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不同滚动轴承钢的微剥落及磨损的表征:硬度及热处理的影响

微剥落或表面损伤是一种表面失效机制,常见于重载、非共形、滚–滑润滑接触的现代机械部件(如轴承和齿轮)。这种损伤由粗糙峰级别的滚动接触疲劳引起,其发生是由于滚动接触时重复的粗糙峰应力波动,可用在滚动表面上形成的无数微裂纹及微剥落来表征,一般发生在油膜厚度不足以完全分开滚动表面的不良润滑条件(低Λ值)下,载荷分别由粗糙峰–粗糙峰接触和润滑剂承受。因为当前的趋势是使用更稀薄的润滑剂来最大限度地改善机械部件的效率,重点关注的是了解微剥落现象,设计更能抗微剥落并承受更高功率密度的滚动表面。


现今已将微剥落确认为一种表面接触疲劳现象,其涉及轻微磨损与粗糙峰疲劳之间的竞争。通过修正表面的跑合或去除疲劳材料层,轻微磨损可减少微剥落坑的形成。已证实:如抗磨、减摩、极压类添加剂对增强或推迟微剥落的形成具有重要作用。防止粗糙滚动表面磨损的添加剂可增强微剥落坑的形成,其一般维持高的表面粗糙度幅值,因而可维持高的摩擦因数或增加摩擦因数,极大增加了微剥落的风险。相比之下,允许一定程度的跑合磨损或减小摩擦因数的添加剂常减小微剥落的风险。有关文献重点探索了ZDDP抗磨添加剂的作用,其对滑动摩擦有益,但对滚动摩擦可能有害。最近的一项研究表明:微剥落的程度更取决于跑合磨损的程度,而非文献[5]所述的取决于最终形成的摩擦膜的厚度。在这种情况下,充分的跑合磨损会大大减小微剥落的风险。


然而,在缺少添加剂的情况下,其他因素(如运行工况、钢的表面、冶金性能)受到更多的关注。假如Λ值非常低且缺少抗磨添加剂,则苛刻的接触条件一般会导致更高的微剥落甚至是磨损的风险。文献[13]认为微剥落的起始及扩展主要受工作应力控制;文献[14]认为增加滑滚比会产生长的滑动距离,从而加速微剥落。无论如何,在达到某个门槛值前,轻微磨损占主导地位并可减少微剥落损伤。另外,一般认为负滑动(较慢的运动表面)对微剥落损伤的发生及微剥落损伤的程度有害,这是由于增加了加压油效应,有助于打开裂纹,尽管有些研究给出相反的结论,即由于磨损较少,与负滑动相比,正滑动会使微剥落损伤发展得更快。


除运行工况外,重点研究了表面形貌及材料的作用。研究显示:表面粗糙度是微剥落的主导原因,粗糙–光滑接触对较光滑表面有害。在这种情况下,粗糙表面诱发光滑表面的疲劳微循环,因而促进微剥落损伤。由另一表面粗糙度引起的应力波动一般仅发生在光滑表面。另外,粗糙峰相对滚动方向的取向对微剥落的程度有重要影响,与纵向粗糙峰相比,横向粗糙峰更有害;粗糙峰横向列置诱发应力波动并加速微剥落损伤。


另外重点考虑的是钢材及其性能(如硬度)。轴承及齿轮表面应具有足够高的硬度(58~66 HRC)以承受较高的Hertz接触应力(>1 GPa)。滚动接触疲劳寿命一般与硬度水平成正比,从Olver研究严重微剥落损伤开始,以前的研究表明:出现微剥落损伤时,表面硬度起主要作用。在这种情况下,微剥落损伤是如此严重,以致快速的材料损失不是由于传统磨损,而是由于滚动接触疲劳,其导致高的磨损率,最后是尺寸的损失。当试样的硬度软于对偶件的硬度时会加速严重微剥落磨损,硬的对偶件保持高的塑性指数(在对偶件上引起塑性变形的能力),进一步损伤软的试样。在考虑仅轻微剥落损伤(即表面疲劳与轻微磨损处于竞争状态)时,Oila等的研究表明较硬的钢表面导致更早的微剥落起源,然而其扩展速率明显慢于软表面。最近,Vrcek 等开发了一种用盘–盘布置来研究微剥落及磨损性能的方法,结果显示:对于同样处于较高硬度水平的两较硬表面,由于较小的轻微磨损而发生最严重的微剥落损伤。另外,假如粗糙的对偶件较软,则硬度差完全可消除微剥落损伤。然而,为了更深入了解硬度对表面损伤(即微剥落及磨损现象)的影响以便选择材料及其热处理,则需更进一步的研究。


Aleks Vrcek等的研究重点在于不良润滑条件下表面损伤(即微剥落及磨损损伤)中表面硬度差的重要性。使用3种轴承钢进行2种热处理(即表面感应硬化(SIH)及全淬硬(TH)),重点突出应用SIH热处理在表面及次表面区域引入有益的残余压应力给零件的疲劳带来的好处。结果建议:当发生微剥落时,在表面硬度水平保持一致的情况下,选择合适的热处理比选择更好的轴承钢成分更为重要。


Aleks Vrcek等在边界润滑条件下用盘-盘试验布置表征不同钢种的表面损伤(即微剥落及磨损),由3种轴承钢种制作的经SIH处理的粗糙对偶件分别与TH处理的G3及SIH处理的G55钢光滑试样接触。基于试验结果得出如下结论:


1)运动较快的粗糙表面仅经受轻微磨损及塑性变形,不管其相对光滑表面的相对表面硬度值如何。然而,运动较慢的光滑表面经受不同的损伤模式,取决于试样与对偶件的表面硬度差。另外,对偶件的材料对G3钢试样的微剥落或磨损无显著影响,其仅取决于相对硬度。


2)对光滑试样,鉴别出3种主要表面损伤模式状态:假如试样较硬,则仅发生轻微磨损;假如试样与对偶件硬度相同,则微剥落及轻微磨损同时存在;假如试样较软,则表面经受严重微剥落磨损,比磨损率可高达前2种状态的50倍。


3)在类似的硬度水平下,SIH处理的G55试样比TH处理的G3试样具有更好的表面疲劳抗力。当硬度差约为140 HV1(G55)及30HV1(G3)时发生从微剥落向严重微剥落磨损的转变。


4)为了研究在不同硬度差下试验时试样表面下裂纹的形貌及G55疲劳性能优于G3的潜在原因,需信进行进一步的冶金学测试。

(内容为节选,参考文献略)

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

来源:《Wear》,2020,458-459:203404.

作者:Aleks Vrcek 等

翻译:刘亚枫

校对:刘光

整理、排版:轴承杂志社

(来源:轴承杂志社)


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