滾動軸承接觸疲勞失效的影響因素及其研究現(xiàn)狀

郭 浩，雷建中，扈林莊

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471029）

0 引言

滾動軸承作為支承和傳遞載荷的基礎(chǔ)部件，應(yīng)用非常廣泛。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，滾動軸承的應(yīng)用范圍逐漸擴大，尤其在苛刻環(huán)境條件下，如高溫、高速、重載、強磁大電流等[1]，必然要求滾動軸承具備更優(yōu)的性能。然而，滾動軸承的制造過程，如材料冶煉、機加工成型、熱處理、磨削工藝、裝配工藝等諸多因素，均影響軸承的性能。不僅如此，滾動軸承服役時，由于接觸面材料表層要承受較高的循環(huán)應(yīng)力以及環(huán)境因素的作用，還會發(fā)生微觀組織結(jié)構(gòu)變化，最終使材料損傷并引起軸承失效。

滾動軸承作為基礎(chǔ)零部件，一旦失效，可能引起相應(yīng)工程設(shè)備或重要產(chǎn)品的故障并造成重大損失，因此，國內(nèi)外開展了較多關(guān)于滾動軸承失效的研究。有關(guān)滾動軸承接觸疲勞失效的研究，主要包括：滾動軸承接觸疲勞失效的特定影響因素研究，滾動軸承接觸疲勞壽命模型研究，以及滾動接觸疲勞失效機理研究等。同時ISO15243—2004也總結(jié)概括了滾動軸承失效的類型[2]，其中包含滾動接觸疲勞失效。然而，滾動軸承接觸疲勞失效仍有較多待解決的問題，如：潤滑機理及其與軸承接觸疲勞失效的關(guān)系，材料夾雜物的尺寸、類型、分布對滾動接觸疲勞失效的影響和機理等。因此，本研究以軸承的制造過程和服役過程為主線，系統(tǒng)闡述不同階段滾動軸承接觸疲勞失效的影響因素及研究現(xiàn)狀，并提出相應(yīng)的預防措施。

1 材料質(zhì)量

滾動軸承材料的優(yōu)劣顯著影響滾動軸承的性能高低，而軸承材料質(zhì)量又不可避免地會受其化學成分、冶煉技術(shù)、生產(chǎn)工藝的影響。當前，對材料質(zhì)量影響滾動軸承接觸疲勞失效的研究主要集中于鋼的內(nèi)部缺陷。

鋼的冶煉過程中有時會產(chǎn)生一些內(nèi)部缺陷，如氣孔、夾雜物等，這必然會影響軸承材料性能。裂紋易萌生于氣孔邊緣，并以剪切模式Ⅱ和模式Ⅲ擴展（見第5 部分），同時孔洞的形狀、深度也對裂紋的萌生和擴展有影響。圖1 顯示了AISI52100鋼基體夾雜物尺寸類型的有害指數(shù)關(guān)系[3]。由圖1可以看出，鋼基體夾雜物主要包括氧化物、混合氧化物、鈦化物（碳化鈦和氮化鈦）、硫化物。已經(jīng)證實，滾動接觸疲勞壽命與總O 含量有相關(guān)性[4]，因為O 原子多是以氧化物的形式存在，并且O 含量高，夾雜物顆粒大，滾動接觸疲勞壽命與最大夾雜物有關(guān)[5]，而與夾雜物類型關(guān)系不大[3]。因此控制O 含量是有效的。

圖1 鋼基體中夾雜物尺寸類型有害指數(shù)[3]Fig.1 Harm index of inclusion size in steel matrix

Ti 主要來源于鋼鐵冶煉過程中使用的鐵合金或廢料，含量較低，其基體主要以鈦化物（碳化鈦和氮化鈦）形式存在。因此，一方面可以減少爐渣氧化鈦含量，另一方面也要嚴格控制N 含量（質(zhì)量分數(shù)＜1×10?3%），減少氮化鈦的形成[6]。隨著軸承鋼冶煉水平的提高，特別是在軸承承受重載的條件下，各種夾雜物均會促進裂紋萌生。文獻[7]研究了硫化物對裂紋萌生的影響，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于硫化物端點，沿著載荷移動的方向擴展，并且平行于載荷運動方向的硫化物大小控制著滾動接觸疲勞壽命。

