提升機軸承失效原因分析

趙益洛，胡寒婷

1.中機十院國際工程有限公司 河南洛陽 471000

2.中信重工機械股份有限公司計量檢測中心 河南洛陽 471000

1 序言

某公司生產的JKM-4.5×6m提升機，在設備點檢中發現其固定端主軸承240/1060-B-K30-MB有發熱振動情況，潤滑油從主軸與軸承蓋的縫隙處流出（升溫黏度降低所致）。將軸承打開進一步檢查發現，內外圈滾道有小面積的剝落現象（三處約10mm長度），但并沒有發現裂紋，其后在14天的檢查中發現外圈剝落發展很快（三處剝落連接成線約100mm長），到一個月后完成軸承更換時，軸承內外圈剝落形貌如圖1、圖2所示。同時發現保持架一端完好，另一端磨損較重，如圖3、圖4所示；滾子保持完好，如圖5所示。由此可知，從出現剝落到軸承失效是在一個較短的時間內完成的。該軸承為FAG公司進口錐孔結構雙列向心球面滾子軸承，安裝時間已超三年。

圖1 內圈剝落與軸向裂紋

圖2 外圈剝落與周向裂紋

圖3 保持架一端完好，另一端磨損較重

圖4 保持架磨損一端形貌放大

圖5 滾子保持完好

圖7 外圈周向開裂面形貌

2 理化檢測分析

2.1 宏觀觀察

將內外圈上的裂紋打開后觀察（見圖6～圖8），斷口上有明顯的呈貝殼狀的疲勞弧線，其反向指向斷裂源，特別是外圈整個斷口上都有分布擴展方向非常清晰的疲勞條帶，斷口齊平、光滑，沒有明顯的塑性變形，斷口為脆性斷口，斷裂形式屬疲勞斷裂。

圖6 內圈裂紋源及取樣位置

圖8 外圈裂紋源及取樣位置

從圖1～圖4可看出，內外圈單側滾道上出現剝落帶與開裂，同時保持架也出現單側磨損較重的情況，這說明滾子與兩側滾道及保持架的接觸是不對稱的，一側滾道上滾子與內外圈及保持架的接觸應力較小，另一側的接觸應力則較大，且從保持架上滾子的傾斜壓痕及外圈剝落帶和周向裂紋分布在滾道一側，也表明滾子與滾道發生了傾斜接觸，作為外在表現，現場也出現了軸承座振動加劇及軸承升溫等現象。

2.2 化學成分分析

將所取試樣在直讀光譜儀上進行化學成分分析，結果見表1。

表1 試樣化學成分（質量分數） （%）

從表1可看出，軸承內外圈化學成分較為一致，與GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》中關于GCr15SiMn鋼的化學成分要求基本相符。

2.3 金相分析

按圖8中劃紅線位置線切割取金相試樣，對所取試樣進行磨制、拋光等操作后在金相顯微鏡下觀察，評定非金屬夾雜物級別，觀察組織并評定等級。

（1）夾雜物檢測 按GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》規定對其非金屬夾雜物進行評級，評級結果見表2，夾雜物評級不超標。硫化物夾雜形態如圖9所示。

表2 外圈和內圈試樣夾雜物評級 （級）

圖9 硫化物夾雜形態（200×）

（2）組織檢測 將試樣經4%硝酸酒精溶液腐蝕后，觀察金相顯微組織，內外圈組織皆為為回火馬氏體+碳化物顆粒，組織中存在網狀及帶狀碳化物，如圖10～圖13所示。依照GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》規定評定其碳化物級別，結果見表3。

圖10 內圈網狀碳化物（500×）

照11 內圈裂紋源處網狀碳 化物（200×）

圖12 外圈網狀碳化物（500×）

圖13 外圈帶狀碳化物（500×）

表3 碳化物級別評定 （級）

另外，在內外圈滾道剝落位置的垂直截面上發現有裂紋（見圖14、圖15），這些裂紋起始于剝落帶，從表面向里大致沿晶界擴展，與網狀碳化物的走勢有很多重合，這些裂紋的產生與擴展受到了網狀碳化物的影響。

