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風(fēng)電齒輪箱軸承白蝕裂紋失效全面

評述:主要因素及試驗(yàn)研究

[西班牙] Fernando José Lopez-Urunuela等

1 引言

本文評述的失效模式出現(xiàn)在可再生能源領(lǐng)域，尤其是近20年快速發(fā)展的風(fēng)能領(lǐng)域。海上風(fēng)電是未來低碳發(fā)電最具前景的可持續(xù)能源，尤其是更多風(fēng)源可用的遠(yuǎn)海區(qū)域。與風(fēng)的類型、空間缺乏或視覺沖擊相關(guān)的不同因素正推動風(fēng)電不斷地向海上發(fā)展。與陸地環(huán)境相比，海上環(huán)境的主要優(yōu)勢是可用面積的增加可創(chuàng)建大的高容量設(shè)備(風(fēng)場)，并減少視覺沖擊和降低噪聲。2017年歐洲海上風(fēng)電裝機(jī)容量增長3148 MW，為2016年的2倍，比2015年多13%。然而，要接近并在這樣的環(huán)境中工作則變得越來越復(fù)雜，帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中失效率最高的是電氣電子系統(tǒng)、傳感器或剎車系統(tǒng)。無論如何，最常引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)的部件是齒輪箱，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)和更換齒輪箱帶來高額的經(jīng)濟(jì)成本，2011年更換齒輪箱的費(fèi)用估計(jì)高達(dá)19萬歐元。70%的齒輪箱失效是因?yàn)檩S承，48%的失效集中在高速軸軸承，其他為中間軸和低速軸軸承以及齒輪。

風(fēng)電齒輪箱軸承出現(xiàn)不同的失效模式。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，齒輪箱軸承出現(xiàn)以下失效模式:裂紋及斷裂、磨損、塑性變形、安裝及潤滑劑失效。本文聚焦的主要失效模式是裂紋及斷裂，尤其是過載斷裂。在文獻(xiàn)[5]中認(rèn)定白蝕裂紋(WEC)為過載斷裂的一種形式，可由過載拉應(yīng)力產(chǎn)生。根據(jù)科技文獻(xiàn)，WEC不屬于迄今所知的任何摩擦接觸失效模式。Ruellan在其文章中論述了滾動軸承所經(jīng)受的2種主要失效：磨損、滾動接觸疲勞(RCF)。磨損是指在低中次數(shù)的疲勞循環(huán)后產(chǎn)生材料的剝落，同時(shí)形成碎屑；RCF在長期疲勞循環(huán)后非常明顯且常與材料的表面及次表面開裂有關(guān)。在Manieri等的一篇討論WEC起源的長且詳盡的文章中給出了WEC的最新形成機(jī)制，其與眾所周知的磨損及RCF略有不同。該形成模型基于軸承滾子與滾道間的早期高邊緣應(yīng)力，可概括為以下4點(diǎn)：1)早期階段的高邊緣應(yīng)力導(dǎo)致裂紋萌生；2)在一定次數(shù)的疲勞循環(huán)后由于磨損及邊緣的變形改善了接觸狀態(tài)，邊緣應(yīng)力明顯減??；3)裂紋生長速率隨應(yīng)力的減小而減緩，使裂紋面的摩擦發(fā)生相對長的時(shí)間(見3.1節(jié))，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋周圍的顯微組織變化，稱之為白蝕區(qū)(WEA)；4)最后發(fā)生表面剝落，導(dǎo)致軸承失效。這一形成機(jī)制如圖1所示。在分析了不同文獻(xiàn)對WEC形成機(jī)制的建議后，發(fā)現(xiàn)早期階段的過載對WEC的產(chǎn)生似乎是必要的。在文獻(xiàn)[7]中，過載歸之于邊緣應(yīng)力；在文獻(xiàn)[5]中，WEC標(biāo)記為過載斷裂，由過載拉應(yīng)力引起。另一方面，Ruellan等對比了WEC與RCF，并指出:在WEC的情況下，變化的材料區(qū)域因臨時(shí)過載期間的最大次表面應(yīng)力作用而超出最大Hertz應(yīng)力區(qū),進(jìn)而可在較長的過載期間向更深處發(fā)展,以這種方式產(chǎn)生裂紋并由于次表面應(yīng)力的減小而緩慢生長。有關(guān)WEC起源及擴(kuò)展模式的詳細(xì)總結(jié)見Evans撰寫的綜述,其將起源模式分為表面及次表面起源模式。

圖1 文獻(xiàn)[7]提出的WEC應(yīng)力形成模型示意圖

關(guān)于WEC的形成機(jī)制,不同研究者之間并未達(dá)成一致意見,這種現(xiàn)象的顯微組織表征似乎也不清晰。WEC被定義為一組由變化的顯微組織圍繞的裂紋網(wǎng)(圖2),當(dāng)受影響的區(qū)域用2%硝酸酒精溶液腐蝕后可揭示出WEA的形貌。根據(jù)文獻(xiàn),WEA以2種形式存在:由納米晶及非晶相組成的轉(zhuǎn)變WEA;主要由納米晶組成的變形WEA。WEA為納米晶鐵素體結(jié)構(gòu),硬度比基體高10%～50%,硬度增加是由于晶粒尺寸減小,非常細(xì)小的滲碳體顆粒的彌散分布以及塑性變形,這些均為鋼的強(qiáng)化機(jī)制。次表面裂紋最終與表面連接,產(chǎn)生缺痕并導(dǎo)致所謂的白色組織剝落(WSF)。裂紋萌生及擴(kuò)展的深度大致位于最大切應(yīng)力區(qū)。

圖2 在瞬變工況下試驗(yàn)的試樣上平行于接觸面的次表面裂紋萌生及WEC的形成,示意地再現(xiàn)了滾動軸承中WEC的形成

自20世紀(jì)90年代以來,WEC一直是摩擦學(xué)、潤滑劑及軸承制造團(tuán)體討論的話題。因?yàn)轱L(fēng)電的發(fā)展及其與這種失效模式的關(guān)系,WEC的研究一直在顯著增加。所有與WEC相關(guān)的研究的主要目的過去是且現(xiàn)在仍是了解其萌生及擴(kuò)展的機(jī)制,確定促進(jìn)這種現(xiàn)象形成的因素并開發(fā)減輕這種失效模式的解決方案,諸如涂層、新的潤滑劑或新的鋼材質(zhì)量。在WEC形成過程中可能的驅(qū)動或加速因素中,以下因素較為突出:1)潤滑劑及其添加劑;2)非金屬夾雜物(NMI);3)瞬變工況;4)其他驅(qū)動因素,如電流通過、軸變形或高溫。數(shù)名作者研究了潤滑劑及其添加劑對軸承摩擦接觸中原子氫存在的影響以及異質(zhì)摩擦膜的形成有時(shí)可增加表面拖動力這樣的現(xiàn)象。作為鋼基體缺陷的NMI有利于應(yīng)力集中并促進(jìn)裂紋萌生,無數(shù)研究聚焦于表征與次表面裂紋形成密切相關(guān)的夾雜物。毫無疑問,一種研究最多的因素是滾動體與滾道接觸區(qū)中發(fā)生的劇烈滑動的影響,劇烈滑動主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)中發(fā)生的瞬變工況引起。殘存電流的通過是許多研究者研究的另一種驅(qū)動因素,因?yàn)辇X輪箱后面發(fā)電機(jī)的存在,有可能發(fā)生放電,影響軸承的正常運(yùn)行。其他驅(qū)動因素是軸承運(yùn)行中產(chǎn)生的軸變形及高溫。

本文目的是對過去幾年里WEC的研究進(jìn)行概述,除對與WEC現(xiàn)象相關(guān)的主要概念進(jìn)行一般性的綜述外,還將對該領(lǐng)域開展進(jìn)一步研究的計(jì)劃及實(shí)施提供幫助。為此,本文分為:第2章表述以前研究中所用的形成WEC的方法；第3章給出疲勞過程中出現(xiàn)的不同顯微組織變化；第4章是本文的核心,也是內(nèi)容最多的一章,因而分成幾節(jié),每節(jié)討論一種促進(jìn)WEC形成的因素；第5章論述聚焦于WEC研究所用的主要試驗(yàn)程序；第6章是關(guān)于熱處理及涂層(黑色氧化及類金剛石碳)對WSF產(chǎn)生或防止的影響；第7章給出主要結(jié)論及應(yīng)進(jìn)一步開展的工作。

2 WEC起源模式

在討論該話題前，應(yīng)注意WEC起源模式取決于過程中涉及的因素。在文獻(xiàn)報(bào)道的及在實(shí)驗(yàn)室為產(chǎn)生WEC所進(jìn)行的試驗(yàn)中，測試了不同的驅(qū)動因素(氫、電流通過、粗的表面粗糙度等),這些因素決定了裂紋的起源模式以及構(gòu)成WEC的顯微組織變化。因此,為了解風(fēng)電軸承中與WEC相關(guān)的失效原因,有必要精確選擇實(shí)際應(yīng)用中這些失效起源過程所牽涉的驅(qū)動因素。Ruellan等指出在預(yù)充氫和非充氫試樣中WEC的起源存在主要差別。對于第1種情況,已證實(shí)WEC容易形成且很可能發(fā)生于次表面的最大切應(yīng)力區(qū)。由于氫脆,裂紋起源于材料的最弱處。根據(jù)2種主要假設(shè),氫有利于:1)夾雜物與基體分離;2)缺陷周圍的局部塑性變形。對于非充氫試樣,WEC的形成花費(fèi)更長的時(shí)間(即更多的疲勞循環(huán)次數(shù)),且不會發(fā)生在最大切應(yīng)力深度處,而是接觸區(qū)的邊緣。在Evan的WEC綜述中強(qiáng)調(diào)了鋼種及疲勞過程對WEC起源模式的影響。

WEC起源可劃分為表面或次表面過程。表面起源似乎是特例,因?yàn)槠湓谝韵买?qū)動因素影響下發(fā)生,諸如暴露于表面的NMI、機(jī)加工缺陷、引起電蝕的放電而產(chǎn)生的微蝕坑。文獻(xiàn)[8]描述了2種表面起源的情況:1)由導(dǎo)致表面微裂紋的切應(yīng)力而產(chǎn)生的起源;2)受作用在表面特殊區(qū)域的周向拉應(yīng)力影響而產(chǎn)生的起源,當(dāng)套圈與存在形狀偏差的軸配合時(shí)會產(chǎn)生這類應(yīng)力,套圈發(fā)生變形導(dǎo)致出現(xiàn)承受高周向應(yīng)力的區(qū)域。在這2種情況下很可能受氫的影響。產(chǎn)生新鮮表面后,氫會發(fā)生反應(yīng)并擴(kuò)散到鋼中,從而有利于裂紋的生長(見4.1節(jié))。

基于近年來的研究結(jié)果,次表面起源理論更受關(guān)注,包括所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究以及對工作一段時(shí)間后失效的風(fēng)電軸承所進(jìn)行的分析。在這種情況下已確定鋼的缺陷(NMI、空洞、微裂紋)為主要的失效起源點(diǎn),這些缺陷充當(dāng)應(yīng)力集中部位,因缺陷邊緣產(chǎn)生高于該深度處計(jì)算出的應(yīng)力峰值。鋼基體中存在這些缺陷時(shí)還應(yīng)考慮Tresca切應(yīng)力τ45的影響,τ45在次表面區(qū)域達(dá)到最大值。有關(guān)NMI對WEC產(chǎn)生的影響的詳細(xì)研究見3.1節(jié)。

文獻(xiàn)[30]提出一個(gè)有趣的次表面起源模型,其基于氫和Hertz應(yīng)力的影響(在鋼的次表面存在明顯的NMI)。根據(jù)圖3,該模型提出:在次表面的某個(gè)區(qū)域,一個(gè)最大的氫擴(kuò)散區(qū)與最大Hertz應(yīng)力區(qū)重疊,其有利于次表面裂紋的形成。該研究指出:滾動體與滾道間接觸區(qū)尺寸顯著影響氫擴(kuò)散,接觸區(qū)越大,接觸區(qū)外的自由表面越小,越有利于鋼基體中氫的高度集中。

圖3 文獻(xiàn)[30]提出的WEC起源模式示意圖。氫擴(kuò)散區(qū)與高切應(yīng)力區(qū)重疊有利于次表面裂紋的形成

廣泛討論的與次表面起源模式有關(guān)的概念是WEC形成與裂紋的先后順序。一些研究認(rèn)為由于顯微組織的變化,次表面中先于裂紋形成WEA;而大多數(shù)認(rèn)為發(fā)生的次序相反,由于以上所論的某些現(xiàn)象而使裂紋先產(chǎn)生,隨后因切應(yīng)力的作用使裂紋面發(fā)生摩擦而產(chǎn)生WEA。本節(jié)提到的概念將在3.1節(jié)深入討論。

概括起來,有2種WEC起源模式:表面及次表面,起源模式取決于每種情形中的驅(qū)動因素。與表面變化(粗的表面粗糙度、不良機(jī)加工、電蝕……)相關(guān)的那些驅(qū)動因素有利于表面起源,有利于次表面起源的驅(qū)動因素是總在軸承摩擦接觸區(qū)或多或少存在的那些因素(NMI、氫、高切應(yīng)力等)。

3 顯微組織變化

3.1 WEA

由于對這一主題開展了大量研究,近年來對WEA的起源及形成的了解似乎已向前邁出了一步,但就這一現(xiàn)象而言還未達(dá)成一致的結(jié)論。WEA被描述為體心立方納米鐵素體結(jié)構(gòu),固溶體有過飽和的碳。詳細(xì)的顯微組織研究進(jìn)一步揭示:WEA中無大的碳化物析出,含有尺寸為10～100 nm的不均勻晶粒。顯微組織變化區(qū)中已發(fā)現(xiàn)非晶相與納米晶結(jié)構(gòu)共存,在這些區(qū)域可見完全無序的晶體網(wǎng)。

有趣的是注意到WEC形成機(jī)制的獨(dú)立性,在所有科技文獻(xiàn)中一種鋼(本綜述聚焦于常用軸承材料SAE 52100)的WEA結(jié)構(gòu)特征相同。WEA形成機(jī)制可分為2組:(A)先出現(xiàn)裂紋,而后裂紋面摩擦導(dǎo)致顯微組織變化;(B)先產(chǎn)生WEA,而后在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生裂紋。一些研究報(bào)道了這一顯微組織變化區(qū)的性能或特征略有變動(本節(jié)后文提到的例外),但一般絕大多數(shù)研究贊同以上給出的定義。

由裂紋面摩擦形成WEA的機(jī)制A得到多個(gè)研究的證實(shí)。文獻(xiàn)[47]和[51]指出:滾/滑接觸過程中,預(yù)先存在的裂紋面相互摩擦撞擊,產(chǎn)生非常細(xì)小的晶粒,WEA被認(rèn)為是由于實(shí)際損傷(裂紋、脫開的夾雜物或空洞)而產(chǎn)生的結(jié)果。文獻(xiàn)[47]提出:為在裂紋周圍形成白蝕物(WEM),有2種參數(shù)最為重要。首先,裂紋相對于滾動方向的取向及次表面切應(yīng)力的深度將決定裂紋的哪一部分在外加壓力下張開,哪一部分收縮、摩擦并產(chǎn)生硬的WEM;其次,與回火馬氏體中的裂紋相比,被殘余奧氏體(在RCF下應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槲椿鼗瘃R氏體)環(huán)繞的裂紋似乎產(chǎn)生較少的WEM,原因是缺少碳化物。

