不同滾動軸承鋼的微剝落及磨損的表征：硬度及熱處理的影響

微剝落或表面損傷是一種表面失效機制，常見于重載、非共形、滾–滑潤滑接觸的現(xiàn)代機械部件(如軸承和齒輪)。這種損傷由粗糙峰級別的滾動接觸疲勞引起，其發(fā)生是由于滾動接觸時重復(fù)的粗糙峰應(yīng)力波動，可用在滾動表面上形成的無數(shù)微裂紋及微剝落來表征，一般發(fā)生在油膜厚度不足以完全分開滾動表面的不良潤滑條件(低Λ值)下，載荷分別由粗糙峰–粗糙峰接觸和潤滑劑承受。因為當(dāng)前的趨勢是使用更稀薄的潤滑劑來最大限度地改善機械部件的效率，重點關(guān)注的是了解微剝落現(xiàn)象，設(shè)計更能抗微剝落并承受更高功率密度的滾動表面。

現(xiàn)今已將微剝落確認為一種表面接觸疲勞現(xiàn)象，其涉及輕微磨損與粗糙峰疲勞之間的競爭。通過修正表面的跑合或去除疲勞材料層，輕微磨損可減少微剝落坑的形成。已證實：如抗磨、減摩、極壓類添加劑對增強或推遲微剝落的形成具有重要作用。防止粗糙滾動表面磨損的添加劑可增強微剝落坑的形成，其一般維持高的表面粗糙度幅值，因而可維持高的摩擦因數(shù)或增加摩擦因數(shù)，極大增加了微剝落的風(fēng)險。相比之下，允許一定程度的跑合磨損或減小摩擦因數(shù)的添加劑常減小微剝落的風(fēng)險。有關(guān)文獻重點探索了ZDDP抗磨添加劑的作用，其對滑動摩擦有益，但對滾動摩擦可能有害。最近的一項研究表明：微剝落的程度更取決于跑合磨損的程度，而非文獻[5]所述的取決于最終形成的摩擦膜的厚度。在這種情況下，充分的跑合磨損會大大減小微剝落的風(fēng)險。

然而，在缺少添加劑的情況下，其他因素(如運行工況、鋼的表面、冶金性能)受到更多的關(guān)注。假如Λ值非常低且缺少抗磨添加劑，則苛刻的接觸條件一般會導(dǎo)致更高的微剝落甚至是磨損的風(fēng)險。文獻[13]認為微剝落的起始及擴展主要受工作應(yīng)力控制；文獻[14]認為增加滑滾比會產(chǎn)生長的滑動距離，從而加速微剝落。無論如何，在達到某個門檻值前，輕微磨損占主導(dǎo)地位并可減少微剝落損傷。另外，一般認為負滑動(較慢的運動表面)對微剝落損傷的發(fā)生及微剝落損傷的程度有害，這是由于增加了加壓油效應(yīng)，有助于打開裂紋，盡管有些研究給出相反的結(jié)論，即由于磨損較少，與負滑動相比，正滑動會使微剝落損傷發(fā)展得更快。

除運行工況外，重點研究了表面形貌及材料的作用。研究顯示：表面粗糙度是微剝落的主導(dǎo)原因，粗糙–光滑接觸對較光滑表面有害。在這種情況下，粗糙表面誘發(fā)光滑表面的疲勞微循環(huán)，因而促進微剝落損傷。由另一表面粗糙度引起的應(yīng)力波動一般僅發(fā)生在光滑表面。另外，粗糙峰相對滾動方向的取向?qū)ξ兟涞某潭扔兄匾绊?，與縱向粗糙峰相比，橫向粗糙峰更有害；粗糙峰橫向列置誘發(fā)應(yīng)力波動并加速微剝落損傷。

