班 君，劉秀蓮，羅 燕，趙 強

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150527)

0 引言

滾動軸承是應(yīng)用極為廣泛的運轉(zhuǎn)機械基礎(chǔ)部件，其質(zhì)量好壞直接影響到產(chǎn)品的整機質(zhì)量，也是機器中易損件，許多機械故障都與軸承的狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，在使用滾動軸承的旋轉(zhuǎn)機械中大約有30%機械故障是由軸承引起的。

滾動軸承在使用過程中疲勞剝落是常見的失效形式。疲勞剝落是指滾動軸承套圈和滾動體表面在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，其滾動表面金屬從金屬基體呈點狀或片狀剝落下來的現(xiàn)象。疲勞剝落有許多類型，對于滾動軸承來說，主要是指接觸疲勞，其特征實一般具有一定深度和面積，使其滾動表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，通常呈現(xiàn)疲勞擴展特征的海灘狀紋路，產(chǎn)生部位主要出現(xiàn)在套圈滾道和滾動體表面。引起疲勞剝落的因素有很多，一些學(xué)者認為軸承滾道接觸疲勞主要由滾道次表面材料缺陷或冶金缺陷引起的，也有一些學(xué)者認為是由表面缺陷和潤滑條件引起的［1］。

滾動軸承的滾道作為工作表面，微米級缺陷都會影響整個系統(tǒng)的性能。在零件機械加工中，用磨削完成終加工工序的可達到80%，絕大部分零件的表面質(zhì)量由磨削加工得到，而在磨削加工中，常常會引起工件磨削燒傷，使工件的表面質(zhì)量大大降低，嚴重的磨削燒傷使零件使用壽命成倍下降，有時根本無法使用。軸承滾道的磨削工藝作為關(guān)鍵制造工序之一，磨削過程在滾道表面產(chǎn)生的不良影響將延續(xù)到軸承成品，影響軸承的使用性能，如何解決磨削燒傷是磨削加工中的一個很重要的問題［2-6］。

發(fā)動機減速機匣外場使用時出現(xiàn)異常，分解檢查發(fā)現(xiàn)軸承套圈外滾道出現(xiàn)剝落。軸承內(nèi)、外圈及鋼球的材料為W9Cr4V2Mo 鋼。軸承套圈的制造過程:鍛造→車削加工→熱處理→磨削→精研→成品。W9Cr4V2Mo 鋼主要用于制造高溫軸承，其特點是具有高溫硬度、高溫接觸疲勞強度和耐磨性能，軸承套圈在磨削加工過程中，常常會引起零件磨削燒傷和表面缺陷。目前國內(nèi)航空發(fā)動機軸承的失效多發(fā)生在套圈工作表面，因此控制套圈磨削加工質(zhì)量對預(yù)防軸承失效尤為重要。

本研究通過對滾道剝落損傷軸承進行外觀檢查、成分分析、硬度檢測和金相分析等方面的分析與研究，查明了軸承外滾道發(fā)生剝落損傷的原因，可為今后分析軸承同類剝落損傷提供經(jīng)驗與工程借鑒價值，也為軸承加工過程中如何避免磨削燒傷提出了預(yù)防措施。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

采用體視顯微鏡對軸承外觀進行檢查，軸承整體無明顯的顏色變化。內(nèi)滾道軌跡位置正常，未見偏移，工作表面分布著形狀不規(guī)則的碾壓麻坑，無剝落現(xiàn)象(圖1)，對其酸洗檢查未發(fā)現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。外滾道面，圓周方向分布有2 處剝落帶，長度分別約為1.5、4 mm，剝落位置成120°分布，具有一定深度和面積，滾道表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，并沿裂紋擴展形成剝落，形貌見圖2。未剝落區(qū)域存在碾壓麻坑及細小裂紋(圖3)。對其經(jīng)冷酸洗檢查，剝落區(qū)域附近存在形狀不規(guī)則裂紋(圖4)。9 粒球表面存在形狀不規(guī)則的碾壓麻坑，這些是由外滾道剝落金屬經(jīng)滾動碾壓形成的，未見剝落形貌(圖5)。

1.2 化學(xué)成分分析

采用CS-3000 碳硫分析儀、UV-8000 雙元素紫外分光光度計對軸承內(nèi)、外圈，鋼球材質(zhì)進行成分分析，各零件成分符合相關(guān)技術(shù)要求。

1.3 硬度檢測

采用洛氏硬度計HR-150 檢測軸承內(nèi)、外圈端面硬度，滾動體檢測球表面硬度，結(jié)果見表1，各零件硬度符合JB/T 11087—2011 要求。

圖1 軸承內(nèi)滾道形貌Fig.1 Morphology of bearing inner rollaway nest

圖2 外滾道剝落形貌Fig.2 Morphology of outer rollaway nest

采用維氏硬度計TUKON2500 檢測外滾道剝落區(qū)域硬度梯度，載荷選用300 g，兩壓痕間距0.05 mm，檢測結(jié)果見圖6，可見滾道表面硬度低于心部硬度。

