醫(yī)用真空高速軸承磨損失效分析

萬善宏，陳佳林,2，于興智，易戈文，王軍陽(yáng)，王顯靜，張學(xué)軍

（1.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050；3.中電科真空電子科技有限公司 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所，北京 100048）

旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管是醫(yī)用真空器件的“心臟”組件[1]，高精密高速軸承是旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管的核心動(dòng)力部件。軸承部件服役工況非?？量?，涉及到高溫（冷端250 ℃，熱端450～550 ℃）、重載（≥3 200 N/mm2）、高速（3 000～12 000 r/min）、高真空（10–8～10–4Pa）和載流等多場(chǎng)強(qiáng)耦合環(huán)境。常規(guī)油或油脂潤(rùn)滑耐溫性差，難以適應(yīng)旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管高溫工況。常規(guī)固體自潤(rùn)滑材料（石墨、MoS2等）雖能提升軸承部件表面耐磨損能力，石墨和MoS2容易起塵，引起陽(yáng)極轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增加、X 射線管陽(yáng)極的靜轉(zhuǎn)時(shí)間變短、軸承組件摩擦噪聲增大等問題[1]。

軸承主要是用來支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件，而構(gòu)件間接觸呈動(dòng)態(tài)變化，使得運(yùn)動(dòng)過程中軸承部件間的摩擦與磨損無法避免[2-3]。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力將增加摩擦力，會(huì)加快軸承磨損，產(chǎn)生振動(dòng)和摩擦噪聲，進(jìn)而降低構(gòu)件回轉(zhuǎn)精度。在常規(guī)工況下，軸承失效形式主要有接觸疲勞失效、摩擦磨損失效、斷裂失效、變形失效及腐蝕失效等幾種[4-5]。軸承的損傷失效與軸承部件表面潤(rùn)滑材料的選擇密切相關(guān)。因此，真空環(huán)境軸承部件表面潤(rùn)滑材料須具備良好的摩擦學(xué)性能，能夠適應(yīng)高真空、高溫、高速和載流等多場(chǎng)強(qiáng)耦合工況。特別是高溫下金屬材料可以軟化甚至熔化，具有非常低的蒸氣壓（不易破壞高真空），可以在軸承部件表面形成具有防護(hù)功效的潤(rùn)滑膜，抑制磨損和提高軸承運(yùn)轉(zhuǎn)壽命和可靠性[6]。相對(duì)于常規(guī)液體和固體潤(rùn)滑材料，可以預(yù)見金屬基潤(rùn)滑材料更適用于醫(yī)用高速軸承部件高溫高真空和載流服役工況。

目前國(guó)內(nèi)醫(yī)療影像CT 裝備用高速軸承產(chǎn)品技術(shù)尚未解決，特別是高真空、高溫、高速、重載及載流等多場(chǎng)耦合工況用精密軸承大部分依賴于進(jìn)口，依然受制于國(guó)外知名軸承廠家，屬于制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件的“卡脖子”技術(shù)。我國(guó)精密軸承仍存在使用壽命短和可靠性低等問題，難以滿足高速旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管產(chǎn)品及整機(jī)可靠性發(fā)展需求，開展醫(yī)用真空精密軸承的潤(rùn)滑科學(xué)及技術(shù)系統(tǒng)研究非常有必要。

本文主要對(duì)某醫(yī)療設(shè)備用2 種進(jìn)口旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管的軸承組件（滾動(dòng)體和軸承內(nèi)外圈滾道）表面進(jìn)行磨損失效分析。采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）及其能譜（EDS）對(duì)軸承組件表面磨損形態(tài)及其化學(xué)組分進(jìn)行表征，揭示軸承部件摩擦磨損失效形式和確定極端苛刻工況條件下的真空潤(rùn)滑材料。該研究工作將為加深對(duì)高真空精密軸承的磨損失效機(jī)理認(rèn)識(shí)、豐富和完善多場(chǎng)耦合苛刻工況精密軸承潤(rùn)滑材料的研發(fā)提供關(guān)鍵支撐性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管軸承組件介紹