雖然在一定程度上了解了不同類型夾雜物對滾動接觸疲勞壽命的影響，但基體夾雜物往往不是單一的，如何確定多種夾雜物共同影響滾動接觸疲勞壽命，甚至定量分析復合夾雜物與滾動接觸疲勞壽命的關(guān)系仍是難題。不僅如此，夾雜物位于基體內(nèi)，如何有效評估夾雜物尺寸、位置、三維特征并標準化，也是當前難題之一。最后，如何采取措施有效地控制夾雜物、提高軸承壽命也是當前需要解決的問題之一。文獻[8]采用極值統(tǒng)計估算微觀夾雜物和超聲波測試宏觀夾雜物結(jié)合，更能有效評估鋼的純潔度；文獻[9]開發(fā)了基于夾雜物的疲勞壽命方程，并考慮夾雜物大小、深度、數(shù)量以及硬度對壽命的影響；文獻[10]采用HIP（熱等靜壓）處理提高夾雜物與基體的結(jié)合力來提高軸承壽命，調(diào)整熱處理溫度以及適當加入或改變微量合金元素含量，也是提高軸承壽命的方法之一。這些具有一定啟迪意義，為進一步研究夾雜物對滾動接觸疲勞壽命的影響提供了思路。

2 加工工藝及熱處理質(zhì)量

成品軸承零件的性能與軸承的加工工藝及熱處理質(zhì)量有關(guān)。隨著鋼材冶煉水平的提高，鋼材質(zhì)量也有了大幅度的提升。此時，軸承的加工工藝（包括熱加工和冷加工）則日益受到重視。如棒料和管材在生產(chǎn)期間，其力學性能有方向性，而鍛造的套圈則趨于各向同性。研究表明，工具磨損以及機加工條件[11]均影響表面顯微硬度和殘余應(yīng)力分布，進而影響疲勞壽命。當然，改進加工工藝的同時應(yīng)避免常見的加工缺陷如硬車削白層組織（圖2）、鍛造裂紋、鍛造過燒組織、磨削燒傷以及磨削裂紋（圖3）等。

機加工使軸承零件成形，而熱處理則保證了軸承零件的性能（硬度、強度等），因此，熱處理質(zhì)量對軸承零件質(zhì)量影響較大。常見的熱處理質(zhì)量問題有表面脫碳超標、硬度不合格、淬火裂紋以及尺寸變形等。同時，高碳軸承鋼還易于出現(xiàn)較嚴重的網(wǎng)狀碳化物，5 GPa 加速試驗表明，網(wǎng)狀碳化物對接觸疲勞性能不利。通過終鍛溫度以足夠快的速率冷卻或正火后進行滲碳體球化退火，可以把網(wǎng)狀碳化物的級別降低，碳從滲碳體向位錯遷移是碳化物溶解的主要機制[12]。另外，可以通過最優(yōu)熱處理抑制夾雜物附近微孔的形成，從而提高軸承零件的性能。

圖2 硬車削白層組織圖片F(xiàn)ig.2 White microstructure by hard machining

圖3 外圈滾道面磨削裂紋熱酸洗形貌Fig.3 Surface grinding cracks of outer ring raceway after hot pickling

采取不同措施提高軸承壽命是永恒的追求，軸承的失效多數(shù)為表層損傷，故表面處理技術(shù)也逐漸成為當前研究的主要方向之一，如離子注入技術(shù)、表面鍍膜技術(shù)、激光表面處理、超聲波納米表面改性、噴丸強化，滲碳以及碳氮共滲等。不僅如此，采用不同工藝細化晶粒[13]也是提高軸承壽命的方式之一。

3 表面狀態(tài)

