某配對用角接觸球軸承失效原因分析

姚海波 崔靜偉 師歌 張旭 王姍姍

摘要：以發(fā)生故障的主機中的失效軸承為例，分析了失效軸承零件的外觀形貌、硬度、金相組織，從而確定了軸承失效的原因。

關(guān)鍵詞：軸承;金相組織;失效原因

0 ?引言

某單位生產(chǎn)的主機在壽命試驗中振動異常，拆解檢查中發(fā)現(xiàn)某處旋轉(zhuǎn)部件密封口處配對使用的某型號角接觸球軸承失效，軸承編號分別為 39#和 41#，其中39#軸承保持架嚴(yán)重變形，軸承出現(xiàn)轉(zhuǎn)動卡滯現(xiàn)象。該型號軸承為GCr15Z 鋼制角接觸球軸承，運轉(zhuǎn)時接觸角為 34～43°，保持架材料為鋁青銅。本文通過對失效軸承零件進(jìn)行外觀形貌、硬度、金相組織分析，以確定39#軸承發(fā)生失效的原因。

1 ?外觀形貌

1.1 軸承零件宏觀形貌觀察與分析

拆機后兩套失效軸承潤滑脂已干結(jié)且已變成黑色。將軸承拆套，其宏觀形貌見圖 1。將軸承清洗烘干后，分別對其零件外觀形貌進(jìn)行觀察，清洗后零件的外觀形貌損傷情況見表 1。由表 1 宏觀形貌觀察結(jié)果可知：①兩套軸承潤滑脂均已干結(jié)發(fā)黑，說明軸承在運轉(zhuǎn)過程存在一定程度的溫升;②39#的外圈、內(nèi)圈及保持架的宏觀形貌均表明軸承整體運轉(zhuǎn)異常;③41#整體運轉(zhuǎn)整體較正常，但其保持架靠套圈有字端一側(cè)的外徑面有明顯運轉(zhuǎn)痕跡。

1.2 軸承零件微觀形貌觀察與分析

將兩套軸承內(nèi)外圈、鋼球及保持架試樣用超聲波清洗、烘干后分別放入JSM-6380LV 掃描電鏡中進(jìn)行觀察分析，并采用 INCA7582 型能譜儀對局部表面成分進(jìn)行分析，其表面形貌進(jìn)行變倍觀察結(jié)果見表 2。

1.2.1 39#軸承

由表 2 結(jié)果可知，外圈擋邊均與保持架外徑面發(fā)生磨損，且表面有附著物，對其進(jìn)行能譜成分分析，其主要為銅、鋁、鐵、鉻、錳、氧、氟。由此可知，其表面附著物主要為保持架成分。外圈溝道面靠近斜坡一側(cè)有較嚴(yán)重的運轉(zhuǎn)磨損帶，對應(yīng)內(nèi)圈有字端一側(cè)溝道面的運轉(zhuǎn)痕跡帶，說明軸承運轉(zhuǎn)軌跡異常。保持架靠套圈有字端一側(cè)的外徑面和內(nèi)徑面磨損均較另一側(cè)嚴(yán)重，說明軸承運轉(zhuǎn)過程中受力異常。將清洗軸承后的過濾物進(jìn)行能譜分析，其主要為氧、銅、鋁。

1.2.2 41#軸承

由表 2 結(jié)果可知，軸承零件整體運轉(zhuǎn)軌跡未見異常，但保持架靠套圈有字端一側(cè)外徑面與外圈擋邊接觸，有明顯的運轉(zhuǎn)痕跡。

2 ?硬度檢測

將兩套軸承的內(nèi)、外圈及隨機選取的三粒鋼球（編號分別為 1#、2#和3#）依次放置在洛氏硬度計上，采用 150kg 載荷，對零件硬度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表 3。由檢測結(jié)果可知：兩套軸承內(nèi)、外圈端面硬度、鋼球表面硬度及其均勻性均符合 ZJB J11038-93 標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 ?金相檢驗

