慈溪市飛捷軸承有限公司
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軸承是精密的機(jī)械基礎(chǔ)件。由于科技進(jìn)步的迅速發(fā)展，客戶對軸 承產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。制造廠提供符合標(biāo)準(zhǔn)、滿足主機(jī)使用性 能的高質(zhì)量的產(chǎn)品固然重要，但正確使用軸承更為重要。筆者在近幾 年從事摩托車專用軸承的技術(shù)工作中，經(jīng)常碰到這樣的問題，即軸承 經(jīng)檢測是合格的，但裝機(jī)后軸承出現(xiàn)卡滯或使用時(shí)的早期止轉(zhuǎn)失效。 主要表現(xiàn)轉(zhuǎn)動卡滯感、工作面嚴(yán)重剝落，保持架嚴(yán)重磨損乃至扭曲與 斷裂。經(jīng)失效結(jié)果分析表明，屬于軸承本身質(zhì)量問題并不多，多數(shù)是 由于安裝使用不當(dāng)所造成。為此，筆者認(rèn)為有必要就軸承常見的失效 模式與機(jī)理作些膚淺的綜述，以期起到一個(gè)拋磚引玉的作用。
一、軸承的失效機(jī)理
1．接觸疲勞失效
接觸疲勞失效系指軸承工作表面受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生失 效。接觸疲勞剝落發(fā)生在軸承工作表面，往往也伴隨著疲勞裂紋，首 先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生，然后擴(kuò)展到表面形成不同 的剝落形狀，如點(diǎn)狀為點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落，剝落成小片狀的稱淺層剝落。 由于剝落面的逐漸擴(kuò)大，而往往向深層擴(kuò)展，形成深層剝落。深層剝 落是接觸疲勞失效的疲勞源。
2．磨損失效
磨損失效系指表面之間的相對滑動摩擦導(dǎo)致其工作表面金屬不 斷磨損而產(chǎn)生的失效。持續(xù)的磨損將引起軸承零件逐漸損壞，并最終 導(dǎo)致軸承尺寸精度喪失及其它相關(guān)問題。磨損可能影響到形狀變化， 配合間隙增大及工作表面形貌變化，可能影響到潤滑劑或使其污染達(dá)到一定程度而造成潤滑功能完全喪失，因而使軸承喪失旋轉(zhuǎn)精度乃至 不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。磨損失效是各類軸承常見的失效模式之一，按磨損形 式通?？煞譃樽畛Ｒ姷哪チＤp和粘著磨損。 磨粒磨損系指軸承工作表面之間擠入外來堅(jiān)硬粒子或硬質(zhì)異物 或金屬表面的磨屑且接觸表面相對移動而引起的磨損，常在軸承工作 表面造成犁溝狀的擦傷。硬質(zhì)粒子或異物可能來自主機(jī)內(nèi)部或來自主 機(jī)系統(tǒng)其它相鄰零件由潤滑介質(zhì)送進(jìn)軸承內(nèi)部。粘著磨損系指由于摩 擦表面的顯微凸起或異物使摩擦面受力不均，在潤滑條件嚴(yán)重惡化 時(shí)，因局部摩擦生熱，易造成摩擦面局部變形和摩擦顯微焊合現(xiàn)象， 嚴(yán)重時(shí)表面金屬可能局部熔化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點(diǎn)從 基體上撕裂而增大塑性變形。這種粘著——撕裂——粘著的循環(huán)過程 構(gòu)成了粘著磨損，一般而言，輕微的粘著磨損稱為擦傷，嚴(yán)重的粘著 磨損稱為咬合。
3．?dāng)嗔咽?
