低温高速球轴承钢球环带分析

李鸿亮，张旭，马美玲，李慎华

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

某涡轮泵用滚动轴承处于液氮中，在高速和重载下工作，由于温度限制只能采用自润滑保持架提供转移膜进行润滑，工作条件十分恶劣。航天运载系统对该类轴承提出了极高的要求，因此对于此类轴承的研究是各国航天运载系统的重要环节之一[1]。在此对涡轮泵用7206角接触球轴承在液氮台架试验后钢球表面出现环带及部分表面发黄的现象进行分析，以找出其形成原因。

1 轴承试验条件及试验结果

该液氮台架试验中轴承转速为20 000 r/min，承受轴向、径向载荷，采用保持架自润滑，液氮介质冷却。

轴承试验至正常停车，拆下检查时发现，大部分钢球表面均存在不同程度的环带(环状运转轨迹)，有的为单条，有的为多条；同时除一粒钢球表面明显变为棕黄色外，其余钢球色泽均无明显改变。轴承外圈光亮、色泽正常，沟道面上的环带偏向无字端面一侧，为一条分布均匀的轻微磨痕；内圈光亮，沟道面上的环带位于沟道底部，其中半个圆周为单条磨痕，而另外半个圆周则为两条磨痕；保持架完好，兜孔中部有轻微的磨痕，磨痕整体均匀，无异常。

2 轴承检测

2.1 扫描电镜检测

选取1粒环带比较明显的钢球经超声波清洗后烘干，用JSM-6380LV扫描电镜对其工作表面上的环带(图1所示的两个硬度压痕之间的环带)进行变倍观察，结果表明：

(1)在低倍条件下难以分辨环带的具体形貌，钢球表面的环带与正常部位相比无颜色及表面粗糙度的明显差别(图2)；

图2 钢球环带的低倍形貌

(2)高倍条件下发现钢球表面的环带与其他正常部位相比略显粗糙，并有明显的辗压和磨损痕迹，其形貌如图3所示。

图3 钢球高倍微观形貌

2.2 能谱分析

采用能谱仪对图1所示钢球环带处和正常部位进行微观区域成分分析，钢球表面的主要元素含量如表1所示。

表1 钢球表面主要元素含量(质量分数) %

2.3 硬度及金相分析

采用HR-150A洛氏硬度计对轴承内、外圈和钢球的硬度进行了测定，并进行了金相检查和热酸洗检查。轴承零件硬度、金相组织和热酸洗检查结果均符合JB/T1460—2002标准，结果如表2和表3所示。

表2 轴承零件硬度检查结果 HRC

表3 轴承零件材料及热处理质量检验结果

取图1所示整体色泽有变化的钢球(中部)，采用特种卡具制样腐蚀后观察其表面金相组织，未发现有异物层、烧伤等异常现象，钢球表面低倍及高倍的金相组织形貌如图4所示。

图4 钢球表面金相组织形貌

3 结果分析

由以上检查结果可知，钢球表面的环带无明显深度，表面粗糙度及金相组织也无明显变化，仅在高倍下观察时发现环带略显粗糙；观察整体色泽有变化的钢球表层金相组织，亦未发现有异物层、烧伤等异常现象；钢球环带处的主要元素为Fe，O，C，Cr，正常部位的主要元素为Fe，O，C，Cr及少量的Si，两者的不同之处在于环带部位的O含量明显比正常部位高，说明钢球环带是由于氧化作用引起的。

由于轴承直接工作在液氮中，且液氮的黏度不到水黏度的1/4[2]，难以建立起有效的流体动压润滑膜，只能带走摩擦热而不能起到润滑作用。轴承只能靠自润滑保持架提供转移膜润滑，易出现润滑不充分；同时由于轴承在高速、重载下工作，钢球滑动及自旋产生大量的热，钢球闪温高达500～600 ℃[3]，而液氮比热和气化热均很小，会在钢球周围形成一个蒸气层，使得轴承内部产生的热量很难散发出去，当钢球进入接触区后，钢球表面热量既向自身体内传导，又与液氮发生对流换热而冷却，经过多次反复，钢球表面会逐渐达到某一稳态温度。若稳态温度较低，就不会出现钢球烧伤现象。

4 结束语

通过以上分析可知，本次轴承试验结束后钢球表面出现的环带和棕黄色应为钢球表面闪温而瞬间氧化所致，但轴承稳态温度相对较低，摩擦发热没有达到轴承烧伤的温度，故内、外圈和钢球的硬度、金相组织及热酸洗检查结果均符合JB/T1460—2002标准要求。