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滾動軸承常見的失效形式（上）
發(fā)布時間：2020-09-15
滾動軸承在使用過程中,由于很多原因造成其性能指標達不到使用要求時就產生了失效或損
壞.常見的失效形式疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、燒傷、電腐蝕、保持架損壞等。
疲勞剝落
疲勞有許多類型,對于動軸承來說主要是指接觸疲勞。滾動軸承套圈各滾動體表面在接觸應力的反復作用下,其滾動表面金屬從金屬基體呈點狀或片狀剝落下來的現象稱為疲勞剝落。點蝕也是由于材料疲勞引起一種疲勞現象,但形狀尺寸很小,點蝕擴展后將形成疲勞剝落。
疲勞剝落的形態(tài)特征一般具有一定的深度和面積,使?jié)L動表面呈凸凹不平的鱗狀,有尖銳的溝角,通常呈顯疲勞擴展特征的海灘狀紋路,產生部位主要出現在套圈和滾動體的滾動表面。
軸承疲勞失效的機理很復雜。也出現了多種分析理論,如最大靜態(tài)剪應力理論、最大動態(tài)剪應力理論、切向力理論、表面微小裂紋理論、油膜剝落理論、溝道表面彎曲理論、熱應力理論等。這些理論中沒有一個理論能夠全面解釋疲勞的各種現象,只能對其中的部分現象作出解釋。目前對疲勞失效機理比較統(tǒng)一的觀點有:
1、次表面起源型
次表面起源型認為軸承在滾動接觸部位形成油膜的雜件下運轉時,動表面是以內部（次表面)為起源產生的疲勞剝落。
2、表面起源型
表面起源型認為軸承在滾動接觸部位未形成油膜或在邊界潤滑狀態(tài)下運轉時,滾動表面是以表面為起源產生的疲勞剝落。
3、工程模型
工程模型認為在一般工作條件下,軸承的疲勞是次表面起源型和表面起源型共同作用的結果。
疲勞產生的原因錯綜復雜,影響因素也很多,有與軸承制造有關的因素,如產品設計、村料選用、制造工藝和制造質量等;也有與軸承使用有關的因素,如軸承選型、安裝、配合、潤滑、密封、維護等。具體因素如下：
A、制造因素
1、產品結構設計的影響
產品的結構設計是根據使用性能目標值來定的,這些目標值如載荷容量、壽命、精度、可靠性、振動、磨損、摩擦力矩等。在設計時,由于各種原因,會造成產品設計與使用脫節(jié),甚至偏離了目標值,這種情況很容易造成產品的早期失效。
2、村料品質的影響
軸承工作時,零件滾動表面承受周期性交變載荷或沖擊載荷。由于零件之間的接觸面積很小。因此,會產生極高的接觸應力。在接觸應力反復作用下零件工作表面將產生接觸疲勞而導致金屬剝落。就材料本身的品質講,其表面缺陷有裂紋、表面夾渣、折疊、結疤、氧化皮和毛刺等，內部缺陷有嚴重偏析和疏松、顯微孔隙、縮孔、氣泡、白點、過燒等,這些缺陷都是造成軸承早期疲勞剝落的主要原因。
在村料品質中,另一個主要影響軸承疲勞性能的因素是村料的純潔度,其具體表現為鋼中含氧量的多少及夾雜物的數量多少、大小和分布上。
3、熱處理質量的影響
軸承熱處理包括正火、退火、滲碳、淬火、回火、附加回火等。其質量直接關系到后續(xù)的加工質量及產品的使用性能。
4、加工質量的影響
首先是鋼材全屬流線的影響。鋼材在軋制或鍛造過程中,其晶粒沿主變形方向被拉長,形成了所謂的鋼材流線(纖維)組織。試驗表明,該流線方向平行于套圈工作表面的與垂直的相比,其疲勞壽命可相差2.5倍。
