分動器圓錐滾子軸承失效原因分析

邵瑞勇，呂永剛

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

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分動器圓錐滾子軸承失效原因分析

邵瑞勇，呂永剛

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

某SUV車型汽車分動器圓錐滾動軸承在使用過程中發生破裂失效，對破裂的軸承解體發現，軸承內圈表面出現麻坑及剝落，軸承外圈斷裂，軸承保持架與滾子破碎。采用化學分析、硬度測定、掃描電鏡及金相分析等方法對失效軸承進行分析。結果表明，軸承材料中存在較大尺寸氮化物，易脫落形成麻點；軸承內圈及滾子的硬度偏低，易產生磨損，在交變應力作用下，隨著軸承精度降低而破裂失效。

GCr15軸承鋼；碳化物；氮化物；斷裂

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.057

CLC NO.: TG115.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-163-02

前言

分動器是多軸驅動車輛傳動系統中的關鍵部件，它起著改變汽車動力傳遞路線的重要作用。分動器軸承多采用圓錐滾子軸承，其質量直接影響到傳動效果和整車的動力性能，一旦軸承失效就會出現換擋困難、無法換擋及分動器異響等問題，因此，對汽車分動器軸承的失效分析具有非常重要的意義。

某車型汽車在行駛至29000公里時，汽車出現異響，經檢查發現分動器中的軸承損壞嚴重，軸承外圈斷裂，保持架、滾子碎裂，內圈滾道表面發生剝落。軸承的工作特點是承受強沖擊和較大的交變載荷，要求軸承鋼應具備高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強度等性能[1]。該分動器圓錐滾子軸承外圈、內圈及滾子均采用GCr15軸承鋼，且均采用相同的熱處理工藝：840℃油淬火160℃回火3小時，硬度的技術要求：軸承內圈及外圈為 60-64HRC，滾子為 61-65HRC。

本文通過對失效軸承表面的損傷形貌進行宏觀與微觀分析，結合化學成分、斷口分析、金相分析及硬度分析等試驗，以確定軸承失效的原因。

1、 試驗結果與分析

1.1化學成分分析

從失效的軸承內圈及外圈上分別取樣測試其化學成分，結果見表1。

表 1 GCr15鋼圓錐軸承內外圈化學成分（質量分數，%）

檢測結果符合GB/T 18254-2002《高碳鉻軸承鋼》要求。

1.2外觀檢查

經對失效軸承外圈宏觀形貌確認，外圈已斷裂，兩斷面不能吻合，外表面較光亮，內表面灰暗，有接觸疲勞與擠壓的特征；軸承內部的滾子已散落，僅在分動器殼內尋找到少量的碎塊；軸承保持架已破碎；軸承內圈的滾道表面的接觸疲勞特征明顯，擠壓程度較大，滾道兩邊緣已擠壓變形，軸承內圈的內表面滑動跡象明顯，顏色暗紅，并粘有擠壓摩擦的金屬碎屑。

將軸承外圈斷口、內圈滾道損傷表面及滾子斷口放入電子掃描電鏡下進行微觀觀察。

1.2.1軸承外圈

軸承外圈斷口斷面有放射棱，裂紋源位于外圈內側的邊部次表面，有擠壓的痕跡征，裂紋擴展區為準解理，有二次裂紋，斷口呈脆性斷裂特征。

1.2.2軸承滾子

滾子的縱向斷口斷面被軸承外緣擠壓，裂紋源位于滾子表面，有放射棱線，呈多源斷裂的特征裂紋。

1.2.3軸承內圈

內圈滾道表面形貌如圖1和圖2所示，可看到滾道表面有細小的孔洞與碾壓痕跡，形貌放大后觀察，滾道表面有擠壓摩擦形成的犁溝。

圖1　軸承內圈滾道形貌

圖2　滾道面放大形貌

1.3硬度檢測

對失效軸承的內外圈及滾子進行 HRC硬度檢測，檢測結果見表2。

表2　軸承內外圈硬度（HRC）檢測結果

由檢測結果可知，軸承外圈的硬度符合技術要求，內圈及滾子的硬度不符合技術要求。

1.4金相分析

從失效軸承的內外圈及滾子上取試樣,制成金相試樣在顯微鏡下觀察，在拋光態下對夾雜物觀察，滾子縱向試樣有較多的氮化物分布，氮化物的最大尺寸35μm；試樣經4%硝酸酒精侵蝕，滾子組織為屈氏體+碳化物+少量回火馬氏體，滾子表面的部分區域有擠壓摩擦形成的二次淬火跡象。內圈組織與滾子相同，邊緣也有二次淬火區，組織呈帶狀分布，未熔碳化物較多。外圈組織為回火隱針馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體。