軸承斷裂失效主要原因是缺陷與過載兩大因素。當(dāng)外加載荷超過 材料強(qiáng)度極限而造成零件斷裂稱為過載斷裂。過載原因主要是主機(jī)突 發(fā)故障或安裝不當(dāng)。軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外來雜物、 過熱組織及局部燒傷等缺陷在沖擊過載或劇烈振動時(shí)也會在缺陷處 引起斷裂，稱為缺陷斷裂。應(yīng)當(dāng)指出，軸承在制造過程中，對原材料 的入廠復(fù)驗(yàn)、鍛造和熱處理質(zhì)量控制、加工過程控制中可通過儀器正 確分析上述缺陷是否存在，今后仍必須加強(qiáng)控制。但一般來說，通常 出現(xiàn)的軸承斷裂失效大多數(shù)為過載失效。
4．游隙變化失效
軸承在工作中，由于外界或內(nèi)在因素的影響，使原有配合間隙改 變，精度降低，乃至造成“咬死”稱為游隙變化失效。外界因素如過 盈量過大，安裝不到位，溫升引起的膨脹量、瞬時(shí)過載等，內(nèi)在因素 如殘余奧氏體和殘余應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài)等均是造成游隙變化失效 的主要原因。
軸承失效分析方法
在分析軸承失效的過程中，往往會碰到許多錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象，各 種實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是相互矛盾或者主次不清，這就需要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、 論證，以獲得足夠的證據(jù)或反證。只有運(yùn)用正確的分析方法、程序、 步驟，才能找到引發(fā)失效的真正原因。 一般情況下軸承失效分析大體可分為以下三個(gè)步驟：失效實(shí)物和 背景資料的收集、對失效實(shí)物的宏觀檢查和微觀分析。
1.失效實(shí)物和背景材料的收集 盡可能地收集到失效事物的各個(gè)零件和殘片。充分了解失效軸承 的工作條件、使用過程和制造質(zhì)量等。具體內(nèi)容包括：
（1）主機(jī)的載荷、轉(zhuǎn)速、工作狀況等軸承的設(shè)計(jì)工作條件。
（2）軸承及其相關(guān)部位其他零件的失效情況，軸承失效的類型。
（3）軸承的安裝運(yùn)轉(zhuǎn)記錄。運(yùn)轉(zhuǎn)使用過程中有無不正常操作。
（4）軸承工作中所承受的實(shí)際載荷是否符合原設(shè)計(jì)。
（5）軸承工作的實(shí)際轉(zhuǎn)速及不同轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的頻率。
（6）失效時(shí)是否有溫度的急劇增加或冒煙，是否有噪聲及振動。
（7）工作環(huán)境中有無腐蝕性介質(zhì)，軸承與軸頸間有無特殊的表面氧 化色或其他沾污色。
（8）軸承的安裝記錄（包括安裝前軸承尺寸公差的復(fù)驗(yàn)情況），軸 承原始間隙、裝配和對中情況，軸承座和機(jī)座剛性如何，安裝是否有 異常。
（9）軸承運(yùn)轉(zhuǎn)是否有熱膨脹及動力傳遞變化。
（10）軸承的潤滑情況，包括潤滑劑的牌號、成分、顏色、粘度、雜 質(zhì)含量、過濾、更換及供給情況等，并收集其沉淀物。
（11）軸承的選材是否正確，用材質(zhì)量是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或圖樣要求。
（12）軸承的制造工藝過程是否正常，表面是否有塑性變形，有沒有 表面磨削燒傷。
（13）失效軸承的修復(fù)和保養(yǎng)記錄。
（14）同批或同類軸承的失效情況。 在收集實(shí)際背景材料工作中，全部滿足上述要求是很難的。但收 集到的資料越多，無疑會更有利于得到正確的分析結(jié)論。
2.宏觀檢查
對失效軸承進(jìn)行宏觀檢查（包括尺寸公差測量和表面狀態(tài)檢查分 析），是失效分析最重要的環(huán)節(jié)?？傮w的外觀檢查，可了解軸承失效 的概貌和損壞部位的特征，估計(jì)造成失效的起因，察看缺陷的大小、 形狀、部位、數(shù)量和特征，并截取適當(dāng)部位做進(jìn)一步的的微觀檢查和 分析。宏觀檢查的內(nèi)容包括：
（1）外形和尺寸的變化情況（包括測振分析、動態(tài)函數(shù)分析和滾道 圓度分析）。
（2）游隙的變化情況。
（3）是否有腐蝕現(xiàn)象，在什么部位，是什么類型的腐蝕，是否與失 效直接有關(guān)。