本研究主要對(duì)使用后2 種進(jìn)口醫(yī)用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管（圖1a）里面的軸承部件表面進(jìn)行分析（圖1b）：熱端和冷端。軸承部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1c 所示，A-軸承組件主要由緊密配合的內(nèi)滾道與轉(zhuǎn)動(dòng)軸、外滾道與軸承座2 組摩擦系統(tǒng)構(gòu)成；B-軸承部件內(nèi)滾道與轉(zhuǎn)動(dòng)軸集成在一起，滾動(dòng)體被限制在外滾道和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間。

圖1 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管（a），旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管用軸承（b），軸承內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體（c）Fig. 1 Rotating anode X-ray tube (a), bearings components in the rotating anode X-ray tube (b), schematic of inner and outer bearing raceways and rolling bodies in bearing (c)

1.2 軸承部件失效分析

為了更好地檢測(cè)2 種軸承部件的化學(xué)成分、金相組織、軸承內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體表面磨損形態(tài)以及潤(rùn)滑材料，對(duì)軸承內(nèi)外滾道均進(jìn)行線切割截取橫斷面試樣，經(jīng)鑲嵌、粗磨、細(xì)磨以及拋光。采用德國(guó)蔡司公司Axiocam 105 color 光學(xué)顯微鏡對(duì)軸承組件的金相組織、磨損表面形貌進(jìn)行觀察。采用捷克TESCAN MIRA3 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和X 射線能譜儀（EDS）觀察軸承內(nèi)外圈、滾動(dòng)體和轉(zhuǎn)動(dòng)軸表面形態(tài)，確定軸承組件化學(xué)成分及磨損表面潤(rùn)滑介質(zhì)。采用美國(guó)FEI 公司TECNAIG2TF20 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）和能譜儀（EDS），分析軸承組件內(nèi)收集到的磨屑微觀形貌及其化學(xué)組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸承部件金相組織及其成分分析

圖2 為軸承部件金相顯微組織。冷、熱端滾動(dòng)體的微觀組織均為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物析出相，碳化物析出相呈顆粒狀、塊狀及鏈狀（圖2a 和圖2b）。冷端軸承內(nèi)外滾道的微觀組織均為鐵素體，細(xì)小共晶碳化物和二次碳化物均勻彌散分布在鐵素體晶界（圖2c），與不銹鋼2Cr13 金相組織一致。熱端軸承內(nèi)外滾道的金相組織相同，熱端內(nèi)外滾道的微觀組織主要為奧氏體+碳化物析出相，碳化物析出相呈顆粒狀、塊狀及鏈狀（圖2d）。與冷端軸承部件微觀組織相比，熱端軸承組件的晶粒尺寸明顯小于冷端軸承組件。與滾動(dòng)體和熱端軸承內(nèi)外滾道的金相組織相比，軸承主軸的微觀組織仍為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物析出相，碳化物析出相呈顆粒狀、塊狀及鏈狀（圖2e）。由于X 射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極兩端軸承部件的服役溫度差別較大，兩端軸承部件（內(nèi)外滾道）所用鋼材質(zhì)有所差別，特別是軸承滾動(dòng)體、熱端軸承內(nèi)外滾道和主軸金相組織與高速鋼M50 一致。根據(jù)NSK 技術(shù)報(bào)告，SKH4 或M50 高速鋼可以抵抗450 ℃高溫，適合作為旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管的熱端軸承材料；旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管冷端軸承部件的服役溫度不超過200 ℃，可以采用馬氏體不銹鋼SUS440C[7]。

圖2 軸承部件的金相顯微組織Fig.2 Metallographic observation of bearing components: rolling element at cold end (a)and at hot end (b); rolling track at cold end (c) and at hot end (d); bearing spindle (e)

圖3 為典型軸承滾道的微觀組織及其化學(xué)組成。軸承冷端內(nèi)外滾道的微觀組織均為鐵素體（圖3a 和圖3b），碳化物顆粒彌散分布在鐵素體內(nèi)（圖3b 和圖3c）。熱端內(nèi)外滾道的微觀組織主要為馬氏體和奧氏體組織（圖3d 和圖3e），碳化物呈顆粒狀、塊狀及鏈狀，碳化物主要是碳化鉬、碳化鎢、碳化鈷與碳化鈮等（圖3f）。

