氮化硅轴承球滚动接触疲劳研究范文

《机械工程材料杂志》2014年第五期

1氮化硅球滚动接触疲劳的失效机制

综合各项研究可以得出Si3N4球典型RCF失效过程为:裂纹萌生形成表面微裂纹(主要为环形裂纹)，裂纹向球内部扩展分叉形成次表面裂纹，次表面裂纹沿着平行于球表面方向扩展，接着二次表面裂纹形成，最后次表面裂纹和二次表面裂纹分叉形成次表面裂纹网络导致剥落失效。关于裂纹的萌生，Ichikawa等研究表明轴承球环形裂纹萌生载荷，PR比压碎载荷PC小得多(PR≈0．2PC)。而O''''Brien等［5］和Thoma等［4］对剥落显微形貌分析时发现了疑似裂纹起源的微孔缺陷，微孔缺陷的存在可使裂纹萌生载荷降低。关于裂纹扩展，Wang等［27－31］通过一系列研究得出:裂纹扩展并不是沿着表面原环形裂纹扩展，而是发生在次表面;裂纹扩展主要是接触应力和润滑应力的作用;疲劳寿命并不是简单地由原表面裂纹决定，在疲劳剥落形成过程中起很大作用的是二次表面裂纹，但原表面裂纹的存在是二次表面裂纹形成的必要条件;原裂纹面间的磨损导致它们之间的裂口变大，使得接触区域边缘的最大拉伸应力增大，较高的拉伸应力导致二次表面裂纹的形成;裂纹面摩擦因数越大，二次表面裂纹就越难形成。润滑作用可以分为润滑压力和附着摩擦力，Kida等［32］的研究发现在裂纹的扩展中没有润滑压力的作用，而Zhao等［33］的研究发现附着摩擦力对裂纹扩展具有很重要的影响，使用产生高附着摩擦力的润滑油会导致较早的失效。Kida等［34］和Zhao等［35］在研究中均观察到原裂纹分叉形成的次表面裂纹沿着平行于球表面的方向扩展，接着从表面形成的二次表面裂纹和次表面裂纹分叉形成裂纹网络导致剥落。Zhao等［35］还指出，黏度较低的润滑油更容易渗透进原裂纹中，使裂纹面的摩擦因数降低，二次表面裂纹形成难度降低，RCF寿命缩短。这一结论正好解释了上文所述的润滑剂黏度对RCF性能的影响。

2存在的主要问题

对Si3N4轴承球RCF性能的研究，尤其是失效机制的研究虽已经比较完善，但仍然存在一些问题。在上述研究中，很少有直接用陶瓷球轴承进行试验的。O''''Brien等［5］的试验中用到混合Si3N4球轴承，当试验时间超过2600h时，大部分轴承中的陶瓷球都未失效，陶瓷球出现失效的3个轴承运转时间分别为1548，3408，3441h，这还是增大载荷进行加速试验的结果，可见试验时间之长、成本之高。因此，在Si3N4轴承球的RCF性能研究中，真实模拟实际工况条件相当困难。在Si3N4球RCF试验中，不同的接触形态可能会有不同的失效模式。Hadfield等［36］用四球RCF试验机和前人的五球、球-棒、盘-棒等RCF试验机进行了对比，发现Si3N4球的RCF失效形式虽然均为疲劳剥落，但失效模式会根据接触形态不同而改变。Kang等［37］分别进行了Si3N4的四球和五球RCF试验，发现五球RCF试验的Si3N4球滚道边缘出现了严重的滑动磨损，且五球试验机得出的RCF寿命比四球试验机得出的要短。就目前的RCF试验机来说，周井玲等［38］的三点纯滚动接触疲劳试验机最接近实际轴承接触状态，可以相对真实地评价Si3N4球的RCF寿命，但滚动轨道无法定位，加上钢配件的疲劳寿命往往低于Si3N4球的，导致观察Si3N4球RCF失效全过程的难度很大。此外，上述研究中使用的Si3N4球来自不同制造商，其生产工艺、质量各有差异，使得试验结果的可比性不高。

3结束语

由于工业技术进步对轴承这一机械装备重要的基础零部件的性能要求越来越高，Si3N4轴承球的RCF性能仍将是今后的研究热点。虽然目前在这方面已经取得了一定的成果，但还有很多不足之处，尤其是国内，许多影响Si3N4材料性能的因素(如原料的纯度、配方中烧结助剂的类型和添加量、烧结工艺等)有待进一步深入研究，从而提高Si3N4轴承球的RCF性能。

作者：祁海张培志郭方全单位：上海材料研究所上海市工程材料应用评价重点实验室