M50NiL与M50制轴承套圈引导面耐磨损性能对比分析

闫国斌，孙东，刘森，丛兵兵

(中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150025)

M50NiL和M50钢是优良的航空轴承材料，广泛应用于第3代航空发动机主轴轴承，大量文献对其性能进行了对比研究，尤其是在抗疲劳特性方面，然而有关其耐磨性鲜有论述。根据某型延寿轴承在试验考核过程中出现的引导面严重磨损故障，对比研究了2种材料的耐磨性。

1 故障描述

对某型发动机延寿轴承进行试验考核。当试验进行至98 h时，金属屑信号器报警，润滑油中金属元素大幅升高且超出告警值。经对轴承进行分解检查，发现轴承引导面严重磨损。

故障轴承为双半内圈角接触球轴承，型号为C276927S3W1，套圈材料为M50NiL，经渗碳热处理；保持架材料为40CrNiMoA钢，表面镀银处理。该轴承安装在高压压气机前，采用外引导方式，工作转速超过15 000 r/min，属于高速工况。

1.1 宏观形貌

观察轴承磨损后的宏观形貌，发现外圈端面出现整周的高温变色带，变色区呈现为彩虹色，引导面磨损严重，并出现了明显的材料转移情况，形貌如图1所示。由图可以看出，表面极为粗糙，有较深的周向犁沟痕迹且存在大量凹坑，用φ3 mm的球头测试笔沿轴向滑动，测试笔有明显的阻滞现象，“振感”明显。保持架表面的银大量粘附于套圈上，几乎覆盖全部引导面，使引导面具有肉眼明显可见的银色金属光泽。

图1 外圈引导面磨损形貌Fig.1 Wear track of cage-land shoulder of outer ring

1.2 油滤检查

对总回油滤进行检查，发现存在金属颗粒，对其进行能谱分析，结果见表1。经与发动机各零部件材料对比，确定金属颗粒与发动机主轴承材料(M50NiL)基本一致，由此可见，M50NiL除发生磨粒磨损外，还存在基体材料脱落的情况。

表1 金属屑能谱分析结果Tab.1 Energy spectrum analysis of metal filing wt，%

从本次故障来看，M50NiL钢故障轴承引导面磨损主要以磨粒磨损为主，磨损表面具有典型的犁沟形貌，此外，从金属屑能谱分析结果看，M50NiL钢在磨损过程中还有一定基体材料脱落的风险。

相较于M50NiL钢，M50钢更早应用于航空发动机主轴轴承的制造，该钢种作为轴承套圈材料使用的数量明显多于M50NiL钢，具有较为成熟的使用经验。根据以往近千套到寿轴承的外观检查结果，以M50钢作为套圈材料的轴承使用后引导面虽有磨损痕迹，但没有出现类似于M50NiL钢轴承引导面的严重磨损，其磨损程度应属于使用后的正常情况。据此推断，与M50钢相比，M50NiL钢作为轴承套圈材料存在耐磨性较差的可能性。

2 试验验证

2.1 试验方法

为验证上述推断，拟通过试验机模拟航空发动机当量工况，对轴承进行性能试验考核。

试验在航空轴承对称试验机上进行，以确保与故障轴承具有相同的工况参数，其原理如图2所示。2套试验轴承面对面安装，1#陪试轴承为E217QT,2#陪试轴承为E32118QT,试验转速15 000 r/min,轴向载荷25 000 N，试验时间4 h,润滑油牌号4010。

图2 试验原理示意图Fig.2 Fundamental diagram of tester

2套试验轴承的保持架为40CrNiMoA,钢球为M50，套圈分别使用M50NiL和M50钢。2种材料成分见表2。

表2 材料成分对比Tab. 2 Comparison table of materials wt,%

2.2 试验结果

试验前分别对M50NiL和M50制套圈的同批成品零件剖面进行组织和引导面的表面硬度和表面粗糙度Ra检测。

M50NiL材料引导面的表面硬度为62 HRC，Ra为0.25 μm，套圈渗碳层组织符合HB/Z 159—2001《航空用钢制件真空渗碳、碳氮共渗工艺》要求，其组织形貌如图3所示。由图可以看出，渗层中可见细小的碳化物颗粒，碳化物分布均匀，不存在大颗粒碳化物和网状碳化物。

