1st
摘要: 某軸承套圈在使用過程中出現早期失效,通過宏觀檢查、化學成分分析、金相檢驗、材料及熱 處理質量檢測,對其產生失效的原因進行了分析。結果表明: 該套圈使用過程中軸向受力異常是導 致套圈早期失效的直接原因。
某軸承用戶反映有一套特大型雙列調心滾子軸 承在使用過程中發現套圈出現早期失效。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分析方法對其早期失效原因進 行分析。
1、 理化檢驗
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並出現嚴重斷裂和裂紋,斷裂局部有掉塊痕跡,表面裂紋呈網狀分布。對失效軸承進行拆套後分別觀察軸承各零件,保持架基本完好。
1.1.1 、外圈
外圈滾道局部形貌見圖 2。外圈樣塊一側滾道 ( 簡稱 A 滾道) 剝落較為嚴重,剝落主要集中在滾道兩側邊緣位置。其中滾道內側邊緣剝落大小約為 7 cm × 12 cm,為深層剝落,剝落處已經過多次碾壓,無法準確定位初始剝落位置。但根據滾道剝落分布 以及擴展特征形貌判斷,剝落應起源於滾道邊緣位 置。另一側滾道面( 簡稱 B 滾道) 損壞程度相對較 輕,滾道面分布大量片狀壓坑,無明顯剝落痕跡。
A 滾道外側邊緣局部有掉塊現象,掉塊已缺失, 掉塊斷口呈多次、多源疲勞擴展特征,其起始位置位 於滾道剝落部位,滾道剝落及邊緣掉塊形貌分別如 圖 3、圖 4 所示。
觀察外圈斷裂斷口面,斷口面整體汙損嚴重,見圖5。清洗後對斷口面進行觀察,斷口主要以疲勞擴 展形式向縱深擴展斷裂,斷口面有明顯的疲勞擴展 弧線存在,並且疲勞擴展弧線存在交叉現象,表明該 斷口為多源疲勞擴展斷口。壁厚較大位置處的心部 區域,斷口形貌呈延塑形且有明顯的分層現象。根 據斷口擴展延伸方向以及損壞摩擦痕跡分析,其初 始斷裂起始位置位於 A 滾道剝落嚴重部位,見圖 6。
1.1.2 、內圈
樣塊內圈滾道及擋邊外觀形貌見圖 7。內圈滾 道面分布大量點狀或片狀壓坑,擋邊均有明顯摩擦 磨損痕跡,內圈1滾道壓坑的數量和深度均要比內圈 2 嚴重,兩樣塊滾道均未發現明顯剝落掉塊。
1.1.3 、滾子
軸承所有滾子基本完好,滾子外側端面有不同 程度的摩擦磨損痕跡,局部有金屬粘著現象,見圖8。滾子外徑面邊緣有明顯剝落現象,剝落區域寬約3 cm,見圖 9。
1.2、化學成分分析
對套圈及滾子分別進行取樣,試樣尺寸大小為15 mm × 15 mm × 15 mm,采用直讀光譜儀法進行化 學成分分析,檢驗結果見表 1,其化學成分均符合 GB /T 18254—2016 中 GCr15SiMn 標準要求。
1.3 、金相檢驗
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展弧線分布[1 - 2],斷口表面 有磨損現象,斷裂源處未發現材料夾雜物等缺陷,見 圖 10。
1.4 、材料及熱處理質量
制取套圈及滾子縱橫截面金相試樣後,在光學顯微鏡下觀察,依據材料標準 GB /T 18254—2016 及 熱處理標準 JB /T 1255—2014 進行評定,檢測結果分 別見表 2 和表 3。檢測結果均符合標準要求。
2 、分析討論
外圈、內圈及滾子樣塊材料質量、熱處理質量均 符合標準要求。外觀檢查發現該軸承的主要失效特征表現為軸 承外圈出現斷裂,斷裂斷口呈多源疲勞擴展斷口。外圈 A 列滾道表面損壞較嚴重,深層剝落集中於滾 道兩側邊緣位置,滾道外側邊緣出現掉塊現象。由 此可以推斷,軸承在運轉過程中滾子與外圈滾道存 在異常接觸,直接導致滾道邊緣在滾子的大載荷碾 壓下局部應力集中[3 - 5]並產生嚴重疲勞剝落。
內圈滾道和外圈 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轉過程中存在嚴重的軸 向偏載現象,導致兩列滾道受力不均。內、外圈滾道面分布的壓坑或壓痕是由於滾道 剝落物落入油脂後遭反復多次碾壓所致。
3 、結論
該套軸承在運轉使用過程中由於承受較大軸向 載荷,導致外圈單列滾道與滾子的接觸受力異常,造 成該列滾道表面嚴重損傷和疲勞剝落,進而導致外側滾道邊緣沿剝落處產生掉塊最終引起軸承損壞。