軸承鉚釘頭脫落分析

王曉東

（中國航空發動機集團，北京 100097）

0 引言

軸承作為航空發動機的重要零件，其質量和可靠性直接影響發動機性能[1-2]。對軸承而言，除加工制造的質量外，其鉚合裝配質量也是影響其可靠性的因素之一[3]。在對新品軸承驗收時，發現20套軸承存在單側鉚釘頭脫落的問題，而該型軸承自2013年至今，已經發生多起由于單側鉚釘頭脫落導致的故障。

對于軸承的失效問題，多數研究者的關注點在軸承內外圈、鋼球及保持架故障部分[4-9]。例如，王全等[10]研究了某型航空發動機軸承內圈斷裂原因，并提出了改進方法；Morales-Espejel等[11]針對滾動軸承套圈表面及次表面失效建立了理論模型；楊曉峰等[12]研究了第二代高溫軸承材料8Cr4Mo4V制鋼球接觸疲勞失效機理。少部分軸承的失效分析可見鉚釘脫落報道，但故障多集中于軸承內外圈發生剝落后出現的。例如，于慶杰等[13]在對某型溝道剝落、鉚釘斷裂的軸承進行失效分析時，認為鉚釘斷裂是由于滾道表面損傷和軸承工作系統共振，引發的鋼球對保持架兜孔產生不規則的周向、軸向反復撞擊，超出鉚釘承受的抗拉強度而出現斷裂。李運菊等[14]報道了鉚釘釘頭的非鉚接一端由于存在間隙引起的疲勞斷裂。陳星等[15]報道了由于安裝孔同軸度存在偏差導致的鉚釘疲勞斷裂等。而關于因鉚釘頭本身加工工藝或者質量問題引發的失效報道較少。

本研究通過對該型軸承鉚釘斷口進行宏觀、微觀檢測分析，揭示其斷裂原因及機理，為軸承失效分析機理提供相關思路，同時為軸承質量及可靠性提升提供支撐。

1 試驗過程與結果

1.1 失效軸承宏觀觀察

對20套掉鉚釘頭（材質為7A03鋁）的新品軸承密封件進行觀察，發現其內部油脂充足。鉚釘均為單側鉚釘頭脫落，脫落數量為1～8個，典型脫落形貌如圖1所示，軸承脫落鉚釘頭數量見表1。對20套軸承進行尺寸精度、旋轉精度、徑向游隙檢測，檢測結果符合標準要求。

表1 軸承鉚釘頭脫落數量統計Table 1 Statistics on the number of bearing rivet heads falling off

圖1 軸承鉚釘頭脫落宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the rivet heads falling off bearing

通過建立故障樹的方式進行失效分析。在對鉚釘加工工藝流程和軸承裝配鉚合工藝流程進行梳理時，發現軸承兩側釘頭并非同時加工成型，而是存在較長時差，且經歷不同的熱處理工藝。詳見以下流程：

1）鉚釘加工工藝流程：鉚釘絲固溶處理（加熱至(460±5) ℃，保溫時間30 min，室溫水淬）→冷沖壓形成單側原始鉚合成型釘頭（簡稱“原釘頭”）→檢測→表面化學處理→包裝入庫待使用時再取出。加工后的原鉚釘外觀示意圖見圖2a，釘帽表面的水平條紋與加工磨具有關（圖2b）。

圖2 原釘頭示意圖及實物圖Fig.2 Schematic diagram and physical photo of original rivet head

2）軸承裝配鉚合工藝流程：進行軸承裝配鉚合前，需對鉚釘進行再次固溶處理（工藝參數不變），并在6 h內完成鉚合，此時形成的另一側釘頭稱為后鉚合釘頭（圖3）。由于后鉚合釘頭加工工裝不同，與原釘頭水平條紋不同，后鉚合釘頭側的釘帽表面存在放射狀條紋（圖3b）。

圖3 后鉚合釘頭示意圖及實物圖Fig.3 Schematic diagram and physical photo of the post-riveted head

通過對鉚釘頭脫落軸承的鉚釘帽宏觀形貌進行對比，可以確定脫落的均為原釘頭。

1.2 鉚釘斷口微觀觀察

對脫落鉚釘的斷口進行掃描電鏡觀察，結果見圖4。由圖4可以看出，斷口表面絕大部分區域呈沿晶斷裂特征[16-17]，鉚釘為脆性斷裂；斷口邊緣區域晶粒較小，心部區域晶粒較大；圖4a中藍色框區域為韌窩特征。此外，由圖4a還可以看出，已脫落釘頭外圍的保持架鋁片孔邊被釘頭擠壓而呈現出凹坑狀痕跡（圖4a黑色箭頭所示），表明鉚合后存在明顯擠壓變形，應為鉚合過緊所致。

圖4 鉚釘斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the rivet clamp fracture