有爭議的是裂紋面摩擦可否提供足以產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)及非晶相所需的能量。根據(jù)Yuri Kadin的研究,非晶化過程在能量上是可行的,在該研究中假設(shè)WEA形成前就存在裂紋,其給出了通過模擬Ⅱ型裂紋中由循環(huán)剪切和壓縮引起的裂紋面上的摩擦相互作用而進(jìn)行的WEA形成的理論研究。裂紋面摩擦所耗散的能量部分轉(zhuǎn)化為熱量,部分轉(zhuǎn)化為顯微組織變化(對應(yīng)的是非常大的位錯密度積累),這一過程強(qiáng)化了非晶化過程。

文獻(xiàn)[11]發(fā)現(xiàn)與WEC形成相關(guān)的NMI的共同之處。NMI是:1)類型及尺寸一致;2)夾雜物-WEC相互作用的深度處于或接近最大次表面切應(yīng)力區(qū);3)WEC網(wǎng)中裂紋的擴(kuò)展方向與夾雜物的定位有一定相似性。因此提出:NMI與WEC現(xiàn)象密切相關(guān),就如其他研究所觀察到的那樣。

眾所周知,滑動接觸有利于WEA的形成。已證明在最大滑動能集中的區(qū)域發(fā)生較高密度的顯微組織變化。在負(fù)滑動區(qū),WEA顯著增加,因?yàn)樽饔迷诹鸭y上的合力傾向于避免裂紋張開,有利于裂紋面的摩擦,因而有利于WEA的形成。

試驗(yàn)應(yīng)力循環(huán)積累產(chǎn)生的WEA體積支持WEA形成機(jī)制A。文獻(xiàn)[38]指出:WEA體積隨循環(huán)次數(shù)增加而增大,試樣經(jīng)受的載荷循環(huán)越長,裂紋生長得越多,產(chǎn)生新的裂紋面,因而導(dǎo)致更多的顯微組織變化區(qū)。根據(jù)文獻(xiàn)[11],WEA密度的增加存在非線性。在4～18 h的試驗(yàn)期間,12～18 h內(nèi)WEA密度快速增加。

最近的大量研究證實(shí)了WEA形成機(jī)制B,即一旦形成顯微組織變化區(qū)就可能產(chǎn)生裂紋。普遍認(rèn)為:與附加載荷(諸如局部高溫或原子氫的存在)疊加的局部高機(jī)械應(yīng)力是WEA形成的根本原因。文獻(xiàn)[41]發(fā)現(xiàn):在WEA形成的初始階段,形成了針狀結(jié)構(gòu),其內(nèi)存在塑性變形的球狀碳化物,這些碳化物由位錯胞結(jié)構(gòu)及細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)組成,通過馬氏體的剪切變形形成;該文獻(xiàn)進(jìn)一步指出:在馬氏體/殘余奧氏體、馬氏體/球狀碳化物間的界面上形成空洞。

文獻(xiàn)[54]描述了WEA內(nèi)碳化物的退變,這一現(xiàn)象本質(zhì)上是由于碳化物析出物的變形及溶解。該研究支持這樣的假設(shè):WEC過程通過結(jié)構(gòu)畸變的持續(xù)積累而起始于無失效期,因此WEC既與鋼中NMI無關(guān),也與其他雜質(zhì)無關(guān)。某些工況條件(如存在滑動或瞬態(tài)電流)可能有利于負(fù)面熱效應(yīng)發(fā)揮作用,導(dǎo)致高缺陷區(qū)的塑性變形,塑性變形的積累觸發(fā)滲碳體周圍的畸變,畸變又導(dǎo)致擴(kuò)散過程帶來的碳過飽和及碳化物的塑性變形。最后通過減小顯微組織的尺寸,完全變化的區(qū)域?qū)⑨尫欧e累的能量,形成WEC。

在文獻(xiàn)[38]所進(jìn)行的研究中提出了反對WEA形成機(jī)制A的2個(gè)事實(shí)。首先,欲將晶粒細(xì)化到納米級別,需要足夠的能量產(chǎn)生位錯簇,且需要額外的能量溶解大量的碳化物;其次,摩擦裂紋面可能不足以產(chǎn)生形成WEA所需的能量,因?yàn)椴糠帜芰恳孕纬赡バ嫉男问胶纳⒌?。該研究進(jìn)一步指出:WEA主要由非晶相組成,其內(nèi)嵌有納米晶體,而不是以前研究所提出的納米鐵素體結(jié)構(gòu)。這些作者將WEA分為變形及轉(zhuǎn)變WEA;關(guān)于構(gòu)成,變形WEA主要由BCC納米鐵素體組成,而轉(zhuǎn)變WEA涉及剪切驅(qū)動的非晶化且由非晶相及納米晶體組成。根據(jù)文獻(xiàn)[55],在大的塑性變形下非晶相的形成是剪切驅(qū)動固態(tài)非晶化過程;通過缺陷(如空洞、晶界、位錯)的積累,晶粒被細(xì)化到納米尺度。當(dāng)晶粒細(xì)化到臨界尺寸(3 nm或5 nm)時(shí),晶體突然轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷唷?/p>

在文獻(xiàn)[38]之后,文獻(xiàn)[48]強(qiáng)調(diào):在WEA中存在高含量的奧氏體;根據(jù)文獻(xiàn)[48]的研究結(jié)果,轉(zhuǎn)變及非晶化似乎發(fā)生在顯微組織變化區(qū)(WEA)。WEA中的奧氏體含量高于原始鋼基體(從2%～3%至30%)表明:發(fā)生了馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變,其受變形誘發(fā)機(jī)制控制。根據(jù)文獻(xiàn)[48],文獻(xiàn)[57-58]所支持的熱誘發(fā)相變可排除在外。當(dāng)晶體相儲存的能量超過非晶相時(shí)就會發(fā)生非晶化。在劇烈塑性變形的情況下,非晶化受變形驅(qū)動機(jī)制控制;大的塑性變形在晶體結(jié)構(gòu)材料中產(chǎn)生空洞、位錯及晶界;晶界的面積百分比越高,系統(tǒng)中可用的自由能越多。

但也有例外,WEA并不完全符合以上給出的解釋,并非在所有研究中均觀測到文獻(xiàn)[48]所提及的WEA中奧氏體增加。文獻(xiàn)[41]發(fā)現(xiàn):與原始基體相比,WEA中奧氏體減少。相似地,也并非所有研究中都存在相同的非晶相。一些作者提到:存在的非晶相不同于在文獻(xiàn)[60]中發(fā)現(xiàn)的。然而,文獻(xiàn)[41]和[60]證實(shí):裂紋的形成發(fā)生于非晶相與納米晶體相之間;因而,WEA顯微組織取決于影響顯微組織變化區(qū)形成的外部因素。大部分論述WEA的文獻(xiàn)提出以下2個(gè)方面作為WEA形成的最重要因素:

1)環(huán)境中存在氫。氫有利于WEA形成并影響其發(fā)展。根據(jù)文獻(xiàn)[44],氫在鋼中的作用之一是增強(qiáng)RCF期間的局部塑性,其基于氫存在時(shí)位錯移動性增加的事實(shí)。假如由于滑移的局部化,在障礙物處(如碳化物)位錯密度達(dá)到臨界值,其就會與增加的應(yīng)力集中疊加,碳化物的溶解就會發(fā)生。文獻(xiàn)[64]提出:軸承鋼中的氫可減小裂紋面間的滑動摩擦因數(shù),因?yàn)槲皆诹鸭y面上的氫原子減小表面能及附著力。摩擦因數(shù)的減小意味著耗散能的增加,因而也就是裂紋接觸面間的滑動增加,這就導(dǎo)致達(dá)到晶粒細(xì)化所需能量時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)減少,因而WEA形成會更早出現(xiàn)。

2)鋼基體的原始顯微組織。原始顯微組織不同,WEA將具有不同的力學(xué)性能,這點(diǎn)很明顯,因?yàn)樵谶@些顯微組織變化區(qū)中形成的相組分與普通馬氏體軸承鋼并不相同。文獻(xiàn)[65]研究了由在穩(wěn)定的奧氏體基體中細(xì)板條貝氏體鐵素體組成的納米貝氏體鋼。在進(jìn)行RCF試驗(yàn)后,采用先進(jìn)的表征工具分析了WEM形成期間碳的再分配,發(fā)現(xiàn):無碳化物納米貝氏體中的白蝕蝴蝶翼與無碳化物貝氏體鋼軌中的WEC分別比周圍基體軟約10%及48%。蝴蝶WEM硬度下降較少歸之于其碳的損耗,而鋼軌WEM硬度下降較多是由于該區(qū)域內(nèi)存在細(xì)的殘余奧氏體晶粒以及碳的損耗。與之相反,對于淬回火馬氏體鋼,RCF導(dǎo)致滲碳體的溶解,產(chǎn)生比原始基體硬的WEM。

因而,大多數(shù)的研究報(bào)道:WEA的產(chǎn)生是由于裂紋面的摩擦,這意味著將顯微組織變化的形成理解為一種次表面失效模式(微裂紋形成)的結(jié)果,而不是失效本身。另外,也指出:WEA形成過程中涉及的驅(qū)動因素不同將產(chǎn)生具有不同性能及形貌的顯微組織變化。

3.2 與WEC不同及相近的顯微組織變化:DER,WEB及蝴蝶組織

有一些與WEC類似的特殊顯微組織變化,因而在分析鑒別機(jī)械零件發(fā)生了哪種現(xiàn)象時(shí)會引起混淆,尤其是對滾動接觸中誘發(fā)的那些顯微組織變化,如暗蝕區(qū)(DER)、白蝕帶(WEB)及蝴蝶組織。DER及WEB組織變化是材料經(jīng)受高次應(yīng)力循環(huán)后在其次表面產(chǎn)生,因此不會引起早期失效。然而,蝴蝶組織由夾雜物和WEA構(gòu)成(圖4),因而認(rèn)為其是應(yīng)力集中點(diǎn),該處有可能萌生裂紋。蝴蝶組織與WEC的形成及擴(kuò)展密切相關(guān)。4.2節(jié)將深入討論NMI對WEC形成的影響;為了有利于將每種顯微組織變化合適分類,下面將全面討論這些概念。

圖4 蝴蝶組織特征

3.2.1 DER

當(dāng)材料在RCF狀態(tài)下經(jīng)受中-高次應(yīng)力循環(huán)時(shí),在最大Hertz切應(yīng)力區(qū)將發(fā)生顯微組織變化,典型的深度為接觸面下1 mm。這些變形區(qū)域被稱為DER是因?yàn)榻?jīng)硝酸溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡(LOM)下觀察時(shí)其呈暗色。循環(huán)次數(shù)的增加意味著DER的尺寸更大?；鼗瘃R氏體中積累的塑性變形越大,這些區(qū)域就越暗。DER是WEB形成前首先發(fā)生的組織變化,由一些與軸承滾道面無任何特殊取向的暗色微帶組成,且因碳向由微塑性應(yīng)變產(chǎn)生的位錯區(qū)遷移而將其表征為回火馬氏體。因此,這種塑性變形導(dǎo)致材料軟化(與基體組織相比)。

3.2.2 WEB

在預(yù)先存在的顯微組織變化中,DER相同深度處(最大切應(yīng)力區(qū))產(chǎn)生WEB,其出現(xiàn)于DER之后,因而在經(jīng)受非常高的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)或重載RCF狀態(tài)下產(chǎn)生?？砂l(fā)現(xiàn)2種WEB(圖5)。與表面呈低角度(30°)存在的WEB稱之為平白帶(FWB)或低角度帶(LAB)。根據(jù)一些研究,FWB會進(jìn)一步發(fā)展為更厚且更長的陡白帶(SWB)。LAB可用LOM觀測到,因?yàn)槠浼?xì)的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高耐蝕性。LAB較薄(0.1 μm)且相對較長(1～2μm),其顯微組織由被誘發(fā)片狀碳化物的形成而規(guī)則分開的低碳微細(xì)鐵素體相組成,比基體軟。重要的一點(diǎn)是需將其與碳飽和的硬WEA區(qū)分開來。

圖5 RCF試驗(yàn)后滾子的周向截面(2%硝酸溶液腐蝕)。接觸面下明顯形成了DER及WEB,出現(xiàn)了2種WEB:LAB(先出現(xiàn))及HAB

第2種WEB在FWB出現(xiàn)的區(qū)域稍后形成,與軸承滾道面呈70°～80°,如圖4所示,且稱之為高角度帶(HAB)或SWB。HAB比LAB厚(15 μm)。

以前提到有2種看似WEC的不同缺陷,但事實(shí)上其與WEC完全不同。

3.2.3 蝴蝶組織

鋼中起源于NMI的蝴蝶組織是三維組織變化,其名字是因?yàn)樵贚OM下觀察時(shí)與蝴蝶相似,呈現(xiàn)為WEA蝴蝶翼及NMI本體,如圖4所示。

由于切應(yīng)力循環(huán),在夾雜物周圍產(chǎn)生高應(yīng)力集中,導(dǎo)致材料基體與夾雜物間的界面分離或裂紋萌生。因?yàn)榛w與夾雜物的熱膨脹系數(shù)、形狀或彈性模量的顯著差異,切應(yīng)力促使界面分離并在材料缺陷處萌生裂紋。

夾雜物周圍產(chǎn)生拉壓應(yīng)力,拉應(yīng)力導(dǎo)致裂紋萌生(Ⅰ型載荷,依據(jù)裂紋位移模式理論),切應(yīng)力將有利于裂紋擴(kuò)展(Ⅱ型載荷)。例如MnS夾雜物比鋼基體軟,當(dāng)鋼材在高溫下軋制時(shí),這些夾雜物呈長條狀,引起各向異性,因此材料在各方向的響應(yīng)并不相同。

蝴蝶組織在RCF早期階段出現(xiàn)在距軸承滾道面0.05～1.5 mm深度處;但隨著進(jìn)一步的RCF循環(huán),若該深度范圍內(nèi)無夾雜物時(shí),蝴蝶組織可在較深處出現(xiàn)。由于最大切應(yīng)力作用在與滾道面呈±45°的方向上,所以典型的蝴蝶翼擴(kuò)展角為相對于滾道面呈30°～50°。

形成蝴蝶組織的主要夾雜物為硫化物、氧化物(Al2O3)或二者形成的兩相夾雜物,其來自于材料的制造過程,在每種軸承合金鋼中的量不同。由于煉鋼過程最佳化的高成本,要避免夾雜物的出現(xiàn)實(shí)屬不易。

蝴蝶組織中WEA的形成機(jī)制還未充分了解,但文獻(xiàn)中提出了2種機(jī)制:一種是先形成裂紋,然后裂紋面摩擦形成WEA;另一種是由于切應(yīng)力循環(huán)誘發(fā)的局部塑性變形而產(chǎn)生WEA,之后形成裂紋。

因?yàn)楹M織三維發(fā)展,要了解和分析這種缺陷需要不同截面的分析。事實(shí)上,僅在一個(gè)截面上分析蝴蝶組織可能會將其判別為WEC的形成。因此,重要的是要區(qū)分WEC的形成(裂紋和WEA)與蝴蝶翼(總與NMI有關(guān))的差異。另外,也要將2種蝴蝶組織加以區(qū)分:一種是不會顯著擴(kuò)展而引起失效;另一種是在材料中擴(kuò)展形成裂紋并以形成WEC而結(jié)束。

4 WEC驅(qū)動因素

本節(jié)收集了文獻(xiàn)中提出的WEC形成的主驅(qū)動因素,根據(jù)其來源或特征可分為3組。第1組對應(yīng)的是與潤滑有關(guān)的因素,如潤滑劑中的氫及添加劑;第2組指材料,尤其是鋼中的NMI;第3組指與工況或外部因素有關(guān)的驅(qū)動因素,如殘余電流、瞬變工況、滑動接觸、高溫或軸承與軸的不良配合。