受機加工水平影響，套圈表面不是絕對光滑的，微觀分析其表面形貌存在較多凸起和凹坑，常以表面粗糙度Ra（表面標準偏差Rq，表面傾斜度Rsk，表面峰度Rku）表述。也有研究已證實，表面粗糙度影響滾動軸承接觸疲勞壽命[2,14-15]。一方面，表面粗糙度影響潤滑膜的形成能力，甚至改變潤滑機制[16]。研究認為溝道表面粗糙度紋理垂直運動方向，有利于潤滑油膜的形成，若表面粗糙紋理平行于運動方向，則減小潤滑膜厚度[2]，同時給出了參數(shù)Λ來表征粗糙度與潤滑油膜厚度的關(guān)系，見式(1)。文獻[17]的試驗表明，薄油膜區(qū)（Λ＜1），橫向表面的油膜厚度會因粗糙峰變形引起滑-滾比增加，但Λ＞3 時，粗糙峰變形可以被忽略，實際多數(shù)軸承處于部分彈流潤滑狀態(tài)即（Λ=1～2）。另一方面，表面粗糙度改變接觸面載荷分布?？梢岳斫?，表面峰位置承受較大載荷易于引起應(yīng)力集中，加速表面裂紋形成，最終影響軸承滾動接觸疲勞壽命。雖然增加表面粗糙度減少滾動軸承接觸疲勞壽命已是事實，但也不是表面粗糙度越小，滾動接觸疲勞壽命就越高，這與潤滑機制及服役條件有關(guān)。文獻[15]研究表明，若使表面產(chǎn)生織構(gòu)(含有較多深度0.6 μm 的淺壓痕)則有利于提高疲勞壽命，織構(gòu)作用取決于潤滑機制、接觸壓力以及滾滑條件等。雖然通過上述定性研究可以增加材料硬度，減少應(yīng)力集中，甚至改變材料性能，降低表面粗糙度來提高滾動接觸疲勞壽命[14]，但還不能真正了解滾動接觸過程中表面粗糙度瞬時狀態(tài)及其評估對滾動接觸疲勞壽命的影響，故尋求減小粗糙度對滾動接觸疲勞的影響同時又不影響其他性能的綜合方法是當前研究的熱點。

式中，h0為最小油膜厚度，Sr為滾道表面的均方根粗糙度，SRE為滾動體表面的均方根粗糙度。

同時，套圈接觸表面若存在微觀缺陷，如壓痕、劃傷以及其他表面質(zhì)量問題（如腐蝕），則均易引起滾動軸承表面剝落。事實上，軸承接觸面微觀缺陷可能產(chǎn)生于軸承生產(chǎn)過程，也可能與服役過程中硬顆粒的作用有關(guān)，并且缺陷的產(chǎn)生無規(guī)律可尋。因此，試驗?zāi)M真實的表面缺陷產(chǎn)生并評估其對滾動接觸疲勞壽命的影響就變得非常困難，故研究通常是以預制表面缺陷來實現(xiàn)[16]。另外，表面腐蝕及潤滑劑腐蝕均會改變滾動軸承接觸表面狀態(tài)，進而影響滾動軸承接觸疲勞壽命。由此認為，如何有效、科學地表征表面缺陷特征及真實評估其對滾動軸承接觸疲勞壽命的影響，是當前亟待解決的問題。

4 設(shè)計與裝配

軸承單元包含內(nèi)圈、外圈、滾動體及潤滑介質(zhì)，它們組裝在一起互相作用，必然會影響軸承單元的壽命，因此，良好的軸承設(shè)計對滾動軸承接觸疲勞壽命至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，滾動體與內(nèi)外圈硬度差、軸承類型、載荷分布、滾動體與溝道一致性[17]以及內(nèi)部游隙等，均影響滾動軸承接觸疲勞壽命，應(yīng)通過綜合優(yōu)化設(shè)計來提高軸承壽命：如工作游隙應(yīng)盡可能小，以使軸承的載荷區(qū)盡可能大，但同時還應(yīng)考慮載荷以及工作溫度的極端狀態(tài)，避免軸承游隙太小甚至出現(xiàn)負值，以至于出現(xiàn)軸承過熱卡死現(xiàn)象。

單一軸承零件通過適當?shù)难b配工藝組裝成軸承單元，裝配過程也會影響滾動軸承壽命[18]：如裝配過程磕碰、劃傷或混入異物均會造成軸承接觸面的表面缺陷，進而引起軸承運轉(zhuǎn)時早期失效。若軸承裝配時溝道面被腐蝕就會降低表面抗疲勞性，引起早期裂紋萌生并導致軸承過早失效。更為重要的是，如果軸承裝配不當則會引起載荷分布不均，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起軸承脆斷或早期失效。

