗中出現的黑色針狀組織樣品和在RX氣氛中淬火得到的黑色針狀組織樣品同時加熱到300 ℃，黑色針狀組織均轉變成了白色帶狀組織[4](圖4b和圖4c)，這種現象表明，RX氣氛中產生的黑色組織與實際工況下發電機軸承產生的黑色組織形成機理是相似的。

根據上述分析，可以推測發電機軸承中黑色針狀或者白色帶狀組織產生的過程是：發電機軸承在可能出現的高速、高溫及較大振動等條件下，鋼球與套圈溝道面出現了干摩擦甚至滑動，造成了能夠非常強烈吸附氫原子的高活性新鮮金屬面[5]。這種新鮮金屬面一方面具有很強烈的吸附氫原子的能力，另一方面還強烈地促進了潤滑油脂的分解[6]，不斷地產生氫原子，這樣，氫原子進入金屬基體表面后形成極微小的裂紋，并以此為起源逐步形成黑色針狀組織、帶狀組織以及白色帶狀組織[7]，最終擴展至表面導致剝落。

產生白色組織的機制是[2]：被新鮮金屬表面強烈吸附的氫原子進入材料中，并使氧化物夾雜和基體之間產生間隙，隨著持續不斷的外加循環載荷，氧化物和基體間的間隙不斷地處于納米尺度的“開”和“閉”狀態，這使得間隙兩側發生幾乎是原子數量級的材料轉移，轉移后的材料發生動態再結晶，形成等軸狀鐵素體晶粒，其晶粒可細小到10～30 nm，這種組織經硝酸酒精腐蝕后成亮白色，即光學顯微鏡下出現的白色組織。

3 應對措施

由上述分析可知，導致白色組織剝落很重要的原因是鋼球和溝道面之間產生了新鮮的、具有高活性的金屬面，因此，所有能夠阻礙新鮮金屬面產生的措施，都有助于阻止發電機軸承中白色組織剝落現象的發生。據此，提出如下對策：

(1)軸承滾動面涂覆耐磨性能更高的膜層；

(2)改變摩擦副的材料，如采用GCr15鋼制套圈和陶瓷球，或使用不銹鋼材料的套圈等；

(3)采用特殊添加劑的潤滑脂，這種添加劑要求能夠有效阻止新鮮金屬面的出現，或者能夠極其快速地締合新鮮金屬面。

4 結束語

汽車發電機軸承中出現的白色組織剝落現象，是由于在發電機的特定工況條件下產生的氫原子侵入到金屬基體表層，形成微小裂紋，逐步產生黑色組織和白色帶狀組織的緣故。這種氫原子主要來自于潤滑油脂的分解，而摩擦副間產生的新鮮金屬面非常強烈地加速了整個過程的發生。據此，對軸承滾動面涂覆耐磨性能更高的膜層、改變零件材料種類以及采用特殊添加劑的潤滑脂，均能夠有效阻止白色組織剝落的發生。