发电机轴承中白色组织剥落现象的探讨

刘斌，牛玉周，郭长建

(人本集团 技术中心，上海 201411)

目前轿车发电机输出功率一般都在1 kW以上，其工作电流在70～110 A(有的甚至超过200 A)，发电机轴承工作温度通常可达150～180 ℃。大的输出功率必然对发电机轴承提出更高要求。对这些高效能、高温下使用的轴承进行失效分析时发现，大部分轴承中都产生了一种新型的早期剥落现象——“白色组织剥落”，也称之为“氢脆剥落”。通常这种剥落在滚动面次表层一定深度内出现黑色针状或者白色条带状的异常组织[1]。

由于这种白色组织剥落与轴承钢常见的疲劳剥落的现象和发生的机理不一样，因此，所采取的对策也迥然不同。下文通过试验对发电机轴承中出现的白色组织剥落现象进行探讨，以期提出相应的对策。

1 白色组织剥落的特征

对此类轴承进行失效分析时发现，这种白色组织剥落现象主要发生在汽车发电机、张紧轮及电磁离合器等工作温度高、运转速度高的恶劣环境中，而且通常只发生在固定的零件上，即仅在外圈或者内圈上。尽管早期发现的这种剥落面积都比较小，但对剥落区域的宏观观察发现，存在有大量的沿轴向分布的微小裂纹，如图1所示，其中图1a为早期发现的剥落坑形貌，大小一般(1～2) mm×(2～4) mm，图1b中箭头所指部位均为材料剥落导致的裂纹。

图1 内圈沟道材料剥落及裂纹形貌

将剥落区域切开后，对其截面进行微观观察，可以发现：早期的白色组织剥落在滚动面次表层一定深度内出现树枝状、呈网络分布的黑色针状组织，而这种剥落发展到后期时黑色针状组织将转变成白色条带状组织。观察还发现，黑色针状组织或者白色组织通常起源于沟道次表面大约为最大剪切应力Z0位置附近[2]，发电机用深沟球轴承6303，6203等的异常组织通常起始于距沟道表面70～100 μm位置处，这些异常组织通常沿着平行于沟道面方向发展，但也有观察到沿心部和表面扩展的现象，扩展深度甚至超过250 μm。图2所示为树枝状的黑色组织和平行于沟道表面的条带状白色组织。

图2 内圈沟道面剥落区表层白色组织形貌

对黑色针状组织用扫描电子显微镜SEM观察可以发现，黑色针状组织发生在最大剪切应力Z0位置附近区域，在二次电子图像中为树枝状分布的裂纹，但二次电子图像和背散射图像中均没有观察到白色组织与基体组织明显的区别，如图3所示。图3a为黑色组织的二次电子图像，图3b为同时存在黑色组织和白色组织的背散射图像。

图3 内圈沟道面剥落区白色组织SEM图像

2 剥落机理

对于轴承次表面出现的异常组织而导致的剥落，即 “白色组织剥落”，其机理目前主要有2种观点：一是复杂应力状态影响观点，二是氢原子侵入影响观点[1]。本案认为，发电机轴承中出现的异常组织导致的剥落是由于氢原子的侵入，在氢原子作用下产生微小裂纹，并以该裂纹为起点产生显微组织变化，下面通过试验进行验证。

2.1 试验条件及方案

试验材料为GCr15轴承钢。RX气氛加热淬火：密封井式炉，加热温度(840±5)℃，RX气氛为甲烷和空气按一定比例混合，得到由23.7%CO，31.6%H2及44.7%N2组成的气氛[3]。真空淬火：加热温度(840±5)℃，真空度<0.1 Pa。试验方案见表1。

表1 试验方案

2.2 试验结果及分析

方案1为在RX气氛中加热淬火，试验后样品切开观察显微组织，发现有黑色针状组织(图4a)。由于本方案中含有大量的氢原子，黑色针状组织的出现是受氢原子的影响。

图4 黑色针状组织及其加热到300 ℃后的组织形貌

方案2为真空加热淬火，试验后样品切开观察显微组织，未发现黑色针状、带状组织及少量白色条带状组织。

方案3为淬火后立即回火，试验后样品切开观察显微组织，未发现黑色针状、带状组织。其原因是：淬火时部分氢原子扩散侵入至材料基体表面，淬火后立即回火，氢原子非常容易逸出，所以样品未出现黑色针状或带状组织。

将发电机轴承试验中出现的黑色针状组织样品和在RX气氛中淬火得到的黑色针状组织样品同时加热到300 ℃，黑色针状组织均转变成了白色带状组织[4](图4b和图4c)，这种现象表明，RX气氛中产生的黑色组织与实际工况下发电机轴承产生的黑色组织形成机理是相似的。

根据上述分析，可以推测发电机轴承中黑色针状或者白色带状组织产生的过程是：发电机轴承在可能出现的高速、高温及较大振动等条件下，钢球与套圈沟道面出现了干摩擦甚至滑动，造成了能够非常强烈吸附氢原子的高活性新鲜金属面[5]。这种新鲜金属面一方面具有很强烈的吸附氢原子的能力，另一方面还强烈地促进了润滑油脂的分解[6]，不断地产生氢原子，这样，氢原子进入金属基体表面后形成极微小的裂纹，并以此为起源逐步形成黑色针状组织、带状组织以及白色带状组织[7]，最终扩展至表面导致剥落。

产生白色组织的机制是[2]：被新鲜金属表面强烈吸附的氢原子进入材料中，并使氧化物夹杂和基体之间产生间隙，随着持续不断的外加循环载荷，氧化物和基体间的间隙不断地处于纳米尺度的“开”和“闭”状态，这使得间隙两侧发生几乎是原子数量级的材料转移，转移后的材料发生动态再结晶，形成等轴状铁素体晶粒，其晶粒可细小到10～30 nm，这种组织经硝酸酒精腐蚀后成亮白色，即光学显微镜下出现的白色组织。

3 应对措施

由上述分析可知，导致白色组织剥落很重要的原因是钢球和沟道面之间产生了新鲜的、具有高活性的金属面，因此，所有能够阻碍新鲜金属面产生的措施，都有助于阻止发电机轴承中白色组织剥落现象的发生。据此，提出如下对策：

(1)轴承滚动面涂覆耐磨性能更高的膜层；

(2)改变摩擦副的材料，如采用GCr15钢制套圈和陶瓷球，或使用不锈钢材料的套圈等；

(3)采用特殊添加剂的润滑脂，这种添加剂要求能够有效阻止新鲜金属面的出现，或者能够极其快速地缔合新鲜金属面。

4 结束语

汽车发电机轴承中出现的白色组织剥落现象，是由于在发电机的特定工况条件下产生的氢原子侵入到金属基体表层，形成微小裂纹，逐步产生黑色组织和白色带状组织的缘故。这种氢原子主要来自于润滑油脂的分解，而摩擦副间产生的新鲜金属面非常强烈地加速了整个过程的发生。据此，对轴承滚动面涂覆耐磨性能更高的膜层、改变零件材料种类以及采用特殊添加剂的润滑脂，均能够有效阻止白色组织剥落的发生。