1.4 金相檢查

采用金相顯微鏡Axiovert200MAT 觀察軸承的顯微組織?？梢?，內(nèi)外圈組織為針狀馬氏體+二次碳化物+一次碳化物，均符合JB/T 1187—2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(圖7);外圈滾道表面存在二次淬回火現(xiàn)象，其深度約0.15 mm(圖7c)，心部顯微組織3 級(標(biāo)準(zhǔn)值:1～4 級);鋼球顯微組織見圖7d。檢查內(nèi)外圈夾雜物，均符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖3 未剝落外滾道形貌Fig.3 Intact morphology of outer rollaway nest

圖4 外套滾道酸浸蝕后形貌Fig.4 Morphology of outer rollaway nest after acid etching

圖5 鋼球表面形貌Fig.5 Surface morphology of steel ball

1.5 應(yīng)力測試

采用XSTRE300 應(yīng)力分析儀檢測軸承零件的工作表面應(yīng)力，外圈檢測滾道剝落區(qū)及未剝落區(qū)應(yīng)力，結(jié)果見表2。外圈剝落區(qū)呈拉應(yīng)力，未剝落區(qū)呈壓應(yīng)力，但低于鋼球、內(nèi)圈應(yīng)力值。

圖6 滾道硬度梯度曲線圖Fig.6 Roll hardness gradient graph

表1 故障軸承硬度檢測結(jié)果Table 1 Hardness test results of fault bearing HRC

2 分析與討論

2.1 軸承失效性質(zhì)分析

通過宏觀形貌分析，外滾道剝落具有一定深度和面積，滾道表面呈凹凸不平的鱗狀，有尖銳的溝角，呈現(xiàn)疲勞擴展特征的海灘狀紋路，可判斷外圈工作面剝落為接觸疲勞。

2.2 剝落原因分析

由試驗結(jié)果可知，軸承基體無明顯的顏色變化外滾道剝落區(qū)域附近存在軸向形狀不規(guī)則的裂紋和剝落帶，冷酸洗檢查其滾道面分布具有燒傷特征的暗灰色;檢測外滾道硬度梯度，滾道面的HRC 硬度值比心部低1.5，說明其滾道面原始組織發(fā)生轉(zhuǎn)變符合磨削燒傷特征;用金相法觀察，外滾道剝落區(qū)域存在二次淬回火現(xiàn)象，對軸承零件工作表面的殘余應(yīng)力檢測，外圈剝落區(qū)呈拉應(yīng)力，未剝落區(qū)呈壓應(yīng)力，但低于鋼球、內(nèi)圈應(yīng)力值，通過上述宏觀、微觀分析，證明其軸承外滾道存在磨削燒傷現(xiàn)象。

圖7 內(nèi)圈顯微組織Fig.7 Microstructure of bearing

表2 軸承鋼球和內(nèi)外圈應(yīng)力檢測結(jié)果Table 2 Stress testing results of bearing steel ball inner and outer rollaway nest MPa

磨削燒傷引起滾道組織發(fā)生轉(zhuǎn)變硬度降低，產(chǎn)生高溫回火層，改變了滾道表面原始組織及殘余應(yīng)力狀態(tài)，引起滾道的耐磨性、接觸疲勞強度下降，導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)時，首先出現(xiàn)裂紋，并進一步擴展沿裂紋成小的剝落坑或片狀剝落，并擴展形成剝落帶，出現(xiàn)早疲勞失效。

軸承套圈在熱處理后需經(jīng)磨削加工，磨削過程去除單位體積切屑所消耗的能量(即磨削比能)比車削加工大20 倍，幾乎所有的能量轉(zhuǎn)化都集中在磨削區(qū)，轉(zhuǎn)化為磨削熱，使磨削區(qū)溫度急劇升高。磨削區(qū)產(chǎn)生的高溫可能導(dǎo)致多種熱損傷形式，包括工件燒傷、工件金相組織的轉(zhuǎn)變、工件表面二次淬火、表層的軟化(退火)、拉應(yīng)力、裂紋以及疲勞強度的降低等。其中，磨削燒傷是制約精密磨削加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。磨削燒傷可導(dǎo)致工件表面材料的再軟化，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，嚴重降低服役零部件的疲勞壽命和應(yīng)力腐蝕性能［7］。由于磨粒對工件的切削、刻劃和摩擦作用，使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，由于工件內(nèi)部金屬原子間相對位移產(chǎn)生內(nèi)摩擦而發(fā)熱，砂輪切削時相對于工件的速度很高，與工件表面產(chǎn)生劇烈的外摩擦而發(fā)熱，又因為每顆磨料切削都是瞬間的，其熱量生成也在瞬間，又不能及時傳散，所以在磨削區(qū)域的瞬時溫度較高，在工藝參數(shù)、冷卻方法和磨料狀態(tài)選擇不當(dāng)?shù)那闆r下，磨削表面瞬間溫度可能達到材料相變點的溫度，套圈在磨削過程中極易出現(xiàn)相當(dāng)深的金相組織變化層(即二次淬回火層)，并伴隨出現(xiàn)很大的表面殘余應(yīng)力，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，這就是磨削的磨削燒傷。

