某燃气轮机轴承钢球缺陷分析

常智勇， 陈朝刚，杨 易

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，辽宁 沈阳110043； 2.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

某燃气轮机轴承钢球缺陷分析

常智勇1， 陈朝刚2，杨 易2

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，辽宁 沈阳110043； 2.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

某燃气轮机工作25 000h后，在首翻期修理时，发现主齿轮箱内一球轴承钢球表面存在缺陷，但并未影响系统正常工作。通过能谱分析，结合国内外常见球轴承钢球加工过程分析，找到了故障钢球缺陷产生的原因。

燃气轮机；齿轮箱；轴承钢球；缺陷分析；理化分析

1　前言

某燃气轮机在首翻期修理时，发现主齿轮箱主传动轴球轴承内1粒钢球表面出现一处凹坑。该轴承已随主齿轮箱工作超过25 000 h，在实际工作中并未出现异常声响和振动等问题。

2　问题钢球形貌

故障轴承除一粒钢球表面出现凹坑外，其它零件表面均存在轻微划痕，无明显深度，其他未见异常。

出现凹坑的钢球放大形貌见图1，凹坑边缘规整，无划痕或刮蹭痕迹，凹坑长约1.031mm，宽约0.839mm，深约0.2mm，底部平整，呈黑色。

对掉块部位进行了微观形貌观察，如图2、图3，发现掉块凹坑大部分区域表面有结晶状颗粒物。

图1　掉块凹坑放大图

对凹坑的不同部位进行能谱分析，发现除基体成份外还存在O、Ca、Mg、Na、Ba、Si、S等元素，其中O元素在30%左右，见图4、图5。

3　钢球检验分析

依据故障件外观形貌，结合国际上比较常见的钢球生产加工过程，进行了故障原因分析［1-3］。

3.1钢球材料分析

经理化分析，该钢球加工用的原材料为某轴承钢，标准规定原材料的硬度值应为61～65HRC，压碎负荷要求≥326kN，显微组织等要求见表1。

图2　掉块凹坑放大形貌

图3　结晶物放大图片

图4　位置1能谱分析图

图5　位置2能谱分析图

将故障钢球切开后进行了显微组织分析，符合表1中的规定。

表1　显微组织、非金属夹杂、晶粒度验收标准

3.2钢球理化检验分析

对故障钢球进行硬度测量，实测值为61HRC，符合标准要求。

随机抽取了其它3粒未掉块的钢球进行了压碎负荷试验，实测值为332kN、333kN和339kN，符合标准要求。

4　钢球加工过程分析

国际上加工该种钢球一般采用热压毛坯成型工艺，首先将棒料车制成料段，加热后采用机械手或人工放入两半球型胎具，压制成毛坯球，带有环带和两极［4-5］。热冲压成型过程示意图见图6。

图6　钢球热冲压成型过程示意图

5　缺陷成因分析

该故障钢球凹坑底部能够看见较多松散分布的颗粒状和局部团簇状物质堆积形貌，能谱结果可见除基体元素外，具有较多的C、O（含量可达30%）等元素，凹坑底部异常物质主要为基体的氧化物；凹坑未见断裂特征，为原始表面形貌。由此分析可知，凹坑底部异常物质为表层缺陷［6］。

因掉块深度检测约为0.2mm，从压球到成品球的一般单边余量为0.5～0.8mm，从压型表面到缺陷部位的深度估计应不小于1mm，因此判断折叠的深度大约在0.9～1mm左右。钢球压制后在冷却介质中冷却时，冷却介质进入折叠部位，在后续加工过程中折叠缺陷形成封闭。

6　结论

综合以上分析，结论如下：

（1）故障钢球凹坑底部呈现高温氧化形貌，无断裂特征，凹坑底部异常物质为表层缺陷，因该部位强度较低，在工作载荷作用下，缺陷表层在短期内产生脱落露出凹坑。

（2）该缺陷可能是在热冲压过程中产生的。

［1］徐健.圆柱滚子轴承滚动体表面裂纹性质对比分析［J］.机械传动，2015（09）：155-157.

［2］董汉杰，陈翠丽，李国栋，李昭昆，焦阳，张彦合. 轴承零件的常见磁粉探伤缺陷［J］. 无损检测，2015（03）：56-58.

［3］郭浩，梁华，王正德，李少亮，王浩. 轴承套圈端面缺陷分析方法探讨［J］. 轴承，2015（05）：32-34.

［4］班君，刘秀莲，罗燕. 轴承滚子磁痕探伤分析［J］. 哈尔滨轴承，2015（01）：41-43.

［5］黄进城. 模锻件锻造折叠研究［J］. 中国高新技术企业，2014（18）：15-16.

［6］曹景炜，李涛，马永强，王哲，穆立峰. GCr15SiMn钢轴承套圈缺陷成因分析［J］. 理化检验（物理分册），2015（12）：905-907.

（编辑：王立新）

Defect analysis of steel ball of a gas turbine bearing

Chang Zhiyong1，Chen Chaogang2，Yang Yi2

（1.Navy Station in Shenyang Military Representative Offce on Engine，Shenyang 110043，China；2. Shenyang Daybreak Aircraft Engine （Group）Co.，Ltd.， Shenyang 110043，China）

After a gas turbine had worked for 25 000h， in the frst turn of the repair， we found that a ball surface of the ball bearing had the defects in the main gear box， but it did not affect the system work. By spectrum analysis， combining with domestic and foreign common ball bearing steel ball machining process analysis， the cause of the ball defect was found.

gas turbine； gear box； bearings steel ball； defects analysis； physical and chemical analysis

TH133.33+1， TG115.21

B

1672-4852（2016）01-0011-03

2016-02-19.

常智勇（1978-），男，工程师.