滾動(dòng)軸承是重要的基礎(chǔ)零部件,工業(yè)中應(yīng)用廣泛。滾針軸承是滾動(dòng)軸承的主要類型之一,其特點(diǎn)是截面徑向尺寸小、軸承剛性好、具有較高的徑向負(fù)荷承載能力,因而特別適于在徑向安裝部位空間受到限制以及承載能力大的場(chǎng)合選用,因此,廣泛應(yīng)用于汽車及工程機(jī)械的變速傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等處。然而,滾針軸承若失效,必然會(huì)造成相應(yīng)重要工程設(shè)備的重大損失,甚至造成安全事故,因此有必要對(duì)其進(jìn)行失效分析,掌握其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及常見(jiàn)失效形式和失效機(jī)理,以便更好地采取預(yù)防措施。
滾針軸承失效的影響因素較多,從軸承材料冶金質(zhì)量到軸承制造過(guò)程(冷熱加工、熱處理、磨削)、最后裝配以及后期服役期間任何步驟均會(huì)影響滾針軸承質(zhì)量,進(jìn)而影響其使用壽命。較多文獻(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行失效分析認(rèn)為軸承失效原因有疲勞磨損、材料孔洞缺陷、鍛造缺陷、磨削燒傷、維護(hù)不當(dāng)(環(huán)境腐蝕)以及裝配問(wèn)題。同時(shí)文獻(xiàn)對(duì)航空軸承失效問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)認(rèn)為軸承設(shè)計(jì)、制造(包括原材料質(zhì)量)、裝配、潤(rùn)滑、使用維護(hù)等方面均存在一些問(wèn)題,其中以設(shè)計(jì)、制造方面尤為突出。然而,針對(duì)滾針軸承,文獻(xiàn)認(rèn)為其失效原因主要有三種,如圖1所示。事實(shí)上,滾針軸承失效往往是多種因素耦合引起,因此很難完全對(duì)其失效原因具體歸類。
因此,有必要對(duì)失效滾針軸承進(jìn)行失效分析,尋求導(dǎo)致其失效的最主要因素,才能更好地采取改進(jìn)措施。遺憾的是,針對(duì)滾針軸承失效分析文獻(xiàn)較少,因此本文以4106滾針軸承滾針剝落實(shí)例進(jìn)行失效分析,以期為滾針軸承設(shè)計(jì)及采取預(yù)防措施提供借鑒。
圖1 滾針軸承主要失效形式
1.試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
現(xiàn)有一套型號(hào)為4106滾針軸承(見(jiàn)圖2),材料為GCr15。該軸承額定動(dòng)載荷為5500N,額定靜載荷為5000N,壽命要求為L(zhǎng)10=150h。該軸承的試驗(yàn)載荷2500N,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速3000r/min,采用N32#油潤(rùn)滑。軸承在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)滾針剝落,軸承實(shí)際壽命僅為90h。現(xiàn)對(duì)該滾針軸承的失效原因進(jìn)行分析。
圖2 失效滾針軸承的整體形貌
(1)宏觀形貌分析
對(duì)失效的4106滾針軸承拆套進(jìn)行宏觀形貌觀察。
整體外觀:此滾針軸承外徑面局部有劃痕(見(jiàn)圖2);軸承兩端面密封完好,其中一端表面有劃痕,如圖3所示。
(a) (b)
圖3 4106軸承兩端面整體形貌
外圈形貌:外圈內(nèi)徑面承載區(qū)顏色呈暗灰色,內(nèi)滾道整體磨損嚴(yán)重,局部有大小不一剝落坑,如圖4、圖5所示;內(nèi)徑面非承載區(qū)顏色光亮,沿周向有兩條磨痕,其中一條磨痕較寬,顏色發(fā)黑(見(jiàn)圖4)。
圖4 4106軸承外圈內(nèi)徑面形貌
圖 5 外圈內(nèi)滾道剝落區(qū)放大形貌
保持架形貌:保持架較為完整,側(cè)面與滾針接觸處有磨損痕跡(見(jiàn)圖6);保持架與滾針接觸處的一端磨損嚴(yán)重,凹坑較大,如圖6、圖7所示。
圖6 4106軸承保持架形貌
圖7 4106軸承保持架局部放大形貌
滾針形貌:9粒滾針呈灰色,無(wú)光澤,其中5粒有磨損且3粒磨損嚴(yán)重,磨損面積約為整個(gè)滾針表面的2/3,另外兩粒一端有剝落,如圖8、圖9所示;9粒滾針兩端面無(wú)明顯磨損痕跡(見(jiàn)圖8)。
(a) (b)
圖8 4106軸承滾針整體形貌
(a)
(b)
圖9 4106軸承剝落滾針?lè)糯笮蚊?/strong>
潤(rùn)滑狀態(tài):潤(rùn)滑脂呈灰黑色,表明已氧化,對(duì)滾針軸承及潤(rùn)滑脂進(jìn)行過(guò)濾清洗,未見(jiàn)明顯異物,如圖10所示。
圖10 滾針軸承清洗渣滓
(2)化學(xué)成分檢驗(yàn)
采用SPECTOR M9型直讀光譜儀對(duì)滾針及外圈進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn),結(jié)果如表1所示。由表1中的檢驗(yàn)結(jié)果可知,滾針及外圈的化學(xué)成分均符合標(biāo)GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的相關(guān)規(guī)定,為合格。
表1 滾針及外圈的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))檢驗(yàn)結(jié)果 (%)
(3)硬度檢驗(yàn)
依據(jù)JB/T1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn),對(duì)失效滾針軸承的滾針和外圈進(jìn)行硬度檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2檢驗(yàn)結(jié)果可知,失效滾針軸承的滾針及外圈的硬度均符合JB/T1255—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。
表2 滾針及外圈硬度檢驗(yàn)結(jié)果 (HRC)
名稱 | 測(cè)試點(diǎn)1 | 測(cè)試點(diǎn)2 | 測(cè)試點(diǎn)3 |