其次是磨削變質層。磨削變質層對軸承的疲勞壽命與磨損壽命有很大的感響。變質層的產生使材料表面層的組織結構和應力分布發(fā)生變化,導致表面層的硬度下降、燒傷,甚至微裂紋,從而對軸承疲芳壽命產生影響。
受冷熱加工條件及質量控制的影響,產品在加工過程中會出現質量不穩(wěn)定或加工誤差，如熱加工的村料淬、回火組織達不到工藝要求、硬度不均勻和降低,冷加工的幾何精度超差、工作表面的燒傷、機械傷、銹蝕、清潔度低等,會造成軸承件接觸不良、應力集中或承載能力下降,從而對承疲勞壽命產生不程度的影響。
B、使用因素
使用因素主要包括軸承選型、安裝、配合、潤滑、密封、維護等。
不正的安裝方法很容易造成軸承損壞或零件局部受力產生應力集中,引起疲勞。過大的配合過盈量容易造成內圈滾道面張力増加及零件抗疲勞能力下降,甚至出現斷裂。潤滑不良會引起不正常的摩擦磨損,并產生大量的熱量,影響村料組織和潤滑劑性能。如果潤滑不當,即便選用再好的材料制造,加工精度再高,也起不到提高軸承壽命的效果。密封不良容易使雜質進入軸承內部,既影響零件之間的正常接觸形成疲勞源,又影響潤滑或污染潤滑劑。
根據疲勞產生的機理和主要影響因素,可以有針對性地提出預防措施。如對表面起源損
傷引起的疲勞,可以通過對零件表面進行表面強化處理,對次表面起源型疲勞可以通過改善材料品質等措施。而提高件加工質量尤其是件表面質量、提高使用質量、控割雜質流入軸承內部、保證潤滑質量等措對預防和延緩疲勞都有十分重的意義。
二、表面塑性變形
表面塑性變形主是指零件表面由于壓力作用形成的杌械損傷。在接觸表面上,當滑動速度比滾動速度小得多的時候會產生表面塑性變形。表面塑性變形分為一般表面塑性變形和局部表面塑性變形兩類。
A、一般表面塑性變形
是由于粗糙表面互相滾動和滑動,同時,使粗糙表面不斷產生塑性碰撞所造成,其結果形成了冷軋表面,從外觀上看,這種冷軋表面已被輾光,但是,如果輾光現象比較嚴重,在冷軋表面上容易形成大量淺裂紋,淺裂紋進一步發(fā)展可能(在粗糙表面區(qū)城區(qū))導致顯微剝落,但這種利落很淺,只有幾個微米,它能夠覆蓋很寬的接觸表面。
根據彈性流體動壓潤滑理論,一般表面塑性形產生的原因是由于兩個粗糙表面直接接觸,其間沒有形成承載的彈性流體動壓潤滑膜.因此,當油膜潤滑參數小于一定值時,將產生的一般表面塑性變形.一般油膜潤滑參數值越小表面塑性變形越嚴重。
B、局部表面塑性變形
局部表面塑性變形是發(fā)生在摩擦表面的原有缺陷附近。最常見的原有缺陷,如壓坑(痕)、磕碰傷、擦傷、別傷等。
1.壓坑(痕)
壓坑(痕)是由于在壓力作用下硬質固體物侵入零件表面產生的凹坑(痕)現象。壓坑(痕)的形態(tài)特征是:形狀和大小不一,有一定深度,壓坑(痕)邊緣有輕微凸起,邊緣較光滑。
硬質固體特征的來源是軸承零件在運轉中產生的金屬顆粒、密封不良造成軸承外部雜質侵入。壓坑(痕)產生的部位主在零件的工作表面上。預防壓坑(痕)的措施主要有:提高零件的加工精度和軸承的清潔度、改善潤滑、提高密封質量等。
2、磕碰傷
磕碰傷是由于兩個硬質特體相互撞擊形成的凹坑現象。
磕碰傷的形態(tài)特征視兩物體形狀和相互撞擊力的不同其形狀和大小不一,但有一定深度,在其邊緣處常有突起?？呐鰝饕遣僮鞑划斠鸬?。產生部位可以在零件的所有表面上。
