雙列調(diào)心滾子軸承失效分析

李貴方，楊 爭(zhēng)，王 嬋

(洛陽LYC軸承有限公司 航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039)

某軸承用戶反映有一套特大型雙列調(diào)心滾子軸承在使用過程中發(fā)現(xiàn)套圈出現(xiàn)早期失效。該軸承材料為GCr15SiMn鋼，其加工工藝過程為：φ300 mm原材料進(jìn)廠超探→下料段→鍛造成型→球化退火→車加工→熱處理→探傷→磨加工→探傷→裝配入庫。本研究采用理化檢驗(yàn)分析方法對(duì)其早期失效原因進(jìn)行分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

失效軸承見圖1，軸承油脂呈黑色粘稠狀，外圈外徑面有明顯銹蝕痕跡并出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔押土鸭y，斷裂局部有掉塊痕跡，表面裂紋呈網(wǎng)狀分布。對(duì)失效軸承進(jìn)行拆套后分別觀察軸承各零件，保持架基本完好。

圖1 失效軸承外觀形貌Fig.1 The appearance of failure bearing

1.1.1外圈

外圈滾道局部形貌見圖2。外圈樣塊一側(cè)滾道(簡(jiǎn)稱A滾道)剝落較為嚴(yán)重，剝落主要集中在滾道兩側(cè)邊緣位置。其中滾道內(nèi)側(cè)邊緣剝落大小約為7 cm×12 cm，為深層剝落，剝落處已經(jīng)過多次碾壓，無法準(zhǔn)確定位初始剝落位置。但根據(jù)滾道剝落分布以及擴(kuò)展特征形貌判斷，剝落應(yīng)起源于滾道邊緣位置。另一側(cè)滾道面(簡(jiǎn)稱B滾道)損壞程度相對(duì)較輕，滾道面分布大量片狀壓坑，無明顯剝落痕跡。

A滾道外側(cè)邊緣局部有掉塊現(xiàn)象，掉塊已缺失，掉塊斷口呈多次、多源疲勞擴(kuò)展特征，其起始位置位于滾道剝落部位，滾道剝落及邊緣掉塊形貌分別如圖3、圖4所示。

圖2 外圈滾道形貌Fig.2 The appearance of outer ring raceway

圖3 A滾道剝落形貌Fig.3 The peeling appearance of A raceway

圖4 A滾道邊緣局部掉塊形貌Fig.4 The local fragmentation morphology of the A raceway edge

觀察外圈斷裂斷口面，斷口面整體污損嚴(yán)重，見圖5。清洗后對(duì)斷口面進(jìn)行觀察，斷口主要以疲勞擴(kuò)展形式向縱深擴(kuò)展斷裂，斷口面有明顯的疲勞擴(kuò)展弧線存在，并且疲勞擴(kuò)展弧線存在交叉現(xiàn)象，表明該斷口為多源疲勞擴(kuò)展斷口。壁厚較大位置處的心部區(qū)域，斷口形貌呈延塑形且有明顯的分層現(xiàn)象。根據(jù)斷口擴(kuò)展延伸方向以及損壞摩擦痕跡分析，其初始斷裂起始位置位于A滾道剝落嚴(yán)重部位，見圖6。

圖5 外圈斷口整體形貌Fig.5 The overall appearance of the outer ring fracture

圖6 外圈斷裂初始斷裂源形貌Fig.6 The initial fracture source appearance of the outer ring fracture

1.1.2內(nèi)圈

樣塊內(nèi)圈滾道及擋邊外觀形貌見圖7。內(nèi)圈滾道面分布大量點(diǎn)狀或片狀壓坑，擋邊均有明顯摩擦磨損痕跡，內(nèi)圈1滾道壓坑的數(shù)量和深度均要比內(nèi)圈2嚴(yán)重，兩樣塊滾道均未發(fā)現(xiàn)明顯剝落掉塊。

1.1.3滾子

軸承所有滾子基本完好，滾子外側(cè)端面有不同程度的摩擦磨損痕跡，局部有金屬粘著現(xiàn)象，見圖8。滾子外徑面邊緣有明顯剝落現(xiàn)象，剝落區(qū)域?qū)捈s3 cm，見圖9。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)套圈及滾子分別進(jìn)行取樣，試樣尺寸大小為15 mm×15 mm×15 mm，采用直讀光譜儀法進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果見表1，其化學(xué)成分均符合GB/T 18254—2016中GCr15SiMn標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a)內(nèi)圈1； (b)內(nèi)圈2圖7 內(nèi)圈滾道及擋邊損壞形貌(a)1# inner ring； (b)2# inner ringFig.7 The damaged appearance of the inner ring raceway and rim

圖8 滾子端面磨損形貌Fig.8 The wear appearance of roller end face

圖9 滾子外徑面剝落形貌Fig.9 The peeling appearance of roller outer meridian

表1 套圈及滾子的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 金相檢驗(yàn)

在A滾道面其中一處斷裂源位置截取斷口試樣，在掃描電鏡下觀察，其斷口為典型的接觸疲勞斷口，其上有貝殼狀疲勞擴(kuò)展弧線分布[1-2]，斷口表面有磨損現(xiàn)象，斷裂源處未發(fā)現(xiàn)材料夾雜物等缺陷，見圖10。

1.4 材料及熱處理質(zhì)量

制取套圈及滾子縱橫截面金相試樣后，在光學(xué)顯微鏡下觀察，依據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016及熱處理標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1255—2014進(jìn)行評(píng)定，檢測(cè)結(jié)果分別見表2和表3。檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 A滾道面斷口表面SEM形貌Fig.10 SEM morphology of fracture surface on A raceway

表2 套圈及滾子材料質(zhì)量檢驗(yàn)

表3 套圈及滾子熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)

2 分析討論

外圈、內(nèi)圈及滾子樣塊材料質(zhì)量、熱處理質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

外觀檢查發(fā)現(xiàn)該軸承的主要失效特征表現(xiàn)為軸承外圈出現(xiàn)斷裂，斷裂斷口呈多源疲勞擴(kuò)展斷口。外圈A列滾道表面損壞較嚴(yán)重，深層剝落集中于滾道兩側(cè)邊緣位置，滾道外側(cè)邊緣出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。由此可以推斷，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滾子與外圈滾道存在異常接觸，直接導(dǎo)致滾道邊緣在滾子的大載荷碾壓下局部應(yīng)力集中[3-5]并產(chǎn)生嚴(yán)重疲勞剝落。

內(nèi)圈滾道和外圈B列滾道面分布大量的壓坑或壓痕，與A列滾道表面相比，B列滾道表面較為良好。由此可以看出軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在嚴(yán)重的軸向偏載現(xiàn)象，導(dǎo)致兩列滾道受力不均。

內(nèi)、外圈滾道面分布的壓坑或壓痕是由于滾道剝落物落入油脂后遭反復(fù)多次碾壓所致。

3 結(jié)論

該套軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)使用過程中由于承受較大軸向載荷，導(dǎo)致外圈單列滾道與滾子的接觸受力異常，造成該列滾道表面嚴(yán)重?fù)p傷和疲勞剝落，進(jìn)而導(dǎo)致外側(cè)滾道邊緣沿剝落處產(chǎn)生掉塊最終引起軸承損壞。