滾動軸承打滑蹭傷微觀分析*

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院 貴州貴陽 550025； 2.貴陽學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院材料磨損與腐蝕防護貴州省高校工程研究中心 貴州貴陽 550005)

滾動軸承是大型裝備轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一種重要支撐，其性能和可靠性直接影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)安全運行[1]。隨著滾動軸承服役工況日趨苛刻，其早期失效已嚴重制約重大裝備技術(shù)的發(fā)展。滾動軸承早期失效主要形式之一是打滑蹭傷，即滾動體與內(nèi)圈之間因打滑引起的軸承組件表面摩擦磨損[2]。

打滑蹭傷問題是一個耦合材料學(xué)、摩擦學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)等多門學(xué)科知識的復(fù)雜問題[3]，因此學(xué)者多集中于理論研究，試驗研究偏少。在試驗研究方面，研究人員主要開展了軸承打滑蹭傷失效分析。如TASSONE[4]運用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡及表面光潔度儀等，對比分析了打滑軸承與非打滑軸承表面形貌及輪廓，在軸承蹭傷區(qū)發(fā)現(xiàn)了由點蝕導(dǎo)致的金屬轉(zhuǎn)移而引發(fā)的微坑。AVERBACH和BAMBERGER[5]對航空燃氣輪機主軸軸承損傷形式進行分類，分析發(fā)現(xiàn)軸承失效起源于表面損傷，軸承打滑蹭傷是由局部金屬與金屬接觸引發(fā)的剝落。方明偉[6]借助失效分析手段，分析了航空發(fā)動機主軸軸承內(nèi)圈及滾子蹭傷形貌及輪廓。此外，研究人員還通過試驗對軸承打滑蹭傷進行了研究。SELVARAJ和MARAPPAN[7]通過自主研發(fā)的試驗機，分析了軸承轉(zhuǎn)速、徑向載荷、潤滑油黏度、滾子數(shù)目及軸承溫度等工況參數(shù)對軸承打滑率的影響，結(jié)果表明：增加軸承轉(zhuǎn)速、減小徑向載荷及增加潤滑油黏度都會使軸承打滑率增加，增加軸承溫度會降低軸承打滑率。李軍寧等[8]在自行設(shè)計并研制的高速滾動軸承滑蹭試驗機上開展軸承滑蹭試驗，對比分析了滾子與內(nèi)圈滑蹭前后形貌，從試驗的角度印證了于仁溥和馮仰園[9]對蹭傷的解釋。綜上所述，以往學(xué)者更多注重軸承打滑行為及蹭傷形貌分析，并未對滾動軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶區(qū)域展開深度分析，而這對進一步認識滾動軸承打滑蹭傷機制尤為重要。

本文作者以航空發(fā)動機廣泛打滑的滾動軸承為例，借助X射線光電子能譜儀(XPS)、俄歇電子能譜儀(AES)、能譜分析儀(EDX)和X射線衍射分析儀(XRD)等多種手段，對打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面進行微觀分析，從而進一步認識滾動軸承打滑蹭傷機制，以期對今后相關(guān)理論研究及實踐提供幫助。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

試驗樣品為航空發(fā)動機主軸后軸承，包括新軸承及服役后打滑蹭傷軸承各一套。將新軸承內(nèi)圈滾道及蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶區(qū)域采用線切割切成5 mm×5 mm×2 mm(長×寬×高)的立方體。

1.2 試驗方法

利用Taylor PGI 420型輪廓儀獲得軸承內(nèi)圈滾道表面輪廓；利用FEI Quanta 250 FEG型掃描電子顯微鏡配套Octane pro型能譜儀分析表面元素成分；利用日本UIvac-Phi公司PH Quantera Ⅱ型X射線光電子能譜儀分析表面元素化學(xué)價態(tài)，為避免樣品表面污染，采樣處先濺射20 min(約170 nm)后采譜；利用PHI公司710型掃描俄歇納米探針配套俄歇電子能譜儀分析元素含量，為避免樣品表面污染，采樣處刻蝕2 min后采譜并獲得各元素含量；利用日本理學(xué)公司D/max 2500型X射線衍射分析儀分析相結(jié)構(gòu)，測試條件為管電流200 mA，管電壓40 kV，X射線發(fā)生裝置為Cu靶，步距為0.02°，連續(xù)掃描3 °/min。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌及輪廓分析

圖1所示為打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶宏觀形貌及輪廓。內(nèi)圈滾道出現(xiàn)明顯蹭傷痕跡(圖1中A處)，這是判斷軸承是否出現(xiàn)打滑蹭傷的主要依據(jù)，蹭傷處呈暗灰色帶狀，即蹭傷帶，蹭傷帶寬度在某處達到最大，隨后向兩邊逐漸減小。對于滑蹭程度不同的軸承內(nèi)圈滾道，蹭傷帶大小并不相同。對內(nèi)圈滾道輪廓分析發(fā)現(xiàn)：與新軸承相比，蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面磨損嚴重，且粗糙度值遠高于其他區(qū)域。滾動軸承內(nèi)圈滾道表面所形成的蹭傷帶，可能是軸承運行過程中，由于運行工況苛刻，在某瞬間滾子與滾道間潤滑油膜遭到破壞，使兩者發(fā)生干摩擦所致。

