某配对用角接触球轴承失效原因分析

姚海波 崔静伟 师歌 张旭 王姗姗

摘要：以发生故障的主机中的失效轴承为例，分析了失效轴承零件的外观形貌、硬度、金相组织，从而确定了轴承失效的原因。

关键词：轴承;金相组织;失效原因

0  引言

某单位生产的主机在寿命试验中振动异常，拆解检查中发现某处旋转部件密封口处配对使用的某型号角接触球轴承失效，轴承编号分别为 39#和 41#，其中39#轴承保持架严重变形，轴承出现转动卡滞现象。该型号轴承为GCr15Z 钢制角接触球轴承，运转时接触角为 34～43°，保持架材料为铝青铜。本文通过对失效轴承零件进行外观形貌、硬度、金相组织分析，以确定39#轴承发生失效的原因。

1  外觀形貌

1.1 轴承零件宏观形貌观察与分析

拆机后两套失效轴承润滑脂已干结且已变成黑色。将轴承拆套，其宏观形貌见图 1。将轴承清洗烘干后，分别对其零件外观形貌进行观察，清洗后零件的外观形貌损伤情况见表 1。由表 1 宏观形貌观察结果可知：①两套轴承润滑脂均已干结发黑，说明轴承在运转过程存在一定程度的温升;②39#的外圈、内圈及保持架的宏观形貌均表明轴承整体运转异常;③41#整体运转整体较正常，但其保持架靠套圈有字端一侧的外径面有明显运转痕迹。

1.2 轴承零件微观形貌观察与分析

将两套轴承内外圈、钢球及保持架试样用超声波清洗、烘干后分别放入JSM-6380LV 扫描电镜中进行观察分析，并采用 INCA7582 型能谱仪对局部表面成分进行分析，其表面形貌进行变倍观察结果见表 2。

1.2.1 39#轴承

由表 2 结果可知，外圈挡边均与保持架外径面发生磨损，且表面有附着物，对其进行能谱成分分析，其主要为铜、铝、铁、铬、锰、氧、氟。由此可知，其表面附着物主要为保持架成分。外圈沟道面靠近斜坡一侧有较严重的运转磨损带，对应内圈有字端一侧沟道面的运转痕迹带，说明轴承运转轨迹异常。保持架靠套圈有字端一侧的外径面和内径面磨损均较另一侧严重，说明轴承运转过程中受力异常。将清洗轴承后的过滤物进行能谱分析，其主要为氧、铜、铝。

1.2.2 41#轴承

由表 2 结果可知，轴承零件整体运转轨迹未见异常，但保持架靠套圈有字端一侧外径面与外圈挡边接触，有明显的运转痕迹。

2  硬度检测

将两套轴承的内、外圈及随机选取的三粒钢球（编号分别为 1#、2#和3#）依次放置在洛氏硬度计上，采用 150kg 载荷，对零件硬度进行了检测，检测结果见表 3。由检测结果可知：两套轴承内、外圈端面硬度、钢球表面硬度及其均匀性均符合 ZJB J11038-93 标准要求。

3  金相检验

将内、外圈试样及钢球磨制、抛光后，采用 4%硝酸酒精腐蚀，按照标准ZJB J11038-93《军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求》规定，对其淬回火组织进行评级，并对其剖面的显微组织进行观察和分析，结果见表 4。

由表 4 检验结果可知：①两套轴承零件的淬回火组织及网状碳化物均符合相关标准要求。②39#轴承外圈挡边及靠近挡边的局部工作面均存在高温回火层，说明轴承在运转过程中存在温升现象，其他未见异常;内圈和钢球工作面均存在暗蚀区，说明轴承在运转过程中存在较大的应力，其他未见异常。③41#轴承零件工作面均无烧伤、无脱碳、无剥落。

4  结果分析

4.1 39#轴承

①轴承润滑脂变干发黑，轴承运转润滑不良。经对轴承清洗后的过滤物进行能谱分析，其主要为保持架基体材料的氧化物，未见外来杂质。

②轴承零件硬度及淬火组织均符合 ZJB J11038-93 标准要求。但外圈挡边及靠近挡边的局部工作面均存在高温回火层，说明轴承在运转中存在温升现象;内圈和钢球工作面均存在应变暗蚀区，说明轴承在运转过程中存在受力过大现象。

③外圈挡边表面的黏着物主要为保持架成分，说明挡边与保持架发生严重磨损。

④轴承外圈挡边、保持架靠套圈有字端一侧外径面、内圈挡边、保持架内径面均发生严重磨损;外圈靠斜坡一侧沟道及内圈靠有字端一侧沟道面均有明显的运转磨损痕迹，以上均说明轴承在运转过程中存在异常，即说明运转过程中存在异常载荷，导致保持架在运转过程中首先与外圈挡边发生持续相对滑动，摩擦挤压过程中保持架金属向端面迁移，摩擦磨损加剧形成较深的磨损槽，之后保持架形成内、外圈挡边同时引导的运转方式，进而发生内圈与保持架内径面开始产生磨损，最终导致以上轴承分析时的失效状态。

4.2 41#轴承

①轴承润滑脂变干发黑，轴承运转润滑不良。

②轴承运转痕迹无偏斜，但外圈挡边与保持架外径面发生接触，具有明显运转痕迹，且保持架半周运转痕迹更深，说明运转过程中保持架受到一定的轴向力从而引起偏斜运转。由于其与39#轴承配对使用，从轴承运转情况推断，是由于39#轴承保持架因外径摩擦挤压金属发生迁移，导致保持架宽度大于了套圈宽度，从而造成了对41#轴承保持架正常运转的干涉，最终形成了轴承的失效状态。

5  结论

39#轴承失效模式为沟磨损失效和保持架磨损变形，其失效的主要原因为运转过程中存在异常载荷。

参考文献：

[1]王姗姗，郭浩，雷建中，等.我国滚动轴承磨损失效分析现状及展望[J].轴承，2017（10）：58-63.

[2]常振，夏新涛，李云飞，等.滚动轴承性能不确定性与可靠性评估[J].中国机械工程，2017，18（28）：2209-2216.

[3]贾群义.滚动轴承的设计原理与应用技术[M].西北工业大学出版社，1991.