水泥設備用調心滾子軸承的失效分析

任文亮，張振潮，郭靖，李繼鋒

(1.國家軸承質量監督檢驗中心，河南 洛陽 471039；2.洛陽軸研科技股份有限公司 產品開發部，河南 洛陽 471039)

某水泥設備傳動機構上的型號為FAG24172BK30.C3調心滾子軸承在運轉過程中嚴重損壞，內圈表面嚴重燒傷。該軸承材料為ISO標準中的100CrMnSi6-4鋼(相當于國內的GCr15SiMn)。對失效軸承進行了檢驗，下文主要對其失效原因及機理進行分析。

1 外觀檢查

檢驗軸承包括1件完整的外圈(圖1)、4塊內圈碎片及1件軸套(圖2)、14粒滾子(圖3)及保持架(圖4)。

圖1 外圈外觀形貌

圖2 內圈碎片及軸套外觀形貌

圖3 滾子表面形貌

圖4 保持架外觀形貌

一裂紋從外圈端面延伸至滾道表面(圖5)；外圈滾道上運轉軌跡發生偏斜，一側磨痕靠近一端面倒角處，另一側磨痕距另一側端面處約30 mm，滾道表面有燒傷現象，如圖6所示。

圖5 外圈裂紋形貌

圖6 外圈滾道表面磨痕形貌

4塊內圈碎片的表面損壞特征基本相同，取其中一塊進行檢驗。一裂紋橫穿下滾道(以圖片上下方向分為上滾道和下滾道)表面至中間擋邊，在下滾道表面輾壓變形痕跡偏向擋邊；上滾道表面發黑，有燒傷現象和剝落坑，并有間距約58 mm，寬約17 mm長短不一的擠壓變形痕跡，如圖7所示。

圖7 內圈滾道表面損傷形貌

4粒滾子表面腐蝕較嚴重，剩余滾子表面也有銹跡；滾子工作表面均有擠壓變形痕跡(圖3)。保持架表面腐蝕嚴重，其中一件已斷裂(圖4)。

2 理化檢驗

2.1 硬度檢測

分別對內、外圈和滾子進行硬度檢測，結果見表1(滾子硬度值為滾子端面硬度)，均符合JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》要求。

表1 軸承硬度檢測值 HRC

2.2 非金屬夾雜物及碳化物不均勻性檢驗

對內、外圈和滾子進行非金屬夾雜物及碳化物不均勻性檢驗，結果見表2，均符合GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的要求。

表2 軸承非金屬夾雜物及碳化物不均勻性

2.3 顯微組織

2.3.1 金相組織檢驗

在ZEISS-AXIO金相顯微鏡下放大500倍觀察，并依據JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》對內、外圈及滾子進行金相組織檢驗評定。外圈和滾子金相組織為細小結晶馬氏體+隱晶馬氏體+少量細小針狀馬氏體+殘留碳化物+少量奧氏體，碳化物網狀均為2級，符合JB/T 1255—2001要求。

內圈金相組織由工作表面至內徑表面依次為粗大針狀馬氏體+殘余奧氏體→高溫回火馬氏體+粒狀碳化物→回火馬氏體+粒狀碳化物(圖8～圖10)。另外，內圈碳化物網狀不符合JB/T 1255—2001的要求，碳化物網狀已呈封閉狀(圖11)。根據內圈金相組織，可以判定整個內圈基本被燒傷，原始組織已不存在。

圖8 內圈工作表面金相組織(500×)

圖9 內圈心部金相組織(500×)

圖10 內圈內徑表面金相組織(500×)

圖11 內圈碳化物網狀形貌(500×)

2.3.2 表面裂紋顯微觀察

在內圈滾道表面裂紋處進行切割，磨制成金相試樣，在金相顯微鏡下對試樣進行顯微檢驗發現：裂紋基本垂直于表面向其內部延伸，裂紋附近滾道表面層組織是共晶萊氏體+魏氏體組成的混合過燒組織，次表層組織是粗大針狀馬氏體+殘余奧氏體組織，如圖12所示。說明軸承在運轉過程中滾道表層溫度很高，已超過1 200 ℃，使組織產生了過燒。

