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轴承的失效

滚动轴承在使用过程中,由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏。
常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。

一、疲劳剥落

疲劳有许多类型,对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下,其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象,但形状尺寸很小,点蚀扩展后将形成疲劳剥落。疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积,使滚动表面呈凹凸不平的鳞状,有尖锐的沟角.通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路.产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面.轴承疲劳失效的机理很复杂,也出现了多种分析理论,如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象,只能对其中的部分现象作出解释。目前对疲劳失效机理比较统一的观点有:

1、次表面起源型

次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时,滚动表面是以内部(次表面)为起源产生的疲劳剥落。

2、表面起源型

表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时,滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。

3、工程模型

工程模型认为在一般工作条件下,轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。 疲劳产生的原因错综复杂,影响因素也很多,有与轴承制造有关的因素,如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等;也有与轴承使用有关的因素,如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。具体因素如下:

A、制造因素

  1. 产品结构设计的影响
    产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的,这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。在设计时,由于各种原因,会造成产品设计与使用的不适用或脱节,甚至偏离了目标值,这种情况很容易造成产品的早期失效。
  2. 材料品质的影响
    轴承工作时,零件滚动表面承受周期性交变载荷或冲击载荷。由于零件之间的接触面积很小,因此,会产生极高的接触应力。在接触应力反复作用下,零件工作表面将产生接触疲劳而导致金属剥落。就材料本身的品质来讲,其表面缺陷有裂纹、表面夹渣、折叠、结疤、氧化皮和毛刺等,内部缺陷有严重偏析和疏松、显微孔隙、缩孔、气泡、白点、过烧等,这些缺陷都是造成轴承早期疲劳剥落的主要原因。在材料品质中,另一个主要影响轴承疲劳性能的因素是材料的纯洁度,其具体表现为钢中含氧量的多少及夹杂物的数量多少、大小和分布上。
  3. 热处理质量的影响
    轴承热处理包括正火、退火、渗碳、淬火、回火、附加回火等。其质量直接关系到后续的加工质量及产品的使用性能。
  4. 加工质量的影响
    首先是钢材金属流线的影响。钢材在轧制或锻造过程中,其晶粒沿主变形方向被拉长,形成了所谓的钢材流线(纤维)组织。试验表明,该流线方向平行于套圈工作表面的与垂直的相比,其疲劳寿命可相差2.5倍。其次是磨削变质层。磨削变质层对轴承的疲劳寿命与磨损寿命有很大的影响。变质层的产生使材料表面层的组织结构和应力分布发生变化,导致表面层的硬度下降、烧伤,甚至微裂纹,从而对轴承疲劳寿命产生影响。受冷热加工条件及质量控制的影响,产品在加工过程中会出现质量不稳定或加工误差,如热加工的材料淬、回火组织达不到工艺要求、硬度不均匀和降低,冷加工的几何精度超差、工作表面的烧伤、机械伤、锈蚀、清洁底低等,会造成轴承零件接触不良、应力集中或承载能力下降,从而对轴承疲劳寿命产生不同程度的影响。

B、使用因素

使用因素主要包括轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。不正确的安装方法很容易造成成轴承损坏或零件局部受力产生应力集中,引起疲劳。过大的配合过盈量容易造成内圈滚道面张力增加及零件抗疲劳能力下降,甚至出现断裂。润滑不良会引起不正常的摩擦磨损,并产生大量的热量,影响材料组织和润滑剂性能。如果润滑不当,即便选用再好的材料制造,加工精度再高,也起不到提高轴承寿命的效果。密封不良容易使杂质进入轴承内部,既影响零件之间的正常接触形成疲劳源,又影响润滑或污染润滑剂。 根据疲劳产生的机理和主要影响因素,可以有针对性地提出预防措施。如对表面起源损伤引起的疲劳,可以通过对零件表面进行表面强化处理,对次表面起源型疲劳可以通过改善材料品质等措施。而提高零件加工质量尤其是零件表面质量、提高使用质量、控制杂质流入轴承内部、保证润滑质量等措施对预防和延缓疲劳都有十分重要的意义。

二、表面塑性变形

表面塑性变形主要是指零件表面由于压力作用形成的机械损伤。在接触表面上,当滑动速度比滚动速度小得多的时候会产生表面塑性变形。表面塑性变形分为一般表面塑性变形和局部表面塑性变形两类。

