滾動軸承是重要的基礎(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合選用,因此,廣泛應(yīng)用于汽車及工程機(jī)械的變速傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、摩托車發(fā)動機(jī)連桿等處。然而,滾針軸承若失效,必然會造成相應(yīng)重要工程設(shè)備的重大損失,甚至造成安全事故,因此有必要對其進(jìn)行失效分析,掌握其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及常見失效形式和失效機(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)對滾動軸承進(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)以及裝配問題。同時(shí)文獻(xiàn)對航空軸承失效問題進(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、潤滑、使用維護(hù)等方面均存在一些問題,其中以設(shè)計(jì)、制造方面尤為突出。然而,針對滾針軸承,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,因此很難完全對其失效原因具體歸類。
因此,有必要對失效滾針軸承進(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)過程及結(jié)果
現(xiàn)有一套型號為4106滾針軸承(見圖2),材料為GCr15。該軸承額定動載荷為5500N,額定靜載荷為5000N,壽命要求為L10=150h。該軸承的試驗(yàn)載荷2500N,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速3000r/min,采用N32#油潤滑。軸承在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)滾針剝落,軸承實(shí)際壽命僅為90h?，F(xiàn)對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粒滾針兩端面無明顯磨損痕跡(見圖8)。
(a) (b)
圖8 4106軸承滾針整體形貌
(a)
(b)
圖9 4106軸承剝落滾針放大形貌
潤滑狀態(tài):潤滑脂呈灰黑色,表明已氧化,對滾針軸承及潤滑脂進(jìn)行過濾清洗,未見明顯異物,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《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn),對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 | 測試點(diǎn)1 | 測試點(diǎn)2 | 測試點(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《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)對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,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 | 網(wǎng)狀碳化物/級 |
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程及裝配和后期維護(hù)服役以及潤滑狀態(tài)整個(gè)過程均會影響其質(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)而長的滾子且軸承仍具有較高且均勻的徑向承受能力。通過上述檢驗(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軸承清洗過濾渣滓未發(fā)現(xiàn)外來異物,排除異物污染潤滑油的影響因素;4106軸承采用油潤滑,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)徑面無燒傷組織,因此可以排除潤滑不足的影響因素。
4106滾針軸承特點(diǎn)是是外圈固定,滾針隨軸旋轉(zhuǎn)。對于滾針軸承來說,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)無剝落),該側(cè)保持架也相對磨損嚴(yán)重,這些形貌特征表明該軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在偏載現(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
4106滾針軸承失效模式為表面起源型剝落,運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在的偏載現(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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