高溫軸承鋼鋼球表面缺陷分析

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，會使軸承旋轉(zhuǎn)時經(jīng)常產(chǎn)生振動和噪聲，缺陷越大，振動值越大。軸承長時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。表面缺陷會增大軸承摩擦力矩，因?yàn)樵谳S承工作過程中，負(fù)荷點(diǎn)經(jīng)過缺陷時要消耗一定的能量，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。腐蝕是滾動軸承最嚴(yán)重的問題之一，高精度的軸承可能會由于表面銹蝕導(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)會引起滾動軸承的生銹和腐蝕，最終引起滾動軸承的失效。早在1994年，洛陽軸承研究所的趙傳國等［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)測試檢查，發(fā)現(xiàn)其中的軸承轉(zhuǎn)動性能不正常，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，分布無規(guī)則，深淺不一;黑點(diǎn)缺陷三維(3D)形貌特征見圖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A、B 和C。采用HR-150G 洛氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度測試，每粒鋼球測試3 點(diǎn)，結(jié)果見表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，磨制成金相試樣后用TUKON2500 維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度梯度測試，結(jié)果見表3。由表可知，鋼球硬度符合JB/T 2850—2007 的要求，說明鋼球硬度均勻，無軟點(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圖3。按照J(rèn)B/T 2850—2007 標(biāo)準(zhǔn)要求對其淬回火組織進(jìn)行檢驗(yàn)評級，顯微組織為3 級，符合要求。通過對鋼球表面黑點(diǎn)缺陷的顯微組織觀察(圖4)，晶界或毗鄰區(qū)域并沒有發(fā)生局部腐蝕，且沿著或緊挨著材料的晶界處也沒有向內(nèi)部發(fā)展的腐蝕現(xiàn)象，更沒有發(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

通過對鋼球缺陷區(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，人為對鋼球造成銹蝕，然后在共聚焦顯微鏡中對鋼球表面的缺陷進(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)。通過觀察分析，進(jìn)一步說明了鋼球表面黑點(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、非金屬夾雜物的級別都符合YB 4105—2000標(biāo)準(zhǔn)要求，說明鋼球表面黑點(diǎn)缺陷不是原材料質(zhì)量所致。通過顯微組織和硬度檢驗(yàn)，7/8″鋼球硬度均勻，無軟點(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，無碳化物脫落，沒有晶間腐蝕;因此，鋼球表面黑點(diǎn)缺陷與熱處理質(zhì)量無關(guān)。

通過共聚焦顯微鏡觀察，鋼球表面黑點(diǎn)缺陷分布無規(guī)律，周圍沒有加工痕跡，說明不是加工過程中產(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，底部呈亮色。其產(chǎn)生原因:一是作為磨削工具的光球盤以顆粒形式脫落下來刺入鋼球表面;二是分流器的個別溝槽被堵塞，進(jìn)入兩盤間的鋼球太少，而工作壓力未減少;三是用加工小鋼球的光球盤去加工大鋼球，而且開始時未用硬球壓溝，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，底部呈白色。

通過能譜分析，7/8″鋼球表面黑點(diǎn)缺陷處的微區(qū)成分O 含量很高，說明是銹蝕斑點(diǎn)。黑點(diǎn)缺陷產(chǎn)生原因是由于鋼球在庫房保管過程中，由于庫房環(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?，鋼球的表面會吸附一層很薄的看不見的濕氣?水膜)，當(dāng)這層水膜達(dá)到20～30 個分子層厚度時，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，金屬的大氣腐蝕過程具有電化學(xué)本質(zhì)。這種電化學(xué)腐蝕過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)和保管過程中，會沾上手上的汗等，這些都會提高液膜的腐蝕性，促使腐蝕加速。其腐蝕機(jī)理是，鋼球開始時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，就開始以氧去極化為主的電化學(xué)腐蝕過程。鋼球在濕潤條件下，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，形成滑移臺階，滑移臺階上進(jìn)一步發(fā)生陽極溶解，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，這種缺陷會更加嚴(yán)重，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性故障。由此可見，腐蝕缺陷必須引起人們的特殊關(guān)注，在分析缺陷時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)定倉庫和車間內(nèi)的環(huán)境條件十分重要，要嚴(yán)格控制濕度和溫度，在沒有恒溫恒濕調(diào)節(jié)時，應(yīng)保持晝夜溫差小于6 ℃，相對濕度低于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)品時要戴手套，防止汗珠對產(chǎn)品造成腐蝕，產(chǎn)品在清洗后要及時脫水和防銹，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、及時防銹包裝，不要長期暴露在空氣中，更不要接觸有腐蝕的化學(xué)介質(zhì)。

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

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

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

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

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

［6］全國滾動軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB/T 2850—2007 滾動軸承Cr4Mo4V 高溫軸承鋼滾動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.

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