4.1 氫

4.1.1 鋼的氫脆

過去這些年里,氫被認(rèn)為是WEC形成的主驅(qū)動因素。根據(jù)最新的研究,有關(guān)氫在WEC形成中的作用的理念似乎也在變化。氫不再被認(rèn)為是WEC形成的主驅(qū)動因素,而是過程加速因素。為了再現(xiàn)WEC失效,不一定要人為預(yù)充氫,文獻(xiàn)[11]和[22-23],[26],[75]已證實(shí):不采用預(yù)充氫試樣也可產(chǎn)生WEA。無論如何,應(yīng)注意:不對試樣進(jìn)行人為預(yù)充氫并不意味著氫沒有機(jī)會擴(kuò)散到材料中,因?yàn)楸娝苤谔厥夤r下某些潤滑劑會降解并產(chǎn)生原子氫。

仍有爭議的是氫脆加速WEC形成的模式,在解釋氫對鋼的力學(xué)性能的危害時(shí)主要有3種理論:氫增強(qiáng)脫粘(HEDE);氫增強(qiáng)局部塑性(HELP);氫增強(qiáng)應(yīng)變誘發(fā)空洞(HESIV)。然而,根據(jù)一些研究,WEC的形成并未遵循這些模式的任何一種,氫脆無法充分解釋氫在軸承鋼中的作用,取而代之的是氫的作用似乎是這些模式的組合。一般的解釋是鋼中的氫有利于裂紋尖端的局部塑性,進(jìn)而增強(qiáng)滑移變形,并因此降低裂紋生長及擴(kuò)展的I/II型應(yīng)力門檻值。

因?yàn)闅涫请p原子分子氣體,太大而不能進(jìn)入鋼,需分解為2個(gè)原子。氫擴(kuò)散的驅(qū)動因素是由晶格中的氫濃度差、電場、應(yīng)力場、溫度梯度產(chǎn)生的化學(xué)勢能梯度,氫從化學(xué)勢能最高的區(qū)域向最低的區(qū)域擴(kuò)散,直至2個(gè)區(qū)域的化學(xué)勢能相等為止。擴(kuò)散流量與氫濃度梯度和擴(kuò)散系數(shù)的積成正比。

氫原子可殘留在鋼晶格網(wǎng)的間隙中。無論如何,有一些部位比間隙更有利于氫的積累。這些部位就是材料缺陷,一般稱之為阱。材料中存在的阱越多,鋼中的氫溶解度越大。一旦氫進(jìn)入鋼,其能以2種形式存在:可移動(可擴(kuò)散)的氫及不可移動(非擴(kuò)散)的氫。可移動的氫指保持移動性的氫,是被捕獲在弱可逆阱中的氫;相反,不可移動的氫指被捕獲在不可逆阱中的氫。Pressouyre將阱分為:物理阱、吸引阱或混合阱。吸引阱是原子被力作用的晶格區(qū)域,這些力包括電力、溫度梯度產(chǎn)生的力、與應(yīng)力場有關(guān)的力;物理阱是晶格缺陷,諸如晶界、夾雜物與基體間的非共格界面或空洞;大多數(shù)的阱應(yīng)稱為混合阱,因?yàn)樗腥毕?空洞、夾雜物、位錯等)會以某種方式誘發(fā)電場或應(yīng)力場。每個(gè)阱有不同的稱呼,取決于阱的吸引特性。一個(gè)好的混合阱的例子是邊界位錯。

4.1.2 潤滑劑及氫對WEC形成的影響

擴(kuò)散到鋼中的氫可能來自于制造過程,也可能來自于運(yùn)行或試驗(yàn)期間存在的潤滑劑和水。來自于制造過程的氫被認(rèn)為是不可移動的氫,因此與擴(kuò)散氫相比其是無害的?？茖W(xué)界對試驗(yàn)期間氫的來源似乎已達(dá)成共識。已觀察到:存在新鮮金屬表面(非鈍化表面)時(shí)潤滑劑會發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),釋放氫。文獻(xiàn)[76]指出:通過與新鮮金屬表面的觸媒反應(yīng),潤滑劑發(fā)生分解并產(chǎn)生氫。新鮮金屬表面具有化學(xué)活性并對有機(jī)物產(chǎn)生觸媒效應(yīng),因此加速了有機(jī)物的分解反應(yīng),并發(fā)生脫氫。每種潤滑劑產(chǎn)生的氫量取決于其潤滑性,而不是其化學(xué)結(jié)構(gòu);也已證實(shí):誘發(fā)更大磨損的潤滑劑意味著擴(kuò)散到鋼中的氫更多。文獻(xiàn)[23]指出:試驗(yàn)期間潤滑劑會發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生諸如羧酸、乙醚、酯類的產(chǎn)物,羧酸與新鮮金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成鐵的羧酸鹽及氫。

在聚焦于WEC形成及擴(kuò)展的研究中,可區(qū)分為強(qiáng)制氫擴(kuò)散機(jī)制(在摩擦試驗(yàn)前人為預(yù)充氫)與試驗(yàn)期間擴(kuò)散機(jī)制。關(guān)于進(jìn)行氫強(qiáng)制擴(kuò)散的試驗(yàn),結(jié)果顯示:預(yù)充氫量越多,產(chǎn)生WEC所需的循環(huán)次數(shù)越少;然而,在未人工預(yù)充氫的研究中,在試驗(yàn)期間發(fā)生來自于潤滑劑的氫向鋼中擴(kuò)散是由于幾種化學(xué)及力學(xué)現(xiàn)象的作用。當(dāng)試圖了解齒輪箱軸承中所發(fā)生的一切時(shí),這些試驗(yàn)似乎更有趣。擴(kuò)散機(jī)制受幾種現(xiàn)象影響,如潤滑劑的添加劑、摩擦膜的形成(與添加劑有關(guān))、潤滑狀態(tài)或滑動接觸。最感興趣的是影響氫擴(kuò)散的所有因素均與WEC的形成密切相關(guān)。另外,值得注意的是:深入了解單個(gè)驅(qū)動因素及其綜合作用是解決軸承WEC問題的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[75]選擇2種油在銷-盤(PoD)摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)來研究WEC的形成。其中一種油是阻止氫釋放的PAO基高性能齒輪箱油(低產(chǎn)氫),另外一種油(稱之為RTH油)是高產(chǎn)氫油。試驗(yàn)結(jié)果表明:RTH油釋放的氫更多。換句話說,在相同工況下其比PAO油更能促進(jìn)WEC的形成。類似地,Dominik Kürten等進(jìn)行的研究中使用了3種油(齒輪箱油、MAC流體、PFPE),在試驗(yàn)后測量了每種試樣的氫含量,結(jié)果顯示:在相同工況下,測得的氫含量變化很大。齒輪箱油、MAC流體及PFPE試樣分別呈現(xiàn)出最高的氫含量,試樣中氫含量最高的齒輪箱油是唯一產(chǎn)生WEC的油。因此,潤滑劑是疲勞試驗(yàn)期間的氫源,其加速了WEC的形成。氫向鋼中擴(kuò)散的難易程度不同,其不利作用或大或小。

難以區(qū)分潤滑劑和氫對WEC形成的影響。因?yàn)闈櫥瑒┗蚱渲械乃侵饕獨(dú)湓?在同一節(jié)中研究這種現(xiàn)象比較有趣。在滑動接觸的鋼中氫的擴(kuò)散機(jī)制受以下因素影響:潤滑劑中的添加劑、摩擦膜的形成、潤滑狀態(tài)以及摩擦面間產(chǎn)生的摩擦能。

潤滑劑的添加劑似乎對氫的擴(kuò)散起著關(guān)鍵作用。采用FAG-FE8試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的文獻(xiàn)[21]指出:添加劑(OBCaSul)含量與擴(kuò)散到試樣中的氫量有關(guān);潤滑劑中OBCaSul含量越高,擴(kuò)散到材料中的氫量就越多,發(fā)現(xiàn)WEC形成的數(shù)量越多。文獻(xiàn)[24-25]指出:磺酸鈣去污劑阻止摩擦膜的形成,促進(jìn)異質(zhì)ZDDP摩擦膜的形成,有利于暴露出新鮮金屬表面,通過摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫并擴(kuò)散到鋼中。數(shù)個(gè)研究指出:這2種添加劑的協(xié)同作用在某種程度上有利于氫的擴(kuò)散,因而就利于WEC的形成。至今還不清楚這些添加劑的單獨(dú)影響和綜合作用。Tanaka等進(jìn)行的研究指出:ZDDP添加劑可有效防止氫滲入次表面;相反,文獻(xiàn)[84]在同年(2017年)進(jìn)行的研究則認(rèn)為:ZDDP添加劑的存在促進(jìn)氫向鋼中擴(kuò)散,因?yàn)槠浞纸猱a(chǎn)物對阻止原子氫重新組合為氫氣具有不利作用,進(jìn)而導(dǎo)致金屬表面的原子氫含量增加。Gould等進(jìn)行的研究似乎對所討論的問題有所啟迪,該研究的目的是區(qū)分以前研究中所用的稱之為低標(biāo)油的油中存在的每種添加劑的影響。進(jìn)行了一系列試驗(yàn),每種潤滑劑采用其中一種添加劑調(diào)配,試驗(yàn)在微剝落試驗(yàn)機(jī)(MPR)上進(jìn)行,也使用了小型拖動試驗(yàn)機(jī)半原位研究摩擦膜特征,研究結(jié)果如圖6所示?？紤]到這些結(jié)果及所表達(dá)的內(nèi)容,可認(rèn)為:添加劑含量越高,則水含量越高。與此不同,文獻(xiàn)[33]和[87]進(jìn)行的另外研究指出:較高的含水量是WEC形成的關(guān)鍵因素,且在這種情況下含水量與早期WEC的形成沒有任何關(guān)系。應(yīng)注意:潤滑劑(僅含ZDDP)未顯示出高含水量這一事實(shí)并不意味著不會產(chǎn)生氫且因此促進(jìn)WEC的形成。例如文獻(xiàn)[21]對在僅含ZDDP(無OBCaSul)的潤滑劑潤滑條件下試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行熱脫吸分析,發(fā)現(xiàn)其氫含量高于未試驗(yàn)試樣。

圖6 (a)文獻(xiàn)[20]所試驗(yàn)的每種油失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù);(b)每種油配方中的含水量

有關(guān)在某些添加劑影響下促進(jìn)氫擴(kuò)散的另一個(gè)假設(shè)存在于摩擦膜的形成。文獻(xiàn)[18-19]在帶有隔層成像儀的小型拖動試驗(yàn)機(jī)(MTM-SLIM)上進(jìn)行試驗(yàn)顯示:使用所謂的WEC危險(xiǎn)油,產(chǎn)生厚的摩擦膜,帶來高的摩擦因數(shù);文獻(xiàn)[20]支持這一假設(shè),即某些引起高摩擦因數(shù)的摩擦膜有利于WEC的形成。建立了高摩擦、氫擴(kuò)散與WEC形成間的某種關(guān)系,這是因?yàn)槠駷橹顾M(jìn)行的試驗(yàn)顯示:含金屬添加劑的潤滑劑具有高的含水量,且采用這些潤滑劑試驗(yàn)后的試樣顯示出高的氫含量。根據(jù)文獻(xiàn)[20]可廢除這種關(guān)系。如上所述,對采用僅含ZDDP的潤滑劑試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行氫含量測試有助于證實(shí)摩擦-氫-WEC關(guān)系或提出另一個(gè)直接將摩擦與WEC聯(lián)系起來的新關(guān)系。

某些研究強(qiáng)調(diào)了促進(jìn)氫擴(kuò)散并間接促進(jìn)WEC產(chǎn)生所需的摩擦能。最近的研究發(fā)現(xiàn):行星軸承在非承載期間經(jīng)受顯著的滑動,因此使用純滑動條件再現(xiàn)風(fēng)電齒輪箱中發(fā)生的實(shí)際接觸狀態(tài)。文獻(xiàn)[76],[84],[91]所使用的方法證實(shí):純滑動接觸區(qū)中潤滑劑/添加劑的分解及水污染促進(jìn)氫向新鮮軸承鋼表面擴(kuò)散。文獻(xiàn)[75]顯示:在低產(chǎn)氫、低載荷頻率及純滑動狀態(tài)下產(chǎn)生WEA;該研究結(jié)果證實(shí):在純滑動狀態(tài)下,增加產(chǎn)氫或載荷頻率,WEA在更早階段形成。文獻(xiàn)[76],[30],[92]將與滑動有關(guān)的機(jī)制及所涉及的力與摩擦能積累的概念聯(lián)系起來(見4.4節(jié)),建立了摩擦能積累、吸氫及WEC形成的關(guān)系。

因而,根據(jù)文獻(xiàn)可知,似乎軸承的純滑動或高滑動百分比工況有利于在滾子或套圈的某些區(qū)域形成WEC。并未充分了解為什么有些研究發(fā)現(xiàn)滾動體的失效比率較高,而在另一些研究中套圈的失效比率較高。這可用2種零件用鋼的潔凈度不同來解釋,因?yàn)闈崈舳仍降?夾雜物的數(shù)量越多,因而捕獲氫的概率越高,應(yīng)力集中部位越多。同時(shí),潤滑劑及氫對WEC的加速作用似乎是清楚的。為了了解不同驅(qū)動因素之間的聯(lián)系,有必要進(jìn)行研究,將添加劑(如ZDDP或CaS)與試驗(yàn)后的試樣中被捕獲的氫量及WEC的形成聯(lián)系起來。

4.2 非金屬夾雜物(NMI)

最近的研究認(rèn)同:煉鋼過程的副產(chǎn)品NMI是裂紋萌生的主要部位之一,因而也是WEC的主驅(qū)動因素之一。另外,因?yàn)槠洳痪鶆虻胤植荚谡麄€(gè)材料基體中,也促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。裂紋通過擴(kuò)展阻力最小的區(qū)域擴(kuò)展;裂紋起源模式由I型斷裂模式主導(dǎo),而擴(kuò)展階段受II 及III型斷裂模式主導(dǎo)。根據(jù)迄今最受支持的理論,裂紋起源于缺陷處(夾雜物或空洞),然后生長,并由于裂紋面的摩擦形成WEC。

使用鋼的潔凈度概念來表示單位體積內(nèi)夾雜物的數(shù)量。根據(jù)文獻(xiàn)[11],鋼的潔凈度可能是決定是否形成次表面裂紋的關(guān)鍵因素。該研究中用FAG-FE8試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)了推力圓柱滾子軸承。結(jié)果表明:僅在滾子上形成了WEC,而未在套圈上觀察到任何次表面缺陷,這一現(xiàn)象部分歸之于套圈用鋼的潔凈度較高。不僅不同等級的鋼之間而且同一等級的鋼中單位體積內(nèi)夾雜物的數(shù)量可能不同。Gould等研究了使用現(xiàn)場的軸承與臺架試驗(yàn)試樣(2種均由AISI 52100鋼制成)的顯微組織差別,聚焦于兩者用鋼中所含的夾雜物特征?，F(xiàn)場軸承中發(fā)現(xiàn)單位體積內(nèi)夾雜物的數(shù)量為520,而臺架試驗(yàn)試樣的為129。

