某配對用角接觸球軸承失效原因分析

姚海波 崔靜偉 師歌 張旭 王姍姍

摘要：以發生故障的主機中的失效軸承為例，分析了失效軸承零件的外觀形貌、硬度、金相組織，從而確定了軸承失效的原因。

關鍵詞：軸承;金相組織;失效原因

0 ?引言

某單位生產的主機在壽命試驗中振動異常，拆解檢查中發現某處旋轉部件密封口處配對使用的某型號角接觸球軸承失效，軸承編號分別為 39#和 41#，其中39#軸承保持架嚴重變形，軸承出現轉動卡滯現象。該型號軸承為GCr15Z 鋼制角接觸球軸承，運轉時接觸角為 34～43°，保持架材料為鋁青銅。本文通過對失效軸承零件進行外觀形貌、硬度、金相組織分析，以確定39#軸承發生失效的原因。

1 ?外觀形貌

1.1 軸承零件宏觀形貌觀察與分析

拆機后兩套失效軸承潤滑脂已干結且已變成黑色。將軸承拆套，其宏觀形貌見圖 1。將軸承清洗烘干后，分別對其零件外觀形貌進行觀察，清洗后零件的外觀形貌損傷情況見表 1。由表 1 宏觀形貌觀察結果可知：①兩套軸承潤滑脂均已干結發黑，說明軸承在運轉過程存在一定程度的溫升;②39#的外圈、內圈及保持架的宏觀形貌均表明軸承整體運轉異常;③41#整體運轉整體較正常，但其保持架靠套圈有字端一側的外徑面有明顯運轉痕跡。

1.2 軸承零件微觀形貌觀察與分析

將兩套軸承內外圈、鋼球及保持架試樣用超聲波清洗、烘干后分別放入JSM-6380LV 掃描電鏡中進行觀察分析，并采用 INCA7582 型能譜儀對局部表面成分進行分析，其表面形貌進行變倍觀察結果見表 2。

1.2.1 39#軸承

由表 2 結果可知，外圈擋邊均與保持架外徑面發生磨損，且表面有附著物，對其進行能譜成分分析，其主要為銅、鋁、鐵、鉻、錳、氧、氟。由此可知，其表面附著物主要為保持架成分。外圈溝道面靠近斜坡一側有較嚴重的運轉磨損帶，對應內圈有字端一側溝道面的運轉痕跡帶，說明軸承運轉軌跡異常。保持架靠套圈有字端一側的外徑面和內徑面磨損均較另一側嚴重，說明軸承運轉過程中受力異常。將清洗軸承后的過濾物進行能譜分析，其主要為氧、銅、鋁。

1.2.2 41#軸承

由表 2 結果可知，軸承零件整體運轉軌跡未見異常，但保持架靠套圈有字端一側外徑面與外圈擋邊接觸，有明顯的運轉痕跡。

2 ?硬度檢測

將兩套軸承的內、外圈及隨機選取的三粒鋼球（編號分別為 1#、2#和3#）依次放置在洛氏硬度計上，采用 150kg 載荷，對零件硬度進行了檢測，檢測結果見表 3。由檢測結果可知：兩套軸承內、外圈端面硬度、鋼球表面硬度及其均勻性均符合 ZJB J11038-93 標準要求。

3 ?金相檢驗

將內、外圈試樣及鋼球磨制、拋光后，采用 4%硝酸酒精腐蝕，按照標準ZJB J11038-93《軍用高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理質量要求》規定，對其淬回火組織進行評級，并對其剖面的顯微組織進行觀察和分析，結果見表 4。

由表 4 檢驗結果可知：①兩套軸承零件的淬回火組織及網狀碳化物均符合相關標準要求。②39#軸承外圈擋邊及靠近擋邊的局部工作面均存在高溫回火層，說明軸承在運轉過程中存在溫升現象，其他未見異常;內圈和鋼球工作面均存在暗蝕區，說明軸承在運轉過程中存在較大的應力，其他未見異常。③41#軸承零件工作面均無燒傷、無脫碳、無剝落。

4 ?結果分析

4.1 39#軸承

①軸承潤滑脂變干發黑，軸承運轉潤滑不良。經對軸承清洗后的過濾物進行能譜分析，其主要為保持架基體材料的氧化物，未見外來雜質。

②軸承零件硬度及淬火組織均符合 ZJB J11038-93 標準要求。但外圈擋邊及靠近擋邊的局部工作面均存在高溫回火層，說明軸承在運轉中存在溫升現象;內圈和鋼球工作面均存在應變暗蝕區，說明軸承在運轉過程中存在受力過大現象。

③外圈擋邊表面的黏著物主要為保持架成分，說明擋邊與保持架發生嚴重磨損。

④軸承外圈擋邊、保持架靠套圈有字端一側外徑面、內圈擋邊、保持架內徑面均發生嚴重磨損;外圈靠斜坡一側溝道及內圈靠有字端一側溝道面均有明顯的運轉磨損痕跡，以上均說明軸承在運轉過程中存在異常，即說明運轉過程中存在異常載荷，導致保持架在運轉過程中首先與外圈擋邊發生持續相對滑動，摩擦擠壓過程中保持架金屬向端面遷移，摩擦磨損加劇形成較深的磨損槽，之后保持架形成內、外圈擋邊同時引導的運轉方式，進而發生內圈與保持架內徑面開始產生磨損，最終導致以上軸承分析時的失效狀態。

4.2 41#軸承

①軸承潤滑脂變干發黑，軸承運轉潤滑不良。

②軸承運轉痕跡無偏斜，但外圈擋邊與保持架外徑面發生接觸，具有明顯運轉痕跡，且保持架半周運轉痕跡更深，說明運轉過程中保持架受到一定的軸向力從而引起偏斜運轉。由于其與39#軸承配對使用，從軸承運轉情況推斷，是由于39#軸承保持架因外徑摩擦擠壓金屬發生遷移，導致保持架寬度大于了套圈寬度，從而造成了對41#軸承保持架正常運轉的干涉，最終形成了軸承的失效狀態。

5 ?結論

39#軸承失效模式為溝磨損失效和保持架磨損變形，其失效的主要原因為運轉過程中存在異常載荷。

參考文獻：

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