軸承外圈失效分析

單春燕，曾慶雨，胡智，劉琪，毛曉軍

1.貴州省材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 貴州貴陽 550014

2.國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心 貴州貴陽 550014

3.中國振華（集團）新云電子元器件有限責(zé)任公司 貴州貴陽 550018

4.貴州楓陽液壓有限責(zé)任公司 貴州貴陽 550000

1 序言

軸承作為機械設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其運行狀態(tài)關(guān)乎整個機械設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)[1-3]。然而，由于長時間的使用、缺乏維護保養(yǎng)，以及不當(dāng)?shù)陌惭b等原因，軸承可能會出現(xiàn)提前失效情況，嚴重影響設(shè)備的正常運行[4]。在所有以滾動軸承為零部件的旋轉(zhuǎn)機械中，因軸承損壞而造成的故障率約占1/3[5]。因此，對軸承失效進行分析和處理，對于保證設(shè)備的長期安全運行具有重要意義[6]。

ZGCr15是生產(chǎn)軸承滾動體及套圈的常用鋼種之一，綜合性能優(yōu)良，退火后有良好的切削加工性能，淬火和回火后硬度高且均勻，耐磨性能和接觸疲勞強度高，熱加工性能好，適用于高速精確長壽軸承設(shè)施，如機床的主軸軸承、高速滾動機軸承、機床軸承及航空軸承等[7]。

某型號發(fā)動機軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架組成，內(nèi)含滾珠。軸承內(nèi)圈、外圈、滾珠材質(zhì)均為ZGCr15。其中，外圈硬度為61～65HRC。失效軸承外圈在服役3000h時發(fā)生斷裂。本文通過對ZGCr15材質(zhì)軸承外圈零件進行失效分析判斷，提出軸承的斷裂機理，并根據(jù)斷裂原因提出建議。

2 試驗方法及結(jié)果

2.1 宏觀觀察

失效軸承外圈斷口宏觀形貌及結(jié)構(gòu)如圖1所示。斷裂發(fā)生在外圈上，軸承外圈無明顯塑性變形。

圖1 軸承零件結(jié)構(gòu)示意

將斷裂軸承外圈樣件在不破壞斷口的情況下斷開，露出金屬斷口；將斷口置于酒精溶液的超聲波清洗機中5min，清洗掉斷口表面的污染物，測得斷裂軸承寬度最小處為650μm、最大處為738μm，此處為軸承正常結(jié)構(gòu)尺寸。樣件在100倍下能看到明顯的放射線，具有脆性斷裂的宏觀斷口特征，根據(jù)放射線的走向，可以清晰地將失效軸承斷口劃分出斷裂源區(qū)、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)[8]，如圖2所示。

圖2 軸承零件斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀觀察

軸承零件不同區(qū)域斷口宏觀形貌如圖3所示。在斷裂源區(qū)可看到準解理形貌特征，并伴有韌窩特征，說明樣件在斷裂初期發(fā)生了輕微塑性變形（見圖3a）；在擴展區(qū)可以看到沿晶斷裂形貌并伴有微裂紋（見圖3b）；瞬斷區(qū)的微觀形貌呈沿晶開裂的準解理形貌[9，10]（見圖3c）；環(huán)形軸承外圈因斷裂產(chǎn)生的變形寬度約為122μm（見圖3d）；在250倍下可見到斷口邊緣處有一塊“黑斑區(qū)”（見圖3e）；“黑斑區(qū)”的微觀組織較為致密，無明顯斷裂特征（見圖3f）。

圖3 軸承零件不同區(qū)域斷口微觀形貌

2.3 化學(xué)成分分析

使用ICP-MS對斷裂軸承進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，斷裂軸承外圈的化學(xué)成分符合要求。

表1 斷裂軸承化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.4 能譜分析

對斷口的各個區(qū)域進行元素能譜分析，結(jié)果見表2。

表2 樣品元素能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）（%）

由表2可知，斷口處元素為Fe、C、Cr；“黑斑區(qū)”元素為Fe、C、Cr、Cu、Zn、O、F，且O含量較高，推斷軸承在此處有氧化腐蝕產(chǎn)物。Cu、Zn元素為軸承使用過程中的潤滑油添加劑的成分。

斷口的3個區(qū)域C含量相較于軸承外圈要求成分含量（見表1）高很多，斷口處C含量的增多使得該處材料的韌性變差，脆性提高[11]，這也是造成軸承開裂的主要原因。

2.5 硬度檢測

在軸承斷口附近橫截面進行洛氏硬度檢測，執(zhí)行GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗》規(guī)定，試樣測試3個點，結(jié)果見表3。由表3可知，軸承外圈實際硬度比技術(shù)要求高。

表3 洛氏硬度檢測結(jié)果 （HRC）

2.6 金相分析

圖4所示為斷裂軸承外圈的金相組織。由圖4可看出，失效外圈軸承斷口的析出相碳化物細小均勻，這也是導(dǎo)致軸承零件該部分硬度高的原因之一。

圖4 斷裂軸承外圈的金相組織

3 分析與討論

根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，化學(xué)成分符合相關(guān)要求，洛氏硬度結(jié)果較標(biāo)準值高。

1）軸承外圈宏觀斷口平齊，無明顯的塑性變形。斷口可見明顯的放射狀條紋，具有脆性斷裂的宏觀斷口特征。根據(jù)條紋特征可以推斷出斷裂源區(qū)、放射區(qū)及瞬斷區(qū)。

2）由斷口微觀形貌可知，斷口的斷裂源區(qū)主要為準解理形貌加部分韌窩形貌，說明樣件在斷裂初期發(fā)生了微小的塑性變形；放射區(qū)為沿晶斷裂形貌；瞬斷區(qū)呈沿晶開裂的準解理形貌特征。

3）根據(jù)以上檢測分析，可以判斷樣件發(fā)生了脆性斷裂。另外，斷口的“黑斑”異物覆蓋區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)致密，經(jīng)能譜分析，“黑斑區(qū)”的元素相較于斷裂三區(qū)有Cu、Zn、O、F等元素，Cu、Zn元素為潤滑油添加劑所含元素，且F為鋼材使用過程中的腐蝕性元素，這說明軸承的使用環(huán)境含有腐蝕性物質(zhì)。

4）軸承外圈斷口的C含量比標(biāo)準值高。斷口金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，斷口的析出相碳化物細小均勻。高含量的碳使材料的韌性變差、脆性增大，這也是樣件斷裂的重要原因之一。

5）經(jīng)上述斷口特征分析，外圈軸承在使用環(huán)境中有腐蝕性物質(zhì)，導(dǎo)致零件在表面發(fā)生了氧化腐蝕。氧化腐蝕區(qū)域成為外圈軸承使用過程中的應(yīng)力集中點，在外力作用下發(fā)生斷裂。另外，軸承外圈的硬度比標(biāo)準值高，導(dǎo)致材料的韌性低、延展性差，最終導(dǎo)致發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論與建議

1）軸承斷裂機理為脆性斷裂。

2）軸承在使用過程用，因為F元素的介入使軸承的邊緣發(fā)生腐蝕，在應(yīng)力作用下，腐蝕區(qū)域形成應(yīng)力集中。

3）建議在使用過程中要保持軸承使用環(huán)境清潔，嚴格控制與金屬表面接觸的各種環(huán)境介質(zhì)。

4）在材料加工過程中需要進行高溫退火處理，以降低外圈軸承鋼的硬度。