航空滾動軸承外圈剝落原因

胡 宸,王樹宏,陳永笑,邊蘊宇,張俊藝,王 劍

(1.上海復合材料科技有限公司,上海 201112；2.上海航天樹脂基復合材料工程技術研究中心,上海 201112；3.中國北京航空材料研究院,北京 100095)

滾動軸承是航空發動機的重要零部件，軸承的質量、壽命對航空發動機的性能和可靠性起著關鍵性作用[1]。軸承在高轉速以及嚴苛的工作環境下，極易發生失效和損壞，其中大部分為接觸疲勞，通常表現為疲勞擴展特征的海灘狀紋路[2]。

目前，國內外學者對軸承損傷進行了大量研究：咼如兵等[3]采用理論分析結合試驗研究的方法，研究了不同運行里程下，軸箱軸承外圈材料的力學性能及微觀形貌，分析了軸承外圈材料裂紋產生的原因，研究結果對未來高速列車軸箱軸承材料的國產化具有重要的參考價值；LI等[4]將軸承多場耦合服役條件與軸承鋼內部材料的微觀不均勻性相結合，建立了航空軸承的微觀應力敏感性分析方法，發現夾雜物的尺寸和位置對應力集中程度均有顯著影響。

但目前對軸承外圈的失效原因分析較少。軸承外圈中非金屬夾雜物和碳化物的數量、大小及分布都會對軸承鋼的使用壽命產生很大影響。軸承的失效通常起源在較大的夾雜或碳化物周圍，主要是由夾雜或者碳化物附近產生的微裂紋逐漸擴展所致[5]。這就要求嚴格控制軸承鋼的冶煉質量，把控非金屬夾雜物和碳化物的數量、大小和分布。某型號航空軸承的外圈滾道表面發生剝落，筆者采用宏觀觀察、金相檢驗、水浸超聲檢測、硬度測試及掃描電鏡(SEM)分析等方法，分析了該軸承外圈剝落的原因，以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對剝落軸承進行宏觀觀察，結果如圖1所示。由圖1可知：軸承外圈滾道5點鐘位置存在一處長條形的淺表層剝落，其大小為50 mm(周向)×15 mm(軸向)，具有一定深度，整體表面未見明顯的高溫氧化變色現象與異質顆粒物劃傷痕跡，剝落區表面破碎，呈現魚鱗狀的碾壓、擠壓特征。

1.2 SEM分析

在軸承外圈剝落區截取試樣，經無水乙醇超聲清洗、干燥后，用FEI NANO SEM 450型SEM進行分析，結果如圖2所示。由圖2可知：外圈剝落區呈鱗片狀磨損特征，可見疲勞弧線和擠壓特征，整體剝落深度較淺。

圖1 剝落軸承的宏觀形貌

圖2 軸承外圈剝落區的SEM形貌

對外圈滾道剝落區周圍進行SEM分析，結果如圖3所示。由圖3可知：剝落區附近邊緣存在多處微裂紋或裂口，裂紋長短、方向不一，沿著剝落區延伸；剝落區邊緣處存在零散分布的塊狀物質和小坑，小坑周圍伴隨有許多微裂紋，裂紋之間相互連接，呈現類似于龜裂形態；小坑周圍有異質顆粒物嵌入材料基體，顆粒物棱角分明，直徑約為5 mm，顆粒物兩側微裂紋聚集、串通。顆粒物會導致接觸面發生磨粒磨損，增加滾道表面的粗糙度，在棱角處產生應力集中，并形成裂紋，加速軸承的損傷。

1.3 金相檢驗

截取軸承外圈剝落區截面，制備金相試樣，經鑲嵌、打磨、拋光后，采用光學顯微鏡觀察剝落區的顯微組織形貌，結果如圖4所示。由圖4可知：試樣心部組織為正常的針狀馬氏體+碳化物，碳化物尺寸及分布較為均勻；剝落區附近可見白色的“蝶形”組織，大多分布在剝落區次表面；部分組織內部有細小的微裂紋，尾部分叉。

選取同一批次的正常軸承進行金相檢驗，結果如圖5所示，可見軸承的心部組織為正常的針狀馬氏體+碳化物，且碳化物尺寸及分布較為均勻，未見“蝶形”組織以及裂紋等缺陷。

依據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準圖顯微檢驗法》，對軸承外圈剝落區進行非金屬夾雜物測試，結果如圖6所示。由圖6可知：試樣的夾雜物等級為0.5級，未見異常的夾雜物堆積形態，滿足GB/T 10561—2005的要求。

