劉秀蓮，班 君，羅 燕，劉 明

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150027)

0 引言

球軸承是支承各種機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件的關(guān)鍵元件，鋼球是球軸承中承載載荷的重要組成部分，是球軸承中最關(guān)鍵的零件之一，鋼球質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著軸承的使用壽命和可靠性。由于鋼球表面缺陷，會(huì)使軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，缺陷越大，振動(dòng)值越大。軸承長(zhǎng)時(shí)間工作使鋼表面缺陷邊緣的金屬首先疲勞，出現(xiàn)顯微裂紋，裂紋逐步擴(kuò)大而脫落，直至造成軸承早期報(bào)廢。表面缺陷會(huì)增大軸承摩擦力矩，因?yàn)樵谳S承工作過(guò)程中，負(fù)荷點(diǎn)經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)要消耗一定的能量，以克服缺陷的阻力。大量試驗(yàn)證明，在疲勞破壞的軸承中，由于鋼球首先破壞而引起軸承報(bào)廢的占60%以上，由此可知，鋼球是軸承中最薄弱的零件，每一種缺陷都可能導(dǎo)致鋼球在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生疲勞剝落。

磨損、斷裂與腐蝕并稱為金屬失效的3 種形式。腐蝕是滾動(dòng)軸承最嚴(yán)重的問(wèn)題之一，高精度的軸承可能會(huì)由于表面銹蝕導(dǎo)致精度喪失而不能繼續(xù)工作。有些滾動(dòng)軸承在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中不可避免地要接觸到水、水汽以及腐蝕介質(zhì)等，這些物質(zhì)會(huì)引起滾動(dòng)軸承的生銹和腐蝕，最終引起滾動(dòng)軸承的失效。早在1994年，洛陽(yáng)軸承研究所的趙傳國(guó)等［1］的文獻(xiàn)中就有提及，“航天工程中某精密儀器在試運(yùn)轉(zhuǎn)中性能不穩(wěn)定，經(jīng)反復(fù)測(cè)試檢查，發(fā)現(xiàn)其中的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)性能不正常，經(jīng)軸承拆套檢查才發(fā)現(xiàn)，軸承中的1/16″鋼球表面有很多微小的黑點(diǎn)和一定深度的小坑，經(jīng)分析確定鋼球表面點(diǎn)狀或麻點(diǎn)狀小黑點(diǎn)缺陷為氧化銹斑”。

鋼球缺陷主要有原材料表面裂紋、冷沖壓和熱加工折疊、淬火裂紋、砂輪擠傷、腐蝕斑點(diǎn)、軟磨金屬疲勞等，由于機(jī)械加工、生銹腐蝕或原材料所引起的露在鋼球表面上的斑點(diǎn)、麻點(diǎn)、劃條、擦痕、凹坑等統(tǒng)稱為表面缺陷［2-3］。

公稱直徑為7/8″(公制為22.225 mm)高溫軸承鋼鋼球在精研工序檢查中發(fā)現(xiàn)，鋼球表面有很微小的黑點(diǎn)和麻點(diǎn)。鋼球材質(zhì)為8Cr4Mo4V，其加工流程及部分參數(shù)為:原材料車(chē)制成料段→熱沖壓成型(加熱溫度(930±15)℃，保溫25～30 min)→球化退火→光球→軟磨Ⅰ→熱酸洗100%檢查→軟磨Ⅱ→熱處理(真空熱處理，淬火加熱溫度1 090 ℃，保溫48～50 min，3 次回火及冷處理)［4］→硬磨→冷酸洗100%檢查→穩(wěn)定處理→粗研→精研→超精研。

針對(duì)高溫軸承鋼鋼球表面黑點(diǎn)和麻點(diǎn)缺陷，采用碳硫分析儀、等離子光譜儀、洛氏硬度計(jì)、維氏硬度計(jì)、金相顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡及能譜儀對(duì)鋼球的原材料、顯微組織、硬度及生產(chǎn)工藝進(jìn)行檢驗(yàn)分析，以確定其表面缺陷原因及性質(zhì)。