WEC的形成不僅受夾雜物數(shù)量的影響,還受其尺寸及形態(tài)的影響。大量研究指出夾雜物越小,越不利于裂紋的形成。文獻(xiàn)[11]和[26]認(rèn)為這樣的夾雜物是球形氧化物、硫化物及兩者的復(fù)合物(尺寸2～15 μm);文獻(xiàn)[12]和[27]發(fā)現(xiàn):次表面失效起源的主要夾雜物是平均尺寸為20 μm的硫化錳(MnS)。與之相反,文獻(xiàn)[95]認(rèn)為氧化物及雙相夾雜物(氧化物+硫化物)比硫化錳危害更大的原因可解釋為:雙相夾雜物由一個(gè)軟的相(硫化物)和一個(gè)硬的相(氧化物)組成,其熱膨脹系數(shù)不同,因而在該夾雜物周圍形成拉壓應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)[28],即使兩者均由相同等級的軸承鋼(AISI 52100)制造,在現(xiàn)場軸承鋼中發(fā)現(xiàn)的夾雜物大于實(shí)驗(yàn)室試樣的夾雜物,許多這樣的大夾雜物是實(shí)驗(yàn)室試樣中未見到的雙相夾雜物。最新的科技文獻(xiàn)指出:風(fēng)電軸承中雙相夾雜物很常見,其似乎危害最大。在這種鋼中發(fā)現(xiàn)了硫化物及氧化物,但其似乎對WEC失效起源的影響不同。關(guān)于這點(diǎn),值得注意的是Evans等對瞬變試驗(yàn)齒輪箱軸承及服役的行星軸承進(jìn)行了詳盡的分析。通過系列切片研究了4例WEC的形成,發(fā)現(xiàn):在所有夾雜物中顯示出與WEC相互作用強(qiáng)烈的夾雜物是硫化物及雙相夾雜物(硫化物+氧化物)。相反,實(shí)驗(yàn)室試樣中小尺寸的硫化物占主導(dǎo),也存在較少的雙相夾雜物及氧化物。

與WEC形成直接相關(guān)的夾雜物處于接觸面下100～300 μm的深度范圍內(nèi),該值對應(yīng)于最大切應(yīng)力所處的深度。除其他參數(shù)外,最大切應(yīng)力深度取決于表面拖動力。根據(jù)文獻(xiàn)[42],當(dāng)存在表面拖動力時(shí),最大切應(yīng)力位置向表面偏移。

關(guān)于夾雜物及顯微組織變化區(qū)形成方面,近幾年研究最多的現(xiàn)象是軸承鋼中脫粘夾雜物的不利作用。夾雜物與基體間的不良相互作用導(dǎo)致結(jié)合界面分離,成為應(yīng)力集中部位,在該部位擴(kuò)散的氫保持在被捕獲狀態(tài)并充當(dāng)裂紋起源者。界面脫粘不僅產(chǎn)生于風(fēng)電軸承運(yùn)行期間;在軸承鋼淬火期間,鋼基體與硫化錳夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同會弱化夾雜物與周圍基體的結(jié)合力或可能導(dǎo)致夾雜物/鋼界面處產(chǎn)生自由表面。文獻(xiàn)[42]建立了脫粘夾雜物與次表面失效起源的密切關(guān)系,60%的夾雜物脫粘,即使夾雜物也呈現(xiàn)為其他類型的缺陷(微裂紋、WEA、開裂的夾雜物)。文獻(xiàn)[96]認(rèn)同脫粘夾雜物的不利作用,進(jìn)行了有限元模擬來研究基體與夾雜物的相互作用;獲得的結(jié)果顯示:有脫粘夾雜物時(shí)應(yīng)力集中約增加167%。根據(jù)Junbiao等的研究,基體與夾雜物的脫粘程度不同,給出不同的應(yīng)力集中系數(shù)。例如完全結(jié)合的顆粒具有相對低的應(yīng)力集中系數(shù)。另外,根據(jù)夾雜物的軟硬,確立了應(yīng)力集中系數(shù)的差異。在夾雜物完全結(jié)合的情況下,軟夾雜物的周圍應(yīng)力水平較高。隨著基體與夾雜物的脫粘程度增加,缺陷周圍產(chǎn)生的應(yīng)力增加;因而疏孔代表應(yīng)力增加達(dá)到最大的極限情況。

根據(jù)這些研究,似乎清楚了NMI與WEC形成的關(guān)系。關(guān)于夾雜物尺寸方面,是小夾雜物危害大還是大夾雜物危害大,還未達(dá)成充分一致的認(rèn)識。無論如何,NMI的密度明顯有利于WEC起源及擴(kuò)展過程。另外,鋼基體中夾雜物的狀態(tài)(即結(jié)合狀態(tài))對應(yīng)力集中具有非常顯著的影響。由于WEC的三維特征,建立NMI與失效起源的關(guān)系是復(fù)雜的工作。為了處理這點(diǎn),許多研究采用了系列切片,從2D元素建立3D模型。

4.3 殘余電流

由于電動交通及風(fēng)能行業(yè)的快速發(fā)展,近年來對放電引起的軸承損傷進(jìn)行了廣泛的研究。在風(fēng)電行業(yè)常把這種損傷與WEC的形成聯(lián)系在一起,而其他行業(yè)還未引入這種聯(lián)系。清楚的是:電流的存在并不是形成顯微組織變化的主要原因,在很多不存在電流的情況下發(fā)現(xiàn)了顯微組織變化。然而,不同的研究指出:通過軸承的電流的存在明顯有利于WEC的形成。

電引起軸承失效的根源在于軸電壓及通過軸承的電流。軸電壓根據(jù)其產(chǎn)生的機(jī)理可分為3部分:磁通不對稱、靜電效應(yīng)、逆變器感應(yīng)電壓效應(yīng)。除此之外,通過軸承的電流可分為循環(huán)的及非循環(huán)的。關(guān)于電引起軸承失效的根源的更多信息見文獻(xiàn)[97]。

當(dāng)殘余電流通過軸承時(shí),有通過發(fā)生不同電蝕現(xiàn)象(如振紋、發(fā)烏、微剝落)影響軸承零件表面的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)軸承以規(guī)則的速度運(yùn)行時(shí),振紋現(xiàn)象形成規(guī)則的花樣;然而,當(dāng)軸承以變化較大的速度運(yùn)行時(shí),表面花樣變成稱之為發(fā)烏的磨痕。這些現(xiàn)象引起滾道及滾動體的表面損傷。在表面形成小的剝落或火山坑,觸發(fā)新鮮表面的形成。這些新鮮表面的存在是通過在潤滑劑中發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫的關(guān)鍵參數(shù)。文獻(xiàn)[33]指出:由于靜電放電產(chǎn)生的氫擴(kuò)散到鋼中,從而產(chǎn)生WSF。根據(jù)Joerg Loos等所進(jìn)行的試驗(yàn),雜散電流的來源不僅是電力驅(qū)動,還包括靜電電荷,這些靜電電荷產(chǎn)生于滾子之間、皮帶驅(qū)動中或風(fēng)電轉(zhuǎn)子內(nèi)。對球軸承及滾子軸承所進(jìn)行的試驗(yàn)證明:雜散電流會引起早期WEC失效,且WEC失效僅發(fā)生在與電源負(fù)極相連的軸承套圈(陰極)上。文獻(xiàn)[100]開發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型,對軸承鋼中WEC的電熱起源進(jìn)行假設(shè),指出:WEC的形成與電流附近導(dǎo)熱不良的碳化物周邊的良導(dǎo)熱基體被加熱而發(fā)生的熱膨脹有關(guān);由該研究給出的模型預(yù)測了碳化物的嚴(yán)重變形以及納米空洞的出現(xiàn)。迄今為止,已給出了殘余電流可能在軸承表面及次表面產(chǎn)生的損傷實(shí)例,因此這些損傷可能有利于WEC的形成。

雜散電流對潤滑劑有負(fù)面作用,會增強(qiáng)WEC的形成。潤滑劑的退化、微泡效應(yīng)以及電場誘發(fā)的界面應(yīng)力(稱之為電濕性)引起潤滑劑效能降低。軸電壓及軸承電流為化學(xué)反應(yīng)提供所需的能量,加速潤滑劑的退化過程。根據(jù)文獻(xiàn)[33-34],在潤滑劑退化過程中,由于摩擦化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生自由氫質(zhì)子,因而增加了一個(gè)加速軸承鋼中形成WEC的關(guān)鍵因素。

與電流會誘發(fā)WEC失效的假設(shè)相反,文獻(xiàn)[102]使用低黏度等級的標(biāo)準(zhǔn)合成齒輪油在混合摩擦狀態(tài)下進(jìn)行了圓柱滾子軸承試驗(yàn),發(fā)現(xiàn):在小的直流電流(25及600 μA)下未檢測到因軸向裂紋或微剝落引起的早期失效,但檢測到因混合潤滑引起的磨粒磨損,因此電流的通過似乎并不總涉及WEC的形成。這一現(xiàn)象似乎是在特定條件下才有利于WEC的形成,而且為了澄清什么樣的電流值才對軸承不利,需要更進(jìn)一步的研究。

就應(yīng)對這一現(xiàn)象提出的解決方案而言,其中之一是改善潤滑劑導(dǎo)電性。對究竟是高導(dǎo)電性還是低導(dǎo)電性潤滑劑是最合適的潤滑劑仍有爭議。根據(jù)文獻(xiàn)[103],在使用低電阻率脂潤滑的情況下,軸承在化學(xué)分解產(chǎn)生的靜默放電影響下失效;在使用高電阻率脂潤滑的情況下,通過電荷的積累及隨后的擊穿而發(fā)生失效。Suzumura等證明:增強(qiáng)潤滑脂導(dǎo)電性會減少振紋,并指出由于形成了導(dǎo)電回路,采用導(dǎo)電脂時(shí)滾動接觸區(qū)的電流密度低于采用非導(dǎo)電脂。在文獻(xiàn)[33]中研究了一種為減小放電效應(yīng)而增加潤滑脂導(dǎo)電性的方法,將納米碳混入潤滑脂以增強(qiáng)穩(wěn)定油膜的形成并提高其導(dǎo)電性,避免了軸承滾動體與內(nèi)外圈之間的放電。提出的其他應(yīng)對雜散電流的解決方案是使用氧化物涂層或混合軸承。

4.4 瞬變工況:滑動接觸

風(fēng)電中間軸及高速軸軸承經(jīng)受苛刻的工況,導(dǎo)致不利的摩擦接觸、滑動、振動以及不希望的潤滑狀態(tài),這些軸承受到風(fēng)對扇葉的不均勻擾動而產(chǎn)生的不穩(wěn)定力矩載荷以及緊急停車和與電網(wǎng)連接這樣的瞬變工作循環(huán)。軸的狀態(tài)監(jiān)測顯示:中間軸可能每年經(jīng)受3 000次的連接,每次連接產(chǎn)生5次猛烈的力矩翻轉(zhuǎn)(在不到1 s內(nèi)從-800到430),結(jié)果是每年15 000次的瞬變載荷,因此在中間軸中檢測到顯著的位移,這些位移的幅值常超過制造商設(shè)置的許可值。所有這些方面使軸承經(jīng)受大的滑動工況。在這樣的工況下,由于滾子與滾道間接觸面積的同步減小以及拖動力的損失,低載高速狀態(tài)下的滑動值為(20～110)%SRR。根據(jù)文獻(xiàn)[106],由于稱之為Heathcoat滑動的現(xiàn)象(這一現(xiàn)象將在下文詳述,且使用了術(shù)語Heathcote;概念相同但保留了每位作者使用的術(shù)語),風(fēng)電齒輪箱中間軸及高速軸軸承一直經(jīng)受(3～10)%SRR,其是軸承幾何約束的結(jié)果。軸承中一定程度的滑動不可避免。發(fā)生這種現(xiàn)象是因?yàn)榉浅休d區(qū)滾子的不對中以及低的拖動力和瞬變事件,如加速、減速、靜止。這些瞬變事件的另一個(gè)顯著后果是軸承經(jīng)受振動,振動主要由扇葉的轉(zhuǎn)頻、吊艙的變形以及與發(fā)電機(jī)連接引起。假如轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動,會發(fā)生小的振動,導(dǎo)致微動磨損。

關(guān)于WEC產(chǎn)生達(dá)成的少數(shù)一致意見之一涉及法向載荷(接觸應(yīng)力)的影響,無數(shù)研究顯示:大的載荷不是產(chǎn)生WEC的必要條件。試驗(yàn)所用的接觸應(yīng)力為1.20～2.15 GPa。文獻(xiàn)[108]評估了行星軸承的加載和卸載狀態(tài)。迄今為止,已知軸承的過載對其疲勞壽命不利,但卸載狀態(tài)的影響一直未仔細(xì)研究。該研究透露行星軸承61%的時(shí)間在低于最小額定載荷下工作;欠載狀態(tài)下,軸承的作用力不足以達(dá)到維持滾動所需的拖動力,因此促進(jìn)軸承的過度滑動?？傊?可以說軸承的卸載狀態(tài)引起滑動接觸,當(dāng)然會通過不同的過程利于WEC的產(chǎn)生。關(guān)于法向載荷,出現(xiàn)的另一個(gè)問題是動載荷還是恒定載荷更不利?文獻(xiàn)[107]指出:在FE8試驗(yàn)中WEC的形成取決于摩擦加載,因而在給定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)恒定載荷具有比動載荷更高的能量輸入。根據(jù)下面給出的模型,能量輸入越高,產(chǎn)生WEC的概率越高。

瞬變及沖擊工況對潤滑產(chǎn)生不利影響。在不同速度和載荷的不同階段工作的齒輪箱中使用了一種單一潤滑劑,中間軸及主軸的低速使合適的摩擦膜難以形成;相似地,緊急停機(jī)或開關(guān)機(jī)導(dǎo)致潤滑不足。達(dá)到一特定的λ值確保接觸面的分離似乎是防止WEC類失效的關(guān)鍵,幾個(gè)研究指出:導(dǎo)致邊界潤滑狀態(tài)的低λ值是促進(jìn)WEC形成的主要因素之一。隨著λ降低,形成的新鮮表面增加,通過促進(jìn)潤滑劑與新鮮金屬表面間的摩擦化學(xué)反應(yīng)而有利于原子氫的產(chǎn)生。

如前所述,在瞬變及沖擊工況下風(fēng)電軸承滑動是主要后果之一。為了再現(xiàn)滑動工況,廣泛使用了FAG-FE8試驗(yàn)機(jī)或具有相似布局的試驗(yàn)臺,主要試驗(yàn)推力滾動軸承。在這些試驗(yàn)中,由于圖7所示的稱之為Heathcote滑動的現(xiàn)象,軸承經(jīng)受約±14.8%的滑動。在滾子與推力片的接觸區(qū)中,產(chǎn)生負(fù)和正滑動區(qū);在接觸區(qū)中心為純滾動。在相對運(yùn)動的兩物體之間出現(xiàn)滑動,稱之為從動件的兩物體之一速度較低并經(jīng)受負(fù)滑動,對偶件處于正滑動狀態(tài)。