1.3 斷裂鉚釘截面組織觀察

將脫落和未脫落的鉚釘制成金相試樣進行組織觀察，結果如圖5所示。由圖可以看出，未脫落的后鉚合釘頭部分被軸向擠壓變形，流線特征清晰，金相組織呈纖維狀（圖5a）；原釘頭組織為細小晶粒，釘桿處為大晶粒組織，鉚釘桿與原釘頭連接處存在70 μm左右的損傷空缺（圖5b紅色圓圈所示）。

圖5 后鉚合及原鉚釘頭截面組織Fig.5 Microstructure of the post-riveted and original rivet head

對圖5b中原釘頭與鉚釘桿連接處空缺位置進行截面觀察，可以看出，空缺位于保持架鋁片倒角處，此處恰好是大晶粒與小晶粒的交界位置（圖6a）。對比鉚釘頭脫落后殘留部分的組織形貌（圖6b），可以確定原釘頭與鉚釘桿交接部位周向分布的空缺應為開裂源，然后沿徑向向內部擴展，最終導致原釘頭脫落。

圖6 原釘頭脫落前后截面組織特征Fig.6 Microstructure of the river head before and after falling off

1.4 原釘頭鉚合前后與釘桿連接處截面觀察

為分析圖6a位置出現空缺的原因，支撐后續工藝優化，對原釘頭鉚合前后與釘桿連接處截面進行觀察。取未鉚合新品鉚釘沿軸向制備鑲嵌試樣，對原釘頭與釘桿連接處位置進行觀察，結果見圖7?？梢娽敆U與釘頭呈90°垂直，釘桿表面光滑無任何損傷空缺。

圖7 原釘頭鉚合前狀態Fig.7 Condition of of the original rivet head before riveting

將20套鉚釘頭脫落軸承保持架截斷，取出鉚釘和保持架部分，沿軸向制成金相試樣，磨拋后觀察未脫落原釘頭與保持架結合位置截面，結果如圖8所示?？蓪⑵錉顟B歸納為2種：一種為原釘頭變形不充分，與鋁片存在空缺狀態（圖8a～圖8c）；另一種為原釘頭變形充分，與保持架鋁片倒角位置貼合完好狀態（圖8d）。對比2種狀態可以推斷，原釘頭與釘桿處的空缺形成原因是鉚合成型過程中原釘頭變形不充分，導致與保持架鋁片倒角位置貼合不緊密，從而在原釘頭與釘桿之間形成應力集中。

圖8 原釘頭鉚合前狀態Fig.8 Condition of the original rivet head before riveting

將鉚釘頭脫落軸承和新品鉚釘頭未脫落軸承截取出后鉚合釘頭和保持架位置，制成金相試樣，觀察后鉚合釘頭與保持架結合位置的截面，結果見圖9?？梢钥闯?，后鉚合釘頭與保持架鋁片倒角位置貼合較好，無容易產生應力集中的空缺。

圖9 后鉚合釘頭鉚合后狀態Fig.9 Condition of the post-riveted rivet head

2 分析與討論

結合該型軸承鉚釘加工工藝流程以及金相組織分析結果可知，原釘頭經第一次擠壓形成纖維狀組織，而鉚合前又經歷第二次固溶處理，纖維狀組織發生回復再結晶，形成細小的晶粒。有研究表明，鋁合金在形變回復時會發生再結晶[18]。而釘桿部分仍為固溶后的原始晶粒，即在原釘頭與釘桿交界處，形成明顯的組織交界線。以上組織轉變過程降低了交界線位置的韌性，增加鉚釘的空缺敏感性。

此外，對比鉚釘頭脫落軸承和新品鉚釘頭未脫落軸承的原釘頭和保持架鋁片倒角位置形貌，可知由于鉚合成型過程中原釘頭變形不充分，導致與保持架鋁片倒角位置貼合不緊密，在原釘頭與鉚釘桿處形成應力集中空缺；或者由于鉚合過緊，使得原釘頭與保持架鋁片倒角位置貼合緊密，但容易在交界處形成周向空缺。當軸承受到振動或高溫作用時，容易在空缺處產生開裂，并沿二次固溶導致的脆性組織交界線擴展，最終導致原釘頭脫落。

本例中軸承脫落的鉚釘頭均為原釘頭，針對該類鉚釘單面鉚合后原釘頭變形不充分產生的應力集中缺口及二次固溶再結晶產生脆性界面問題，建議建議采用雙面壓力鉚合工藝，以保證軸承兩側鉚釘頭鉚合狀態的一致性，優化軸承鉚合工藝方法，以提高軸承鉚合質量。

3 結論與建議

1）該型軸承采用單側鉚合方式，均為原釘頭單側脫落，斷裂性質為沿晶脆性斷裂。

2）原釘頭在最終鉚合前由于進行了二次固溶處理，發生再結晶，在原釘頭與釘桿處形成脆性組織交界面；在鉚合過程中，原釘頭變形不充分或鉚合過緊，與釘桿之間形成空缺，導致鉚釘在運輸或使用過程中承受振動和高溫的情況下造成沿晶斷裂。

3）建議采用雙面鉚合方式以保證軸承兩側鉚釘頭鉚合狀態的一致性，提高軸承鉚合質量。