A、一般表面塑性变形是由于粗糙表面互相滚动和滑动,同时,使粗糙表面不断产生塑性碰撞所造成,其结果形成了冷轧表面,从外观上看,这种冷轧表面已被辗光,但是,如果辗光现象比较严重,在冷轧表面上容易形成大量浅裂纹,浅裂纹进一步发展可能(在粗糙表面区域区)导致显微剥落,但这种剥落很浅,只有几个微米,它能够覆盖很宽的接触表面,根据弹性流体动压润滑理论,一般表面塑性变形产生的原因是由于两个粗糙表面直接接触,其间没有形成承载的弹性流体动压润滑膜。因此,当油膜润滑参数小于一定值时将产生的一般表面塑性变形一般油膜润滑参数值越小表面塑性变形越严重

B、局部表面塑性变形局部表面塑性变形是发生在摩擦表面的原有缺陷附近。最常见的原有缺陷,如压坑(痕)、磕碰伤、擦伤、划伤等。

  1. 压坑(痕)
    压坑(痕)是由于在压力作用下硬质固体物侵入零件表面产生的凹坑(痕)现象。压坑(痕)的形态特征是:形状和大小不一,有一定深度,压坑(痕)边缘有轻微凸起,边缘较光滑。硬质固体特的来源是轴承零件在运转中产生的金属颗粒、密封不良造成轴承
    外部杂质侵入。压坑(痕)产生的部位主要在零件的工作表面上。预防压坑(痕)的措施主要有:提高零件的加工精度和轴承的清洁度、改善润滑、提高密封质量等。
  2. 磕碰伤
    磕碰伤是由于两个硬质特体相互撞击形成的凹坑现象??呐錾说男翁卣魇恿轿锾逍巫春拖嗷プ不髁Φ牟煌湫巫春痛笮〔灰?,但有一定深度,在其边缘处常有突起??呐錾酥饕遣僮鞑坏币鸬?。产生部位可以在零件的所有表面上。预防磕碰伤的措施主要有:提高操作者的责任心、规范操作、改进产品容器的结构和增加零件的?;ご胧┑?。
  3. 擦伤
    擦伤是两个相互接触的运动零件,在较大压力作用下因滑动摩擦产生的金属迁移现象。严重时可能伴随烧伤的出现。擦伤的形状不确定,有一定长底和宽度,深度一般较浅,并沿滑动(或运动)方向由深而浅。擦伤可以在产品制造过程中产生也可以在使用过程中产生。轴承制造成过程中的擦伤预防措施与磕碰伤的预防措施相同。使用中的擦伤预防措施主要是从防止“打滑”方面考虑,改进产品内部结构、提高过盈配合量、调整游隙、改善润滑、保证良好接触状态等。
  4. 划(拉)伤
    划(拉)伤是指硬质和尖锐物体在压力作用下侵入零件表面并产生相对移动后形成的痕迹?;艘话愠氏咝妥?,有一定深度,宽度比擦伤窄,划伤的伤痕方向是任意的,长度不定。产生部位主要在零件的工作表面和配合表面上。而拉伤只发生在轴承内径(过盈)配合面上,伤痕方向一般与轴线平行,有一定长度、宽度和深度,并成组出现?;丝梢栽谥岢兄圃旃讨胁部稍谑褂弥胁?。而拉伤只发生在轴承安装拆卸过程中。预防轴承制造过程中的划伤与预防磕碰伤的措施相同。预防使用中划伤与预防压坑(痕)的措施基本相同。预防拉伤的措施是严格安装拆卸规程、保证配合面的清洁、安装时在配合面上适当润滑等。

综上所述,预防表面塑性变形的措施是要正确选用轴承、增强材料的耐磨性,保证润滑的有效性、注意安装方法、提高轴承密封装臵的密封性等。

三、磨损

在力的作用下,两个相互接触的金属表面相对运动产生摩擦,形成摩擦副。磨擦引起金属消耗或产生残余变形,使金属表面的形状、尺寸、组织或性能发生改变的现象称为磨损。磨损过程包含有两物体的相互作用、黏着、擦伤、塑性变形、化学反应等几个阶段。其中物体相互作用的程度对磨损的产生和发展起着重要的作用。