圖7 顯示出正負(fù)滑動的推力圓柱滾子軸承的接觸區(qū),表述了Heathcote現(xiàn)象

另外,為了建立接觸區(qū)產(chǎn)生的滑動與WEC形成的關(guān)系,進(jìn)行了許多嘗試。始終應(yīng)注意:無數(shù)研究報(bào)道顯示W(wǎng)EC更大程度上在負(fù)滑動狀態(tài)下產(chǎn)生。根據(jù)文獻(xiàn)[22],這可能是由于:1)在負(fù)滑動狀態(tài)下,大量材料經(jīng)受更高的交變應(yīng)力(圖8);2)從嚴(yán)格的直觀感覺而言,負(fù)滑動區(qū)中裂紋可更快地生長及擴(kuò)展。文獻(xiàn)[110]指出:假如存在一條裂紋,其會在接觸前張開讓潤滑劑進(jìn)入;一旦潤滑劑進(jìn)入裂紋,裂紋會由于接觸而閉合,使其內(nèi)的液壓增加,有利于裂紋的生長。這一理論似乎在假設(shè)表面WEC起源的情況下有意義。相反,假如所關(guān)注的裂紋為次表面起源(如大多數(shù)文獻(xiàn)所指出的那樣),這一理論就沒有太多價(jià)值。在這種情況下,產(chǎn)生的應(yīng)力值較高以及其交變特性是對負(fù)滑動區(qū)中存在較高比例的WEA的合理解釋。對此應(yīng)額外考慮文獻(xiàn)[30]所提出的內(nèi)容,即負(fù)滑動區(qū)下次表面處的氫含量高于正滑動區(qū),這是由于負(fù)滑動區(qū)產(chǎn)生的摩擦能積累較高。文獻(xiàn)[84]支持這一事實(shí),其證明:不存在滑動時(shí)就無氫的滲透。在以下段落中使用了摩擦能的概念,其直接與滑動比有關(guān)。

圖8 正負(fù)滑動區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力的分解圖表

WEC的形成似乎與滑動、振動、難以形成摩擦膜等現(xiàn)象有關(guān)?？萍嘉墨I(xiàn)試圖在單一模型下將這些現(xiàn)象的影響統(tǒng)一起來,以有助于預(yù)測WEC的形成。為此,Ruellan等首先提出了稱之為局部摩擦功率強(qiáng)度的參數(shù),其與局部接觸應(yīng)力和局部滑動速度的積成正比。隨后,Greco和 Gould提出了稱之為累計(jì)摩擦熱能的概念,其包含了滑動速度、摩擦因數(shù)、法向載荷及試驗(yàn)時(shí)間。最后,Loos及Kruh?ffer提出了稱之為粗糙摩擦能積累的新參數(shù),其定義為局部粗糙度水平應(yīng)力、粗糙度水平摩擦因數(shù)、滑動速度及接觸停留時(shí)間與再產(chǎn)生接觸的時(shí)間(定義為滾動體重復(fù)通過軸承滾道面期間連續(xù)接觸循環(huán)之間的時(shí)間間隔)之比的積。盡管作者努力要開發(fā)一個(gè)預(yù)測WEC形成的可靠理論,但這些模型并不總是可靠。文獻(xiàn)[30]中就有一個(gè)明顯的實(shí)例:試驗(yàn)結(jié)果與Greco和Gould提出的模型不匹配。文獻(xiàn)[30]將高應(yīng)力下的RDM試驗(yàn)與FE8試驗(yàn)及四球試驗(yàn)進(jìn)行了對比,雖然RDM試驗(yàn)中摩擦能積累高于其他2種試驗(yàn),但在RDM試樣中未發(fā)現(xiàn)WEC,而另外2種試驗(yàn)中形成了WEC。文獻(xiàn)[7]否定了以上給出的3種模型,其聲明:接觸疲勞損傷具有累積特征,而不是突發(fā)災(zāi)難特征,即裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展需要施加一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)。似乎清楚的是:迄今為止所展示的模型本身不能提供WEC形成機(jī)制。因此,未來預(yù)測WEA形成的模型應(yīng)考慮與潤滑相關(guān)的現(xiàn)象(如氫擴(kuò)散)的影響以及隨著應(yīng)力循環(huán)通過特定材料區(qū)域所經(jīng)受的應(yīng)力過程。

4.5 風(fēng)電軸的波紋度

假如一套軸承與帶波紋度的軸配合,其會適應(yīng)軸的形狀,因而會因不合適的配合在內(nèi)圈上產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。這種不期望的接觸條件會導(dǎo)致早期失效,如微動腐蝕。通過有限元分析可證明:軸的波紋度會增加靠近滾道面區(qū)域的拉應(yīng)力,根據(jù)Ⅰ型斷裂,其會導(dǎo)致裂紋在晶格缺陷處萌生。因此,軸的波紋度會促進(jìn)微動腐蝕、裂紋萌生等不希望的現(xiàn)象。在風(fēng)電齒輪箱軸承中就已發(fā)現(xiàn)這2種事件同時(shí)發(fā)生,在該軸承內(nèi)圈上觀察到微動腐蝕帶,在相同區(qū)域的次表面發(fā)現(xiàn)WEC及滾道軸向裂紋。因而,軸承套圈中誘發(fā)的周向應(yīng)力是夾雜物處萌生次表面裂紋的危險(xiǎn)因素。

4.6 溫度

溫度本身不能產(chǎn)生WEC,但其具有激活或失活其他WEC驅(qū)動因素(主要是化學(xué)驅(qū)動因素,如潤滑膜厚度、潤滑劑的添加劑、摩擦膜形成與磨損間的平衡或潤滑劑的吸濕與介電性能)的能力。溫度對潤滑劑的黏度具有強(qiáng)烈影響,因而會顯著影響摩擦膜厚度。當(dāng)潤滑劑在高濕環(huán)境下工作時(shí)可能發(fā)生水污染;若再加上高溫綜合作用,水污染就更容易發(fā)生。關(guān)于產(chǎn)氫方面,金屬-金屬接觸處產(chǎn)生的閃溫在提供水分解所需的能量方面起著關(guān)鍵作用,水分解得到氫原子,氫原子可擴(kuò)散到鋼中并觸發(fā)氫脆,因此啟動WEC過程。

5 研究WEC失效的試驗(yàn)程序

再現(xiàn)風(fēng)電齒輪箱軸承的真實(shí)工況是困難且花費(fèi)大的任務(wù)。另外,WEC是一種復(fù)雜現(xiàn)象,因此在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模以可控的方式再現(xiàn)并研究WEC是一種挑戰(zhàn)。因而,考慮到比例試驗(yàn)通常存在的局限性,在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模使用簡化的替代方法來模擬試樣或基礎(chǔ)件中的WEC失效。迄今所進(jìn)行的試驗(yàn)可分為兩類:使用簡單幾何形狀試樣的摩擦儀試驗(yàn)及使用實(shí)物軸承的軸承臺架試驗(yàn)。摩擦儀試驗(yàn)由在可控條件下再現(xiàn)摩擦接觸的基礎(chǔ)試驗(yàn)組成,其優(yōu)點(diǎn)是可單獨(dú)再現(xiàn)及研究不同WEC驅(qū)動因素的影響,一般比滾動軸承臺架試驗(yàn)便宜且快捷。在實(shí)物軸承試驗(yàn)時(shí),接觸及工況狀態(tài)更接近真實(shí)狀態(tài),但驅(qū)動因素的控制更復(fù)雜。本章論述了迄今為止在實(shí)驗(yàn)室中用于產(chǎn)生WEC的主要試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及摩擦儀,如PoD、盤-盤、MPR;另外,論述了軸承試驗(yàn)機(jī)上所進(jìn)行的主要試驗(yàn)。每節(jié)討論了不同研究的結(jié)果。

5.1 摩擦儀及試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

5.1.1 PoD

銷-盤摩擦儀結(jié)構(gòu)廣泛用于研究靜態(tài)加載條件下材料相互滑動時(shí)的摩擦和磨損。文獻(xiàn)[115]使用改進(jìn)的PoD摩擦儀(圖9)來形成WEC,其用動載荷代替靜載荷,試驗(yàn)機(jī)加載臂中心點(diǎn)可繞樞軸轉(zhuǎn)動,兩端分別與球試樣和循環(huán)加載機(jī)構(gòu)連接。通過凸輪及隨動機(jī)構(gòu)對載荷進(jìn)行動態(tài)調(diào)制,凸輪連接一臺附加電動機(jī),電動機(jī)具有可調(diào)的轉(zhuǎn)速以調(diào)整動態(tài)加載的頻率。在初步研究驅(qū)動因素對風(fēng)電齒輪箱軸承中形成WEA的影響時(shí)采用這種試驗(yàn)機(jī),因?yàn)轱L(fēng)電軸承常經(jīng)受高達(dá)約±110%的滑動,FE8試驗(yàn)達(dá)不到該值,其滑動值約±14.8%。摩擦能的產(chǎn)生導(dǎo)致活性新鮮金屬表面的強(qiáng)烈形成,隨后由于嚴(yán)重的滑動及粗糙摩擦而使?jié)櫥瑒┓纸?作為潤滑劑分解的副產(chǎn)品的氫的產(chǎn)生是鋼氫脆的根本原因之一,因而也是軸承中WEA/WEC失效的根本原因之一。

圖9 改進(jìn)的動載荷PoD摩擦儀示意圖

在文獻(xiàn)[115]中,WEA產(chǎn)生于次表面,且發(fā)現(xiàn):采用產(chǎn)氫多的潤滑劑潤滑條件下,PoD的純滑動作用以及循環(huán)壓應(yīng)力和切應(yīng)力加速WEA形成,其發(fā)生于早期報(bào)道的總接觸循環(huán)次數(shù)的1/10以內(nèi)。

同一研究小組進(jìn)行了另外一個(gè)試驗(yàn),使用相同的試驗(yàn)機(jī)了解載荷頻率及產(chǎn)氫對WEC的影響。進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn),其中一些試驗(yàn)使用產(chǎn)氫方面比較穩(wěn)定的潤滑劑,而另一些試驗(yàn)使用了有利于產(chǎn)氫的溶液;試驗(yàn)中的載荷頻率為1.5～4.5 Hz。結(jié)果清楚地顯示了高的載荷頻率及產(chǎn)氫量如何加速WEC的形成。

Manieri等使用正常布局的PoD試驗(yàn)機(jī)來模擬裂紋面的摩擦,以研究通過這種機(jī)制形成WEC的可行性。對于一條已存在的裂紋,裂紋面粗糙,在載荷下裂紋面被壓在一起并隨著接觸滾過裂紋而經(jīng)受相對擺動位移。因此,通過載荷下一軸承鋼試樣在另一個(gè)試樣上的小幅擺動應(yīng)該可模擬裂紋面的摩擦。試驗(yàn)中使用了2種油(商品機(jī)油及PAO基潤滑油),并在無潤滑條件下進(jìn)行了一次試驗(yàn),所有試驗(yàn)均形成了WEA。因此,他們提出:法向載荷下AISI 52100鋼裂紋面摩擦?xí)a(chǎn)生與WEA相關(guān)的顯微組織轉(zhuǎn)變。

5.1.2 MPR

英國PCS公司生產(chǎn)的微剝落試驗(yàn)機(jī)作為商用MPR是最近所用的產(chǎn)生WEC的試驗(yàn)機(jī)之一,其由R.Graham等通過一系列研究程序開發(fā),該試驗(yàn)機(jī)利用了三環(huán)-滾子接觸布局,如圖10所示。直徑12 mm的滾子(試樣)每轉(zhuǎn)經(jīng)受3次接觸循環(huán),因此該試驗(yàn)機(jī)能產(chǎn)生1×106 r/h以上的接觸循環(huán)。滾子與相距120°布置的3個(gè)環(huán)接觸,因此在與每個(gè)環(huán)接觸時(shí)產(chǎn)生相同的作用力;環(huán)的直徑為54 mm;使用一步進(jìn)電動機(jī)和一加載臂通過上環(huán)施加載荷,系統(tǒng)可讓載荷在0～2 000 N變化;接觸應(yīng)力可變,取決于試樣接觸幾何,實(shí)際接觸應(yīng)力在4.8 GPa以內(nèi)。環(huán)及滾子由單獨(dú)的電動機(jī)驅(qū)動,因此有可能得到特定的SRR。試驗(yàn)時(shí)可選擇濺油或油浴潤滑。

圖10 帶有加載系統(tǒng)及油槽的MPR示意圖

使用2支熱電偶測量潤滑劑溫度:其中一支測量油槽內(nèi)溫度,另一支測量靠近接觸區(qū)的溫度。使用一壓電加速度計(jì)測量運(yùn)行時(shí)接觸區(qū)的振動,一旦達(dá)到某個(gè)限值則自動停止試驗(yàn)。

圍繞WEC驅(qū)動因素的爭議清楚地反映在使用MPR所進(jìn)行的研究中。關(guān)于哪個(gè)因素是主驅(qū)動因素,仍未有統(tǒng)一意見。因此,使用MPR研究了多種驅(qū)動因素,如潤滑劑(氫)、摩擦能積累、接觸應(yīng)力、滑動、鋼的等級或接觸幾何。

近年來也發(fā)展了與摩擦能積累概念相關(guān)的理論,這些理論建立了摩擦能與WEC產(chǎn)生的緊密關(guān)系(見4.4節(jié))。然而,文獻(xiàn)[7]提出了反對意見,該文比較了由在不同試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行的不同試驗(yàn)所得到的摩擦能積累的數(shù)值,3種試驗(yàn)機(jī)為FE8試驗(yàn)機(jī)、四球試驗(yàn)機(jī)(FBT)及MPR。在FE8及FBT試驗(yàn)中形成了WEC,而在MPR試驗(yàn)中未鑒別出任何顯微組織變化。與摩擦能積累模型所期望的相反,MPR試驗(yàn)中的能量值高于其他2種試驗(yàn)。值得注意的是:還有一些MPR試驗(yàn)(如Gould等所進(jìn)行的試驗(yàn))中形成了WEC,且與FE8試驗(yàn)相比具有更高的能量值。

建立WEC形成與摩擦能聯(lián)系的更多理論也被文獻(xiàn)[7]否定,Manieri等從數(shù)值角度解釋了否定這些理論的理由,即最近作為WEC是否發(fā)生的判據(jù)而提出的摩擦能或摩擦功參數(shù)不能預(yù)測其研究中的試驗(yàn)觀測結(jié)果。

MPR研究最多的因素之一是潤滑劑對WEC的影響。在文獻(xiàn)[20]中用不同的添加劑包配制了8種潤滑油來研究這些添加劑對WEC的影響。使用MPR進(jìn)行試驗(yàn)的條件:SRR為-30%,接觸應(yīng)力為1.9 GPa,卷吸速度為3.4 m/s,油溫為100 ℃,λ為0.5。結(jié)果顯示每種油所達(dá)到的壽命明顯不同。根據(jù)這一研究及這一特定的試驗(yàn)條件,油的類型與WEC的形成有直接關(guān)系。文獻(xiàn)[21]研究了5種配方的油(MPR試驗(yàn)),結(jié)果再次顯示出油對WEC形成的影響,尤其是僅添加ZDDP的油為危害最大的潤滑劑。文獻(xiàn)[21]的試驗(yàn)條件:SRR為-30%,接觸應(yīng)力為1.9 GPa,卷吸速度為3.4 m/s,油溫為100 ℃,λ為0.5～0.8。文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了一批試驗(yàn),目的是分離潤滑劑對WEC的化學(xué)影響,因此嘗試對所有試驗(yàn)設(shè)置相同的摩擦因數(shù),即將試驗(yàn)移至Stribeck曲線上的同一點(diǎn)。用不同的油在相似的摩擦條件下進(jìn)行了4次試驗(yàn),結(jié)果顯示:所有試驗(yàn)均形成了WEC。因此提出:使用低標(biāo)油不是形成WEC的必要條件,且潤滑劑的化學(xué)成分不是WEC形成的關(guān)鍵影響因素。

