自潤滑關節(jié)軸承開裂原因分析

袁兆靜，包雍杰，段宏瑜

(上海市軸承技術研究所，上海 201801)

磨損是材料和零件的主要失效形式，其主要包含黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損。其中，微動磨損是一種可以導致氧化磨損、磨料磨損和黏著磨損的復合磨損，而黏著磨損是最常見的磨損形式[1-3]。自潤滑關節(jié)軸承具有摩擦因數(shù)小、無需添加潤滑劑等優(yōu)點，已得到廣泛應用[4-5]，其失效與黏著磨損密不可分，因此，有必要對自潤滑關節(jié)軸承的磨損機理進行深入研究。

1 失效件描述

為考核桿端體的疲勞性能，對桿端自潤滑關節(jié)軸承進行疲勞試驗。自潤滑關節(jié)軸承由內(nèi)、外圈及自潤滑襯墊組成。其中內(nèi)圈材料為沉淀硬化型不銹鋼PH13-8Mo，硬度要求為43～47 HRC；球面噴涂陶瓷，陶瓷層厚度為0.2～0.25 mm；外圈材料為沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb，硬度要求為28～37 HRC。軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外徑64 mm，外圈厚度32 mm；內(nèi)徑22 mm，內(nèi)圈厚度59 mm。

試驗在MTS試驗機上進行，為整體加載試驗，加載方式如圖1所示。試驗件兩端夾具應保證其能夠承受拉壓載荷。試驗共分為3個階段：1)徑向載荷Fr=±48 kN，頻率為4 Hz，試驗加載循環(huán)次數(shù)為5×105次，試驗結(jié)束后經(jīng)檢驗確定試驗件未破損；2)載荷增大20%，即57.6 kN，循環(huán)加載5×105次，試驗件仍未破損；3)繼續(xù)加載至69.12 kN，在循環(huán)加載32.9×104次時在軸承內(nèi)圈端面發(fā)現(xiàn)由端面向內(nèi)部擴展的微裂紋。

圖1 試驗加載示意圖Fig.1 Loading diagram of test

2 理化分析

2.1 化學成分分析

對開裂的失效軸承內(nèi)圈取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。由表可知，各元素的含量均符合GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法》；GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法》；GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導法》對PH13-8Mo鋼成分的技術要求。

表1 失效軸承內(nèi)圈的化學成分Tab.1 Chemical compositions of inner ring of failure bearing w, %

2.2 斷口宏觀形貌

軸承內(nèi)圈端面裂紋宏觀形貌如圖2所示。由圖2a、圖2b可知，裂紋處無明顯塑性變形，且沿軸承端面向內(nèi)部擴展。沿擴展方向人工打開裂紋形成斷口試樣(圖2c)，觀察該斷口發(fā)現(xiàn)斷面平坦、細膩，具有疲勞特征，其中在靠近內(nèi)圈端面的斷裂面為裂紋源區(qū)，如圖2c中黑色箭頭所指區(qū)域。源區(qū)為點源，呈灰黑色；源區(qū)側(cè)表面(軸承端面)明顯可見磨損、輾壓特征，磨損方向為周向；整個斷口均可見明顯的疲勞擴展條紋(圖2d)。

圖2 軸承內(nèi)圈斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of bearing inner ring

2.3 微觀形貌

采用超聲波清洗機將內(nèi)圈斷口清洗干凈后進行掃描電鏡變倍觀察，結(jié)果如圖3—圖5所示。由圖可知,斷口源區(qū)位于端面，觀察源區(qū)可見明顯的擠壓痕跡，表明該裂紋萌生的時間較早，在交變載荷作用下源區(qū)斷面反復開合，導致斷面嚴重擠壓、磨損(圖3)。斷口擴展區(qū)可見疲勞擴展條紋和疲勞輝紋(圖4)。觀察裂紋源區(qū)側(cè)表面(內(nèi)圈端面)可見明顯磨損、輾壓及掉塊痕跡，呈現(xiàn)黏著磨損的特征(圖5)。

圖4 內(nèi)圈斷口擴展區(qū)微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture propagation area of inner ring

圖5 源區(qū)側(cè)表面(軸承端面)形貌Fig.5 Morphology of side surface of source area(bearing end face)

