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，其發生是由于滾動接觸時重復的粗糙峰應力波動，可用在滾動表面上形成的無數微裂紋及微剝落來表征，一般發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，重點關注的是了解微剝落現象，設計更能抗微剝落并承受更高功率密度的滾動表面。

現今已將微剝落確認為一種表面接觸疲勞現象，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或增加摩擦因數，極大增加了微剝落的風險。相比之下，允許一定程度的跑合磨損或減小摩擦因數的添加劑常減小微剝落的風險。有關文獻重點探索了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致更高的微剝落甚至是磨損的風險。文獻[13]認為微剝落的起始及擴展主要受工作應力控制；文獻[14]認為增加滑滾比會產生長的滑動距離，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)對微剝落損傷的發生及微剝落損傷的程度有害，這是由于增加了加壓油效應，有助于打開裂紋，盡管有些研究給出相反的結論，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，粗糙表面誘發光滑表面的疲勞微循環，因而促進微剝落損傷。由另一表面粗糙度引起的應力波動一般僅發生在光滑表面。另外，粗糙峰相對滾動方向的取向對微剝落的程度有重要影響，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應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)。軸承及齒輪表面應具有足夠高的硬度(58~66 HRC)以承受較高的Hertz接觸應力(>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磨損，而是由于滾動接觸疲勞，其導致高的磨損率，最后是尺寸的損失。當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(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)時，Oila等的研究表明較硬的鋼表面導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 等開發了一種用盤–盤布置來研究微剝落及磨損性能的方法，結果顯示：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(即表面感應硬化(SIH)及全淬硬(TH))，重點突出應用SIH熱處理在表面及次表面區域引入有益的殘余壓應力給零件的疲勞帶來的好處。結果建議：當發生微剝落時，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。基于試驗結果得出如下結論:

1)運動較快的粗糙表面僅經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:假如試樣較硬，則僅發生輕微磨損；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，則表面經受嚴重微剝落磨損，比磨損率可高達前2種狀態的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。當硬度差約為140 HV₁(G55)及30HV₁(G3)時發生從微剝落向嚴重微剝落磨損的轉變。

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疲勞性能優于G3的潛在原因，需信進行進一步的冶金學測試。

（內容為節選，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）

軸研所公眾號軸承雜志社公眾號

滾動軸承疲勞失效形式和抗疲勞方法

低油耗汽車軸承發展史

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