預防碰傷的措主要有:提高操作者的責任心、規(guī)范操作、改進產品容器的結構和増加零件的保護措等。
3、擦傷
擦傷是兩個相互接觸的運動零件,在較大壓力作用下因滑動摩擦產生的金屬遷移現象。嚴重時可能伴隨燒傷的出現。
擦傷的形狀不確定,有一定長度和寬度。深度一般較淺,并沿滑動(或運動)方向由深而淺。
擦傷可以在產品制造過程中產生也可以在使用過程中產生。
軸承制造成過程中的擦傷預防措施與磕碰傷的預防措相同。使用中的擦傷預防措主要是從防止“打滑&dquo;方面考慮,改進產品內部結構、提高過盈配合量、調整游隙、改善潤滑、保良好接觸狀態(tài)等。
4、劃(拉)傷
劃(拉)傷是指硬質和尖銳物體在壓力作用下侵入零件表面并產生相對移動后形成的痕跡。
劃傷一般呈線型狀,有一定深度,寬度比擦傷窄,劃傷的傷痕方的是任意的,長度不定。產生部位主要在零件的工作表面和配合表面上。而拉傷只發(fā)生在軸承內徑(過盈)配合面上,傷痕方向一般與軸線平行,有一定長度、寬度和深度,并成組出現。
劃傷可以在軸承制造過程中產生也可在使用中產生。而拉傷只發(fā)生在軸承安拆卸過程中。
預防軸承制造過程中的劃傷與預防碰傷的措施相同。預防使用中劃傷與預防壓坑（痕)的措施基本相同。預防拉傷的措施是嚴格安裝拆卸過程、保證配合面的清潔、安裝時在配合面上適當潤滑等。
綜上所述,預防表面塑性變形的措施是要正確選用軸承、增強材料的耐磨性,保證潤滑的有效性、注意安裝方法、提高軸承密封裝置的密封性等。
三、磨損
在力的作用下,兩個相互接觸的金屬表面相對運動產生摩擦,形成摩擦副。摩擦引起金屬消耗或產生殘余變形,使全屬表面的形狀、尺寸、組織或性能發(fā)生改變的現象稱為磨損。
磨損過程包含有兩物體的相互作用、黏著、擦傷、塑性變形、化學反應等幾個階段。其
中物體相互作用的程度對磨損的產生和發(fā)展起著重要的作用。
磨損的基本形式有:疲勞磨損、黏著磨損、磨料(粒)磨損、微動磨損和腐蝕磨損等。產生磨損的主要原因:
A、異物通過了密封不良的裝置(或密封圈)進入了軸承內部。
B、潤滑不當。如潤滑油中的雜質未過濾干凈、潤滑方式不良、潤滑劑選用不當、潤滑劑變質等。
C、零件接觸面上的材料顆粒脫離。
D、銹蝕，如由于軸承使用溫度變化產生的冷凝水、潤滑劑中添加劑的腐蝕性特質等原因形成的銹蝕。實際中多數磨損屬于綜合磨損,預防對策應根據磨損的形式和機理分別采取措施。
對于微動磨損,可以用小游隙或過盈配合來減少使用過程中的微動磨損:可在套圈與滾動體之間采用稀油潤滑劑潤滑或分別包裝來減少運輸過程的微動磨損;另外,軸承應放在無振動環(huán)境下保管,或將軸承內外圈隔離存放可以防止保管過程中產生的微動磨損。
對于黏著磨損可以采取提高加工精度、增強潤滑效果等措施來解決。
對于磨料(粒)磨損,可以采用表面強化處理、表面潤滑處理(如滲硫、鱗化、表面軟金屬膜涂層等)、改善軸承密封結構、提高零件加工精度、保證潤滑油過濾質量、減少制造和使用過程中對表面的損傷等方法來解決。
對于腐蝕磨損,應減少軸承使用環(huán)境中腐蝕物質的侵入、對零件表面進行耐腐蝕處理或采用耐腐蝕材料制造產品等手段來解決。另外,還可以從產品結構設計和制造的角度進行改進,如提高零件的加工精度、減少磨削加工中產生的變質層、保證彈性流體動壓潤滑膜等實現預防磨損的目的。
