■ 郭浩，扈林莊，王姍姍，雷建中

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滾動(dòng)軸承是重要的基礎(chǔ)零部件，工業(yè)中應(yīng)用廣泛。滾針軸承是滾動(dòng)軸承的主要類(lèi)型之一，其特點(diǎn)是截面徑向尺寸小、軸承剛性好、具有較高的徑向負(fù)荷承載能力，因而特別適于在徑向安裝部位空間受到限制以及承載能力大的場(chǎng)合選用，因此，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)及工程機(jī)械的變速傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等處。然而，滾針軸承若失效，必然會(huì)造成相應(yīng)重要工程設(shè)備的重大損失，甚至造成安全事故，因此有必要對(duì)其進(jìn)行失效分析，掌握其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及常見(jiàn)失效形式和失效機(jī)理，以便更好地采取預(yù)防措施。

滾針軸承失效的影響因素較多，從軸承材料冶金質(zhì)量到軸承制造過(guò)程（冷熱加工、熱處理、磨削）、最后裝配以及后期服役期間任何步驟均會(huì)影響滾針軸承質(zhì)量，進(jìn)而影響其使用壽命。較多文獻(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行失效分析認(rèn)為軸承失效原因有疲勞磨損、材料孔洞缺陷、鍛造缺陷、磨削燒傷、維護(hù)不當(dāng)（環(huán)境腐蝕）以及裝配問(wèn)題。同時(shí)文獻(xiàn)對(duì)航空軸承失效問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)認(rèn)為軸承設(shè)計(jì)、制造（包括原材料質(zhì)量）、裝配、潤(rùn)滑、使用維護(hù)等方面均存在一些問(wèn)題，其中以設(shè)計(jì)、制造方面尤為突出。然而，針對(duì)滾針軸承，文獻(xiàn)認(rèn)為其失效原因主要有三種，如圖1所示。事實(shí)上，滾針軸承失效往往是多種因素耦合引起，因此很難完全對(duì)其失效原因具體歸類(lèi)。因此，有必要對(duì)失效滾針軸承進(jìn)行失效分析，尋求導(dǎo)致其失效的最主要因素，才能更好地采取改進(jìn)措施。遺憾的是，針對(duì)滾針軸承失效分析文獻(xiàn)較少，因此本文以4106滾針軸承滾針剝落實(shí)例進(jìn)行失效分析，以期為滾針軸承設(shè)計(jì)及采取預(yù)防措施提供借鑒。

圖1 滾針軸承主要失效形式

1.試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

現(xiàn)有一套型號(hào)為4106滾針軸承（見(jiàn)圖2），材料為GCr15。該軸承額定動(dòng)載荷為5500N，額定靜載荷為5000N，壽命要求為L(zhǎng)10=150h。該軸承的試驗(yàn)載荷2500N，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速3000r/min，采用L－AN32#油潤(rùn)滑。軸承在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)滾針剝落，軸承實(shí)際壽命僅為90h?，F(xiàn)對(duì)該滾針軸承的失效原因進(jìn)行分析。

圖2 失效滾針軸承的整體形貌

（1）宏觀形貌分析 對(duì)失效的4106滾針軸承拆套進(jìn)行宏觀形貌觀察。

整體外觀：此滾針軸承外徑面局部有劃痕（見(jiàn)圖2）；軸承兩端面密封完好，其中一端表面有劃痕，如圖3所示。

圖3 4106軸承兩端面整體形貌

外圈形貌：外圈內(nèi)徑面承載區(qū)顏色呈暗灰色，內(nèi)滾道整體磨損嚴(yán)重，局部有大小不一剝落坑，如圖4、圖5所示；內(nèi)徑面非承載區(qū)顏色光亮，沿周向有兩條磨痕，其中一條磨痕較寬，顏色發(fā)黑（見(jiàn)圖4）。

圖4 4106軸承外圈內(nèi)徑面形貌

圖 5 外圈內(nèi)滾道剝落區(qū)放大形貌

保持架形貌：保持架較為完整，側(cè)面與滾針接觸處有磨損痕跡（見(jiàn)圖6）； 保持架與滾針接觸處的一端磨損嚴(yán)重，凹坑較大，如圖6、圖7所示。

圖6 4106軸承保持架形貌

圖7 4106軸承保持架局部放大形貌

滾針形貌：9粒滾針呈灰色，無(wú)光澤，其中5粒有磨損且3粒磨損嚴(yán)重，磨損面積約為整個(gè)滾針表面的2/3，另外兩粒一端有剝落，如圖8、圖9所示；9粒滾針兩端面無(wú)明顯磨損痕跡（見(jiàn)圖8）。

潤(rùn)滑狀態(tài)：潤(rùn)滑脂呈灰黑色，表明已氧化，對(duì)滾針軸承及潤(rùn)滑脂進(jìn)行過(guò)濾清洗，未見(jiàn)明顯異物，如圖10所示。

圖8 4106軸承滾針整體形貌

圖9 4106軸承剝落滾針?lè)糯笮蚊?/p>

圖10 滾針軸承清洗渣滓

表1 滾針及外圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗(yàn)結(jié)果 （%）

（2）化學(xué)成分檢驗(yàn) 如表1所示，是采用的SPECTOR M9型直讀光譜儀對(duì)滾針及外圈進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)。由表1中的檢驗(yàn)結(jié)果可知，滾針及外圈的化學(xué)成分均符合標(biāo)GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的相關(guān)規(guī)定，為合格。