圖1 打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面宏觀形貌及輪廓

2.2 化學(xué)成分及價態(tài)分析

圖2所示為新軸承和打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道EDX能譜圖。如圖2(b)所示，新軸承內(nèi)圈滾道發(fā)現(xiàn)C、Fe、Cr、V、Mo 5種元素；如圖2(a)所示，打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面發(fā)現(xiàn)C、Fe、Cr、V、Mo、O 6種元素。與新軸承內(nèi)圈滾道相比，打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面發(fā)現(xiàn)O峰，表明滾動軸承打滑蹭傷過程中內(nèi)圈滾道表面可能發(fā)生氧化磨損。

圖2 新軸承與打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道表面EDX圖譜

進一步對打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面進行XPS分析，選取C1s結(jié)合能(284.6 eV)為對照標準。對Fe2p圖譜分峰擬合，如圖3所示，新軸承內(nèi)圈滾道表面Fe2p3/2譜中可觀察到2個峰，其結(jié)合能分別為708.1、706.8 eV。經(jīng)與標準圖譜對比發(fā)現(xiàn)，這2個峰分別對應(yīng)于Fe3C[10]和Fe[11]。打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面Fe2p3/2譜中可觀察到3個峰，多出一個結(jié)合能為709.5 eV的FeO[12]峰。滲碳體Fe3C是鋼中一種常見物質(zhì)，而FeO通常出現(xiàn)在約570 ℃環(huán)境下，軸承打滑蹭傷過程中內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面出現(xiàn)FeO，這說明滾動軸承打滑蹭傷過程中可能出現(xiàn)較高的局部閃溫[13]。

圖3 新軸承與打滑蹭傷軸內(nèi)圈滾道表面XPS圖譜

2.3 相結(jié)構(gòu)分析

圖4所示為新軸承內(nèi)圈滾道及打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面的X射線衍射分析圖譜。

圖4 新軸承與打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道表面XRD圖譜

對比新軸承內(nèi)圈滾道，打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面奧氏體(200)晶面峰更高，而馬氏體(200)晶面、馬氏體(211)晶面峰更低。這說明打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面組織中發(fā)生馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變，該組織是相變產(chǎn)物。這可能是由于滾動軸承打滑蹭傷過程中，滾子與內(nèi)圈滾道直接接觸，軸承內(nèi)圈滾道表面存在較高局部閃溫，達到奧氏體化溫度，致使其表面發(fā)生奧氏體相變，隨后滾子與內(nèi)圈滾道脫離，潤滑油迅速冷卻作用使得奧氏體來不及完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，部分奧氏體被保留下來[15]。

2.4 元素分析

圖5所示為新軸承與打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面的AES元素分析曲線。結(jié)合前面EDX分析，新軸承內(nèi)圈中的O元素可能因為實驗過程中抽真空不徹底，空氣中O元素介入所致(如圖5(a)所示)。打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面O元素含量，隨著刻蝕時間增加逐漸下降并趨于穩(wěn)定。由此可見：打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶區(qū)域組織距表面越近，氧化程度越高。

圖5 AES元素分析曲線

對比新軸承內(nèi)圈滾道，打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面C元素含量更高(如圖5(a)、(b)所示)。這可能由于打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面組織含有更多殘余奧氏體，殘余奧氏體具有比馬氏體更強溶碳性，故碳元素含量更高。

3 結(jié)論

(1)打滑蹭傷軸承內(nèi)圈滾道蹭傷帶表面磨損嚴重，且粗糙度增大明顯。這可能是滾動軸承運行過程中，由于運行工況苛刻，在某瞬間滾子與滾道間潤滑油膜遭到破壞，使兩者發(fā)生了干摩擦。

(2)滾動軸承打滑蹭傷過程中，內(nèi)圈滾道表面發(fā)生氧化磨損，且距表面越近氧化程度越高，基體Fe元素在局部閃溫下摩擦氧化生成了FeO。

(3)滾動軸承打滑蹭傷過程中，內(nèi)圈滾道表面組織發(fā)生了馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致表面C含量較高。這可能是由于滾動軸承打滑蹭傷瞬間，較高局部閃溫使得內(nèi)圈滾道表面達到奧氏體化溫度，并發(fā)生奧氏體相變，隨后由于潤滑油迅速冷卻作用，使得奧氏體來不及完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，部分奧氏體被保留下來，而殘余奧氏體具有比馬氏體更強溶碳性，故碳元素含量更高。