1 鋼球缺陷宏觀形貌

將有黑點(diǎn)缺陷的鋼球采用超聲波清洗、烘干，然后放置在激光共聚焦顯微鏡中對(duì)鋼球表面的缺陷進(jìn)行觀察。圖1a 為鋼球黑點(diǎn)形貌，分布無(wú)規(guī)則，深淺不一;黑點(diǎn)缺陷三維(3D)形貌特征見(jiàn)圖1b，缺陷范圍為320 μm×256 μm。黑點(diǎn)缺陷最大直徑約32 μm，深度約7 μm(圖2)。

圖1 鋼球缺陷形貌Fig.1 Defect morphology of the steel ball

圖2 鋼球缺陷深度測(cè)量Fig.2 Size and depth of the steel ball

2 鋼球材質(zhì)及缺陷的檢驗(yàn)與分析

2.1 原材料檢驗(yàn)

抽取制造此批鋼球的原材料，采用碳硫分析儀、等離子光譜儀等進(jìn)行化學(xué)成分分析，通過(guò)MR5000 金相顯微鏡進(jìn)行非金屬夾雜物的檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。鋼材的化學(xué)成分符合YB 4105—2000 標(biāo)準(zhǔn)［5］要求，非金屬夾雜物均符合YB 4105—2000 標(biāo)準(zhǔn)的不大于1.0 級(jí)要求。

表1 8Cr4Mo4V 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of non-metallic inclusion for 8Cr4Mo4V steel

2.2 硬度檢驗(yàn)

取3 顆有黑點(diǎn)缺陷的鋼球，分別編號(hào)A、B 和C。采用HR-150G 洛氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度測(cè)試，每粒鋼球測(cè)試3 點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，鋼球硬度符合JB/T 2850—2007 標(biāo)準(zhǔn)［6］要求。

表2 鋼球表面硬度Table 2 Surface hardness of the steel ball HRC

將A 鋼球用線切割機(jī)沿心部切開(kāi)，磨制成金相試樣后用TUKON2500 維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知，鋼球硬度符合JB/T 2850—2007 的要求，說(shuō)明鋼球硬度均勻，無(wú)軟點(diǎn)。

2.3 金相檢驗(yàn)

將鋼球磨制成金相試樣，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液腐蝕后，放置在Axiovert200MAT金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，其淬回火顯微組織見(jiàn)圖3。按照J(rèn)B/T 2850—2007 標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其淬回火組織進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)級(jí)，顯微組織為3 級(jí)，符合要求。通過(guò)對(duì)鋼球表面黑點(diǎn)缺陷的顯微組織觀察(圖4)，晶界或毗鄰區(qū)域并沒(méi)有發(fā)生局部腐蝕，且沿著或緊挨著材料的晶界處也沒(méi)有向內(nèi)部發(fā)展的腐蝕現(xiàn)象，更沒(méi)有發(fā)現(xiàn)晶粒脫落的痕跡，因此可以判定鋼球表面缺陷不是晶間腐蝕［7］。

表3 鋼球硬度梯度Table 3 Hardness gradient of the steel ball

圖3 鋼球顯微組織Fig.3 Microstructure of the steel ball

2.4 能譜分析

通過(guò)對(duì)鋼球缺陷區(qū)域的微區(qū)成分分析，分析結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，O 元素的峰值很明顯，且占有較大的比例。這說(shuō)明黑點(diǎn)內(nèi)氧化銹蝕的可能性很大。

圖4 鋼球表面顯微組織Fig.4 Microstructure of the steel ball surface

圖5 鋼球缺陷區(qū)域的能譜成分分析譜線及各元素含量Fig.5 Micro area composition and element of the defect steel ball