2、分析與討論

通過對失效軸承內外圈及滾子的宏微觀觀察可知，外圈及滾子的破裂是由于兩者之間相互擠壓而形成，內圈主要呈磨損、碾壓和劃痕損傷，其性質屬接觸疲勞剝落，結合軸承使用的時間來看，外圈與滾子破裂應在軸承失效后期形成，所以，軸承失效的性質為接觸疲勞剝落。

現對軸承內圈發生的接觸疲勞剝落的原因進行分析。高硬度能夠保證良好的抗粘著磨損和顆粒磨損能力,同時，在滾動接觸疲勞過程中，高硬度能夠抵抗由應力導致的微區塑性變形。有資料研究指出，高碳鉻軸承鋼的硬度越高，軸承壽命越長[2-3]。由于內圈及滾子熱處理淬火溫度較低，組織中出現屈氏體組織，造成內圈及滾子的硬度低于技術要求，內圈滾道與滾子之間的摩擦力加大，軸承抗磨損能力下降，出現早期過度磨損疲勞，隨著時間的推移，軸承的精度不斷降低。

從軸承內圈滾道損傷微觀形貌看，有被硬物壓入形成的微小空洞及磨損的犁溝，微小空洞的大小相貌特征與滾子中的氮化物夾雜相類似，說明軸承的失效與滾子中的夾雜物有直接關系。滾子材料中存在較大尺寸的氮化物在循環應力作用力下，夾雜物附近的基體會發生局部的應變，當應變積累到一定程度，就會發展成微裂紋，從而脫落進入滾道，加劇了軸承的磨損疲勞。在軸承鋼材料夾雜物中，TiN類夾雜物對軸承壽命影響是最大的[4]，10μm以上TiN類夾雜物的危害性相當于尺寸為 50-100μm的 MgO-Al2O3尖晶石夾雜[1]，失效軸承滾子中的氮化物最大尺寸已達 36μm，且數量較多，極大影響了軸承使用的壽命。

綜上所述，由于軸承內圈及滾子的組織、硬度不合格造成軸承磨損疲勞，滾子中的氮化物加劇了軸承磨損疲勞程度，軸承精度的降低，最終導致軸承無法轉動，滾子與外圈受過度的擠壓而破裂。

3、結論與建議

（1）造成分動器軸承失效的原因是軸承滾子與內圈內圈熱處理不當，以及滾子中存在大顆粒氮化物。

（2）建議控制軸承熱處理工藝及材料中氮化物夾雜物的數量和尺寸。

[1] 謝文新,包燕平,王敏等. GCr15軸承鋼探傷缺陷與夾雜物的關系[J]. 鋼鐵, 2015, 50(3):44-48.

[2] Yoon D J,Lee M H,Jin J K,Kang S H,Nam T H Met Mater,2000; 6:429.

[3] Kim K H,,Lee J S.Mater Sci Technol,2012;28:50.

[4] 付杰,王平,徐君浩等.軸承鋼中微量元素氧—氮-鈦-鈣的作用與控制[J].特殊鋼, 1998, 19(6):31.

Tapered roller bearing failure reason analysis about the transfer case

Shao Ruiyong, Lv Yonggang
（R&D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Eengineering Technical Center of HeBei, baoding 071000）

Abatract: Transfer case rolling bearing is broken during the application in a certain SUV, it is found that there is pockmark and flaking on the surface of inner ring from bearing, bearing outer ring is cracked, bearing retainer and roller are broken. Analysis is done through chemical analysis, hardness measurement, scanning electronic microscope and metallography analysis on bearing failure. The result indicates that there are big nitrides existing in bearing material, it's easy to get pockmark; bearing inner ring and roller hardness is low, which easy to get wear. The bearing accuracy gets lower and broken under the effect of alternating stress.

bearing steel GCr15; carbide; nitride; fracture

邵瑞勇，就職于長城汽車股份有限公司。

TG115.2

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1671-7988 （2016）06-163-02