提升機(jī)軸承失效原因分析

趙益洛，胡寒婷

1.中機(jī)十院國(guó)際工程有限公司 河南洛陽(yáng) 471000

2.中信重工機(jī)械股份有限公司計(jì)量檢測(cè)中心 河南洛陽(yáng) 471000

1 序言

某公司生產(chǎn)的JKM-4.5×6m提升機(jī)，在設(shè)備點(diǎn)檢中發(fā)現(xiàn)其固定端主軸承240/1060-B-K30-MB有發(fā)熱振動(dòng)情況，潤(rùn)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(kāi)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外圈滾道有小面積的剝落現(xiàn)象（三處約10mm長(zhǎng)度），但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，其后在14天的檢查中發(fā)現(xiàn)外圈剝落發(fā)展很快（三處剝落連接成線約100mm長(zhǎng)），到一個(gè)月后完成軸承更換時(shí)，軸承內(nèi)外圈剝落形貌如圖1、圖2所示。同時(shí)發(fā)現(xiàn)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(xiàn)剝落到軸承失效是在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)完成的。該軸承為FAG公司進(jìn)口錐孔結(jié)構(gòu)雙列向心球面滾子軸承，安裝時(shí)間已超三年。

圖1 內(nèi)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(kāi)裂面形貌

2 理化檢測(cè)分析

2.1 宏觀觀察

將內(nèi)外圈上的裂紋打開(kāi)后觀察（見(jiàn)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(gè)斷口上都有分布擴(kuò)展方向非常清晰的疲勞條帶，斷口齊平、光滑，沒(méi)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(nèi)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(nèi)外圈單側(cè)滾道上出現(xiàn)剝落帶與開(kāi)裂，同時(shí)保持架也出現(xiàn)單側(cè)磨損較重的情況，這說(shuō)明滾子與兩側(cè)滾道及保持架的接觸是不對(duì)稱(chēng)的，一側(cè)滾道上滾子與內(nèi)外圈及保持架的接觸應(yīng)力較小，另一側(cè)的接觸應(yīng)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(cè)，也表明滾子與滾道發(fā)生了傾斜接觸，作為外在表現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)也出現(xiàn)了軸承座振動(dòng)加劇及軸承升溫等現(xiàn)象。

2.2 化學(xué)成分分析

將所取試樣在直讀光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

從表1可看出，軸承內(nèi)外圈化學(xué)成分較為一致，與GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》中關(guān)于GCr15SiMn鋼的化學(xué)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(duì)所取試樣進(jìn)行磨制、拋光等操作后在金相顯微鏡下觀察，評(píng)定非金屬夾雜物級(jí)別，觀察組織并評(píng)定等級(jí)。

（1）夾雜物檢測(cè) 按GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》規(guī)定對(duì)其非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2，夾雜物評(píng)級(jí)不超標(biāo)。硫化物夾雜形態(tài)如圖9所示。

表2 外圈和內(nèi)圈試樣夾雜物評(píng)級(jí) （級(jí)）

圖9 硫化物夾雜形態(tài)（200×）

（2）組織檢測(cè) 將試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，觀察金相顯微組織，內(nèi)外圈組織皆為為回火馬氏體+碳化物顆粒，組織中存在網(wǎng)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(guī)定評(píng)定其碳化物級(jí)別，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖10 內(nèi)圈網(wǎng)狀碳化物（500×）

照11 內(nèi)圈裂紋源處網(wǎng)狀碳 化物（200×）

圖12 外圈網(wǎng)狀碳化物（500×）

圖13 外圈帶狀碳化物（500×）

表3 碳化物級(jí)別評(píng)定 （級(jí)）

另外，在內(nèi)外圈滾道剝落位置的垂直截面上發(fā)現(xiàn)有裂紋（見(jiàn)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(kuò)展，與網(wǎng)狀碳化物的走勢(shì)有很多重合，這些裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展受到了網(wǎng)狀碳化物的影響。

圖14 內(nèi)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(qū)及剝落區(qū)域，在這些區(qū)域均觀察到明顯的疲勞弧線及臺(tái)階存在（見(jiàn)圖16、圖17），而疲勞弧線又是判斷疲勞斷裂的基本依據(jù)，因此不論是開(kāi)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(zhǔn)解理斷裂（見(jiàn)圖18）。

