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(fù)合材料科技有限公司,上海 201112；2.上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)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(fā)動機的重要零部件，軸承的質(zhì)量、壽命對航空發(fā)動機的性能和可靠性起著關(guān)鍵性作用[1]。軸承在高轉(zhuǎn)速以及嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，極易發(fā)生失效和損壞，其中大部分為接觸疲勞，通常表現(xiàn)為疲勞擴(kuò)展特征的海灘狀紋路[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對軸承損傷進(jìn)行了大量研究：咼如兵等[3]采用理論分析結(jié)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(xué)性能及微觀形貌，分析了軸承外圈材料裂紋產(chǎn)生的原因，研究結(jié)果對未來高速列車軸箱軸承材料的國產(chǎn)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(nèi)部材料的微觀不均勻性相結(jié)合，建立了航空軸承的微觀應(yīng)力敏感性分析方法，發(fā)現(xiàn)夾雜物的尺寸和位置對應(yīng)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(shù)量、大小及分布都會對軸承鋼的使用壽命產(chǎn)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(chǎn)生的微裂紋逐漸擴(kuò)展所致[5]。這就要求嚴(yán)格控制軸承鋼的冶煉質(zhì)量，把控非金屬夾雜物和碳化物的數(shù)量、大小和分布。某型號航空軸承的外圈滾道表面發(fā)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(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對剝落軸承進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)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(xiàn)象與異質(zhì)顆粒物劃傷痕跡，剝落區(qū)表面破碎，呈現(xiàn)魚鱗狀的碾壓、擠壓特征。

1.2 SEM分析

在軸承外圈剝落區(qū)截取試樣，經(jīng)無水乙醇超聲清洗、干燥后，用FEI NANO SEM 450型SEM進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：外圈剝落區(qū)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(qū)的SEM形貌

對外圈滾道剝落區(qū)周圍進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：剝落區(qū)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(qū)延伸；剝落區(qū)邊緣處存在零散分布的塊狀物質(zhì)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(xiàn)類似于龜裂形態(tài)；小坑周圍有異質(zhì)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(cè)微裂紋聚集、串通。顆粒物會導(dǎo)致接觸面發(fā)生磨粒磨損，增加滾道表面的粗糙度，在棱角處產(chǎn)生應(yīng)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(qū)截面，制備金相試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，采用光學(xué)顯微鏡觀察剝落區(qū)的顯微組織形貌，結(jié)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(qū)附近可見白色的“蝶形”組織，大多分布在剝落區(qū)次表面；部分組織內(nèi)部有細(xì)小的微裂紋，尾部分叉。

選取同一批次的正常軸承進(jìn)行金相檢驗，結(jié)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(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)圖顯微檢驗法》，對軸承外圈剝落區(qū)進(jìn)行非金屬夾雜物測試，結(jié)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(tài)，滿足GB/T 10561—2005的要求。

圖3 外圈滾道剝落區(qū)周圍的SEM形貌

圖4 軸承外圈剝落區(qū)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(qū)夾雜物的微觀形貌

1.4 水浸超聲檢測

對軸承外圈進(jìn)行水浸超聲檢測，結(jié)果如表1所示，可知當(dāng)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(qū)磨制后進(jìn)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(jié)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(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：“蝶形”組織區(qū)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(jié)果 HV

2 綜合分析

由宏觀觀察和SEM分析結(jié)果可知，軸承外圈剝落區(qū)的宏觀形貌呈連續(xù)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(kuò)展時留下的典型微觀特征，且剝落區(qū)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(fā)生了接觸疲勞剝落。

軸承內(nèi)部存在缺陷(孔洞、裂紋或夾雜等)，且外部承受較大的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致軸承外圈次表面產(chǎn)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(dāng)滾動體經(jīng)過缺陷上方時，缺陷處就會受到擠壓作用而發(fā)生彈性變形，滾動體離開該位置后，缺陷處彈性變形恢復(fù)，如此重復(fù)上述過程。軸承轉(zhuǎn)速極高，缺陷處反復(fù)張合，產(chǎn)生了很高的形變熱，熱量向缺陷兩側(cè)擴(kuò)散，形成類似“蝶形”的熱影響區(qū)。“蝶形”熱影響區(qū)溫度會超過材料的相變點(奧氏體化溫度)。“蝶形”熱影響區(qū)離表面很近，能被潤滑油快速冷卻，即發(fā)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(jié)果可知，“蝶形”組織硬度高于基體，容易在交界處以及組織內(nèi)部萌生裂紋。在交變載荷的持續(xù)作用下，裂紋與“蝶形”組織之間相互促進(jìn)發(fā)展，當(dāng)裂紋向表面擴(kuò)展時，形成了疲勞剝落。由金相檢驗和水浸超聲檢測結(jié)果可知，軸承材料內(nèi)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(nèi)部存在缺陷，導(dǎo)致了“蝶形”組織的產(chǎn)生，軸承外圈發(fā)生疲勞剝落與“蝶形”組織有關(guān)。

根據(jù)赫茲理論，在純滾動接觸載荷的作用下，最大交變剪切應(yīng)力位于滾道次表面，當(dāng)接觸應(yīng)力較大時，會從次表面處萌生疲勞裂紋，并產(chǎn)生剝落。如果接觸應(yīng)力足夠大，盡管軸承材料中無夾雜或其他不連續(xù)性缺陷，也會產(chǎn)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(yīng)力并不足以產(chǎn)生“蝶形”組織。這進(jìn)一步說明了“蝶形”組織的產(chǎn)生與材料內(nèi)部微小缺陷有關(guān)。

3 結(jié)論與建議

(1) 軸承外圈滾道的失效性質(zhì)為接觸疲勞剝落。

(2) 材料內(nèi)部存在微小缺陷是“蝶形”組織產(chǎn)生的原因，軸承外圈發(fā)生疲勞剝落與“蝶形”組織有關(guān)。剝落原因為：“蝶形”組織與基體的硬度差異導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋萌生，在交變載荷的作用下，裂紋與“蝶形”組織相互促進(jìn)發(fā)展，并不斷擴(kuò)展至表面，導(dǎo)致軸承外圈剝落。

(3) 建議對軸承材料進(jìn)行排查，并加強對軸承的保護(hù)。