因此，優(yōu)化設(shè)計和裝配工藝是提高滾動軸承接觸疲勞壽命的關(guān)鍵措施之一。

5 潤滑狀態(tài)

潤滑劑被稱為軸承的第五大件，其對滾動接觸疲勞壽命的作用日益引起廣泛關(guān)注。根據(jù)不同的潤滑劑類型，軸承的潤滑方式主要有油潤滑、脂潤滑，固體潤滑。潤滑方式不同，則潤滑機理不同[1]。另外，軸承服役條件十分復雜，沒有任何一種或一類潤滑劑能滿足所有服役條件。故針對特定的服役條件，在潤滑劑中加入合適的添加劑，會對滾動接觸疲勞產(chǎn)生影響[19]。

5.1 油膜厚度

滾動接觸表面若被潤滑劑油膜厚度完全分開，則滾動接觸疲勞壽命最長。但如前所述，軸承服役條件十分復雜，不同條件下油膜厚度不同，則滾動軸承潤滑狀態(tài)也發(fā)生變化。文獻[20]根據(jù)油膜厚度詳細描述了不同潤滑狀態(tài)的特征。文獻[21]研究了應(yīng)力場和滾動壽命影響因素并進行參數(shù)化表達，進而提出彈性流體動壓力分布峰值概念；結(jié)果表明，壓力峰數(shù)量減少、半寬和滑動牽引系數(shù)以及壓峰高度增加，將引起近表面應(yīng)力場增加，進而導致滾動壽命降低。有趣的是，油膜厚度增加也不總是增加滾動接觸疲勞壽命。文獻[22]研究油膜厚度參數(shù)對小軸承振動及電腐蝕影響發(fā)現(xiàn)，油膜厚度增加，軸承振動增加，電腐蝕嚴重。

5.2 潤滑劑的污染

軸承苛刻的服役條件以及軸承運轉(zhuǎn)過程中磨損產(chǎn)生的磨屑、潤滑劑極可能被污染，會影響軸承的使用壽命。潤滑劑污染可分為固態(tài)污染和液體污染。固態(tài)污染物主要包含軸承磨損產(chǎn)生的磨屑及外部硬顆粒異物，液體污染則主要包含水及其他非添加劑。研究發(fā)現(xiàn)，污染潤滑條件不同對軸承壽命的影響也不同。文獻[23]研究了污染潤滑條件下軸承壽命模型，提出了潤滑系數(shù)ηb和污染系數(shù)ηc的概念。固態(tài)污染物主要影響滾動接觸表面狀態(tài)，使接觸表面易于產(chǎn)生微裂紋進而加速軸承表面接觸疲勞，大幅度減少軸承壽命。

液體污染物主要為液態(tài)水通過影響潤滑劑特性、接觸面特性進而影響滾動軸承接觸疲勞壽命。水影響疲勞壽命的主要機制包括水壓入表面微裂紋，形成微毛細管，在裂紋中引起水腐蝕和氫脆，加速裂紋擴展[24]；與摩擦表面發(fā)生化學反應(yīng)，改變潤滑劑和磨損層的表面特性[25]。

5.3 潤滑的相互作用

滾動軸承運轉(zhuǎn)過程中潤滑劑間以及其與接觸表面間相互作用，如發(fā)生化學反應(yīng)等，均會影響滾動軸承接觸疲勞壽命。文獻[26]研究了疲勞壽命水平、應(yīng)力/壽命指數(shù)和Weibull 分布斜率的影響因素，以添加劑、潤滑劑基礎(chǔ)劑以及接觸表面材料的化學組分為變量，結(jié)果表明，隨著應(yīng)力和滑動率變化，潤滑劑的化學性質(zhì)也發(fā)生變化。文獻[27]在試驗條件下發(fā)現(xiàn)，濕度對疲勞壽命的影響不大，但濕度與擴散氫含量有關(guān)。