（3）硬度檢驗(yàn) 依據(jù)JB/T1255—2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)失效滾針軸承的滾針和外圈進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效滾針軸承的滾針及外圈的硬度均符合JB/T1255—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 硬度檢驗(yàn)結(jié)果 （HRC）

（4）金相檢驗(yàn) 依據(jù)GJB18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效滾針軸承的滾針和外圈的材料質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)JB/T1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滾針和外圈的淬回火組織進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表3、表4所示。由檢驗(yàn)結(jié)果可知：滾針及外圈的材料質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；滾針及外圈的淬回火組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

沿外圈剝落坑處切開(kāi)，磨制成金相試樣觀察：剝落坑深度約0.05mm，坑底有裂紋向基體內(nèi)擴(kuò)展，如圖11所示。觀察外圈承載區(qū)內(nèi)徑面金相組織，內(nèi)徑面無(wú)燒傷，如圖12所示。

（5）掃描電鏡分析 為了更詳細(xì)地觀察磨損形貌，采用JSM-6380LV掃描電子顯微鏡對(duì)一個(gè)表面嚴(yán)重磨損的滾針和一個(gè)端部磨損的滾針以及外圈進(jìn)行變倍觀察，如圖13～圖15所示。

表3 滾針和外圈的材料質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

表4 滾針和外圈的淬回火組織檢驗(yàn)結(jié)果

圖11 外圈剝落坑剖面形貌

圖12 外圈內(nèi)徑面金相組織

通過(guò)觀察外圈滾道面剝落坑發(fā)現(xiàn)：外圈內(nèi)徑面剝落坑大小不一，凹坑邊緣有微裂紋及破碎的基體；凹坑內(nèi)有明顯的碾壓痕跡，表明外圈內(nèi)徑因承受較大的力而出現(xiàn)疲勞剝落。

圖13 送檢軸承外圈滾道面剝落坑及放大形貌

圖14 一端磨損滾針及放大電鏡形貌

圖15 嚴(yán)重磨損的滾針及放大電鏡形貌

通過(guò)觀察端部磨損的滾針發(fā)現(xiàn)：滾針一端磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)剝落，其他表面完好，且剝落坑邊緣有碎屑及微裂紋，剝落坑內(nèi)有明顯的碾壓痕跡。

通過(guò)觀察嚴(yán)重磨損的滾針發(fā)現(xiàn)：滾針兩端均產(chǎn)生剝落坑，一端磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)二次剝落；剝落坑邊緣有碎屑及微裂紋，剝落坑內(nèi)有明顯的碾壓痕跡。

2.結(jié)果與討論

如前所述，滾針軸承從原材料到制造過(guò)程及裝配和后期維護(hù)服役以及潤(rùn)滑狀態(tài)整個(gè)過(guò)程均會(huì)影響其質(zhì)量，造成滾針軸承的早期失效。滾針軸承特點(diǎn)是滾針軸承裝有細(xì)而長(zhǎng)的滾子且軸承具有較高且均勻的徑向承載能力。通過(guò)上述檢驗(yàn)分析可知，該滾針軸承失效模式為表面起源型剝落且滾針軸承的化學(xué)成分、硬度及其均勻性，材料冶金質(zhì)量，淬回火組織均未發(fā)現(xiàn)異常，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除滾針軸承零件（滾針和外圈）材料質(zhì)量、熱處理質(zhì)量造成其失效的可能性；4106軸承清洗過(guò)濾渣滓未發(fā)現(xiàn)外來(lái)異物，排除異物污染潤(rùn)滑油的影響因素；4106軸承采用油潤(rùn)滑，雖然滾針和外圈內(nèi)徑面非承載區(qū)顏色變?yōu)榛液谏?，但金相組織檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)外圈承載區(qū)內(nèi)徑面無(wú)燒傷組織，因此可以排除潤(rùn)滑不足的影響因素。

4106滾針軸承特點(diǎn)是是外圈固定，滾針隨軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)于滾針軸承來(lái)說(shuō)，滾針表面應(yīng)承受均勻的徑向載荷。而該失效滾針軸承外圈滾道面上一側(cè)磨損嚴(yán)重，該側(cè)滾針表面出現(xiàn)周向大面積剝落（另一側(cè)無(wú)剝落），該側(cè)保持架也相對(duì)磨損嚴(yán)重，這些形貌特征表明該軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在偏載現(xiàn)象。滾針軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中由于偏載，導(dǎo)致載荷不均勻，改變了潤(rùn)滑油膜狀態(tài)，使承受較大載荷側(cè)滾針與內(nèi)徑面溫升，從而改變表層組織性能，隨著軸承繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，表層組織剝落碎裂，導(dǎo)致軸承早期失效。因此斷定，該4106滾針軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的偏載現(xiàn)象是導(dǎo)致其發(fā)生早期失效的主要原因。

3.結(jié)語(yǔ)

4106滾針軸承失效模式為表面起源型剝落，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的偏載現(xiàn)象是導(dǎo)致其發(fā)生早期失效的主要原因。