圖3 外圈滾道剝落區周圍的SEM形貌

圖4 軸承外圈剝落區的顯微組織形貌

圖5 正常軸承的顯微組織形貌

圖6 外圈剝落區夾雜物的微觀形貌

1.4 水浸超聲檢測

對軸承外圈進行水浸超聲檢測，結果如表1所示，可知當采用φ0.4 mm,12 dB的探頭檢測時，軸承外圈在3點鐘位置(拔槽)與滾道交界邊緣處檢出一處缺陷。

對檢測出的缺陷區磨制后進行SEM分析，可見少量疑似微小孔洞形貌，將試樣再次磨去50 μm厚度后，依然可見疑似微小孔洞形貌(見圖7)。

表1 軸承外圈水浸超聲檢測結果

1.5 硬度測試

采用0.5 kg載荷對軸承外圈“蝶形”組織和基體進行顯微硬度測試，結果如表2所示。由表2可知：“蝶形”組織區域的平均硬度為888 HV，比基體組織硬度高約150 HV。

圖7 疑似微小孔洞的SEM形貌

表2 軸承外圈“蝶形”組織和基體硬度的測試結果 HV

2 綜合分析

由宏觀觀察和SEM分析結果可知，軸承外圈剝落區的宏觀形貌呈連續的“魚鱗狀”，微觀形貌為典型的碾壓磨損形貌，局部可見疲勞條帶特征，是裂紋擴展時留下的典型微觀特征，且剝落區邊緣可見較多的微裂紋，并沿基體延伸，可判斷在軸承外圈表面發生了接觸疲勞剝落。

軸承內部存在缺陷(孔洞、裂紋或夾雜等)，且外部承受較大的接觸應力，導致軸承外圈次表面產生了“蝶形”組織。如果軸承滾道次表面存在孔洞、微裂紋或夾雜等缺陷，當滾動體經過缺陷上方時，缺陷處就會受到擠壓作用而發生彈性變形，滾動體離開該位置后，缺陷處彈性變形恢復，如此重復上述過程。軸承轉速極高，缺陷處反復張合，產生了很高的形變熱，熱量向缺陷兩側擴散，形成類似“蝶形”的熱影響區?！暗巍睙嵊绊憛^溫度會超過材料的相變點(奧氏體化溫度)?！暗巍睙嵊绊憛^離表面很近，能被潤滑油快速冷卻，即發生淬火，形成馬氏體組織，這種組織一般很難被侵蝕。由硬度測試結果可知，“蝶形”組織硬度高于基體，容易在交界處以及組織內部萌生裂紋。在交變載荷的持續作用下，裂紋與“蝶形”組織之間相互促進發展，當裂紋向表面擴展時，形成了疲勞剝落。由金相檢驗和水浸超聲檢測結果可知，軸承材料內部存在微小孔洞，外圈滾道并未見異常的夾雜物，因此判斷軸承材料內部存在缺陷，導致了“蝶形”組織的產生，軸承外圈發生疲勞剝落與“蝶形”組織有關。

根據赫茲理論，在純滾動接觸載荷的作用下，最大交變剪切應力位于滾道次表面，當接觸應力較大時，會從次表面處萌生疲勞裂紋，并產生剝落。如果接觸應力足夠大，盡管軸承材料中無夾雜或其他不連續性缺陷，也會產生白色的“蝶形”組織。正常軸承外圈未見明顯的“蝶形”組織，說明該類軸承本身的試驗應力并不足以產生“蝶形”組織。這進一步說明了“蝶形”組織的產生與材料內部微小缺陷有關。

3 結論與建議

(1) 軸承外圈滾道的失效性質為接觸疲勞剝落。

(2) 材料內部存在微小缺陷是“蝶形”組織產生的原因，軸承外圈發生疲勞剝落與“蝶形”組織有關。剝落原因為：“蝶形”組織與基體的硬度差異導致局部應力集中，從而誘發裂紋萌生，在交變載荷的作用下，裂紋與“蝶形”組織相互促進發展，并不斷擴展至表面，導致軸承外圈剝落。

(3) 建議對軸承材料進行排查，并加強對軸承的保護。