圖3 軸承部件冷端滾道的微觀組織及化學(xué)組成分析（a—c），軸承部件熱端滾道的微觀組織及化學(xué)組成分析（d—f）Fig.3 Metallographic and composition analysis of representative bearing components at the cold end (a, b, c) and at the hot end (d, e, f)

2.2 冷端軸承部件磨損形貌分析

圖4 是A-軸承冷端外滾道磨損和未磨損區(qū)域的表面形貌。A-軸承外滾道未磨損區(qū)域被熔滴狀顆粒覆蓋（圖4a），熔滴顆粒粒徑分布范圍較寬（2～25 μm）（圖4b）。圖4c 和圖4d 為A-軸承冷端外滾道磨損區(qū)域表面形貌。外滾道磨損表面潤(rùn)滑膜有明顯刮擦和局部剝落痕跡（圖4c），導(dǎo)致磨損表面裸露出鋼質(zhì)基體（圖4d）。根據(jù)EDS 分析，軸承外滾道未磨損區(qū)域熔滴顆粒主要是軟金屬Pb（表1）。對(duì)冷端A-軸承外滾道磨損區(qū)域（圖4d）進(jìn)行EDS 分析，發(fā)現(xiàn)Fe、Cr、V 和Co 等元素主要來源于A-軸承冷端外滾道本體材料-馬氏體不銹鋼SUS440C，還檢測(cè)出Pb 和Cu 元素（表2）。其中，Pb 和Cu 原子含量比為14∶1～15∶1。

表1 圖4a 區(qū)域的元素含量Tab.1 Element content in the area of fig.4a

圖4 冷端A-軸承外滾道磨損表面SEM 形貌Fig.4 SEM images of the worn surface of the outer ring raceway at the cold end of the A-bearing system

圖5 為A-軸承冷端內(nèi)滾道磨損形貌。軸承內(nèi)滾道磨損區(qū)域有2 個(gè)特征：⑴軸承內(nèi)滾道潤(rùn)滑劑較少的磨損區(qū)域有劃痕和擦傷（圖5a）；⑵軸承內(nèi)滾道被潤(rùn)滑劑覆蓋區(qū)域，潤(rùn)滑膜較連續(xù)，磨損表面較平整（圖5b），主要與交變載荷下軸承部件的磨粒磨損和接觸疲勞相關(guān)[8]。軸承內(nèi)滾道未磨損區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)熔滴狀潤(rùn)滑劑顆粒，結(jié)合軸承內(nèi)滾道磨損表面形態(tài)可以推測(cè)出，軸承內(nèi)滾道潤(rùn)滑材料主要來自軸承外滾道固體潤(rùn)滑材料的摩擦轉(zhuǎn)移，在熱應(yīng)力和擠壓力作用下，在摩擦過程中形成固體轉(zhuǎn)移膜（圖5b），利于降低摩擦和抑制磨損。根據(jù)軸承冷端內(nèi)滾道磨損表面EDS 分析結(jié)果，進(jìn)一步確定固體潤(rùn)滑材料主要由Pb 和Cu組成（圖5c 和圖5d），其中Pb 和Cu 原子含量比為14∶1 左右（表3），與軸承外滾道磨損表面潤(rùn)滑膜化學(xué)組分一致（表2）。Pb 和Cu 均屬于質(zhì)軟易變形的潤(rùn)滑劑材料，具有低摩擦因數(shù)和低剪切強(qiáng)度，在摩擦過程中容易產(chǎn)生晶間滑移，從而實(shí)現(xiàn)減摩抗磨效果[9]。

表2 圖4d 區(qū)域?qū)?yīng)EDS 分析Tab.2 Element content in the area of fig.4d

圖5 A-軸承冷端內(nèi)滾道磨損表面形貌（a，b）和磨損區(qū)域Pb 和Cu 元素分布（c，d）Fig.5 Worn surface morphology of the inner raceway of A-bearing at cold end (a, b) and the elemental distribution images of Pb and Cu (c, d) collected from the worn surface in fig.5b