四、腐蝕
金屬與其所處環(huán)境中的物質發(fā)生化學反應或電化學反應變化所引起的消耗稱為腐蝕。
金屬腐蝕的形式多種多樣,就全屬與周圍介質作用的性質來分可以分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩類。
化學腐蝕是由于全屬與周圍介質之間的純化學作用引起的。其過程中沒有電流產生,但
有腐蝕物質產生。這種物質一般都覆蓋在全屬表面上形成一兵疏松膜.化學反應形成的腐蝕
杌理比簡單,主要是物體之間通過接觸產生了化學反應,如金屬在大氣中與水產生的化學反應形成的腐蝕(又稱為銹蝕)。
電化學腐蝕是由于金屬與周圍介質之間產生電化學作用引起的。其基本特點是在腐蝕的同時又有電流產生。電化學反應的腐蝕機理主要是微電池效應。
就滾動軸承而言,產生腐的主要原因有：
A、軸承內部或潤滑劑中含有水、堿、酸等腐蝕物質
B、軸承在使用中的熱量沒有及時釋放,冷卻后形水分
C、密封裝置失效
D、軸承使用環(huán)境濕度大
E、清洗、組裝、存放不當
腐蝕產生部位:零件各表面都會有。按程度有腐蝕斑點或腐蝕坑,斑點和蝕坑一般呈零星或密集分布,形狀不規(guī)則,深度不定,頭色有淺灰色、紅褐色、灰褐色、黑色。
對于金屬村料來說,消除腐蝕是比較困難的,但可以減緩腐蝕的發(fā)生,防止軸承與腐蝕物質接觸,可以通過合金化,表面改性等方法提高耐腐蝕能力,使得金屬表面形成一層穩(wěn)定致密與基體結合牢固的鈍化膜。
五、蠕動
受旋轉載荷的軸承套圏,如果選用間隙配合,在配合表面上會發(fā)生圓周方向的相對運動,使配合面上產生磨擦、磨損、發(fā)熱、變形,造成軸承不正常損壞。這種配合面周向的微小滑動稱為蠕動或爬行。
蠕動形成的機理是當內圈與軸配合過盈量不足時,在內圈與軸之間的配合面上因受力產生彈性變形而出現微小的間隙,造成內圈與軸旋轉時在圓周方向上的不同步、打滑,嚴重時在壓力作用下發(fā)生金屬滑移。在外圈與殼體也同樣會出現類似的情況。
蠕動形貌特征在一些方面具有腐蝕磨損和微動磨損的某些特征。蠕變在形成過程中也有一些非常細小的磨損顆粒脫落并立即局部氧化,生成一種類似鐵銹的腐蝕物。其區(qū)別主要根據它們的位置和分布來判斷,如果零件沒有受到腐蝕又出現了褐色銹斑,銹斑的周圍常常圍繞著一圈碾光區(qū),出現的部位又在軸承的配合表面上,那么可能就是蠕動。發(fā)生蠕動的配合面上,或出現鏡面狀的光亮色,或暗淡色,或咬合狀,蠕動部位與零件原表面有明顯區(qū)別。
在軸承的端面由于軸向壓緊力不足。或懸臂頻繁撓曲,運轉一定時間后也會出現蠕動的特征
產生蠕動的主要原因是內,外圈與軸或軸承座的配合過盈量不足,或載荷方向發(fā)生了變化。預防的措施采用過盈配合并適當提高過盈量,在采用間隙原配合的場合可用黏結劑將兩個配合面固定或沿軸(或軸承座)的軸向方向將軸承緊固。
六、燒傷
軸承零件在使用中受到異常高溫的影響,又得不到及時冷卻,使零件表面組織產生高溫回火或二次淬火的現象稱為燒傷。
燒傷產生的主要原因是潤滑不良、預載荷過大、游隙選擇不當、軸承配置不當、滾道表面接觸不良、應力過大等因素所致。如：
