微動磨蝕概論(二)─克魯勃劉立群

2011-10-05

微動磨蝕概論(二)

作者 / 克魯勃 劉立群


(續上期)

微動磨蝕的典型受害者

車、船、航空器上的軸承與電氣接點

相對而言，使用中的汽車很少處於震動的怠速狀態，也不可能以微小幅度往復劇烈運動。然而汽車業可能是最早發現微動磨蝕問題的產業。其原因在於，汽車幾乎都是成車出貨，對個別軸承而言剛性不足，汽車的載具(火車、卡車、船)又都是長時間持續震動的平台，而運送時間少則數日、多則數月， 再加上汽車上軸承數量眾多的特性，使得汽車業很容易受害於微動磨蝕，也很容易發現這個問題的嚴重性。

馬達、發電機、泵軸承


馬達、發電機與液、氣泵浦，即使是出貨後經長途運輸，但因相對而言剛性較高， 容易固定，因此較不受False Brinelling問題困擾。然而在安裝上機械設備、開始運轉後， 由於馬達/發電機本身的迴轉與脹縮，以及被驅動設備(如減速機)的震動等因素，導致軸承外環與軸承座之間、軸承內環與軸心之間易發生Fretting Corrosion。

更常見的， 則是安裝作為備援機的馬達、發電機與泵。因為主軸的固定裝置已移除，備援機的軸承將因整個設施無處不在的震動源而微幅震動，導致False Brinelling。案例顯示，在一個大型化工廠中，隨機選擇10

台備用泵與馬達起動，其中7台在一日之內軸承咬死，2部在一週內咬死，最後一部也僅能使用3週，全部10台馬達、泵的軸承經拆解檢查，均有嚴重False Brinelling症狀。

齒輪箱


案例顯示，成組的齒輪若未經妥善的防微動磨蝕處理即進行長途運輸，其表面亦會發生明顯的微動磨蝕。這說明了齒輪若出貨時未浸於齒輪油中，就應該塗抹含反應性固體潤滑劑的潤滑脂以防磨蝕。

螺栓


案例顯示， 機器設備上的螺栓頭底部在長期震動影響下， 也會發展出Fretting

Corrosion，導至螺絲卡死(Seizer)，例如扇葉、渦輪葉片的固定栓與鳩尾榫(Dovetail)。

抗微動磨蝕的潤滑效能測試


出於顯而易見的原因，對False Brinelling 的研究與重視較Fretting Corrosion為多，針對False Brinelling現象的測試標準很多，而完全可以理解的是，這些標準的制定都是由滾動軸承廠商所主導的。

除了HRE-IME-Riffletest之外，另兩種微動磨蝕測試都是以小角度擺動軸承來模擬軸承的微動，而HRE-IME-Riffletest則是以往復施壓以及鹽水流注來模擬滾珠對軌道的週期性衝擊，主要適合於模擬迴轉盤的工作條件。

SNR-FEB 2


SNR-FEB 2標準即法國SNR公司(註2)用來評測潤滑脂的抗微動磨蝕效能之用。根據SNR-FEB 2的測試方法與學理，德國克魯勃潤滑劑公司設定測試方式如下：

1. 軸 承 型 式 ： D = 5 2 ~ 5 5 . 5 m m 、

d=30~35.2mm、H=16的滾珠或滾柱止推軸承，如51206或81206

2. 軸向力：8000N，換算壓力2100N/mm2

  1. 測試時間：5或50小時

  2. 擺動頻率：24Hz

  3. 擺動角度： 3°


3. 環境溫度：-20或25℃ 測試結果：

  1. 軸承磨耗質量, mg

  2. 壓痕深度, µm (罕用)



ASTM D 4170


這個標準又稱為Fafnir測試，因為這個測試標準採用的就是美國Fafnir公司(註3)發明的Friction Oxidation Tester測試設備，又名Falex Fretting Wear Tester。

測試方式：

1. 軸 承 形 式 ： 兩 個 滾 珠 止 推 軸 承 ，D=35.69mm、d=16mm、H=15.75mm， 軸承內有9顆D=7.142mm的滾珠，滾珠與軌道必須研磨，使用鋼質保持器

2. 軸向力：2450N

  1. 測試時間：22小時

  2. 擺動頻率：30Hz

  3. 擺動角度： 12°

  4. 環境溫度：室溫測試結果：

  5. 軌道磨耗質量, mg


HRE-IME-Riffeltest (註4)


迴轉盤軸承(Slewing Bearing)的世界領導廠， 德國的Rothe Erde以此標準驗證潤滑脂的抗微動磨蝕效能，大型風力發電機上的扇葉軸承(pitch)與方位軸承(yaw, azimuth)必須採用通過下述測試的潤滑脂。

測試方式：

  1. 軸承型式：QJ212.TVP

  2. 軸向力：10Hz正弦波，波峰 70kN，換算最大壓力~3000N/mm2

  3. 測試時間：100萬個軸向力週期

  4. 環境介質：測試時以5.7~6 ml/min的流量流注1%鹽水


通過條件：

  1. 最大波紋(即False Brinelling痕跡)深度<10µm



  1. 平均波紋深度<3µm

  2. 鏽蝕度 2 (無鏽跡=1；有變色=1.5；波紋處有些微鏽跡=2；波紋內與其周圍有鏽蝕=3；波紋內與其周圍有嚴重鏽蝕=4；出現大面積鏽蝕=5)