（4）是否有裂紋，裂紋的形態(tài)和斷口性質(zhì)如何。
（5）磨損是什么類型的，對失效有多大作用。
（6）觀察軸承各零件工作表面變色的情況和部位以確定其潤滑情況 和表面溫度效應(yīng)。
（7）對失效特征區(qū)主要觀察有無異常磨損、外來顆粒嵌入、裂紋、 擦傷和其他缺陷。
（8）冷酸洗法或熱酸洗法檢驗(yàn)軸承零件原始表面有無軟點(diǎn)、脫碳層 和燒傷，特別是表面磨削燒傷。
（9）用 X 射線應(yīng)力測定儀器測量軸承工作前后的應(yīng)力變化情況。 宏觀檢查的結(jié)果，有時(shí)可基本判斷失效的形式和原因，但要進(jìn)一 步確定失效的性質(zhì)，還必須取得更多的證據(jù)，做微觀分析。
3.微觀分析
失效軸承的微觀分析包括光學(xué)金相分析、電子顯微鏡分析、探針 和電子能譜分析等。主要是根據(jù)失效特征區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)變化和對 疲勞源、裂紋源的分析為失效分析提供更充分的判據(jù)或反證。微觀分析中最常用、最普遍的方法是光學(xué)金相分析和對表面硬度檢測。分析 的內(nèi)容應(yīng)包括：
（1）材料質(zhì)量是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。
（2）軸承零件的基本組織和熱處理質(zhì)量是否符合有關(guān)要求。
（3）表層組織是否存在脫碳層、托氏體和其他表面加工變質(zhì)層。 （4）測量滲碳層等表面強(qiáng)化層和多層金屬各層組織的深度，腐蝕坑 或裂紋的形態(tài)與深度，并根據(jù)裂紋的形狀和兩側(cè)組織特征確定裂紋產(chǎn) 生的原因及性質(zhì)。
（5）根據(jù)晶粒大小、組織變形、局部相變、重結(jié)晶、相聚集等判斷 變形程度、溫升情況、材料種類及工藝過程等。
（6）測量基本硬度、硬度均勻性及失效特征區(qū)的硬度變化。
（7）斷口觀察與分析。用掃描電子顯微鏡定性分析和測量觀察斷口。
（8）電子顯微鏡、探針和電子能譜在疲勞源和裂紋源分析中能測出 斷口的成分，發(fā)現(xiàn)斷口的性質(zhì)和斷裂的原因。 以上介紹的軸承失效分析一般方法的三個(gè)步驟是一個(gè)由表及里逐步 深入的分析過程。具體每一步驟中包含的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)軸承失效的類型 和特點(diǎn)，視具體情況取舍，但分析步驟是缺一不可的。而且在整個(gè)分 析過程中，分析結(jié)果應(yīng)始終與影響軸承失效的諸多因素聯(lián)系起來，綜 合考慮。
三、軸承常見失效模式及對策
1．溝道單側(cè)極限位置剝落 溝道單側(cè)極限位置剝落主要表現(xiàn)在溝道與擋邊交界處有嚴(yán)重的剝落 環(huán)帶。產(chǎn)生原因是軸承安裝不到位或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中突發(fā)軸向過載。采取 對策是確保軸承安裝到位或?qū)⒆杂蓚?cè)軸承外圈配合改為間隙配合，以 期軸承過載時(shí)使軸承得到補(bǔ)償。
2．溝道在圓周方向呈對稱位置剝落 對稱位置剝落表現(xiàn)在內(nèi)圈為周圍環(huán)帶剝落，而外圈呈周向?qū)ΨQ位 置剝落（即橢圓的短軸方向），其產(chǎn)生原因主要是因?yàn)橥鈿た讬E圓過 大或兩半分離式外殼孔結(jié)構(gòu)，這在摩托車用凸輪軸軸承中表現(xiàn)尤為明 顯。當(dāng)軸承壓入橢圓偏大的外殼孔中或兩半分離式外殼固緊時(shí)，使軸 承外圈產(chǎn)生橢圓，在短軸方向的游隙明顯減少甚至負(fù)游隙。軸承在載 荷的作用下，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周向剝落痕跡，外圈只在短軸方向的對稱 位置產(chǎn)生剝落痕跡。這是該軸承早期失效的主要原因，經(jīng)對該軸承失 效件檢驗(yàn)表明，該軸承外徑圓度已從原工藝控制的 0.8μm 變?yōu)?27μ。 此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向游隙值。因此，可以肯定該軸承是在嚴(yán)重變形及負(fù) 游隙下工作的，工作面上易早期形成異常的急劇磨損與剝落。采取的 對策是提高外殼孔加工精度或盡可能不采用外殼孔兩半分離結(jié)構(gòu)。
