深溝球軸承保持架鉚釘斷裂原因分析
2013-04-18
趙靈蓉 張書麗
（哈爾濱軸承集團公司航空航天軸承分廠）
（哈爾濱軸承集團公司航空航天軸承分廠）
摘 要：根據鉚釘斷口及軸承內外套失效后的形貌，分析軸承失效產生機理。
關鍵詞：鉚釘；斷口；軸承失效
1、前言
軸承通常由四部分主要部件構成，即內套、外套、滾動體、保持架。保持架的作用是在軸承運轉時保持滾動體在正確位置，軸承保持架一旦損壞通常會引起軸承發生整體失效。有時會因保持架的破斷將滾動體擠傷，甚至會將軸承抱死引發事故。可見保持架在軸承中的作用是不可忽視的。而作為連結保持架的鉚釘，則是保持架可靠運轉的保障，如果發生斷裂將會引起保持架的損壞。
某套深溝球軸承在交付客戶使用300h后，發生保持架鉚釘斷裂，客戶將失效軸承返廠分析其保持架鉚釘斷裂原因。
2、檢驗及分析
由于軸承失效件為鉚釘，在軸承拆套分析時并沒有采取將鉚釘破壞，取下保持架從而將內外套及滾動體分離的方式，而是采取將軸承外套用線切割從兩側切開，拆套分離的方式。采用這種拆套方式，保持了失效件的原始狀態，為準確找到失效原因奠定了基礎。
拆開軸承后，將斷裂鉚釘取下在顯微鏡下觀察，兩個斷裂鉚釘的斷口經放大，可清楚地看到頸縮和完整的剪切唇，斷口在顯微鏡下呈纖維狀，灰暗色，如圖1所示。鉚釘材質為ML15。ML15含碳量約為0.15%左右，屬于典型的低碳鋼。一般來講，低碳鋼試樣的軸向拉伸斷口是由三部分組成，即剪切唇、放射區、纖維區，并且在斷口附近還存在著明顯的頸縮現象。頸縮是塑性較好的金屬材料在拉伸過程中變形集中于局部區域的現象，它是應變硬化與截面減小共同作用的結果。低碳鋼試樣軸向拉伸應力達到屈服點之前，塑性變形是均勻的，在軸向拉伸應力超過屈服點后，由于應變硬化跟不上塑性變形發展，使變形集中于局部區域產生頸縮。纖維區的形成是由于軸向拉伸過程中，當應力達到材料的屈服點后，試樣局部區域產生頸縮，同時試樣的應力狀態也由單向變為三向，且中心軸向應力Z大。在中心三向拉應力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質點本身碎裂，或使夾雜物質點與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚合就形成了顯微裂紋。顯微裂紋不斷擴展和相互連接形成鋸齒狀的纖維區，而灰暗色則是纖維斷口對光反射能力弱所致。在試樣拉伸斷裂的Z后階段，試樣邊緣剪切斷裂形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇表面光滑，與拉伸軸約呈45°。通過觀察可以看出，斷裂鉚釘的斷口形態形貌符合了低碳鋼試樣拉伸斷口的大部分特點，存在纖維區、剪切唇，存在明顯的頸縮現象。在斷口上未觀察到明顯放射區是因為軸向力瞬時增大，塑性變形未來得及完全進行即發生了斷裂所致。該軸承屬角接觸球軸承，在軸向單方向雖然要承受一定的載荷，但受力時保持架與鉚釘不應受較大載荷，以至于引起保持架鉚釘拉伸斷裂。為了弄清引起保持架鉚釘拉伸斷裂的原因，又對內外套及保持架進行了觀察分析。
關鍵詞：鉚釘；斷口；軸承失效
1、前言
軸承通常由四部分主要部件構成，即內套、外套、滾動體、保持架。保持架的作用是在軸承運轉時保持滾動體在正確位置，軸承保持架一旦損壞通常會引起軸承發生整體失效。有時會因保持架的破斷將滾動體擠傷，甚至會將軸承抱死引發事故。可見保持架在軸承中的作用是不可忽視的。而作為連結保持架的鉚釘，則是保持架可靠運轉的保障，如果發生斷裂將會引起保持架的損壞。
某套深溝球軸承在交付客戶使用300h后，發生保持架鉚釘斷裂，客戶將失效軸承返廠分析其保持架鉚釘斷裂原因。
2、檢驗及分析
由于軸承失效件為鉚釘，在軸承拆套分析時并沒有采取將鉚釘破壞，取下保持架從而將內外套及滾動體分離的方式，而是采取將軸承外套用線切割從兩側切開，拆套分離的方式。采用這種拆套方式，保持了失效件的原始狀態，為準確找到失效原因奠定了基礎。