A、在軸向游動軸承中,如果外圈配合的過緊,不能在外殼孔中移動;
B、軸承工作中運轉溫度升高,軸的熱膨脹引起很大的軸向力,而軸承又無法軸向移動時；
C、由于潤滑不充分,或潤滑劑選用不合理、質量問題、老化和變質等
D、內外圈運轉溫度差大,加上游隙選擇不當,外圈膨脹小內圈大呈過盈導致軸承溫度急劇升高;
E、軸承承受的載荷過大和載荷分布均勻,形成應力集中;
F、零件表面加工粗糙,造成接觸不良或油膜形成困難。
燒傷的形特征可以根據零件表面的顏色不同來判斷。軸承在使用中由于潤滑劑、溫度、腐蝕等原因。零件表面會發(fā)生變化,色主要有淡黃色、黃色、棕紅色、藍色及藍黑色等,其中淡黃色、黃色、棕紅色屬于變色,若出現紫藍色或藍黑色的為燒傷。燒傷容易造成零件表面硬度下降或出現裂紋。
燒傷產生的部位主要發(fā)生在件的各接觸表面上,如錐滾子軸承的擋邊工作面、滾子端面、應力集中的滾表面等。
燒傷的預防可根據燒傷產生的原因有針對性地采取措施。如正選用軸承結構和配置、避免軸承承受過大的載荷、安裝時采用正確的安裝方式防止應力集中、保證潤滑效果等。
七、電蝕
電蝕是由電流放電引起,致使軸承零件表面出現電擊的傷痕,此種傷稱為電。在兩零件接觸面間一般存在一層油膜,該油膜一定有的絕緣作用,當有電流通過軸承內部時,在兩面三刀零件接觸表面形成電壓差,當電壓差高到足以擊穿絕緣層時就會在兩零件接觸表面處產生火區(qū)放電,擊穿油膜放電,產生高溫,造成局部耒面的熔融,形成弧凹狀或溝蝕。受到電蝕的件,其全屬表面被局部加熱和熔化,在放大鏡下觀察損傷區(qū)域一般呈現斑點、凹坑、密集的小坑,有全屬熔融現象,電蝕坑呈現火山噴口狀。電蝕會使零件的村料硬度下降,并加快磨損發(fā)生速度,也會誘發(fā)疲勞剝落。
預防電蝕的措施是在焊接或其他帶電體與軸承接觸時加強軸承的絕緣或接地保護,防止
電荷的聚集并形成高的電位差,避免放電現象產生。防止電流與軸承接觸。
八、裂紋和缺損
當軸承零件所承受的應力超出材料的斷裂極限應力時。其內部或表面便發(fā)生斷裂和局部斷裂,這種使村料出現不連續(xù)或斷裂的現象種為裂紋。
在材料表面或表層下有一種貌似毛發(fā)的細微裂稱為發(fā)紋。當發(fā)紋擴展到一定程度,使得部分材料完全脫離零件基體的現象稱為斷裂。
裂紋一般呈線狀,方向不定,有一定長度和深(寬)度,有尖銳的根部和邊緣。裂紋有內部裂紋和表面裂紋之分,也有內眼可見和不可見兩種形式,對于肉眼不可見裂紋需要采用無損檢測的方法進行觀察。發(fā)紋一般呈細線狀,方向沿鋼材軋制方向斷續(xù)分布,有一定長度和深度,有時單條有時數條出現。
裂紋產生的原因較為復雜,影響因素很多,如原材料、鍛造、沖壓折疊、熱處理、磨削、局部過大的應力等。發(fā)紋形成的原因是鋼材在治煉過程中產生的氣泡或夫雜,經軋制變形后存在于材料表層。對于肉眼不可兒裂紋需要乗用無損檢測的方法進行觀察。
裂紋的預防措施主要有,在制造方面應控制原村料缺陷加非金屬夫雜、表面夾渣、折疊、顯微孔隙、縮孔、氣泡等。控制加工應力如熱處理回火時產生的內應力(熱應力和組織應力)、磨削應力、沖壓應力等。在使用方面注意軸承安裝過程中的非正常(撞)擊以及安裝不良造的局部應力過大等。另外,還要保證潤滑,增強密封效果,控制外部雜質流入,避免軸承與腐蝕性物質接觸等。
