圓柱滾子軸承打滑蹭傷的表面燒傷行為研究

金前沖，張慶，羅軍，謝向宇，徐進

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.貴陽學院 化學與材料工程學院 材料磨損與腐蝕防護貴州省高校工程研究中心，貴陽 550005)

滾動軸承作為旋轉機械承載傳動部件，廣泛應用于風力發電、高速精密機床、高鐵、航空航天等大型關鍵裝備領域。隨著旋轉設備轉速不斷提高，以及軸承服役的工況環境(高速、高溫、重載等)日趨惡劣，燒傷失效尤為常見[1-3]。燒傷改變金屬表層組織，加劇接觸體間的磨損，嚴重時發生接觸表面金屬黏接，甚至造成安全事故[4]。為此，許多學者對滾動軸承燒傷進行了相關研究。文獻[5]針對航空發動機軸承內滾道燒傷進行分析，認為燒傷表面滑動和黏接剝離的痕跡可能是滾子與滾道接觸區相對滑動產生的瞬時高溫所致。文獻[6]分析了某航空失效軸承高溫燒傷原因，發現燒傷滾子和內圈的顯微組織出現氧化脫碳，可能是缺乏潤滑油引起過熱造成的現象。文獻[7]通過對飛機起動機燒傷軸承宏觀形貌、硬度及金相組織綜合分析，證明啟動時瞬間潤滑不良是導致軸承零件間接觸面出現不同程度燒傷的原因。文獻[8]采用不同檢測方法對故障球軸承進行了分析，發現內、外圈燒傷區的金相組織出現帶狀白層。文獻[9]分析了失效軸承外圈的金相組織及形貌，證明裝配不當是軸承燒傷的主要因素。文獻[10]研究了苛刻工況下球軸承運動特性，發現軸承燒傷與潤滑相關。文獻[11-12]也對故障軸承燒傷因素進行了分析。上述研究多集中于滾動軸承燒傷失效分析，分析手段較單一，對滾動軸承燒傷過程中工況變化尚不清楚，以至于不能全面認識滾動軸承燒傷。因此，采用滾動軸承試驗機模擬圓柱滾子軸承燒傷情況，并利用微觀分析方法綜合分析燒傷軸承零件形貌及組織變化，以期為下一步解決滾動軸承燒傷提供理論支持。

1 試驗

1.1 試樣及設備

試驗選取成品圓柱滾子軸承，基本參數見表1，內、外圈及滾子材料均為8Cr4Mo4V鋼，采用4109航空潤滑油潤滑。

表1 軸承基本參數

試驗采用高速滾動軸承試驗機(圖1)，試驗機由驅動系統、加載系統、冷卻系統、潤滑系統、信息采集與控制系統等組成。驅動系統由伺服電動機通過聯軸器驅動主軸，從而帶動試驗軸承旋轉；加載系統由液壓缸活塞推動加載環頂在軸承外圈上，實現對軸承的徑向加載；采用水冷對電動機、潤滑油箱及兩側支承軸承進行冷卻；采用噴射潤滑方式噴入密封腔體對試驗軸承進行潤滑，再由定位凸緣下方回油孔流入外腔體，返回油箱；通過溫度傳感器、摩擦力矩傳感器、振動傳感器進行數據采集，由計算機控制轉速、載荷、進油量等參數，實現軸承運行過程中振動、溫度及摩擦力矩實時監測。試驗機主軸轉速可選擇范圍為0～20 000 r/min，徑向載荷加載范圍為0～20 kN，試驗軸承溫度監測范圍為25～200 ℃，摩擦力矩監測范圍為0～15 N·m。

1—主軸伺服電動機；2—高速主軸；3—摩擦力矩傳感器；4，10—前、后支承軸承；5—試驗軸承；6，8—溫度傳感器；7—加載系統；9—振動傳感器

1.2 試驗方法

試驗工況：徑向載荷0.2～1.0 kN，進油量0.542～4.332 L/min，主軸轉速0～20 000 r/min。

利用Taylor PGI 420型輪廓儀分析燒傷軸承輪廓，用FEI Quanta 250FEG型掃描電子顯微鏡分析燒傷區域的微觀形貌，用ZEISS Axio Vert.A1型金相顯微鏡觀察其金相組織，用EM-1000VP顯微硬度儀檢測軸承硬度。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

