滾動軸承是重要的基礎零部件,工業中應用廣泛。滾針軸承是滾動軸承的主要類型之一,其特點是截面徑向尺寸小、軸承剛性好、具有較高的徑向負荷承載能力,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,廣泛應用于汽車及工程機械的變速傳動系統、轉向系統、摩托車發動機連桿等處。然而,滾針軸承若失效,必然會造成相應重要工程設備的重大損失,甚至造成安全事故,因此有必要對其進行失效分析,掌握其運轉狀態及常見失效形式和失效機理,以便更好地采取預防措施。
滾針軸承失效的影響因素較多,從軸承材料冶金質量到軸承制造過程(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量,進而影響其使用壽命。較多文獻對滾動軸承進行失效分析認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、維護不當(環境腐蝕)以及裝配問題。同時文獻對航空軸承失效問題進行總結認為軸承設計、制造(包括原材料質量)、裝配、潤滑、使用維護等方面均存在一些問題,其中以設計、制造方面尤為突出。然而,針對滾針軸承,文獻認為其失效原因主要有三種,如圖1所示。事實上,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行失效分析,尋求導致其失效的最主要因素,才能更好地采取改進措施。遺憾的是,針對滾針軸承失效分析文獻較少,因此本文以4106滾針軸承滾針剝落實例進行失效分析,以期為滾針軸承設計及采取預防措施提供借鑒。
圖1 滾針軸承主要失效形式
1.試驗過程及結果
現有一套型號為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。該軸承的試驗載荷2500N,試驗轉速3000r/min,采用N32#油潤滑。軸承在試驗過程中出現滾針剝落,軸承實際壽命僅為90h。現對該滾針軸承的失效原因進行分析。
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:外圈內徑面承載區顏色呈暗灰色,內滾道整體磨損嚴重,局部有大小不一剝落坑,如圖4、圖5所示;內徑面非承載區顏色光亮,沿周向有兩條磨痕,其中一條磨痕較寬,顏色發黑(見圖4)。
圖4 4106軸承外圈內徑面形貌
圖 5 外圈內滾道剝落區放大形貌
保持架形貌:保持架較為完整,側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粒磨損嚴重,磨損面積約為整個滾針表面的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:潤滑脂呈灰黑色,表明已氧化,對滾針軸承及潤滑脂進行過濾清洗,未見明顯異物,如圖10所示。
圖10 滾針軸承清洗渣滓
(2)化學成分檢驗
采用SPECTOR M9型直讀光譜儀對滾針及外圈進行化學成分檢驗,結果如表1所示。由表1中的檢驗結果可知,滾針及外圈的化學成分均符合標GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的相關規定,為合格。
表1 滾針及外圈的化學成分(質量分數)檢驗結果 (%)
(3)硬度檢驗
依據JB/T1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》標準,對失效滾針軸承的滾針和外圈進行硬度檢驗,檢驗結果如表2所示。由表2檢驗結果可知,失效滾針軸承的滾針及外圈的硬度均符合JB/T1255—2014標準要求。
表2 滾針及外圈硬度檢驗結果 (HRC)
名稱 | 測試點1 | 測試點2 | 測試點3 |
滾針 | 62.7 | 62.3 | 62.7 |
外圈 | 60.7 | 60.4 | 60.4 |
標準要求 | 60～63 | ||
(4)金相檢驗
依據GJB18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標準對失效滾針軸承的滾針和外圈的材料質量進行檢驗,依據JB/T1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》標準對滾針和外圈的淬回火組織進行檢驗,結果如表3、表4所示。由檢驗結果可知:滾針及外圈的材料質量均符合標準要求;滾針及外圈的淬回火組織均符合標準要求。
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擴展,如圖11所示。觀察外圈承載區內徑面金相組織,內徑面無燒傷,如圖12所示。
表3 滾針和外圈的材料質量檢驗結果
表4滾針和外圈的淬回火組織檢驗結果
名稱 | 馬氏體組織/級 | 網狀碳化物/級 |
滾針 | 3 | 2 |
外圈 | 4 | 2 |
標準要求 | 1~4 | 1~2.5 |
圖11 外圈剝落坑剖面形貌
圖12 外圈內徑面金相組織
(5)掃描電鏡分析
為了更詳細地觀察磨損形貌,采用JSM-6380LV掃描電子顯微鏡對一個表面嚴重磨損的滾針和一個端部磨損的滾針以及外圈進行變倍觀察,如圖13～圖15所示。
通過觀察外圈滾道面剝落坑發現:外圈內徑面剝落坑大小不一,凹坑邊緣有微裂紋及破碎的基體;凹坑內有明顯的碾壓痕跡,表明外圈內徑因承受較大的力而出現疲勞剝落。
(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現:滾針一端磨損嚴重,出現剝落,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
通過觀察嚴重磨損的滾針發現:滾針兩端均產生剝落坑,一端磨損嚴重,甚至出現二次剝落;剝落坑邊緣有碎屑及微裂紋,剝落坑內有明顯的碾壓痕跡。
(a)
(b)
圖15 嚴重磨損的滾針及放大電鏡形貌
2.結果與討論
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服役以及潤滑狀態整個過程均會影響其質量,造成滾針軸承的早期失效。滾針軸承特點是滾針軸承裝有細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成分、硬度及其均勻性,材料冶金質量,淬回火組織均未發現異常,符合相關標準要求,可以排除滾針軸承零件(滾針和外圈)材料質量、熱處理質量造成其失效的可能性;4106軸承清洗過濾渣滓未發現外來異物,排除異物污染潤滑油的影響因素;4106軸承采用油潤滑,雖然滾針和外圈內徑面非承載區顏色變為灰黑色,但金相組織檢驗發現外圈承載區內徑面無燒傷組織,因此可以排除潤滑不足的影響因素。
4106滾針軸承特點是是外圈固定,滾針隨軸旋轉。對于滾針軸承來說,滾針表面應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磨損嚴重,該側滾針表面出現周向大面積剝落(另一側無剝落),該側保持架也相對磨損嚴重,這些形貌特征表明該軸承運轉過程中存在偏載現象。滾針軸承運轉中由于偏載,導致載荷不均勻,改變了潤滑油膜狀態,使承受較大載荷側滾針與內徑面溫升,從而改變表層組織性能,隨著軸承繼續運轉,表層組織剝落碎裂,導致軸承早期失效。因此斷定,該4106滾針軸承運轉過程中存在的偏載現象是導致其發生早期失效的主要原因。
3.結語
4106滾針軸承失效模式為表面起源型剝落,運轉過程中存在的偏載現象是導致其發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重點實驗室
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