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滚动轴承工作表面失效分析

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-09-23

滚动轴承工作表面失效分析滚动轴承工作表面失效分析是提高轴承可靠性系统工程中的重要环节( 轴承在工作中丧失 其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效( 轴承失效按其寿命可分为正 常失效和早期失效两种。本文主要是针对点腐蚀及疲劳导致轴承早期失效的原因进行分析， 并提出改进措施，以提高轴承的使用寿命和可靠性。 1 点腐蚀产生的原因 点腐蚀是金属表面缺陷、疏松以及夹渣等产生微电池作用的结果。当金属表面存在缺陷、 疏松以及夹渣等时，这些部位的电化学性能和其他部位不同。这些部位成为溶解趋势较强 的阳极，其他部位成为阴极，金属本身是良好的导电体，金属表面吸附的水液则是离子导 体，这样就好似有许多短路的原电池进行着放电的化学反应，阳极溶解和阴极放电的速度 快，金属腐蚀的速度也就快。点腐蚀呈圆形，周围没有裂纹，能够向深处扩展，甚至穿透 金属，引起应力集中并且在高接触应力下导致表面剥落，造成轴承失效。 2 疲劳失效产生的原因 疲劳失效是各类轴承表面最常见的失效形式之一，是金属在交变载荷的长期作用下而产生 的失效，主要表现为疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的过程。裂纹的产生有两种方式：①从 表面产生，即在滚动轴承的接触过程中，因外载的作用在工作表面引起周期性变化的接触 应力，在表层产生塑性变形和形变硬化，最后在工作表面出现微小裂纹，由表面向里发展， 在该裂纹形成的两个表面之间，由于润滑剂的?入，使裂纹壁受力张开，迫使裂纹向前发 展；②裂纹从表层产生，即在表面接触应力的反复作用下，裂纹最初产生于离接触表面有 一定深度之处，并顺着与表面成一定角度的方向发展，达到距表面某一深度之后，又越出 到表面上来，最后形成麻点剥落，在接触表面上遗留下一个个麻坑。 裂纹从表面产生或从表层产生，这两种情况都是客观存在的( 零件经过渗碳、表面淬火等 热处理后，若存在硬度不均匀、组织不均匀以及不利的内应力等，则在接触应力的作用下， 裂纹一般从表层下产生。反之，若零件表面加工质量差，存在着缺陷（氧化、脱碳），摩 擦力大或润滑不佳，则裂纹从表面产生。 3 影响表面疲劳失效及点腐蚀失效的因素 3.1 材料的冶炼质量 如前所述，点腐蚀失效和疲劳失效在很大程度上和材料冶炼质量的优劣有关，表面缺陷、 疏松及夹渣是点腐蚀的根源，也是疲劳失效的主要部位。研究指出，非金属夹杂物对轴承 寿命的影响随夹杂物的类型、形态和数量的不同而异，以球状不变形夹杂物对轴承寿命的 危害最严重。夹杂物越大，危害越严重，而且能够在较深处引起疲劳失效的发生。非金属 夹杂物中的氧化物夹杂和硅酸盐夹杂物是非塑性氧化物，弹性模数小，易与基体形成局部 间隔，造成应力集中，而硫化物相对要好一些。带状碳化物主要是碳和合金元素在钢中的 不均匀分布，它会造成退火和淬火组织不均，缩短轴承寿命。3.2 热处理状态 热处理状态主要和疲劳失效有关。疲劳失效对金属材料的组织很敏感，如马氏体的含碳量， 碳化物颗粒的大小和含量，表面和心部的硬度和硬度梯度，渗碳层厚度和过渡层厚度，表 面层残余应力分布等，对疲劳失效均有很大的影响$ 渗碳钢碳化物颗粒越细，分布越均匀 越不易发生疲劳失效。渗碳钢表面脱碳，使接触疲劳强度下降$ 表面硬度越高（与内部硬 度应匹配，其差不可太大），其接触疲劳强度越高，越不容易发生疲劳失效$ 表面硬度低 时，如果载荷不太大，由于表面材料塑性碾平的结果，不会发生疲劳失效。 如果表面硬度 不均匀，存在软点，则容易出现疲劳失效。 3.3 表面加工精度 零件表面的加工精度影响接触应力的分布。表面加工精度越差，表面接触区内的载荷集中 越严重，接触应力越大，越容易出现疲劳失效$ 表面粗糙度Ra值越小，应力集中小，接 触疲劳寿命高。有关研究表明，表面粗糙度由Ra=0.4mm提高到Ra=0.1mm时，接触 疲劳寿命可提高6～8 倍。 3.4 表面残余应力 接触表面具有残余压应力，则有利于接触疲劳强度的提高，能推迟裂纹的产生和发展，提 高轴承寿命。 3.5 润滑油 接触表面之间若无润滑油存在，因摩擦引起磨损，磨损的速度会远远超过其疲劳裂纹发展 的速度，此时疲劳失效就不会出现。当有润滑油存在时，油液将渗入已形成的裂缝之内， 产生巨大油压，从而加速裂纹的发展。润滑油黏度越小，越易渗入，就越容易出现疲劳失 效，反之则相反。 3.6 接触表面塑性变形 接触摩擦表面上塑性变形层的深度决定了裂纹的凹坑分布及深度，而变形程度则决定疲劳 裂纹的发展速度$ 表面层塑性变形的积累形成较大的残余应力，从而促进疲劳裂纹的产生 与发展。最初裂纹分布在摩擦面以下的剪应力较大的平面内。 4 防止表面点腐蚀及疲劳失效的措施 （1）产品结构设计时，应在安全范围内尽可能增大接触处的当量曲率半径，降低接触应 力。 （2）选用适当的摩擦副材料，提高屈服极限和疲劳极限$ 例如，滚道和滚动体选用同 一种材料，并使其硬度一致。 （3）改善钢锭的冶炼方法，进行净化处理，以真空冶炼脱氧为佳；提高金属材料的冶炼质 量和纯洁度，减少非塑性的非金属夹杂物存在，减少表层下应力集中。 （4）采用适当的金属热处理方法，使零件的表面和内部具有适宜的金相组织，使接触表面 具有残余压应力；渗碳钢表面碳化物颗粒要细，分布均匀；表面硬度要均匀，与内部硬度 要匹配，内、外圈滚道表面的硬度也要匹配。 （5）提高表面加工质量$ 例如，提高表面外观质量，按零件尺寸大小，根据标准提高表面 粗糙度Ra的精度等级。 （6）选用清洁度高的润滑剂，改善工作环境。 宁波金百联轴承有限公司供应微型至中型深沟球轴承、圆锥滚子轴承、短圆柱滚子轴承、平面推力轴承、英制系列轴承、带座球面轴承、及各种特制非标轴承等。 电话：022-58059063 13102005112 邮箱：web@okbbearing.com 地址：宁波市丽园北路1730??1736号
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