該軸承的材料為W9Cr4V2Mo 鋼，磨削加工性差，因組織中含有大量的碳化物和金屬間化合物，其導(dǎo)熱率低，軸承零件在磨削過程中，大的砂輪進給量、砂輪軸的跳動、切削液供給不充分、砂輪磨粒鈍化均易使零件產(chǎn)生磨削燒傷，另外熱處理時淬火溫度過高而造成軸承零件的組織過熱、晶粒粗大、殘余奧氏體量較多、回火不及時或不充分、零件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力較大，出現(xiàn)變形超差，如套圈出現(xiàn)橢圓，長、短軸磨削量不同，長軸磨削量小，短軸磨削去除量大，也能產(chǎn)生磨削燒傷。軸承屬精密零件，套圈的磨削由粗磨、細磨、終磨等工序完成［8］，這些工序中粗磨工序進給量最大，磨削力也會隨之增加，參加切削的磨粒數(shù)量多，砂輪與滾道接觸的時間越長，塑性應(yīng)變程度越大，磨削熱越多，因而使磨削熱集中在滾道表面，易產(chǎn)生磨削燒傷。而細磨、終磨等工序磨削進給量相對粗磨進給量少，產(chǎn)生燒傷的程度較輕。所以軸承套圈滾道產(chǎn)生磨削燒傷是粗磨工序產(chǎn)生的。

2.3 改進措施

磨削燒傷對軸承的使用壽命影響非常大，具有燒傷的軸承，工作壽命僅為幾到幾十小時，要滿足軸承的設(shè)計壽命，燒傷是不允許存在的［9］。因此要嚴格控制磨削加工工藝各參數(shù)，選擇合理的磨削參數(shù)，如進給量、零件和砂輪線速度、冷卻方式、磨削深度和電主軸功率等，從源頭上減少和避免零件燒傷。

同時加強軸承零件的質(zhì)量檢測和監(jiān)控，用科學(xué)的方法檢測燒傷，是軸承零件質(zhì)量控制過程中的重要環(huán)節(jié)，采用冷酸洗法檢測磨削燒傷，是最簡便通用的控制磨削燒傷方法，過去冷酸洗檢查工序在粗磨后，由于光潔度的影響，磨削燒傷顯示特征不明顯，存在漏檢現(xiàn)象，通過試驗，將冷酸洗檢查工序改在終磨后，經(jīng)過驗證，漏檢現(xiàn)象減少，同時采用磁彈儀檢測，將磨削燒傷加以區(qū)分，由于磨削燒傷的物理表現(xiàn)，主要是因零件表面金相組織結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的回火層所引起的硬度下降，以及在零件表面出現(xiàn)的殘余應(yīng)力(拉應(yīng)力)，磁彈儀對它們都能作出敏感的反映，并能判斷磨削工藝狀況，從而確保軸承產(chǎn)品中的質(zhì)量指標(biāo)達到設(shè)計要求，是預(yù)防軸承早期失效的積極有效措施。

3 結(jié)論

1)軸承外圈滾道為接觸疲勞剝落。

2)軸承外圈滾道接觸疲勞剝落的原因為:磨削燒傷引起滾道面組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生高溫回火層，改變了滾道的表面原始組織及殘余應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致耐磨性、接觸疲勞強度下降，在使用過程中會造成局部應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋，并擴展使軸承出現(xiàn)早期疲勞失效。

3)選擇合理的磨削參數(shù)，如進給量、零件和砂輪線速度、冷卻方式、磨削深度和電主軸功率等，從源頭減少和避免零件燒傷。

4)采用冷酸洗法與磁彈儀相結(jié)合，可有效地檢測磨削燒傷。

［1］全國滾動軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 24611—2009 滾動軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］夏新濤，馬偉，頡譚成，等.滾動軸承制造工藝學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:157-201.

［3］孫智，江利，應(yīng)鵬展.失效分析:基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:227-229.

［4］王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:53-55.

［5］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008:239-241.

［6］周志瀾，馬純民.航空發(fā)動機主軸軸承失效分析與預(yù)防［M］.北京:科學(xué)出版社，1998:133-137.

［7］全國滾動軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB/T 11087—2011 滾動軸承 鎢系高溫軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件［S］.北京:機械工業(yè)出版社，2011:1-5.

［8］馬亞良，陳仁竹.軸承制造技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008:84-103.

［9］田秋梅，田殿軍，王世民.軸承零件磨削燒傷和磨削裂紋鑒別［J］.哈爾濱軸承，2009:15-17.