摘　要：利用宏觀觀察、顯微分析以及SEM方法，分析了（le）發（fā）電機軸承白色組織剝落的特征，采用在RX吸熱式氣氛中淬火和真空爐中淬火等（děng）不同熱處理方式進行了（le）試驗驗證，分析和推測了白色（sè）組織剝落機理，並提出了遏製白色（sè）組織剝落的措施。
　　關鍵詞：發電機（jī）軸承；白色組織；氫脆；剝落機理
　　目前轎車發電機（jī）輸出功率一（yī）般都在1kW以上，其工（gōng）作電流在70～110A（有的甚至超過200A），發電機軸承工作溫度通常可達150～180℃。大的（de）輸出功率必（bì）然對發電機（jī）軸（zhóu）承提出更高要求。對這些高效能、高溫下使（shǐ）用的（de）軸承進行失效分析（xī）時發現，大部分軸承中都產生了一種新型的（de）早（zǎo）期剝落現象———“白色組（zǔ）織剝落”，也稱之為“氫脆剝落（luò）”。通常這種剝落在滾動麵次表層一定深度內出現（xiàn）黑色針狀或者白色條帶狀的異常組織^[1]。由於這種白色組織剝（bāo）落與軸承鋼（gāng）常見的疲勞剝（bāo）落的現象和發（fā）生的機理不（bú）一（yī）樣，因此，所采取的對策也迥然不同。下文通過（guò）試驗對發電機軸承中出現的白色組織剝落現（xiàn）象進行探（tàn）討，以期提出相（xiàng）應的（de）對（duì）策。
　　1　白色組織剝落的特征
　　對此類軸承進行失效分析時發（fā）現，這種（zhǒng）白色組（zǔ）織剝落現象主要發生（shēng）在汽車發電機、張緊（jǐn）輪及電磁離合器等工作（zuò）溫（wēn）度（dù）高、運轉速度高的（de）惡劣環境中，而（ér）且通常隻發生在固定的零件上，即僅在外圈或者內圈上。盡管早期發（fā）現（xiàn）的這種剝落麵積都比較小，但對剝落區域的宏觀觀（guān）察發（fā）現，存在有大量的沿軸向分布的（de）微小裂紋，如圖1所示，其中圖1a為早期發現的剝落坑（kēng）形貌，大（dà）小一般（1～2）mm×（2～4）mm，圖1b中（zhōng）箭頭（tóu）所指部位均為材料剝落導致的裂紋。 　　將剝落區（qū）域切開後，對其（qí）截麵進行微觀觀察，可以發現：早期的白色組（zǔ）織剝落在滾動麵次表層一定深度內出現樹枝狀、呈網絡分布的黑色針狀（zhuàng）組織，而（ér）這種剝落發（fā）展到後期（qī）時黑色針狀組織（zhī）將轉變成白色條帶（dài）狀組織。觀察還發現（xiàn），黑色針狀（zhuàng）組織或者白色組織通常起源於溝道（dào）次表（biǎo）麵大約為Z大（dà）剪切應力Z₀位置附近^[2]，發電（diàn）機用深溝球軸承6303，6203等的異（yì）常組織通常起始於距（jù）溝道表麵70～100μm位（wèi）置處，這些（xiē）異常組織通常沿著平行（háng）於溝道麵方向發展，但也有（yǒu）觀察到沿心部和表麵（miàn）擴展的現象，擴展深度甚至超過250μm。圖2所示為樹（shù）枝（zhī）狀的黑色組織和平行於溝道表麵的條帶狀白色（sè）組織。 　　對黑（hēi）色針狀組織用掃描電子顯微鏡SEM觀察可（kě）以發現，黑色（sè）針狀組織發生在Z大剪切應力Z₀位置附近區域，在二（èr）次電子圖像中為樹枝狀分布的裂紋，但二次（cì）電子（zǐ）圖像和背散射圖像中均沒有觀察到白色組織與基體組織明顯的區別，如圖3所示。圖3a為黑色組（zǔ）織的（de）二次電子圖像，圖3b為同時存在黑色組（zǔ）織和白（bái）色組織的背散射（shè）圖（tú）像。 　　2　剝落機理
　　對於軸承次表麵出現的異常（cháng）組織而導致的剝落，即“白色組織（zhī）剝（bāo）落”，其機理目前主要有2種觀點：一是複雜應力狀態影響觀點，二（èr）是氫原子侵入影響（xiǎng）觀點^[1]。本案認為，發電機軸承中（zhōng）出現的異常（cháng）組織導致的剝落是由於氫（qīng）原子的侵入，在氫原（yuán）子作用下產生微小裂紋，並以該裂紋（wén）為起點產生顯（xiǎn）微組（zǔ）織變（biàn）化，下麵通過試驗進行驗（yàn）證。
　　2.1試驗條（tiáo）件及方案
　　試驗材料為GCr15軸承鋼（gāng）。RX氣（qì）氛加熱淬（cuì）火（huǒ）：密封井式爐（lú），加（jiā）熱溫（wēn）度（840±5）℃，RX氣氛為甲烷和空氣按一定比例混合，得到由23.7%CO，31.6%H₂及44.7%N₂組成的氣氛^[3]。真空淬火：加熱溫（wēn）度（840±5）℃，真空度＜0.1Pa。試驗方案見表1。 　　2.2試驗結果及分析