3 鋼球表面黑點(diǎn)缺陷的驗(yàn)證

挑選同樣材質(zhì)的15/32″(11.906 mm)鋼球，并在材料與熱處理質(zhì)量合格的情況下，將鋼球放在潮濕的環(huán)境下，人為對(duì)鋼球造成銹蝕，然后在共聚焦顯微鏡中對(duì)鋼球表面的缺陷進(jìn)行觀察，并與7/8″(22.225 mm)鋼球進(jìn)行對(duì)比，其缺陷的顏色、形狀、分布、大小、深度和7/8″鋼球完全一致(圖6、圖7)。通過(guò)觀察分析，進(jìn)一步說(shuō)明了鋼球表面黑點(diǎn)缺陷為銹蝕斑點(diǎn)。

圖6 15/32″鋼球缺陷形貌Fig.6 Defect morphology of the 15/32″ steel ball

圖7 15/32″鋼球缺陷深度Fig.7 Size and depth of the 15/32″ steel ball

4 分析與討論

加工此批鋼球的8Cr4Mo4V 材料是采用雙真空冶煉(真空感應(yīng)+真空自耗)，原材料純凈度高，雜質(zhì)少。通過(guò)原材料檢驗(yàn)結(jié)果顯示，其化學(xué)成分、非金屬夾雜物的級(jí)別都符合YB 4105—2000標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明鋼球表面黑點(diǎn)缺陷不是原材料質(zhì)量所致。通過(guò)顯微組織和硬度檢驗(yàn)，7/8″鋼球硬度均勻，無(wú)軟點(diǎn)，顯微組織由馬氏體、少量碳化物和少量殘余奧氏體組成，組織均勻，無(wú)碳化物脫落，沒(méi)有晶間腐蝕;因此，鋼球表面黑點(diǎn)缺陷與熱處理質(zhì)量無(wú)關(guān)。

通過(guò)共聚焦顯微鏡觀察，鋼球表面黑點(diǎn)缺陷分布無(wú)規(guī)律，周?chē)鷽](méi)有加工痕跡，說(shuō)明不是加工過(guò)程中產(chǎn)生的光球麻點(diǎn)缺陷和砂輪傷機(jī)械缺陷［8］。因?yàn)楣馇蚵辄c(diǎn)缺陷一般很深，在散光燈下觀察時(shí)，底部呈亮色。其產(chǎn)生原因:一是作為磨削工具的光球盤(pán)以顆粒形式脫落下來(lái)刺入鋼球表面;二是分流器的個(gè)別溝槽被堵塞，進(jìn)入兩盤(pán)間的鋼球太少，而工作壓力未減少;三是用加工小鋼球的光球盤(pán)去加工大鋼球，而且開(kāi)始時(shí)未用硬球壓溝，致使進(jìn)球不順，使鋼球的受力面減少。砂輪傷缺陷，是由于砂輪碰撞或尖銳物墊在鋼球表面上，主要呈條狀或斑點(diǎn)狀劃痕，在散光燈下觀察時(shí)，底部呈白色。

通過(guò)能譜分析，7/8″鋼球表面黑點(diǎn)缺陷處的微區(qū)成分O 含量很高，說(shuō)明是銹蝕斑點(diǎn)。黑點(diǎn)缺陷產(chǎn)生原因是由于鋼球在庫(kù)房保管過(guò)程中，由于庫(kù)房環(huán)境比較潮濕而使鋼球腐蝕的［9］。這是因?yàn)樵诔睗竦拇髿庵校撉虻谋砻鏁?huì)吸附一層很薄的看不見(jiàn)的濕氣層(水膜)，當(dāng)這層水膜達(dá)到20～30 個(gè)分子層厚度時(shí)，就變成電化學(xué)腐蝕所必需的電解液膜。所以在潮濕的大氣條件下，金屬的大氣腐蝕過(guò)程具有電化學(xué)本質(zhì)。這種電化學(xué)腐蝕過(guò)程是在極薄的液膜下進(jìn)行的，是電化學(xué)腐蝕的一種特殊形式。尤其是這些鋼球在搬運(yùn)和保管過(guò)程中，會(huì)沾上手上的汗等，這些都會(huì)提高液膜的腐蝕性，促使腐蝕加速。其腐蝕機(jī)理是，鋼球開(kāi)始時(shí)受薄而致密氧化膜性質(zhì)的影響，一旦鋼球處于“濕態(tài)”，即當(dāng)鋼球表面形成連續(xù)的電解液膜時(shí)，就開(kāi)始以氧去極化為主的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。鋼球在濕潤(rùn)條件下，鋼球表面形成的薄銹層就成為強(qiáng)烈的陰極去極化劑，在此情況下Fe-Fe3O4界面上發(fā)生著陽(yáng)極氧化反應(yīng):