將內(nèi)、外圈試樣及鋼球磨制、拋光后，采用 4%硝酸酒精腐蝕，按照標(biāo)準(zhǔn)ZJB J11038-93《軍用高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理質(zhì)量要求》規(guī)定，對其淬回火組織進(jìn)行評級，并對其剖面的顯微組織進(jìn)行觀察和分析，結(jié)果見表 4。

由表 4 檢驗結(jié)果可知：①兩套軸承零件的淬回火組織及網(wǎng)狀碳化物均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。②39#軸承外圈擋邊及靠近擋邊的局部工作面均存在高溫回火層，說明軸承在運轉(zhuǎn)過程中存在溫升現(xiàn)象，其他未見異常;內(nèi)圈和鋼球工作面均存在暗蝕區(qū)，說明軸承在運轉(zhuǎn)過程中存在較大的應(yīng)力，其他未見異常。③41#軸承零件工作面均無燒傷、無脫碳、無剝落。

4 ?結(jié)果分析

4.1 39#軸承

①軸承潤滑脂變干發(fā)黑，軸承運轉(zhuǎn)潤滑不良。經(jīng)對軸承清洗后的過濾物進(jìn)行能譜分析，其主要為保持架基體材料的氧化物，未見外來雜質(zhì)。

②軸承零件硬度及淬火組織均符合 ZJB J11038-93 標(biāo)準(zhǔn)要求。但外圈擋邊及靠近擋邊的局部工作面均存在高溫回火層，說明軸承在運轉(zhuǎn)中存在溫升現(xiàn)象;內(nèi)圈和鋼球工作面均存在應(yīng)變暗蝕區(qū)，說明軸承在運轉(zhuǎn)過程中存在受力過大現(xiàn)象。

③外圈擋邊表面的黏著物主要為保持架成分，說明擋邊與保持架發(fā)生嚴(yán)重磨損。

④軸承外圈擋邊、保持架靠套圈有字端一側(cè)外徑面、內(nèi)圈擋邊、保持架內(nèi)徑面均發(fā)生嚴(yán)重磨損;外圈靠斜坡一側(cè)溝道及內(nèi)圈靠有字端一側(cè)溝道面均有明顯的運轉(zhuǎn)磨損痕跡，以上均說明軸承在運轉(zhuǎn)過程中存在異常，即說明運轉(zhuǎn)過程中存在異常載荷，導(dǎo)致保持架在運轉(zhuǎn)過程中首先與外圈擋邊發(fā)生持續(xù)相對滑動，摩擦擠壓過程中保持架金屬向端面遷移，摩擦磨損加劇形成較深的磨損槽，之后保持架形成內(nèi)、外圈擋邊同時引導(dǎo)的運轉(zhuǎn)方式，進(jìn)而發(fā)生內(nèi)圈與保持架內(nèi)徑面開始產(chǎn)生磨損，最終導(dǎo)致以上軸承分析時的失效狀態(tài)。

4.2 41#軸承

①軸承潤滑脂變干發(fā)黑，軸承運轉(zhuǎn)潤滑不良。

②軸承運轉(zhuǎn)痕跡無偏斜，但外圈擋邊與保持架外徑面發(fā)生接觸，具有明顯運轉(zhuǎn)痕跡，且保持架半周運轉(zhuǎn)痕跡更深，說明運轉(zhuǎn)過程中保持架受到一定的軸向力從而引起偏斜運轉(zhuǎn)。由于其與39#軸承配對使用，從軸承運轉(zhuǎn)情況推斷，是由于39#軸承保持架因外徑摩擦擠壓金屬發(fā)生遷移，導(dǎo)致保持架寬度大于了套圈寬度，從而造成了對41#軸承保持架正常運轉(zhuǎn)的干涉，最終形成了軸承的失效狀態(tài)。

5 ?結(jié)論

39#軸承失效模式為溝磨損失效和保持架磨損變形，其失效的主要原因為運轉(zhuǎn)過程中存在異常載荷。

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