表3 圖5b 中元素含量Tab.3 Element content collected from fig.5b

圖6 是A-軸承冷端滾動(dòng)體磨損形貌。A-軸承冷端滾動(dòng)體表面可觀察到明顯劃痕（圖6a），在滾動(dòng)體表面有黏附顆粒（圖6b），磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。圖6c 是A-軸承冷端滾動(dòng)體磨損表面EDS 分析區(qū)域，相應(yīng)元素含量如表4 所示。軸承滾動(dòng)體基體材料主要由Fe、V、Cr 組成，與SKH4 或M50 高速鋼相近（表4）。軸承滾動(dòng)體表面有金屬鉛潤(rùn)滑膜（圖6c），相應(yīng)EDS 分布圖證實(shí)了Pb 潤(rùn)滑材料的存在（圖6d）。Pb 主要來源于摩擦過程中軸承外滾道固體潤(rùn)滑材料轉(zhuǎn)移，可以有效防止?jié)L動(dòng)體表面與滾道直接接觸和抑制硬質(zhì)顆粒切削，利于緩解軸承疲勞磨損。

圖6 A-軸承冷端滾動(dòng)體磨損表面形貌（a—c）及Pb 元素分布（d）Fig.6 Worn surface morphology (a, b, c) and corresponding Pb element mapping (d) of the rolling ball at cold end of A- bearing system

表4 圖6c 磨損區(qū)域內(nèi)元素含量Tab.4 Element content collected from the worn area in fig.6c

圖7 是B-軸承冷端內(nèi)滾道磨損表面形貌，沿著軸承轉(zhuǎn)動(dòng)方向有明顯的、深淺不一的犁溝，局部有材料剝落現(xiàn)象，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為磨粒磨損和疲勞磨損（圖7a 和圖7b）。B-軸承冷端內(nèi)滾道表面承載區(qū)有顆粒狀壓痕和機(jī)械性劃傷，主要與外來硬質(zhì)顆粒有關(guān)。如圖7b 所示，B-軸承內(nèi)滾道局部存在材料轉(zhuǎn)移，可以抑制配副微凸體對(duì)內(nèi)滾道表面的嵌入和劃傷。在軸承組件滾滑復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式下，滾道與滾動(dòng)體間的材料轉(zhuǎn)移會(huì)發(fā)生局部聚集，引起摩擦界面運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，造成接觸界面間應(yīng)力集中，加劇軸承部件的疲勞損傷和縮減軸承滾動(dòng)接觸疲勞壽命。

圖7 B-軸承冷端內(nèi)滾道磨損形貌Fig.7 Worn surface morphology within the inner raceway of B-bearing at cold end

圖8a 和圖8b 是B-軸承冷端滾動(dòng)體磨損表面形貌。滾動(dòng)體表面有明顯劃傷和局部材料剝落，磨損機(jī)制為磨料磨損和疲勞磨損（圖8a）。滾動(dòng)體表面有麻點(diǎn)和掉塊存在，這一現(xiàn)象除了與滾動(dòng)接觸疲勞有關(guān)，還和旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管的載流工況有關(guān)（圖8b）。采用SEM 進(jìn)一步觀測(cè)B-軸承冷端滾動(dòng)體表面形態(tài)，除了劃痕外，還可觀測(cè)到磨屑顆粒吸附在磨損表面（圖8c），滾動(dòng)體磨損表面有片狀轉(zhuǎn)移材料（圖8c），通過EDS 分析證實(shí)了滾動(dòng)體表面棋盤狀顆粒主要由銅和鉛組成[10]。在摩擦過程熱-力耦合作用下，軟質(zhì)鉛基潤(rùn)滑涂層會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移和黏附在摩擦配副表面，而摩擦配副表面出現(xiàn)不同程度的劃痕，主要是與軸承旋轉(zhuǎn)過程中硬質(zhì)材料脫落產(chǎn)生的磨粒磨損有關(guān)。

