M50NiL與M50制軸承套圈引導(dǎo)面耐磨損性能對比分析

閆國斌，孫東，劉森，叢兵兵

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

M50NiL和M50鋼是優(yōu)良的航空軸承材料，廣泛應(yīng)用于第3代航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承，大量文獻(xiàn)對其性能進(jìn)行了對比研究，尤其是在抗疲勞特性方面，然而有關(guān)其耐磨性鮮有論述。根據(jù)某型延壽軸承在試驗(yàn)考核過程中出現(xiàn)的引導(dǎo)面嚴(yán)重磨損故障，對比研究了2種材料的耐磨性。

1 故障描述

對某型發(fā)動(dòng)機(jī)延壽軸承進(jìn)行試驗(yàn)考核。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至98 h時(shí)，金屬屑信號(hào)器報(bào)警，潤滑油中金屬元素大幅升高且超出告警值。經(jīng)對軸承進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)軸承引導(dǎo)面嚴(yán)重磨損。

故障軸承為雙半內(nèi)圈角接觸球軸承，型號(hào)為C276927S3W1，套圈材料為M50NiL，經(jīng)滲碳熱處理；保持架材料為40CrNiMoA鋼，表面鍍銀處理。該軸承安裝在高壓壓氣機(jī)前，采用外引導(dǎo)方式，工作轉(zhuǎn)速超過15 000 r/min，屬于高速工況。

1.1 宏觀形貌

觀察軸承磨損后的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)外圈端面出現(xiàn)整周的高溫變色帶，變色區(qū)呈現(xiàn)為彩虹色，引導(dǎo)面磨損嚴(yán)重，并出現(xiàn)了明顯的材料轉(zhuǎn)移情況，形貌如圖1所示。由圖可以看出，表面極為粗糙，有較深的周向犁溝痕跡且存在大量凹坑，用φ3 mm的球頭測試筆沿軸向滑動(dòng)，測試筆有明顯的阻滯現(xiàn)象，“振感”明顯。保持架表面的銀大量粘附于套圈上，幾乎覆蓋全部引導(dǎo)面，使引導(dǎo)面具有肉眼明顯可見的銀色金屬光澤。

圖1 外圈引導(dǎo)面磨損形貌Fig.1 Wear track of cage-land shoulder of outer ring

1.2 油濾檢查

對總回油濾進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在金屬顆粒，對其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。經(jīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件材料對比，確定金屬顆粒與發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承材料(M50NiL)基本一致，由此可見，M50NiL除發(fā)生磨粒磨損外，還存在基體材料脫落的情況。

表1 金屬屑能譜分析結(jié)果Tab.1 Energy spectrum analysis of metal filing wt，%

從本次故障來看，M50NiL鋼故障軸承引導(dǎo)面磨損主要以磨粒磨損為主，磨損表面具有典型的犁溝形貌，此外，從金屬屑能譜分析結(jié)果看，M50NiL鋼在磨損過程中還有一定基體材料脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

相較于M50NiL鋼，M50鋼更早應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的制造，該鋼種作為軸承套圈材料使用的數(shù)量明顯多于M50NiL鋼，具有較為成熟的使用經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)以往近千套到壽軸承的外觀檢查結(jié)果，以M50鋼作為套圈材料的軸承使用后引導(dǎo)面雖有磨損痕跡，但沒有出現(xiàn)類似于M50NiL鋼軸承引導(dǎo)面的嚴(yán)重磨損，其磨損程度應(yīng)屬于使用后的正常情況。據(jù)此推斷，與M50鋼相比，M50NiL鋼作為軸承套圈材料存在耐磨性較差的可能性。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證上述推斷，擬通過試驗(yàn)機(jī)模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量工況，對軸承進(jìn)行性能試驗(yàn)考核。

試驗(yàn)在航空軸承對稱試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，以確保與故障軸承具有相同的工況參數(shù)，其原理如圖2所示。2套試驗(yàn)軸承面對面安裝，1#陪試軸承為E217QT,2#陪試軸承為E32118QT,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速15 000 r/min,軸向載荷25 000 N，試驗(yàn)時(shí)間4 h,潤滑油牌號(hào)4010。

圖2 試驗(yàn)原理示意圖Fig.2 Fundamental diagram of tester

2套試驗(yàn)軸承的保持架為40CrNiMoA,鋼球?yàn)镸50，套圈分別使用M50NiL和M50鋼。2種材料成分見表2。

表2 材料成分對比Tab. 2 Comparison table of materials wt,%

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前分別對M50NiL和M50制套圈的同批成品零件剖面進(jìn)行組織和引導(dǎo)面的表面硬度和表面粗糙度Ra檢測。

M50NiL材料引導(dǎo)面的表面硬度為62 HRC，Ra為0.25 μm，套圈滲碳層組織符合HB/Z 159—2001《航空用鋼制件真空滲碳、碳氮共滲工藝》要求，其組織形貌如圖3所示。由圖可以看出，滲層中可見細(xì)小的碳化物顆粒，碳化物分布均勻，不存在大顆粒碳化物和網(wǎng)狀碳化物。