回顧迄今得到的所有結(jié)果,仍不清楚潤滑劑究竟有什么樣的影響。然而,根據(jù)文獻(xiàn)[7]和[20-21]所用的試驗(yàn)條件可得出如下假設(shè):能解釋W(xué)EC產(chǎn)生的試驗(yàn)條件的唯一差別是λ值的不同。在MPR試驗(yàn)中,不論采用何種油潤滑,形成WEC時(shí)λ<0.15;而在WEC產(chǎn)生與否取決于所用潤滑劑的其他研究中,λ為0.5～0.8。因此,本文作者提議:在某些潤滑(λ<0.15的邊界潤滑)條件下,所用的潤滑劑不影響WEC形成,如文獻(xiàn)[7]所示的情況;然而,若潤滑條件更為有利(λ>0.5),則潤滑劑影響WEC形成,如文獻(xiàn)[20-21]所示的情況。

與MPR試驗(yàn)及WEC產(chǎn)生有關(guān)的另一個(gè)公開的爭議是接觸幾何的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[7],線接觸幾何會在運(yùn)行開始階段在材料中引發(fā)某種應(yīng)力過程,導(dǎo)致在這一時(shí)間段形成WEC。為支持其理論,進(jìn)行了4次橢圓接觸幾何試驗(yàn),試驗(yàn)復(fù)制了產(chǎn)生WEC的線接觸試驗(yàn)條件;沒有任何橢圓接觸試驗(yàn)產(chǎn)生WEC。就像在這種失效模式研究中常見的那樣,一年后Rydel等發(fā)表了一項(xiàng)研究力挺潤滑劑對產(chǎn)生WEA的影響,不管采用什么樣的接觸幾何;該研究中采用不同潤滑劑試驗(yàn)了2個(gè)具有橢圓接觸幾何的試樣。應(yīng)注意的是:在這種情況下,并未滿足作者以前所給出的關(guān)于λ值對產(chǎn)生WEC的影響的假設(shè)。產(chǎn)生WEC的試驗(yàn)的λ值高于其他試驗(yàn)。

盡管仍有未解開的矛盾,本文以及文獻(xiàn)[20]的作者認(rèn)同Menieri等的觀點(diǎn):由于接觸幾何在鋼中誘發(fā)的應(yīng)力過程是可導(dǎo)致WEC失效模式的因素,不管采用什么樣的潤滑劑。

鋼的顯微組織對WEC的影響是MPR研究的另一方面。文獻(xiàn)[72]在已知促進(jìn)WEC形成的運(yùn)行條件下試驗(yàn)了兩類鋼:全淬硬鋼和表面滲碳鋼。根據(jù)結(jié)果,表面滲碳鋼的壽命比全淬硬鋼長2.3倍,認(rèn)為這是由于滲碳過程產(chǎn)生的試樣中殘余壓應(yīng)力及高的韌性。

以下僅為使用MPR研究WEC的另外2個(gè)實(shí)例。文獻(xiàn)[28]再次展示了鋼種對發(fā)生WEA的影響。使用AISI 52100鋼進(jìn)行了一系列試驗(yàn),但某些情況下這種鋼與風(fēng)電軸承所用的鋼完全相同,而另外一些情況下使用了與制造實(shí)驗(yàn)室試樣相同的鋼。在分析這2種鋼時(shí),發(fā)現(xiàn)夾雜物存在顯著差異(更多信息見文獻(xiàn)[28])。相似的研究分析了殘余奧氏體對WEC形成及擴(kuò)展的影響(見6.1節(jié))。

5.1.3 盤-盤

盤-盤試驗(yàn)也稱之為雙盤試驗(yàn),由分別安裝在兩單獨(dú)軸上的滾輪組成,兩根軸由不同的電動機(jī)驅(qū)動,以設(shè)置特定的SRR,在法向載荷作用下兩滾輪發(fā)生接觸?？墒褂貌煌臐櫥到y(tǒng):油浴潤滑和濺油潤滑。一般可測得摩擦因數(shù)、切向力及接觸區(qū)溫度。試驗(yàn)中所用試樣可以是機(jī)加工試樣,也可以是軸承套圈實(shí)物。在使用機(jī)加工試樣的情況下,試樣常用典型的軸承鋼100Cr6(AISI 52100)制作,殘余奧氏體含量不同;也可見使用其他鋼種,如100CrMo7或20NiCrMo7(一種滲碳鋼)。

可使用不同類型的試樣進(jìn)行RCF試驗(yàn)。一個(gè)好的實(shí)例是由Arnaud等進(jìn)行的研究,該試驗(yàn)中接觸輪廓、夾雜物取向、應(yīng)力狀態(tài)或試樣的粗糙度均可變化。為了模擬橢圓接觸并得到一個(gè)圓形Hertz接觸區(qū),滾輪輪廓可分別修整為半徑17.5 mm及200 mm的圓弧。修整滾輪輪廓可影響接觸應(yīng)力,因而這種變動很重要,因?yàn)橛袝r(shí)設(shè)備施加的載荷有限而可能成為限制因素。在同一研究中可見如何修整試樣的另一個(gè)實(shí)例,為了改變接觸區(qū)附近的應(yīng)力狀態(tài),在試樣圓周打了數(shù)個(gè)孔。

在迄今所發(fā)表的科技文獻(xiàn)中給出了數(shù)個(gè)使用不同雙盤配置的實(shí)例。其中之一是Oezel等用ZF型改進(jìn)滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的研究,該試驗(yàn)由3個(gè)放置在試樣周圍的從動滾輪構(gòu)成,試樣安裝在驅(qū)動軸上;通過一個(gè)連接在懸臂上的液壓活塞施加徑向載荷。試樣直徑為36 mm,其工作面寬度為3 mm。采用這一寬度,接觸應(yīng)力可變化至高達(dá)3 400 MPa。除此之外,軸轉(zhuǎn)速可設(shè)置為1 450 r/min,也可設(shè)置為高達(dá)3 600 r/min。不同試驗(yàn)間常變化的另一個(gè)重要參數(shù)是SRR,在這里被設(shè)置為7.9%。潤滑膜厚度為1.0～1.4 μm,油溫設(shè)置為60 ℃。這些試驗(yàn)中常用的停機(jī)參數(shù)是由振動傳感器測得的振動值,其設(shè)置為0.75 mm/s。

為研究氫對WEC的影響,一般使用預(yù)充氫程序來誘發(fā)試樣的脆性后進(jìn)行試驗(yàn)?？萍嘉墨I(xiàn)中給出了不同的預(yù)充氫方法,Oezel 等使用 0.05 M H2SO4+1.4 g/L CH4N2S作為電解液,試樣在不同的電流(1,3,5 mA/cm2)下浸泡24 h,以得到不同的氫含量。

丹麥理工大學(xué)機(jī)械工程系的研究人員使用了如圖11所示的試驗(yàn)機(jī)。試樣安裝在兩錐形軸上以改善配合。每根軸由一單獨(dú)電動機(jī)驅(qū)動,以0～50 Hz的頻率轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生可控的滑動狀態(tài),此處兩試樣的轉(zhuǎn)速相同(2 280 r/min),滑滾比為0,即純滾動。通過液壓缸施加法向載荷,環(huán)形試樣表面在1 650 MPa的最大接觸應(yīng)力下發(fā)生接觸(接觸半寬0.55 mm)。入口油溫為35 ℃。有趣的是,通過將試樣安裝于不同的軸向位置可使其承受不同的環(huán)向應(yīng)力(350,440,540 MPa)。

像本節(jié)的第一個(gè)實(shí)例,通過將試樣浸泡在50 ℃的硫氰酸銨水溶液中48 h對其預(yù)充氫。一旦充氫完畢,就將其安裝在軸上,且試樣由于過大的脆性而斷裂。因此,改變預(yù)充氫程序,硫氰酸銨水溶液的濃度由20wt%降為12wt%,浸泡時(shí)間也從48 h減為24 h。試驗(yàn)系列見文獻(xiàn)[116]。

雙盤試驗(yàn)另一個(gè)好的實(shí)例是Guzmaon等進(jìn)行的研究。研究中使用了2個(gè)徑向圓柱滾子軸承的內(nèi)圈,每個(gè)內(nèi)圈由單獨(dú)的伺服電動機(jī)驅(qū)動,可在多個(gè)SRR值下進(jìn)行試驗(yàn)。使用與上圈相連的加載杠桿加載;通過油浴潤滑系統(tǒng)進(jìn)行潤滑。試驗(yàn)一直進(jìn)行到某個(gè)特定的循環(huán)次數(shù)或超過某個(gè)振動水平為止。

為了評估潤滑狀態(tài)及SRR對WEC形成的影響,進(jìn)行了6個(gè)試驗(yàn)。前4個(gè)試驗(yàn)在充分流體油膜潤滑狀態(tài)下完成,每個(gè)試驗(yàn)中的SRR分別設(shè)置為0,8.3%,8.3%及12.7%,以此再現(xiàn)軸承滾動體與滾道間的實(shí)際滑動。SRR為0(純滾動)的試驗(yàn)1模擬推力軸承接觸區(qū)中心的狀態(tài),SRR為12.7%的試驗(yàn)4模擬接觸區(qū)外側(cè)的狀態(tài)。后2個(gè)試驗(yàn)在邊界潤滑狀態(tài)下進(jìn)行,根據(jù)文獻(xiàn)所給出的試驗(yàn)選擇潤滑狀態(tài)。為此,降低了兩圈的轉(zhuǎn)速,提高了溫度及接觸應(yīng)力。關(guān)于該研究的更多信息見文獻(xiàn)[22]。

圖11所示的最后一個(gè)盤-盤試驗(yàn)由Evans等完成,使用了與文獻(xiàn)[22]類似的配置,但試樣為機(jī)加工試樣。如前所述,試樣安裝在由單獨(dú)電動機(jī)驅(qū)動的2根軸上,可設(shè)置一個(gè)可控的SRR值。像前面的研究一樣,一些試樣充氫。Evans進(jìn)行的研究中匯聚了所有的相關(guān)試驗(yàn)條件。

圖11 不同的再現(xiàn)WEC的雙盤試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)機(jī)示意圖分別來自:(a)文獻(xiàn)[44];(b)文獻(xiàn)[116];(c)文獻(xiàn)[22];(d)文獻(xiàn)[10]

下節(jié)總結(jié)了4個(gè)雙盤試驗(yàn)的結(jié)果。

在Oezel進(jìn)行的研究中,26個(gè)試驗(yàn)中僅3個(gè)未發(fā)現(xiàn)WEA或WEC的形成。3個(gè)試驗(yàn)其中之一的試樣在充氫后直接分析,以評估試樣中預(yù)充的氫是否會對材料產(chǎn)生不利作用;另2個(gè)試驗(yàn)在表面出現(xiàn)可見的損傷前人為停止,以研究WEC形成的早期階段。發(fā)現(xiàn)WEC失效的最短試驗(yàn)持續(xù)了8.2 h。

在Ole進(jìn)行的研究中再次使用氫來激發(fā)WEC失效,試驗(yàn)期間17個(gè)失效試樣中僅3個(gè)未顯示W(wǎng)EC或WEA失效。Hertz應(yīng)力區(qū)表面下方40～500 μm的深度處(因而也是期望的最大切應(yīng)力處)發(fā)現(xiàn)了WEC。值得注意的是,失效時(shí)間最長的試樣中發(fā)現(xiàn)的WEC并不靠近表面。關(guān)于環(huán)向拉應(yīng)力水平差異方面,觀察到試樣發(fā)生WEC失效的循環(huán)次數(shù)隨環(huán)向拉應(yīng)力水平的提高而減少,這就強(qiáng)調(diào)了環(huán)向拉應(yīng)力對軸承內(nèi)圈疲勞壽命的不利作用。在完成預(yù)充氫試驗(yàn)后,進(jìn)行了無氫且循環(huán)次數(shù)高的試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)WEC形成,因而,可劃歸為氫是WEC形成的主驅(qū)動因素之一的研究類別中。

并不是所有情況下都使用預(yù)充氫的方法來產(chǎn)生WEC失效,一個(gè)好的實(shí)例就是Guzman等所進(jìn)行的研究,采用不同的SRR值在1.2 GPa的接觸應(yīng)力及充分流體油膜潤滑條件下進(jìn)行了4個(gè)試驗(yàn),既沒有觀察到表面損傷,也沒有觀察到WEC失效;在此之后又進(jìn)行了另外2個(gè)試驗(yàn),研究了邊界潤滑條件下滑動的影響,僅在最不利的狀態(tài)下(文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)6)產(chǎn)生了WEC失效。有趣的是,試驗(yàn)6沒有使用氫,因此該研究認(rèn)為不用預(yù)充氫也可產(chǎn)生WEC失效。

從最近的一個(gè)實(shí)例得到的結(jié)果列于文獻(xiàn)[10],這里僅給出了主要結(jié)論:1)對于在最大接觸應(yīng)力2 GPa下耐久性超過208 h的情況,蝴蝶組織的形成與可擴(kuò)散氫的含量無關(guān);2)發(fā)現(xiàn)了WEA/WEC優(yōu)先起源于夾雜物處的強(qiáng)有力證據(jù),由于夾雜物的密度高,夾雜物充當(dāng)小裂紋和WEC形成的連接器,導(dǎo)致較大的裂紋網(wǎng),最終達(dá)到表面,誘發(fā)WSF;3)大多數(shù)WEA起源于MnS,MnS+氧化物以及尺寸為1～10 μm的小球形氧化物夾雜處。

這些試驗(yàn)揭示了不同驅(qū)動因素(如氫、環(huán)向應(yīng)力或夾雜物)對WEC形成的顯著影響;此外,由這些結(jié)果可得出結(jié)論:不采用預(yù)充氫試樣也可能產(chǎn)生WEC。這并不意味著接觸區(qū)沒有氫存在,如潤滑劑退化產(chǎn)生的氫。

5.2 滾動軸承試驗(yàn)機(jī)-RCF試驗(yàn)

再現(xiàn)WEC失效的方法之一是使用軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行RCF試驗(yàn),與試驗(yàn)具有特定形狀及材料的試樣的摩擦儀不同,臺架試驗(yàn)的是軸承實(shí)物。最常使用的試驗(yàn)臺架之一是根據(jù)DIN 51819標(biāo)準(zhǔn)化的FAG-FE8試驗(yàn)機(jī),應(yīng)注意:在軸向載荷下FE8試驗(yàn)機(jī)上軸承所經(jīng)受的運(yùn)動學(xué)不同于風(fēng)電齒輪箱軸承,但也有相似性。例如FE8試驗(yàn)的軸承經(jīng)受14.8%的滑動以及純滾動接觸,類似于風(fēng)電齒輪箱軸承由于幾何約束而經(jīng)受的連續(xù)滑動(3%～10%);FE8試驗(yàn)的軸承與發(fā)生WSF的風(fēng)電齒輪箱軸承之間的另一相似之處是兩者均為邊界/混合潤滑。在邊界/混合潤滑狀態(tài)下鋼表面的接觸會引起金屬-金屬接觸、磨損及摩擦化學(xué)反應(yīng),釋放出氫并擴(kuò)散到軸承鋼中。

FE8試驗(yàn)機(jī)的剖面圖如圖12所示,可通過板簧組(FAG-FE8試驗(yàn)機(jī))或液壓缸對軸承施加軸向載荷,取決于試驗(yàn)機(jī)的布局。就所涉及的潤滑系統(tǒng)而言,可以是油浴潤滑,也可以是濺油潤滑?？稍囼?yàn)不同類型的軸承(從滾子軸承到球軸承),改變與軸承連接的內(nèi)部夾具即可。油溫及軸承座溫度可控,驅(qū)動軸能以特定的速度旋轉(zhuǎn)。在套圈的內(nèi)側(cè)及外側(cè)區(qū)域,滾動體與滾道間存在滑動狀態(tài);在套圈的內(nèi)側(cè)區(qū)域發(fā)生負(fù)滑動,因?yàn)樵撎帩L動體表面速度高于軸承套圈滾道表面速度,在外側(cè)區(qū)域?qū)l(fā)生正滑動,僅在接觸區(qū)中心發(fā)生純滾動?？赏ㄟ^一繩輪連續(xù)測量摩擦力矩。試驗(yàn)一般進(jìn)行到軸承失效,失效可通過軸承中發(fā)生的高水平振動來檢測,盡管也可設(shè)定某個(gè)循環(huán)次數(shù)來終止試驗(yàn)。