磨损的基本形工有:疲劳磨损、黏着磨损、磨料(粒)磨损、微动磨损和腐蚀磨损等。

产生磨损的主要原因:
A、异物通过了密封不良的装臵(或密封圈)进入了轴承内部。
B、润滑不当。如润滑油中的杂质未过滤干净、润滑方式不良、润滑剂选用不当、润滑剂变质等。
C、零件接触面上的材料颗粒脱离,
D、锈蚀。如,由于轴承使用温度变化产生的冷凝水、润滑剂中添加剂的腐蚀性特质等原因形成的锈蚀。实际中多数磨损属于综合性磨损,预防对策应根据磨损的形式和机理分别采取措施。对于微动磨损,可以采用小游隙或过盈配合来减少使用过程中的微动磨损;可在套圈与滚动体之间采用稀润滑剂润滑或分别包装来减少运输过程的微动磨损;对于黏着磨损可以采取提高加工精度、增强润滑效果等措施来解决。 对于磨料(粒)磨损,可以采用表面强化处理、表面润滑处理(如渗硫、磷化、表面软金属膜涂层等)、改善轴承密封结构、提高零件加工精度、保证润滑油过滤质量、减少制造和使用过程中对表面的损伤等方法来解决。对于腐蚀磨损,应减少轴承使用环境中腐蚀物质的侵入、对零件表面进行耐腐蚀处理或采用耐腐蚀材料制造产品等手段来解决。

另外,还可以从产品结构设计和制造的角度进行改进,如提高零件的加工精度、减少磨削加工中产生的变质层、保证弹性流体动压润滑膜等实现预防磨损的目的。

四、腐蚀

金属与其所处环境中的物质发生化学反应或电化学反应变化所引起的消耗称为腐蚀。金属腐蚀的形式多种多样,就金属与周围介质作用的性质来分可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类化学腐蚀是由于金属与周围介质之间的纯化学作用引起的。其过程中没有电流产生,但有腐蚀物质产生。这种物质一般都覆盖在金属表面上形成一层疏松膜.化学反应形成的腐蚀机理比较简单,主要是物体之间通过接触产生了化学反应,如金属在大气中与水产生的化学反应形成的腐蚀(又称为锈蚀)电化学腐蚀是由于金属与周围介质之间产生电化学作用引起的。其基本特点是在腐蚀的同时又有电流产生。电化学反应的腐蚀机理主要是微电池效应。

就滚动轴承而言,产生腐蚀的主要原因有:
A、轴承内部或润滑剂中含有水、碱、酸等腐蚀物质
B、轴承在使用中的热量没有及时释放,冷却后形成水分
C、密封装臵失效
D、轴承使用环境湿度大
E、清洗、组装、存放不当

腐蚀产生部位:零件各表面都会有。按程度有腐蚀斑点或腐蚀坑(洞),斑点和蚀坑一般呈零星或密集分布,形状不规则,深度不定,颜色有浅灰色、红褐色、灰褐色、黑色。对于金属材料来说,消除腐蚀是比较困难的,但可以减缓腐蚀的发生,防止轴承与腐蚀物质接触,可以通过合金化,表面改性等方法提高耐腐蚀能力,使得金属表面形成一层稳定致密与基体结合固的钝化膜。

五、蠕动

受旋转载荷的轴承套圈,如果选用间隙配合,在配合表面上会发生圆周方向的相对运动,使配合面上产生磨擦、磨损、发热、变形,造成轴承不正常损坏。这种配合面周向的微小滑动称为蠕动或爬行。蠕动形成的机理是当内圈与轴配合过盈量不足时,在内圈与轴之间的配合面上因受力产生弹性变形而出现微小的间隙,造成内圈与轴旋转时在圆周方向上的不同步、打滑,严重时在压力作用下发生金属滑移。在外圈与壳体也同样会出理类似的情况。蠕动形貌特征在一些方面具有腐蚀磨损和微动磨损的某些特征。蠕变在形成过程中也有一些非常细小的磨损颗粒脱落并立即局部氧化,生成一种类似铁锈的腐蚀物。其区别主要根据它们的位臵和分布来判断,如果零件没有受到腐蚀又出现了褐色锈斑,锈斑的周围常常围绕着一圈碾光区,出现的部位又在轴承的配合表面上,那么可能就是蠕动。发生蠕动的配合面上,或出现镜面状的光亮色,或暗淡色,或咬合状,蠕动部位与零件原表面有明显区别。在轴承的端面由于轴向压紧力不足?;蛐壑崞捣蹦忧?,运转一定时间后也会出现蠕动的特征。产生蠕动的主要原因是内,外圈与轴或轴承座的配合过盈量不足,或载荷方向发生了变化。预防的措施:采用过盈配合并适当提高过盈量,在采用间隙配合的场合的场合可用黏结剂将两个配合面固定或沿轴(或轴承座)的轴向方向将轴承紧固。

