轴承用陶瓷球荧光渗透检测

陈翠丽

（洛阳LYC轴承有限公司，洛阳 471003）

传统的钢制轴承，依靠结构和润滑条件的改进，已经难以满足高速、高温环境下的使用要求。钢制内外圈和陶瓷球组成的混合陶瓷球轴承（以下简称“陶瓷球轴承”），已成为已经发动机转子支承的最好选择［1］，其外观如图1所示。

图1 陶瓷球轴承

轴承用陶瓷球具有的耐高温、耐磨、耐腐蚀、电磁绝缘、无油自润滑等特点，是金属钢球无法比拟的。陶瓷材料不仅具有轴承材料的全部重要特性，而且，还可以承受金属材料和高分子材料所不能承受的恶劣的工作环境。

陶瓷球轴承已广泛应用于航空航天发动机及高精度高转速机床、石油化工机械、冶金机械等领域，对陶瓷球质量的控制就显得尤为重要。笔者对陶瓷球荧光检测的渗透剂进行灵敏度试验，优化了荧光渗透检测工艺，取得了较好的试验效果。

1 陶瓷材料的特性及陶瓷球轴承的应用特点

（1）高速 陶瓷材料的重量仅为钢材重量的40%，可实现轴承的轻量化和高速化。航空航天发动机陶瓷球轴承高速旋转时，能够降低因离心力作用引起的滚动体载荷。陶瓷球轴承的转速可达钢制轴承的1.3～1.5倍。

（2）高刚性 陶瓷的弹性模量为金属的1.5倍，受力后弹性变形小，刚度可提高15%～20%，从而减轻机床振动，在高精密系统中具有良好的应用价值。

（3）长寿命 陶瓷的硬度较金属的硬度高1倍多，能够减少磨损，具有较好的耐磨性。陶瓷的抗拉强度和抗弯强度与金属相当；抗压强度极高，约为金属材料的5～7倍；尤其是在高温条件下，仍能保持高的强度和硬度。耐压性能好的陶瓷球轴承的寿命，通常较钢制轴承提高3～5倍。

（4）低发热 陶瓷材料的摩擦系数较小，仅为标准轴承钢的30%左右；与金属材料相比，陶瓷的导热性能较差；因此，陶瓷球轴承工作时产生的热量较小，可延长润滑脂的寿命。

（5）低热膨胀 陶瓷的热膨胀系数约是钢的20%，故陶瓷球轴承尺寸受温度的影响小，且产生的热预载较低，从而避免了热量聚集造成的疲劳剥落。

（6）耐蚀性 陶瓷性材料不活泼的化学特性，使陶瓷球轴承具有一定的耐腐蚀性能，可用于化学特性复杂的场合。

（7）无磁性 强磁环境中使用钢制轴承时，从轴承本身磨损下来的微粉被吸附在滚动体和滚道面之间，成为轴承提前剥落损坏、噪声增大的主要原因。由于陶瓷球轴承完全非磁性，且具有正常的承载能力，所以可用于需要完全非磁性的场合。

（8）绝缘性 陶瓷材料的电阻率较高，可作为较好的绝缘材料，使轴承免遭电弧损伤。

2 陶瓷球质量检验方法

从断裂力学的角度出发，产品零件的表面缺陷比内部缺陷更具危害性，所以主要分析陶瓷球表面缺陷及其检验方法。

2.1 陶瓷球常见表面缺陷

陶瓷球常见的表面缺陷有：裂纹、凹坑、雪花、划伤、擦伤等。

产生表面缺陷的原因主要有：球胚球度差研磨盘在陶瓷球表面产生的裂纹；异常磨粒在加工中产生的凹坑；精研过程中不正确的加工压力和没有破碎的硬磨粒产生的擦伤和划伤等。

2.2 陶瓷球检验方法

陶瓷球的质量，除了控制制造工艺以外，无损检测是确保其质量的主要方法之一。

陶瓷球表面黑而光亮，针对陶瓷球表面缺陷检查的手段主要有：在强光下进行目视检查；采用着色渗透检测方法；采用荧光渗透检测方法；借助10倍以下放大镜目视检查；通过扫描电镜进行检测。各检验方法下的陶瓷球表面形貌示例如图2所示。