　　方案1為在RX氣氛中加熱淬火，試驗後樣品切開觀察顯微組織，發現有黑（hēi）色針狀組織（圖4a）。由於本方案中含有大量（liàng）的氫原子（zǐ），黑色針狀組織的出現是受（shòu）氫原子的影響。
　　方案2為真空加熱淬火，試驗後樣品切開觀察顯（xiǎn）微組織，未（wèi）發現黑色針狀、帶狀（zhuàng）組織及少量白色條（tiáo）帶狀組織。
　　方案3為淬火後立即回火，試驗後（hòu）樣品切開觀察顯微組織，未發現黑色針狀、帶狀組織。其原因是：淬火時部分氫（qīng）原子（zǐ）擴散侵入至（zhì）材料基體表麵，淬火後（hòu）立即回火，氫原子非常容易逸出，所以樣品未出現黑色針狀或帶狀組織。
　　將發電機軸（zhóu）承（chéng）試驗中出現的黑色（sè）針狀（zhuàng）組織（zhī）樣品和在（zài）RX氣氛中淬火得到的黑色針（zhēn）狀組織樣品同時加熱到300℃，黑色（sè）針狀（zhuàng）組織均轉變成了（le）白色帶狀（zhuàng）組織^[4]（圖（tú）4b和圖（tú）4c），這種現象表明（míng），RX氣氛中產生的黑色（sè）組織與實際（jì）工況下發電機軸承產生的黑色組織形成機理（lǐ）是（shì）相似的。 　　根據上述分（fèn）析，可以推測發電機軸承中（zhōng）黑色針狀或者白色帶狀組織產生的過程是（shì）：發（fā）電機軸承在可能出現（xiàn）的高速、高溫及較大振動等條（tiáo）件下，鋼球（qiú）與套圈溝道麵出現了（le）幹摩擦甚至滑動，造（zào）成（chéng）了能夠非常強烈吸附氫原子的高活性新鮮（xiān）金屬麵^[5]。這種新鮮金屬麵一（yī）方麵具有很強烈的（de）吸附氫原（yuán）子的能力，另（lìng）一方麵還強烈地促（cù）進了潤滑油脂（zhī）的分解^[6]，不斷地產生氫原子（zǐ），這樣，氫原子進入金屬基體表（biǎo）麵後形成極微小的裂紋，並以此（cǐ）為（wéi）起源逐步（bù）形（xíng）成黑色針狀組織、帶狀組織以及白色帶狀組織^[7]，Z終擴展至表麵導致剝落。產生白色組織（zhī）的機製是^[2]：被新（xīn）鮮金屬（shǔ）表麵強烈吸附的氫原子進（jìn）入（rù）材（cái）料中，並使氧（yǎng）化物夾雜和（hé）基體之間產生間隙，隨著持續（xù）不斷的外加循環載荷，氧化（huà）物和基體間的間隙不斷地處於納米尺度的“開”和“閉”狀態，這（zhè）使（shǐ）得間隙兩側發生幾乎是原子數量級的材料轉移，轉移後的材料發生動態再結晶，形成等軸狀鐵素體晶粒，其晶粒可細小到10～30nm，這種組（zǔ）織（zhī）經硝（xiāo）酸酒精腐蝕後成亮白色，即光學顯（xiǎn）微鏡下出（chū）現的白色組織。
　　3　應（yīng）對措施
　　由上述分析可知，導致白色組織剝落很重要的原因是鋼球和溝道（dào）麵之間（jiān）產生了新鮮的、具有高活性的金（jīn）屬麵，因此，所有能夠阻礙新鮮金屬麵產生的措施，都有助於阻止發電機軸承中白色組織剝落現（xiàn）象的發生。據此，提（tí）出如（rú）下對策：
　　（1）軸承滾動麵塗覆耐磨性能（néng）更高的膜層；
　　（2）改變摩擦副的材料，如采用GCr15鋼製（zhì）套圈（quān）和陶瓷球，或使（shǐ）用不（bú）鏽鋼材料的（de）套圈等；
　　（3）采用特殊添加劑的潤滑脂，這（zhè）種添加劑要求能夠有效阻止新鮮金屬麵（miàn）的出現，或者能夠極（jí）其快速地（dì）締合新鮮金屬麵。
　　4　結（jié）束語
　　汽車發電機軸承中（zhōng）出現的白色組織（zhī）剝落現象，是由於在發電機的特定工況條件下產生（shēng）的氫原子侵入到金屬基體表層，形成微小裂紋（wén），逐步產生黑（hēi）色組織和白色帶狀組織的緣故（gù）。這種氫原子主要來自於潤（rùn）滑油脂的分解，而摩擦副間產生的新鮮金屬麵（miàn）非常強烈地加速了整個（gè）過程的發生。據此，對軸承滾動麵塗（tú）覆耐磨（mó）性能更高的膜層、改變零件材料種（zhǒng）類以及采用特（tè）殊添加劑的潤滑（huá）脂，均能夠有效阻止白（bái）色組織剝落的發生。
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