2.4 能譜分析

對斷口源區(qū)進行能譜分析，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，斷口源區(qū)(灰黑色區(qū)域)含氧量較高，但未發(fā)現(xiàn)大尺寸夾雜物及其他冶金缺陷。由此可知，該裂紋萌生較早，源區(qū)已被氧化。

E/keV圖6 內(nèi)圈斷口源區(qū)能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of fracture source area of inner ring

2.5 金相及硬度檢驗

斷口金相圖片如圖7所示。其中，圖7a、圖7b為斷口一側(cè)金相圖片，由圖可知，斷口附近存在二次裂紋，并向軸承內(nèi)部擴展，微裂紋尾部發(fā)生扭曲變形，金屬流線清晰可見。裂紋附近均未見脫碳及燒傷現(xiàn)象，由此可以排除裂紋在冶煉、鍛造、冷熱加工等工序產(chǎn)生的可能性。由于在電鏡觀察中發(fā)現(xiàn)軸承端面有明顯磨損、輾壓痕跡，對軸承端面縱截面(圖7c—圖7e)進行觀察發(fā)現(xiàn)，軸承端面表層有明顯的塑性變形層(圖中雙箭頭表示塑性變形層厚度)，且其厚度不均，最薄的區(qū)域約為20μm，最厚的區(qū)域約為50 μm，并且在塑性變形層中發(fā)現(xiàn)有微裂紋，有些區(qū)域的塑性變形層已部分脫落形成凹坑，未脫落的區(qū)域在端面形成凸起，屬于典型的黏著磨損特征。

圖7 內(nèi)圈斷口金相組織及裂紋形貌Fig.7 Metallographic structure of fracture of inner ring and morphology of crack

采用洛氏硬度計分別對內(nèi)、外圈進行硬度檢測，隨機檢測3個點，內(nèi)圈硬度為45.5，45.0，45.0 HRC；外圈硬度為35.0，34.0，34.0 HRC，均符合產(chǎn)品硬度要求。

3 原因分析

通過宏觀觀察可知，裂紋無明顯塑性變形，斷口平坦、細膩，擴展區(qū)可見明顯的疲勞輝紋，具有疲勞特征。由掃描電鏡觀察可知，軸承端面存在較明顯的黏著磨損特征，磨損方向為周向。由金相分析可知，斷口附近存在二次裂紋，并向內(nèi)部擴展，在裂紋尾部還發(fā)生了扭曲變形，金屬流線清晰可見；主裂紋周圍均未見異常，排除軸承制造過程中存在裂紋的可能性。軸承端面表層有明顯塑性變形層，且厚度不均，有些區(qū)域塑性變形層已脫落并形成了凹坑，表明該軸承端面受力不均，并且在塑性變形層中有微裂紋。

桿端自潤滑關節(jié)軸承進行疲勞試驗時受到拉壓載荷作用，如果軸承端面與工裝的平面度配合不好，存在間隙，軸承端面與工裝平面在試驗過程中會存在擠壓和相對位移，使兩平面發(fā)生黏著磨損。軸承每次拉壓都會產(chǎn)生金屬顯微組織的滑移，組織滑移累積后形成塑性流變層，塑性流變層越厚，表明磨損越嚴重[6-7]。失效軸承端面存在明顯的磨損、輾壓痕跡，這是典型的黏著磨損特征。軸承內(nèi)圈端面裂紋的萌生主要是由于軸承端面與工裝平面存在黏著磨損，使得軸承端面發(fā)生金屬塑性流變，導致金屬發(fā)生滑移、折疊。當軸承端面受到較大的切應力時，就會使端面表層金屬發(fā)生塑性變形以致開裂，有些微裂紋向內(nèi)部擴展，有些微裂紋則導致塑性變形層剝落，最終在軸承端面形成凹坑。

4 結(jié)論

由于自潤滑關節(jié)軸承端面與工裝的平面度配合存在間隙，使軸承端面產(chǎn)生了磨損、輾壓以及金屬塑性流變，導致軸承內(nèi)圈沿端面開裂，即軸承端面與工裝平面發(fā)生黏著磨損是導致軸承內(nèi)圈端面發(fā)生開裂的主要原因。建議改善軸承試驗裝配環(huán)境，盡量避免軸承端面在試驗過程中與工裝平面發(fā)生微動磨損。