滾針 | 62.7 | 62.3 | 62.7 |
外圈 | 60.7 | 60.4 | 60.4 |
標(biāo)準(zhǔn)要求 | 60～63 | ||
(4)金相檢驗(yàn)
依據(jù)GJB18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效滾針軸承的滾針和外圈的材料質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn),依據(jù)JB/T1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滾針和外圈的淬回火組織進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果如表3、表4所示。由檢驗(yàn)結(jié)果可知:滾針及外圈的材料質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求;滾針及外圈的淬回火組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
沿外圈剝落坑處切開(kāi),磨制成金相試樣觀察:剝落坑深度約0.05mm,坑底有裂紋向基體內(nèi)擴(kuò)展,如圖11所示。觀察外圈承載區(qū)內(nèi)徑面金相組織,內(nèi)徑面無(wú)燒傷,如圖12所示。
表3 滾針和外圈的材料質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果
表4滾針和外圈的淬回火組織檢驗(yàn)結(jié)果
名稱 | 馬氏體組織/級(jí) | 網(wǎng)狀碳化物/級(jí) |
滾針 | 3 | 2 |
外圈 | 4 | 2 |
標(biāo)準(zhǔn)要求 | 1~4 | 1~2.5 |
圖11 外圈剝落坑剖面形貌
圖12 外圈內(nèi)徑面金相組織
(5)掃描電鏡分析
為了更詳細(xì)地觀察磨損形貌,采用JSM-6380LV掃描電子顯微鏡對(duì)一個(gè)表面嚴(yán)重磨損的滾針和一個(gè)端部磨損的滾針以及外圈進(jìn)行變倍觀察,如圖13～圖15所示。
通過(guò)觀察外圈滾道面剝落坑發(fā)現(xiàn):外圈內(nèi)徑面剝落坑大小不一,凹坑邊緣有微裂紋及破碎的基體;凹坑內(nèi)有明顯的碾壓痕跡,表明外圈內(nèi)徑因承受較大的力而出現(xiàn)疲勞剝落。
(a)
(b)
圖13 送檢軸承外圈滾道面剝落坑及放大形貌
通過(guò)觀察端部磨損的滾針發(fā)現(xiàn):滾針一端磨損嚴(yán)重,出現(xiàn)剝落,其他表面完好,且剝落坑邊緣有碎屑及微裂紋,剝落坑內(nèi)有明顯的碾壓痕跡。
(a)
(b)
圖14 一端磨損滾針及放大電鏡形貌
通過(guò)觀察嚴(yán)重磨損的滾針發(fā)現(xiàn):滾針兩端均產(chǎn)生剝落坑,一端磨損嚴(yán)重,甚至出現(xiàn)二次剝落;剝落坑邊緣有碎屑及微裂紋,剝落坑內(nèi)有明顯的碾壓痕跡。
(a)
(b)
圖15 嚴(yán)重磨損的滾針及放大電鏡形貌
2.結(jié)果與討論
如前所述,滾針軸承從原材料到制造過(guò)程及裝配和后期維護(hù)服役以及潤(rùn)滑狀態(tài)整個(gè)過(guò)程均會(huì)影響其質(zhì)量,造成滾針軸承的早期失效。滾針軸承特點(diǎn)是滾針軸承裝有細(xì)而長(zhǎng)的滾子且軸承仍具有較高且均勻的徑向承受能力。通過(guò)上述檢驗(yàn)分析可知,該滾針軸承失效模式為表面起源型剝落且滾針軸承的化學(xué)成分、硬度及其均勻性,材料冶金質(zhì)量,淬回火組織均未發(fā)現(xiàn)異常,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,可以排除滾針軸承零件(滾針和外圈)材料質(zhì)量、熱處理質(zhì)量造成其失效的可能性;4106軸承清洗過(guò)濾渣滓未發(fā)現(xiàn)外來(lái)異物,排除異物污染潤(rùn)滑油的影響因素;4106軸承采用油潤(rùn)滑,雖然滾針和外圈內(nèi)徑面非承載區(qū)顏色變?yōu)榛液谏?但金相組織檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)外圈承載區(qū)內(nèi)徑面無(wú)燒傷組織,因此可以排除潤(rùn)滑不足的影響因素。
4106滾針軸承特點(diǎn)是是外圈固定,滾針隨軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)于滾針軸承來(lái)說(shuō),滾針表面應(yīng)承受均勻的徑向載荷。而該失效滾針軸承外圈滾道面上一側(cè)磨損嚴(yán)重,該側(cè)滾針表面出現(xiàn)周向大面積剝落(另一側(cè)無(wú)剝落),該側(cè)保持架也相對(duì)磨損嚴(yán)重,這些形貌特征表明該軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在偏載現(xiàn)象。滾針軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中由于偏載,導(dǎo)致載荷不均勻,改變了潤(rùn)滑油膜狀態(tài),使承受較大載荷側(cè)滾針與內(nèi)徑面溫升,從而改變表層組織性能,隨著軸承繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),表層組織剝落碎裂,導(dǎo)致軸承早期失效。因此斷定,該4106滾針軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的偏載現(xiàn)象是導(dǎo)致其發(fā)生早期失效的主要原因。
3.結(jié)語(yǔ)
4106滾針軸承失效模式為表面起源型剝落,運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的偏載現(xiàn)象是導(dǎo)致其發(fā)生早期失效的主要原因。
作者:郭浩,扈林莊,王姍姍,雷建中
單位:洛陽(yáng)軸承研究所有限公司、河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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