3．滾道傾斜剝落 在軸承工作面上呈傾斜剝落環(huán)帶，說明軸承是在傾斜狀態(tài)下工作 的，當(dāng)傾斜角達(dá)到或超過臨界狀態(tài)時(shí)，易早期形成異常的急劇磨損與 剝落。產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)榘惭b不良，軸有撓度、軸頸與外殼孔精 度低等，采取對策為確保軸承安裝質(zhì)量與提高軸肩、孔肩的軸向跳動 精度。
4．套圈斷裂 套圈斷裂失效一般較少見，往往是突發(fā)性過載造成。產(chǎn)生原因較 為復(fù)雜，如軸承的原材料缺陷（氣泡、縮孔）、鍛造缺陷（過燒）、 熱處理缺陷（過熱）、加工缺陷（局部燒傷或表面微裂紋）、主機(jī)缺 陷（安裝不良、潤滑貧乏、瞬時(shí)過載）等，一旦受過載沖擊負(fù)荷或劇 烈振動均有可能使套圈斷裂。采取對策為避免過載沖擊載荷、選擇適 當(dāng)?shù)倪^盈量、提高安裝精度、改善使用條件及加強(qiáng)軸承制造過程中的 質(zhì)量控制。
5．保持架斷裂 保持架斷裂屬于偶發(fā)性非正常失效模式。其產(chǎn)生原因主要有以下 五個(gè)方面：
a．保持架異常載荷。如安裝不到位、傾斜、過盈量過大等易造成游 隙減少，加劇摩擦生熱，表面軟化，過早出現(xiàn)異常剝落，隨著剝落的 擴(kuò)展，剝落異物進(jìn)入保持架兜孔中，導(dǎo)致保持架運(yùn)轉(zhuǎn)阻滯并產(chǎn)生附加 載荷，加劇了保持架的磨損，如此惡化的循環(huán)作用，便可能造成保持 架斷裂。
b．潤滑不良主要指軸承運(yùn)轉(zhuǎn)處于貧油狀態(tài)，易形成粘著磨損，使工 作表面狀態(tài)惡化，粘著磨損產(chǎn)生的撕裂物易進(jìn)入保持架，使保持架產(chǎn) 生異常載荷，有可能造成保持架斷裂。
c．外來異物的侵入是造成保持架斷裂失效的常見模式。由于外來硬 質(zhì)異物的侵入，加劇了保持架的磨損與產(chǎn)生異常附加載荷，也有可能 導(dǎo)致保持架斷裂。
d．蠕變現(xiàn)象也是造成保持架斷裂的原因之一。所謂蠕變多指套圈的 滑動現(xiàn)象，在配合面過盈量不足的情況下，由于滑動而使載荷點(diǎn)向周 圍方向移動，產(chǎn)生套圈相對軸或外殼向圓周方向位置偏離的現(xiàn)象。蠕 變一旦產(chǎn)生，配合面顯著磨損，磨損粉末有可能進(jìn)入軸承內(nèi)部，形成 異常磨損——滾道剝落——保持架磨損及附加載荷的過程，以至可能 造成保持架斷裂。
e．保持架材料缺陷（如裂紋、大塊異金屬夾雜物、縮孔、氣泡）及 鉚合缺陷（缺釘、墊釘或兩半保持架結(jié)合面空隙，嚴(yán)重鉚傷）等均可 能造成保持架斷裂。采取對策為在制造過程中加以嚴(yán)格控制。
四、總結(jié)
綜上所述，從軸承常見失效機(jī)理與失效模式可知，盡管滾動軸承 是精密而可靠的機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)體，但使用不當(dāng)也會引起早期失效。一般情 況下，如果能正確使用軸承，可使用至疲勞壽命為止。軸承的早期失 效多起于主機(jī)配合部位的制造精度、安裝質(zhì)量、使用條件、潤滑效果、 外部異物侵入、熱影響及主機(jī)突發(fā)故障等方面的因素。因此，正確合 理地使用軸承是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝機(jī)過程中， 針對產(chǎn)生早期失效的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的措施，可有效地提高軸承及主 機(jī)的使用壽命，這是制造廠和客戶應(yīng)負(fù)有的共同責(zé)任。 軸承是精密的機(jī)械基礎(chǔ)件。由于科技進(jìn)步的迅速發(fā)展，客戶對軸 承產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。制造廠提供符合標(biāo)準(zhǔn)、滿足主機(jī)使用性 能的高質(zhì)量的產(chǎn)品固然重要，但正確使用軸承更為重要。筆者在近幾 年從事摩托車專用軸承的技術(shù)工作中，經(jīng)常碰到這樣的問題，即軸承 經(jīng)檢測是合格的，但裝機(jī)后軸承出現(xiàn)卡滯或使用時(shí)的早期止轉(zhuǎn)失效。主要表現(xiàn)轉(zhuǎn)動卡滯感、工作面嚴(yán)重剝落，保持架嚴(yán)重磨損乃至扭曲與 斷裂。經(jīng)失效結(jié)果分析表明，屬于軸承本身質(zhì)量問題并不多，多數(shù)是 由于安裝使用不當(dāng)所造成。為此，筆者認(rèn)為有必要就軸承常見的失效 模式與機(jī)理作些膚淺的綜述，以期起到一個(gè)拋磚引玉的作用。