軸承用陶瓷球熒光滲透檢測

陳翠麗

（洛陽LYC軸承有限公司，洛陽 471003）

傳統(tǒng)的鋼制軸承，依靠結(jié)構(gòu)和潤滑條件的改進(jìn)，已經(jīng)難以滿足高速、高溫環(huán)境下的使用要求。鋼制內(nèi)外圈和陶瓷球組成的混合陶瓷球軸承（以下簡稱“陶瓷球軸承”），已成為已經(jīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子支承的最好選擇［1］，其外觀如圖1所示。

圖1 陶瓷球軸承

軸承用陶瓷球具有的耐高溫、耐磨、耐腐蝕、電磁絕緣、無油自潤滑等特點，是金屬鋼球無法比擬的。陶瓷材料不僅具有軸承材料的全部重要特性，而且，還可以承受金屬材料和高分子材料所不能承受的惡劣的工作環(huán)境。

陶瓷球軸承已廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動機(jī)及高精度高轉(zhuǎn)速機(jī)床、石油化工機(jī)械、冶金機(jī)械等領(lǐng)域，對陶瓷球質(zhì)量的控制就顯得尤為重要。筆者對陶瓷球熒光檢測的滲透劑進(jìn)行靈敏度試驗，優(yōu)化了熒光滲透檢測工藝，取得了較好的試驗效果。

1 陶瓷材料的特性及陶瓷球軸承的應(yīng)用特點

（1）高速 陶瓷材料的重量僅為鋼材重量的40%，可實現(xiàn)軸承的輕量化和高速化。航空航天發(fā)動機(jī)陶瓷球軸承高速旋轉(zhuǎn)時，能夠降低因離心力作用引起的滾動體載荷。陶瓷球軸承的轉(zhuǎn)速可達(dá)鋼制軸承的1.3～1.5倍。

（2）高剛性 陶瓷的彈性模量為金屬的1.5倍，受力后彈性變形小，剛度可提高15%～20%，從而減輕機(jī)床振動，在高精密系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價值。

（3）長壽命 陶瓷的硬度較金屬的硬度高1倍多，能夠減少磨損，具有較好的耐磨性。陶瓷的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度與金屬相當(dāng)；抗壓強(qiáng)度極高，約為金屬材料的5～7倍；尤其是在高溫條件下，仍能保持高的強(qiáng)度和硬度。耐壓性能好的陶瓷球軸承的壽命，通常較鋼制軸承提高3～5倍。

（4）低發(fā)熱 陶瓷材料的摩擦系數(shù)較小，僅為標(biāo)準(zhǔn)軸承鋼的30%左右；與金屬材料相比，陶瓷的導(dǎo)熱性能較差；因此，陶瓷球軸承工作時產(chǎn)生的熱量較小，可延長潤滑脂的壽命。

（5）低熱膨脹 陶瓷的熱膨脹系數(shù)約是鋼的20%，故陶瓷球軸承尺寸受溫度的影響小，且產(chǎn)生的熱預(yù)載較低，從而避免了熱量聚集造成的疲勞剝落。

（6）耐蝕性 陶瓷性材料不活潑的化學(xué)特性，使陶瓷球軸承具有一定的耐腐蝕性能，可用于化學(xué)特性復(fù)雜的場合。

（7）無磁性 強(qiáng)磁環(huán)境中使用鋼制軸承時，從軸承本身磨損下來的微粉被吸附在滾動體和滾道面之間，成為軸承提前剝落損壞、噪聲增大的主要原因。由于陶瓷球軸承完全非磁性，且具有正常的承載能力，所以可用于需要完全非磁性的場合。

（8）絕緣性 陶瓷材料的電阻率較高，可作為較好的絕緣材料，使軸承免遭電弧損傷。

2 陶瓷球質(zhì)量檢驗方法

從斷裂力學(xué)的角度出發(fā)，產(chǎn)品零件的表面缺陷比內(nèi)部缺陷更具危害性，所以主要分析陶瓷球表面缺陷及其檢驗方法。

2.1 陶瓷球常見表面缺陷

陶瓷球常見的表面缺陷有：裂紋、凹坑、雪花、劃傷、擦傷等。

產(chǎn)生表面缺陷的原因主要有：球胚球度差研磨盤在陶瓷球表面產(chǎn)生的裂紋；異常磨粒在加工中產(chǎn)生的凹坑；精研過程中不正確的加工壓力和沒有破碎的硬磨粒產(chǎn)生的擦傷和劃傷等。