微動磨蝕的潤滑解決方法


在潤滑劑行業中，對於抗微動磨蝕的添加劑並沒有明確、約定俗成的名稱定義，有些專家與廠商將其成果稱之為anti-fretting添加劑，然而不論叫什麼名字，使用者仍應謹慎與潤滑劑供應商確定該產品是否適用於滾動軸承內。

儘管一般認為Fretting Corrosion與FalseBrinellin是一樣的成因與解決方法，但實際上仍有明顯的不同。主要的差異在於，Fretting 一般發生於「理想狀況下完全剛性、無磨擦的機構件接合面」，而False Brinelling則發生於滾動軸承類機械元件。這就注定了兩者的解決方式完全不同。

Fretting Corrosion大多發生於非動作機構，其摩擦成因是剛性不足。例如軸承外環與軸承座之間原本在安裝後，在完美世界裡不會有相互摩擦， 但在真實機械系統之中，微動摩擦卻很難避免。因此最好在安裝軸承時，於內外環上都塗抹一點抗微動專用潤滑膏，僅可以幫助軸承安裝得更順暢、精確，也可以預防Fretting Corrosion。Fretting

Corrosion也可能發生於低速機件，如前述大型風力發電機的扇葉角度調整齒條、花鍵， 或齒式連軸器內。這些機件使用的潤滑脂也應該採用含抗微動專用的固體潤滑劑。

無論是非動作機構或低速機件，在潤滑油脂中添加固體潤滑劑不失為一種簡單有效的解決辦法，一般在需要抗Fretting Corosion 的場合使用傳統型固體潤滑劑如M o S 2 、石墨效果不佳， 而需採用反應性固體潤滑劑( 註5 )， 例如德國克魯勃潤滑劑公司稱為ALTEMP、以磷酸鋅衍生物為主的特殊固體潤滑劑，即針對微動機件而開發。



而對於需要持續、甚至於高速運轉的軸承而言，不可能採用anti-fretting的固體潤滑劑，必須以化學反應性添加劑來克服怠速時微震動導致的False Brinelling問題。德國克魯勃潤滑劑公司的MICROLUBE，即為Anti-Brinelling專用的添加劑配方組合。

抗False Brinelling的化學添加劑，其基本原理與傳統抗磨防蝕添加劑一樣，均是與金屬表面化合形成一個抗磨耗的保護膜，但各研發團隊的側重點不盡相同，因此抗FalseBrinelling的添加劑種類，以及其作用機制較為多樣化。甚至於在不是非常嚴苛的情況下，良好配方的anti-wear添加劑也能發揮anti-fretting/anti-brinelling的效果。

此外，以潤滑脂潤滑的機件內，潤滑脂也應具備較高的釋油率與較低的動態黏度， 以便對微動摩擦點提供較及時的油脂補充。

小角度擺動軸承


採用滑動軸承( 平軸承) 技術的小角度擺動軸承(Swivel Bearing)與樞軸承(Pivot Bearing)，一般來講其摩擦行程大於Fretting Corrosion的形成條件，但又不易達到液態摩擦域(Fluid Friction Regime)，因此也會發生近似Fretting的問題。近年來業界逐漸流行採用Ca(OH)2與其它成份搭配，製成特殊的反應性固體潤滑劑(註5)，專供此類近似微動摩擦的小角度往復擺動機件。

一般「白色固體潤滑劑」通常指氫氧化鈣，它對鋼鐵有催化作用，可促使鋼鐵表面形成磁鐵，以避免其形成赤鐵。

(全文完)


註2：SNR於1880年創設於瑞士(當時公司名稱是SRO)，1946年SRO被雷諾汽車併購後改名SNR，該公司一向專注於開發汽車、火車以及航空用軸承，可以想見SNR對微動磨蝕會有較先進的研究。

SNR現為日本NTN旗下成員。

註3：Fafnir Bearing Company於1911年設立於美國康乃迪克州，1985年被緬因州Torrington

Company(隸屬於美國Ingersoll-Rand集團)所併購，2003年又被美國Timken Company所併購。至今Timken產品線中仍有以Fafnir為名的軸承系列。

註4：HRE = Hoesch Rothe Erde，德國迴轉盤軸承專業製造廠IME = Institut für Machinenelemente und gestalt der RWTH Aachen，德國亞琛工業大學機械元件與設計學院

Riffletest = Ripple Test =波紋測試

註 5 ： 傳統固體潤滑劑 ― 石墨、 二硫化鉬、 氮化硼、 鐵氟龍等。 前三者是以低阻力的晶格位移降低摩擦力， 並以本身的厚度與抗壓性阻止兩金屬面的黏著( a d h e s i v e ) 性損傷； 鐵氟龍無晶格位移特性， 是以其體積與彈性達到抗摩、 抗熔執黏著的目的。反應性固體潤滑劑 ― 氫氧化鈣、 磷化鋅、 M o D T C ( 二硫基二硫代甲酸鉬， 俗稱有機鉬) 與硫化鐵等， 其作用是與金屬表面產生物理或化學作用， 改變其性質。反 應 性 固 體 潤 滑 劑 與 a n t i - w e a r 添 加 劑 有 時 十 分 難 以 區 分 ， 很 多 文 獻 與 廠 商 也直接把反應性固體潤滑劑稱為a n t i - w e a r 添加劑或減摩劑( F r i c t i o n M o d i f i e r ) 。事實上有兩種潤滑添加劑常被歸類為減摩劑：輕摩擦時有效的油性添加劑(Oiliness Additive)，以及重負荷往復摩擦時有效的反應性固體潤滑劑。

原文發表於機械月刊，經同意轉載如有任何指教 歡迎聯絡 作者：克魯勃 劉立群 randy.liu@tw.kluber.com

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