本研究中2 種軸承部件均涉及到載流工況，即電流在軸承內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體之間完成傳輸[11]，滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)存在微小間隙，會(huì)發(fā)生放電。軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道間接觸角變小，動(dòng)態(tài)電阻加大，相應(yīng)電流密度會(huì)將大幅度增加，很容易在滾動(dòng)體與滾道局部接觸區(qū)發(fā)生瞬時(shí)放電現(xiàn)象，其作用類似于電火花，在摩擦表面燒蝕成坑狀[12]。這就很好地解釋了滾動(dòng)體表面出現(xiàn)電蝕坑現(xiàn)象（圖8b）。MoS2和金屬類材料具有良好的導(dǎo)電性，可以作為軸承部件的潤(rùn)滑劑[13-14]。

圖8 B-軸承冷端滾動(dòng)體磨損表面形貌的光學(xué)照片（a，b）和SEM 觀測(cè)（c，d）Fig. 8 Worn surface morphology of the rolling element of B-bearing system at cold end:Optical imaging (a, b) and SEM observation (c, d)

采用TEM/EDS 對(duì)B-軸承組件中收集到的磨屑進(jìn)行形貌和化學(xué)組分分析，磨損顆粒的粒徑分布范圍寬（0.01～10 μm），呈團(tuán)聚態(tài)（圖9a 和圖9b）。根據(jù)EDS分析可以確定磨屑的化學(xué)成分主要為Mo 和S，主要來源于軸承部件固體潤(rùn)滑劑。Cu 是來自TEM 分析用的銅網(wǎng)，F(xiàn)e 主要來源于軸承部件基體材料（圖9c）。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，MoS2作為固體潤(rùn)滑劑已廣泛應(yīng)用于航空航天等關(guān)鍵動(dòng)力部件表面，具有良好的真空摩擦學(xué)行為，可有效提供潤(rùn)滑效果和抑制軸承磨損[15-17]。盡管真空環(huán)境下MoS2具有極低的摩擦因數(shù)和磨損率，根據(jù)本研究醫(yī)用軸承部件磨損失效分析，MoS2難于適應(yīng)醫(yī)用軸承高低溫交變工況，容易起塵，引起醫(yī)用軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲增加，影響服役壽命。

圖9 B-軸承組件內(nèi)收集的磨屑TEM 分析（a，b）和EDS 能譜分析（c）Fig.9 Morphology of wear debris collected within the B-bearing system (a, b) and corresponding EDS analysis (c)

2.3 熱端軸承部件磨損形貌分析

圖10 是A-軸承熱端內(nèi)滾道磨損形貌。A-軸承內(nèi)滾道磨損表面除了輕微劃傷外，滾道表面布滿了尺寸不一的麻坑和表面剝落。一方面，軸承內(nèi)滾道與滾動(dòng)體之間是滾-滑動(dòng)耦合運(yùn)動(dòng)模式，滾道和滾動(dòng)體之間的接觸區(qū)域會(huì)承受交變載荷沖擊作用，長(zhǎng)時(shí)間服役后因疲勞失效致使?jié)L道表面產(chǎn)生材料剝落；另一方面，滾道表面凹坑的形成與A-軸承載流服役工況密切相關(guān)。在軸承運(yùn)行過程中，電流經(jīng)過軸承，因滾動(dòng)體和滾道接觸面非常小，造成滾道和滾動(dòng)體之間的接觸區(qū)域電流過載，不可避免地在表面產(chǎn)生微電弧放電行為[11,18]。微電弧放電過程會(huì)產(chǎn)生大量的電弧熱，滾道和滾動(dòng)體接觸微區(qū)的溫度瞬間急劇升高，使得滾道表面層低熔點(diǎn)組分被燒熔，再加上熱-力耦合作用，在軸承內(nèi)滾道磨損表面產(chǎn)生電蝕坑或軸承內(nèi)表面被壓出條狀電弧傷痕。與 B-軸承內(nèi)滾道磨損形貌相比，A-軸承熱端內(nèi)滾道磨損表面更加平整，表面劃痕更少。

圖10 A-軸承熱端內(nèi)滾道磨損表面形貌Fig.10 Worn surface morphology of the inner raceway of A-bearing system at hot end