六、烧伤

轴承零件在使用中受到异常高温的影响,又得不到及时冷却,使零件表面组织产生高温回火或二次淬火的现象称为烧伤。烧伤产生的主要原因是润滑不良、预载荷过大、游隙选择不当、轴承配合不当、滚道表面接触不良、应力过大等因素所致。如:
A、在轴向游动轴承中,如果外圈配合的过紧,不能在外壳孔中移动;
B、轴承工作中运转温度升高,轴的热膨胀引起很大的轴向力,而轴承又无法轴向移动时;
C、由于润滑不充分,或润滑剂选用不合理、质量问题、老化和变质等;
D、内外圈运转温度差大,加上游隙选择不当,外圈膨胀小内圈大呈过盈导致轴承温度急剧升高;
E、轴承承受的载荷过大和载荷分布均匀,形成应力集中;
F、零件表面加工粗糙,造成接触不良或油膜形成困难。
烧伤的形貌特征可以根据零件表面的颜色不同来判断。轴承在使用中由于润滑剂、温度、腐蚀等原因。零件表面会发生变化,颜色主要有淡黄色、黄色、棕红色、紫蓝色及蓝黑色等,其中淡黄色、黄色、棕红色属于变色,若出现紫蓝色或蓝黑色的为烧伤。烧伤容易造成零件表面硬度下降或出现微裂纹。烧伤产生的部位主要发生在零件的各接触表面上,如圆锥滚子轴承的挡边工作面、滚子端面、应力集中的滚表面等。烧伤的预防可根据烧伤产生的原因有针对性地采取措施。如正确选用轴承结构和配臵、避免轴了砂承受过大的载荷、安装时采用正确的安装方式防止应力集中、保证润滑效果等。

七、电蚀

电蚀是由电流放电引起,致使轴承零件表面出现电击的伤痕,此种损伤称为电蚀。在两零件接触面间一般存在一层油膜,该油膜一定有的绝缘作用,当有电流通过轴承内部时,在两面三刀零件接触表面形成电压差,当电压差高到足以击穿绝缘层时就会在两零件接触表面处产生火区放电,击穿油膜放电,产生高温,造成局部表面的熔融,形成弧凹状或沟蚀。受到电蚀的零件,其金属表面被局部加热和熔化,在放大镜下观察损伤区域一般呈现斑点、凹坑、密集的小坑,有金属熔融现象,电蚀坑呈现火山喷口状。电蚀会使零件的材料硬度下降,并加快磨损发生速度,也会诱发疲劳剥落。预防电蚀的措施是在焊接或其他带电体与轴承接触时加强轴承的绝缘或接地?;?,防止电荷的聚集并形成高的电位差,避免放电现象产生。防止电流与轴承接触。

八、裂纹和缺损

当轴承零件所承受的应力超出材料的断裂极限应力时,其内部或表面便发生断裂和局部断裂,这种使材料出现不连续或断裂的现象称为裂纹。在材料表面或表层下有一种貌似毛发的细微裂纹称为发纹。当发纹扩展到一定程度,使得部分材料完全脱离零件基体的现象称为断裂。裂纹一般呈线状,方向不定,有一定长度和深(宽)度,有尖锐的根部和边缘。裂纹有内部裂纹和表面裂纹之分,也有肉眼可见和不可见两种形式,对于肉眼不可见裂纹需要采用无损检测的方法进行观察。发纹一般呈细线状,方向沿钢材轧制方向断续分布,有一定长度和深度,有时单条有时数条出现。裂纹产生的原因较为复杂,影响因素很多,如原材料、锻造、冲压折叠、热处理、磨削、局部过大的应力等。发纹形成的原因是钢材在冶炼过程中产生的气泡或夹杂,经轧制变形后存在于材料表层。对于肉眼不可见裂纹需要采用无损检测的方法进行观察。裂纹的预防措施主要有,在制造方面应控制原材料缺陷如非金属夹杂、表面夹渣、折叠、显微孔隙、缩孔、气泡等??刂萍庸びαθ缛却泶慊鹗辈哪谟αΓㄈ扔α妥橹αΓ?、磨削应力、冲压应力等。在使用方面注意轴承安装过程中的非正常敲(撞)击以及安装不良造成的局部应力过大等。另外,还要保证润滑,增强密封效果,控制外部杂质流入,避免轴承与腐蚀性物质接触等。