圖16 裂紋源微觀斷口形貌

圖17 剝落區(qū)域的疲勞弧線

圖18 斷口呈準(zhǔn)解理斷裂

另外，在剝落帶內(nèi)存在明顯的疲勞弧線及二次臺(tái)階（見(jiàn)圖19、圖20），且在一些區(qū)域因受到表面接觸應(yīng)力的作用而向下擴(kuò)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?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在組織結(jié)構(gòu)中存在大量超標(biāo)網(wǎng)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(huì)逐漸擴(kuò)展并最終形成開(kāi)裂。

圖19 疲勞臺(tái)階向下擴(kuò)展形成裂紋

圖20 剝落坑內(nèi)疲勞弧線前端擴(kuò)展形成裂紋

2.5 硬度檢測(cè)

在內(nèi)外圈金相試樣上進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 硬度檢測(cè)結(jié)果 （HRC）

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

3 原因分析

1）由以上理化分析可知，軸承內(nèi)外圈存在有碳化物偏析現(xiàn)象，如網(wǎng)狀、帶狀，特別是網(wǎng)狀碳化物十分嚴(yán)重，在組織基體上普遍分布且已密閉成網(wǎng)，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(xù)性，使軸承抗疲勞、抗沖擊性能?chē)?yán)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(fā)生，滾道剝落就更容易形核發(fā)展，在剝落坑位置形成應(yīng)力集中點(diǎn)后裂紋形成及擴(kuò)展的接觸應(yīng)力門(mén)檻值也容易滿足，應(yīng)力集中，將顯著降低零部件的疲勞極限[1]。因此，嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物是軸承失效的主要原因。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的資料，在軸承安裝三年后點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承升溫、振動(dòng)加劇且外圈滾道出現(xiàn)小面積的剝落，隨后不到一個(gè)月時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)大面積的剝落帶及內(nèi)外圈開(kāi)裂導(dǎo)致軸承失效，在此期間，軸承的振動(dòng)及溫度都有所加?。ㄕ駝?dòng)2.1mm/s、軸承座溫度54℃、軸承內(nèi)圈溫度80℃）。由前文分析可知，這種情況是由滾子與兩側(cè)滾道及保持架的接觸不對(duì)稱(chēng)造成局部接觸應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的，這是導(dǎo)致軸承失效的誘因。

而軸承的溫度升高及振動(dòng)加劇又會(huì)產(chǎn)生一些新的問(wèn)題，對(duì)軸承失效產(chǎn)生影響。軸承在非正常運(yùn)行階段，內(nèi)外圈及滾子的溫度升高，會(huì)使軸承內(nèi)潤(rùn)滑油變稀從而流出（在現(xiàn)場(chǎng)資料中有記錄），潤(rùn)滑油黏度低，容易使油滲入裂紋中，加速裂紋擴(kuò)展，使疲勞壽命降低[2]。同時(shí)根據(jù)內(nèi)外圈及滾子的熱膨脹系數(shù)（FAG提供）計(jì)算出在溫度較高的情況下，運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)安裝游隙過(guò)小時(shí)，滾子對(duì)內(nèi)外圈滾道的接觸應(yīng)力將變大，會(huì)進(jìn)一步加劇剝落與裂紋的產(chǎn)生擴(kuò)展。安裝游隙過(guò)小同樣會(huì)促使內(nèi)圈產(chǎn)生軸向開(kāi)裂。而滾子對(duì)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(yīng)力集中區(qū)域，造成軸承外圈沿碾壓路線開(kāi)裂。

4 結(jié)論及建議

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

首先，GCr15SiMn鋼在兩相區(qū)變形時(shí)可以利用滲碳體塑性極差的特點(diǎn)，通過(guò)塑性加工破碎先共析滲碳體，以達(dá)到破碎網(wǎng)狀碳化的目的。

其次，采用高溫?cái)U(kuò)散，并將終軋溫度控制到更低，同時(shí)也可降低開(kāi)始控冷溫度和控冷后溫度，以避開(kāi)碳化物析出高峰區(qū)域[3]。

2）滾子與滾道及保持架兩側(cè)的不對(duì)稱(chēng)接觸造成局部接觸應(yīng)力過(guò)大，是導(dǎo)致軸承失效的誘因。

解決方法：第一，安裝時(shí)注意控制安裝游隙；第二，合理控制潤(rùn)滑油黏度。