不僅如此，當滾動接觸表面產(chǎn)生微裂紋時，其與液體潤滑劑會相互作用，加速裂紋擴展。裂紋疲勞擴展一般包含3種模式，即張開型、滑開型和撕開型[28]（圖4）。液體以類似毛細血管緩慢流入裂紋內(nèi)部或者被裂紋捕捉進入裂紋內(nèi)部[29]，并與裂紋發(fā)生作用，進而影響裂紋擴展，最終影響滾動接觸疲勞壽命。文獻[30]以迭代法評估考慮液體捕獲機制的裂紋前部增加機理，認為液體捕獲體積取決于載荷加載處裂紋的3D 形貌。文獻[31]建立了基于三維橢圓接觸并考慮液體增加影響的裂紋增長模型，認為尺寸較大的裂紋，接觸壓力不能完全密封裂紋內(nèi)液體，裂紋將以剪切模式擴展。

6 服役環(huán)境及條件

圖4 裂紋擴展模式[29]Fig.4 Crack propagation model

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，軸承的服役環(huán)境越來越苛刻，如真空、高溫、強磁場、大電流等，這些服役條件必然對滾動軸承接觸疲勞壽命產(chǎn)生影響。因此，有必要研究特定環(huán)境及服役條件下滾動軸承的特性，以便更好的進行軸承設(shè)計。已經(jīng)開展的相關(guān)研究包括：真空大氣環(huán)境、水和氧氣環(huán)境、氫和濕度環(huán)境、大電流等。高溫會導致軸承材料的硬度降低，還影響材料彈塑性能力，如溫度升高會加劇回火馬氏體的碳擴散，使彈性響應(yīng)階段縮短[32]。當然影響滾動軸承壽命的環(huán)境因素不是單一的，而且還是動態(tài)變化的，因此，在了解特定環(huán)境對滾動軸承接觸疲勞壽命影響的同時，如何綜合評估多重環(huán)境下影響滾動軸承壽命的規(guī)律是當前研究的難點。

同時，服役條件如高速、重載等也對滾動軸承接觸疲勞壽命產(chǎn)生重要影響。雖然滾動軸承的滾動摩擦比滑動摩擦能量小很多，但是任何摩擦都會有能量損失。習慣上以DN 值大小描述滾動軸承轉(zhuǎn)速高低，DN 值增加，一方面單位時間內(nèi)摩擦引起的溫升增加[1]，溫度增加引起上述的潤滑油特性改變，進而影響滾動軸承接觸疲勞壽命；另一方面，速率增加，滾動體離心力增加，滾動表層應(yīng)力分布改變，切向力增加[33]，進而對滾動接觸疲勞壽命產(chǎn)生影響。更重要的是，滾動體與接觸面間的滑動不可避免，滑動會降低球的公轉(zhuǎn)速率，同時，接觸表面除了存在法向應(yīng)力外，還會產(chǎn)生切應(yīng)力分量，由此產(chǎn)生較高的次表面應(yīng)力，降低疲勞壽命[1,34]。載荷增加，滾動接觸面應(yīng)力增加且是載荷的函數(shù)[35]，滾動軸承結(jié)構(gòu)不同，接觸面間載荷分布也不同，L-P壽命理論以球軸承和滾子軸承壽命指數(shù)分別取3 和10/3[1]。不僅如此，軸承運轉(zhuǎn)過程中載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力（表面和次表層應(yīng)力）不是一成不變的，且其與磨加工引起的殘余應(yīng)力相互作用。如何真實理解滾動軸承運轉(zhuǎn)過程中表層及次表層應(yīng)力變化規(guī)律及其對滾動軸承壽命的影響是需要解決的問題之一。

7 結(jié)束語

本文以軸承的生產(chǎn)過程和服役過程為主線，從材料質(zhì)量、加工工藝、熱處理質(zhì)量、表面狀態(tài)、潤滑狀態(tài)、設(shè)計與裝配、服役環(huán)境及條件等方面概括了滾動軸承接觸疲勞失效的影響因素。然而，實際滾動軸承接觸疲勞失效并不是單一因素引起，而是多種因素耦合導致軸承的最終失效。因此，在對軸承生產(chǎn)全過程進行控制的同時有必要對具體失效軸承進行全面地失效分析，以便從諸多影響因素中查找出最主要因素，為優(yōu)化軸承設(shè)計和延長其滾動接觸疲勞壽命提供理論支持。