图3 M50NiL渗层组织形貌Fig.3 Metallographic structure of carburized layer of M50NiL

M50材料硬度为61.5 HRC，Ra为0.25 μm，其组织形貌如图4所示。由图可以看出，相比于M50NiL材料，M50材料中的碳化物颗粒尺寸要明显粗大，形状没有规律，分布也具有随机性。完成4 h性能试验后，对轴承进行分解检查，观察外圈的引导面形貌，分别如图5、图6所示。

图4 M50组织形貌Fig.4 Metallographic structure of M50

图5 试验后M50NiL材料引导面形貌(照片)Fig.5 Wear track of M50NiL after test

图6 试验后M50材料引导面形貌(照片)Fig.6 Wear track of M50 after test

从宏观形貌来看，2种材料外圈的引导面磨损程度迥然不同，M50NiL材料的引导面出现多条明显的磨损带，各磨损带沿引导面周向分布，且粗细不均，并伴有大量的亮条痕迹，用φ3 mm球头测试笔进行检测，有顿感，但无明显的卡滞，对其进行表面粗糙度Ra检测，实测值已达0.48 μm，超出设计标准(不大于0.32 μm)的要求，较试验前约增加了0.2 μm；M50材料引导面无目视可见的磨损痕迹，具有明亮的金属光泽，其宏观形貌与上机试验前没有明显差异，对其进行表面粗糙度Ra检测，实测值为0.28 μm，与试验前无明显异常。

借助光学显微镜对磨损表面形貌进行观察，发现M50NiL材料引导面呈现为清晰的犁沟状磨损形貌，痕迹连续贯穿，分布均匀，该形貌与故障件形貌相当，因试验时间仅为4 h，较故障轴承的(98 h)短，犁沟深度相对较浅(图7)；M50材料引导面却无明显的犁沟磨损痕迹，并可见磨加工的加工纹理，其上零星分布有非贯穿性磨损痕迹(图8)。

图7 试验后M50NiL材料引导面放大形貌(×50)Fig.7 Enlarged view of the wear track of M50NiL

3 故障机理

在过去的30年里，M50一直作为航空发动机轴承的优选材料，但其存在断裂韧性偏低的问题；而M50NiL钢较M50钢含C量有所降低，同时提高了Ni的含量，使其断裂韧性较M50提高了2倍，同时借助于渗碳工艺，可使其表面硬度与M50钢相当，并保持心部韧性[3]，从而提高轴承的抗疲劳性能和可靠性。

在高速(dm·n>2.0×106mm·r/min)应用场合，M50NiL钢作为套圈材料使用时，引导面存在异常磨损的故障。通过试验验证可知，结构相同的2套轴承，M50钢轴承没有发生磨损，由此可以确定，该故障与轴承结构没有关系。相关试验也得到了相同的结果，即M50NiL钢的磨损程度大大高于M50钢[4-5]。

试验后的表面形貌显示，M50材料磨损形貌是断续的，而M50NiL材料显示为较明显的、连续的犁沟形貌，推测出现该结果与材料的碳化物颗粒尺寸有关,碳化物颗粒硬度高，耐磨性能强，M50材料的碳化物颗粒尺寸可达到M50NiL材料的10倍，甚至更多，M50材料中的大而坚硬的碳化物颗粒阻止了剧烈磨损的发生[5]，使磨损速率降低，M50NiL材料细小碳化物颗粒抗磨损性差，不能减小犁沟形成过程中磨粒的切削作用[5]。

另外，当M50NiL钢磨损细屑随润滑油系统被带入轴承引导面时，细屑就会作为磨料介质与M50NiL钢基体、保持架共同作用形成三体磨粒磨损，再加之此前磨损过程形成的凹坑而导致的表面粗糙，使摩擦环境更为苛刻，在双重作用下，使磨损加剧，导致轴承引导面发生严重磨损的故障。

4 结束语

与M50材料相比，M50NiL材料作为高速轴承套圈使用时，引导面耐磨性较差。为此，在轴承材料选用时应加以注意，以避免出现该类故障。

为解决M50NiL材料引导面的磨损问题，可对套圈的引导面进行表面改性，提高其耐磨性，例如使用TiN涂层技术，涂层具有高硬度和相对较低的摩擦因数，能够有效改善轴承引导面的摩擦学性能，但还需要相关试验来验证其可行性。