圖12 球軸承試驗(yàn)用FE8試驗(yàn)機(jī)布局實(shí)例

使用FE8試驗(yàn)機(jī)所進(jìn)行的大多數(shù)研究選擇了似乎可促進(jìn)WEC形成的工況條件。軸向載荷選取60～80 kN,產(chǎn)生的接觸應(yīng)力為1.2～1.9 GPa;轉(zhuǎn)速設(shè)置為750或300 r/min。轉(zhuǎn)速變化對軸承壽命有明顯的影響,750 r/min下進(jìn)行的試驗(yàn)一般顯示出約20 h的壽命,而300 r/min下的壽命會延長到約200 h。所有研究中最穩(wěn)定的值毫無疑問是溫度,設(shè)置為100 ℃,該溫度代表軸承安裝處軸承座的溫度,因此可認(rèn)為接觸區(qū)的溫度超過該值。除標(biāo)準(zhǔn)工況外,也常用稱之為WEC危險(xiǎn)油的具有高添加劑含量的油。由于工況所決定,軸承運(yùn)行在邊界或混合潤滑狀態(tài)下。在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的試驗(yàn)大多顯示出WEC形成于滾子及滾道的次表面,WEC常位于負(fù)滑動區(qū)域。因?yàn)橐恍┭芯繄?bào)道了WEC在正滑動區(qū)形成,所以可認(rèn)為裂紋起源于負(fù)滑動區(qū)而后延伸到正滑動區(qū)(見4.4節(jié))。

值得一提的是Evans等所進(jìn)行的研究,僅在滾子上檢測到WEC的形成;試驗(yàn)條件為:60 kN/750 r·min-1/100 ℃/WEC危險(xiǎn)油,壽命約20 h。這些研究暴露出WEC在滾子形成的3個(gè)可能的原因:1)與滾子相比,套圈用鋼的潔凈度更高,這些研究中的潔凈度分析依據(jù)ISO 4967-B進(jìn)行,測量了NMI密度;2)套圈中不存在有利于WEC形成的氫;3)滾子與套圈的硬度差,套圈硬度比滾子低23%,因套圈韌性高而不易開裂。在減少產(chǎn)生WEA的晶間次表面裂紋及后續(xù)的裂紋面移動方面,突出了高韌性的重要性。

在一些研究中選定改變滾道的表面精度或鋼種。文獻(xiàn)[31]試驗(yàn)了具有不同表面精度(砂光及精研)的3種鋼(AISI 52100標(biāo)準(zhǔn)鋼、貝氏體熱處理的AISI 52100、AISI 3310滲碳鋼)制軸承;試驗(yàn)條件為前述的標(biāo)準(zhǔn)條件(60 kN/750 r·min-1/100 ℃/WEC危險(xiǎn)油)。結(jié)果顯示:標(biāo)準(zhǔn)軸承在期望的小時(shí)數(shù)失效。另外2種鋼制的具有精研表面的軸承產(chǎn)生了WEC但壽命不同,AISI 3310鋼制軸承具有較高的小時(shí)數(shù);在表面砂光的情況下,任何一種鋼(貝氏體熱處理的52100及3310滲碳鋼)制軸承未產(chǎn)生WEC且3310鋼制軸承仍表現(xiàn)出更好的性能。因此,3310鋼似乎改善了軸承抵抗WEC產(chǎn)生的性能,并且顯示出表面狀態(tài)對這種失效模式具有顯著的影響。

采用軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行RCF試驗(yàn)研究的另一個(gè)因素是潤滑劑的影響。文獻(xiàn)[18]使用了3種潤滑劑:1)稱為WEC危險(xiǎn)油的商用SAE 75 W-80齒輪油,其含大量添加劑;2)無添加劑的礦物油;3)不含添加劑但加水的礦物油。軸承載荷為60 kN(接觸應(yīng)力為1.9 GPa),軸承溫度設(shè)置為100 ℃,軸轉(zhuǎn)速為750 r/min是以前產(chǎn)生WEC的已知工況。注意該研究的結(jié)果很有趣。使用WEC危險(xiǎn)油意味著比使用礦物油減少5%的壽命,WEC危險(xiǎn)油在沿接觸線的各摩擦表面上產(chǎn)生微型線狀裂紋。在滑動區(qū)由WEC危險(xiǎn)油產(chǎn)生的摩擦膜主要由添加劑元素組成,而水污染礦物油則呈現(xiàn)出不同的摩擦膜,由鐵的氧化物組成。僅當(dāng)使用WEC危險(xiǎn)油時(shí)才形成WEC,且裂紋僅在產(chǎn)生WEA的負(fù)滑動區(qū)形成。在負(fù)滑動區(qū),由于拖動力施加于滾道移動的方向,裂紋面相互摩擦引起WEA沿裂紋形成。使用含水礦物油潤滑劑觸發(fā)氧化并引發(fā)微剝落。

5.3 試樣分析

在試驗(yàn)前、后應(yīng)對試樣進(jìn)行分析。試驗(yàn)前進(jìn)行試樣分析或表征的目的是了解化學(xué)成分或存在的有害化合物,如硫或碳,可通過燃燒分析確定。燃燒分析技術(shù)是基于在1 000 ℃的溫度下用純氧將試樣完全瞬間氧化。元素(如氧、氫)可通過熱吸附分析(TDA)確定。其他重要的方面是了解殘余奧氏體含量,通過X射線衍射分析測量。粗糙度測量是進(jìn)行WEC研究的重要前期步驟,因?yàn)榫庸げ涣嫉谋砻鏁l(fā)材料的早期磨損,引起表面剝落及裂紋萌生源,當(dāng)試圖了解WEC的起源及擴(kuò)展時(shí),這一事實(shí)會引起混淆。實(shí)際上,作為試驗(yàn)前、后的表征措施,為了解潤滑劑的退化程度而進(jìn)行的金屬元素及含水量的測量具有重要意義。

值得強(qiáng)調(diào)的是,試驗(yàn)后表征是了解試樣中WEC失效的起源及擴(kuò)展的重要工具。最關(guān)鍵的事項(xiàng)之一是確定哪些區(qū)域會受到WEC的影響,因?yàn)橛袝r(shí)試樣中不存在任何的表面損傷證據(jù)或證據(jù)極其有限,所以難以鑒別缺陷的起始點(diǎn)。之所以如此是因?yàn)閃EC是三維發(fā)展的缺陷,了解其何處開始和何處結(jié)束是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。如前所述,在任何情況下WEC一般在切應(yīng)力達(dá)到最大值的次表面處產(chǎn)生,且夾雜物及氫的不利影響同時(shí)作用,觸發(fā)WEA形成。因此,假如存在的話,失效會在深度約1 mm的區(qū)域發(fā)生。

以下所列包括鑒別及研究WEC最常用的表征技術(shù):

·光學(xué)顯微鏡(OM):最常用的分析技術(shù),可提供大量信息。使用OM可鑒別WEC的深度及取向且可研究WEC-NMI的相互作用。此外,通過系列切片過程可進(jìn)行WEC的3D研究,系列切片是:通過精磨及拋光每次去除“x”μm的材料,然后用OM研究材料切面,如此重復(fù),直到構(gòu)成一個(gè)3D失效模型。

·掃描電子顯微鏡(SEM):檢測裂紋表面及形貌,得到其表面的真實(shí)圖像。

·透射電子顯微鏡(TEM):放大倍率高于SEM,并可對試樣進(jìn)行更深入的分析,但不能獲得真實(shí)圖像。

·能量散射X射線譜儀(EDX/EDS/EDAX):用于表征夾雜物及WEA的化學(xué)成分。

·原子力顯微鏡(AFM):用于研究WEA的表面形貌,可達(dá)納米級?？删_研究基體與夾雜物間的界面。

·宏觀/微觀硬度試驗(yàn):用于表征WEA出現(xiàn)后形成的不同顯微組織,在WEA表面及WEA與基體間的界面上進(jìn)行硬度測試很有意義。

·超聲波試驗(yàn)(UTS):用于鑒別材料中的缺陷。

6 熱處理及涂層對WEC形成的影響

6.1 熱處理

Errichello等進(jìn)行的研究揭示了在防止WEC方面熱處理對軸承性能的影響,尤其是重點(diǎn)研究了2種硬化工藝:全淬硬和滲碳。

全淬硬是將鋼奧氏體化,隨后進(jìn)行足夠快的冷卻以得到馬氏體顯微組織。在這種情況下,鋼的硬化取決于2種因素:淬透性,其由鋼的TTT曲線位置決定,增加含碳量及合金元素、晶粒尺寸,TTT曲線右移,淬透性提高;第2種因素是冷卻速度,取決于冷卻源及試樣尺寸。

滲碳是一種完全不同的熱處理,其改變鋼的表面化學(xué)成分。在這種處理中,通過將低碳鋼的表面含碳量由0.15%～0.25%增加到0.8%～1%而使其硬化。碳需在奧氏體狀態(tài)滲入試樣,因?yàn)閮H鋼的這種同素異構(gòu)相可讓固溶體中容納高的含碳量。

就避免WEC形成而言,2種熱處理的主要差異是鋼中出現(xiàn)的殘余應(yīng)力值及殘余奧氏體含量不同。據(jù)知,鋼中一定量的殘余奧氏體可產(chǎn)生比基體軟的特性,因而呈現(xiàn)較好的疲勞性能;關(guān)于殘余應(yīng)力,應(yīng)注意:殘余壓應(yīng)力因傾向于閉合裂紋而對防止裂紋生長有利,而拉應(yīng)力傾向于促進(jìn)裂紋生長。

在文獻(xiàn)[129]中研究了2種軸承:一種為全淬硬;另一種為滲碳。這些軸承在風(fēng)電齒輪箱中間軸上服役了6年。對應(yīng)的軸承壽命比較顯示:全淬硬軸承的壽命為期望壽命的16%,而滲碳軸承迄今僅有1套失效。使用X射線衍射(XRD)測量了2種軸承的殘余應(yīng)力,全淬硬軸承中0.05 mm深度處的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力(80 MPa),而滲碳軸承中直到0.8 mm深度處還是殘余壓應(yīng)力(400 MPa)。Gould等對2種軸承(全淬硬鋼AISI 52100及滲碳鋼AISI 3310)進(jìn)行的試驗(yàn)研究支持這些結(jié)果。相似地,全淬硬軸承中測得的表面殘余應(yīng)力很快變?yōu)槔瓚?yīng)力,而滲碳軸承中測得的壓應(yīng)力一直保留到較深處,如圖13所示。在2個(gè)研究中,采用XRD測量了殘余奧氏體,結(jié)果是全淬硬軸承的殘余奧氏體少于滲碳鋼軸承。

圖13 來自Gould等研究的曲線圖。(a)硬度、(b)殘余應(yīng)力和(c)殘余奧氏體含量隨表面下深度的變化

根據(jù)文獻(xiàn)[72],軸承具有相似的幾何形狀,但化學(xué)成分、殘余應(yīng)力及殘余奧氏體含量不同。因此,研究結(jié)果認(rèn)為:1)殘余壓應(yīng)力阻止裂紋生長;2)一定量的殘余奧氏體在疲勞過程中是有利的,因其比馬氏體軟得多的特性;3)材料心部低碳高鎳的化學(xué)成分帶來高的韌性。

Eririchello等進(jìn)行了像前述那樣的分析,但試樣均為相同幾何形狀及化學(xué)成分的滲碳軸承,2種軸承唯一的差別是殘余應(yīng)力及殘余奧氏體含量。再次顯示,抗WEC失效性能最好的是1 mm深度處殘余奧氏體含量最高(20%～25%)且殘余應(yīng)力最高的軸承。

Gould等得到的結(jié)果顯示:與全淬硬處理相比,使用滲碳處理可將軸承壽命提高2倍以上,如圖14所示。另外,為了研究WEC起源及形成,進(jìn)行了短期試驗(yàn),結(jié)果揭示:循環(huán)次數(shù)為30×106 r時(shí)已形成了WEC。假如試樣在達(dá)到以前測得的平均壽命值前不發(fā)生失效,這一滲碳控制的工藝將值得推廣,確信是由于壓應(yīng)力阻礙了WEC的生長。

圖14 滲碳及全淬硬試樣發(fā)生WEC損傷時(shí)循環(huán)次數(shù)的差異(基于文獻(xiàn)[72])

Gould完成的研究中,所有試驗(yàn)均使用了相同的試驗(yàn)條件和相同的油,該油是眾所周知的WEC驅(qū)動因素,根據(jù)最近的研究,其含有最有害的添加劑,如磺酸鈣及ZDDP。

就文獻(xiàn)[72]和[129]的研究結(jié)果而言,有必要厘清一些與裂紋網(wǎng)取向有關(guān)的概念。首先,要解釋2個(gè)研究中關(guān)于裂紋擴(kuò)展所使用的術(shù)語:軸向裂紋是滾道上沿軸向(即軸的方向)形成的表面裂紋;垂直/徑向裂紋是垂直于滾道擴(kuò)展的次表面裂紋。2個(gè)研究認(rèn)為表面滲碳試樣傾向于產(chǎn)生較少的軸向裂紋,其在沒有完全搞清楚的情況下建立了軸向開裂與垂直/徑向裂紋擴(kuò)展間的關(guān)系。然而,如文獻(xiàn)[43]所詳盡論述的那樣,WEC在三維方向生長且不同截面上WEC的取向差別相對明顯。軸承套圈可通過軸向或周向截面剖開,全淬硬鋼軸向截面揭示W(wǎng)EC平行于滾道,而在周向截面上分析相同的WEC,則WEC傾向于垂直于滾道的方向。因此似乎有必要強(qiáng)調(diào)的是:文獻(xiàn)[72]和[129]僅提及了周向截面?？偟膩碚f,當(dāng)討論WEC的擴(kuò)展方向時(shí),為避免誤解,使用縝密準(zhǔn)確的詞匯非常重要。

研究[72]和[129]對全淬硬鋼套圈進(jìn)行的周向截面觀察表明:裂紋垂直于接觸面生長,這種開裂模式歸因于軸承安裝誘發(fā)的周向應(yīng)力或熱處理產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力。記住在套圈的安裝過程中不會出現(xiàn)周向應(yīng)力,裂紋呈現(xiàn)這樣的形態(tài)是由于全淬硬誘發(fā)的拉應(yīng)力。另外觀察到:滲碳套圈中鑒別出的WEA寬度大于全淬硬套圈中出現(xiàn)的WEA寬度,WEA寬度可看作局部區(qū)域中釋放的能量值的表征,出現(xiàn)這種情況可能是滲碳套圈能經(jīng)受更多的循環(huán)次數(shù),裂紋面摩擦產(chǎn)生的能量大,因此可產(chǎn)生較大的塑性變形。

與文獻(xiàn)[72]和[129]的論述相反,文獻(xiàn)[130]聲稱:滲碳鋼并未真正改善其抵抗WEC形成的性能,且滲碳熱處理僅可防止軸向裂紋形成。這種行為可通過2個(gè)方面原因解釋:材料的心部存在更大的延展性;表層存在殘余壓應(yīng)力。另外,本文也討論了另一個(gè)有意義的概念,發(fā)現(xiàn):材料的貝氏體組織的疲勞壽命明顯不同于馬氏體組織。這是因?yàn)樨愂象w轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織熱力學(xué)穩(wěn)定性更高,且貝氏體套圈一般呈現(xiàn)出殘余壓應(yīng)力,如前所述,這些壓應(yīng)力可降低之后的拉應(yīng)力的效應(yīng)。