圓柱滾子軸承燒傷狀態曲線如圖2所示,由圖可知：主軸加速過程中，摩擦力矩、振動加速度、溫度都呈上升趨勢，試驗軸承及潤滑油溫度變化曲線滯后于摩擦力矩和振動加速度。隨著主軸轉速不斷增加，當轉速達到18 000 r/min時，軸承的摩擦力矩及振動加速度突然呈近線性增長，軸承溫度也大幅度升高，可能是由于滾子和滾道接觸表面發生了打滑蹭傷[13-14]，使兩接觸表面產生大量摩擦熱；主軸轉速加速到20 000 r/min過程中，摩擦力矩、振動加速度及軸承溫度持續增加，可能是蹭傷造成內圈滾道與滾子接觸面間的潤滑油膜破裂，短時間內難以恢復，高速狀態使溫度激增；當主軸在20 000 r/min下穩速運行一段時間后，振動加速度和摩擦力矩逐漸減少，但潤滑油溫度和試驗軸承溫度繼續增加，最終滾子和滾道接觸表面出現燒傷[15]。

圖2 軸承燒傷狀態曲線圖

2.2 宏觀形貌

燒傷軸承的宏觀形貌如圖3所示。燒傷區呈深黑色，無金屬光澤，不規則片狀分布，多集中于內滾道中間位置，且表面粗糙，有明顯的塑性變形(圖3a)，說明高速蹭傷導致內圈表面的閃溫分布不均勻，部分區域表面狀態惡化，從而表面出現燒傷失效；內圈非燒傷區表面泛黃，可能是高溫運轉下表層潤滑油氧化物沉積的結果。滾子燒傷區域沿圓周均勻分布，有2條黑色色帶，最大帶寬約為5 mm，可能是軸承接觸表面局部高溫導致滾子嚴重變色，且色帶朝向不一致，這是軸承裝配時滾子裝反所致；滾子表面有輕微磨損，無明顯異常(圖3b)。

圖3 燒傷軸承宏觀形貌

燒傷軸承和新軸承輪廓對比如圖4所示。由圖可知：與新軸承相比，燒傷軸承內圈輪廓不對稱，存在嚴重偏磨，損傷嚴重區域寬約3.5 mm，最大磨損深度約14.9 μm(圖4a)，與宏觀燒傷區域對應；燒傷軸承滾子素線輪廓呈凹形，最大磨損深度約10.2 μm(圖4b)。相比之下，內圈滾道磨損更為嚴重。由此證明，內圈和滾子發生磨損，且燒傷區磨損更嚴重，顯然二者存在接觸磨損，這可能與軸承輕載打滑伴隨的受載變化有關，特別是非承載區滾子受到離心力作用，在溫度、潤滑等耦合作用下，滾子與內圈滾道產生相對滑動，發生直接接觸[16]。

圖4 燒傷軸承與新軸承的滾子和內圈輪廓對比

2.3 微觀形貌

內圈滾道和滾子燒傷區的微觀形貌分別如圖5、圖6所示。由圖可知：內圈滾道損傷區域出現大面積蜂窩狀剝落，剝落坑形態各異，沿滾動方向分布，且局部材料有黏接轉移、相對滑移的痕跡(圖5a)；放大燒傷區剝落坑可見，剝落坑周邊顏色較深，可能有異物，坑底凹凸不平，出現大量不規則的龜裂，可能是滾道表面的快速剝落導致(圖5b)。滾子燒傷區主要是麻點和剝落坑，麻點密集分布，剝落坑參差不齊且顏色較黑(圖6a)，對黑色剝落坑放大發現，剝落坑底部及附近區域表面出現明顯的微裂紋，其長度約40 μm(圖6b)，微裂紋深約9.75 μm，且縱向擴展(圖6c)。