表5 為A-軸承熱端內(nèi)滾道磨損表面EDS 分析。Fe、Co、V、Cr、Mo 和W 均來自軸承滾道基底材料，與SKH4 鋼材質(zhì)一致。其中，V、Mo、Re 和W 等合金元素利于高強(qiáng)度鋼內(nèi)形成極高熱穩(wěn)定性的復(fù)合納米碳化物強(qiáng)化相，發(fā)揮固溶強(qiáng)化作用[19]。軸承服役工況高低溫交變的“淬火效應(yīng)”，使得軸承鋼析出Mo2C或W2C 等二次硬化型碳化物相[20]。此外，檢測(cè)到少量Re 稀土元素，主要用于凈化鋼液、變質(zhì)雜質(zhì)物和微合金化[21]。盡管熱端軸承內(nèi)滾道磨損表面檢測(cè)出Cu 和Pb 元素（表5），但其含量明顯低于軸承冷端內(nèi)滾道磨損表面（表3）。

表5 A-軸承熱端內(nèi)滾道磨損表面EDS 分析Tab.5 EDS analysis of the worn surface of the inner raceway of the-bearing system at the hot end

圖11 為A-軸承熱端滾動(dòng)體磨損表面光學(xué)照片。滾動(dòng)體磨損表面有輕微劃痕和蝕坑，主要為磨粒磨損和輕微接觸疲勞失效（圖11a）。摩擦過程中軸承內(nèi)外滾道與滾動(dòng)體接觸面容易產(chǎn)生固體潤(rùn)滑材料剝落或轉(zhuǎn)移到對(duì)偶面上，滾動(dòng)體表面有薄片狀轉(zhuǎn)移膜（圖11b—d）。滾動(dòng)體表面黏附的磨屑EDS 分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)移膜主要為W、Mo、Sr、Re 和C 元素，如W 和C主要與熱端滾動(dòng)體基體析出的碳化物硬質(zhì)相有關(guān)（圖12）。A-軸承熱端滾動(dòng)體磨損表面檢測(cè)到Pb 固體潤(rùn)滑材料，有效減緩軸承內(nèi)外滾道表面微凸體或磨屑硬質(zhì)顆粒對(duì)滾動(dòng)體的機(jī)械劃傷。

圖11 A-軸承熱端滾動(dòng)體磨損表面形貌：光學(xué)照片（a）和SEM 觀測(cè)（b—d）Fig.11 Worn surface morphology of the rolling element of A-bearing system at hot end:optical imaging (a) and SEM observation (b, c, d)

圖12 A-軸承熱端滾動(dòng)體磨損區(qū)域（圖11d）主要元素EDS 分布Fig.12 EDS imaging the elememtal distribution collected from the worn surface area of A-bearing system at hot ened in fig.11d

采用SEM/EDS 對(duì)A-軸承熱端內(nèi)滾道磨損表面進(jìn)行組分分析，如圖13 所示。高溫工況下A-軸承內(nèi)滾道磨損表面出現(xiàn)“棋盤狀”硬質(zhì)碳化物析出（圖13a），其化學(xué)成分主要是Re 元素和W 元素（圖13b 和圖13c）。其中，Re 和W 含量的比值為1∶3。A-軸承內(nèi)滾道磨損表面還檢測(cè)到Pb 潤(rùn)滑劑（圖13d），在摩擦作用下容易變軟或熔化，在滾道與滾動(dòng)體界面間剪切應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，在軸承內(nèi)滾道表面出現(xiàn)Pb 富集區(qū)域。

圖13 A-軸承熱端內(nèi)滾道磨損表面形貌（a）及其元素分布（b—d）Fig.13 Worn surface morphology (a) and corresponding elemental distribution (b, c, d)of the inner raceway of A- bearing at hot end