Fe→Fe2++2e

而Fe3O4-FeOOH 界面上發(fā)生著陰極還原反應(yīng):

6FeOOH+2e→2Fe3O4+2H2O+2OH-

經(jīng)過(guò)以上反應(yīng)就形成了多孔氧化膜，即鋼球表面的黑點(diǎn)缺陷。

黑點(diǎn)缺陷就是鋼球疲勞剝落的疲勞源，軸承在循環(huán)應(yīng)力作用下，黑點(diǎn)缺陷處優(yōu)先發(fā)生滑移，形成滑移臺(tái)階，滑移臺(tái)階上進(jìn)一步發(fā)生陽(yáng)極溶解，促使塑性變形，鋼球表面上形成初始疲勞裂紋，進(jìn)而發(fā)展成疲勞剝離，可直接導(dǎo)致軸承最終破壞。如果帶有黑點(diǎn)缺陷的鋼球在軸承中使用，尤其是軍用軸承工況惡劣，這種缺陷會(huì)更加嚴(yán)重，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性故障。由此可見(jiàn)，腐蝕缺陷必須引起人們的特殊關(guān)注，在分析缺陷時(shí)必須考慮腐蝕的作用引起的影響及危害。為了防止軸承發(fā)生腐蝕，規(guī)定倉(cāng)庫(kù)和車(chē)間內(nèi)的環(huán)境條件十分重要，要嚴(yán)格控制濕度和溫度，在沒(méi)有恒溫恒濕調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)保持晝夜溫差小于6 ℃，相對(duì)濕度低于70%，適當(dāng)通風(fēng)，并避免日光的直接照射。在搬運(yùn)和保管產(chǎn)品時(shí)要戴手套，防止汗珠對(duì)產(chǎn)品造成腐蝕，產(chǎn)品在清洗后要及時(shí)脫水和防銹，避免產(chǎn)生銹蝕［10］。

5 結(jié)論

1)鋼球表面黑點(diǎn)缺陷為銹蝕斑點(diǎn)。

2)銹蝕斑點(diǎn)屬于產(chǎn)品保管中防銹效果不佳所致，因此鋼球要清洗干凈、及時(shí)防銹包裝，不要長(zhǎng)期暴露在空氣中，更不要接觸有腐蝕的化學(xué)介質(zhì)。

［1］趙傳國(guó)，盧淑君，梁華.軸承鋼球失效分析實(shí)例［J］.軸承，1994(2):28-32.

［2］中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)、職工教育委員會(huì)教材編審室.鋼球磨研工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990:1-16.

［3］全國(guó)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 10861—2008 滾動(dòng)軸承鋼球表面缺陷圖冊(cè)及評(píng)定方法［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:1-2.

［4］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)(第二卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:175-180.

［5］全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).YB 4105—2000 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫軸承鋼［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000:1-2.

［6］全國(guó)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 2850—2007 滾動(dòng)軸承Cr4Mo4V 高溫軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件［S］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:1-4.

［7］劉道新.材料的腐蝕與防護(hù)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013:137-144.

［8］馮恩廣.鋼球的制造［M］.一機(jī)部洛陽(yáng)軸承研究所，武漢鋼球廠，1981:254-262.

［9］孫躍，胡津.金屬腐蝕與控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003:135-141.

［10］孫智，江利，應(yīng)鵬展.失效分析:基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:179-182.