拆開軸承后，將斷裂鉚釘取下在顯微鏡下觀察，兩個斷裂鉚釘的斷口經放大，可清楚地看到頸縮和完整的剪切唇，斷口在顯微鏡下呈纖維狀，灰暗色，如圖1所示。鉚釘材質為ML15。ML15含碳量約為0.15%左右，屬于典型的低碳鋼。一般來講，低碳鋼試樣的軸向拉伸斷口是由三部分組成，即剪切唇、放射區、纖維區，并且在斷口附近還存在著明顯的頸縮現象。頸縮是塑性較好的金屬材料在拉伸過程中變形集中于局部區域的現象，它是應變硬化與截面減小共同作用的結果。低碳鋼試樣軸向拉伸應力達到屈服點之前，塑性變形是均勻的，在軸向拉伸應力超過屈服點后，由于應變硬化跟不上塑性變形發展，使變形集中于局部區域產生頸縮。纖維區的形成是由于軸向拉伸過程中，當應力達到材料的屈服點后，試樣局部區域產生頸縮，同時試樣的應力狀態也由單向變為三向，且中心軸向應力Z大。在中心三向拉應力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質點本身碎裂，或使夾雜物質點與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚合就形成了顯微裂紋。顯微裂紋不斷擴展和相互連接形成鋸齒狀的纖維區，而灰暗色則是纖維斷口對光反射能力弱所致。在試樣拉伸斷裂的Z后階段，試樣邊緣剪切斷裂形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇表面光滑，與拉伸軸約呈45°。通過觀察可以看出，斷裂鉚釘的斷口形態形貌符合了低碳鋼試樣拉伸斷口的大部分特點，存在纖維區、剪切唇，存在明顯的頸縮現象。在斷口上未觀察到明顯放射區是因為軸向力瞬時增大，塑性變形未來得及完全進行即發生了斷裂所致。該軸承屬角接觸球軸承，在軸向單方向雖然要承受一定的載荷，但受力時保持架與鉚釘不應受較大載荷，以至于引起保持架鉚釘拉伸斷裂。為了弄清引起保持架鉚釘拉伸斷裂的原因，又對內外套及保持架進行了觀察分析。
確定鉚釘是由于拉伸而引起的塑性斷裂后就可以斷定保持架一定受到了一個軸向的力的作用。下面對這個軸向力是怎樣產生又是怎樣施加加以敘述。
通過觀察軸承的保持架與內外套，發現兩半保持架結合部已產生較大縫隙，外徑、內徑和套圈溝道邊緣凸起對應處被切刮出溝槽，如圖2所示。外套溝道兩側邊明顯有均勻分布的壓痕，形成26個波，兩側峰谷相對，溝邊凸起，如圖3所示。內套溝道出現不同程度剝落，溝形變大變深，溝邊凸起，如圖4所示。鋼球表面出現不同程度的剝落。
通過觀察軸承的保持架與內外套，發現兩半保持架結合部已產生較大縫隙，外徑、內徑和套圈溝道邊緣凸起對應處被切刮出溝槽，如圖2所示。外套溝道兩側邊明顯有均勻分布的壓痕，形成26個波，兩側峰谷相對，溝邊凸起，如圖3所示。內套溝道出現不同程度剝落，溝形變大變深，溝邊凸起，如圖4所示。鋼球表面出現不同程度的剝落。
經化學成分分析，軸承內套、外套和鋼球材質符合GB/T 18254-2002國家標準中規定的GCr15鋼成分。各零件的組織硬度也均符合軸承鋼熱處理質量標準JB1255要求。由此可見軸承的失效可能與客戶使用有關。從兩半保持架被撐開和溝道邊緣凸起呈波浪形的特征，可以推斷故障是由于工作中的軸承受到軸向振動沖擊力，使本應沿溝道呈圓周公轉的鋼球產生軸向沖擊力，作用于溝道兩側，致使溝道兩側邊緣塑性變形，溝道邊緣凸起形成波浪狀（均勻分布的26個波，兩側峰谷相對，說明是有規律的振動）；此軸向沖擊力同時作用于保持架兜孔兩側，致使兩半保持架分離，鉚釘受軸向拉伸力而被拉斷。鉚釘的斷口可清楚地看到頸縮和完整的剪切唇，拉伸斷裂特征比較明顯。
由于不正常的軸向振動沖擊力超過軸承負荷極限，促使軸承過早損壞。
3、結論
（1）軸承內、外套圈和鋼球材質符合GB/T 18254－2002國家標準中規定GCr15的鋼成分，熱處理質量符合JB1255規定。
（2）軸承工作中出現的不正常軸向振動沖擊力是造成軸承失效及鉚釘斷裂的根本原因。
由于不正常的軸向振動沖擊力超過軸承負荷極限，促使軸承過早損壞。
3、結論
（1）軸承內、外套圈和鋼球材質符合GB/T 18254－2002國家標準中規定GCr15的鋼成分，熱處理質量符合JB1255規定。
（2）軸承工作中出現的不正常軸向振動沖擊力是造成軸承失效及鉚釘斷裂的根本原因。
來源：《哈爾濱軸承》2007年01期