圖14 為B-軸承熱端內(nèi)滾道磨表面形貌。軸承內(nèi)滾道磨損表面有深淺不一的劃痕、麻點(diǎn)剝落甚至局部淺層剝落，磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和接觸疲勞失效。理論上講，MoS2具有良好的高溫、高真空潤(rùn)滑性能，在真空環(huán)境下使用上限溫度范圍為500～650 ℃[22-23]。B-軸承部件采用的固體潤(rùn)滑劑為MoS2，雖然MoS2在500 ℃下的蒸發(fā)速率比較低（10–8g/(cm2·s)）[24]，但在摩擦過程中容易起塵，導(dǎo)致軸承內(nèi)滾道與滾動(dòng)體接觸區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重機(jī)械損傷，使得軸承內(nèi)滾道磨損表面出現(xiàn)劃痕及點(diǎn)狀壓痕[25-26]，這會(huì)進(jìn)一步引起內(nèi)滾道表面局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致內(nèi)滾道接觸區(qū)域發(fā)生塑性變形，形成點(diǎn)蝕和材料剝落。

圖14 B-軸承熱端內(nèi)滾道磨損表面形貌光學(xué)照片F(xiàn)ig.14 Optical imaging of the worn surface morphology of the inner raceway of B-bearing system at hot end

圖15 為B-軸承熱端滾動(dòng)體磨損形貌。鋼球磨損表面并非光滑，有滾動(dòng)痕跡以及明顯劃痕，局部可觀察到材料剝落形成的麻坑，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和接觸疲勞（圖15a）。鋼球作為軸承組件的主要部分，涉及到滾動(dòng)磨損、滑動(dòng)磨損、滾-滑耦合磨損以及沖擊-摩擦耦合磨損等復(fù)雜磨損形式[27]。鋼球表面的剝落坑原因主要有：一方面，滾道與滾動(dòng)體界面應(yīng)力集中導(dǎo)致滾動(dòng)體材料剝落，產(chǎn)生接觸疲勞磨損；另一方面，滾道與滾動(dòng)體界面放電燒蝕。采用SEM/EDS進(jìn)一步觀察鋼球磨損形貌，鋼球磨損表面有顆粒狀磨屑（圖15c）、較小片狀磨屑（圖15b）以及碾壓在鋼球表面的大尺寸塊體磨屑（圖15d）。這意味著B-軸承熱端滾動(dòng)體經(jīng)歷著從正常磨損到疲勞失效過程，在高溫及接觸應(yīng)力耦合作用下，疲勞失效加劇，從局部顆粒狀剝落到大尺寸疲勞磨屑及塊體磨屑，這與B-軸承熱端部件用MoS2固體潤(rùn)滑材料的摩擦學(xué)適應(yīng)性密切相關(guān)。

圖15 B-軸承熱端滾動(dòng)體磨損表面形貌：光學(xué)照片（a）和SEM 觀測(cè)（b—d）Fig.15 Worn surface morphology of the rolling element of B-bearing system at hot end:Optical imaging (a) and SEM observation (b, c, d)

3 高真空/高溫潤(rùn)滑技術(shù)探討

隨著航空、航天、信息等高技術(shù)和海洋開發(fā)、先進(jìn)制造技術(shù)等工業(yè)的迅猛發(fā)展，迫切需要解決極端條件下如高承載、高速度、高真空、高低溫、強(qiáng)輻射等多場(chǎng)耦合復(fù)雜工況下的摩擦學(xué)問題，極端環(huán)境下潤(rùn)滑科學(xué)及技術(shù)的發(fā)展則是突破高端裝備在特殊環(huán)境下使役壽命極限和運(yùn)行可靠性的解決辦法。例如，醫(yī)療CT 用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管、半導(dǎo)體、平模板等制造工藝用的各種真空裝置用機(jī)器人及電動(dòng)機(jī)等設(shè)備均涉及到回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，必須利用關(guān)鍵基礎(chǔ)部件軸承[28]。真空環(huán)境中使用的軸承有滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承和磁軸承等，軸承的潤(rùn)滑性能直接影響真空機(jī)械整機(jī)性能及其運(yùn)行可靠性。特別是真空軸承部件工作環(huán)境還涉及到高溫、高載、高速、載流等工況，對(duì)真空軸承用潤(rùn)滑劑的選擇尤為重要。

