低溫高速球軸承鋼球環(huán)帶分析

李鴻亮，張旭，馬美玲，李慎華

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

某渦輪泵用滾動(dòng)軸承處于液氮中，在高速和重載下工作，由于溫度限制只能采用自潤滑保持架提供轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行潤滑，工作條件十分惡劣。航天運(yùn)載系統(tǒng)對該類軸承提出了極高的要求，因此對于此類軸承的研究是各國航天運(yùn)載系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一[1]。在此對渦輪泵用7206角接觸球軸承在液氮臺(tái)架試驗(yàn)后鋼球表面出現(xiàn)環(huán)帶及部分表面發(fā)黃的現(xiàn)象進(jìn)行分析，以找出其形成原因。

1 軸承試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

該液氮臺(tái)架試驗(yàn)中軸承轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，承受軸向、徑向載荷，采用保持架自潤滑，液氮介質(zhì)冷卻。

軸承試驗(yàn)至正常停車，拆下檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分鋼球表面均存在不同程度的環(huán)帶(環(huán)狀運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡)，有的為單條，有的為多條；同時(shí)除一粒鋼球表面明顯變?yōu)樽攸S色外，其余鋼球色澤均無明顯改變。軸承外圈光亮、色澤正常，溝道面上的環(huán)帶偏向無字端面一側(cè)，為一條分布均勻的輕微磨痕；內(nèi)圈光亮，溝道面上的環(huán)帶位于溝道底部，其中半個(gè)圓周為單條磨痕，而另外半個(gè)圓周則為兩條磨痕；保持架完好，兜孔中部有輕微的磨痕，磨痕整體均勻，無異常。

2 軸承檢測

2.1 掃描電鏡檢測

選取1粒環(huán)帶比較明顯的鋼球經(jīng)超聲波清洗后烘干，用JSM-6380LV掃描電鏡對其工作表面上的環(huán)帶(圖1所示的兩個(gè)硬度壓痕之間的環(huán)帶)進(jìn)行變倍觀察，結(jié)果表明：

(1)在低倍條件下難以分辨環(huán)帶的具體形貌，鋼球表面的環(huán)帶與正常部位相比無顏色及表面粗糙度的明顯差別(圖2)；

圖2 鋼球環(huán)帶的低倍形貌

(2)高倍條件下發(fā)現(xiàn)鋼球表面的環(huán)帶與其他正常部位相比略顯粗糙，并有明顯的輾壓和磨損痕跡，其形貌如圖3所示。

圖3 鋼球高倍微觀形貌

2.2 能譜分析

采用能譜儀對圖1所示鋼球環(huán)帶處和正常部位進(jìn)行微觀區(qū)域成分分析，鋼球表面的主要元素含量如表1所示。

表1 鋼球表面主要元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.3 硬度及金相分析

采用HR-150A洛氏硬度計(jì)對軸承內(nèi)、外圈和鋼球的硬度進(jìn)行了測定，并進(jìn)行了金相檢查和熱酸洗檢查。軸承零件硬度、金相組織和熱酸洗檢查結(jié)果均符合JB/T1460—2002標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 軸承零件硬度檢查結(jié)果 HRC

表3 軸承零件材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

取圖1所示整體色澤有變化的鋼球(中部)，采用特種卡具制樣腐蝕后觀察其表面金相組織，未發(fā)現(xiàn)有異物層、燒傷等異常現(xiàn)象，鋼球表面低倍及高倍的金相組織形貌如圖4所示。

圖4 鋼球表面金相組織形貌

3 結(jié)果分析

由以上檢查結(jié)果可知，鋼球表面的環(huán)帶無明顯深度，表面粗糙度及金相組織也無明顯變化，僅在高倍下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)帶略顯粗糙；觀察整體色澤有變化的鋼球表層金相組織，亦未發(fā)現(xiàn)有異物層、燒傷等異常現(xiàn)象；鋼球環(huán)帶處的主要元素為Fe，O，C，Cr，正常部位的主要元素為Fe，O，C，Cr及少量的Si，兩者的不同之處在于環(huán)帶部位的O含量明顯比正常部位高，說明鋼球環(huán)帶是由于氧化作用引起的。

由于軸承直接工作在液氮中，且液氮的黏度不到水黏度的1/4[2]，難以建立起有效的流體動(dòng)壓潤滑膜，只能帶走摩擦熱而不能起到潤滑作用。軸承只能靠自潤滑保持架提供轉(zhuǎn)移膜潤滑，易出現(xiàn)潤滑不充分；同時(shí)由于軸承在高速、重載下工作，鋼球滑動(dòng)及自旋產(chǎn)生大量的熱，鋼球閃溫高達(dá)500～600 ℃[3]，而液氮比熱和氣化熱均很小，會(huì)在鋼球周圍形成一個(gè)蒸氣層，使得軸承內(nèi)部產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)出去，當(dāng)鋼球進(jìn)入接觸區(qū)后，鋼球表面熱量既向自身體內(nèi)傳導(dǎo)，又與液氮發(fā)生對流換熱而冷卻，經(jīng)過多次反復(fù)，鋼球表面會(huì)逐漸達(dá)到某一穩(wěn)態(tài)溫度。若穩(wěn)態(tài)溫度較低，就不會(huì)出現(xiàn)鋼球燒傷現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

通過以上分析可知，本次軸承試驗(yàn)結(jié)束后鋼球表面出現(xiàn)的環(huán)帶和棕黃色應(yīng)為鋼球表面閃溫而瞬間氧化所致，但軸承穩(wěn)態(tài)溫度相對較低，摩擦發(fā)熱沒有達(dá)到軸承燒傷的溫度，故內(nèi)、外圈和鋼球的硬度、金相組織及熱酸洗檢查結(jié)果均符合JB/T1460—2002標(biāo)準(zhǔn)要求。