图2 各种检验方法下的陶瓷球表面形貌示例

通过图2可看出，要想可靠地检测出表面细微裂纹，选择合适的检验方法很重要。

3 陶瓷球的渗透检测

对于表面缺陷的检测，常规无损检测方法主要有磁粉检测、渗透检测和涡流检测。针对陶瓷球的电绝缘和不导磁的特点，选择渗透检测方法对陶瓷球表面缺陷进行检测比较合适。

3.1 渗透检测原理［2］

当被检工件表面涂覆了带有着色染料或荧光染料物质，且具有高渗透能力的渗透剂时，由于毛细管作用和湿润作用，渗透剂渗透入工件表面开口缺陷中；然后，将工件表面多余的渗透剂清洗去除干净，但保留住缺陷中的渗透剂；再在被检工件表面喷涂显像剂，缺陷中的渗透剂在毛细作用下重新被吸附到工件表面，形成缺陷痕迹；在白光灯（着色染料）或紫外线灯（荧光染料）照射下，即可观察到缺陷的着色图像痕迹（白光灯下）或荧光图像痕迹（紫外线灯下），并对缺陷性质进行评定。

3.2 荧光渗透检测灵敏度试验

为了验证所采用的荧光渗透剂的系统灵敏度，采用TP系列灵敏度试块进行灵敏度试验。

灵敏度试验的试块上人工缺陷深度分别为10，20，30μm；各试块标为TP－20，TP－20，TP－30。试验结果如图3所示。

图3 不同缺陷深度的试块迹痕显示

从高灵敏度试块的试验结果可以看出，各试块均能显示清晰的迹痕，说明所采用的渗透剂系统符合要求。

根据工艺要求，最后选定TP－20（人工缺陷深度为20μm）试块，作为陶瓷球试验的参考试块。

3.3 荧光渗透检测工艺优化

陶瓷球表面裂纹比较微小，航空航天发动机陶瓷球轴承应用荧光渗透法进行检测。为了提高陶瓷球荧光渗透检测的可靠性，确保产品质量，对陶瓷球荧光渗透检测工艺进行了优化，优化后的工艺流程如下：

（1）预处理：使用无尘布擦拭，去除陶瓷球表面的外来污物杂质。

（2）渗透：高灵敏度水洗型荧光渗透剂，浸涂法；渗透温度：15～40℃；渗透时间：不少于10min分钟。

（3）去除：水洗在紫外线灯照射下进行；在保证得到合格背景的前提下，水洗时间应越短越好；水压不得超过0.3MPa，水温控制在30～40℃。

（4）干燥：采用干净的无尘布将陶瓷球表面吸干。

（5）显像：采用自显像法，观察应在吸干后立即进行，一般7 min，如显示迹痕的大小不过分扩大，则观察可超过上述时间。

（6）检验：在紫外线灯下观察，紫外线灯在检测前至少预热5 min，被检表面的紫外辐照度不小于1 500w／cm2，环境的白光强度不得大于20lx。

经过大量的检测试验证明，采用优化后的荧光渗透检测工艺，可以检出陶瓷球表面的细微裂纹缺陷。

4 结语

采用TP系列试块对陶瓷球荧光检测的渗透剂进行灵敏度试验，优化了荧光渗透工艺，检测结果表明，应用优化后的荧光渗透检测工艺能有效地检出航空航天发动机陶瓷球表面微细裂纹。

［1］陈巍，李云清，杜发荣.混合陶瓷球轴承在微型涡喷发动机中的应用［J］.轴承，2009（6）：32－35.

［2］胡学知.渗透检查［M］.北京：中国劳动出版社，2007.