圖12 內圈滾道表面裂紋顯微形貌(200×)

2.4 熱酸洗檢驗

對內、外圈(部分)按照JB/T 1255—2001標準進行熱酸洗檢驗，結果如下：外圈滾道面未發現明顯異常；內圈滾道面中部呈淺灰色，且表面有沿軸向分布的細小裂紋存在，如圖13所示。結合金相檢驗的結果可以確定滾道面中部的淺灰色部分為燒傷及燒傷裂紋。

圖13 熱酸洗后內圈滾道表面裂紋形貌

2.5 掃描電鏡觀察

采用JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡對內圈滾道一擠壓坑進行觀察，發現擠壓坑表面有相對平行的裂紋，尤其坑底表面有相當數量的細小裂紋，如圖14所示。說明內圈工作表面燒傷后，材料組織和強度發生變化，當交變應力 (包括二次淬火產生的內應力)超過材料斷裂強度時，就會使內圈近表面層產生大量的細小裂紋。

圖14 內圈滾道擠壓坑表面形貌

3 綜合分析

3.1 裂紋產生原因

從宏觀和微觀檢驗結果可知，內圈滾道表面輾壓變形痕跡偏向擋邊；軸承工作表面均被燒傷；套圈表面均產生裂紋，同時內圈和滾子表面均產生塑性變形，尤其是內圈塑性變形區有大量的細小裂紋。上述現象說明該軸承是由于工作表面被燒傷而變質，從而產生裂紋并發生斷裂失效，由此也可以確定軸承的失效模式為熱裂。

該設備使用在重載、大沖擊載荷、多粉塵等惡劣工況條件下。軸承在工作運轉時發生偏轉，造成內部間隙不足，內部滾動體因運動空間的限制，軸承的自動調心功能受到影響，導致軸承受力不均，一側滾子與滾道產生了擠壓，造成軸承局部受載過大。滾子和滾道之間擠壓摩擦產生大量的摩擦熱，潤滑油無法帶走更多的熱量，致使滾子和內、外圈溫度升高。軸承溫升反過來破壞已形成的潤滑油膜，會出現滾子與套圈的干摩擦，產生的熱量越來越多，巨大熱量無法散出，內、外圈與滾子溫度急劇升高，尤其是內圈滾道近表面層溫度在短時間內超過奧氏體化溫度，使內圈滾道近表面層進行了二次淬火。軸承運轉過程中溫度的升高使材料的組織和強度發生變化，當應力(包括因二次淬火產生的熱應力)超過材料的抗拉強度時，材料便會出現裂紋。在后續的運轉中，裂紋擴展，直至斷裂。

3.2 網狀碳化物缺陷

網狀碳化物的存在會削弱金屬基體晶粒間的聯系，使軸承鋼的力學性能降低，尤其是耐沖擊性能降低，而且隨著網狀碳化物嚴重程度增加，沖擊韌性和接觸疲勞強度均會降低。該軸承內圈部分碳化物網狀已呈封閉狀，在一定程度上降低了內圈的抗沖擊性能和接觸疲勞強度。

綜上所述，軸承在運轉中發生偏轉，導致受力不均產生擠壓摩擦并產生大量的摩擦熱，熱量使內、外圈及滾子溫度升高，使材料物理性能發生變化，產生裂紋，這是導致軸承在運轉過程中發生失效的主要原因；另外，內圈碳化物網狀不合格，在一定程度上降低了內圈的力學性能，則是導致內圈失效的潛在因素。

為避免此現象的產生，在安裝時，應將軸承安裝到位，使其處于正確位置并調整徑向游隙，避免游隙過大；另外，還要注意在軸承運轉過程中應使潤滑始終處于良好狀態等。