圖14 內圈剝落坑延展裂紋（200×）

圖15 外圈剝落坑延展裂紋（200×）

2.4 斷口分析

使用電鏡掃描裂紋源區及剝落區域，在這些區域均觀察到明顯的疲勞弧線及臺階存在（見圖16、圖17），而疲勞弧線又是判斷疲勞斷裂的基本依據，因此不論是開裂還是剝落都具有明顯的疲勞失效特征。斷口的主要形式為準解理斷裂（見圖18）。

圖16 裂紋源微觀斷口形貌

圖17 剝落區域的疲勞弧線

圖18 斷口呈準解理斷裂

另外，在剝落帶內存在明顯的疲勞弧線及二次臺階（見圖19、圖20），且在一些區域因受到表面接觸應力的作用而向下擴展形成裂紋，這樣的裂紋在之前的金相顯微組織觀察中也有看到。可以預見，在組織結構中存在大量超標網狀碳化物的情況下，這些裂紋在滾子與滾道的擠壓接觸中會逐漸擴展并最終形成開裂。

圖19 疲勞臺階向下擴展形成裂紋

圖20 剝落坑內疲勞弧線前端擴展形成裂紋

2.5 硬度檢測

在內外圈金相試樣上進行洛氏硬度檢測，結果見表4。

表4 硬度檢測結果 （HRC）

從表4可看出，硬度在下限，不過仍然滿足JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》中軸承零件馬氏體淬火、回火后硬度57～63HRC的標準要求（常規回火后硬度）。

3 原因分析

1）由以上理化分析可知，軸承內外圈存在有碳化物偏析現象，如網狀、帶狀，特別是網狀碳化物十分嚴重，在組織基體上普遍分布且已密閉成網，這樣就在晶界上形成了一層很脆的硬殼，破壞了金屬基體的連續性，使軸承抗疲勞、抗沖擊性能嚴重下降。存在這樣明顯的組織缺陷，材料的疲勞極限大大降低，疲勞失效變得容易發生，滾道剝落就更容易形核發展，在剝落坑位置形成應力集中點后裂紋形成及擴展的接觸應力門檻值也容易滿足，應力集中，將顯著降低零部件的疲勞極限[1]。因此，嚴重的網狀碳化物是軸承失效的主要原因。

2）根據現場提供的資料，在軸承安裝三年后點檢時發現軸承升溫、振動加劇且外圈滾道出現小面積的剝落，隨后不到一個月時間內就出現大面積的剝落帶及內外圈開裂導致軸承失效，在此期間，軸承的振動及溫度都有所加劇（振動2.1mm/s、軸承座溫度54℃、軸承內圈溫度80℃）。由前文分析可知，這種情況是由滾子與兩側滾道及保持架的接觸不對稱造成局部接觸應力過大產生的，這是導致軸承失效的誘因。

而軸承的溫度升高及振動加劇又會產生一些新的問題，對軸承失效產生影響。軸承在非正常運行階段，內外圈及滾子的溫度升高，會使軸承內潤滑油變稀從而流出（在現場資料中有記錄），潤滑油黏度低，容易使油滲入裂紋中，加速裂紋擴展，使疲勞壽命降低[2]。同時根據內外圈及滾子的熱膨脹系數（FAG提供）計算出在溫度較高的情況下，運轉中的軸承徑向游隙為-0.155mm，而非安裝原始徑向游隙為0.34mm。當安裝游隙過小時，滾子對內外圈滾道的接觸應力將變大，會進一步加劇剝落與裂紋的產生擴展。安裝游隙過小同樣會促使內圈產生軸向開裂。而滾子對滾道的非正常碾壓形成沿周向的剝落帶，在這條剝落帶上形成應力集中區域，造成軸承外圈沿碾壓路線開裂。

4 結論及建議

1）網狀碳化物超標是造成軸承失效的主要原因。控制網狀碳化物可以從以下兩方面著手。

首先，GCr15SiMn鋼在兩相區變形時可以利用滲碳體塑性極差的特點，通過塑性加工破碎先共析滲碳體，以達到破碎網狀碳化的目的。

其次，采用高溫擴散，并將終軋溫度控制到更低，同時也可降低開始控冷溫度和控冷后溫度，以避開碳化物析出高峰區域[3]。

2）滾子與滾道及保持架兩側的不對稱接觸造成局部接觸應力過大，是導致軸承失效的誘因。

解決方法：第一，安裝時注意控制安裝游隙；第二，合理控制潤滑油黏度。