圖3 M50NiL滲層組織形貌Fig.3 Metallographic structure of carburized layer of M50NiL

M50材料硬度為61.5 HRC，Ra為0.25 μm，其組織形貌如圖4所示。由圖可以看出，相比于M50NiL材料，M50材料中的碳化物顆粒尺寸要明顯粗大，形狀沒有規(guī)律，分布也具有隨機(jī)性。完成4 h性能試驗(yàn)后，對軸承進(jìn)行分解檢查，觀察外圈的引導(dǎo)面形貌，分別如圖5、圖6所示。

圖4 M50組織形貌Fig.4 Metallographic structure of M50

圖5 試驗(yàn)后M50NiL材料引導(dǎo)面形貌(照片)Fig.5 Wear track of M50NiL after test

圖6 試驗(yàn)后M50材料引導(dǎo)面形貌(照片)Fig.6 Wear track of M50 after test

從宏觀形貌來看，2種材料外圈的引導(dǎo)面磨損程度迥然不同，M50NiL材料的引導(dǎo)面出現(xiàn)多條明顯的磨損帶，各磨損帶沿引導(dǎo)面周向分布，且粗細(xì)不均，并伴有大量的亮條痕跡，用φ3 mm球頭測試筆進(jìn)行檢測，有頓感，但無明顯的卡滯，對其進(jìn)行表面粗糙度Ra檢測，實(shí)測值已達(dá)0.48 μm，超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(不大于0.32 μm)的要求，較試驗(yàn)前約增加了0.2 μm；M50材料引導(dǎo)面無目視可見的磨損痕跡，具有明亮的金屬光澤，其宏觀形貌與上機(jī)試驗(yàn)前沒有明顯差異，對其進(jìn)行表面粗糙度Ra檢測，實(shí)測值為0.28 μm，與試驗(yàn)前無明顯異常。

借助光學(xué)顯微鏡對磨損表面形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)M50NiL材料引導(dǎo)面呈現(xiàn)為清晰的犁溝狀磨損形貌，痕跡連續(xù)貫穿，分布均勻，該形貌與故障件形貌相當(dāng)，因試驗(yàn)時(shí)間僅為4 h，較故障軸承的(98 h)短，犁溝深度相對較淺(圖7)；M50材料引導(dǎo)面卻無明顯的犁溝磨損痕跡，并可見磨加工的加工紋理，其上零星分布有非貫穿性磨損痕跡(圖8)。

圖7 試驗(yàn)后M50NiL材料引導(dǎo)面放大形貌(×50)Fig.7 Enlarged view of the wear track of M50NiL

3 故障機(jī)理

在過去的30年里，M50一直作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的優(yōu)選材料，但其存在斷裂韌性偏低的問題；而M50NiL鋼較M50鋼含C量有所降低，同時(shí)提高了Ni的含量，使其斷裂韌性較M50提高了2倍，同時(shí)借助于滲碳工藝，可使其表面硬度與M50鋼相當(dāng)，并保持心部韌性[3]，從而提高軸承的抗疲勞性能和可靠性。

在高速(dm·n>2.0×106mm·r/min)應(yīng)用場合，M50NiL鋼作為套圈材料使用時(shí)，引導(dǎo)面存在異常磨損的故障。通過試驗(yàn)驗(yàn)證可知，結(jié)構(gòu)相同的2套軸承，M50鋼軸承沒有發(fā)生磨損，由此可以確定，該故障與軸承結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系。相關(guān)試驗(yàn)也得到了相同的結(jié)果，即M50NiL鋼的磨損程度大大高于M50鋼[4-5]。

試驗(yàn)后的表面形貌顯示，M50材料磨損形貌是斷續(xù)的，而M50NiL材料顯示為較明顯的、連續(xù)的犁溝形貌，推測出現(xiàn)該結(jié)果與材料的碳化物顆粒尺寸有關(guān),碳化物顆粒硬度高，耐磨性能強(qiáng)，M50材料的碳化物顆粒尺寸可達(dá)到M50NiL材料的10倍，甚至更多，M50材料中的大而堅(jiān)硬的碳化物顆粒阻止了劇烈磨損的發(fā)生[5]，使磨損速率降低，M50NiL材料細(xì)小碳化物顆粒抗磨損性差，不能減小犁溝形成過程中磨粒的切削作用[5]。

另外，當(dāng)M50NiL鋼磨損細(xì)屑隨潤滑油系統(tǒng)被帶入軸承引導(dǎo)面時(shí)，細(xì)屑就會(huì)作為磨料介質(zhì)與M50NiL鋼基體、保持架共同作用形成三體磨粒磨損，再加之此前磨損過程形成的凹坑而導(dǎo)致的表面粗糙，使摩擦環(huán)境更為苛刻，在雙重作用下，使磨損加劇，導(dǎo)致軸承引導(dǎo)面發(fā)生嚴(yán)重磨損的故障。

4 結(jié)束語

與M50材料相比，M50NiL材料作為高速軸承套圈使用時(shí)，引導(dǎo)面耐磨性較差。為此，在軸承材料選用時(shí)應(yīng)加以注意，以避免出現(xiàn)該類故障。

為解決M50NiL材料引導(dǎo)面的磨損問題，可對套圈的引導(dǎo)面進(jìn)行表面改性，提高其耐磨性，例如使用TiN涂層技術(shù)，涂層具有高硬度和相對較低的摩擦因數(shù)，能夠有效改善軸承引導(dǎo)面的摩擦學(xué)性能，但還需要相關(guān)試驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性。