九、保持架损坏

当滚动体进入或离开承载区域时,保持架将受到带有一定冲击性质的拉(压)应力作用,尤其是滚子轴承的滚子产生倾斜时所受到的应力会更大。在这种应力的反复作用下,保持架的兜孔、过梁、铆钉会出现变形、磨损、疲劳,甚至断裂现象。另外,不正确的安装方式也会损坏保持架。保持架相对套圈的强度一般较弱(尤其是冲压保持架),如果安装不得当,将安装力直接施加在保持架上,很容易造成保持架变形。冲压保持架制造过程中产生的应力过大也是造成保持架损坏的原因之一。防止保持架损坏的措施可以从设计、制造、安装方面考虑。保持架在运转中受到的拉(压)应力是无法避免的。但提高保持架的强度可通过适当增加保持架过梁(铆钉)强度来解决。滚子产生倾斜可以通过提高制造和安装质量来解决。改善润滑条件有助于减少磨损。对冲压保持架制造过程中产生的应力可采用振动光饰等方法支除或减少应力。

十、尺寸变化

轴承运转一定时间以后,会出现游隙减小或增大的现象。通过对零件尺寸检测可以发现轴承内、外圈或滚动体直径方向的尺寸发生了变化(增大或减?。?,影响轴承的正常旋转精度。若没有了游隙,会出现摩擦磨损加剧、工作温度上升、甚至“卡死”等现象。若游隙变大,会出现振动或噪声增大、旋转精度降低、应力集中等情况。轴承内径增大还很可能出现“甩圈”现象。轴承零件在热处理过程中,保留了一定数量的残佘奥氏体,而奥氏体是一种不稳定相,随着时间或温度的变化,奥氏体将逐步转变为较稳定的马氏体组织,由于马氏体组织的体积大于奥氏体组织,因此,在转变过程中零件的体积将发生涨大。而马氏体组织自身也会产生分解,马氏体分解的结果会出现尺寸收缩的现象。轴承工作温度高对奥氏体的转变和马氏体的分解有促进作用?;褂幸恢智榭?,零件在内应力释放过程中也会引起尺寸的改变。从预防或控制零件尺寸稳定性的角度考虑,可以在轴承零件热处理时对不稳定的残余奥氏体组织进行稳定化处理。另外,在使用中应保证轴承的使用温度低于轴承允许的工作温度,以防止尺寸出现较大的变化。

十一、使用不当引起的损坏

轴承使用不当引起的损坏在轴承失效中占有很大的比例。轴承使用不当涉及轴承选型、轴承配臵、轴承支承结构、配合、安装、润滑、密封、维护保养等诸多方面。轴承失效与使用不当密不可分。

十二、其他损伤

A、变色

变色是由于轴承在运转过程中因发热引起的表面颜色变化。另外,在温度作用下润滑剂中的部分化学物质、磨损的金属粉末等杂质会黏附在零件表面上也会引起轴承零件颜色变化,这种变色又称污斑。表面颜色一般呈淡黄色、黄色、茶色、棕红色、紫蓝色及蓝黑色等,发热引起的变色一般没有深度。对于使用中的轴承若出现深度变色如紫蓝色或蓝黑色的则有可能形成了烧伤。零件腐蚀也会引起变色,但这类变色有一定深度。轴承零件在运转过程中,因摩擦会产生大量的热,若润滑不充分或散热条件差,热量得不到及时的冷却或扩散,热量的聚积使轴承温度很快升高,温度升高会使附着在轴承零件表面的油膜产生氧化现象,形成一种浅褐色的氧化制,沉积附着在轴承的表面上。但这种变色并不影响轴承的使用,所以允许存生。当轴承因安装不当(如安装倾斜)或润滑不良等原因使轴承处于一种极不正常的工作状态,引起温度的急速上升,此时轴承的局部温度有可能超过轴承零件的回火温度,甚至更高,并产生严重的变色如蓝黑色或紫蓝色,形成烧伤现象,这种情况的变色轴承就不能再继续使用了。
变色的主要原因是轴承的工作游隙过小、局部应力集中、预载荷过大、润滑不良、润滑剂变质、散热条件差、润滑剂使用过量等。变色的预防可以通过选择合适润滑剂和润滑方式、保证油路畅通和及时供应、提高润滑效果、正确安装轴承、提高轴承散热条件、适当提高制造精度、防止应力集中等措施来解决。

B、麻点

麻点是由于材料的品质、腐蚀、疲劳、异物进入工作表面等原因在零件表面引起细小坑、点。其表面形态呈黑色针点状凹坑,有一定深度,单个、多个或密集出现。麻点在套圈或滚动体表面均有可能产生。麻点产生的机理因麻点产生的原因不同而不同,如疲劳,腐蚀、材料缺陷等都可能产生麻点。对麻点的预防可以从控制材料缺陷、腐蚀、润滑和密封方面考虑。一般来讲,对于非疲劳引起的尺寸较小的麻点可以继续使用。

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