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轴承的表面和表面层质量

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-12-16

滚动轴承的失效模式有表面接触疲劳、磨粒磨损、粘附磨损和腐蚀磨损，它们总是发生在轴承工作表面和表面层，显然工作表面层的质量对轴承的可靠性和使用寿命是至关重要的。 滚动轴承工作表面质量研究包括：表面形貌分析；表面材质和表面变质层分析；表面应力状态分析；表面磨损状态和腐蚀状态分析等等。 由于受到冷、热加工条件和润滑介质等因素的影响，轴承工作表面的微观组织结构、物理、化学、力学性能等往往与其心部有很大的不同。轴承表面的微观结构、物理、化学、力学性能发生了变化的表面层称为表面变质层。若表面变质层是由磨削加工过程引起的就称为磨削表面变质层。滚动轴承工作表面变质层分析是轴承表面质量分析的主要组成部分，当然也是轴承失效分析的重要组成部分之一。 依轴承工作表面磨削变质层的形成机理，影响磨削变质层的主要因素是磨削热和磨削力的作用。 1.磨削热 在磨削加工中，砂轮和工件接触区内，消耗大量的能，产生大量的磨削热，造成磨削区的局部瞬时高温。运用线状运动热源传热理论公式推导、计算或应用红外线法和热电偶法实测实验条件下的瞬时温度，可发现在0.1～0.001ms内磨削区的瞬时温度可高达1000～1500℃。这样的瞬时高温，足以使工作表面一定深度的表面层产生高温氧化，非晶态组织、高温回火、二次淬火，甚至烧伤开裂等多种变化。 （1）表面氧化层 瞬时高温作用下的钢表面与空气中的氧作用，升成极薄（20～30nm）的铁氧化物薄层。值得注意的是氧化层厚度与表面磨削变质层总厚度测试结果是呈对应关系的。这说明其氧化层厚度与磨削工艺直接相关，是磨削质量的重要标志。 （2）非晶态组织层 磨削区的瞬时高温使工件表面达到熔融状态时，熔融的金属分子流又被均匀地涂敷于工作表面，并被基体金属以极快的速度冷却，形成了极薄的一层非晶态组织层。它具有高的硬度和韧性，但它只有10nm左右，很容易在精密磨削加工中被去除。 （3）高温回火层 磨削区的瞬时高温可以使表面一定深度（10～100nm）内被加热到高于工件回火加热的温度。在没有达到奥氏体化温度的情况下，随着被加热温度的提高，其表面逐层将产生与加热温度相对应的再回火或高温回火的组织转变，硬度也随之下降。加热温度愈高，硬度下降也愈厉害。 （4）二层淬火层 当磨削区的瞬时高温将工件表面层加热到奥氏体化温度（Ac1）以上时，则该层奥氏体化的组织在随后的冷却过程中，又被重新淬火成马氏体组织。凡是有二次淬火烧伤的工件，其二次淬火层之下必定是硬度极低的高温回火层。 （5）磨削裂纹 二次淬火烧伤将使工件表面层应力变化。二次淬火区处于受压状态，其下面的高温回火区材料存在着最大的拉应力，这里是最有可能发生裂纹核心的地方。裂纹最容易沿原始的奥氏体晶界传播。严重的烧伤会导致整个磨削表面出现裂纹（多呈龟裂）造成工件报废。 2.磨削力形成的变质层 在磨削过程中，工件表面层将受到砂轮的切削力、压缩力和摩擦力的作用。尤其是后两者的作用，使工件表面层形成方向性很强的塑性变形层和加工硬化层。这些变质层必然影响表面层残余应力的变化。 （1）冷塑性变形层 在磨削过程中，每一刻磨粒就相当于一个切削刃。不过在很多情况下，切削刃的前角为负值，磨粒除切削作用之外，就是使工件表面承受挤压作用（耕犁作用），使工件表面留下明显的塑性变形层。这种变形层的变形程度将随着砂轮磨钝的程度和磨削进给量的增大而增大。 （2）热塑性变形（或高温性变形）层 磨削热在工作表面形成的瞬时温度，使一定深度的工件表面层弹性极限急剧下降，甚至达到弹性消失的程度。此时工作表面层在磨削力，特别是压缩力和摩擦力的作用下，引起的自由伸展，受到基体金属的限制，表面被压缩（更犁），在表面层造成了塑性变形。高温塑性变形在磨削工艺不变的情况下，随工件表面温度的升高而增大。 （3）加工硬化层 有时用显微硬度法和金相法可以发现，由于加工变形引起的表面层硬度升高。 除磨削加工之外，铸造和热处理加热所造成的表面脱碳层，再以后的加工中若没有被完全去处，残留于工件表面也将造成表面软化变质，促成轴承的早期失效。
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