水泥設(shè)備用調(diào)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(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，河南 洛陽 471039；2.洛陽軸研科技股份有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，河南 洛陽 471039)

某水泥設(shè)備傳動機構(gòu)上的型號為FAG24172BK30.C3調(diào)心滾子軸承在運轉(zhuǎn)過程中嚴(yán)重?fù)p壞，內(nèi)圈表面嚴(yán)重?zé)齻Ｔ撦S承材料為ISO標(biāo)準(zhǔn)中的100CrMnSi6-4鋼(相當(dāng)于國內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)軌跡發(fā)生偏斜，一側(cè)磨痕靠近一端面倒角處，另一側(cè)磨痕距另一側(cè)端面處約30 mm，滾道表面有燒傷現(xiàn)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(nèi)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(fā)黑，有燒傷現(xiàn)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(nèi)圈滾道表面損傷形貌

4粒滾子表面腐蝕較嚴(yán)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(yán)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(nèi)、外圈和滾子進行硬度檢測，結(jié)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(shù)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(nèi)、外圈和滾子進行非金屬夾雜物及碳化物不均勻性檢驗，結(jié)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(jù)JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》對內(nèi)、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(xì)小結(jié)晶馬氏體+隱晶馬氏體+少量細(xì)小針狀馬氏體+殘留碳化物+少量奧氏體，碳化物網(wǎng)狀均為2級，符合JB/T 1255—2001要求。

內(nèi)圈金相組織由工作表面至內(nèi)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(nèi)圈碳化物網(wǎng)狀不符合JB/T 1255—2001的要求，碳化物網(wǎng)狀已呈封閉狀(圖11)。根據(jù)內(nèi)圈金相組織，可以判定整個內(nèi)圈基本被燒傷，原始組織已不存在。

圖8 內(nèi)圈工作表面金相組織(500×)

圖9 內(nèi)圈心部金相組織(500×)

圖10 內(nèi)圈內(nèi)徑表面金相組織(500×)

圖11 內(nèi)圈碳化物網(wǎng)狀形貌(500×)

2.3.2 表面裂紋顯微觀察

在內(nèi)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(fā)現(xiàn)：裂紋基本垂直于表面向其內(nèi)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(zhuǎn)過程中滾道表層溫度很高，已超過1 200 ℃，使組織產(chǎn)生了過燒。

圖12 內(nèi)圈滾道表面裂紋顯微形貌(200×)

2.4 熱酸洗檢驗

對內(nèi)、外圈(部分)按照J(rèn)B/T 1255—2001標(biāo)準(zhǔn)進行熱酸洗檢驗，結(jié)果如下：外圈滾道面未發(fā)現(xiàn)明顯異常；內(nèi)圈滾道面中部呈淺灰色，且表面有沿軸向分布的細(xì)小裂紋存在，如圖13所示。結(jié)合金相檢驗的結(jié)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(nèi)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(nèi)圈滾道一擠壓坑進行觀察，發(fā)現(xiàn)擠壓坑表面有相對平行的裂紋，尤其坑底表面有相當(dāng)數(shù)量的細(xì)小裂紋，如圖14所示。說明內(nèi)圈工作表面燒傷后，材料組織和強度發(fā)生變化，當(dāng)交變應(yīng)力 (包括二次淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力)超過材料斷裂強度時，就會使內(nèi)圈近表面層產(chǎn)生大量的細(xì)小裂紋。

圖14 內(nèi)圈滾道擠壓坑表面形貌

3 綜合分析

3.1 裂紋產(chǎn)生原因

從宏觀和微觀檢驗結(jié)果可知，內(nèi)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(chǎn)生裂紋，同時內(nèi)圈和滾子表面均產(chǎn)生塑性變形，尤其是內(nèi)圈塑性變形區(qū)有大量的細(xì)小裂紋。上述現(xiàn)象說明該軸承是由于工作表面被燒傷而變質(zhì)，從而產(chǎn)生裂紋并發(fā)生斷裂失效，由此也可以確定軸承的失效模式為熱裂。

該設(shè)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(zhuǎn)時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成內(nèi)部間隙不足，內(nèi)部滾動體因運動空間的限制，軸承的自動調(diào)心功能受到影響，導(dǎo)致軸承受力不均，一側(cè)滾子與滾道產(chǎn)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(chǎn)生大量的摩擦熱，潤滑油無法帶走更多的熱量，致使?jié)L子和內(nèi)、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(xiàn)滾子與套圈的干摩擦，產(chǎn)生的熱量越來越多，巨大熱量無法散出，內(nèi)、外圈與滾子溫度急劇升高，尤其是內(nèi)圈滾道近表面層溫度在短時間內(nèi)超過奧氏體化溫度，使內(nèi)圈滾道近表面層進行了二次淬火。軸承運轉(zhuǎn)過程中溫度的升高使材料的組織和強度發(fā)生變化，當(dāng)應(yīng)力(包括因二次淬火產(chǎn)生的熱應(yīng)力)超過材料的抗拉強度時，材料便會出現(xiàn)裂紋。在后續(xù)的運轉(zhuǎn)中，裂紋擴展，直至斷裂。

3.2 網(wǎng)狀碳化物缺陷

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

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

為避免此現(xiàn)象的產(chǎn)生，在安裝時，應(yīng)將軸承安裝到位，使其處于正確位置并調(diào)整徑向游隙，避免游隙過大；另外，還要注意在軸承運轉(zhuǎn)過程中應(yīng)使?jié)櫥冀K處于良好狀態(tài)等。