滚动轴承的失效分析

宋融毛怡宁刘坤

天津市产品质量监督检测技术研究院检测技术研究中心，天津市 300232

【摘要】 某热处理厂生产的滚动轴承在淬火低温回火后，刚刚使用便发生断裂。采用宏观、非金属夹杂检验以及金相检验对该被检滚动轴承试件的失效原因进行分析。结果表明：粒状及条状碳化物呈粗大网状分布，有较多共晶碳化物且碳化物有严重堆积，是导致轴承失效的原因。

【关键词】 滚动轴承；失效；模式；影响因素

0 引言

轴承是转动的机械部件中不可缺少的一项重要零件，它在高速运转时，承受着高而集中的周期性交变载荷。在机电工业中，几乎有转动的地方，就有轴承在工作。在我中心的检验工作中，轴承占有相当大的份额，尤其是滚动轴承。

1 试验背景

某热处理厂生产的滚动轴承在淬火低温回火后，刚刚使用便发生断裂，且此类事件屡见不鲜，造成极大的经济损失，急需系统的分析轴承失效原因，以便防微杜渐。

该轴承材质为：GCr15，直径为：100mm。

该轴承系径向短圆柱滚子轴承，正常运行情况下轴承使用寿命为280×104km。有滚子14粒，内外套圈各一套。

2 理化检验

2.1宏观检验

对失效轴承进行宏观检查（包括尺寸精度测量和表面状态检查分析），是失效分析非常重要的环节。通过总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位的特征，估计造成失效的起因，察看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征并确定截取的部位做进一步的微观检查和分析。宏观检查的内容主要包括：磨损的类型，腐蚀状况，低倍组织等等。

取该工件横向试件做低倍检验。试件厚度约为：20mm。将该试件表面加工到表面粗糙度在1.6μm以下。该试件进行热酸侵蚀后，检验结果如下：一般疏松0.5级。根据GB/T18254-2016规定，检验结果符合标准特级优质钢规定。

宏观检查的结果，有时也可基本判断失效的模式和原因，但要进一部确定失效的性质，取得更多的证据，还必须做微观分析。

2.2非金属夹杂物检验

该试件非金属夹杂物等级为AT0.5，BT0.5，DT1，DS0.5，见图1。检验结果符合GB/T18254-2016特级优质钢的规定。

图1　非金属夹杂物  100×

2.3金相检验

轴承零件淬火回火后的显微组织应为隐晶状、细小结晶状回火马氏体＋残余奥氏体＋均匀分布的细小残留碳化物。GB/T18254-2016规定钢材不应有严重的碳化物偏析，对于直径大于60mm～120mm的球化退火材碳化物网状不得大于3级。碳化物液析不得大于2级。热轧（锻）圆钢表面每边总脱碳层深度不得大于1.10mm。

该试件分别经2%和4%硝酸酒精溶液浸蚀后发现：金相组织为隐晶状、细小结晶状回火马氏体＋残余奥氏体＋粒状及条状碳化物呈粗大网状分布，有较多共晶碳化物且碳化物有严重堆积，网状碳化物等级＞3级。见图2、图3。

图2　碳化物不均匀分布（位置1）  500×

图3　碳化物不均匀分布（位置2）  500×

3 分析与讨论

3.1  失效的基本模式

轴承失效一般可分为止转失效和丧精失效两种。止转失效就是轴承因失去工作能力而终止转动。例如卡死、断裂等；丧精失效就是轴承因几何尺寸变化了配合间隙，失去了原设计要求的设计精度，虽尚能继续转动，但属非正常运转。例如磨损、腐蚀等。轴承失效的影响因素很复杂，而且由于各类轴承的工作条件和失效因素的差异，产生的失效形式和形貌特征亦各不相同。按其损伤机理大致可分为:接触疲劳失效；磨擦磨损失效；断裂失效；变形失效；腐蚀失效和游隙变化失效等几种基本模式。

轴承零件断裂将会造成突发性失效事故。轴承断裂的主要原因是过载和缺陷两大因素。由于外加载荷超过轴承零件材料的强度极限，造成轴承零件断裂就称过载断裂。过载的原因可能是主机故障，也可能是轴承的结构或安装不合理。另外，轴承零件存在着微裂纹、缩孔、气泡、组织严重不均匀和大块外来夹杂物等缺陷，在正常载荷条件下，也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。轴承套圈和滚动体经锻造、冲压、热轧、热处理和磨加工过程中产生的过热、过烧、局部烧伤和表面裂纹就可能会引起轴承的断裂失效。特别是磨削烧伤，检查时不易发现，有磨削烧伤的套圈一受冲击或振动就可能断裂。

3.2  影响轴承失效的因素

安装条件是使用因素中的首要因素之一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护、保养的技术要求，对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动噪音和润滑条件进行监控和检查。发现异常立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长轴承的使用寿命是至关重要的。

轴承材料的冶金质量是滚动轴承早期失效的主要影响因素之一。随着冶金技术的提高，原材料质量得到较大的改善，在轴承失效分析中所占的比重已经明显下降，但至今它仍然是轴承失效的主要影响因素之一。该试件就是由于材料没有进行必要的正火处理来消除碳化物的不均匀这一缺陷，所以导致了后来的早期失效。

3.3  网状碳化物形成机理

高碳铬轴承钢为含碳1%的过共析钢在锻轧温度进行冷却，当温度低于Acm点（850～900℃）于奥氏体晶界上析出网状碳化物。钢件尺寸越大、冷却速度越慢，则在晶界上析出二次碳化物的网越粗大。这种碳化物在随后的球化退火时不能被消除而残留下来。因此，必须进行正火。

4结论及建议

（1）粒状及条状碳化物呈粗大网状分布，有较多共晶碳化物且碳化物有严重堆积，是导致轴承失效的原因。

（2）碳化物呈网状严重堆积状分布是由于冷却速度不当而造成的。退火解决不了碳化物呈网状分布问题，但正火可以解决。碳化物呈带状及液析同样无法靠退火来解决，只能用较大压缩比的热压力加工来改善。系统了解轴承失效的基本模式及影响轴承失效的因素等，不仅有利于发现失效的根本原因，而且有利于提前做好预防，将损失降到最低。

参考文献

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[3] 中国机械工程学会.失效分析基础知识[M].北京：北京机械工业出版社，1990

[4] 虞莲莲，曾正明.实用钢铁材料手册[M].北京：机械工业出版社，2005