以醫(yī)療CT 設(shè)備用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X 射線管中的高速軸承為例，軸承在高真空（10–8～10–4Pa）和高溫（450～550 ℃）下運(yùn)行，必須采用低蒸氣壓（在真空中不易揮發(fā)）的固體潤(rùn)滑劑。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，固體潤(rùn)滑劑是金、銀、鉛等軟質(zhì)金屬或二硫化鉬等層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，在軸承內(nèi)外滾道或滾動(dòng)體表面上形成固體潤(rùn)滑膜。在真空和高溫（>400 ℃）環(huán)境下，鉛容易揮發(fā)（破壞真空環(huán)境），不能單獨(dú)作為高真空固體潤(rùn)滑劑；如果采用銀作為固體潤(rùn)滑劑，盡管銀具有低蒸氣壓，但是銀的硬度高，容易增大摩擦力[29]。固體潤(rùn)滑劑鋁、銦、錫等其中2 種或幾種共同使用，具有低蒸氣壓，即使在超過350 ℃工況下，涂覆上述金屬?gòu)?fù)合膜的軸承部件仍保持穩(wěn)定的潤(rùn)滑性能。

真空環(huán)境下，摩擦表面不能形成降低摩擦的金屬氧化物或者產(chǎn)生磨屑，不然會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)上升，摩擦熱不能通過氣體對(duì)流傳導(dǎo)而帶走，摩擦面溫度急劇上升容易發(fā)生黏著磨損或固態(tài)冷焊[30]。滾動(dòng)軸承內(nèi)外滾道采用物理氣相沉積MoS2固體潤(rùn)滑薄膜可以延長(zhǎng)軸承的工作壽命，但容易產(chǎn)生磨屑（圖8），引起軸承運(yùn)行噪音增大和加劇磨損，甚至其耐磨損性能不如Ag 膜[7]。采用離子鍍方法在軸承部件表面涂覆Pb-Cu合金固體潤(rùn)滑膜可以有效降低軸承部件間的摩擦因數(shù)和降低軸承的磨損。其中Pb-Cu 合金固體潤(rùn)滑膜屬于彌散型混合物，低剪切強(qiáng)度和低熔點(diǎn)Pb 相發(fā)揮潤(rùn)滑減摩功效，而Cu 則起著錨固Pb 粒子和防止Pb 粒子在摩擦過程中產(chǎn)生過度的塑性流動(dòng)，同時(shí)Cu 和Pb混合可有效降低Pb 的蒸氣壓[31]。這與本研究中軸承部件采用Pb-Cu 合金潤(rùn)滑膜一致。最近，荷蘭飛利浦實(shí)驗(yàn)室采用低共熔混合物（配比為68.5%鎵、21.5%銦和10%錫）作為螺旋槽軸承的液體金屬潤(rùn)滑劑，即使在真空和600 ℃高溫環(huán)境下，液態(tài)金屬合金鎵銦錫潤(rùn)滑劑具有極低蒸氣壓，同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，作為世界引領(lǐng)性潤(rùn)滑技術(shù)備受真空軸承制造者關(guān)注[32-33]。

合適的真空環(huán)境潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)方法才能保證真空環(huán)境軸承部件潤(rùn)滑材料的服役壽命和運(yùn)行可靠性。真空中使用的滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑材料，必須充分考慮轉(zhuǎn)矩（摩擦因數(shù)）、潤(rùn)滑膜成形性、氣體排放性、起塵性、轉(zhuǎn)矩壽命、減量速度等關(guān)鍵參數(shù)[28]。

4 結(jié)論

1）軸承部件的磨粒磨損及疲勞失效是真空軸承部件損傷失效的主要形式。載流工況下軸承部件接觸界面會(huì)發(fā)生電弧放電，軸承磨損表面會(huì)出現(xiàn)電燒蝕和點(diǎn)蝕等。

2）確定了2 種醫(yī)用X-射線管真空軸承的潤(rùn)滑材料分別為MoS2和Pb-Cu。然而MoS2固體潤(rùn)滑膜容易產(chǎn)生磨屑，增大摩擦，并產(chǎn)生噪音。