另外重點考慮的是鋼材及其性能(如硬度)。軸承及齒輪表面應(yīng)具有足夠高的硬度(58~66 HRC)以承受較高的Hertz接觸應(yīng)力(>1 GPa)。滾動接觸疲勞壽命一般與硬度水平成正比，從Olver研究嚴重微剝落損傷開始，以前的研究表明：出現(xiàn)微剝落損傷時，表面硬度起主要作用。在這種情況下，微剝落損傷是如此嚴重，以致快速的材料損失不是由于傳統(tǒng)磨損，而是由于滾動接觸疲勞，其導(dǎo)致高的磨損率，最后是尺寸的損失。當(dāng)試樣的硬度軟于對偶件的硬度時會加速嚴重微剝落磨損，硬的對偶件保持高的塑性指數(shù)(在對偶件上引起塑性變形的能力)，進一步損傷軟的試樣。在考慮僅輕微剝落損傷(即表面疲勞與輕微磨損處于競爭狀態(tài))時，Oila等的研究表明較硬的鋼表面導(dǎo)致更早的微剝落起源，然而其擴展速率明顯慢于軟表面。最近，Vrcek 等開發(fā)了一種用盤–盤布置來研究微剝落及磨損性能的方法，結(jié)果顯示：對于同樣處于較高硬度水平的兩較硬表面，由于較小的輕微磨損而發(fā)生最嚴重的微剝落損傷。另外，假如粗糙的對偶件較軟，則硬度差完全可消除微剝落損傷。然而，為了更深入了解硬度對表面損傷(即微剝落及磨損現(xiàn)象)的影響以便選擇材料及其熱處理，則需更進一步的研究。

Aleks Vrcek等的研究重點在于不良潤滑條件下表面損傷(即微剝落及磨損損傷)中表面硬度差的重要性。使用3種軸承鋼進行2種熱處理(即表面感應(yīng)硬化(SIH)及全淬硬(TH))，重點突出應(yīng)用SIH熱處理在表面及次表面區(qū)域引入有益的殘余壓應(yīng)力給零件的疲勞帶來的好處。結(jié)果建議：當(dāng)發(fā)生微剝落時，在表面硬度水平保持一致的情況下，選擇合適的熱處理比選擇更好的軸承鋼成分更為重要。

Aleks Vrcek等在邊界潤滑條件下用盤-盤試驗布置表征不同鋼種的表面損傷(即微剝落及磨損)，由3種軸承鋼種制作的經(jīng)SIH處理的粗糙對偶件分別與TH處理的G3及SIH處理的G55鋼光滑試樣接觸?；谠囼灲Y(jié)果得出如下結(jié)論:

1)運動較快的粗糙表面僅經(jīng)受輕微磨損及塑性變形，不管其相對光滑表面的相對表面硬度值如何。然而，運動較慢的光滑表面經(jīng)受不同的損傷模式，取決于試樣與對偶件的表面硬度差。另外，對偶件的材料對G3鋼試樣的微剝落或磨損無顯著影響，其僅取決于相對硬度。

2)對光滑試樣，鑒別出3種主要表面損傷模式狀態(tài):假如試樣較硬，則僅發(fā)生輕微磨損；假如試樣與對偶件硬度相同，則微剝落及輕微磨損同時存在；假如試樣較軟，則表面經(jīng)受嚴重微剝落磨損，比磨損率可高達前2種狀態(tài)的50倍。

3)在類似的硬度水平下，SIH處理的G55試樣比TH處理的G3試樣具有更好的表面疲勞抗力。當(dāng)硬度差約為140 HV₁(G55)及30HV₁(G3)時發(fā)生從微剝落向嚴重微剝落磨損的轉(zhuǎn)變。

4)為了研究在不同硬度差下試驗時試樣表面下裂紋的形貌及G55疲勞性能優(yōu)于G3的潛在原因，需信進行進一步的冶金學(xué)測試。

（內(nèi)容為節(jié)選，參考文獻略）

Micro-Pitting and Wear Characterization for Different Rolling Bearing Steel:Effect of Hardness and Heat Treatments

來源：《Wear》,2020,458-459:203404.

作者：Aleks Vrcek 等

翻譯：劉亞楓

校對：劉光

整理、排版：軸承雜志社

（來源：軸承雜志社）

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