2.2 陶瓷球檢驗方法

陶瓷球的質(zhì)量，除了控制制造工藝以外，無損檢測是確保其質(zhì)量的主要方法之一。

陶瓷球表面黑而光亮，針對陶瓷球表面缺陷檢查的手段主要有：在強(qiáng)光下進(jìn)行目視檢查；采用著色滲透檢測方法；采用熒光滲透檢測方法；借助10倍以下放大鏡目視檢查；通過掃描電鏡進(jìn)行檢測。各檢驗方法下的陶瓷球表面形貌示例如圖2所示。

圖2 各種檢驗方法下的陶瓷球表面形貌示例

通過圖2可看出，要想可靠地檢測出表面細(xì)微裂紋，選擇合適的檢驗方法很重要。

3 陶瓷球的滲透檢測

對于表面缺陷的檢測，常規(guī)無損檢測方法主要有磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測。針對陶瓷球的電絕緣和不導(dǎo)磁的特點，選擇滲透檢測方法對陶瓷球表面缺陷進(jìn)行檢測比較合適。

3.1 滲透檢測原理［2］

當(dāng)被檢工件表面涂覆了帶有著色染料或熒光染料物質(zhì)，且具有高滲透能力的滲透劑時，由于毛細(xì)管作用和濕潤作用，滲透劑滲透入工件表面開口缺陷中；然后，將工件表面多余的滲透劑清洗去除干凈，但保留住缺陷中的滲透劑；再在被檢工件表面噴涂顯像劑，缺陷中的滲透劑在毛細(xì)作用下重新被吸附到工件表面，形成缺陷痕跡；在白光燈（著色染料）或紫外線燈（熒光染料）照射下，即可觀察到缺陷的著色圖像痕跡（白光燈下）或熒光圖像痕跡（紫外線燈下），并對缺陷性質(zhì)進(jìn)行評定。

3.2 熒光滲透檢測靈敏度試驗

為了驗證所采用的熒光滲透劑的系統(tǒng)靈敏度，采用TP系列靈敏度試塊進(jìn)行靈敏度試驗。

靈敏度試驗的試塊上人工缺陷深度分別為10，20，30μm；各試塊標(biāo)為TP－20，TP－20，TP－30。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同缺陷深度的試塊跡痕顯示

從高靈敏度試塊的試驗結(jié)果可以看出，各試塊均能顯示清晰的跡痕，說明所采用的滲透劑系統(tǒng)符合要求。

根據(jù)工藝要求，最后選定TP－20（人工缺陷深度為20μm）試塊，作為陶瓷球試驗的參考試塊。

3.3 熒光滲透檢測工藝優(yōu)化

陶瓷球表面裂紋比較微小，航空航天發(fā)動機(jī)陶瓷球軸承應(yīng)用熒光滲透法進(jìn)行檢測。為了提高陶瓷球熒光滲透檢測的可靠性，確保產(chǎn)品質(zhì)量，對陶瓷球熒光滲透檢測工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝流程如下：

（1）預(yù)處理：使用無塵布擦拭，去除陶瓷球表面的外來污物雜質(zhì)。

（2）滲透：高靈敏度水洗型熒光滲透劑，浸涂法；滲透溫度：15～40℃；滲透時間：不少于10min分鐘。

（3）去除：水洗在紫外線燈照射下進(jìn)行；在保證得到合格背景的前提下，水洗時間應(yīng)越短越好；水壓不得超過0.3MPa，水溫控制在30～40℃。

（4）干燥：采用干凈的無塵布將陶瓷球表面吸干。

（5）顯像：采用自顯像法，觀察應(yīng)在吸干后立即進(jìn)行，一般7 min，如顯示跡痕的大小不過分?jǐn)U大，則觀察可超過上述時間。

（6）檢驗：在紫外線燈下觀察，紫外線燈在檢測前至少預(yù)熱5 min，被檢表面的紫外輻照度不小于1 500w／cm2，環(huán)境的白光強(qiáng)度不得大于20lx。

經(jīng)過大量的檢測試驗證明，采用優(yōu)化后的熒光滲透檢測工藝，可以檢出陶瓷球表面的細(xì)微裂紋缺陷。

4 結(jié)語

采用TP系列試塊對陶瓷球熒光檢測的滲透劑進(jìn)行靈敏度試驗，優(yōu)化了熒光滲透工藝，檢測結(jié)果表明，應(yīng)用優(yōu)化后的熒光滲透檢測工藝能有效地檢出航空航天發(fā)動機(jī)陶瓷球表面微細(xì)裂紋。

［1］陳巍，李云清，杜發(fā)榮.混合陶瓷球軸承在微型渦噴發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用［J］.軸承，2009（6）：32－35.

［2］胡學(xué)知.滲透檢查［M］.北京：中國勞動出版社，2007.