圖5 燒傷軸承內圈滾道微觀形貌

圖6 燒傷軸承滾子微觀形貌

軸承鋼短時間運行一般不會發生疲勞，由裂紋的萌生及延伸趨勢可以推斷：作用在內圈滾道表面的應力較大，隨著應力循環次數的增加及燒傷過程中溫升，位于應力場內材料積累的微觀塑性變形越來越多，達到一定程度后產生微裂紋[17]。對比可知，燒傷軸承內圈磨損較為嚴重，可能內圈接觸面局部溫度迅速升高，滾子與內圈間隙減小或消失，不利于潤滑和冷卻，從而進一步加劇磨損。內圈與滾子表面微觀形貌磨損程度的差異性可能是由于打滑蹭傷持續時間短，滾子隨保持架公轉的同時高速自轉，因此減少了滾子與內圈同一接觸點的磨損，滾子和內圈磨損程度不同。根據上述分析可以確定，燒傷軸承接觸表面發生了黏著磨損、磨粒磨損及滾動接觸疲勞。

2.4 金相組織

內圈燒傷區域金相組織如圖7所示，基體組織主要是針狀馬氏體、殘余奧氏體、一次碳化物和二次碳化物，其燒傷區域發現深約140 μm的白層，推測是二次淬火馬氏體和殘余奧氏體[6-7]，且有一定網狀過渡區，組織晶粒邊界清晰可見。

圖7 燒傷內圈金相組織

對白層區域及非白層區域各取3個點測量維氏硬度，發現白層區域硬度比非白層區域硬度高約110 HV(表2)，可能是因為白層組織中馬氏體與奧氏體間存在共格關系，由于兩者晶格常數的差異，形成馬氏體時二次奧氏體點陣發生強烈畸變，從而導致該區域硬度較大。白層區域不易被腐蝕，可能是由于燒傷區域組織馬氏體-奧氏體界面間表面能趨于零，腐蝕劑不易在白層組織上產生電化學的原電池，故該區域腐蝕較輕[18]。

表2 燒傷軸承內圈基體白層區域與非白層區域硬度對比

結合軸承試驗結果可知，軸承打滑蹭傷后，接觸表面會產生局部高溫，并釋放大量不能及時被潤滑油冷卻的摩擦熱量產生的“閃溫”，使內圈與滾子接觸區局部表層溫度超過奧氏體轉化溫度；由于組織中一次馬氏體比例較低，未發生轉變的奧氏體比例較高，當奧氏體發生轉變時少量馬氏體不能為轉變的奧氏體提供足夠的碳原子，造成轉變的奧氏體穩定性較差，在后續潤滑油冷卻過程中大部分的奧氏體轉變為二次淬火馬氏體[19],由此可知，軸承打滑蹭傷造成的內圈燒傷層是二次淬火層。

滾子燒傷區域金相組織如圖8所示，組織均勻，燒傷區出現連續不斷的白層，深約8 μm。白層(二次淬火層)是一種復雜多相高彌散組織，在滾動、沖擊、打滑作用下產生，該能量以較快速度轉化為熱量，形成點狀熱源，在金屬顯微體積中形成復雜淬火、回火效應。多次機械沖擊不僅使表層組織發生變化，甚至影響更深區域的組織[18]，因為白層組織硬度較高、質地較脆，因此白層組織整體連續，局部剝落。

圖8 燒傷滾子金相組織

對比圖7和圖8可知，內圈與滾子心部組織均為8Cr4Mo4V鋼的正常組織，但燒傷軸承內圈和滾子的表層和次表層組織有所區別，主要體現在白層組織的厚度和分布。此外，正常組織和白層組織區域的硬度變化進一步證實了打滑蹭傷對軸承燒傷的影響：軸承打滑蹭傷后，接觸表面的“閃溫”使內圈與滾子接觸區局部表層奧氏體等組織轉變為硬度相對略高的復雜多相高彌散組織。相較而言，內圈二次淬火層較深，燒傷比較嚴重。

3 結論

1)圓柱滾子軸承發生打滑蹭傷后，主軸轉速繼續增加會使軸承表面出現燒傷現象。

2) 燒傷軸承的宏觀形貌及輪廓變化顯著，內圈滾道磨損比滾子嚴重，燒傷區局部呈大面積剝落坑并伴隨大量裂紋。

3) 打滑蹭傷造成的滾子和內圈燒傷層均為二次淬火層，其組織硬度高，耐腐蝕內圈燒傷比滾子更嚴重。