6.2 涂覆

近年來提出了各種解決方案來避免導(dǎo)致軸承早期失效的次表面顯微組織變化及裂紋的形成。風(fēng)電齒輪箱軸承的失效導(dǎo)致非常高的運(yùn)行及維護(hù)成本,降低了風(fēng)電廠的效益。本節(jié)討論黑色氧化(BO)的應(yīng)用,其為防止軸承早期失效可用的涂層之一,也是目前應(yīng)對WEC最常用的解決方案。自大約1900年以來,德國就一直使用這種處理來改善軸承的表面性能,得到漂亮的外觀,耐蝕,提升潤滑性能,耐涂抹及粘著。應(yīng)注意的是:滾子及套圈均應(yīng)采用這種氧化物涂覆,以得到最優(yōu)的軸承性能并確保涂層的耐久性。BO是一種通過軸承表面的化學(xué)反應(yīng)完成的表面處理,處理時(shí)軸承零件浸入溫度約為140～150 ℃(單槽處理)的堿性鹽水溶液;雙槽工藝使用了溫度為152～154 ℃的第2個(gè)槽。鐵基合金中的鐵與溶液發(fā)生反應(yīng),在軸承零件表面生成氧化層,FeO與Fe2O3的規(guī)整結(jié)合形成Fe3O4,由此形成0.5～3 μm厚的黑色表層,層厚取決于所用工藝(單槽或雙槽)。與未處理的AISI 52100鋼相比,BO處理后的彈性模量及硬度分別降低27%,25%(AISI 52100鋼的硬度約為60 HRC,彈性模量約為230 GPa)。若將文獻(xiàn)[136]中形成的氧化層與文獻(xiàn)[138]的加以比較,則可看出:使用雙槽時(shí)在碳化物與氧化物材料間的界面上觀察到空洞,而相比之下單槽產(chǎn)生的氧化物層中未發(fā)現(xiàn)這樣的空洞。

現(xiàn)在在風(fēng)電軸承上大量使用BO可能是由于SKF在線雜志“Evolution”所報(bào)道的好處,即BO可將早期失效的風(fēng)險(xiǎn)最小化,并改善苛刻運(yùn)行及潤滑工況下的軸承性能。低的早期失效風(fēng)險(xiǎn)歸之于降低了摩擦化學(xué)侵害,減少了氫在鋼中的擴(kuò)散,防止腐蝕及顯微組織的穩(wěn)定化。由于氫對WEC形成的明顯加速效應(yīng),似乎是BO減輕這種效應(yīng)的特性直接與減少WEC產(chǎn)生的概率有關(guān)。值得注意的是,BO如何能避免氫向鋼中擴(kuò)散并因此降低WEC形成的風(fēng)險(xiǎn)。Ooi等進(jìn)行的研究顯示了這種涂層對潤滑劑分解產(chǎn)生的氫吸收的阻止作用,其試驗(yàn)采用了不同的試樣,BO涂覆、未涂覆以及涂覆后去除涂層,并在不同溫度下將試樣浸入不同潤滑劑,通過TDA測量吸附的氫含量。注意到:即使未將試樣浸入潤滑劑,BO涂層試樣也含有少量的氫,但不足以引起氫脆。另外,在恒定溫升下進(jìn)行的試驗(yàn)中觀察到:某一特定溫升下,涂層試樣顯示出較低的可擴(kuò)散氫含量。這種行為歸之于表面形成的磁鐵礦結(jié)構(gòu)的氧化物,因?yàn)檫@種氧化物為離子鍵結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[140]也支持BO涂層減少氫滲透這一觀點(diǎn)。

文獻(xiàn)[132]強(qiáng)調(diào)了BO涂層帶來的另一個(gè)優(yōu)勢是改善粘著磨損(涂抹)抗力。粘著磨損與滑動密切相關(guān),如果聯(lián)想到文獻(xiàn)所論的滑動是WSF的主驅(qū)動因素之一,則不可避免地將BO的應(yīng)用與抵抗WEC形成的改善措施聯(lián)系在一起。根據(jù)對滑動/滾動接觸中BO性能的研究,BO性能受潤滑條件的影響顯著。文獻(xiàn)[136]使用不同布局的摩擦儀進(jìn)行了一系列試驗(yàn)(滑動摩擦、滾動/滑動摩擦、滾動/滑動磨損及滾動/滑動粘著磨損等試驗(yàn))后得出結(jié)論:在λ<0.4的試驗(yàn)中,與未涂覆試樣相比,BO絲毫不減小摩擦因數(shù);然而在混合潤滑狀態(tài)(λ>0.4)下進(jìn)行的試驗(yàn)中,BO有利于摩擦因數(shù)的減小。實(shí)際上,滑動增加的試驗(yàn)表明:只要涂層完整,BO可防止涂抹。由該研究可得出結(jié)論:控制滑動/滾動接觸中BO耐久性的參數(shù)是λ值。由同一研究小組進(jìn)行另一個(gè)研究證實(shí):在苛刻潤滑條件下(λ<0.34),BO會磨掉并失去其防護(hù)性能。

文獻(xiàn)[138]比較了軸承中使用的BO與物理氣相沉積(PVD)涂層。改善軸承性能的手段之一是使用PVD涂層,如碳化鎢增強(qiáng)類金剛石碳(WC/a-C:H )涂層。這些涂層開發(fā)于20世紀(jì)80年代且在90年代應(yīng)用于軸承,尤其是類金剛石碳(DLC)已用來防止軸承發(fā)生的許多疲勞及磨損模式,如微剝落、涂抹、偽布氏壓痕等。通過設(shè)計(jì)納米化合物膜,可使PVD技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。雖然迄今對使用DLC來減輕早期次表面軸承失效尚未研究,但并不排斥對其進(jìn)行研究,因?yàn)橐褕?bào)道出比BO好的結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)[138]和[144]給出的結(jié)果,WC/a-C:H在邊界潤滑條件下表現(xiàn)出優(yōu)于BO的抗粘著磨損及抗疲勞性能,這可能是由于:1)WC/a-C:H具有比鋼低的彈性模量,可避免因變形現(xiàn)象而形成裂紋;2)WC/a-C:H具有比軸承鋼高30%的硬度。相比之下,BO具有比軸承鋼低75%的硬度,彈性模量與WC/a-C:H相似。這些性能意味著:在潤滑和滑動不能精確控制的接觸中,DLC是不錯的選擇。由這些涂層所展示的有利結(jié)果可用于防止WEC。

本文作者認(rèn)為有必要在DLC領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步的研究,以改善風(fēng)電軸承的性能,增加所用的功率。這一建議基于最近的研究,這些研究強(qiáng)調(diào)了BO涂覆后軸承中存在次表面損傷,會導(dǎo)致軸承在現(xiàn)場工作時(shí)出現(xiàn)WSF。文獻(xiàn)[137]分析了BO涂覆軸承的內(nèi)圈,該內(nèi)圈出現(xiàn)了一處BO涂層被磨掉的過載區(qū)域,該區(qū)域的BO厚度為0.2 μm,未損傷區(qū)域的膜厚為2.2 μm,因此涂層的性能受到影響,顯示出與軸承鋼非常相近的彈性模量及硬度。BO涂覆軸承出現(xiàn)與未涂覆軸承類似的失效,如蝴蝶組織、WEC、次表面微裂紋、次表面開裂的RCF裂紋,表明在這種情況下BO不能降低高的表面拖動效應(yīng);以上這些缺陷甚至出現(xiàn)在BO幾乎沒有嚴(yán)重破壞的區(qū)域。文獻(xiàn)[137]認(rèn)為NMI是次表面損傷的主要起源者。

盡管在涂層方面取得了一些進(jìn)展,但似乎需要更多的研究來證實(shí)BO的優(yōu)良性能或提供新的解決方案,如使用DLC的可能性。文獻(xiàn)[137]中的發(fā)現(xiàn)似乎聚焦于NMI在WEC的發(fā)展過程中所起的根本作用。

7 結(jié)論及展望

本文對近年來討論最多的風(fēng)電軸承失效進(jìn)行了全面評述,收集了有關(guān)方面的最新概念,如WEC起源模式、靠近WEC的顯微組織變化、WEC驅(qū)動因素、研究WEC的試驗(yàn)程序以及熱處理和涂覆對WEC的影響。

本節(jié)給出了基于新的驅(qū)動因素分類準(zhǔn)則的綜合結(jié)論。本文作者認(rèn)為有必要清楚地區(qū)分兩類驅(qū)動因素:主驅(qū)動因素及加速驅(qū)動因素。加速驅(qū)動因素中突出了以下因素：殘余電流的通過、過大周向應(yīng)力的存在、過高的工作溫度或某些添加劑包的存在，這些驅(qū)動因素在WEC形成中并不總是存在，其不是根本因素,但有利于加速WEC的形成。

同時(shí),在風(fēng)電齒輪箱高速軸軸承的實(shí)際工況下,主驅(qū)動因素(滑動、NMI、氫)總是出現(xiàn)。在所有軸承中均存在滑動現(xiàn)象，SRR的值可高達(dá)100%。無數(shù)的研究顯示:在WEC起源及擴(kuò)展過程中，滑動的存在是關(guān)鍵；滑動誘發(fā)高的表面拉伸應(yīng)力，促進(jìn)潤滑劑的退化，因而在滾動體-滾道的接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生原子氫，并對合適摩擦膜的形成產(chǎn)生負(fù)面作用。在滑動及軸承載荷的影響下，所有鋼中存在的NMI充當(dāng)應(yīng)力集中點(diǎn)，因而也是鋼基體中裂紋起源及擴(kuò)展的關(guān)鍵點(diǎn)。將氫歸為主驅(qū)動因素一組是由于在實(shí)際工況下總存在一定量的氫,因?yàn)檩S承工作要用潤滑劑。即使有研究確認(rèn)在無潤滑或不存在氫的情況下產(chǎn)生WEC的可能性，仍決定將氫劃歸主驅(qū)動因素一組，主要考慮到?jīng)]有一套風(fēng)電齒輪箱軸承在沒有潤滑劑的情況下工作，因而認(rèn)為氫是產(chǎn)生脆化效應(yīng)的根本因素。這并不意味著否定支持無潤滑劑及氫時(shí)存在WEC的研究。氫的存在已討論了多年，且仍需要研究來澄清使用潤滑劑(如僅含ZDDP)的某些試驗(yàn)后試樣中的氫含量。潤滑劑通過摩擦化學(xué)反應(yīng)分解產(chǎn)生氫似乎是被科學(xué)界否定的事實(shí)。

當(dāng)考慮所研究的不同WEC起源模式時(shí)，將驅(qū)動因素分成兩類就更有意義。文獻(xiàn)中所提到的2種起源模式與驅(qū)動因素顯著相關(guān)，即存在的驅(qū)動因素不同，一種起源模式可能比另一種模式更為優(yōu)先。當(dāng)加速驅(qū)動因素作用有利于表面變化時(shí)，表面起源模式就成為例外情況出現(xiàn)；相反,假如起作用的因素是所謂的主驅(qū)動因素，則呈現(xiàn)次表面起源模式，如大多數(shù)研究所顯示的那樣。

根據(jù)文獻(xiàn)，受到大多數(shù)研究者支持的WEA形成過程是:首先形成裂紋，然后裂紋面摩擦，形成WEA;研究顯示這一過程切實(shí)可行。主驅(qū)動因素的綜合作用與這種形成過程完全契合。WEC起源模式及WEA形成過程支持作者將驅(qū)動因素分成兩類的建議。

以下是致力于研究這種現(xiàn)象的研究者們達(dá)成高度一致的概念:

·WEA表征為碳過飽和的納米晶鐵素體結(jié)構(gòu)且無碳化物,其以2種方式存在:由納米晶及非晶相組成的轉(zhuǎn)變WEA;主要由納米晶組成的變形WEA。WEA硬度比基體高10%～50%且起源于裂紋表面摩擦。

·影響最大的驅(qū)動因素按順序排列為:滑動現(xiàn)象,由軸承所受的瞬變工況引起;NMI,充當(dāng)裂紋起源者及擴(kuò)展者;氫脆,雖然根據(jù)一些研究其為非必要因素,但其在風(fēng)電軸承摩擦接觸區(qū)總是存在。

·使用不同布局的摩擦儀(銷-盤、雙盤、微剝落試驗(yàn)機(jī))進(jìn)行了WEC產(chǎn)生的試驗(yàn)。同時(shí)研究了一種或幾種驅(qū)動因素的影響,如潤滑劑、滑動狀態(tài)、氫效應(yīng)、動及靜載荷、高轉(zhuǎn)速或表面精度的影響。實(shí)際上,也使用了滾動軸承試驗(yàn)機(jī),FAG-FE8是最常用的型號,一般優(yōu)先選用推力滾動軸承在不同轉(zhuǎn)速、潤滑劑、載荷下進(jìn)行試驗(yàn)。甚至設(shè)定了產(chǎn)生WEC的標(biāo)準(zhǔn)工況:載荷為60～80 kN(接觸應(yīng)力為1.5～2.2 GPa),轉(zhuǎn)速為300～750 r/min,溫度為100 ℃,潤滑劑為名為WEC危險(xiǎn)油的油。

·值得強(qiáng)調(diào)的是;與全淬硬相比,滲碳處理呈現(xiàn)更好的性能;對于應(yīng)對WEC的未來研究而言,考慮以下性能特征很有意義。滲碳處理可帶來以下特性:1)高的表面硬度,其隨深度而下降;2)殘余壓應(yīng)力,阻止裂紋生長;3)高于全淬硬處理的殘余奧氏體含量,使材料更韌。

·在風(fēng)電齒輪箱軸承中廣泛使用BO來避免WEC形成。盡管一些研究貢獻(xiàn)出好的結(jié)果,但BO似乎還有改進(jìn)的空間,正如一項(xiàng)最新的研究論述了BO處理的風(fēng)電齒輪箱軸承因WEC而發(fā)生失效。作為BO涂層的替代措施,強(qiáng)調(diào)了DLC的應(yīng)用,所進(jìn)行的一些試驗(yàn)已表明:在苛刻工況下,DLC性能優(yōu)于BO。

為了應(yīng)對WEC問題,有必要減小主驅(qū)動因素的影響。因而,潤滑劑制造商的責(zé)任是配制不含產(chǎn)氫添加劑的潤滑劑;另一方面,涉及制鋼的單位必須開發(fā)超潔凈鋼,這些鋼同時(shí)還應(yīng)具備使軸承可在苛刻工況下連續(xù)工作所需的性能;最后的任務(wù)是完善或改革軸承運(yùn)行方式。雖然要遵循基本的工作原理,但因精度要求,軸承制造商應(yīng)關(guān)心最新技術(shù)的應(yīng)用。這僅是對闡述每種解決方案涉及的復(fù)雜性所做的嘗試,因此認(rèn)為:WEC未來的研究在于開發(fā)新涂層。WEC是一種涵蓋不同學(xué)科、科學(xué)及工業(yè)分支的失效模式,要徹底了解則需要公司、技術(shù)研究中心及高校的合作。

THE END

參考文獻(xiàn)(略)

Broad Review of “White Etching Crack”Failure in Wind Turbine Gearbox Bearings:Main Factors and Experimental Investigations

譯自《International Journal of Fatigue》,2021,145:106091.

翻譯：劉耀中  校對：曾獻(xiàn)智